CN103869308A - 垂直监测昆虫雷达探测系统及探测方法 - Google Patents

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蒋斌
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Abstract

本发明公开了一种垂直监测昆虫雷达探测系统，其特征在于，包括：天线装置，用于发送探测昆虫微波信号和接收昆虫反射的微波信号；收发模块，用于通过天线装置发送探测昆虫微波信号以及对所述天线装置接收到的昆虫微波信号进行放大处理；信号处理器，用于接收经所述收发模块放大处理后的信号并进行转换和处理，获取昆虫强度数据；以及通过天线装置获取方位角数据；数字采集终端，对获取昆虫强度数据以及方位角数据进行分析和计算，得到昆虫的空间分布和时间信息。本发明提供的垂直监测昆虫雷达探测系统及探测方法，用于开展我国农作物重大迁飞性害虫的季节性长期自动化监测，实现重大迁飞性昆虫的实时监测和早期预警。

Description

垂直监测昆虫雷达探测系统及探测方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种垂直监测昆虫雷达探测系统及探测方法。
背景技术
现有技术的昆虫雷达可对多种农业重大的迁飞害虫进行探测，但是，传统的扫描昆虫雷达对害虫种群动态进行长期、自动化探测是不切实际的。首先是扫描昆虫雷达设备非常复杂，不适宜长期自动运转，数据分析需要耗费大量时间和精力；其次，扫描昆虫雷达的种类识别能力有限，理论上，当波束静止时，如果迁飞昆虫个体在雷达波束中停留时间足够长，那么系统可以记录到个体的振翅频率，但由于个体之间在同一方向上会发生重叠，一个个体的振翅频率会受到另一个体的影响，使得扫描昆虫雷达依靠振翅频率进行种类鉴定不可行。
垂直监测昆虫雷达的出现，是昆虫雷达学发展史上的一个里程碑，推动了昆虫迁飞由研究向实用方面的转化，从短期而集中的观测，转变为长期的、全自动运行并即时分析、实时网络传输虫情信息的的实用型昆虫雷达。中国昆虫雷达起步较晚，对于垂直探测昆虫雷达一直未开展相关研究。因此提供一台可全自动、实时探测的垂直监测昆虫雷达系统和探测方法已迫在眉睫。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种垂直监测昆虫雷达探测系统及探测方法，用于开展我国农作物重大迁飞性害虫的季节性长期自动化监测，实现重大迁飞性昆虫的实时监测和早期预警。
（二）技术方案
本发明提供一种垂直监测昆虫雷达探测系统，包括：天线装置，用于发送探测昆虫微波信号和接收昆虫反射的微波信号；收发模块，用于通过天线装置发送探测昆虫微波信号以及对所述天线装置接收到的昆虫反射的微波信号进行放大处理；信号处理器，用于接收经所述收发调制模块放大处理后的信号并进行转换和处理，获取昆虫强度数据；以及通过天线装置获取方位角数据；数字采集终端，对获取昆虫强度数据以及方位角数据进行分析和计算，得到昆虫的空间分布和时间信息。
其中，所述天线装置包括：反射体、天线馈源、驱动电机和同步电机，所述收发模块包括：发射单元和接收单元。
其中，所述垂直监测昆虫雷达探测系统还包括：收发控制模块，用于控制调节所述发射单元发出的探测昆虫微波信号的重复频率和脉宽以及所述接收单元的本振频率以适应发射单元发出的微波信号的频率飘移；天线控制模块，用于控制所述驱动电机带动所述天线馈源旋转。
本发明还提供一种垂直监测昆虫雷达探测方法，包括：
S1：收发模块中的发射单元，通过天线装置向空中发出微波信号；
S2：收发模块中的接收单元接收通过所述天线装置反馈的当前微波信号并进行放大处理后，发送到信号处理器；
S3：所述信号处理器接收所述天线装置中的同步电机发送的三相同步机信号并进行处理，获得方位角数据；
S4：所述信号处理器对接收S2中的放大处理微波信号并进行处理，获取昆虫强度数据后，向数字采集终端发出中断申请信号，并将当前昆虫强度数据以及S3中的方位角数据发送到数字采集终端存储并返回S1，直至天线馈源发出的电磁波的波束旋转一周后执行S5；
S5：所述数据采集终端将存储的昆虫强度数据以及方位角数据分析和计算，得出昆虫的空间分布和时间信息，并发送到外部设备。
其中，S4还包括：所述信号处理器接收所述接收单元发出的发射触发脉冲信号，以确定回波的零距离位置，所述零距离位置为脉冲开始发射的时间点；确定回波的零距离位置，主要作用是与回波进行比较，确定目标所在高度。
其中，在S4之前还包括S4’：所述信号处理器对方位角数据进行处理，形成方位脉冲和方位零脉冲，并发送至所述信号发射单元，控制所述信号发射单元在天线运转时才进行微波信号发射。
其中，在S3中，所述信号处理器对接收到的放大处理后的微波信号进行处理包括：A/D信号变换和数字视频处理。
（三）有益效果
本发明提供的垂直监测昆虫雷达探测系统及探测方法，用于开展我国农作物重大迁飞性害虫的季节性长期自动化监测，实现重大迁飞性昆虫的实时监测和早期预警。
附图说明
图1是本发明垂直监测昆虫雷达探测系统结构框图；
图2是本发明垂直监测昆虫雷达探测方法步骤图；
图3是本发明垂直监测昆虫雷达探测系统工作原理图；
图4是草地螟高峰期内垂直监测昆虫雷达回波与探照灯诱虫定时取样结果变化曲线图；
图5是草地螟春季高峰期内垂直监测昆虫雷达回波数量实时变化曲线图；
图6是草地螟夏季高峰期内垂直监测昆虫雷达回波数量实时变化曲线图；
图7是草地螟秋季高峰期内垂直监测昆虫雷达回波数量实时变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1并参考图3所示，本发明提供一种垂直监测昆虫雷达探测系统，包括：
天线装置1，用于发送探测昆虫微波信号和接收昆虫反射的微波信号；
收发模块2，用于通过天线装置发送探测昆虫微波信号以及对所述天线装置接收到的昆虫微波信号进行放大处理；
信号处理器3，用于接收经所述收发模块放大处理后的信号并进行转换和处理，获取昆虫强度数据；以及通过天线装置获取方位角数据；
数字采集终端4，对获取昆虫强度数据以及方位角数据进行分析和计算，得到昆虫的空间分布和时间信息。
所述天线装置1包括：反射体11、天线馈源12、驱动电机13和同步电机14和，所述收发模块2包括：发射单元21和接收单元22。（如图3所示）所述反射体11和天线馈源12，用于微波信号向空间的发射和昆虫反射的微波信号的收集；
所述垂直监测昆虫雷达探测系统还包括：
收发控制模块5，用于控制调节所述发射单元发出的探测昆虫微波信号的重复频率和脉宽以及所述接收单元的本振频率以适应发射单元发出的微波信号的频率飘移；
天线控制模块6，用于控制所述驱动电机13带动所述天线馈源12旋转，进而使所述天线馈源12发射出的电磁波速形成稳定的20转/分的锥扫。
如图2并参考图3所示，本发明还提供一种垂直监测昆虫雷达探测方法，包括：
S1：收发模块中的发射单元，通过天线装置向空中发出微波信号；
S2：收发模块中的接收单元接收通过所述天线装置反馈的当前微波信号并进行放大处理后，发送到信号处理器；
S3：所述信号处理器接收所述天线装置中的同步电机发送的三相同步机信号并进行处理，获得方位角数据；所述信号处理器对接收到的放大处理后的微波信号进行处理包括：A/D信号变换和数字视频处理。
S4’：所述信号处理器对方位角数据进行处理，形成方位脉冲和方位零脉冲，并发送至所述信号发射单元，控制所述信号发射单元在天线运转时才进行微波信号发射；
S4：所述信号处理器对接收S2中的放大处理微波信号并进行处理，获取昆虫强度数据后，向数字采集终端发出中断申请信号，并将当前昆虫强度数据以及S3中的方位角数据发送到数字采集终端存储并返回S1，直至天线馈源发出的电磁波的波束旋转一周后执行S5；所述信号处理器接收所述接收单元发出的发射触发脉冲信号，以确定回波的0距离位置。
S5：所述数据采集终端将存储的昆虫强度数据以及方位角数据分析和计算，得出昆虫的空间分布和时间信息，并发送到外部设备。
实验结果：
按照表1的垂直监测昆虫雷达探测系统的参数，进行实验：
波长 3.2cm 天线直径 1.5m旋转抛物面天线
发射频率 9410±30MHz 波束极化 水平极化
峰值输出功率 10kw 天线波束宽度 1.8°
脉冲宽度 0.08、0.35μs 增益 38dB
脉冲重复频率 1500、2250Hz 波束旋转角度 1.5°（与铅锤线夹角）
接收器噪声系数 <6dB 波束旋转频率 0.33Hz
接收器动态范围 20dB 雷达显示器 光栅数字PPI显示器
雷达量程 300-3000m 距离分辨率 50m
目标昆虫的直接辨别一直是垂直监测昆虫雷达迁飞的难点，本次试验主要采用高空探照灯诱集、空中网捕、田间调查等研究方法对雷达目标昆虫进行辅助辨别。如图4所示，发现探照灯内草地螟成虫的变化趋势与雷达回波具有很高的一致性，高空探照灯内草地螟诱虫数量占诱虫总量的百分比也在70％以上，是当日诱虫灯下主要种群。同时系留气球携带的捕虫网在200~400m的不同高度都捕获到草地螟成虫，雌虫卵巢发育级别和其它生理特征与高空探照灯诱集的草地螟具有一致性，则判定监测到的昆虫应为草地螟，证实了垂直监测昆虫雷达可以有效的监测到草地螟的迁飞过程。
如图5所示，季节性迁飞结果显示：草地螟春季迁飞主要在300~600m，400~500m是其主要的飞行高度，春季迁飞高峰期大部分个体能完成整夜飞行。
如图6所示，夏季迁飞主要是夜间求偶、交配和短距离扩散种群，飞行高度主要在400m以下，飞行时间相对较短主要集中在20：00~22:00，很少个体能完成整夜飞行。
如图7所示，秋季飞行高度主要集中在300~500m,主要为迁飞种群，多数个体能完成整夜飞行。这和2002年中国农业科学院植物保护研究所封洪强博士利用扫描昆虫雷达监测到的草地螟迁飞高度基本一致（Feng er al.,2004），表明了垂直监测昆虫雷达在监测草地螟迁飞的回波识别方面是可行的。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种垂直监测昆虫雷达探测系统，其特征在于，包括：
天线装置，用于发送探测昆虫微波信号和接收昆虫反射的微波信号；
收发模块，用于通过天线装置发送探测昆虫微波信号以及对所述天线装置接收到的昆虫微波信号进行放大处理；
信号处理器，用于接收经所述收发模块放大处理后的信号并进行转换和处理，获取昆虫强度数据；以及通过天线装置获取方位角数据；
数字采集终端，对获取昆虫强度数据以及方位角数据进行分析和计算，得到昆虫的空间分布和时间信息。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述天线装置包括：反射体、天线馈源、驱动电机和同步电机；所述同步电机，用于测量天线装置的方位角；所述收发模块包括：发射单元和接收单元。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述昆虫雷达探测系统还包括：
收发控制模块，用于控制调节所述发射单元发出的探测昆虫微波信号的重复频率和脉宽以及所述接收单元接收到的本振频率以适应发射单元发出的微波信号的频率飘移；
天线控制模块，用于控制所述驱动电机带动所述天线馈源旋转。
4.一种垂直监测昆虫雷达探测方法，其特征在于，包括：
S1：收发模块中的发射单元，通过天线装置向空中发出微波信号；
S2：收发模块中的接收单元接收通过所述天线装置反馈的当前微波信号并进行放大处理后，发送到信号处理器；
S3：所述信号处理器接收所述天线装置中的同步电机发送的三相同步机信号并进行处理，获得方位角数据；
S4：所述信号处理器对接收S2中的放大处理微波信号并进行处理，获取昆虫强度数据后，向数字采集终端发出中断申请信号，并将当前昆虫强度数据以及S3中的方位角数据发送到数字采集终端存储并返回S1，直至天线馈源旋转一周后执行S5；
S5：所述数据采集终端将存储的昆虫强度数据以及方位角数据分析和计算，得出昆虫的空间分布和时间信息，并发送到外部设备。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，S4还包括：所述信号处理器接收所述收发模块发出的发射触发脉冲信号，以确定回波的零距离位置。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在S4之前还包括S4’：所述信号处理器对方位角数据进行处理，形成方位脉冲和方位零脉冲，并发送至所述信号发射单元，控制所述发射单元在天线运转时才进行微波信号发射。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在S3中，所述信号处理器对接收到的放大处理后的微波信号进行处理包括：A/D信号变换和数字视频处理。
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