本文摘要：摘要：寬帶全極化垂直昆蟲雷達(dá)是一種利用寬帶信號(hào)實(shí)現(xiàn)空中單只昆蟲分辨，利用多極化通道實(shí)現(xiàn)昆蟲全極化測(cè)量的雷達(dá)系統(tǒng)。當(dāng)被測(cè)昆蟲體型在不同極化軸向的電磁波反射功率可明顯分辨時(shí)，該雷達(dá)可利用當(dāng)極化方向平行于昆蟲體軸時(shí)，回波功率最大的基本原理，通過
摘要：寬帶全極化垂直昆蟲雷達(dá)是一種利用寬帶信號(hào)實(shí)現(xiàn)空中單只昆蟲分辨，利用多極化通道實(shí)現(xiàn)昆蟲全極化測(cè)量的雷達(dá)系統(tǒng)。當(dāng)被測(cè)昆蟲體型在不同極化軸向的電磁波反射功率可明顯分辨時(shí)，該雷達(dá)可利用“當(dāng)極化方向平行于昆蟲體軸時(shí)，回波功率最大”的基本原理，通過測(cè)量昆蟲極化散射矩陣，獲取昆蟲體軸方向，對(duì)研究昆蟲定向遷飛規(guī)律具有重要的作用。當(dāng)前垂直昆蟲雷達(dá)采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)饋源的方法，分時(shí)測(cè)量昆蟲目標(biāo)的極化散射矩陣，該方法同時(shí)受機(jī)械旋轉(zhuǎn)誤差、極化分時(shí)測(cè)量時(shí)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的誤差以及極化通道穩(wěn)定性隨有源電路時(shí)變所引入的測(cè)量誤差，測(cè)量精度不高，為了實(shí)現(xiàn)昆蟲的高分辨全極化散射特性測(cè)量，本文提出了一種高極化隔離的頻率步進(jìn)正交相位編碼的寬帶波形設(shè)計(jì)以及極化內(nèi)定標(biāo)方法，開發(fā)了一部寬帶全極化垂直昆蟲雷達(dá)系統(tǒng)，最終通過理論方法仿真分析與外場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，證明了該雷達(dá)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)昆蟲同時(shí)全極化寬帶的穩(wěn)定測(cè)量，驗(yàn)證了昆蟲體軸朝向的測(cè)量精度。
關(guān)鍵詞：全極化雷達(dá);極化誤差標(biāo)校;步進(jìn)頻波形編碼
1.引言
遷飛昆蟲學(xué)是一個(gè)研究蟲源與遷飛途徑、遷飛行為及其調(diào)控、研究方法和手段的學(xué)科，隨著該學(xué)科的發(fā)展[1]，出現(xiàn)了多種手段來對(duì)空中遷飛昆蟲進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究，主要包括燈光誘捕法、高空抓捕法、地面搜集法、雷達(dá)無線電探測(cè)等方法[2]。雷達(dá)作為遠(yuǎn)距離探測(cè)的工具，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)空域的全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)，為觀測(cè)空中蟲群遷飛提供了最有效的手段，它的應(yīng)用與發(fā)展推動(dòng)遷飛昆蟲學(xué)由定性研究發(fā)展到定量分析，在昆蟲遷飛領(lǐng)域有著不可替代的作用[1-3]。
電子通訊評(píng)職知識(shí)：航管雷達(dá)天線基座水平度測(cè)量及調(diào)整方法
垂直昆蟲雷達(dá)是一種以垂直對(duì)天的固定角度輻射電磁波，對(duì)空中遷飛昆蟲進(jìn)行探測(cè)的系統(tǒng)。由于昆蟲體內(nèi)含有水分，昆蟲可以反射電磁波產(chǎn)生雷達(dá)回波信號(hào)[3]。上世紀(jì)40年代，氣象學(xué)家證實(shí)天氣雷達(dá)可以發(fā)現(xiàn)昆蟲目標(biāo)，從此拉開了雷達(dá)監(jiān)測(cè)遷飛性害蟲的新序幕。與傳統(tǒng)手段相比，昆蟲雷達(dá)具有取樣范圍大、掃描速度快、不受白天黑夜影響等諸多優(yōu)勢(shì)，而且雷達(dá)監(jiān)測(cè)時(shí)不會(huì)干擾蟲子的正常飛行，因此，昆蟲雷達(dá)被譽(yù)為一種卓越的、無可替代且強(qiáng)有力的工具[4]。
通過解算，昆蟲雷達(dá)可以獲取遷飛害蟲的數(shù)量、高度、方向、速度、定向角度、與體型有關(guān)的參數(shù)和振翅頻率等[5]。其中定向角度的測(cè)量可以幫助人們判斷昆蟲的遷飛路徑，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)的信息，可以更好地為遷飛性害蟲的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)[5]。獲取高精度目標(biāo)極化信息的能力是評(píng)價(jià)一部昆蟲雷達(dá)的關(guān)鍵能力，國(guó)外現(xiàn)有昆蟲雷達(dá)皆為窄帶單極化體制，采用旋轉(zhuǎn)饋源的方法以達(dá)到測(cè)量不同極化方向信息的目的，該類型的昆蟲雷達(dá)在低密度遷飛場(chǎng)景下可獲得單個(gè)昆蟲的生物參數(shù)信息，在昆蟲高密度遷飛場(chǎng)景中，則無法分辨單只昆蟲[6]。
此外，由于對(duì)遷飛昆蟲的定向角度估計(jì)是基于對(duì)昆蟲目標(biāo)的全極化信息來獲得的，現(xiàn)有的昆蟲雷達(dá)無法同時(shí)測(cè)量目標(biāo)的全極化信息，這將導(dǎo)致測(cè)得的遷飛昆蟲的定向角度誤差較大，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)遷飛昆蟲的飛行朝向和遷飛路徑。為解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了高分辨同時(shí)全極化昆蟲雷達(dá)系統(tǒng)，采用頻率步進(jìn)原理合成大帶寬信號(hào)，使雷達(dá)具有高距離分辨探測(cè)能力，從而實(shí)現(xiàn)空中遷飛昆蟲進(jìn)行單只測(cè)量[7]。利用雙極化通道同時(shí)工作實(shí)現(xiàn)同時(shí)全極化測(cè)量，即雷達(dá)的水平極化通道(以下稱H極化通道或H通道)和垂直極化通道(以下稱V極化通道或V通道)同時(shí)工作，并設(shè)計(jì)兩路正交步進(jìn)頻發(fā)射信號(hào)波形，達(dá)到提高極化測(cè)量通道隔離度的目的。
同時(shí)，由于多通道的全極化雷達(dá)電路存在非理想因素，在有源電路中存在著時(shí)變、溫變的幅相誤差，如何有效的解決這些誤差的標(biāo)校，對(duì)全極化雷達(dá)有著重要的意義[8]，本文基于內(nèi)校準(zhǔn)原理，設(shè)計(jì)一個(gè)定時(shí)內(nèi)校準(zhǔn)工作方法，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)發(fā)射或接收通道進(jìn)行幅相校正，有效降低全極化雷達(dá)多通道間的幅相誤差大的問題，提高全極化昆蟲雷達(dá)極化散射矩陣的測(cè)量精度。
將以上兩種設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于寬帶全極化雷達(dá)系統(tǒng)中，提高該雷達(dá)對(duì)昆蟲定向角度的測(cè)量精度，本文給出設(shè)計(jì)方法和雷達(dá)實(shí)測(cè)結(jié)果。文章第一節(jié)敘述了寬帶全極化雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)的研究方法和研究意義;第二節(jié)描述了昆蟲定向角度測(cè)量模型，第三節(jié)設(shè)計(jì)了寬帶正交同時(shí)全極化信號(hào)模型，給出實(shí)現(xiàn)算法和公式;第四節(jié)設(shè)計(jì)了昆蟲雷達(dá)定時(shí)內(nèi)校準(zhǔn)工作模式，并設(shè)計(jì)了有源電路時(shí)變、溫變誤差修正計(jì)算公式;第五節(jié)對(duì)寬帶正交同時(shí)全極化信號(hào)模型進(jìn)行隔離度仿真，并通過在云南省江城縣開展的試驗(yàn)，驗(yàn)證該雷達(dá)系統(tǒng)波形隔離度和對(duì)昆蟲定向角度測(cè)量精度;第六節(jié)對(duì)本文的設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)論總結(jié)。
2.寬帶正交同時(shí)全極化信號(hào)模型
在同時(shí)全極化工作模式下，雷達(dá)的H極化通道和V極化通道同時(shí)工作，通過全極化天線同時(shí)發(fā)射電磁波信號(hào)，電磁波信號(hào)經(jīng)由目標(biāo)反射后，形成帶有目標(biāo)極化信息的回波信號(hào)返回雷達(dá)天線，雷達(dá)采集接收信號(hào)后，為了獲得目標(biāo)的極化散射矩陣，需解析出四路信號(hào)，分別為H極化發(fā)射H極化接收信號(hào)(HH)、H極化發(fā)射V極化接收信號(hào)(VH)、V極化發(fā)射H極化接收信號(hào)(HV)、V極化發(fā)射V極化接收信號(hào)(VV)[13]。為了分離出H和V通道的信號(hào)，本文設(shè)計(jì)兩個(gè)極化通道為正交的波形相匹配的參考信號(hào)，即可在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)解析出4路通道信號(hào)，本文設(shè)計(jì)一種正負(fù)調(diào)頻結(jié)合隨機(jī)相位編碼的正交波形，用于實(shí)現(xiàn)同時(shí)全極化信號(hào)解析。
3.內(nèi)定標(biāo)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)
垂直昆蟲雷達(dá)在測(cè)量昆蟲定向角度時(shí)，測(cè)量結(jié)果對(duì)不同極化通道間的幅度和相位一致性較為敏感，在雷達(dá)系統(tǒng)中如何保證兩個(gè)極化通道間幅相變化的一致性成為雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)[15]。昆蟲雷達(dá)發(fā)射和接收鏈路包含有源放大器件和濾波器等器件，該類器件在環(huán)境溫度微變的情況下，對(duì)頻率、幅度、相位的響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化。為了消除高分辨垂直昆蟲雷達(dá)不同極化通道間的時(shí)變、溫變的幅度和相位誤差，本文設(shè)計(jì)了垂直昆蟲雷達(dá)設(shè)計(jì)了內(nèi)校準(zhǔn)通道、內(nèi)校準(zhǔn)工作模式以及算法，提高雷達(dá)系統(tǒng)的極化測(cè)量精度，從而提高昆蟲定向角度的測(cè)量精度，具體方案如下。
4.仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)以上設(shè)計(jì)，對(duì)比在同時(shí)全極化模式下，仿真波形設(shè)計(jì)提升的極化通道隔離度水平，并對(duì)架設(shè)于云南省江城縣的高分辨全極化垂直昆蟲雷達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證，驗(yàn)證了在系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)內(nèi)校準(zhǔn)后，H和V極化通道間幅相變化一致性的改善，并測(cè)試了該雷達(dá)對(duì)昆蟲定向角度測(cè)量的精度。
5.結(jié)論
本文研究了寬帶全極化昆蟲雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，針對(duì)昆蟲定向角度測(cè)量精度問題，提出了通過對(duì)水平極化和垂直極化通道的正交編碼波形設(shè)計(jì)，使垂直和水平極化通道間的波形隔離度達(dá)到28.5dB，高于普通雙極化天線硬件隔離度水平;并在雷達(dá)的有源鏈路中設(shè)計(jì)了內(nèi)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)極化通道間幅度穩(wěn)定性±0.45dB、相位±4.1°(誤差標(biāo)準(zhǔn)差);最后在試驗(yàn)中驗(yàn)證了本寬帶全極化昆蟲雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于昆蟲定向角度的測(cè)量誤差均值可達(dá)到0.17°，標(biāo)準(zhǔn)差為4.23°。
參考文獻(xiàn)：
[1]RileyJR.Remotesensinginentomology[J].AnnualRe-viewofEntomology,1989,34(1):247-271.
[2]ChapmanJW,SmithAD,WoiwodIP,etal.Developingvertical-lookingradartechnologyformonitoringinsectmigration[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2002,35(2-3):95-110.
[3]封洪強(qiáng).雷達(dá)昆蟲學(xué)40年研究的回顧與展望[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009(9):121-126.FengHongqiang.Reviewandprospectofradarentomologyfor40years[J].JournalofHenanAgriculturalSciences，2009(9):121-126.(inChinese)
[4]蕭玉濤,吳超,吳孔明.中國(guó)農(nóng)業(yè)害蟲防治科技70年的成就與展望[J].應(yīng)用昆蟲學(xué)報(bào),2011,56(6):1115-1124.XiaoYutao,WuChao,WuKongming.ChineseJournalofAppliedEntomology[J].ChineseJournalofAppliedEntomology,2019,56(6):1115-1124.(inChinese)
[5]吳秋琳,姜玉英,胡高,etal.中國(guó)熱帶和南亞熱帶地區(qū)草地貪夜蛾春夏兩季遷飛軌跡的分析[J].植物保護(hù),2019,045(3):1-9.WuQiulin,JiangYuying,HuGao,WuKongming.Analysisonspringandsummermigrationroutesoffallarmyworm(Spodopterafreguperda)fromtropicalandsouthernsubtropicalzonesofChina[J].PlantProtection,2019,45(3):1-9.(inChinese)
[6]HaoZhenhua,DrakeV,TaylorJohn.Resolvingtheheading‐directionambiguityinvertical‐beamradarobservationsofmigratinginsects[J].EcologyandEvolution,2019,9(10):1002.
作者：于騰1,2王銳1,3李沐陽1,2胡程1,3
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