[发明专利]一种基于极化散射矩阵估计的高精度昆虫体轴朝向提取方法

说明书

本发明公开了一种基于极化散射矩阵估计的高精度昆虫体轴朝向提取方法；该发明可以用于垂直波束的旋转极化昆虫雷达提取昆虫体轴朝向；本发明建立了旋转极化昆虫雷达采集的各个极化方向的昆虫回波信号模型，并给出了通过二阶多项式近似的迭代方法从昆虫回波信号提取极化散射矩阵的方法，然后介绍了从极化散射矩阵提取昆虫体轴朝向的方法；通过S波段雷达实测昆虫数据验证了体轴朝向提取算法的有效性和精确性。

技术领域

本发明属于昆虫雷达技术领域，具体涉及一种基于极化散射矩阵估计的高精度昆虫体轴朝向提取方法。

背景技术

昆虫雷达的出现为监视高空昆虫迁飞提供了强有力的工具。目前主要使用的垂直波束雷达，通过旋转极化和波束的章动，可以获取飞过其波束昆虫的质量、振翅频率、体轴朝向等生物学参数和位移速度、位移方向、运动轨迹、高度、种群密度等行为学参数。根据这些参数，我们可以判断昆虫的种类、生物通量，预测昆虫的迁飞方向，从而提前做出预警。这对于预防病虫害爆发、研究昆虫的迁飞理论具有重要的意义。

研究表明，多种昆虫具有主动定向能力，迁飞时表现出共同定向行为，而不仅仅是由风携带实现远距离迁飞。昆虫的朝向行为可以帮助昆虫选择最优的迁飞路径，而不同的朝向会使昆虫的迁飞路径和目的地产生很大的变化。因此，精确获取昆虫的体轴朝向具有重要的意义。

极化是很重要的雷达目标特性之一。垂直波束雷达通过旋转线极化天线获取在不同极化方向的昆虫回波信号。早期的昆虫体轴朝向提取是基于“当极化方向与昆虫的体轴方向平行时获得最大回波强度”的假设，取360°极化回波数据最大值所对应的方向为昆虫朝向。这种假设只有当昆虫身体长度与雷达波长相比较小时成立，而且受雷达噪声的污染，提取朝向的精度较差。

为了精确的提取昆虫朝向，Aldhous首先基于极化散射矩阵(PolarizationScattering Matrix,PSM)建立了昆虫RCS随极化方向变化的曲线。通过最小化RCS曲线和真实观测数据之间差值的平方和得到昆虫朝向。在波束章动的旋转线极化雷达的昆虫体轴朝向提取方面，建立的昆虫回波模型都是在Aldhous的昆虫RCS模型的基础上拓展得到，但是有三种从不同思路(频域峰值近似、整体模型最大似然估计、时域分步隔离信号线性最小二乘估计)提取昆虫参数(包括体轴朝向)的方法，由于这些算法是用一段回波同时提取出昆虫身体体轴朝向、速度、轨迹、身体形状等多个未知参数，因此对回波的质量要求较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于极化散射矩阵估计的高精度昆虫体轴朝向提取方法，可以用旋转线极化雷达观测迁飞昆虫，然后用迭代算法估计昆虫的极化散射矩阵，最后基于昆虫的极化散射矩阵提取昆虫体轴朝向。这有助于预测昆虫的迁飞方向，预防病虫害异地爆发，以及研究昆虫的迁飞行为。

一种基于极化散射矩阵估计的昆虫体轴朝向提取方法，包括如下步骤：

步骤一、建立旋转线极化雷达观测昆虫的回波信号数学模型：

其中，为昆虫的极化散射矩阵PSM；a₁、a₂、a₃分别表示PSM中各元素的幅度，φ₁、φ₂、φ₃分别表示PSM中各元素的相位；α是雷达极化方向所在的角度；将回波信号数学模型中的6个待求的参数，写成向量的形式：

P＝[a₁ a₂ a₃ φ₁ φ₂ φ₃]^T＝[p₁ p₂ p₃ p₄ p₅ p₆]^T，i＝1,2,...,6

步骤二、基于二阶多项式展开的PSM估计，具体为：