一种昆虫振翅频率测量装置及方法

1.本发明涉及昆虫迁飞行为参数测量技术领域，具体涉及一种昆虫振翅频率测量装置及方法。


背景技术：

2.昆虫迁飞是农林生态系统中害虫灾变的重要因素之一。多数农林害虫具有迁飞习性，具备较强的飞行能力，如草地贪夜蛾、粘虫、棉铃虫、东亚飞蝗等。昆虫种类繁多，其翅膀类型也多种多样，如鳞翅目的蛾类和蝶类，其前后翅面多覆盖细密鳞片；鞘翅目的甲虫类，其前翅翅面为鞘翅，后翅为膜翅；直翅目的蝗虫、蟋蟀等，其前翅狭长为革质，后翅为膜质。尽管昆虫翅膀有多种类型，但是昆虫翅膀均由前翅和后翅组成，且前翅和后翅分别生于昆虫躯体的中胸和后胸；同时，不同种类的昆虫均是通过翅联锁实现前后翅联动，进而形成有序的拍动，即振翅行为，最终产生升力实现飞行。不同种类的昆虫，振翅频率差异很大，有的昆虫振翅频率仅为10hz左右，而有的昆虫的振翅频率可以达到1000hz；同种昆虫，在不同的行为或者生理状态下，其振翅频率也有明显的差异。昆虫振翅行为是昆虫迁飞行为的动力基础，是评估昆虫迁飞能力、反映昆虫行为和生理状态的重要指标。
3.近年来，昆虫雷达技术获得了很大的发展，以昆虫振翅频率为模型参数的昆虫雷达识别技术也已经兴起，昆虫雷达识别技术需要首先对昆虫的振翅频率进行测量以建立昆虫雷达识别的模型数据库。当前，对昆虫振翅频率进行测量主要依赖于频闪仪和高速摄像机。利用频闪仪开展昆虫振翅频率测量主要是获取昆虫飞行过程中视觉静止状态下的闪光频率，由于一些种类的昆虫，如夜蛾科昆虫对闪光这一环境因素刺激具有明显的响应，同时观测人员对静止状态的判断存在主观性，因此利用频闪仪这一方法存在测试数据不准确的缺陷。利用高速摄像机开展振翅频率测量主要应用于飞行动力学和昆虫仿生学方面研究，且设备仪器复杂、昂贵，不利于高效、快速地获取振翅频率。


技术实现要素：

4.为解决以上现有技术中存在的问题中的至少一个，本发明提供了一种昆虫振翅频率测量装置及方法，其设备简单，成本低、且测试结果准确度高。
5.本发明的第一个目的是提供一种昆虫振翅频率测量装置，包括测试箱，还包括昆虫固定组件和振翅频率测量组件，所述昆虫固定组件设置于所述测试箱内，用于将昆虫固定于测试箱内的固定位置处且不影响昆虫正常的振翅行为；所述振翅频率测量组件包括光电传感器，所述光电传感器设置于所述测试箱的上壁，且其发出的光束在昆虫展翅的状态下投射于昆虫前翅，在昆虫翅膀上扬的状态下，投射于测试箱的下壁。
6.优选的是，所述昆虫固定组件包括基板、昆虫针和吊环，所述基板固定设置于所述测试箱的上壁内侧，所述昆虫针的第一端与所述基板可拆卸连接，第二端与所述吊环连接，测试时，所述吊环卡接于被测昆虫的胸腹结合部位。
7.上述任一方案优选的是，所述昆虫针的第二端通过转接塑料管与所述吊环固定连
接。
8.上述任一方案优选的是，所述基板为高密度泡沫板，其通过粘结、卡接、铆接或者其他方式固定设置于所述测试箱的上壁内侧；所述昆虫针的第一端为扁平状结构、十字型结构、y型结构、u型结构、棱柱状结构或者其他非圆柱状结构。
9.上述任一方案优选的是，所述基板采用铁磁材料制作而成，其通过粘结、卡接、铆接或者其他方式固定设置于所述测试箱的上壁内侧；所述昆虫针的第一端设置有磁铁，通过所述磁铁，所述昆虫针与所述基板可拆卸连接。
10.上述任一方案优选的是，所述昆虫振翅频率测量装置还包括操作板，所述操作板上设置有凹槽，用于在将昆虫卡接于吊环之前对昆虫进行预处理。
11.上述任一方案优选的是，所述操作板为高密度泡沫板。
12.上述任一方案优选的是，所述吊环和所述凹槽设置有不同的尺寸，用于适配不同的昆虫。
13.上述任一方案优选的是，所述振翅频率测量组件还包括处理器，所述处理器与所述光电传感器电连接，用于接收所述光电传感器输出的测量信号，并对测量信号进行处理，以获得测量结果。
14.上述任一方案优选的是，所述振翅频率测量组件还包括感应距离调节器，所述感应距离调节器设置于所述光电传感器与所述处理器之间，用于对所述光电传感器的感应距离进行调整。
15.上述任一方案优选的是，所述测试箱的侧面设置有门，用于更换被测昆虫。
16.本发明的另一个目的是提供一种昆虫振翅频率测量方法，包括：
17.步骤1：采用操作板对被测昆虫进行预处理；
18.步骤2：将预处理后的被测昆虫的胸腹结合部位卡接于吊环内；
19.步骤3：确定被测昆虫在测试箱内的位置，并将被测昆虫固定于基板上；
20.步骤4：被测昆虫产生振翅行为，每个振翅行为中，光电传感器发出的光束投射于被测昆虫的前翅和测试箱的下壁，产生一次振翅行为信号；
21.步骤5：根据被测昆虫在测试时间内的振翅行为信号个数计算振翅频率。
22.优选的是，步骤1：采用操作板对被测昆虫进行预处理，包括：
23.步骤11：根据被测昆虫的种类和体型选择操作板上合适尺寸的凹槽；
24.步骤12：采用低浓度麻醉剂将被测昆虫麻醉至翅膀不抖动，然后背部朝上置于选择的凹槽内；
25.步骤13：使用大头针和毛刷将被测昆虫调整为展翅状态，并固定翅膀，使胸腹结合部位裸露。
26.上述任一方案优选的是，步骤1还包括：
27.步骤14：对于胸腹结合部位存在鳞毛的被测昆虫，使用毛刷清理被测昆虫胸腹结合部位的鳞毛。
28.上述任一方案优选的是，步骤2：将预处理后的被测昆虫的胸腹结合部位卡接于吊环内，包括根据被测昆虫的种类和体型选择合适尺寸的吊环卡接于被测昆虫的胸腹结合部位。
29.上述任一方案优选的是，步骤2中，将吊环卡接于被测昆虫的胸腹结合部位之前，
吊环先蘸取少量的胶水。
30.上述任一方案优选的是，步骤3：确定被测昆虫在测试箱内的位置，并将被测昆虫固定于基板上，包括：
31.步骤31：持固定有被测昆虫的操作板在测试箱内做水平移动，至光电传感器发出的光束投射在被测昆虫的一侧前翅的中室附近，且被测昆虫位于基板的正下方；
32.步骤32：将与卡接有被测昆虫的吊环连接的昆虫针向上移动，移动过程中，使光电传感器发出的光束始终投射于被测昆虫的前翅的中室附近，至昆虫针与基板连接。
33.上述任一方案优选的是，步骤3还包括将昆虫从操作板上取下。
34.上述任一方案优选的是，步骤5中，所述测试时间0.5～10秒。
35.本发明的昆虫振翅频率测量装置及方法具有以下有益效果：
36.1、装置结构简单，易于维护，成本低。通过采用光电传感器，将飞行状态中的昆虫翅膀拍动产生的规律性的光信号转换为脉冲信号，从而通过处理器获取昆虫的振翅频率。
37.2、光电传感器发出的光束仅投射于昆虫前翅的中室附近，对于昆虫无刺激，不会影响昆虫的飞行行为，测试结果准确。
38.3、通过系留吊飞的方式，在对昆虫的生理状态几乎没有影响的情况下，使被测昆虫产生持续的飞行行为，进一步提高了测试结果的准确性。
39.4、操作简单方便，测试时间短，效率高。
附图说明
40.图1为按照本发明的昆虫振翅频率测量装置的一优选实施例的结构示意图。
41.图2为按照本发明的昆虫振翅频率测量装置的如图1所示实施例的光电传感器结构示意图。
42.图3为按照本发明的昆虫振翅频率测量装置的如图1所示实施例的处理器正面及背面结构示意图。
43.图4为按照本发明的昆虫振翅频率测量装置的如图1所示实施例的昆虫固定组件结构示意图。
44.图5为按照本发明的昆虫振翅频率测量装置的如图1所示实施例的操作板结构示意图。
45.图6为按照本发明的昆虫振翅频率测量装置的被测昆虫与吊环卡接后的示意图。
46.图7为按照本发明的昆虫振翅频率测量方法的一优选实施例的流程示意图。
47.图8为按照本发明的昆虫振翅频率测量方法中，处于测试状态下的昆虫第一姿态示意图。
48.图9为按照本发明的昆虫振翅频率测量方法中，处于测试状态下的昆虫第二姿态示意图。
49.图中，各附图标记表示的部件名称为：
50.1-测试箱，11-把手，2-昆虫固定组件，21-昆虫针，211-昆虫针的第一端，22-转接塑料管，23-吊环，24-基板，3-光电传感器，31-光束，32-固定件，4-处理器，41-显示区，42-控制区，43-接线区，5-感应距离调节器，7-被测昆虫，71-前翅，72-后翅，8-导线，9-操作板，91-凹槽，92-大头针。
具体实施方式
51.为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作详细说明。
52.实施例1
53.如图1所示，一种昆虫振翅频率测量装置，包括测试箱1，还包括昆虫固定组件2和振翅频率测量组件，所述昆虫固定组件2设置于所述测试箱1内，用于将昆虫7固定于测试箱1内的固定位置处且不影响昆虫正常的振翅行为；所述振翅频率测量组件包括光电传感器3，所述光电传感器3设置于所述测试箱1的上壁，且其发出的光束31在昆虫7展翅的状态下投射于昆虫前翅，在昆虫翅膀上扬的状态下，投射于测试箱1的下壁。
54.如图1和图4所示，所述昆虫固定组件2包括基板24、昆虫针21和吊环23，所述基板24固定设置于所述测试箱1的上壁内侧，所述昆虫针21的第一端与所述基板24可拆卸连接，第二端与所述吊环23固定连接，测试时，所述吊环23卡接于被测昆虫7的胸腹结合部位。
55.所述昆虫针21的第二端可以通过现有技术中的任何一种方式与所述吊环23连接，如焊接、卡接、螺纹连接等。在本实施例中优选的是，所述吊环23有多种不同的尺寸，用于适配不同的被测昆虫，其外形为圆弧形，开口向下或者斜下方。所述昆虫针21的第二端通过转接塑料管22与所述吊环23固定连接，即所述昆虫针22的第二端插入所述转接塑料管22的第一端，所述吊环23上设置有凸出部，所述凸出部插入所述转接塑料管22的第二端，所述转接塑料管与所述昆虫针21的第二端、所述凸出部过盈配合。由于转接塑料管22具有一定的弹性，采用转接塑料管22将所述昆虫针21的第二端与所述吊环23连接，可以方便地根据昆虫的种类和大小更换不同尺寸的吊环23，且在昆虫振翅的过程中吊环23和昆虫针21之间不会发生相对转动。
56.在本实施例中优选的是，所述基板24为高密度泡沫板，其通过粘结、卡接、铆接或者其他方式固定设置于所述测试箱1的上壁内侧；所述昆虫针21的第一端为扁平状结构、十字型结构、y型结构、u型结构、棱柱状结构或者其他非圆柱状结构。所述昆虫针21的第一端通过插入基板24的方式与所述基板24连接。所述昆虫针21的第一端设置为非圆柱状结构，可以在昆虫振翅的过程中防止所述昆虫针21与所述基板24之间发生相对转动。
57.在本实施例中优选的是，如图5所示，所述昆虫振翅频率测量装置还包括操作板9，所述操作板9上设置有凹槽91，用于在将被测昆虫卡接于吊环23之前对被测昆虫进行预处理。所述操作板9为高密度泡沫板。所述操作板9上可以设置有多个不同尺寸的凹槽91，也可以有多个操作板9，每个操作板9上设置有至少一个所述凹槽91。
58.如图1至图3所示，所述振翅频率测量组件还包括处理器4，所述处理器4与所述光电传感器3电连接，用于接收所述光电传感器3输出的测量信号，并对测量信号进行处理，以获得测量结果。所述振翅频率测量组件还包括感应距离调节器5，所述感应距离调节器5设置于所述光电传感器3与所述处理器4之间，用于对所述光电传感器的感应距离进行调整。不同种类、不同大小的被测昆虫，其翅膀长度不同，在采集测量数据之前，需要在被测昆虫拍打翅膀时不触碰测试箱1壁的前提下，根据昆虫翅膀的大小、借助所述感应距离调节器5调整所述光电传感器3的感应距离，以保证被测昆虫在拍打翅膀的过程中处于光电传感器3的感应距离内。
59.具体地说，所述测试箱1的上壁上，靠近所述基板24的位置处设置有一通孔，所光电传感器3的发光头穿过所述通孔并通过紧固件32固定，以使其发出的光束31可以在被测
昆虫7位置固定后、处于展翅状态下投射于被测昆虫7的前翅；翅膀上扬状态下，投射于所述测试箱1的下壁。在本实施例中优选的是，所述光电传感器3选用m6型漫反射微型激光传感器(npn型)，其光源波长为660nm，光斑直径为0.5mm，响应时间为5ms，工作电压为dc10～30v，其固定于所述测试箱1的上壁后，发出的光束31优选为垂直向下投射，也可以向斜下方投射。所述光电传感器3与处理器4通过导线8电连接，在所述光电传感器3与所述处理器4之间设置有所述感应距离调节器5，所述感应距离调节器5用于根据被测昆虫翅膀的大小调节光电传感器3的感应距离，以保证被测昆虫翅膀在拍打过程中处于光电传感器3的有效的感应距离内。所述处理器4内设置有信号处理电路、单片机、存储器，所述光电传感器3采集的测量信号通过所述信号处理电路进行预处理后经过所述单片机计算获得测量结果，并通过所述处理器4正面设置的显示区41进行结果显示；所述存储器用于对处理器4的相关数据进行存储，所述单片机还用于接收所述处理器4正面控制区42的控制信号，并执行相应的处理操作；所述处理器4背面设置有接线区43，用于将与其他设备连接的导线接入。
60.在本实施例中优选的是，所述测试箱1的侧面设置有门，所述门上设置有把手11，通过所述把手11实现所述门的开闭，进而对被测昆虫7进行更换。所述门可以为推拉门、旋转开合的门等。为了便于对测试箱1内的情况进行观察，所述测试箱1可以全部或者部分采用透明材质，如透明亚克力板制作而成，测试过程中，将所述门关闭，以形成一个相对稳定的测量环境条件。对于擅长在夜间活动的昆虫，测试时，可以在所述测试箱1的外侧盖遮光布以模拟夜间环境。所述测试箱1的长宽高的取值范围优选为10～20cm。
61.如图7所示，一种昆虫振翅频率测量方法，包括：
62.步骤1：采用操作板9对被测昆虫7进行预处理；
63.步骤2：将预处理后的被测昆虫7的胸腹结合部位卡接于吊环23内；
64.步骤3：确定被测昆虫7在测试箱1内的位置，并将被测昆虫7固定于基板24上；
65.步骤4：被测昆虫7产生振翅行为，每个振翅行为中，光电传感器3发出的光束31投射于被测昆虫7的前翅和测试箱1的下壁，产生一次振翅行为信号；
66.步骤5：根据被测昆虫7在测试时间内的振翅行为信号个数计算振翅频率。
67.在本实施例中优选的是，步骤1：采用操作板5对被测昆虫7进行预处理，包括：
68.步骤11：根据被测昆虫7的种类和体型选择操作板9上合适尺寸的凹槽91；
69.步骤12：采用低浓度麻醉剂将被测昆虫7麻醉至翅膀不抖动，然后背部朝上置于选择的凹槽91内；
70.步骤13：使用大头针92和毛刷将被测昆虫7调整为展翅状态，并固定翅膀，使胸腹结合部位裸露。需要说明的是，在固定被测昆虫翅膀的过程中，如图5和图6所示，应该使大头针92的尖端斜插入所述操作板，使大头针将昆虫的翅膀压于其下，以免对被测昆虫的翅膀造成损坏，必要情况下，需要采用多枚大头针从多个不同的方向对被测昆虫的翅膀进行固定。
71.在本实施例中优选的是，步骤1还包括：
72.步骤14：对于胸腹结合部位存在鳞毛的被测昆虫，使用毛刷清理被测昆虫胸腹结合部位的鳞毛，以便于被测昆虫可以更好的卡接于吊环23内。
73.在本实施例中优选的是，步骤2：将预处理后的被测昆虫的胸腹结合部位卡接于吊环内，包括根据被测昆虫的种类和体型选择合适尺寸的吊环卡接于被测昆虫的胸腹结合部
位。被测昆虫与吊环卡接后如图6所示。为了使被测昆虫与吊环23卡接的更加牢固，可以将吊环23卡接于被测昆虫的胸腹结合部位之前，吊环23先蘸取少量的胶水。
74.在本实施例中优选的是，步骤3：确定被测昆虫7在测试箱1内的位置，并将被测昆虫固定于基板上，包括：
75.步骤31：持固定有被测昆虫7的操作板9(如图6所示的操作板)在测试箱1内做水平移动，至光电传感器3发出的光束31投射在被测昆虫7的一侧前翅的中室附近，且被测昆虫7位于基板24的正下方；
76.步骤32：将与卡接有被测昆虫7的吊环23连接的昆虫针21向上移动，至其与基板24连接。需要说明的是，在将昆虫针21向上移动的过程中，应该使光电传感器3发出的光束31始终投射于被测昆虫7的前翅的中室附近。
77.步骤3还包括将昆虫从操作板上取下。
78.绝大多数昆虫在系留悬吊下会保持持续的飞行行为，昆虫的飞行行为可以看做是昆虫周期性地展翅-翅膀上扬-展翅-翅膀上扬的过程，而且绝大多数昆虫的前翅为不透明或者半透明状态。步骤4中，每当被测昆虫7处于展翅状态(如图8所示的状态)时，光电传感器3发出的光束31会投射于被测昆虫7的前翅，而当被测昆虫7的翅膀处于上扬状态(如图9所示的状态)时，光电传感器3发出的光束31会投射于测试箱1的下壁。可以发现，在昆虫系留吊飞的过程中，昆虫每一个周期的振翅行为，光电传感器3都会由于光束31投射位置的不同而检测到不同的周期性的信号，如光电传感器3的光束投射于测试箱1的下壁时检测到高电平信号，随着昆虫翅膀上扬至最高状态后再展开，当光束31投射于昆虫前翅时，高电平信号变为低电平信号，然后昆虫翅膀展开至最大状态-稍向下倾斜-上扬，当昆虫翅膀上扬至光束31再次投射于测试箱1的下壁时，低电平信号又变为高电平信号，然后重复上述过程。在被测昆虫7的系留吊飞过程中，随着翅膀的反复拍动，光电传感器3检测到连续的、周期性的振翅行为信号。
79.步骤5中，处理器4根据被测昆虫7在测试时间内的振翅行为信号个数计算振翅频率。所述测试时间0.5～10秒，通过所述处理器4的控制区41设置测试时间以及开始测试。如在设定的测试时间t内检测到n个周期性的振翅行为信号，则振翅频率f＝n/t。需要说明的是，由于光电传感器3检测的振翅行为信号不可避免的有噪声，因此，通过信号处理电路对振翅行为信号进行预处理，如滤波、去噪等，检测结果以及设置的测试时间等可以存储于所述存储器内，所述显示区41可以用于显示测试结果以及设定的测试时间等。
80.实施例2
81.与实施例1所不同的是，在本实施例中优选的是，所述基板24采用铁磁材料制作而成，其通过粘结、卡接、铆接或者其他方式固定设置于所述测试箱1的上壁内侧；所述昆虫针21的第一端设置有磁铁，通过所述磁铁，所述昆虫针21与所述基板24可拆卸连接。
82.需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应该理解：其可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。