雷达在害虫监测预警中的应用
（中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害生物学国家重点实验室，北京100094）
迁飞是昆虫利用盛行气流实现大尺度生境转移的特殊行为对策，也是造成农业生产灾难性损失的重要原因。传统研究方法如田间普查、标记—释放—回收、低空网捕等，因耗时费力、精确度低、实效性差而成为该领域亟待突破的瓶颈问题。近年来，随着昆虫雷达技术的日臻成熟，迁飞昆虫自动化精准预警系统研究得到快速发展和完善，并展现出良好的应用前景。
1 昆虫雷达原理
雷达是利用电磁波进行目标探测和测距的无线电系统，电磁波在传播过程中遇到障碍物会被反射，如果反射能量足够强，就可以被系统接收，从而得到目标物体的方位、高度、形状等信息；水既是良好的电磁波反射体，也是昆虫体内的主要组成物质，这使得昆虫能够像雨滴、冰粒一样被雷达探测和分析。经过专门设计的昆虫雷达，具有探测空间大、抗干扰能力强、自动化程度高、不影响昆虫自身行为等优点，已成为研究昆虫迁飞的卓越工具。
2 我国昆虫雷达的发展
1982年吉林省农科院植保所与澳大利亚Alistair Drake博士合作，在公主岭组建了我国第一台厘米波扫描昆虫雷达，并于1984年正式投入使用，成功监测了东北地区黏虫和草地螟的迁飞规律，奠定了我国雷达昆虫学的发展基础。但这一时期的数据采集主要依靠照相机和摄像机记录雷达PPI图像，通过人工放映进行统计分析，整个数据处理过程繁琐枯燥、效率低下，严重限制了昆虫雷达的推广和应用。
为克服这一困难，1998年中国农科院植保所组建了我国第二台厘米波扫描昆虫雷达（KC-2），并于2000年开发出了相应的实时数据采集和分析系统，推动了雷达监测的数字化和智能化进程，大大提高了工作效率，已先后对甜菜夜蛾、草地螟、棉铃虫、黏虫等重要害虫，以及黄蜻、毛婪步甲等天敌昆虫在我国华北地区的迁飞行为进行了系统监测，积累了丰富的历史数据。目前，这部雷达仍正常运转，是标志着我国独立进行雷达昆虫学研究的里程碑。
厘米波昆虫雷达对中大型昆虫的监测效果比较好，但无法应用于蚜虫、稻飞虱等小型昆虫。为此，中国农科院植保所又着手建立了我国第一台毫米波扫描昆虫雷达，并于2007年在广西桂林正式投入使用，对华南稻区“两迁”害虫的迁飞规律进行系统监测。与此同时，南京农业大学组建了我国第一台双天线多普勒昆虫雷达，通过收发分置完成雷达信号的发射和接收，显著降低了雷达的有效探测高度，克服了以往单天线雷达无法对150m以下迁飞昆虫进行取样的弊端。
扫描雷达在昆虫迁飞的理论性研究中发挥了巨大作用，但因其目标辨识能力差、工作量大、劳动密集等特点，无法胜任长期自动化监测工作。为此，中国农科院植保所（2004年，水平极化；2010年，旋转极化）和河南农科院植保所（2006年，旋转极化）分别组建了3台垂直昆虫雷达，该类型的雷达波束对称垂直射向空中，通过机械转动使波束内的线性极化平面产生旋转并轻微摆动（0.2°），于是整个雷达波束就像陀螺由快变慢时一样，形成高速旋转的锥形扫描（300r/min）；当昆虫穿越雷达波束时可完成数个完整的扫描，由于波束位置和极化参数是已知的，接收到的回波信号包含了目标轨迹（相对于垂直方向）和背向散射截面变化（由极化平面旋转引起）两方面信息，其效果相当于以不同角度对目标昆虫进行反复“切割”，从而提取出昆虫的振翅频率、体形参数、质量大小等多种特征参数，并由计算机自动计算和存储，实现雷达监测的自动化和无人值守操作，推动昆虫雷达由理论研究型向实用型的转变。
3 我国雷达昆虫学的机遇和挑战
雷达昆虫学是伴随着国家对重大农业害虫监测预警新需求的提出而不断发展的，新中国成立后黏虫的发生危害促使我国建立了第一部昆虫雷达，20世纪90年代棉铃虫特大暴发促生了我国第二部昆虫雷达，21世纪初草地螟和水稻“两迁”害虫的大暴发，我国又投资建造了多部垂直昆虫雷达。经过十几年的快速发展，我国已初步形成了以垂直昆虫雷达为主要机型的监测网络，研究队伍不断壮大、观测资料不断积累，雷达昆虫学迎来了新的发展机遇。
（1）新型昆虫雷达（网）的建设。虽然我国昆虫雷达网络的建设已位于世界前列，但数据采集和分析等软体系统的发展却相对滞后，致使整个雷达监测网络尚未得到充分利用。即便得到了有效的软件支持，由于各个雷达监测点的分布相距甚远，也难以形成有效覆盖。我国天气雷达监测网的发展已相对完善，单部天气雷达的监测距离为10～30km（最远达50km）；已有研究表明，通过适当的数据转换和处理，天气雷达也可以用于昆虫迁飞的监测，如1988年芬兰已开始综合运用天气雷达、网捕和轨迹分析模型，对蚜虫和小菜蛾的迁飞进行监测研究，并利用手机短信和互联网发出虫害预警；因此，可以设想将我国的天气雷达网、昆虫雷达网和灯光诱虫网结合起来，形成迁飞害虫监测预警的实用网络，但如何协调各部门联动是一个新的挑战。
（2）毫米波与厘米波昆虫雷达的协同观测。我国的毫米波扫描昆虫雷达投入运行后，不仅观测到了稻飞虱的空中密度、高度、数量变化等预期现象，而且还观测到了哑铃形回波；但是关于该回波是不是由稻飞虱共同定向产生的，目前仍存在很大争议。Mie散射可以计算出任一物体在任一雷达波长下的回波强度，当粒子小于1/10波长时近似于Rayleigh散射，即回波强度与球体直径的6次方成正比。对于波长为3.2cm的昆虫雷达来说，昆虫头部和尾部的截面全部落入Rayleigh散射区，雷达回波因反射截面的减小而骤减，因此虫群的共同定向在雷达屏幕上可呈现出哑铃形回波。毫米波昆虫雷达的波长为8mm，常见的中大型迁飞昆虫（如黏虫、稻纵卷叶螟），不论身体的侧面还是正面对准雷达，都不会落入Rayleigh散射区，回波强度的变化不会很大，这类目标即使是有共同定向，在毫米波雷达上也不应表现出哑铃形分布。小型迁飞昆虫（如稻飞虱）的体长与毫米波雷达的波长相似，其头尾方向的截面可落入Rayleigh散射区，理论上能够产生哑铃形回波。因此，如果能同时使用厘米波和毫米波雷达进行观测，可以很容易地鉴定出上述哑铃形分布是由稻飞虱产生的，还是中大型蛾类产生的。
（3）历史数据的积累与分析。昆虫成层和定向机理已成为当前雷达昆虫学的研究热点，虽然取得了一些进展，但相互矛盾和不解之谜甚多。我国的雷达系统监测积累了大量的历史资料，而且都有同期高空风温场资料，这是一笔宝贵的资源，可通过风温场模拟的方法对历史资料进行深入分析，有助于理解和探讨迁飞昆虫的成层机理。越来越多的研究表明昆虫具有罗盘定向能力，但对其机理还不清楚；雷达遥感虽然可以准确观测到昆虫定向现象，但难以控制几百米高空的磁场、气压和风温等环境条件；红外三维轨迹捕捉和分析系统的尝试也未取得很好的结果；飞行模拟器可以在模拟环境下观测昆虫定向行为，但并非所有昆虫都适合吊飞，这些均为昆虫成层和定向机理研究提出了新的课题和挑战。
综上所述，我国应用昆虫雷达，在黏虫、褐飞虱、草地螟、棉铃虫等重大害虫的监测预警上已取得了重要进展，满足了生产上对重大迁飞害虫预测预报的基本技术要求。同时，随着雷达生产技术、质量和性能的不断提高，以及生产成本的逐步降低，在不远的将来有望建立起全国性的迁飞害虫自动化精准预警体系。