全極化昆蟲雷達(dá)生物參數(shù)反演方法與外場定量試驗(yàn)驗(yàn)證

1、全極化昆蟲雷達(dá)生物參數(shù)反演方法與外場定量試驗(yàn)驗(yàn)證摘 要：全極化雷達(dá)是新一代昆蟲雷達(dá)的發(fā)展方向。本文介紹了全極化雷達(dá)的昆蟲體軸朝向、體重和體長等生物 參數(shù)反演方法。相對(duì)傳統(tǒng)方法，這些方法精度更高，然而，這些方法僅經(jīng)過微波暗室測量昆蟲數(shù)據(jù)驗(yàn)證了可行 性，還未經(jīng)過實(shí)際全極化雷達(dá)外場測量驗(yàn)證。本文利用Ku波段全極化昆蟲雷達(dá)，設(shè)計(jì)并開展了基于雙無人機(jī)協(xié) 同飛行懸吊昆蟲的外場定量試驗(yàn)，測量了 44只不同體型昆蟲在不同朝向下的雷達(dá)數(shù)據(jù)，基于測量數(shù)據(jù)，成功驗(yàn) 證了面向全極化雷達(dá)的昆蟲生物參數(shù)反演方法在實(shí)際外場雷達(dá)的應(yīng)用，并分析了測量精度。關(guān)鍵詞：全極化昆蟲雷達(dá)；朝向；體重；體長；外場定量試驗(yàn)Insect Bi

2、ological Parameters Estimation Method and Field QuantitativeExperiment Verification for Fully Polarimetric Entomological RadarAbstract: The fully polarimetric radar is the development direction for the next generation entomological radar. This paper introduces the estimation methods of insect biolog

3、ical parameters ( including orientation， mass and body length) for fully polarimetric radar. These methods are more accurate than the traditional methods. However，they have only been verified by laboratory experiments，and have not been verified by any actual fully polarimetric radar in field measure

4、ment. In this paper，using a Ku band fully polarimetric entomological radar， a field quantitative experiment was designed and carried out. In the experiment，insects were hanged by two cooperative flight unmanned aerial vehicles，and the radar data of 44 insects of different sizes in different orientat

5、ions were measured. Based on the measured data，the application of the insect biological parameters estimation methods for real fully polarimetric radar in field was successfully verified，and the measurement accuracy was analyzed.Key words： fully polarimetric entomological radar; orientation; mass; b

6、ody length; field quantitative experiment1引言昆蟲遷飛是陸地上最重要的動(dòng)物遷徙行為E。 每年，不計(jì)其數(shù)的昆蟲進(jìn)行長距離季節(jié)性遷飛，龐 大數(shù)量的遷飛昆蟲影響著生態(tài)系統(tǒng)的功能。昆 蟲對(duì)生態(tài)過程至關(guān)重要，它們分解有機(jī)物、調(diào)節(jié)害 蟲、為農(nóng)作物授粉、是許多脊椎動(dòng)物的重要食物來 源。而遷飛昆蟲是不同生態(tài)系統(tǒng)的溝通紐帶， 促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)之間能量、營養(yǎng)物質(zhì)、繁殖體（如 花粉）、病原體和寄生蟲的傳輸，并通過構(gòu)建捕食 與被捕食的關(guān)系來影響生態(tài)相互作用“。然而， 對(duì)于遷飛昆蟲在空中生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)學(xué)意義以 及昆蟲遷飛機(jī)理還有很多未解之謎。例如，“空中 昆蟲群落結(jié)構(gòu)和種群數(shù)量

7、的季節(jié)性/年際性波動(dòng) 規(guī)律、昆蟲種內(nèi)/種間的物種關(guān)系、害蟲與天敵的 協(xié)同進(jìn)化關(guān)系”等空中生態(tài)系統(tǒng)問題，以及“昆蟲 由居留型轉(zhuǎn)變?yōu)檫w飛型的誘導(dǎo)原因、“遠(yuǎn)距 離遷飛對(duì)昆蟲種群的生態(tài)學(xué)意義”、“昆蟲遷飛收 益與遷飛風(fēng)險(xiǎn)權(quán)衡策略”等遷飛機(jī)理問題。若要 研究遷飛昆蟲在空中生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)學(xué)意義以 及昆蟲遷飛機(jī)理，前提是能對(duì)遷飛昆蟲進(jìn)行有效 監(jiān)測。傳統(tǒng)的昆蟲遷飛觀測手段包括網(wǎng)捕、誘蟲燈誘 捕、標(biāo)記重捕等，均是間接的研究手段，并且這些方 法會(huì)干擾昆蟲的遷飛行為，從而使得對(duì)昆蟲遷飛行 為的解譯變得困難M?；趥鹘y(tǒng)觀測手段的遷飛 昆蟲研究進(jìn)展緩慢，而將雷達(dá)用于遷飛昆蟲研究徹 底地改變了這一現(xiàn)狀。雷達(dá)具有全天時(shí)、

8、全天候、 探測距離遠(yuǎn)的特性，可以在不干擾昆蟲飛行的情況 下,觀測昆蟲飛行，測量目標(biāo)的高度、數(shù)量、密度、位 移方向、速度、體軸朝向等行為信息，以及體重、振 翅頻率等生物學(xué)參數(shù)。昆蟲雷達(dá)的這些測量能 力，使得人們首次具備了深入研究昆蟲遷飛行為的 能力，并先后發(fā)現(xiàn)了昆蟲遷飛時(shí)的共同定向、高度 聚集成層等震撼人心的現(xiàn)象，大大提高了人們對(duì)于 昆蟲遷飛的認(rèn)識(shí)3。昆蟲雷達(dá)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。最開始 的昆蟲雷達(dá)為非相參掃描體制，探測到的目標(biāo)回波 強(qiáng)度顯示在PPI顯示屏上，通過拍照等方式記錄目 標(biāo)回波。掃描雷達(dá)僅能觀測昆蟲的數(shù)量、密度以及 群體的共同定向，無法測量個(gè)體昆蟲的參數(shù)，并且 雷達(dá)數(shù)據(jù)的保存和分

9、析費(fèi)時(shí)費(fèi)力，使用成本很高， 僅適于短期的昆蟲遷飛觀測研究，難以實(shí)現(xiàn)長期觀 測10 20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的垂直雷達(dá)（稱為 VLR，Vertical-looking radar）實(shí)現(xiàn)了長期全自動(dòng)化觀 測，促進(jìn)了昆蟲雷達(dá)的推廣應(yīng)用。VLR為波束章動(dòng) 的旋轉(zhuǎn)線極化體制。其天線垂直對(duì)天，波束偏離垂 直軸一個(gè)很小的角度，并以垂直軸為中心高速旋 轉(zhuǎn)。波束的旋轉(zhuǎn)使得線極化方向跟著360旋轉(zhuǎn)， 可測量目標(biāo)腹部在不同極化方向的回波，這使得 VLR具備了測量昆蟲體軸朝向的能力;波束章動(dòng) 對(duì)目標(biāo)回波的調(diào)制使得VLR可測量目標(biāo)在波束中 的位置，從而具備了對(duì)個(gè)體目標(biāo)RCS的測量能力， 進(jìn)而根據(jù)昆蟲體重與RCS的映射觀測，

10、可估計(jì)昆 蟲的體重;此外，根據(jù)昆蟲飛行時(shí)振翅對(duì)回波的微 多普勒調(diào)制，通過頻譜分析，可得到目標(biāo)的振翅頻 率對(duì)個(gè)體昆蟲體軸朝向、體重和振翅頻率的 測量，提升了昆蟲雷達(dá)的測量能力，幫助人們發(fā)現(xiàn) 了遷飛昆蟲復(fù)雜的朝向和高度選擇策略等行為， 極大地促進(jìn)了遷飛昆蟲學(xué)的發(fā)展9 然而，VLR 為單極化、非相參體制，僅能測量目標(biāo)幅度信息， 無法測量目標(biāo)相位和完整的極化信息，由于獲取 的信息維度少，VLR在測量目標(biāo)生物參數(shù)時(shí)存在 朝向90誤差難辨別、體重反演誤差大、無法反演 體長等問題mm。為了解決當(dāng)前VLR在測量生物參數(shù)時(shí)存在的 問題,本團(tuán)隊(duì)開發(fā)了相參體制全極化昆蟲雷達(dá)。全 極化雷達(dá)通過發(fā)射一組極化正交的脈沖可

11、直接測 量目標(biāo)的散射矩陣（SM , Scattering matrix） ，SM中不 僅包含了 VLR測量的不同極化方向的目標(biāo)幅度信 息，還包含了目標(biāo)相位和完整的極化信息。研究表 明，基于昆蟲SM中包含的幅度、極化和相位等更多 維的目標(biāo)信息，能較大提升全極化昆蟲雷達(dá)對(duì)昆蟲 生物參數(shù)的測量能力，解決傳統(tǒng)VLR測量生物參數(shù) 的難題。例如，基于SM相對(duì)特征相位，可實(shí)現(xiàn)“平 行”和“垂直”昆蟲辨別，解決傳統(tǒng)體軸朝向測量存 在的諧振區(qū)大昆蟲90朝向錯(cuò)誤難辨別問題皿；基 于SM主特征向量，可實(shí)現(xiàn)更高精度的體軸朝向反 演a；基于SM極化不變量，可實(shí)現(xiàn)昆蟲體長反演 并提高昆蟲體重反演精度詢。以上研究均基于在

12、微波暗室中，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建的全極化設(shè) 備測量的昆蟲全極化數(shù)據(jù)開展，并基于微波暗室實(shí) 測數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法的有效性。然而，這些方法還沒有 經(jīng)歷實(shí)際全極化雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用檢驗(yàn)，能否實(shí)際應(yīng) 用還需要開展進(jìn)一步的定量試驗(yàn)驗(yàn)證。定量試驗(yàn)驗(yàn)證就是利用實(shí)際全極化雷達(dá)測量 體軸朝向、體重和體長已知的昆蟲樣本，對(duì)比雷達(dá) 反演值與真值的差別，評(píng)估測量精度是否滿足實(shí)際 應(yīng)用的需求。定量試驗(yàn)的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)很困難。 昆蟲的體型?。w長幾毫米到幾厘米），RCS微弱 （低至約DOdBsm）,極易受雜波影響;昆蟲生物參數(shù) 反演均是基于昆蟲平飛、雷達(dá)垂直向上照射的情景 下實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)測量時(shí)需要確保昆蟲腹部正對(duì)雷達(dá)波 束;若要驗(yàn)證

13、體軸朝向測量方法，需精確控制昆蟲 的體軸朝向；昆蟲雷達(dá)通常是脈沖雷達(dá)體制，存在 較大的盲距，雷達(dá)很難對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。以本團(tuán)隊(duì)開發(fā) 的全極化昆蟲雷達(dá)為例，該雷達(dá)盲距為150 m，在 150 m外將雷達(dá)波束對(duì)準(zhǔn)昆蟲，并調(diào)整昆蟲的姿 態(tài)，滿足腹部正對(duì)雷達(dá)以及不同體軸朝向的測量 需求，同時(shí)還要防止環(huán)境雜波干擾，極難實(shí)現(xiàn)。最 簡單的測量方案是在150 m之外，豎立2根高桿， 將昆蟲粘在細(xì)魚線上，并將細(xì)魚線系在桿上，通過 調(diào)整兩個(gè)桿上魚線系的高度，調(diào)整昆蟲體軸朝向。 該方案的問題在于，地雜波和桿子引入的雜波將 非常強(qiáng)，昆蟲微弱的回波將被雜波淹沒，另外，很 難控制昆蟲的身體姿態(tài)使其腹部正對(duì)著雷達(dá)并準(zhǔn) 確調(diào)整昆蟲體

14、軸朝向（由于重力作用，昆蟲身體很 難與魚線平行）#本文將首先介紹全極化昆蟲雷達(dá)生物參數(shù)反 演方法，然后基于團(tuán)隊(duì)開發(fā)的全極化昆蟲雷達(dá)，采 用基于雙無人機(jī)協(xié)同飛行懸吊昆蟲的試驗(yàn)方案解 決定量試驗(yàn)的難題，并開展定量試驗(yàn)驗(yàn)證生物參數(shù) 反演方法在外場全極化昆蟲雷達(dá)的應(yīng)用。本文的安排如下:第2章介紹本團(tuán)隊(duì)全極化昆 蟲雷達(dá)系統(tǒng)和基于全極化的昆蟲體軸朝向、體重和 體長等生物參數(shù)反演方法;第3章介紹基于全極化 昆蟲雷達(dá)的外場定量試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證生 物參數(shù)反演方法在全極化雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用情況，分 析測量精度。2全極化昆蟲雷達(dá)2.1雷達(dá)系統(tǒng)關(guān)于本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的全極化昆蟲雷達(dá)的詳細(xì)信 息可參考文獻(xiàn)：14-16 ,這

15、里僅給出該雷達(dá)的簡單介 紹。雷達(dá)如圖1所示，工作在Ku波段，中心頻率 16.2 GHz,距離分辨率0.2 m。雷達(dá)為相參體制，采 用同時(shí)全極化技術(shù)通過同時(shí)發(fā)射水平（H，Horizontal） 和垂直（V，Vertical）線極化雷達(dá)波，實(shí)現(xiàn)全極化 測量，獲取目標(biāo)的SM。雷達(dá)盲距150 m。天線為直 徑1 m的雙極化拋物面天線，波束寬度約為1.5。 雷達(dá)配備二維轉(zhuǎn)臺(tái)伺服，可在方位（0 360）和俯 仰（0 90。）二維轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1全極化昆蟲雷達(dá) Fig. 1 The fully polarimetric radar2.2生物參數(shù)反演方法傳統(tǒng)昆蟲雷達(dá)為非相參、單極化雷達(dá)，對(duì)應(yīng)的 生物參數(shù)反演方法均為

16、非相參、單極化的處理。全 極化昆蟲雷達(dá)直接測量昆蟲的SM,可獲取目標(biāo)的極 化、幅度和相位等更多維度的信息。為了充分發(fā)揮 全極化雷達(dá)的測量優(yōu)勢，需采用全新的基于目標(biāo)SM 的生物參數(shù)反演方法。下面將介紹面向全極化雷 達(dá)提出的基于目標(biāo)SM的體軸朝向、體重和體長等 生物反演方法11_13。相對(duì)于傳統(tǒng)VLR采用的生物 參數(shù)反演方法，這些方法可解決體軸朝向90。錯(cuò)誤 難辨別問題，并提高體軸朝向、體重和體長的反演 精度。（1）體軸朝向反演傳統(tǒng)昆蟲體軸朝向反演是基于當(dāng)雷達(dá)極化方 向平行于體軸時(shí)回波RCS最大的假設(shè)，然而，該假 設(shè)僅對(duì)瑞利區(qū)昆蟲有效，對(duì)于諧振區(qū)昆蟲會(huì)存在最 大RCS出現(xiàn)在極化垂直于體軸朝向的情況

17、。我們將滿足該假設(shè)的昆蟲稱為“平行(PA, parallel) &昆 蟲,而最大RCS出現(xiàn)在極化垂直于體軸朝向的昆蟲 稱為“垂直(PE , perpendicular)”昆蟲。對(duì)于PE昆 蟲，傳統(tǒng)VLR是沒有能力辨別的，因此，傳統(tǒng)體軸朝 向反演存在90。朝向反演錯(cuò)誤難辨別問題。若要正 確反演昆蟲體軸朝向，首先需要辨別昆蟲的類型 (PA/PE)，然后提取最大RCS的方向，獲得體軸朝 向?；赟M的相對(duì)特征相位和主特征向量可分別 實(shí)現(xiàn)PA和PE昆蟲辨別，并提高體軸朝向反演 精度mW。假設(shè)雷達(dá)測量的目標(biāo)SM為011S12e)S022317其中，S%1 #S%2#021和022分別定義為HH、HV、V

18、H和VV 極化RCS(單位:011S12e)S022317對(duì)S進(jìn)行特征值分解，可得到散射矩陣的2個(gè) 特征值：,1 =；( 011+0223”)( S11_S22e)2+40120213V從2 二( 011+022eJ)( 011_022)2+4012021(%成( 2) 其中，扇1 | ,扇2 I。相對(duì)特征相位定義為:= arg( 3),2 7其中，arg( )表示取相位運(yùn)算。基于微波暗室實(shí)測不同體型昆蟲數(shù)據(jù)的研究 發(fā)現(xiàn)，對(duì)于PA昆蟲，-恒小于0;而對(duì)于PE昆蟲， 恒大于0。由該發(fā)現(xiàn)可得到昆蟲類型辨別方法：昆蟲類型= PA昆蟲/ 4)昆蟲類型= pE昆蟲-o( 4)辨別昆蟲的類型后，提取出昆蟲

19、最大RCS對(duì)應(yīng) 的極化方向即可得到昆蟲體軸朝向。根據(jù)極化理 論，當(dāng)雷達(dá)的極化方式為目標(biāo)散射矩陣主特征向量 時(shí)，回波功率最大，即目標(biāo)RCS最大。此時(shí)極化的 方向就是最大RCS對(duì)應(yīng)的極化方向。散射矩陣主 特征向量可表示為其中，012e伊戍 1_其中，012e伊戍 1_011(6)將主特征向量寫為雷達(dá)極化方式的極化橢圓 表示式:COS *8 _S/n *8COS!4in *COS *8 _S/n *8COS!4in *8 COS *8ESi*!8(7)另式(5)與式(7)相等，可得到昆蟲最大RCS 對(duì)應(yīng)的極化方向的表達(dá)式:戍1_011 戍1_011 -0戍1_011 =(8)_*8-0( 9)體重/

20、體長反演基于昆蟲實(shí)測數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲SM的兩 個(gè)極化不變量！和T與體重、體長有很強(qiáng)的單調(diào)映 射關(guān)系，通過多項(xiàng)式擬合可得到體重/體長與極化 不變量的關(guān)系式，用于體重/體長反演。！表示 極化方向與昆蟲體軸垂直時(shí)的RCS； T表示極化方 向與昆蟲體軸平行和垂直時(shí)的RCS乘積。2個(gè)極化 不變量！和T的表達(dá)式分別為：!-0( 10) TOC o 1-5 h z T =# 2( 11)( 10)其中，,(N11 +g22)!( g11_g22)2+4g12g211=2V2( 12),(N11 +g22)頊 g11_g22)2+4g12g212=t-2 , 2_ 011 +012g12 =011012

21、3弟+012022 3”先將昆蟲位置調(diào)整在雷達(dá)正上方再起飛的方式，避 免雷達(dá)遠(yuǎn)距離難對(duì)準(zhǔn)問題。jS .j()-2 , 2_ 011 +012g12 =011012 3弟+012022 3”先將昆蟲位置調(diào)整在雷達(dá)正上方再起飛的方式，避 免雷達(dá)遠(yuǎn)距離難對(duì)準(zhǔn)問題。jS .j()%)N21 = 011 012 3+012 0 22 3(13)22N22 = 012 +022兩種體重反演經(jīng)驗(yàn)公式分別為：Mv = 1O007(lg/)2+1(13板必51 ,lgve 5. 7 ,3. 4Md( mg)=.1296( Igd) 2+1. 9455 lgd+7. =014lgde 5. 1 ,3.6(14)(

22、15)兩種體長反演經(jīng)驗(yàn)公式分別為：F/ = 1.82（lg/）3+26.72（ lg/）2 134. 31 lg/+243.78 ,lg/& -5.7,-3.4 (16)Ld( mm) = 0. 9498( lgd)37. 6202( lgd)2 (a) Diagram of the experiment無人機(jī)2(b)試驗(yàn)場景圖(b) Experimental scene4. 0505 lgd+62. 8207 ,lgd & 5. 1 ,3.6圖2雙無人機(jī)協(xié)同吊飛昆蟲測量試驗(yàn)場景Fig. 2 Experimental scene of measuring insect liftedby two

23、 cooperative flight UAVs(17)3.1定量試驗(yàn)為避免雜波干擾、便于昆蟲體軸朝向調(diào)整，提 出了基于雙無人機(jī)協(xié)同飛行懸吊昆蟲的測量試驗(yàn) 方案。試驗(yàn)測量示意如圖2 （a）所示,實(shí)際測量場景 如圖2（ b）所示。兩架無人機(jī)（大疆經(jīng)緯M600 Pro） 相距120 m,中間懸掛一根120 m長0. 1 mm直徑的 細(xì)魚線，昆蟲位于兩個(gè)無人機(jī)中間，背部中央粘在 魚線上，體軸與魚線平行,魚線拉直后，昆蟲為平飛 姿態(tài)。雷達(dá)垂直對(duì)天觀測，無人機(jī)協(xié)同飛行至200 m高度懸停,將昆蟲懸吊在雷達(dá)正上方。在無人機(jī) 起飛前，調(diào)整昆蟲的位置，使其位于雷達(dá)正上方;調(diào) 整雷達(dá)方位角，使得雷達(dá)水平極化方向

24、與昆蟲體軸 朝向（魚線）平行,此時(shí)測量的體軸朝向真值為0。； 無人機(jī)升空后保持懸停,通過旋轉(zhuǎn)雷達(dá)極化方向調(diào) 整昆蟲體軸朝向（雷達(dá)測量的體軸朝向?yàn)槔ハx體軸 朝向與H極化的夾角）。綜上所述,該試驗(yàn)方案通 過雷達(dá)垂直對(duì)天、雙無人機(jī)協(xié)同懸吊昆蟲的方式， 解決地面雜波干擾強(qiáng)、難探測問題，兩架無人機(jī)間 隔120 m、懸吊昆蟲的魚線直徑僅0. 1 mm,均不會(huì) 引入雜波;通過昆蟲背部粘在水平拉直的細(xì)魚線的 方式,解決昆蟲姿態(tài)難控制問題;通過昆蟲朝向不 變、雷達(dá)極化方向旋轉(zhuǎn)的方式調(diào)整雷達(dá)測量的昆蟲 朝向，解決昆蟲體軸朝向難精確調(diào)整的問題;通過所測量的昆蟲樣本是在試驗(yàn)的前一晚用探照燈 誘捕得到。共測量了 44只

25、昆蟲樣本，包括棉鈴蟲、小 地老虎、甘藍(lán)夜蛾、粘蟲、玉米螟等種類，樣本的體重 范圍19.8 -274.1 mg、體長范圍8.5-22.1 mm,所有 昆蟲的體型分布如圖3所示。對(duì)于每只昆蟲樣本， 分別測量了體軸朝向?yàn)?。、30。、45。、60。、90。等情況 的昆蟲數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)中，同時(shí)測量了直徑13 cm的 金屬球，用于極化和RCS定標(biāo)14 3.2生物參數(shù)反演精度驗(yàn)證（1）體軸朝向反演根據(jù)前面的介紹，為了避免90。錯(cuò)誤，體軸朝向 反演首先要根據(jù)相對(duì)特征相位的符號(hào)辨別昆蟲 的類型（PA或者PE）,若- 0,則昆蟲為PE昆蟲,其最大RCS出現(xiàn)的極化方向 與體軸朝向垂直。圖4給出了測量的44只昆蟲樣

26、本在不同體軸朝向下的每個(gè)圖的橫軸表示昆 蟲編號(hào)（按照體重由小到大順序），縱軸表示中 間的實(shí)線指示了 = 0的位置，圓點(diǎn)表示PA昆蟲， 方框表示PE昆蟲。每個(gè)圖的右面給出了測量時(shí)昆 蟲體軸朝向。根據(jù)判別準(zhǔn)則，圓點(diǎn)（PA昆蟲）應(yīng)位 于實(shí)線之下（!-0）。不滿足以上規(guī)則的昆蟲會(huì)被錯(cuò)誤判別為 相反的類型。從圖4可以看到，在0。體軸朝向下,2 只PA昆蟲的大于0,會(huì)被錯(cuò)誤判別為PA昆蟲,昆蟲編號(hào)(a)體重(a) Mass01020304050昆蟲編號(hào)(b)體長(b) Body length圖3昆蟲樣本體型分布昆蟲編號(hào)(a)體重(a) Mass01020304050昆蟲編號(hào)(b)體長(b) Body le

27、ngth圖3昆蟲樣本體型分布Fig. 3 Body size of measured insect specimensO 52 1 umi/平基編號(hào)圖4昆蟲相對(duì)特征相位Fig. 4 Insect relative phase of eigenvalues昆蟲序號(hào)(a)散點(diǎn)圖 (a) Scatter plot因而在0體軸朝向的判別正確率為95.45%；在 30。、45。和60。體軸朝向下，所有昆蟲的均滿足 判別準(zhǔn)則,正確率100% ；在90體軸朝向下,4只PA 昆蟲的大于0、1只PE昆蟲小于0,均會(huì)發(fā) 生判別錯(cuò)誤，因而在90體軸朝向的判別正確率為 88.64%。若將昆蟲在所有朝向下的判別結(jié)果一起

28、 統(tǒng)計(jì)，則PA和PE昆蟲判別正確率為96. 82%。因 此,PA和PE昆蟲辨別方法在全極化雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用 時(shí)，正確率較高，可較好地用于90。朝向錯(cuò)誤的 辨別。在PA和PE辨別的基礎(chǔ)上，根據(jù)式(9)可反演 昆蟲的體軸朝向。由于上面已分析過PA和PE昆 蟲辨別的情況，下面將不再考慮PA和PE昆蟲辨 別，默認(rèn)所有昆蟲都能正確辨別類型，僅考慮體軸 朝向反演的精度。在試驗(yàn)中，昆蟲體軸朝向的調(diào)整通過旋轉(zhuǎn)雷達(dá) 天線改變H極化方向與體軸的夾角實(shí)現(xiàn)的,而初始 的0。朝向是通過肉眼觀察，將H極化方向調(diào)整至與 體軸平行,會(huì)存在一定的偏差。對(duì)同一只昆蟲，這 個(gè)偏差在不同朝向下是固定的，因此，可以做統(tǒng)一 的補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)姆?/p>

29、法是，對(duì)每一只昆蟲，計(jì)算不同 朝向下的朝向測量誤差的均值作為該固定偏差，并 對(duì)所有朝向的測量值均減去該均值。不同昆蟲的 測量偏差一般是不同的，因此，在補(bǔ)償時(shí)對(duì)每一只 昆蟲單獨(dú)補(bǔ)償。統(tǒng)計(jì)的所有昆蟲朝向測量固定偏 差的散點(diǎn)圖和直方圖如圖5所示?？梢钥吹剑?測量固定偏差分布在-10 -10之間，固定偏差的 分布基本符合正態(tài)分布。一 -T自*白 ,豐 T + 一 -T自*白 ,豐 T + 一6 4 2 O-2-4-6(。眠44坦030456090朝向真值(a)誤差分布(a) Error distribution2.4 I.090304560朝向真值(b)誤差標(biāo)準(zhǔn)差(b) Error standar

30、d deviation體重真值/mg(b)仿法(b) d method圖7昆蟲體重反演誤差Fig. 7 Insect mass estimation error體重真值/mg(a) v方法(a) v method圖6昆蟲朝向測量誤差Fig. 6 Measurement error of insect orientation(b)直方圖(b) Histogram圖5昆蟲朝向測量固定偏差Fig. 5 Fixed deviation of insect orientation measurement圖6給出了補(bǔ)償固定偏差之后的朝向測量誤 差分布箱形圖(圖6 ( a)以及朝向誤差標(biāo)準(zhǔn)差(圖 6( b)

31、。從圖6( a)可以看到，在所有朝向下，朝向 誤差中位數(shù)在-1。1。之間分布，超過一半的昆 蟲，朝向誤差在2。以內(nèi)，絕大多數(shù)昆蟲的朝向誤 差不超過3。圖6( b)給出了不同朝向下的朝向 誤差標(biāo)準(zhǔn)差,可以見到,朝向?yàn)?。時(shí)的誤差標(biāo)準(zhǔn)差最 大，約為2.3。；其余朝向下,誤差標(biāo)準(zhǔn)差在1.2。1.8。 之間。所有昆蟲總體朝向誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為1.7?？?體而言，朝向測量精度較高，可滿足遷飛昆蟲體軸朝 向測量需求。(2)體重反演基于式(14)和式(15)表示的昆蟲體重反演經(jīng) 驗(yàn)公式，反演了所測量昆蟲的體重，并計(jì)算了體重 反演的相對(duì)誤差，相對(duì)誤差定義為：相對(duì)誤差=I反演值真值 X100%( 18)真值兩種方法

32、對(duì)所有昆蟲的體重測量相對(duì)誤差如圖7所 示，可以看到，方法反演體重的相對(duì)誤差基本在 40%以下,均值為22.5% ；而T方法的誤差相對(duì)大 一些，絕大多數(shù)在60%以下，均值為28.66%。圖8v方法圖8昆蟲體重反演誤差箱形圖Fig. v方法圖8昆蟲體重反演誤差箱形圖給出了兩種方法反演體重的相對(duì)誤差箱形圖，可以 看到,方法相對(duì)誤差的中位數(shù)為19. 18%，有一半 昆蟲的體重測量相對(duì)誤差分布在9. 34% - 32. 17% 之間，相對(duì)誤差最小值為0. 53%，最大值為 63. 27% ; T方法相對(duì)誤差的中位數(shù)為24. 75%，有一 半昆蟲的體重測量相對(duì)誤差分布在8. 27% - 45. 73%之間

33、，相對(duì)誤差最小值為0. 02%，最大值為 84.42%?？傮w而言,方法反演精度高于T方法。 然而，即使對(duì)于性能相對(duì)較好的$方法，依然有部分 昆蟲體重反演誤差高達(dá)40% 63%。造成較大誤 差的可能原因有2個(gè):一方面,外場試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)到雷達(dá) 的距離遠(yuǎn)，可能存在波束中心未對(duì)準(zhǔn)昆蟲的情況, 此時(shí)會(huì)造成反演值偏??；另一方面,體重反演公式 所代表的體重與特征量（！和T）的關(guān)系并不是絕對(duì) 成立的，而是通過數(shù)據(jù)擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式，它能保 證大多數(shù)昆蟲的體重反演值誤差不大，但是部分昆 蟲有較大誤差是不可避免的。若要進(jìn)一步降低體 重反演誤差，可行的方法是通過進(jìn)一步研究尋找與 體重的映射關(guān)系更強(qiáng)的特征量。傳統(tǒng)昆蟲雷達(dá)體重反演的不確定度為50% （實(shí) 驗(yàn)室環(huán)境測量），反演結(jié)果對(duì)于昆蟲遷飛監(jiān)測依然 具有重要的指導(dǎo)意義?；?方法的全極化雷達(dá)外 場測量的體重精度高于傳統(tǒng)方法實(shí)驗(yàn)室測量精度， 顯然可以很好地用于遷飛昆蟲觀測。（3）體長反演基于式（16）和式（17）所表示的兩種體長反演 經(jīng)驗(yàn)公式反演的體長相對(duì)誤差如圖9所示,可以