CN112327295A - 一种雷达提取昆虫朝向误差的获取及修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明说明了一种雷达提取昆虫朝向误差的获取及修正方法，能够基于系统极化误差获取雷达提取昆虫朝向误差，为判断系统状态的提供了依据，为全极化雷达系统的设计和改进提供支持，有助于更加准确的获取昆虫朝向，预防虫害爆发。本发明雷达提取昆虫朝向误差的获取方法中，首先利用全极化雷达系统模型，推算出实际雷达测量到的昆虫PSM，之后用朝向求解方法求解出包含系统极化误差的昆虫朝向，然后对包含不同的系统极化误差的昆虫朝向进行多元函数的泰勒展开，得到雷达提取昆虫朝向误差与系统极化误差间的关系。本发明基于全极化雷达系统极化误差获取雷达提取昆虫朝向误差，基于对雷达提取昆虫朝向误差的修正，为全极化昆虫雷达系统设计提供支持。

Description

一种雷达提取昆虫朝向误差的获取及修正方法

技术领域

本发明属于昆虫雷达技术领域，具体涉及一种雷达提取昆虫朝向误差的获取及修正方法。

背景技术

昆虫雷达凭借其观测距离远，可测量特征量多，时效性高等优势，在昆虫迁飞检测方面发挥着越来越重要的作用。传统昆虫雷达主要采用ZLC(垂直对天，线极化，锥扫)的方式获取迁飞昆虫的极化信息，并对其朝向、质量、体长等参数进行测量和统计。随着极化技术的成熟，部分昆虫雷达为了更加高效的获取迁飞昆虫的极化信息采用了全极化体制。全极化昆虫雷达可以更加快速和准确的获取目标极化信息，并估计迁飞昆虫的朝向、质量、体长等参数。这对于准确预测虫害种类和爆发地点具有重要的意义。

雷达可以通过极化信息获取昆虫的朝向。全极化雷达可以在一个PRT(脉冲重复时间)内获取目标的PSM(极化散射矩阵)。PSM包含了当前观测视角下目标全部的极化信息。通过PSM可以直接计算得到昆虫的朝向角度。

研究发现，可以用昆虫目标的极化朝向角近似为昆虫朝向或与昆虫朝向垂直的方向，可以通过这个信息结合一些解模糊的方法计算出昆虫朝向的角度。理想情况下，全极化雷达系统的H通道和V通道完全一致，并且两者互不干扰。但是实际情况下，系统H通道和V通道之间存在幅度和相位不一致，以及通道之间的泄露，这些被统称为系统的系统极化误差。这些不理想的因素会影响到昆虫朝向的估计和最终统计出来的昆虫朝向分布规律。所以实际情况下，对于含有系统极化误差的全极化雷达系统来说，若要准确的获取昆虫朝向，必须先获取雷达提取昆虫朝向误差，然后基于该误差对面向昆虫头部朝向测量的全极化雷达系统进行修正。但是，目前还没有人具体分析过系统极化误差会对雷达提取昆虫朝向产生怎样的误差，因此不能实现昆虫朝向的准确获取。

发明内容

鉴于此，本发明说明了一种雷达提取昆虫朝向误差的获取及修正方法，能够基于系统极化误差获取雷达提取昆虫朝向误差，为判断系统状态的提供了依据，为全极化雷达系统的设计和改进提供支持，有助于更加准确的获取昆虫朝向，预防虫害爆发。

为实现上述目的，本发明的一种雷达提取昆虫朝向误差的获取方法，包括如下步骤：

利用全极化雷达系统模型，推算出包含系统极化误差的昆虫朝向估计值的表达式；然后基于包含系统极化误差的昆虫朝向估计值的表达式，以及昆虫目标由0度旋转至θ角度之后的昆虫PSM，获得用昆虫朝向真实值θ表示的包含系统极化误差的昆虫朝向估计值的表达式；之后对用昆虫朝向真实值θ表示的包含系统极化误差的昆虫朝向估计值的表达式进行多元函数的泰勒展开，得到雷达提取昆虫朝向误差随昆虫实际朝向角度变化的规律，完成雷达提取昆虫朝向误差的获取。

其中，利用全极化雷达系统模型，推算出昆虫朝向估计值为：

其中，sa()函数表示解模糊；M₁₁、M₁₂、M₂₁以及M₂₂为实际测量得到的极化散射矩阵元素，具体为：

M₁₁＝g_rhg_ths_hh+g_rhg_thC₁s_vh+g_rhg_thC₃s_hv+g_rhg_thC₁C₃s_vv

M₁₂＝g_rhg_tvC₄s_hh+g_rhg_tvC₁C₄s_vh+g_rhg_tvs_hv+g_rhg_tvC₁s_vv

M₂₁＝g_rvg_thC₂s_hh+g_rvg_ths_vh+g_rvg_thC₂C₃s_hv+g_rvg_thC₃s_vv

M₂₂＝g_rvg_tvC₂C₄s_hh+g_rvg_tvC₄s_vh+g_rvg_tvC₂s_hv+g_rvg_tvs_vv

其中，g_rh表示H通道接收增益，g_rv表示V通道接收增益，g_th表示H通道发射增益，g_tv表示V通道发射增益，C₁表示天线接收时中V通道往H通道的泄露分量，C₂表示天线接收时H通道往V通道的泄露分量，C₃表示天线接收时中H通道往V通道的泄露分量，C₄表示天线接收时V通道往H通道的泄露分量，s_hh、s_hv、s_vv以及s_vh表示极化散射矩阵对应元素。

其中，昆虫目标由0度旋转至θ角度之后的昆虫PSM为：

其中，s_hh、s_hv、s_vv以及s_vh表示极化散射矩阵对应元素；S_h表示目标平行于H极化方向时的回波，S_v表示目标平行于V极化方向时的回波。

其中，用昆虫朝向真实值表示的昆虫朝向估计值的表达式进行多元函数的泰勒展开之后为：

其中θ_e为昆虫朝向估计值，

其中，A_r为系统接收通道幅度不一致性，A_t为系统发射通道幅度不一致性，

为系统接收通道相位不一致性，

为系统发射通道相位不一致性，C₁表示天线接收时中V通道往H通道的泄露分量，C₂表示天线接收时H通道往V通道的泄露分量，C₃表示天线接收时中H通道往V通道的泄露分量，C₄表示天线接收时V通道往H通道的泄露分量，oⁿ为高阶误差项，其中，n为阶数。

本发明还提供了一种雷达提取昆虫朝向误差的修正方法，基于本发明雷达提取昆虫朝向误差的获取方法，获得雷达提取昆虫朝向误差，然后通过调整全极化雷达系统参数，修正雷达提取昆虫朝向误差；

其中，全极化雷达系统参数的调整依据为：

若估计出来的昆虫体轴方向在某些方向聚集，则调整雷达系统的全极化参数；其若昆虫体轴方向偏向0度或90度，则调整雷达系统的幅度和相位；若昆虫体轴方向偏向近似45度或近似-45度，则调整雷达系统的通道。

有益效果：

本发明雷达提取昆虫朝向误差的获取方法中，首先利用全极化雷达系统模型，推算出实际雷达测量到的昆虫PSM，之后用朝向求解方法求解出包含系统极化误差的昆虫朝向，然后对包含不同的系统极化误差的昆虫朝向进行多元函数的泰勒展开，得到雷达提取昆虫朝向误差与系统极化误差间的关系。

本发明基于全极化雷达系统极化误差获取雷达提取昆虫朝向误差，基于对雷达提取昆虫朝向误差的修正，为全极化昆虫雷达系统设计提供支持。

附图说明

图1为全极化雷达系统模型。

图2为本发明仿真实验验证中均匀分布的虫群朝向统计结果。

图3(a)为本发明仿真实验验证中不同系统幅度不一致性对昆虫个体朝向估计结果的影响。

图3(b)为本发明仿真实验验证中不同系统幅度不一致性对昆虫种群朝向分布估计的影响。

图4(a)为本发明仿真实验验证中不同系统相位不一致性对昆虫个体朝向估计结果的影响。

图4(b)为本发明仿真实验验证中不同系统相位不一致性对昆虫种群朝向分布估计的影响。

图5(a)为本发明仿真实验验证中不同系统通道间泄露对昆虫个体朝向估计结果的影响。

图5(b)为本发明仿真实验验证中不同系统通道间泄露对昆虫种群朝向分布估计的影响。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种雷达提取昆虫朝向误差的获取方法，针对全极化雷达系统，描述了一种基于系统极化误差获取雷达提取昆虫朝向误差的方法，其基本思想是，利用全极化雷达系统模型，推算出包含系统极化误差的昆虫朝向估计值表达式；然后基于包含系统极化误差的昆虫朝向估计值表达式，以及目标由0度旋转至θ角度之后的昆虫PSM，获得用昆虫朝向真实值表示的包含系统极化误差的昆虫朝向估计值的表达式，其中θ为昆虫朝向真实值；之后对用昆虫朝向真实值表示的包含系统极化误差的昆虫朝向估计值的表达式进行多元函数的泰勒展开，得到雷达提取昆虫朝向误差随昆虫实际朝向角度变化的规律。

具体包括如下步骤：

步骤1，全极化雷达系统模型如图1，则实际接收到的目标极化散射矩阵可以表示为：

式(1)中g_rh表示H通道接收增益，g_rv表示V通道接收增益，g_th表示H通道发射增益，g_tv表示V通道发射增益，C₁表示天线接收时中V通道往H通道的泄露分量，C₂表示天线接收时H通道往V通道的泄露分量，C₃表示天线发射时中H通道往V通道的泄露分量，C₄表示天线发射时V通道往H通道的泄露分量；s_ij(i,j＝h,v)表示极化散射矩阵对应元素。

幅度和相位不一致性与实际系统参数的关系可以表示为：

其中a_t和a_r被称为发射通道幅相不一致性和接收通道幅相不一致性，A_r表示系统接收通道幅度不一致性，A_t表示系统发射通道幅度不一致性，

表示系统接收通道相位不一致性，

表示系统发射通道相位不一致性。

含误差的极化散射矩阵元素可以表示为：

通过现有方法直接估计出的包含系统极化误差的昆虫朝向估计值表达式为：

昆虫朝向估计值包含所有系统极化误差，其中sa()函数表示解模糊，解模糊的方法和本发明没有很大关系，在这里不赘述。

步骤2，假设昆虫关于体轴对称，则当昆虫体轴平行于H极化方向时，昆虫PSM可以表示为：

S_h表示目标平行于H极化方向时的回波，S_v表示目标平行于V极化方向时的回波。

根据式(5)获得目标由0度旋转至θ角度之后的昆虫PSM为：

步骤3，把式(6)代入式(3)后，再把式(3)结果代入式(4)，获得用昆虫朝向真实值θ表示的包含系统极化误差的昆虫朝向估计值θ_e的表达式。

步骤5，将用昆虫朝向真实值θ表示的包含系统极化误差的昆虫朝向估计值θ_e的表达式一阶泰勒展开并化简可得：

其中，oⁿ为高阶误差项，其中n为阶数；

包含系统极化误差的昆虫朝向估计值θ_e与昆虫朝向真实值θ之差即为雷达提取昆虫朝向误差Δθ，Δθ为：

通过式(72)可以看出，雷达提取昆虫朝向误差会随着昆虫的角度变化而近似成周期为pi的三角函数变化，得到的昆虫朝向会往

的方向靠拢。

当只考虑系统幅度不一致性和相位不一致性的时候，取C_i＝0(i＝1,2,3,4)，式(71)可以化简为：

雷达提取昆虫朝向误差为：

其中，Δθ_max表示C_i＝0(i＝1,2,3,4)时最大的角度误差。通过式(11)可以看出由于sin2θ的存在，误差角会随昆虫真实朝向变化而变化，如果Δθ_max>0，根据式(11)可以推算出昆虫会往90度也就是V极化方向聚拢，误差角随朝向近似为-sin2θ的规律变化；如果Δθ_max<0，根据式(11)可以推算出昆虫会往0度也就是H极化方向聚拢，误差角随朝向近似为-sin2θ的规律变化。

在只存在通道间泄露对朝向估计的影响时，取

和

把θ_e在C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝0处展开得：

其中：

表示a_t＝1和a_r＝1时最大的系统极化误差。通过式(13)可以看出，当天线H通道和V通道之间的泄露相差较大时，昆虫会整体偏移一个角度，这个角度的大小为

通常由于

cos2θ项的存在，雷达提取昆虫朝向误差随昆虫朝向成近似余弦函数变化，这会导致昆虫朝向最终向45或-45度方向聚拢。把常数项误差和随朝向变化的误差结合起来，会导致昆虫朝向会偏向

(弧度)或

(弧度)附近。通常，C_i(i＝1,2,3,4)较小，因此最终昆虫朝向会偏向45或-45度附近。

雷达提取昆虫朝向误差为判断系统状态提供依据，具体为：全极化雷达系统极化误差会引入以pi/2为周期变化的朝向误差，最终会导致某单一种群的昆虫估计出来的朝向聚集在某一方向；其中全极化雷达系统的幅度和相位不一致性会导致估计出来的昆虫朝向偏向0度或90度；全极化雷达系统的通道间泄露会导致估计出来的昆虫朝向偏向近似45度或近似-45度。

进一步地，本发明的一种雷达提取昆虫朝向误差的修正方法，首先获得雷达提取昆虫朝向误差，然后通过调整全极化雷达系统参数的修正雷达提取昆虫朝向误差，其中，全极化雷达系统参数的调整依据为：

若估计出来的昆虫体轴方向在某些方向聚集，则调整雷达系统的全极化参数；其若昆虫体轴方向偏向0度或90度，则调整雷达系统的幅度和相位；若昆虫体轴方向偏向近似45度或近似-45度，则调整雷达系统的通道。

下面将以基于仿真系统状态和昆虫数据的仿真实验验证本发明效果，具体仿真步骤如下：

步骤一，通过将真实昆虫的PSM通过式(6)均匀的旋转至不同的角度，获取朝向均匀分布的昆虫群体PSM，如图2所示，生成的数据集中，昆虫朝向均匀的分布在各个方向上；

步骤二，将全极化雷达系统的泄露设置为0，相位不一致性设置为0，仿真在系统只存在幅度不一致性时的结果，如图3(a)和3(b)；

步骤三，将全极化雷达系统的泄露设置为0，幅度不一致性设置为1，仿真在系统只存在相位不一致性时的结果，如图4(a)和4(b)；

步骤四，将全极化幅度不一致性设置为1，相位不一致性设置为0，仿真在系统只存在泄露时的结果，如图5(a)和5(b)。

本实验的图3(a)、3(b)、图4(a)、4(b)、图5(a)和5(b)说明全极化雷达系统极化误差会引入以pi/2为周期变化的朝向误差，最终会导致某单一种群的昆虫估计出来的朝向聚集在某一方向。其中图3(a)、图4(a)以及图5(a)说明全极化雷达系统极化误差会导致估计出来的雷达提取昆虫朝向误差近似以pi/2为周期的三角函数形式变化；图3(b)和图4(b)说明幅相不一致性会导致朝向偏向H极化或V极化方向，也就是0度或者90度；图5(b)说明系统的通道间泄露会导致估计出来的昆虫朝向偏向H极化和V极化中间的角度，也就是45度或-45度。

本发明对可测量极化角以及昆虫朝向的全极化雷达均适用，描述了系统极化误差对昆虫朝向估计的影响规律，进而可以对系统状态进行判断并辅助系统设计。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种雷达提取昆虫朝向误差的获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用全极化雷达系统模型，推算出包含系统极化误差的昆虫朝向估计值的表达式；然后基于包含系统极化误差的昆虫朝向估计值的表达式，以及昆虫目标由0度旋转至θ角度之后的昆虫PSM，获得用昆虫朝向真实值θ表示的包含系统极化误差的昆虫朝向估计值的表达式；之后对用昆虫朝向真实值θ表示的包含系统极化误差的昆虫朝向估计值的表达式进行多元函数的泰勒展开，得到雷达提取昆虫朝向误差随昆虫实际朝向角度变化的规律，完成雷达提取昆虫朝向误差的获取。

2.如权利要求1所述的雷达提取昆虫朝向误差的获取方法，其特征在于，利用全极化雷达系统模型，推算出昆虫朝向估计值为：

其中，sa()函数表示解模糊；M₁₁、M₁₂、M₂₁以及M₂₂为实际测量得到的极化散射矩阵元素，具体为：

M₁₁＝g_rhg_ths_hh+g_rhg_thC₁s_vh+g_rhg_thC₃s_hv+g_rhg_thC₁C₃s_vv

M₁₂＝g_rhg_tvC₄s_hh+g_rhg_tvC₁C₄s_vh+g_rhg_tvs_hv+g_rhg_tvC₁s_vv

M₂₁＝g_rvg_thC₂s_hh+g_rvg_ths_vh+g_rvg_thC₂C₃s_hv+g_rvg_thC₃s_vv

M₂₂＝g_rvg_tvC₂C₄s_hh+g_rvg_tvC₄s_vh+g_rvg_tvC₂s_hv+g_rvg_tvs_vv

其中，g_rh表示H通道接收增益，g_rv表示V通道接收增益，g_th表示H通道发射增益，g_tv表示V通道发射增益，C₁表示天线接收时中V通道往H通道的泄露分量，C₂表示天线接收时H通道往V通道的泄露分量，C₃表示天线接收时中H通道往V通道的泄露分量，C₄表示天线接收时V通道往H通道的泄露分量，s_hh、s_hv、s_vv以及s_vh表示极化散射矩阵对应元素。

3.如权利要求1所述的雷达提取昆虫朝向误差的获取方法，其特征在于，昆虫目标由0度旋转至θ角度之后的昆虫PSM为：

其中，s_hh、s_hv、s_vv以及s_vh表示极化散射矩阵对应元素；S_h表示目标平行于H极化方向时的回波，S_v表示目标平行于V极化方向时的回波。

4.如权利要求1所述的雷达提取昆虫朝向误差的获取方法，其特征在于，用昆虫朝向真实值表示的昆虫朝向估计值的表达式进行多元函数的泰勒展开之后为：

其中θ_e为昆虫朝向估计值，

其中，A_r为系统接收通道幅度不一致性，A_t为系统发射通道幅度不一致性，

为系统接收通道相位不一致性，

为系统发射通道相位不一致性，C₁表示天线接收时中V通道往H通道的泄露分量，C₂表示天线接收时H通道往V通道的泄露分量，C₃表示天线接收时中H通道往V通道的泄露分量，C₄表示天线接收时V通道往H通道的泄露分量，oⁿ为高阶误差项，其中，n为阶数。

5.一种雷达提取昆虫朝向误差的修正方法，其特征在于，基于权利要求1-4任意一项的雷达提取昆虫朝向误差的获取方法，获得雷达提取昆虫朝向误差，然后通过调整全极化雷达系统参数，修正雷达提取昆虫朝向误差；

其中，全极化雷达系统参数的调整依据为：

若估计出来的昆虫体轴方向在某些方向聚集，则调整雷达系统的全极化参数；其若昆虫体轴方向偏向0度或90度，则调整雷达系统的幅度和相位；若昆虫体轴方向偏向近似45度或近似-45度，则调整雷达系统的通道。

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