一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法。首先基于仿真和微波暗室实测的昆虫多频差分特征值特性，发现了昆虫多频差分特征值与极化方向图、昆虫类别(平行昆虫还是垂直昆虫)之间的关系；然后根据9.5GHz和11.5GHz昆虫的“差分特征值关系”、“极化方向图类型”、“最大RCS方向是否一致”三个条件分类讨论了5种情况下9.5GHz和11.5GHz的昆虫类别；最后基于上述分类讨论结果，提出了一种新的平行和垂直昆虫辨别方法。种新的平行和垂直昆虫辨别方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法


[0001]本专利技术属于昆虫雷达
，具体涉及一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法。

技术介绍

[0002]昆虫雷达是研究迁飞昆虫的有效工具。基于昆虫雷达的测量结果，可以反演昆虫的体长、体重、体宽、振翅频率、水平速度、朝向等参数。依据反演的昆虫参数可以对迁飞昆虫进行种类识别和轨迹预测，这对于研究迁飞昆虫行为和预防迁飞性病虫害有重要意义。
[0003]昆虫朝向是迁飞昆虫最重要的行为学参数之一，精确的朝向测量结果对于精准预测迁飞害虫的迁飞路线具有重要意义。
[0004]基于昆虫最大雷达散射截面积(RCS，Radar Cross
‑
section)出现在极化方向平行于体轴时的假设，垂直昆虫雷达可测量个体昆虫的头部朝向。然而，该假设仅对小昆虫(以下称平行昆虫)有效，对部分大昆虫(以下称垂直昆虫)，存在昆虫最大RCS出现在极化方向垂直于体轴时的情况，此时提取的头部朝向会存在90
°
错误。正确辨别平行和垂直昆虫能有效补偿垂直昆虫朝向提取的90度错误，从而实现昆虫朝向的高精度反演。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法，可以实现平行和垂直昆虫辨别，解决现有朝向反演方法下垂直昆虫存在朝向提取90度错误问题，提高昆虫朝向反演精度，这有助于实现迁飞害虫迁飞路线的精准预测。
[0006]一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法，该方法是指辨别9.5GHz和11.5GHz平行和垂直昆虫，包括以下步骤：
[0007]步骤一、获取9.5GHz(下称X1频点)昆虫的差分特征值、极化方向图和最大RCS方向；
[0008]步骤二、获取11.5GHz(下称X2频点)昆虫的差分特征值、极化方向图和最大RCS方向；
[0009]步骤三、根据步骤一得到的结果和步骤二得到的结果对昆虫进行分类，完成基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别；
[0010]所述的步骤一、二中，获取昆虫的差分特征值的方法为：
[0011]假设昆虫的极化散射矩阵为
[0012][0013]其中，s
11
、s
12
、s
21
和s
22
分别为HH、HV、VH和VV极化通道的幅度，β、β
′
、γ分别为HV、VH和VV极化通道的相位，对于单基地雷达，s
12
＝s
21
、β＝β
′
；
[0014]由(1)式可计算极化散射矩阵的2个特征值μ1和μ2，不失一般性，假设|μ1|≥|μ2|，
则有
[0015][0016][0017]这两个特征值的物理意义为极化方向平行和垂直昆虫体轴时的RCS；
[0018]昆虫的差分特征值定义为昆虫大特征值与小特征值之比，即
[0019][0020]所述的步骤一、二中，昆虫极化方向图表示为：
[0021][0022]其中，其中h(α)表示极化方向为α时的归一化有效天线长度；
[0023]所述的步骤三中，分类方法为：
[0024]第一类，X1频点与X2频点的最大RCS方向不一致，判别为昆虫在X1频点为平行昆虫，在X2频点为垂直昆虫；
[0025]第二类，X1频点与X2频点最大RCS方向一致，X2频点差分特征值幅度小于X1频点差分特征值幅度，判别为昆虫在X1频点和X2频点均为平行昆虫；
[0026]第三类，X1频点与X2频点最大RCS方向一致，X2频点差分特征值幅度大于X1频点差分特征值幅度，昆虫在X1频点极化方向图为“十字型”，判别为昆虫在X1频点和X2频点均为垂直昆虫；
[0027]第四类，X1频点与X2频点最大RCS方向一致，X2频点差分特征值幅度大于X1频点差分特征值幅度，昆虫在X1频点和X2频点极化方向图均为“8字型”，判别为，若X1频点差分特征值幅度小于6dB，昆虫在X1频点和X2频点均为垂直昆虫，否则即若X1频点差分特征值幅度不小于6dB，昆虫在X1频点和X2频点均为平行昆虫；
[0028]第五类，X1频点与X2频点最大RCS方向一致，X2频点差分特征值幅度大于X1频点差分特征值幅度，昆虫在X1频点极化方向图为“8字型”，在X2频点极化方向图为“十字型”，此情况前提条件矛盾，情况不存在。
[0029]有益效果
[0030](1)本专利技术公开了一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法。首先基于仿真和微波暗室实测的昆虫多频差分特征值特性，发现了昆虫多频差分特征值与极化方向图、昆虫类别(平行昆虫还是垂直昆虫)之间的关系；然后根据9.5GHz和11.5GHz昆虫的“差分特征值关系”、“极化方向图类型”、“最大RCS方向是否一致”三个条件分类讨论了5种情况下9.5GHz和11.5GHz的昆虫类别；最后基于上述分类讨论结果，提出了一种新的平行和垂直昆虫辨别方法。
[0031](2)本专利技术为平行和垂直昆虫辨别提供了一种有效的手段，有助于提高昆虫雷达的观测能力，促进昆虫迁飞行为的研究。
[0032](3)本专利技术是一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法，为平行和垂直昆虫辨别提供了一种有效手段。本专利技术首先基于仿真和微波暗室实测的昆虫多频极化差分特征值特性，发现了平行昆虫和垂直昆虫的多频散射特性的差异，根据昆虫在9.5GHz(记为X1频点)和11.5GHz(记为X2频点)处差分特征值关系差异，提出了一种新的平行和垂直昆虫辨别方法。
附图说明
[0033]图1为仿真的昆虫的差分特征值幅度随频率的变化曲线：图1(a)仿真了体长体宽比等于2时，体长分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm的昆虫差分特征值幅度随频率的变化曲线；图1(b)为图1(a)中体长为10mm昆虫的多频差特征值幅度随频率变化曲线经过频率插值后的高精度结果，定义曲线上的第N个极大值为第N极大值点，第N个极小值为第N极小值点；
[0034]图2为图1中仿真的昆虫不同频率点下的极化方向图：其中图2(a)为第一极大值点前昆虫极化方向图的变化，图2(b)为第一极大值点到第一极小值点之间昆虫极化方向图的变化，图2(c)为第一极小值点到第二极大值点之间昆虫极化方向图的变化；
[0035]图3为暗室测量的4只不同体型昆虫在8
‑
18GHz的差分特征值幅度和相位随频率的变化曲线以及昆虫在X1和X2频点对应的极化方向图，其中，蓝色空心圆划线代表差分特征值相位，红色实心圆划线代表差分特征值幅度；
[0036]图4为暗室198只昆虫第一极大值点、第一极小值点、第二极大值点、第二极小值点频率的分布(超出8
‑
18GHz不显示)；
[0037]图5为暗室昆虫中X1和X2频点极化方向图均为哑铃型且差分幅度增大的目标的RCS分布对比；
[0038]图6为所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法，其特征在于：该方法是指辨别9.5GHz和11.5GHz平行和垂直昆虫，包括以下步骤：步骤一、获取9.5GHz昆虫的差分特征值、极化方向图和最大RCS方向；步骤二、获取11.5GHz昆虫的差分特征值、极化方向图和最大RCS方向；步骤三、根据步骤一得到的结果和步骤二得到的结果对昆虫进行分类，完成基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别。2.根据权利要求1所述的一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法，其特征在于：所述的步骤一、二中，获取昆虫的差分特征值的方法为：假设昆虫的极化散射矩阵为其中，s
11
、s
12
、s
21
和s
22
分别为HH、HV、VH和VV极化通道的幅度，β、β
′
、γ分别为HV、VH和VV极化通道的相位，对于单基地雷达，s
12
＝s
21
、β＝β
′
；由(1)式计算极化散射矩阵的2个特征值μ1和μ2，假设|μ1|≥|μ2|，则有|，则有昆虫的差分特征值为3.根据权利要求1或2所述的一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法，其特征在于：所述的步骤一、二中，昆虫极化方向图表示为：其中，其中h(α)表示极化方向为α时的归一化有效天线长度。4.根据权利要求3所述的一种基于多频差分特征值的平行和垂直昆虫辨别方法，其特征在于：所述的步骤三...

【专利技术属性】
技术研发人员：李卫东，王江涛，王锐，胡程，李沐阳，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：