[发明专利]一种基于多频散射建模的昆虫尺寸测量方法

说明书

技术领域

本发明属于昆虫雷达技术领域，具体涉及一种基于多频散射建模的昆虫尺寸测量方法。

背景技术

雷达在二战期间应运而生，是利用电磁波对目标进行探测和测距的电子设备。军用和气象雷达很早就发现空中有很多既非军事目标也非大气要素的回波点，后来证实这些回波是迁飞性昆虫。由于昆虫体内的含水量在80％以上，是很好的电磁波反射体，这也是昆虫雷达得以成功研制和应用的重要前提。此后，世界各地的昆虫学家们利用昆虫雷达对迁飞性昆虫进行了一系列研究。目前美国、澳大利亚和英国都拥有了自己的昆虫雷达系统，我国也在山东、河南、辽宁等多处配置了昆虫雷达系统。

传统昆虫雷达受工作体制、系统功能、算法和指标等因素的限制，无法准确获取昆虫生物学参数。传统昆虫雷达通常工作在瑞利区，且只有单一频段，因此只能将雷达测量得到的昆虫雷达散射截面积与瑞利区的经验值相比较，从而推算出昆虫的质量，并进一步根据质量反演体型或进行分类。这一方法获取的信息量比较单一，特别是对体型较大的昆虫，其散射会进入谐振区，这会大大影响传统体型反演方法的精度。因此传统昆虫雷达的昆虫尺寸测量方法往往无法覆盖较广的昆虫尺寸范围，限制了昆虫雷达的有效性。实际上昆虫的体型参数还包括体长体宽比，这在不同种类的昆虫间也存在明显差异，如果能同时测得昆虫的体长体宽比和质量，则可以大大提高昆虫雷达对昆虫种类识别的精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于多频散射建模的昆虫尺寸测量方法，可以利用旋转对称介质椭球对昆虫进行谐振区散射建模，并通过雷达反演昆虫的体长和体宽等生物学参数，对昆虫雷达目标识别与分类具有重要意义。

一种基于多频散射建模的昆虫尺寸测量方法，包括如下步骤：

步骤一，多波段散射截面积RCS数据获取：

采用多波段雷达系统探测待测昆虫，获得共N个频点的散射信号，其中，每个波段的频点数不小于10个；各频点对应的对数频率为dBf_n＝10log₁₀(f_n)，f_n为第n个频点的频率值，n＝1～N；针对第n个频点，获得待测昆虫对应的全极化散射矩阵：

其中,为水平极化分量，为垂直极化分量，和为交叉极化分量；

将该雷达全极化散射矩阵S_n，代入下式中：

得到第n个频点的散射截面积RCS最大值的测量数据σ_max(dBf_n)；遍历N个频率点，得到各频率点对应的散射截面积RCS最大值的测量数据；

步骤二，基于最小二乘意义的搜索分别获得参数dBf₀和K的估计和具体为：

1)、分别设定参数dBf₀和K的搜索区间和搜索间隔；其中，dBf₀表示散射截面积RCS最大值时的对数频率，K是影响散射的绝对强度的变量，表示目标在dBf₀时的散射截面积RCS；利用电磁仿真软件仿真昆虫在不同波段的散射特性，得到的σ_max关于对数频率dBf的起伏特性由以下分段函数近似表达：

2)、针对每一个频率点对应的对数频率dBf，选取参数dBf₀和K在各自搜索区间内的一组参数，从公式(5)中找到当前对数频率下σ_max对应的函数表达式，将当前对数频率、选取的参数dBf₀和K值代入找到的σ_max函数表达式中，得到当前对数频率下的σ_max计算值，将该计算值与步骤一获得的对应频率点的σ_max测量值相减，得到误差值，再将误差值求平方；遍历所有对数频率点，得到各个频率点对应的误差值的平方，最后，对所有误差值的平方求和；

3)、采用2)的方法，按照设定的搜索间隔，在各自的搜索区间内不断更换dBf₀和K，得到对应的误差值平方的和值，选取使和值最小时对应的一组参数dBf₀和K的估计和

步骤三，昆虫尺寸计算：

将估计结果代入下式中：

得到昆虫的长度2a；

将代入到下式中：

得到昆虫体积V；

同时根据椭球的体积公式计算得到昆虫宽度2b：