气象雷达探鸟技术综述

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26781

综述

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气象雷达探鸟技术综述

陈唯实¹(), 刘佳², 王青斌¹, 卢贤锋¹, 张洁¹, 陈小龙³, 黄毅峰¹

^1.中国民航科学技术研究院机场研究所，北京 100028
^2.北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院，北京 100191
^3.海军航空大学，烟台 264001

收稿日期:2021-12-08 修回日期:2021-12-27 接受日期:2022-01-27 出版日期:2023-03-15 发布日期:2022-02-17
通讯作者: 陈唯实 E-mail:wishchen@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金委员会-中国民用航空局民航联合研究基金(U2133216);北航“双一流”引导专项课题(ZG216S2182)

Review on technology of bird detection with weather radar

Weishi CHEN¹(), Jia LIU², Qingbin WANG¹, Xianfeng LU¹, Jie ZHANG¹, Xiaolong CHEN³, Yifeng HUANG¹

^1.Airport Research Institute，China Academy of Civil Aviation Science and Technology，Beijing 100028，China
^2.Research Institute for Frontier Science，Beihang University，Beijing 100191，China
^3.Naval Aviation University，Yantai 264001，China

Received:2021-12-08 Revised:2021-12-27 Accepted:2022-01-27 Online:2023-03-15 Published:2022-02-17
Contact: Weishi CHEN E-mail:wishchen@buaa.edu.cn
Supported by:
Joint fund of the National Natural Science Foundation of China （NSFC） and Civil Aviation Administration of China （CAAC）(U2133216);BeiHang Zhuo Bai Program(ZG216S2182)

摘要/Abstract

摘要：

气象雷达组网特别适用于大陆范围内鸟类大规模活动的观测。首先介绍了美国和欧洲相对成熟的基于气象雷达组网的鸟情预警系统，并对二者的性能进行了对比分析。然后，从目标回波幅度、高度分布、飞行速度和方向等方面分析了气象雷达飞鸟目标的回波特性，进而讨论了杂波抑制、气象信息剔除、飞鸟目标特征提取、机器学习、交叉验证等气象雷达鸟情信息提取技术。在此基础上，介绍了气象雷达组网探鸟在鸟类生态学研究和鸟击防范方面的应用。最后，从探测覆盖范围和气象雷达系统性能2个方面，讨论了在中国建立基于气象雷达组网的全国鸟情预警系统的初步构想。

关键词: 气象雷达, 杂波抑制, 机器学习, 鸟情预警, 鸟击防范

Abstract:

The weather radar network is especially suitable for observation of large-scale bird activities on the continent. This paper first introduces the relatively mature bird early warning systems based on the weather radar networks in the United States and Europe， and makes a comparative analysis of their performance. Then， the echo characteristics of the weather radar bird target are analyzed in terms of echo amplitude， altitude distribution， flight speed and direction， and then the bird information extraction technologies including clutter suppression， weather information elimination， bird target feature extraction， machine learning， and cross validation are discussed. On this basis， the applications of bird detection with the weather radar network in bird ecology research and bird strike avoidance are introduced. The preliminary idea of establishing a national bird surveillance system based on the weather radar network in China is discussed in terms of detection coverage and weather radar system performance.

Key words: weather radar, clutter suppression, machine learning, bird warning, bird strike avoidance

中图分类号:

陈唯实, 刘佳, 王青斌, 卢贤锋, 张洁, 陈小龙, 黄毅峰. 气象雷达探鸟技术综述[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 26781.

Weishi CHEN, Jia LIU, Qingbin WANG, Xianfeng LU, Jie ZHANG, Xiaolong CHEN, Yifeng HUANG. Review on technology of bird detection with weather radar[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(5): 26781.

图/表 16

表 1

图 1

图 2

表 2

图 3

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表 3

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图 10

图 11

图 12

图 13

参考文献 65

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

投入使用时间	国家	系统类别	使用方式
20世纪50年代	以色列、丹麦、比利时、德国、荷兰	对空监视雷达	专业人员观测雷达屏幕并进行分析
20世纪70年代	丹麦、荷兰	配备鸟类迁徙强度电子计数器的鸟情预警电子系统	军用对空监视雷达屏幕上有多个窗口嵌入
20世纪90年代	德国、荷兰	具备鸟类目标的检测、跟踪与识别的鸟情预警电子系统	对空监视雷达组网观测
21世纪之后	荷兰	荷兰罗宾雷达	自动观测预警并评估风险

指标	NEXTRAD	OPERA
覆盖面积/（10 ⁶ km ²）	9.8	4.3
覆盖人口/亿	3.15	5
组织形式	国家海洋和大气管理局/国家气象局、联邦航空局和空军的联合管理	30个独立的国家气象部门的协同管理
雷达数量和频率	160部，全部为S波段	200部（C波段163部、S波段29部、X波段8部）
极化	2013年完成全部雷达的双极化升级	106部为双极化，仍在升级中
系统模式	单一制造商和型号	多家制造商和多种型号
运行模式	国家运行模式	2种模式：晴空模式和降水模式，8层仰角观测（可由操作人员自行选择）
数据格式	统一数据格式	交换协议数据格式ODIM

指标	取值范围
鸟情表征信息	迁徙时间段、迁徙目标空间分布、迁徙方向、高度分布、平均速度等
数据精度	取决于雷达体扫单元的大小
扫描周期/min	>3
数据统计周期/min	30~60
距离分辨率/m	>100
角度分辨率/（°）	≈3
水平分辨率/ m ²	几百~上千

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气象雷达探鸟技术综述

Review on technology of bird detection with weather radar

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图/表 16

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