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flying bird target t rails and correlative information are ext racted f rom avian radar image sequences collected
during outfield experiment s , which verify the feasibility of bird detection with radar , and some prospect of
algorithm improvement for reducing false alarm and missing alarm is proposed af ter an analysis of different
experimental result s.
Key words : birds ; radar cross section ; radar ; detection ; false alarm
　　早期利用雷達探測空中目標時,人們將那些
不存在明顯反射源的回波信號稱為“仙波”,其實
這些“仙波”通常是由飛鳥產生的[1 ] 。盡管來自一
只鳥的回波很小,但如果距離足夠近或者雷達的
探測能力足夠強,它仍能被檢測到。對于探測目
標不是飛鳥的雷達系統,“仙波”干擾了雷達的正
常工作,屬于雜波,需要從雷達回波中濾除。近幾
十年來,隨著鳥擊(飛機撞鳥) 事件的頻繁發生,鳥
擊防范成為民航界關注的重大課題,“仙波”由雜
波變為探測對象,雷達探鳥作為飛鳥探測的主要
技術手段已發展成雷達領域重要的研究方向[2 ] 。
國外成熟的機場雷達探鳥系統包括加拿大Sicom
Systems 公司開發的Accipiter 系統和美國De2
Tect 公司開發的Merlin 系統。鳥擊風險與鳥的
質量有關,中、大型鳥和鳥群對飛行安全的威脅最
大,其雷達散射截面(Radar Cross Section ,RCS)
也較大,更易于被雷達系統發現。本文基于鳥類
目標散射特性分析,介紹了雷達探鳥實驗涉及的
關鍵技術。
1 　鳥類目標散射特性分析
人們針對鳥類目標進行了大量暗室測量實
驗,認為鳥的RCS 與其質量和電磁波的工作波
長存在一定聯系。在S 波段,質量70 g 的歐椋
鳥的平均RCS 為10 cm2 ,而質量1 000 g 的野鴨
的平均RCS 為100 cm2 [ 3 ] 。鴿子在U HF 波段具
　第7 期陳唯實等:基于鳥類目標散射特性分析的雷達探鳥實驗　
有11 cm2 的平均RCS ,在S 波段為80 cm2 ,在X
波段為15 cm2 [4 ] 。此外,鳥的雷達回波由其翅膀
扇動形成周期性變化。翅膀扇動引起10 dB 的
RCS 起伏是很平常的,有時候會發現單只被跟蹤
鳥在翅膀扇動率上的RCS 起伏為30～40 dB[5 ] 。
翅膀扇動頻率的一個估計由f = 572/ L01827 給出, f
為翅膀扇動頻率, Hz ; L 為翅膀長度,mm[6 ] 。另
外,同一只鳥處于不同狀態時(遷徙或覓食) ,因飛
行方式不同,其RCS 也有變化。
可見,鳥類作為復雜的生物體,其精確建模非
常困難,目前國內外尚無相關報道。鳥體重的
65 %由水形成,水是一種具有較大介電常數的物
質,可以形成相對較大的回波反射率,普遍認為鳥
類目標RCS 主要是由其體內的水反射形成的,因
此水球建模是一種常見的理論近似方法[7 ] 。但該
方法過于粗糙,且對于許多鳥和工作波長來說,水
球模型處于諧振區甚至瑞利區,其計算值起伏太
大,不適于工程應用。因此,工程上通常基于大量
實驗測量數據給出計算單只鳥RCS 的近似統計模
型為[8 ]
σ =
0155W1/ 3λ λ/ W1/ 3 < 514
2 512W2λ- 4 λ/ W1/ 3 > 514
(1)
式中:W 為鳥的質量,g ;λ為波長,cm。統計模型
的計算結果基于大量實驗數據,更符合鳥類RCS
的平均統計特性,適于估計各種鳥RCS 值的量級
范圍。
鳥群對雷達的影響與其總體RCS 有關,根據
鳥群的規模,可以推算出其RCS。最簡單的情況
是,假設鳥之間的距離足夠大,且分布和取向隨
機,忽略單只鳥之間的互耦,用鳥的數量乘以單只
鳥RCS。表1[5 ] 給出了一些代表性的鳥群在一個
很廣的區域內的外場RCS 測量值σ, 密度和體積
反射率η等數據,適用頻率從S 波段到X波段。可
見,遷徙鳥群的總體RCS 通常大于1 m2 。因此在
工程應用中,從S 波段到X波段,單只鳥通常具有
1～100 cm2 的平均RCS ,其中:小鳥RCS 約5 cm2 ,
中鳥RCS 約50 cm2 ,大鳥RCS 約100 cm2 。
表1 　鳥群目標散射特性[ 5]
Table 1 　Scattering characteristics of bird flock targets[ 5]
鳥的類型影響區域/ km2 鳥的數量鳥的密度/ (只·m- 3) σ/ m2 η/ cm - 1
較低山谷中的山鳥105 108 10 - 6 5～50 10 - 11～10 - 10
單個棲息的山鳥103～104 107 10 - 6～10 - 5 5～50 10 - 11～10 - 9
海岸區烏鴉、歐鳥、鵝和鴨103 104～106 10 - 9～10 - 6 10～500 10 - 13～10 - 9
加利福尼亞海岸遷徙的海鷗103 > 106 10 - 5 50～500 10 - 9～10 - 8
佐治亞海岸的角嘴海雀10 105 10 - 4 50～500 10 - 9～10 - 8
美國灣海岸的涉水鳥105 106 10 - 9 50～500 10 - 13～10 - 12
美國洛杉磯山脈東部遷徙鳥107 109 10 - 7 1～50 10 - 13～10 - 12
非洲草原群體繁殖的奎利亞雀2 > 107 10 - 2 5～50 10 - 7～10 - 6
2 　雷達探鳥實驗系統
北京航空航天大學與中國民用航空總局航空
安全技術中心和北京首都國際機場合作,搭建了
雷達探鳥實驗系統,為我國的雷達探鳥和鳥擊防
范研究邁出了重要一步。下面分別從系統結構、
系統探測性能分析和數據處理方法3 個方面對該
系統進行介紹。
211 　系統結構
本實驗系統配備了一部峰值功率6 kW 的X
波段海事雷達(Model 1941 Mark22) ,垂直波束的
寬度為22°,水平波束的寬度小于119°; 天線為
112 m 的波導縫隙T 型天線,轉速為24 r/ min ;脈
沖重復頻率為1～2 kHz ,脈寬為0108～0130μs。
在外場實驗中,將雷達固定在梯形支架上,并架
設于小型轎車頂部進行水平掃描,距地面2～
3 m ,由蓄電池進行供電,如圖1 (a) 所示。該雷
達獲取的探鳥雷達平面位置指示( Plane Position
Indicator ,PPI) 圖像通過圖像采集卡(幀/ 21 5 s)
　
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