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指挥总部的资助下,开发了鸟类危险咨询系统(AHAS) ,用于
监控和预报美国48 个州的鸟类活动. 目前该系统基于美国新
安装的NEXRAD2WSR288D[6 ,7 ]气象雷达网. 如图1 所示. 该雷
达网几乎覆盖所有美国地区和加拿大南部地区,具有很强的
探测弱目标的功能,该雷达网提供的数据被用于防范鸟击,保
障飞行安全,保护迁徙鸟群等许多方面. AHAS 系统利用气象
雷达提供的数据,采用图像处理和神经网络等模式识别的算
法,从雷达数据中准确地将生物学目标同其他目标区别开来,
实时地将雷达数据转变为鸟情信息,减少鸟击的可能性.
21213 机场区域鸟情探测系统[8 ,9 ]
鸟类危险咨询系统(AHAS) 从NEXRAD 气象雷达网上获
取数据. 由于大多数气象雷达距离机场太远,以及受角度的限
制而无法探测到机场上方低空飞行的鸟类. 机场区域鸟情探
测成为人们研究的热点. 其中具有代表性的是美国联邦航空
局(FAA) 开发的终端区域鸟类危险咨询系统(TAHAS) 和Clem2
son 大学雷达鸟类实验室开发的移动式雷达鸟类探测系统—
BIRDRAD 系统.
终端区域鸟类危险咨询系统包括两套雷达系统—终端
多普勒气象雷达(TDWR) 和机场监视雷达(ASR —9) . 该系统
具有探测生物目标的能力,可以监控机场附近的鸟类活动.
具有较快的信息更新速度,持续更新的信息可以确定在机场
附近栖息和觅食的鸟群位置并估算其数目. 通过空中交通管
理控制系统或者直接的数据链向正在着陆和起飞的飞机驾
驶员发出实时的鸟类活动状态警告.
BIRDRAD 系统是采用高性能商业雷达和PC 机开发的
移动式雷达鸟类探测系统,被用于在较小的范围内探测鸟类
的活动,该系统具有很快的扫描周期(2. 5s) 和很窄的波束宽
度,非常有利于实时探测鸟情信息,该系统由一台观测车搭
载,包括雷达、处理器、GPS 定位仪、传输设备等. BIRDRAD 系
统可移动的优点可以补充AHAS 系统的不足,实时监控具体
地点的鸟类活动,开发有针对性的避险模型.
213 雷达鸟类目标回波信息的特点及识别方法
目前的雷达鸟类探测系统多是由气象雷达[10～12 ] 或海事
雷达系统[13 ]改造而成,鸟类信息的识别大多基于雷达的回波
图像和多普勒信息. 要从雷达回波信息中正确地提取鸟类的
信息,必须从鸟类目标本身的特点、雷达系统的工作原理和雷
达图像处理算法等多方面去研究.
21311 鸟类目标的雷达散射截面( RCS) 和飞行特点[14 ,15 ]
鸟类的回波反射率取决于鸟类的RCS ,多普勒信息则取
决于鸟类的飞行速度. 许多文献对鸟类的RCS 和飞行特点作
了研究. 鸟类的RCS 主要取决于它的体积,除了某些大型鸟
类,一般要小于飞机、舰船和导弹. 表1 列出了几种鸟类在三
个不同频段(X、S、L) 的RCS.
鸟类的飞行速度受多种因素影响,主要有体积、形态、迁
徙和风. 一般情况下,体积越大速度越快,但也有例外. 翅膀较
大,体重相对较小的鸟类飞行速度较快. 迁徙中的鸟群飞行速
度较平时要快. 风速对鸟类飞行速度的影响较为复杂,不能将
风速简单地加到无风时的飞行速度上. 多数鸟类的飞行高度
在2000m以下,个别跨洋迁徙的鸟类飞行高度超过6000m.
21312 鸟类目标探测对雷达系统的要求[16 ,17 ]
鸟类目标探测不同于一般航空器探测,总结目前研究和
现有雷达特点,具体要求如下:
第 12 期宁焕生:航空鸟击雷达鸟情探测研究2233
(1) 雷达波束宽度. 波束越窄,分辨力越高,越有利于分辨
单个飞鸟; (2) 雷达相对于机场终端区域的相对位置. 机场外
的雷达易受到干扰源的影响,不利于分辨小群或单个鸟; (3)
雷达扫描的更新率. 每分钟更新率最好达到20 次以上; (4) 雷
达可探测的目标反射率较低. 一般要能够探测到低空飞行的
RCS 为万分之一平方米的鸟类目标,而鸟群的反射率相对就
高一些; (5) 雷达极化方式. 最好能够从线极化到圆极化转换,
以便于探测因天气变化而变得模糊的目标; (6) 雷达数据质
量. 雷达应能提供可编辑的雷达图像数据,这样配合杂波滤波
器、多普勒分析和一些图像处理手段才能有利于识别.
21313 鸟类目标回波信息与气象信息的区分方法[18～20 ]
利用雷达探测跟踪鸟类的难点在于:在雷达回波图像中
将气象、环境等非生物回波信息同鸟类的回波信息区分开. 许
多研究表明鸟类的回波图像具有如下特点:
(1) 鸟类的回波区域总体上来说在分布情况上要小于气
象信号; (2) 生物目标的点刻度(在一段回波最大值和最小值
之间区分预测斜率和实际斜率的度量值) 要大一些,迁徙的鸟
类比栖息的鸟类更明显一些; (3) 鸟类回波的速度变化或频谱
宽度要小于气象信号; (4) 鸟类的回波经常有不均匀的反射
率; (5) 鸟类回波以中间有环形信号的圆弧模式传播; (6) 鸟类
回波以最大反射率结合最大速度的模式出现; (7) 相对于气象
目标而言,鸟类限制在大气层中很窄的一层中活动.
从屏幕上接收到的雷达图像来看,对探测最重要的是回
波反射率和多普勒速度. 回波反射率可以从图像中直接得到,
通过对不同时刻的图像进行处理得到多普勒速度图像. 由于
气象雷达中能够产生高仰角和低仰角的反射率图像,我们可
以利用不同仰角的扇形波来区分在低海拔高度活动的鸟类和
气象信号之类垂直分布的目标. 同时运动是很好的判断标志,
研究发现鸟的回波信号前沿扩展速度为10～1315 米/ 秒,单
只鸟的速度可能比这更高,一般可以达到15～20 米/ 秒.
雷达目标识别具有多种方法[21 ] ,近年来基于高分辨的雷
达成像的识别技术获得了很大进步. 许多图像处理的技术[22 ]
被应用到雷达目标识别中, AHAS 使用标准图像处理技术从
雷达图像上去掉天气目标. 虽然这种方法取得了巨大成功,但
在应用上还是受到一定限制,因为在气象锋面边缘处会丢失
少量气象信息,当迁徙正好出现在气象锋面边缘时,雪与鸟类
目标发生混淆,使得整块的生物学目标被去除.
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