一种基于微多普勒参数空间搜索的昆虫微弱振翅频率雷达测量方法

1.本发明涉及雷达测量技术领域，具体涉及一种基于微多普勒参数空间搜索的昆虫微弱振翅频率雷达测量方法。


背景技术：

2.我国是全球最重要的昆虫迁飞场，水稻、小麦、玉米等作物的重大迁飞性害虫均在我国远距离迁飞，是造成虫害异地爆发的重要原因，严重威胁国家粮食生产安全。迁飞虫害精准预警的核心是要获取昆虫迁飞行为的精确测量，雷达通过发射和接收电磁波来实现目标探测，可以在不影响昆虫迁飞的前提下，实现迁飞行为的大空域、远距离探测，是实现昆虫迁飞行为监视的最有效手段。
3.振翅行为是昆虫实现迁飞行为的必要条件，其振翅频率反映了昆虫在飞行过程中翅膀上下拍动的快慢，是衡量昆虫飞行能力的重要行为学参数之一，并且可用于实现不同昆虫的种类辨识。传统昆虫雷达测量振翅频率主要基于昆虫振翅引起的回波幅度或者相位起伏。基于回波幅度起伏的振翅频率测量方法的成功率和精度易受回波信噪比、振翅幅度的影响，仅适用于中大型昆虫的振翅频率测量；基于相位起伏的振翅频率测量方法，利用回波相位信息，大幅提升了振翅频率测量精度，但依旧面临着低信噪比下的测量成功率与精度低的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种微多普勒参数空间搜索的昆虫微弱振翅频率雷达测量方法，该方法首先采用时频分析的方法，将雷达采集到的昆虫回波变换到微多普勒参数空间，得到微多普勒谱图；进而，采用generalized radon fourier transform(grft)参数空间搜索的方法，将微多普勒谱图转换到振翅参数(振翅频率/振翅幅度)平面，并在此过程中实现低昆虫微弱振翅回波的长时间相参积累；最终，通过检测振翅参数平面的峰值，最终实现昆虫振翅频率的提取。
5.本发明的技术解决方案是：
6.一种基于微多普勒参数空间搜索的昆虫微弱振翅频率雷达测量方法，包括如下步骤：
7.步骤一：对昆虫雷达回波进行时频分析，获取昆虫的微多普勒谱图；
8.步骤二：根据步骤一获取的昆虫的微多普勒谱图进行grft参数空间搜索，获取昆虫的振翅参数平面；
9.步骤三：对步骤二获取的振翅参数平面进行峰值检测，得到昆虫的振翅幅度和振翅频率，完成基于微多普勒参数空间搜索的昆虫微弱振翅频率雷达测量。
10.所述的步骤一中，昆虫雷达回波为：
[0011][0012]
其中，k为与雷达参数有关的常数，σ0为昆虫未振翅时的雷达散射截面积(radar cross section)，η为昆虫振翅所引起的rcs起伏与未振翅时的rcs之比，t是回波时间，fw为昆虫振翅频率，aw为昆虫振翅幅度；
[0013]
获取的昆虫的微多普勒谱图s(τ,f)为：
[0014][0015]
其中，τ为微多普勒谱图时间，f为微多普勒谱图频率，tw为时频分析时窗；
[0016]
进行时频分析时采用短时傅里叶变换方法，将雷达采集到的昆虫回波变换到时间-多普勒域；
[0017]
所述的步骤二中，获取昆虫的振翅参数平面的方法为：
[0018]
设昆虫振翅幅度范围为aw∈(0,a
max
]，昆虫振翅频率范围为fw∈(0,f
max
]，根据昆虫雷达回波得到当搜索的振翅幅度为a'w、振翅频率为f'w时，昆虫瞬时多普勒频率fd为：
[0019][0020]
在微多普勒谱图s(τ,f)内，沿着被搜索参数a'w和f'w所对应的瞬时多普勒频率fd(τ)，提取得到昆虫的瞬时时频值为：
[0021][0022]
基于radon变换，遍历所有被搜索的振翅幅度a'w和振翅频率f'w，将微多普勒谱图s(τ,f)变换到振翅参数平面r
af
(a'w,f'w)，并在变换过程中补偿时频值的相位，得到结果为：
[0023][0024]
即设定昆虫振翅幅度和振翅频率的范围，根据昆虫微多普勒谱图的表达式以及瞬时时频值与振翅幅度、振翅频率之间的对应关系，计算得到对应振翅幅度和频率下的grft变换结果，并通过遍历所有被搜索参数，将微多普勒谱图变换到振翅参数平面；
[0025]
所述的步骤三中，对振翅参数平面进行峰值检测是指提取振翅参数平面的峰值坐标(aw,fw)。
[0026]
有益效果
cross section)，η为昆虫振翅所引起的rcs起伏与未振翅时的rcs之比，t是时间，fw为昆虫振翅频率，aw为昆虫振翅幅度，经时频分析，得到昆虫雷达回波s(t)的微多普勒谱图为：
[0043][0044]
其中，τ和f分别为时间和多普勒频率。
[0045]
其次，采用grft参数空间搜索的方法，将公式(1.2)所示的微多普勒谱图变换到振翅参数平面，如图3所示。在这一过程中，设定昆虫振翅幅度和振翅频率的范围分别为aw∈(0,a
max
]和fw∈(0,f
max
]，根据公式(1.1)所示的昆虫雷达回波模型，可得到当搜索的振翅幅度为a'w、振翅频率为f'w时，昆虫瞬时多普勒频率fd为：
[0046][0047]
在微多普勒谱图s(τ,f)内，沿着被搜索参数a'w和f'w所对应的瞬时多普勒频率fd(τ)，可提取得到昆虫目标的瞬时时频值为：
[0048][0049]
基于radon变换的思想，遍历所有被搜索的振翅幅度a'w和振翅频率f'w，将微多普勒谱图s(τ,f)变换到振翅参数平面r
af
(a'w,f'w)，并在变换过程中补偿公式(1.4)所示时频值的相位，得到结果为：
[0050][0051]
最终，根据目标振翅参数测量结果是振翅参数平面中的幅度最大值所在位置，因此，提取振翅参数平面r
af
(a'w,f'w)的幅度最大值点，从而测得昆虫雷达回波中所包含的振翅频率信息。
[0052]
从上述实现步骤可知，本方法在微多普勒参数空间搜索的过程中，补偿了瞬时时频值中的相位项并进行了累加，实现了昆虫雷达回波的长时间积累，有效提升了昆虫回波的信噪比，从而提升振翅频率测量精度。
[0053]
因此，本发明提供了一种基于微多普勒参数空间搜索的昆虫微弱振翅频率雷达测量方法，下面将以具体实施例说明实施步骤：
[0054]
为验证前面所述的振翅频率提取方法的测量精度和正确率，开展雷达对小地老虎的暗室观测实验，并对昆虫雷达回波采用本发明的一种基于微多普勒参数空间搜索的昆虫
微弱振翅频率雷达测量方法，完成昆虫的振翅频率测量。暗室观测所用雷达参数如表1所示；
[0055]
表1雷达参数
[0056][0057][0058]
由于实验在暗室中开展，昆虫回波信噪比较高，因此，在分析四种振翅频率提取方法对低信噪比目标的测量精度时，采用半实测-半仿真的方法，即：在暗室采集到的回波中叠加噪声，从而模拟不同信噪比下的回波数据。基于本发明所提的振翅频率提取方法，对加噪后的回波进行蒙特卡洛仿真。设定信噪比从
–
9db增加到15db，间隔0.02db，每个信噪比仿真3000次。同时，根据光学观测设备测得小地老虎的实际振翅频率为32hz。在分析过程中，采用振翅频率的测量成功率和测量误差作为性能评价指标。设定当测量值与真实值的绝对差小于1hz时，认为测量成功。测量成功率是测量值与真实值的绝对差小于1hz的次数与仿真次数之比，测量误差为测量成功时的测量值与真实值之间的均方根误差。最终，得到本发明所提方法的振翅频率测量成功率和测量误差随信噪比的变化关系与昆虫雷达现有基于幅度起伏或者相位起伏方法的对比结果如图4和图5所示。
[0059]
基于上述暗室实验数据的振翅频率测量结果可以得到以下结论：
[0060]
本发明提出的一种基于微多普勒参数空间搜索的昆虫微弱振翅频率雷达测量方法可以有效实现昆虫振翅频率测量的精度和成功率。
[0061]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。