一种基于双视角观测的昆虫三维朝向测量方法

摘要

本发明属于昆虫雷达技术领域，公开了一种基于双视角观测的昆虫三维朝向测量方法，能够通过两部雷达从不同角度测量昆虫的二维朝向，并基于雷达之间的空间位置关系，解算出昆虫的三维朝向。首先，用第一雷达和第二雷达从不同位置分别测量第一雷达视线方位角第二雷达视线方位角第一雷达视线俯仰角θi、第二雷达视线俯仰角θj、第一雷达测量昆虫二维朝向角βi和第二雷达测量昆虫二维朝向角βj。分别计算两个雷达的中间矢量，得到与三维朝向单位矢量垂直的第一雷达中间矢量和第二雷达中间矢量对第一雷达中间矢量和第二雷达中间矢量进行矢量叉乘运算，得到三维朝向单位矢量

说明书

技术领域

本发明属于昆虫雷达技术领域，具体涉及一种基于双视角观测的昆虫三维 朝向测量方法。

背景技术

昆虫迁飞是自然界最重要的动物迁徙活动之一。每年无数的昆虫迁飞，促 进了生态系统的能力和物质的交换。然而，截止到目前，人们对于昆虫迁飞机 理的认识很有限，还有很多科学问题需要解决，例如，迁飞昆虫起飞/降落的机 理、群落结构、种群波动以及物种关系等。若要深入认识迁飞昆虫，首先需要 实现对迁飞昆虫的有效监测。

昆虫雷达是监测迁飞昆虫最有效的工具之一。当前昆虫雷达可实现对昆虫 朝向、体重、振翅频率、速度等参数的测量，基于这些测量，发现了迁飞昆虫 共同定向、高度分层等现象，极大地促进了人们对昆虫迁飞的认识。然而，当 前雷达是垂直向上观测的体制，仅能测量的昆虫二维朝向，即昆虫真实朝向(或 者称为三维朝向)在水平面的投影。若要深入研究昆虫起飞、降落等飞行行为， 需要测量昆虫的三维朝向。因此，目前亟需一种测量昆虫三维朝向的方法，以 深入研究昆虫的一些飞行行为。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于双视角观测的昆虫三维朝向测量方法， 能够通过两部雷达从不同角度测量昆虫的二维朝向，并基于雷达之间的空间位 置关系，解算出昆虫的三维朝向。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：本发明提出一种基于双视角观测 的昆虫三维朝向测量方法，步骤主要包括：

S1、用第一雷达和第二雷达从不同位置分别进行测量，得到如下测量值：

第一雷达视线方位角

S2、根据测量值，分别计算得到与三维朝向单位矢量

S3、对第一雷达中间矢量

进一步的，两个雷达同时进行测量。

进一步的，第一雷达中间矢量

其中，d

进一步的，第二雷达中间矢量

其中，d

进一步的，得到三维朝向单位矢量

有益效果：本发明是一种基于双视角观测的昆虫三维朝向测量方法，为测 量昆虫三维朝向提供了一种有效的手段，首次解决了昆虫雷达的三维朝向测量 问题，并提高了昆虫雷达的观测能力，促进昆虫迁飞行为的研究。

附图说明

图1为昆虫三维朝向与雷达测量的昆虫二维朝向关系图。

图2为雷达视线坐标示意图。

图3为每只昆虫三维朝向测量值和真实值的对比图，图3中的(a)为实测 芋双线天蛾三维朝向结果图，(b)为实测棉铃虫三维朝向结果图，(c)为实测 二点委夜蛾三维朝向结果图，(d)为实测黄地老虎三维朝向结果图。

具体实施方式

本下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，I为昆虫位置坐标，

本发明的基本思想是，首先基于两部雷达从不同角度测量昆虫的二维朝向； 对每个雷达，根据雷达的指向和测量的二维朝向，可以得到一个与昆虫三维朝 向垂直的中间矢量；然后2部雷达之间的中间矢量进行矢量叉乘运算，解算出 昆虫的三维朝向。

对于每一部雷达，可直接测量的参数是在该雷达视角下，昆虫的二维朝向β、 方位角

昆虫三维朝向

式2中，仅

至此，本发明的问题转换为如何利用雷达直接测量的量β、

首先，推导雷达视线矢量

假设当雷达捕获到昆虫目标时，在以雷达为原点的空间直角坐标系R-XYZ 下，目标相对雷达的方位角、俯仰角分别为

其中，r为目标到雷达的距离。

由于本发明只关注矢量的方向，而不关注目标到雷达的距离，可对雷达视 线矢量进行归一化。归一化后的雷达视线矢量

为方便表示，记为：

其中

下面推导全极化雷达水平极化矢量

基于上述假设，

其中，

设

当k

将式6代入得到

由于昆虫朝向存在180°模糊性，无论取

当k

由此可知，此时

由于

至此，本发明得到了

其中，

综上所述，本发明完成了公式的推导，下面具体结合实施例进行阐述：

本发明提出一种基于双视角观测的昆虫三维朝向测量方法，步骤主要包括：

S1、用第一雷达和第二雷达从不同位置分别进行测量，得到如下测量值：

第一雷达视线方位角

进一步的，两个雷达同时进行测量。

S2、根据测量值，分别计算得到与三维朝向单位矢量

进一步的，第一雷达中间矢量

其中，d

进一步的，第二雷达中间矢量

其中，d

S3、对第一雷达中间矢量

进一步的，得到三维朝向单位矢量

为了验证前面所述的昆虫体轴朝向提取方法，基于4端口矢量网络分析仪 和双极化天线搭建的全极化雷达，本发明在微波暗室开展了基于双视角的昆虫 三维朝向测量实验。实验中，昆虫粘在一根回波可以忽略的PE线上，PE线的 两端系在相距8m远的杆子上，昆虫在PE线的中间位置。以昆虫为坐标原点、 昆虫头部朝向为X轴、垂直向上为Z轴，建立空间直角坐标系。因而，昆虫的 坐标为(0,0,0)，真实三维朝向为(1,0,0)。通过将双极化天线摆在2个位置， 对准昆虫测量，可得到2个视角的昆虫二维朝向。二维朝向的计算方法参见专利《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》(专利号：ZL201710137290.8)。天线2次摆放的坐标分别为(0.5176,0,-1.9319)和(0,1, -1.7321)。在这两种观测视角下，雷达的方位角和俯仰角为(

基于实验测量的4只昆虫，采用本发明所述的一种基于双视角观测的昆虫 三维朝向测量方法，计算了4只昆虫的三维朝向。步骤如下：

步骤一，每部雷达测量得到昆虫的方位角、俯仰角，并利用专利《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》(专利号： ZL201710137290.8)中介绍的方法计算昆虫的二维朝向；

步骤二，将每部雷达测量的昆虫的方位角、俯仰角、二维朝向信息代入公 式16和式17，得到中间矢量

步骤三，将2部雷达的2个中间矢量

采用本发明所述的一种基于双视角观测的昆虫三维朝向测量方法测量的昆 虫三维朝向和误差如表1所示，每只昆虫三维朝向测量值和真实值的对比图如 图3的(a)、(b)、(c)和(d)所示。可以看到，4只昆虫均可高精度的测量出 三维朝向，且误差小于2.7度。

表1实测昆虫三维朝向结果

综上所述，以上仅为本发明基于两个观测角度的4只昆虫数据的实施例而 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。