張 智, 張云慧, 姜玉英, 張鹿平, 程登發(fā)

(1. 中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京 100193; 2. 北京市植物保護站, 北京 100029; 3. 全國農(nóng)業(yè)技術推廣服務中心, 北京 100025; 4. 無錫立洋電子科技有限公司, 無錫 214028)

雷達昆蟲學研究進展及應用前景

張 智1,2, 張云慧1*, 姜玉英3, 張鹿平4, 程登發(fā)1

(1. 中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京 100193; 2. 北京市植物保護站, 北京 100029; 3. 全國農(nóng)業(yè)技術推廣服務中心, 北京 100025; 4. 無錫立洋電子科技有限公司, 無錫 214028)

雷達昆蟲學經(jīng)過近50年的發(fā)展,取得一系列的重要成果。本文系統(tǒng)介紹了各類昆蟲雷達的體制和功能,總結了相似體制天氣雷達與昆蟲雷達的主要區(qū)別,回顧了各相關國家雷達昆蟲學的實踐情況,歸納了昆蟲雷達建制技術取得的進步,并展望了雷達應用的前景及其今后昆蟲雷達建制技術的發(fā)展方向,以期促進我國昆蟲雷達事業(yè)的發(fā)展。

昆蟲雷達; 掃描昆蟲雷達; 垂直監(jiān)測昆蟲雷達; 昆蟲諧波雷達; 激光雷達; 害蟲監(jiān)測; 建制技術

雷達是英文radar的音譯,源自radio detection and ranging,意為“無線電探測和測距”即指利用電磁波對空中目標進行位置探測的一套系統(tǒng)。雷達系統(tǒng)復雜多樣,但一般包括發(fā)射、接收和信號處理三部分。理論上,能夠反射電磁波的物體都能被雷達探測到,如金屬物品、雨滴、雪花、鳥類和昆蟲等都能產(chǎn)生雷達回波[1-4]。昆蟲雷達就是以觀測昆蟲為目標,經(jīng)過特殊設計的雷達系統(tǒng),因此,昆蟲雷達既具有常規(guī)雷達系統(tǒng)的基本特點,又在距離分辨率等方面獨具特色。

雷達觀測昆蟲的歷史可以追溯至20世紀40年代,當時,天氣雷達在晴空天氣條件下探測到一些神秘回波,由于不確定回波目標的種類,學者浪漫地稱之為“天使(angel)”。1949年,Crawford利用探照燈對昆蟲數(shù)量進行統(tǒng)計,同時利用雷達觀測“天使”回波,最終首次證實大部分“天使”回波的目標是由昆蟲引發(fā),并首次提出雷達監(jiān)測昆蟲飛行的可行性[5]。1954年,Rainey通過與氣象部門合作,利用天氣雷達對沙漠蝗Schistocercagregaria的蝗群進行了觀測,昆蟲學家進一步意識到雷達在害蟲監(jiān)測中的潛力[6]。1968年,世界上第一臺昆蟲雷達誕生,此后被安放在非洲撒哈拉對蝗蟲進行了觀測[7]。昆蟲雷達的誕生及快速發(fā)展為昆蟲遷飛監(jiān)測與研究工作提供了一種卓越的、無可替代且強有力的工具[1,8]。昆蟲雷達能遠距離大范圍且對目標沒有干擾的情況下,對空中目標種群進行快速觀測,獲得回波數(shù)量、遷移方向、遷移高度、遷移速度等重要參數(shù),此外,昆蟲雷達還可以揭示空中遷飛昆蟲的起飛、成層、定向等行為特征及其與大氣結構之間的關系[1]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,雷達科學與昆蟲科學不斷交叉,理論基礎不斷豐富,建制技術取得長足進步,雷達功能不斷拓展完善。在昆蟲遷飛和行為研究中開啟了許多新篇章,逐步形成了一門新的分支學科——雷達昆蟲學(radar entomology)[1-4,8]。

盡管跟蹤動物行為的方法有很多,但由于昆蟲個體小,不能攜帶用于跟蹤鳥類等其他大型目標的GPS項圈,因此,昆蟲雷達仍然是研究昆蟲行為的重要有效工具之一[9]。為了系統(tǒng)回顧昆蟲雷達取得的成就,更好地促進中國昆蟲雷達事業(yè)的發(fā)展,本文對昆蟲雷達進行了全面總結,以期為今后中國昆蟲雷達建制提供必要的參考。

1 昆蟲雷達的類型及特點

經(jīng)過幾十年的發(fā)展,世界各國建制了形式多樣的昆蟲雷達。根據(jù)工作方式,昆蟲雷達可分為掃描昆蟲雷達、垂直監(jiān)測昆蟲雷達、昆蟲諧波雷達等;按照波長可分為毫米波昆蟲雷達和厘米波昆蟲雷達;根據(jù)調(diào)制方式可以分為脈沖昆蟲雷達、調(diào)頻連續(xù)波昆蟲雷達和激光昆蟲雷達等;此外,電磁波極化方式也可以分為水平極化、垂直極化、雙極化和旋轉極化等[2]。在實際建制過程中,某一類昆蟲雷達會涉及多個分類特征,從而獲得更為準確的屬性。在建制目的方面,掃描昆蟲雷達和垂直監(jiān)測昆蟲雷達主要用于監(jiān)測遷飛性昆蟲,諧波雷達主要用于開展昆蟲行為研究,激光雷達主要用于開展空中目標的識別[10-13]。

1.1 掃描昆蟲雷達

掃描昆蟲雷達是一種常見的雷達系統(tǒng),世界上第一臺昆蟲雷達就屬于掃描昆蟲雷達。掃描昆蟲雷達運轉時,拋物面型天線能以不同仰角做水平掃描,也可在固定方位做俯仰掃描。水平掃描時,圖像顯示方式為平面位置顯示(plan position indicator,PPI)。俯仰掃描時,圖像顯示方式為距離—高度顯示(range height indicator, RHI)[1-2]。PPI圖像可以快速獲取目標數(shù)量、高度、方位等信息,利用“RGB三色圖”將PPI圖像疊加后,還可以計算出目標的飛行方向和飛行速度[2,14]。RHI掃描屬于另外一種探測模式,可以便捷地顯示某一方位角回波數(shù)量隨高度的變化。根據(jù)波長,掃描昆蟲雷達又可分為厘米波掃描昆蟲雷達(3.2 cm)和毫米波掃描昆蟲雷達(8.8 mm)。早期掃描昆蟲雷達都是由海事雷達改裝的,頻率為X波段,波長多為3.2 cm或3.0 cm,主要用于觀測蝗蟲、草地螟Loxostegesticticalis、黏蟲Mythimnaseparata、棉鈴蟲Helicoverpaarmigera等較大體型害蟲。后期為了觀測小型昆蟲如稻飛虱和蚜蟲等,雷達昆蟲學家又設計出波長為8.8 mm的毫米波掃描昆蟲雷達[15-16]。掃描昆蟲雷達具有掃描范圍大、取樣速度快、數(shù)據(jù)顯示直觀等特點,尤其在觀測遷飛昆蟲的成層和定向行為方面具有非常明顯的優(yōu)勢。為了拓展新的功能,掃描雷達在引入多普勒效應以后,衍生出多普勒掃描雷達,它可以很便捷地測定空中目標的速度場和速度譜,如果能夠應用于遷飛昆蟲監(jiān)測,將大幅度提升遷飛昆蟲飛行行為的研究水平。

1.2 垂直監(jiān)測昆蟲雷達

垂直監(jiān)測昆蟲雷達是20世紀70年代率先從英國發(fā)展起來的一種獨特的昆蟲雷達系統(tǒng)。垂直監(jiān)測昆蟲雷達的出現(xiàn),是雷達昆蟲學發(fā)展史上的一個里程碑,它推動了昆蟲雷達由研究型向實用型轉變[10,17]。與掃描昆蟲雷達相比,垂直監(jiān)測昆蟲雷達的拋物面型天線豎直向上,饋源中心軸與拋物面天線對稱軸偏離0.2°,且饋源可圍繞垂直軸作機械轉動產(chǎn)生旋轉極化波束并形成錐掃[10,12,18-21]。垂直監(jiān)測昆蟲雷達具有參數(shù)解算豐富、目標識別能力強、自動化程度高等優(yōu)勢。目前,英國和澳大利亞的垂直監(jiān)測昆蟲雷達,獲取的數(shù)據(jù)是按距離門(range gate)進行取樣。英國垂直監(jiān)測昆蟲雷達的盲區(qū)是150 m,150～1 140 m之間的探測空間共分為15個距離門,每個距離門的取樣范圍45 m,間隔26 m的非取樣區(qū)[22]。澳大利亞垂直監(jiān)測昆蟲雷達的取樣起始高度為200 m,共分8個距離門,每個距離門的取樣高度為50 m,非取樣區(qū)間隔為150 m[23]。通過解算,垂直監(jiān)測昆蟲雷達可以獲得位移速度、位移方向、定向角度、振翅頻率和3個與體型大小有關的RCS(雷達反射截面)參數(shù)α0、α2和α4,通過對α0、α2和α4的運算,可以大致獲得目標的體型和重量[17-19]。為了提高振翅頻率解算能力,澳大利亞的Drake博士又引入了靜止波束模式(stationary beam mode)[23]。與掃描昆蟲雷達相比,垂直監(jiān)測昆蟲雷達操作更為簡單,在目標識別能力方面有了很大提高,但是目前垂直監(jiān)測昆蟲雷達都屬于厘米波段,對類似蚜蟲大小的昆蟲還無法識別[24],毫米波垂直監(jiān)測昆蟲雷達的設計與制造仍然存在許多需要探索的問題[25]。

1.3 昆蟲諧波雷達

昆蟲諧波雷達(insect harmonic radar)是監(jiān)測低空飛行昆蟲的一種重要手段[11]。根據(jù)諧波雷達原理,諧波昆蟲雷達需在被觀察目標的身體上固定有一個很小的電子標簽(變頻二極管),該裝置收到諧波雷達天線發(fā)出的電磁波后,會發(fā)射2倍或多倍于原頻率的諧波信號。諧波雷達接收系統(tǒng)自動屏蔽地物返回的雜波,針對性地接收調(diào)制回波,通過比較相位,獲得目標的方位信息[26]。與上述兩種雷達相比,諧波昆蟲雷達具有監(jiān)測速度快,抗干擾能力強等優(yōu)點,更為重要的是諧波昆蟲雷達可以在掃描昆蟲雷達和垂直監(jiān)測昆蟲雷達的盲區(qū)內(nèi)有效開展工作。世界上第一臺真正意義上的便攜式昆蟲諧波雷達誕生于1986年,Mascanzoni和Wallin的研究小組利用這臺諧波雷達,成功跟蹤了土壤洞穴中的昆蟲活動行為[27]。目前,已有的昆蟲諧波雷達分便攜式和基站式2種類型,主要對隸屬于鞘翅目、鱗翅目、雙翅目、膜翅目和直翅目等類群的幾十種昆蟲的行為開展定量觀察[11,28]。利用諧波昆蟲雷達對昆蟲行為開展研究,可更好地理解其行為機制,不僅能為授粉昆蟲的應用提供數(shù)據(jù)支持,也可以為害蟲防治提供新的理論基礎和防治策略[11]。在實際監(jiān)測工作中,為避免電子標簽影響昆蟲的正常行為,標簽重量不能超過目標自重的10%[26,29]。目前,最輕的電子標簽為0.3 mg[30],因此,還很難應用諧波昆蟲雷達開展小型昆蟲的行為研究。昆蟲諧波雷達產(chǎn)品每次只能發(fā)射一個頻率的電磁波,理論上只能跟蹤1 個昆蟲目標,但便攜式昆蟲諧波雷達通過標記昆蟲、轉換跟蹤角度和設置時間差異,可以同時跟蹤超過30個目標[11]。今后隨著新材料和芯片技術的進步,電子標簽的制作技術會不斷提高,諧波雷達技術在昆蟲行為研究中的應用前景值得期待。

1.4 激光雷達

激光雷達(light detection and ranging,lidar),是激光探測和測距系統(tǒng)的簡稱,由激光發(fā)射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統(tǒng)等部分組成,工作波段位于紅外和可見光波段,主要應用于探測、測距和地理信息測繪等工作。2009年,Applied Optics雜志首次報道了瑞典隆德大學(Lund University)利用激光雷達對Calopteryxsplendens和Calopteryxvirgo兩種豆娘標本進行識別的研究結果,發(fā)現(xiàn)在距離60 m時,可以利用激光雷達區(qū)分C.splendens的雌雄[13]。浙江大學和瑞典隆德大學合作利用瑞典的雷達系統(tǒng)對褐飛虱Nilaparvatalugens、白背飛虱Sogatellafurcifera、灰飛虱Laodelphaxstriatellus、棉鈴蟲、斜紋夜蛾Spodopteralitura、甜菜夜蛾Spodopteraexigua和二化螟Chilosuppressalis的標本進行了探測,結果發(fā)現(xiàn)距離為50 m時,可以檢測到飛虱,可以將2頭斜紋夜蛾標本,識別成獨立目標,不同大小昆蟲的熒光強度有明顯分離。研究表明,激光雷達系統(tǒng)在昆蟲遷飛研究中也具有可行性,而且不受白天和夜晚的限制[31]。

2 相似模式昆蟲雷達和天氣雷達的區(qū)別

利用雷達探測昆蟲遷飛起源于天氣雷達,世界上第一臺昆蟲雷達就是在天氣雷達的基礎上經(jīng)過特殊改進而來。如果同為掃描體制,天氣雷達特別是測雨、測云雷達與昆蟲雷達在結構、原理等方面基本一致。在雷達昆蟲學實踐中,經(jīng)常會面臨這樣的疑問,既然天氣雷達能探測昆蟲目標,為什么還要專門建立昆蟲雷達呢？盡管天氣雷達很早就被證實可以發(fā)現(xiàn)昆蟲目標,但昆蟲雷達與之相比,還是具有其特殊之處。天氣雷達觀測目標是大范圍的云雨,在雷達波束照射范圍內(nèi),云雨目標是由許多微小的粒子構成,觀測時需要進行多次采樣平均后才能比較真實地反映目標信息[32]。由于云雨目標一般非常弱小,為了增加天氣預報的時效性,氣象部門要求探測到較遠距離上的云雨目標,因此,天氣雷達的發(fā)射功率一般都很大,接收機的靈敏度也很高,天線口徑在發(fā)射頻率降低時也相應增加,否則很難滿足探測需求。根據(jù)昆蟲體內(nèi)含有水分的特性,昆蟲也能被天氣雷達探測,但在通常情況下,天氣雷達觀測不到單個昆蟲[33]。如果探測不到單個昆蟲個體,就很難估算空間昆蟲密度,也很難對其行為進行細致刻畫。昆蟲雷達是以探測單個個體為首要目標而經(jīng)過專門設計的一種特有雷達系統(tǒng),它與天氣雷達之間存在多方面的差異。首先是波長,天氣雷達波段主要有S(10 cm)波段和C(3.8～7.5 cm)波段,而昆蟲雷達多為X(2.4～3.8 cm)和Ka(0.8～1.1 cm)波段,在實際生產(chǎn)中,厘米波昆蟲掃描雷達波長為3.2 cm,毫米波掃描昆蟲雷達為8.8 mm。第二是脈沖寬度和脈沖功率,這兩個參數(shù)屬于發(fā)射系統(tǒng)指標,與雷達距離分辨率和探測范圍密切相關。天氣雷達的脈沖寬度為0.5/1 μs,距離分辨率為75/150 m,當脈沖功率達到75 kW,按目前接收機的水平,對于中等強度的降水(4 mm/h)其最大探測距離可達300 km。當脈沖寬度降低時,雖然可以提高距離分辨率,但會影響探測距離。昆蟲雷達設計時,脈沖寬度一般小于0.1 μs,距離分辨率在15 m左右,但是脈沖寬度為0.1 μs的發(fā)射機功率一般只有幾個kW,因此昆蟲雷達的最大探測距離(對單體昆蟲)往往只有幾公里。此外,當脈沖功率增大時,由于天線副瓣的影響,也會對近距離目標的探測產(chǎn)生不利的影響,因此,昆蟲雷達的發(fā)生系統(tǒng)指標是需要綜合考慮的。第三,昆蟲雷達的信號處理和終端分析、顯示軟件與天氣雷達不同。天氣雷達和昆蟲雷達都需要探測目標的空間分布,除此之外,昆蟲雷達需要統(tǒng)計昆蟲的數(shù)量、密度、高度,測量昆蟲個體的飛行速度和方向等信息。另外,雷達的噪聲和雜波對昆蟲雷達影響很大,相對而言,氣象雷達就很容易區(qū)分真實的目標與噪聲以及雜波。

表1X波段天氣雷達與昆蟲雷達重要參數(shù)對照表1)

Table1ComparisonofkeyparametersbetweentheX-bandweatherradarandtheX-bandentomologicalradar

序號No．參數(shù)Parameter數(shù)值 Values天氣雷達Weatherradar昆蟲雷達Entomologicalradar1距離分辨率/mRangeresolution≥75≤152峰值輸出功率/kWPeakpower≥75≥63脈沖寬度/μsPulselength≥0．50．14接收機帶寬/MHzReceiverbrandwidth≤3≥155天線轉速/r·min-1Rotationspeed≤4≥156信號處理方式SignalacquisitionFFT/PPP原始數(shù)據(jù)采集Rawdata

1) FFT/PPP:傅里葉變換或雙脈沖處理。 FFT/PPP: Fast Fourier transformer / Pulse pair processing.

3 國內(nèi)外雷達昆蟲學實踐情況

世界上從事雷達昆蟲學實踐的國家有英國、澳大利亞、美國、加拿大、中國等,各國的側重點并不相同,經(jīng)過近幾十年的發(fā)展,各國都為推動昆蟲雷達技術的發(fā)展做出了重要貢獻(http://radarentomology.com.au)。

3.1 英國

英國是世界上最早開展雷達昆蟲學實踐的國家,在昆蟲雷達研制和應用方面具有領導地位,雷達昆蟲學研究團隊主要有英國自然資源研究所(Britain’s Natural Resources Institute, NRI)(前身為英國治蝗中心和海外有害生物研究中心)和洛桑試驗站,專家有Schaefer G W、Riley J R、Reynolds、Smith A D、Chapman J W等[2]。1950年,Rainey博士提出了用雷達觀測蝗蟲的設想,并與英國皇家海軍展開合作,于1954年用艦載雷達在波斯灣首次監(jiān)測到蝗群[6]。1968年,在Rainey博士的邀請下,鳥類學家Schaefer博士建成世界上第一部專用的昆蟲雷達,在尼日爾觀測,獲得了許多沙漠蝗夜間遷飛的新圖景[1,7]。1970年,英國自然資源研究所的昆蟲雷達研究室Riley博士受垂直氣象雷達觀測結果的啟發(fā),開始設計垂直監(jiān)測昆蟲雷達。1975年,第一臺第一代垂直監(jiān)測昆蟲雷達研制成功,在非洲馬里監(jiān)測了蝗蟲的遷飛[18,34]。由于一代垂直監(jiān)測昆蟲雷達,沒有采用章動技術,只引入了旋轉極化,因此,只能獲得回波數(shù)量、高度和定向角度等參數(shù)。在自然資源研究所研制垂直監(jiān)測昆蟲雷達時,洛桑試驗站也開啟了垂直監(jiān)測昆蟲雷達的研制工作。1985年,英國洛桑試驗站Bent G A博士成功引入章動技術,研制出了第二代垂直監(jiān)測昆蟲雷達樣機,并在印度和澳大利亞進行了測試[22]。直到今天,二代垂直監(jiān)測雷達技術仍是最成功的應用型雷達系統(tǒng)。1995年起,洛桑試驗站與自然資源研究所就雷達研究展開緊密合作,但在2001年,英國自然資源研究所資助停止,2002年,該所雷達昆蟲學實驗室解散,人員與設備轉入洛桑試驗站。從2002年起,經(jīng)過Riley、Smith、Chapman等人努力,洛桑試驗站的雷達昆蟲學研究取得一系列成果,先后利用垂直監(jiān)測昆蟲雷達觀測了小菜蛾Plutellaxylostella、丫紋夜蛾Autographagamma、七星瓢蟲Coccinellaseptempunctata和異色瓢蟲Harmoniaaxyridis等昆蟲的遷飛行為[35-37]。但是近幾年,隨著老一輩科學家的退休和Chapman轉入Exeter大學,洛桑試驗站的昆蟲雷達研究隊伍出現(xiàn)了較大變化。目前,該試驗站加緊了垂直監(jiān)測昆蟲雷達技術的推廣,在有關項目的支持下,英國的垂直監(jiān)測昆蟲雷達數(shù)量已經(jīng)增加至3臺,另外,還在美國和中國各安置1臺。

英國除了開展上述雷達昆蟲學方面的實踐以外,在毫米波掃描昆蟲雷達和昆蟲諧波雷達方面也做出了突出貢獻。20世紀80年代,英國自然昆蟲研究所首次將毫米波昆蟲雷達應用于昆蟲遷飛研究,先后到菲律賓、中國等多個國家對稻飛虱等小型害蟲進行觀測[10]。在昆蟲諧波雷達方面,1994年,Riley團隊研制出一部基站式昆蟲諧波雷達,該雷達系統(tǒng)在X頻帶掃描雷達的天線上方,增加了一個接收諧波信號的天線,兩個天線同時以20 r/min的轉速旋轉,該雷達系統(tǒng)檢測高度可達700 m,水平可檢測距離最遠約900 m,在當年的首次野外觀測試驗中,成功地跟蹤了蜜蜂在蜂巢與蜜源之間的飛行[11,30]。在昆蟲諧波雷達建制方面,英國還給德國等國家的研究機構提供了技術支持。

3.2 澳大利亞

澳大利亞的雷達昆蟲學實踐始于20世紀70年代。1971年,英國的Schaefer博士與澳大利亞聯(lián)邦科學和工業(yè)研究組織(CSIRO)合作在澳大利亞開展雷達昆蟲學實踐。1978年,Drake被任命負責澳大利亞的昆蟲雷達組,從此澳大利亞的雷達昆蟲學有了長足進展,陸續(xù)發(fā)表一系列重要成果。Drake 博士在關于雷達觀測和結果分析方面提出許多經(jīng)典理論和方法,關于大氣結構和運動尤其是中小尺度環(huán)流對昆蟲遷飛行為的影響方面取得突出成就[1,38-39]。1991年,CSIRO解散,Drake博士轉移到新南威爾士大學物理學院,與澳大利亞治蝗專業(yè)委員會等部門合作繼續(xù)開展昆蟲雷達監(jiān)測。2000年前后,在英國研制出第二代垂直監(jiān)測昆蟲雷達以后,Drake博士也引入第二代垂直監(jiān)測昆蟲雷達設計理念,建立了2臺垂直監(jiān)測昆蟲雷達。他在原來錐掃模式的基礎上,又引入了靜止波束模式,除了獲得上述全部參數(shù)以外,還提取到昆蟲的振翅頻率[23]。此外,它們還嘗試將兩臺垂直監(jiān)測昆蟲雷達組成一個小型雷達監(jiān)測網(wǎng)絡,通過電話線和互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[21]。

3.3 美國

美國是世界上最早利用雷達觀測昆蟲的國家之一,農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局也曾經(jīng)是世界上擁有昆蟲雷達最多的實驗室。美國曾經(jīng)在雷達昆蟲研究方面取得過驕人成就,但近年來,對雷達建制技術推動和學科發(fā)展的影響力略遜于其他國家。1949—1965年,美國氣象學者Crawford等先后多次證實晴空天氣條件下獲得的雷達回波目標是昆蟲[5],但之后開展觀測活動并不多。1978年,Wolf被任命負責雷達昆蟲學項目組工作,并在亞利桑那州開展首次觀測,研究了棉田和相鄰沙漠上空的昆蟲[1-2]。1982年,該項目組在墨西哥灣利用船載昆蟲雷達觀測了蛾類的跨海遷飛。1987年, Wolf 與英國Cranfield大學的Hobb合作建成一部機載昆蟲雷達,取得了雷達昆蟲學研究中唯一一次對一個蛾群全夜遷飛過程的連續(xù)跟蹤[1]。1985年,美國又成立了由Beerwinkle領銜的第二支雷達昆蟲學研究隊伍,隨后,Beerwinkle建造了一部只保留旋轉極化完全電腦控制的垂直監(jiān)測昆蟲雷達,創(chuàng)造了在1990—1991年連續(xù)兩年自動觀測的記錄,獲得了大量珍貴資料[40-41]。1991年,美國的兩支雷達隊伍合并成為害蟲區(qū)域治理研究組,又建造了1部跟蹤雷達,并于1994年投入使用。1996年Wolf退休后,Beerwinkle率領該團隊繼續(xù)開展工作。2000年以后,美國的昆蟲雷達研究工作銳減,發(fā)表文章數(shù)量也大不如從前。

3.4 加拿大

加拿大的雷達昆蟲學實踐最早始于1973年,當時在英國昆蟲雷達專家的幫助下,利用機載雷達觀測了云杉色卷蛾Choristoneurafumiferana的遷飛[1]。后期,加拿大主要專注于便攜式昆蟲諧波雷達的研究,主要團隊有紐布斯威克大學電子計算機系與加拿大農(nóng)業(yè)部,相關專家有Bruce Colpitts和Gilles Boiteau。他們利用便攜式諧波雷達先后追蹤了馬鈴薯甲蟲Leptinotarsadecemlineata、錨斑長足瓢蟲Hippodamiaconvergens、異色瓢蟲等昆蟲的行為[26,42]。

3.5 中國

中國的雷達昆蟲學研究起步較晚,1984年,吉林省農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所的陳瑞鹿先生在澳大利亞Drake博士的幫助下,與無錫海星雷達廠合作,組建了中國第一臺車載式厘米波掃描昆蟲雷達,并于1984年5月至6月在山西應縣觀測了草地螟遷飛,從此揭開了中國雷達昆蟲學研究的序幕[43-44]。1998年,中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所與無錫海星雷達廠合作,組建了中國第二部厘米波掃描昆蟲雷達,該雷達先后被安放在河北廊坊、山東長島等地,對北方重大遷飛性害蟲如草地螟、棉鈴蟲、甜菜夜蛾、綠盲蝽Apolyguslucorum等進行了監(jiān)測[45-47]。2001年,面對掃描昆蟲雷達數(shù)據(jù)處理技術方面存在的難題,中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所的程登發(fā)研究員創(chuàng)新提出“RGB三色圖”計算監(jiān)測目標飛行方向和速度的方法,并開發(fā)了數(shù)據(jù)采集與分析軟件,實現(xiàn)了掃描昆蟲雷達的數(shù)據(jù)采集與分析自動化,極大地推動了掃描昆蟲雷達技術的發(fā)展,為該類型雷達的推廣應用提供了強有力的技術支撐[2-4,14]。

在垂直監(jiān)測昆蟲雷達方面,2004年,程登發(fā)研究員引入垂直監(jiān)測昆蟲雷達的設計理念,與成都錦江電子有限公司合作,建造了中國第一臺垂直監(jiān)測昆蟲雷達并開展了野外監(jiān)測[48]。此后其他研究機構不斷與成都錦江電子有限公司合作,開始嘗試按照國際二代標準建造垂直監(jiān)測昆蟲雷達,目前正在試驗之中。在二代垂直監(jiān)測昆蟲雷達研制方面,無錫立洋電子科技有限公司也獲得重要進展,目前,建制的二代垂直監(jiān)測昆蟲雷達已經(jīng)可以解算出相應參數(shù),相關設備的外觀正在優(yōu)化之中。為了觀測小型害蟲,2006年,中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所與成都錦江電子有限公司合作,自主建成了我國第一部8.8 mm的毫米波掃描昆蟲雷達,該雷達自建成以后一直安放在湘桂走廊上的廣西興安縣,用于監(jiān)測研究褐飛虱、白背飛虱和稻縱卷葉螟等水稻害蟲及其天敵的遷飛規(guī)律[16,49-50]。為了獲得害蟲在低空中的飛行參數(shù),擴大雷達監(jiān)測范圍,增強雷達監(jiān)測能力,2006年,南京農(nóng)業(yè)大學與南京信息工程大學合作,研制了世界上第一臺雙基多普勒垂直監(jiān)測昆蟲雷達。該類型雷達的盲區(qū)縮短至約50 m,但目前可解算的目標參數(shù)還比較有限[51]。此外,在昆蟲個體行為研究方面,2012年,長江大學桂連友教授引入了諧波雷達技術,對柑橘大實蠅Tetradacuscitri的活動節(jié)律、取食特點、交配規(guī)律等生活習性開展定量觀察,以期為其綜合防控提供科學依據(jù)[52]。浙江大學的研究團隊通過與瑞典隆德大學(Lund University)合作開始利用激光雷達對空中目標進行精確判定[31]。

4 昆蟲雷達技術進展

經(jīng)過幾十年的發(fā)展,昆蟲雷達除在類型方面逐步多樣化以外,在一些建制技術方面也取得了許多明顯進步。

4.1 數(shù)字化昆蟲雷達替代模擬昆蟲雷達

模擬雷達是回波信號通過CRT顯示器展現(xiàn)的一類雷達系統(tǒng)。模擬雷達CRT顯示器的熒光屏不同于后期用于計算機終端的長方形CRT顯示器。模擬雷達CRT顯示器的熒光屏通常為圓形,且具備“長余輝”顯示性能。模擬雷達CRT顯示器的偏轉線圈由相互垂直的X軸和Y軸兩部分組成,當X和Y兩個軸的偏轉線圈上加同步的鋸齒波電壓時,就可以實現(xiàn)對電子束的控制,從而在CRT熒光屏上形成一條掃描線。進行PPI掃描時,分別對兩路鋸齒波電壓進行方位角正弦分量和余弦分量的調(diào)制,熒光屏的掃描線就可以與天線同步運轉掃描。與此同時,通過對CRT亮度進行調(diào)制,使之與回波強度正相關,這樣就可以在CRT屏幕上顯示雷達探測到的目標。根據(jù)上述工作原理可以發(fā)現(xiàn),模擬雷達沒有雷達信號的采集、處理和存儲過程,信號存儲需要錄像機或照相機進行輔助存儲。雖然模擬雷達沒有直接的存儲功能和分析功能,但回波的畫面比較細膩。

隨著集成電路技術和計算機軟硬件技術的發(fā)展,20世紀80年代出現(xiàn)了較高性能的AD轉換器件,可以將傳統(tǒng)的模擬信號轉換成數(shù)字信號。由于該工作體制的雷達其主要接口是數(shù)字信號,因此稱為“數(shù)字化雷達”。數(shù)字化雷達與模擬雷達最大的區(qū)別是數(shù)字化雷達的數(shù)據(jù)可以通過專用軟件將雷達數(shù)據(jù)進行存儲、顯示、運算與分析,計算機終端代替了模擬雷達的顯示器。早期數(shù)字化雷達的缺點是由于受AD器件技術的影響,其采樣精度和速度不是太高,所采集的數(shù)據(jù)存在一定誤差,顯示的畫面也不夠細膩。近年來,隨著采樣技術的提高,新研制的昆蟲雷達都采用數(shù)字化技術,傳統(tǒng)的模擬雷達也逐步進行數(shù)字化升級改造,數(shù)字化雷達已經(jīng)取代了模擬昆蟲雷達。

4.2 掃描昆蟲雷達的自動伺服與分析能力大幅度提升

受伺服軟硬件的影響,早期的掃描昆蟲雷達,不適于長期自動運轉,數(shù)據(jù)分析也需要耗費使用者大量的時間和精力[3-4,20]。2001年,程登發(fā)研究員成功開發(fā)了相應軟件,實現(xiàn)了掃描昆蟲雷達的數(shù)據(jù)采集與分析自動化,極大地推動了掃描昆蟲雷達技術的發(fā)展。但是在伺服方面,仍然沒有太多進展。借用天氣雷達運轉經(jīng)驗和早期掃描昆蟲雷達采集分析程序的結構,2016年,無錫立洋電子科技有限公司開發(fā)了伺服程序,該程序可以自動按照設定的仰角進行掃描,并實現(xiàn)了3PPI圖像的實時合成與存儲。通過非實時程序,可以對數(shù)據(jù)進行進一步分析。目前,相關軟件仍在不斷優(yōu)化之中。如果得以應用,掃描昆蟲雷達的威力將會進一步顯現(xiàn),實用性更強。

4.3 多模式雷達融合技術不斷推進

單一運轉模式的昆蟲雷達如掃描昆蟲雷達和垂直監(jiān)測昆蟲雷達均各有優(yōu)缺點[12]。理論上,單一模式的昆蟲雷達,無論如何優(yōu)化都無法消除其本身的不足,也無法實現(xiàn)相互取代。在同一站點架設相同頻率體制不同的2部雷達工作,會產(chǎn)生頻率干擾,同時成本也較高。如果兩種模式能有機地融合為一體,實現(xiàn)多模式運轉,昆蟲雷達的威力將大幅度提高。“雙模式昆蟲探測雷達”是指利用一套收發(fā)、信號采集處理及終端系統(tǒng)實現(xiàn)掃描昆蟲雷達和垂直監(jiān)測昆蟲雷達兩種雷達所有的探測功能的新型昆蟲探測雷達[53]。目前,無錫立洋電子科技有限公司在雙模式昆蟲雷達生產(chǎn)方面取得重要突破。2016年,該公司先后與北京市植物保護站、新疆師范大學等單位合作,研制生產(chǎn)出2部雙模式探測昆蟲雷達,相關雷達正在測試運轉之中。

5 展望

從1968年世界上第一臺昆蟲雷達在英國誕生算起,雷達昆蟲學已經(jīng)有近50年的發(fā)展歷程。在近50年的征程里,雖然雷達昆蟲學在昆蟲遷飛規(guī)律、個體覓食行為、定向行為等方面獲得了一系列的重要成果,但是現(xiàn)有結論仍然很難滿足農(nóng)業(yè)害蟲的定點、定時、定量測報需要,昆蟲行為仍有許多待解之謎。在中國,近年來,遷飛性害蟲頻繁暴發(fā)。2008年,草地螟突襲北京,給糧食作物和正在籌備的奧運會帶來了安全隱患[54]。2012年,華北、東北地區(qū)三代黏蟲大發(fā)生,對秋糧生產(chǎn)構成了嚴重威脅[55]。2013年,二代黏蟲在華北地區(qū)大暴發(fā),直接對春玉米造成危害并影響夏播玉米的安全。害蟲監(jiān)測是預警的重要基礎,在制定決策過程中發(fā)揮著重要作用。與本地害蟲相比,遷飛性害蟲面臨的監(jiān)測難度更大,迫切需要引入昆蟲雷達等現(xiàn)代化手段[56]。昆蟲雷達系統(tǒng)雖然源于常規(guī)雷達系統(tǒng),但是仍存在諸多區(qū)別。在雷達昆蟲學實踐中,昆蟲、雷達、計算機、氣象等相關領域專家需加強合作,不斷開展試驗,共同提升昆蟲雷達的制造、自動化數(shù)據(jù)采集分析與監(jiān)測應用技術水平。在今后的昆蟲雷達建制工作中,要積極利用行業(yè)技術進步,例如可以采用雙極化技術提高目標識別能力[57-58],引入固態(tài)發(fā)射機,提升產(chǎn)品性能,降低運行成本。在數(shù)據(jù)采集方面,要測試高性能的AD采樣技術,提升空間分辨率。同時,要積極推動自動化伺服技術和網(wǎng)絡化雷達,奠定掃描昆蟲雷達的推廣應用基礎。針對昆蟲學研究方面的特殊需求,科研單位與生產(chǎn)企業(yè)要加強合作,在提升雷達目標的識別能力、縮短雷達盲區(qū)等方面不斷努力。積極推進我國昆蟲雷達監(jiān)測網(wǎng)的建設,制定統(tǒng)一建設標準,擴大昆蟲雷達在生產(chǎn)上的應用區(qū)域和范圍。值得慶幸的是,相關方面已經(jīng)取得一些重要進展,雙路饋源技術、多模式融合、快速掃描等技術的出現(xiàn)已經(jīng)為解決上述問題提供了嶄新思路[59-60]。

在充分發(fā)揮昆蟲雷達優(yōu)勢的同時,必須清醒地意識到昆蟲雷達尚存在一些不足,雖然昆蟲雷達與傳統(tǒng)監(jiān)測工具相比,取樣范圍有了顯著增加,但還是遠小于需要探測的區(qū)域范圍。雖然垂直監(jiān)測昆蟲雷達可以獲得監(jiān)測對象的有用信息,但進行準確識別,還需要借助其他手段對監(jiān)測目標等進行判斷[61]。另外雷達設備較為昂貴,在昆蟲雷達研究經(jīng)費不足,技術不完善的情況下,還可以借鑒芬蘭、美國等國家在天氣雷達應用上取得的經(jīng)驗,積極探索天氣雷達在害蟲監(jiān)測預警中的作用,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務[4,62]。隨著行業(yè)技術的進步,昆蟲雷達在害蟲監(jiān)測預警和昆蟲學行為研究方面的應用前景非常值得期待。

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(責任編輯： 田 喆)

Developmentofradarentomologyandrelatedprospectsforfutureapplication

Zhang Zhi1,2, Zhang Yunhui1, Jiang Yuying3, Zhang Luping4, Cheng Dengfa1

(1.StateKeyLaboratoryforBiologyofPlantDiseasesandInsectPests,InstituteofPlantProtection,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100193,China; 2.BeijingPlantProtectionStation,Beijing100029,China;3.NationalAgro-TechnicalExtensionandServiceCentre,Beijing100025,China;4.WuxiLiyangElectronicTechnologyCo.,Ltd,Wuxi214028,China)

Many important achievements have been made in radar entomology with the efforts of several generations of entomologists after nearly 50 years’ development since 1968. For promoting the development of radar entomology in China, in this review, features and functions of main entomological radar, the discrimination between weather radar and entomological radar of similar type, the history of practice in radar entomology in serval important countries and progresses in the construction of entomological radar were presented. Finally, the proposals and prospects for the construction and application of entomological radar were summarized in this article.

entomological radar; scanning entomological radar; vertical-looking insect radar; insect harmonic radar; lidar; pest monitoring; building technology

S 431.9

： ADOI： 10.3969/j.issn.0529-1542.2017.05.003

2017-07-18

： 2017-08-03

北京市科技創(chuàng)新驅動發(fā)展投入項目(PXM2016_036203_000049);國家自然科學基金(31571998)

* 通信作者 E-mail：yhzhang@ippcaas.cn