[发明专利]基于最小极化相位的昆虫朝向估计方法

说明书

本发明公开了基于最小极化相位的昆虫朝向估计方法。首先基于微波暗室实测的昆虫PSM研究了昆虫极化相位特性，发现了昆虫朝向与极化相位的对应关系，即极化相位最小值总是出现在极化方向与昆虫体轴平行时，且对所有体型昆虫均成立；然后基于新发现的极化相位特性，提出了一种新的昆虫朝向估计方法。该方法估计的昆虫朝向理论上不存在90°错误，且低信噪比下估计精度更高。本发明为测量昆虫朝向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。

技术领域

本发明属于昆虫雷达技术领域，具体涉及基于最小极化相位的昆虫朝向估计方法。

背景技术

季节性迁徙行为广泛存在于水生、陆地、空中动物。然而，“迁徙动物如何知道它们要去哪”仍然是科学未解之谜。为研究动物的导航机理，需对迁徙动物进行有效监测。在迁徙的动物中，迁飞昆虫体型小、飞行高度高、且通常在夜间迁飞，这使得迁飞昆虫监测难以监测。昆虫雷达的出现使得迁飞昆虫监测成为可行，其对昆虫朝向的测量能力，使得昆虫迁飞朝向策略的研究成为了可能。

昆虫雷达已经历了三代的发展，包括扫描昆虫雷达、垂直昆虫雷达、全极化昆虫雷达。最早的昆虫雷达为扫描雷达，基于昆虫身体侧面雷达散射截面积(RCS，Radar Cross-section)大于头尾面的散射特性，对于存在共同定向的迁飞昆虫群，扫描昆虫雷达测量的回波P显表现为“哑铃”形状，与哑铃垂直的方向即为昆虫共同定向方向，因而，扫描昆虫雷达可测量迁飞虫群的共同定向。第二代昆虫雷达为垂直雷达，通过波束垂直对天、高速旋转线极化的波束测量昆虫腹部在360°极化方向的RCS。基于昆虫最大RCS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，该假设仅对小昆虫有效，对部分大昆虫，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。前两代昆虫雷达均为非相参雷达，无法测量目标完整的回波相位。第三代昆虫雷达为全极化昆虫雷达，该型雷达为全极化、高分辨、相参体制，能直接测量个体昆虫的极化散射矩阵(PSM，Polarization Scattering Matrix)，获取目标的回波相位信息。更多维的信息获取能力，为全极化雷达辨别90°朝向错误、提升朝向测量精度提供了可能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了基于最小极化相位的昆虫朝向估计方法，可以解决测量昆虫朝向时的90°朝向错误问题，并提高朝向测量精度。这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。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤一、利用雷达测量获得昆虫极化散射矩阵PSM，建立昆虫极化相位方向图模型，分析昆虫极化相位特性；

步骤二、基于昆虫极化相位特性，建立昆虫朝向估计基本假设；昆虫朝向估计基本假设为：当极化方向与昆虫体轴平行时，昆虫极化相位最小，获得最小极化相位；

步骤三、基于所述最小极化相位，构建基于PSM的昆虫朝向估计表达式，利用所述基于PSM的昆虫朝向估计表达式进行昆虫朝向估计。

进一步地，步骤一中昆虫极化相位方向图模型为：

其中，Φ(α)表示在α方向下的相位值，α表示极化方向，s₁₁、s₁₂、s₂₁和s₂₂分别为PSM中HH、HV、VH和VV极化通道的幅度，β、β′、γ分别为PSM中HV、VH和VV极化通道的相位，H表示水平极化，V表示垂直极化，HV表示发射极化方式为V，接收极化方式为H；VH表示发射极化方式为H，接收极化方式为V；VV表示发射极化方式为V，接收极化方式为V；a和b均为指代参数分别用于指代如下内容：

进一步地，步骤三中，基于所述最小极化相位，构建基于PSM的昆虫朝向估计表达式为：