摘要：寬帶全極化垂直昆蟲雷達是一種利用寬帶信號實現空中單只昆蟲分辨，利用多極化通道實現昆蟲全極化測量的雷達系統。當被測昆蟲體型在不同極化軸向的電磁波反射功率可明顯分辨時，該雷達可利用“當極化方向平行于昆蟲體軸時，回波功率最大”的基本原理，通過測量昆蟲極化散射矩陣，獲取昆蟲體軸方向，對研究昆蟲定向遷飛規律具有重要的作用。當前垂直昆蟲雷達采用機械旋轉饋源的方法，分時測量昆蟲目標的極化散射矩陣，該方法同時受機械旋轉誤差、極化分時測量時目標運動的誤差以及極化通道穩定性隨有源電路時變所引入的測量誤差，測量精度不高，為了實現昆蟲的高分辨全極化散射特性測量，本文提出了一種高極化隔離的頻率步進正交相位編碼的寬帶波形設計以及極化內定標方法，開發了一部寬帶全極化垂直昆蟲雷達系統，最終通過理論方法仿真分析與外場試驗測試，證明了該雷達系統可實現昆蟲同時全極化寬帶的穩定測量，驗證了昆蟲體軸朝向的測量精度。

　　關鍵詞：全極化雷達;極化誤差標校;步進頻波形編碼

　　1.引言

　　遷飛昆蟲學是一個研究蟲源與遷飛途徑、遷飛行為及其調控、研究方法和手段的學科，隨著該學科的發展[1]，出現了多種手段來對空中遷飛昆蟲進行監測和研究，主要包括燈光誘捕法、高空抓捕法、地面搜集法、雷達無線電探測等方法[2]。雷達作為遠距離探測的工具，可以實現對目標空域的全天時、全天候監測，為觀測空中蟲群遷飛提供了最有效的手段，它的應用與發展推動遷飛昆蟲學由定性研究發展到定量分析，在昆蟲遷飛領域有著不可替代的作用[1-3]。

　　通信技術論文范例：中小微用戶寬帶建設模型研究

　　垂直昆蟲雷達是一種以垂直對天的固定角度輻射電磁波，對空中遷飛昆蟲進行探測的系統。由于昆蟲體內含有水分，昆蟲可以反射電磁波產生雷達回波信號[3]。上世紀40年代，氣象學家證實天氣雷達可以發現昆蟲目標，從此拉開了雷達監測遷飛性害蟲的新序幕。與傳統手段相比，昆蟲雷達具有取樣范圍大、掃描速度快、不受白天黑夜影響等諸多優勢，而且雷達監測時不會干擾蟲子的正常飛行。

　　因此，昆蟲雷達被譽為一種卓越的、無可替代且強有力的工具[4]。通過解算，昆蟲雷達可以獲取遷飛害蟲的數量、高度、方向、速度、定向角度、與體型有關的參數和振翅頻率等[5]。其中定向角度的測量可以幫助人們判斷昆蟲的遷飛路徑，結合風場的信息，可以更好地為遷飛性害蟲的預測預報服務[5]。獲取高精度目標極化信息的能力是評價一部昆蟲雷達的關鍵能力，國外現有昆蟲雷達皆為窄帶單極化體制，采用旋轉饋源的方法以達到測量不同極化方向信息的目的，該類型的昆蟲雷達在低密度遷飛場景下可獲得單個昆蟲的生物參數信息，在昆蟲高密度遷飛場景中，則無法分辨單只昆蟲[6]。

　　此外，由于對遷飛昆蟲的定向角度估計是基于對昆蟲目標的全極化信息來獲得的，現有的昆蟲雷達無法同時測量目標的全極化信息，這將導致測得的遷飛昆蟲的定向角度誤差較大，無法準確預測遷飛昆蟲的飛行朝向和遷飛路徑。為解決這一問題，本文設計了高分辨同時全極化昆蟲雷達系統，采用頻率步進原理合成大帶寬信號，使雷達具有高距離分辨探測能力，從而實現空中遷飛昆蟲進行單只測量[7]。利用雙極化通道同時工作實現同時全極化測量，即雷達的水平極化通道(以下稱H極化通道或H通道)和垂直極化通道(以下稱V極化通道或V通道)同時工作，并設計兩路正交步進頻發射信號波形，達到提高極化測量通道隔離度的目的。

　　同時，由于多通道的全極化雷達電路存在非理想因素，在有源電路中存在著時變、溫變的幅相誤差，如何有效的解決這些誤差的標校，對全極化雷達有著重要的意義[8]，本文基于內校準原理，設計一個定時內校準工作方法，可以同時對多個發射或接收通道進行幅相校正，有效降低全極化雷達多通道間的幅相誤差大的問題，提高全極化昆蟲雷達極化散射矩陣的測量精度。將以上兩種設計方法運用于寬帶全極化雷達系統中，提高該雷達對昆蟲定向角度的測量精度，本文給出設計方法和雷達實測結果。

　　文章第一節敘述了寬帶全極化雷達關鍵技術的研究方法和研究意義;第二節描述了昆蟲定向角度測量模型，第三節設計了寬帶正交同時全極化信號模型，給出實現算法和公式;第四節設計了昆蟲雷達定時內校準工作模式，并設計了有源電路時變、溫變誤差修正計算公式;第五節對寬帶正交同時全極化信號模型進行隔離度仿真，并通過在云南省江城縣開展的試驗，驗證該雷達系統波形隔離度和對昆蟲定向角度測量精度;第六節對本文的設計進行結論總結。

　　2.昆蟲定向角度測量模型

　　假設目標關于體軸對稱，且極化方向平行于體軸時回波強度最大[9]。

　　3.寬帶正交同時全極化信號模型

　　在同時全極化工作模式下，雷達的H極化通道和V極化通道同時工作，通過全極化天線同時發射電磁波信號，電磁波信號經由目標反射后，形成帶有目標極化信息的回波信號返回雷達天線，雷達采集接收信號后，為了獲得目標的極化散射矩陣，需解析出四路信號，分別為H極化發射H極化接收信號(HH)、H極化發射V極化接收信號(VH)、V極化發射H極化接收信號(HV)、V極化發射V極化接收信號(VV)[13]。

　　為了分離出H和V通道的信號，本文設計兩個極化通道為正交的波形相匹配的參考信號，即可在同一個時間段內解析出4路通道信號，本文設計一種正負調頻結合隨機相位編碼的正交波形，用于實現同時全極化信號解析。具體設計方法如下。

　　4.內定標校準設計

　　垂直昆蟲雷達在測量昆蟲定向角度時，測量結果對不同極化通道間的幅度和相位一致性較為敏感，在雷達系統中如何保證兩個極化通道間幅相變化的一致性成為雷達系統設計的關鍵技術[15]。昆蟲雷達發射和接收鏈路包含有源放大器件和濾波器等器件，該類器件在環境溫度微變的情況下，對頻率、幅度、相位的響應會發生變化。為了消除高分辨垂直昆蟲雷達不同極化通道間的時變、溫變的幅度和相位誤差，本文設計了垂直昆蟲雷達設計了內校準通道、內校準工作模式以及算法，提高雷達系統的極化測量精度，從而提高昆蟲定向角度的測量精度，具體方案如下。

　　5.仿真及試驗驗證

　　根據以上設計，對比在同時全極化模式下，仿真波形設計提升的極化通道隔離度水平，并對架設于云南省江城縣的高分辨全極化垂直昆蟲雷達進行系統測試驗證，驗證了在系統進行定時內校準后，H和V極化通道間幅相變化一致性的改善，并測試了該雷達對昆蟲定向角度測量的精度。

　　6.結論

　　本文研究了寬帶全極化昆蟲雷達的系統設計方法，針對昆蟲定向角度測量精度問題，提出了通過對水平極化和垂直極化通道的正交編碼波形設計，使垂直和水平極化通道間的波形隔離度達到28.5dB，高于普通雙極化天線硬件隔離度水平;并在雷達的有源鏈路中設計了內校準網絡，可實現極化通道間幅度穩定性±0.45dB、相位±4.1°(誤差標準差);最后在試驗中驗證了本寬帶全極化昆蟲雷達系統對于昆蟲定向角度的測量誤差均值可達到0.17°，標準差為4.23°。

　　參考文獻：

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

　　[3]封洪強.雷達昆蟲學40年研究的回顧與展望[J].河南農業科學，2009(9):121-126.FengHongqiang.Reviewandprospectofradarentomologyfor40years[J].JournalofHenanAgriculturalSciences，2009(9):121-126.(inChinese)

　　[4]蕭玉濤,吳超,吳孔明.中國農業害蟲防治科技70年的成就與展望[J].應用昆蟲學報,2011,56(6):1115-1124.XiaoYutao,WuChao,WuKongming.ChineseJournalofAppliedEntomology[J].ChineseJournalofAppliedEntomology,2019,56(6):1115-1124.(inChinese)

　　作者：于騰1,2王銳1,3李沐陽1,2胡程1,3