本發(fā)明屬于昆蟲雷達，尤其涉及一種基于散射矩陣恢復(fù)的斜飛昆蟲體型參數(shù)估計。

背景技術(shù)：

1、到目前為止，昆蟲穿越昆蟲雷達波束的生物參數(shù)測量一直基于這樣一個假設(shè)：昆蟲保持水平飛行姿態(tài)。這種假設(shè)在一定程度上簡化了測量模型，但實際上并不完全準確?？梢院侠硐胂蟮氖?，昆蟲在遷飛的巡航階段，身體以平飛姿態(tài)為主；而在起飛和降落階段，昆蟲的身體姿態(tài)會產(chǎn)生傾斜。昆蟲斜飛時，垂直觀測的雷達波不再是垂直入射，昆蟲身體面向雷達的面發(fā)生了變化，由于昆蟲的電磁散射對姿態(tài)敏感，這顯然會影響昆蟲的回波特性，進而影響昆蟲雷達測量的目標生物參數(shù)，如體長、體重等。此外，當雷達的波束不是垂直向上，例如跟蹤雷達對昆蟲進行連續(xù)測量時，昆蟲相對于雷達入射波的極化平面的偏航角、俯仰角與橫滾角均不為0，此時傳統(tǒng)的昆蟲體型參數(shù)估計算法不再適用。因此，在實際應(yīng)用中，昆蟲的飛行姿態(tài)和雷達波束的相對關(guān)系往往更加復(fù)雜。為了提高昆蟲體型參數(shù)估計的準確性，必須考慮昆蟲在不同飛行姿態(tài)下的散射特性。

2、綜上所述，現(xiàn)有的昆蟲雷達測量技術(shù)在昆蟲飛行姿態(tài)復(fù)雜多變的情況下，存在一定的局限性。為了克服這些局限性，急需研究非水平姿態(tài)昆蟲的體型參數(shù)估計算法，以便在更廣泛的應(yīng)用場景下提供更準確的測量結(jié)果。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于散射矩陣恢復(fù)的斜飛昆蟲體型參數(shù)估計方法及系統(tǒng)，可以用于雷達對于任意飛行姿態(tài)昆蟲的體型參數(shù)測量。

2、一種基于散射矩陣恢復(fù)的斜飛昆蟲體型參數(shù)估計方法，包括以下步驟：

3、s1：基于斜飛昆蟲體軸與天線極化平面的投影關(guān)系，獲取斜飛昆蟲體軸相對于天線極化坐標系的三維姿態(tài)角和，其中，為斜飛昆蟲體軸在天線極化平面的投影與電磁波h極化方向的夾角，為斜飛昆蟲體軸與天線極化平面之間的夾角；

4、s2：將斜飛昆蟲等效為長橢球體，并根據(jù)瑞利散射構(gòu)建長橢球體昆蟲的斜飛姿態(tài)極化散射矩陣，其中，斜飛姿態(tài)極化散射矩陣的各個分量均為三維姿態(tài)角和、長橢球體昆蟲的沿體軸方向的散射幅度和垂直體軸方向的散射幅度的聯(lián)合表達式；

5、s3：基于斜飛姿態(tài)極化散射矩陣解算出散射幅度和散射幅度，從而重構(gòu)出長橢球體昆蟲的平飛姿態(tài)極化散射矩陣；

6、s4：基于平飛姿態(tài)極化散射矩陣反演得到斜飛昆蟲的體型參數(shù)。

7、進一步地，步驟s1中，斜飛昆蟲體軸相對于天線極化坐標系的三維姿態(tài)角和的獲取方法為：

8、獲取昆蟲體軸相對于極化平面的天線極化坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

9、

10、假設(shè)昆蟲最初的體軸方向為沿天線極化坐標系x軸正方向，通過旋轉(zhuǎn)矩陣旋轉(zhuǎn)，則得到昆蟲體軸新方向；

11、基于昆蟲體軸新方向獲取夾角如下：

12、

13、基于昆蟲體軸新方向獲取夾角如下：

14、

15、其中，、、分別為昆蟲體軸新方向在天線極化坐標系x、y、z軸上的分量。

16、進一步地，步驟s2中的斜飛姿態(tài)極化散射矩陣為：

17、

18、其中，為斜飛姿態(tài)極化散射矩陣在極化通道 hh的分量，為斜飛姿態(tài)極化散射矩陣在極化通道 hv的分量，為斜飛姿態(tài)極化散射矩陣在極化通道 vh的分量，為斜飛姿態(tài)極化散射矩陣在極化通道 vv的分量，且有：

19、

20、

21、

22、其中，為長橢球體昆蟲沿體軸方向的散射幅度，為長橢球體昆蟲垂直于體軸方向的散射幅度。

23、進一步地，步驟s3中，散射幅度和散射幅度的解算方法為：

24、構(gòu)建昆蟲體軸平行于天線h極化方向時的平飛姿態(tài)極化散射矩陣如下：

25、

26、其中，散射幅度、為與三維姿態(tài)角和有關(guān)的未知數(shù)；

27、構(gòu)建斜飛姿態(tài)極化散射矩陣的四個分量、、、與、的映射關(guān)系如下：

28、

29、基于所述映射關(guān)系進行矩陣的逆運算，反解出散射分量、，重構(gòu)出平飛姿態(tài)極化散射矩陣。

30、進一步地，斜飛姿態(tài)極化散射矩陣的獲取方法為：

31、根據(jù)天線接收的場幅度獲取斜飛姿態(tài)極化散射矩陣各分量的一般表達式如下：

32、

33、其中，為斜飛昆蟲所在環(huán)境的介電常數(shù)，為介質(zhì)中波數(shù)，、分別為入射至斜飛昆蟲上的入射波的電場方向和磁場方向，、分別為經(jīng)斜飛昆蟲散射的散射波的電場方向和磁場方向，為斜飛昆蟲本體坐標系的三軸單位矢量，為入射波的電場方向與天線極化坐標系x軸的夾角，、、為夾角在天線極化坐標系三軸上的分量；

34、假設(shè)單站雷達的電磁波發(fā)射和接收方向分別沿著天線極化坐標系+z?軸和天線極化坐標系-z?軸，則有：

35、

36、其中，為天線極化坐標系的三軸單位矢量；

37、同時，散射體的方向矢量如下：

38、

39、同時，散射幅度、散射幅度與、、的關(guān)系如下：

40、

41、

42、聯(lián)立上述方程組，得到三維姿態(tài)角和、長橢球體昆蟲的沿體軸方向的散射幅度和垂直體軸方向的散射幅度的聯(lián)合表達式如下：

43、

44、根據(jù)所述聯(lián)合表達式構(gòu)建斜飛姿態(tài)極化散射矩陣。

45、進一步地，斜飛昆蟲本體坐標系的三軸單位矢量與天線極化坐標系的三軸單位矢量之間的歐拉變換關(guān)系如下：

46、。

47、進一步地，夾角在天線極化坐標系三軸上的分量、、的計算方法如下：

48、

49、

50、

51、其中，長橢球體昆蟲的體積，為長橢球體昆蟲的長半軸，為長橢球體昆蟲的短半軸，為長橢球體昆蟲的復(fù)相對介電常數(shù)，為長橢球體昆蟲內(nèi)部的源位置，、、分別為分量、、對應(yīng)的形狀因子，且形狀因子、、滿足，同時，形狀因子、、的計算方法如下：

52、

53、其中，表示中間變量。

54、進一步地，根據(jù)天線接收的場幅度獲取斜飛姿態(tài)極化散射矩陣各分量的一般表達式的方法為：

55、構(gòu)建天線接收的場幅度的計算公式如下：

56、

57、其中，長橢球體昆蟲的體積，為長橢球體昆蟲的長半軸，為長橢球體昆蟲的短半軸，為長橢球體昆蟲的復(fù)相對介電常數(shù)，為長橢球體昆蟲內(nèi)部的源位置，、、分別為分量、、對應(yīng)的形狀因子；為入射波電場方向與斜飛昆蟲本體坐標系的軸的夾角，為入射波電場；、、、、、均為與長橢球體昆蟲的長半軸和短半軸有關(guān)的系數(shù)，且有

58、

59、

60、

61、

62、

63、

64、其中，為保證短半軸單位方向矢量為單位矢量的比例系數(shù)，為短半軸單位方向矢量在天線極化坐標系平面內(nèi)的投影與軸夾角，為長半軸與天線極化坐標系軸的夾角，為入射波的電場方向與天線極化坐標系軸的夾角；

65、基于天線接收的場幅度的計算公式構(gòu)建斜飛姿態(tài)極化散射矩陣如下：

66、

67、其中，、、、為斜飛姿態(tài)極化散射矩陣的四個分量，為與分量有關(guān)的相位因子，且有：

68、

69、

70、其中，為與分量有關(guān)的相位因子；

71、

72、其中，為與分量有關(guān)的相位因子；

73、

74、其中，為與分量有關(guān)的相位因子；

75、根據(jù)散射波的電場和磁場、入射波的電場和磁場、分量、、之間的映射關(guān)系將四個、、、寫為矩陣形式：

76、

77、其中，

78、

79、散射波的電場和磁場為：

80、

81、入射波的電場和磁場為：

82、

83、基于矩陣形式的斜飛姿態(tài)極化散射矩陣，得到斜飛姿態(tài)極化散射矩陣各分量的一般表達式。

84、進一步地，步驟s4中，采用極化平均rcs參數(shù)法或者極化不變量參數(shù)法對平飛姿態(tài)散射矩陣進行反演，得到斜飛昆蟲的體型參數(shù)。

85、進一步地，一種基于散射矩陣恢復(fù)的斜飛昆蟲體型參數(shù)估計系統(tǒng)，包括姿態(tài)角獲取模塊、斜飛姿態(tài)極化散射矩陣獲取模塊、平飛姿態(tài)極化散射矩陣獲取模塊、體型參數(shù)估計模塊；

86、所述姿態(tài)角獲取模塊基于斜飛昆蟲體軸與天線極化平面的投影關(guān)系，獲取斜飛昆蟲體軸相對于天線極化坐標系的三維姿態(tài)角和，其中，為斜飛昆蟲體軸在天線極化平面的投影與電磁波h極化方向的夾角，為斜飛昆蟲體軸與天線極化平面之間的夾角；

87、所述斜飛姿態(tài)極化散射矩陣獲取模塊將斜飛昆蟲等效為長橢球體，并根據(jù)瑞利散射構(gòu)建長橢球體昆蟲的斜飛姿態(tài)極化散射矩陣，其中，斜飛姿態(tài)極化散射矩陣的各個分量均為三維姿態(tài)角和、長橢球體昆蟲的沿體軸方向的散射幅度和垂直體軸方向的散射幅度的聯(lián)合表達式；

88、所述平飛姿態(tài)極化散射矩陣獲取模塊基于斜飛姿態(tài)極化散射矩陣解算出散射幅度和散射幅度，從而重構(gòu)出長橢球體昆蟲的平飛姿態(tài)極化散射矩陣；

89、所述體型參數(shù)估計模塊基于平飛姿態(tài)極化散射矩陣反演得到斜飛昆蟲的體型參數(shù)。

90、有益效果：

91、本發(fā)明提供一種基于散射矩陣恢復(fù)的斜飛昆蟲體型參數(shù)估計方法，首先計算昆蟲體軸相對于雷達天線坐標系的三維姿態(tài)角和；然后根據(jù)求解得到的三維姿態(tài)角和，將昆蟲在該角度下測量得到的散射矩陣恢復(fù)至傳統(tǒng)平飛姿態(tài)散射矩陣；最后可基于傳統(tǒng)平飛姿態(tài)昆蟲的體型參數(shù)反演方法估計昆蟲的體型參數(shù)；因此，本發(fā)明可以用于雷達對于任意飛行姿態(tài)昆蟲的體型參數(shù)測量，首次實現(xiàn)了昆蟲體型參數(shù)估計只能由傳統(tǒng)固定姿態(tài)觀測向任意姿態(tài)觀測的巨大突破。