宽带全极化垂直昆虫雷达设计及校准关键技术研究

　　摘要：宽带全极化垂直昆虫雷达是一种利用宽带信号实现空中单只昆虫分辨，利用多极化通道实现昆虫全极化测量的雷达系统。当被测昆虫体型在不同极化轴向的电磁波反射功率可明显分辨时，该雷达可利用“当极化方向平行于昆虫体轴时，回波功率最大”的基本原理，通过测量昆虫极化散射矩阵，获取昆虫体轴方向，对研究昆虫定向迁飞规律具有重要的作用。当前垂直昆虫雷达采用机械旋转馈源的方法，分时测量昆虫目标的极化散射矩阵，该方法同时受机械旋转误差、极化分时测量时目标运动的误差以及极化通道稳定性随有源电路时变所引入的测量误差，测量精度不高，为了实现昆虫的高分辨全极化散射特性测量，本文提出了一种高极化隔离的频率步进正交相位编码的宽带波形设计以及极化内定标方法，开发了一部宽带全极化垂直昆虫雷达系统，最终通过理论方法仿真分析与外场试验测试，证明了该雷达系统可实现昆虫同时全极化宽带的稳定测量，验证了昆虫体轴朝向的测量精度。

　　关键词：全极化雷达;极化误差标校;步进频波形编码

　　1.引言

　　迁飞昆虫学是一个研究虫源与迁飞途径、迁飞行为及其调控、研究方法和手段的学科，随着该学科的发展[1]，出现了多种手段来对空中迁飞昆虫进行监测和研究，主要包括灯光诱捕法、高空抓捕法、地面搜集法、雷达无线电探测等方法[2]。雷达作为远距离探测的工具，可以实现对目标空域的全天时、全天候监测，为观测空中虫群迁飞提供了最有效的手段，它的应用与发展推动迁飞昆虫学由定性研究发展到定量分析，在昆虫迁飞领域有着不可替代的作用[1-3]。

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　　垂直昆虫雷达是一种以垂直对天的固定角度辐射电磁波，对空中迁飞昆虫进行探测的系统。由于昆虫体内含有水分，昆虫可以反射电磁波产生雷达回波信号[3]。上世纪40年代，气象学家证实天气雷达可以发现昆虫目标，从此拉开了雷达监测迁飞性害虫的新序幕。与传统手段相比，昆虫雷达具有取样范围大、扫描速度快、不受白天黑夜影响等诸多优势，而且雷达监测时不会干扰虫子的正常飞行。

　　因此，昆虫雷达被誉为一种卓越的、无可替代且强有力的工具[4]。通过解算，昆虫雷达可以获取迁飞害虫的数量、高度、方向、速度、定向角度、与体型有关的参数和振翅频率等[5]。其中定向角度的测量可以帮助人们判断昆虫的迁飞路径，结合风场的信息，可以更好地为迁飞性害虫的预测预报服务[5]。获取高精度目标极化信息的能力是评价一部昆虫雷达的关键能力，国外现有昆虫雷达皆为窄带单极化体制，采用旋转馈源的方法以达到测量不同极化方向信息的目的，该类型的昆虫雷达在低密度迁飞场景下可获得单个昆虫的生物参数信息，在昆虫高密度迁飞场景中，则无法分辨单只昆虫[6]。

　　此外，由于对迁飞昆虫的定向角度估计是基于对昆虫目标的全极化信息来获得的，现有的昆虫雷达无法同时测量目标的全极化信息，这将导致测得的迁飞昆虫的定向角度误差较大，无法准确预测迁飞昆虫的飞行朝向和迁飞路径。为解决这一问题，本文设计了高分辨同时全极化昆虫雷达系统，采用频率步进原理合成大带宽信号，使雷达具有高距离分辨探测能力，从而实现空中迁飞昆虫进行单只测量[7]。利用双极化通道同时工作实现同时全极化测量，即雷达的水平极化通道(以下称H极化通道或H通道)和垂直极化通道(以下称V极化通道或V通道)同时工作，并设计两路正交步进频发射信号波形，达到提高极化测量通道隔离度的目的。

　　同时，由于多通道的全极化雷达电路存在非理想因素，在有源电路中存在着时变、温变的幅相误差，如何有效的解决这些误差的标校，对全极化雷达有着重要的意义[8]，本文基于内校准原理，设计一个定时内校准工作方法，可以同时对多个发射或接收通道进行幅相校正，有效降低全极化雷达多通道间的幅相误差大的问题，提高全极化昆虫雷达极化散射矩阵的测量精度。将以上两种设计方法运用于宽带全极化雷达系统中，提高该雷达对昆虫定向角度的测量精度，本文给出设计方法和雷达实测结果。

　　文章第一节叙述了宽带全极化雷达关键技术的研究方法和研究意义;第二节描述了昆虫定向角度测量模型，第三节设计了宽带正交同时全极化信号模型，给出实现算法和公式;第四节设计了昆虫雷达定时内校准工作模式，并设计了有源电路时变、温变误差修正计算公式;第五节对宽带正交同时全极化信号模型进行隔离度仿真，并通过在云南省江城县开展的试验，验证该雷达系统波形隔离度和对昆虫定向角度测量精度;第六节对本文的设计进行结论总结。

　　2.昆虫定向角度测量模型

　　假设目标关于体轴对称，且极化方向平行于体轴时回波强度最大[9]。

　　3.宽带正交同时全极化信号模型

　　在同时全极化工作模式下，雷达的H极化通道和V极化通道同时工作，通过全极化天线同时发射电磁波信号，电磁波信号经由目标反射后，形成带有目标极化信息的回波信号返回雷达天线，雷达采集接收信号后，为了获得目标的极化散射矩阵，需解析出四路信号，分别为H极化发射H极化接收信号(HH)、H极化发射V极化接收信号(VH)、V极化发射H极化接收信号(HV)、V极化发射V极化接收信号(VV)[13]。

　　为了分离出H和V通道的信号，本文设计两个极化通道为正交的波形相匹配的参考信号，即可在同一个时间段内解析出4路通道信号，本文设计一种正负调频结合随机相位编码的正交波形，用于实现同时全极化信号解析。具体设计方法如下。

　　4.内定标校准设计

　　垂直昆虫雷达在测量昆虫定向角度时，测量结果对不同极化通道间的幅度和相位一致性较为敏感，在雷达系统中如何保证两个极化通道间幅相变化的一致性成为雷达系统设计的关键技术[15]。昆虫雷达发射和接收链路包含有源放大器件和滤波器等器件，该类器件在环境温度微变的情况下，对频率、幅度、相位的响应会发生变化。为了消除高分辨垂直昆虫雷达不同极化通道间的时变、温变的幅度和相位误差，本文设计了垂直昆虫雷达设计了内校准通道、内校准工作模式以及算法，提高雷达系统的极化测量精度，从而提高昆虫定向角度的测量精度，具体方案如下。

　　5.仿真及试验验证

　　根据以上设计，对比在同时全极化模式下，仿真波形设计提升的极化通道隔离度水平，并对架设于云南省江城县的高分辨全极化垂直昆虫雷达进行系统测试验证，验证了在系统进行定时内校准后，H和V极化通道间幅相变化一致性的改善，并测试了该雷达对昆虫定向角度测量的精度。

　　6.结论

　　本文研究了宽带全极化昆虫雷达的系统设计方法，针对昆虫定向角度测量精度问题，提出了通过对水平极化和垂直极化通道的正交编码波形设计，使垂直和水平极化通道间的波形隔离度达到28.5dB，高于普通双极化天线硬件隔离度水平;并在雷达的有源链路中设计了内校准网络，可实现极化通道间幅度稳定性±0.45dB、相位±4.1°(误差标准差);最后在试验中验证了本宽带全极化昆虫雷达系统对于昆虫定向角度的测量误差均值可达到0.17°，标准差为4.23°。

　　参考文献：

　　[1]RileyJR.Remotesensinginentomology[J].AnnualRe-viewofEntomology,1989,34(1):247-271.

　　[2]ChapmanJW,SmithAD,WoiwodIP,etal.Developingvertical-lookingradartechnologyformonitoringinsectmigration[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2002,35(2-3):95-110.

　　[3]封洪强.雷达昆虫学40年研究的回顾与展望[J].河南农业科学，2009(9):121-126.FengHongqiang.Reviewandprospectofradarentomologyfor40years[J].JournalofHenanAgriculturalSciences，2009(9):121-126.(inChinese)

　　[4]萧玉涛,吴超,吴孔明.中国农业害虫防治科技70年的成就与展望[J].应用昆虫学报,2011,56(6):1115-1124.XiaoYutao,WuChao,WuKongming.ChineseJournalofAppliedEntomology[J].ChineseJournalofAppliedEntomology,2019,56(6):1115-1124.(inChinese)

　　作者：于腾1,2王锐1,3李沐阳1,2胡程1,3