我国高分辨率旋转极化垂直昆虫雷达助力粮食丰收 我国昆虫雷达低空监测能力跃居全球首位

 每年夜间穿越我国东部地区上空的迁飞昆虫数量高达9.3万亿只,这些趁夜色悄然迁移的“空中军团”,对粮食安全构成了严峻威胁。农业农村部公布的11种一类害虫中,有8种属于迁飞害虫,其中6种是夜间高空风载迁飞害虫,每年造成的粮食损失超过2000万吨。然而,此前我国对这类害虫的监测长期处于“看不清、追不着、测不准”的被动局面。2025年3月,这一局面被彻底改写——亚洲首部高分辨率旋转极化垂直昆虫雷达建成投用,实现了70米至1810米高空迁飞昆虫的自动监测。

 这项突破的核心在于攻克了传统雷达的“近距离盲区”难题。传统垂直昆虫雷达采用发射与接收共用天线的设计,就像人的眼睛看不清紧贴鼻尖的东西,存在约150米的盲区,大量在低空活动的害虫无法被有效捕捉。研发团队从瑞典激光雷达专家的研究中获得启发,创造性地设计出“动态噪声阈值”算法——不再使用固定值“一刀切”,而是实时计算每1.875米高度层的独立噪声基线,根据不同高度和时段的噪声水平动态调整阈值,从“噪声海洋”中精准锁定每一只昆虫信号。为了验证这套算法的稳定性,团队成员在试验基地连续驻守三年,不分昼夜采集数据,当70米低空迁飞昆虫的信号第一次清晰呈现在屏幕上时,这一突破让我国昆虫雷达的低空监测能力跃居全球首位。与传统雷达50至70米的粗糙分辨率相比,该雷达采用高频数据采集技术,将高度分辨率提升至1.875米,相当于把一张模糊的照片变成了高清画面,昆虫个体的振翅频率、三维运动轨迹等细节均可精准捕捉。

 从“看不清”到“测得准” 实战中守护千万亩粮田

 2025年5月底,浙江省龙游、莲都两地的雷达站几乎同时监测到密集信号——来自临近省份的稻飞虱大部队正浩浩荡荡迁入浙江。几日后,萧山站也探测到信号,但数量明显减少,呈现出害虫自南向北迁入的清晰路径。正是得益于这套智能监测系统的提前预警,当地植保部门抢在害虫大规模降落产卵前启动了防控措施,避免了可能造成的巨大损失。自2025年4月投入运行以来,该平台已精准预警2次稻飞虱暴发事件及多次害虫迁飞高峰。

 在湖北产粮大县,技术人员通过安装在田间的传感器实时获取虫情数据,近30个监测点全天候运行,物联网服务已覆盖全省近200万亩农田,农户足不出户即可远程查看报告并接收预警。在北京理工大学牵头研发的“昆虫监测雷达精细测量技术与应用”项目中,团队成功实现了从群体监测到毫克量级个体监测的跨代突破,成果评价委员会认为该项目整体技术达到国际领先水平。全国昆虫雷达联网信息平台运行至今,已监测到1500多次不同危害等级的迁飞虫群,为全国植保情报系统提供了及时准确的预警依据,成为名副其实的害虫迁飞“警报员”。

 二十年磨一剑 技术跃迁背后的科研坚守

 这项填补亚洲空白的重大成果,从构想落地到实战应用,走过了整整二十年。团队从2006年起步,先后攻克了盲区压缩、目标识别和野外标定三大技术难关。在目标识别环节,一个棘手的问题摆在眼前:当多只昆虫同时出现在一个采样空间内,传统雷达只能“记录”回波最强的那个信号,其他目标则被忽略。为解决这一问题,团队提出了简洁高效的“三步法”目标提取方案,相比澳大利亚同行采用的十步提取法,大大简化了识别流程,显著提升了数据处理效率。

 在野外标定方面,团队也拿出了独创的解决方案。传统标定方法需要借助飞机跑道等昂贵基础设施,费时费力且不易实施。研发团队提出了一种利用自然目标的野外标定方法,简便易行且适用于其他类型雷达,为昆虫雷达数据的标准化奠定了重要基础。整套系统采用X波段高分辨率旋转线极化垂直昆虫雷达配置,可自动获取昆虫目标的强度、体形参数、振翅频率、高度、飞行方向、速度等关键参数,并同步统计种群密度等宏观信息。相关成果不仅发表在《Pest Management Science》等国际学术期刊上,还获得了国家自然科学基金、中原科技创新领军人才项目等多项资助。

 从国内组网到全球协同 联合国粮农组织点赞“中国方案”

 2025年10月,在意大利罗马举办的联合国粮农组织“从种子到食物”首届全球展览会上,这项技术作为农业技术展区的焦点亮相,吸引了来自美国、意大利、巴西、印度尼西亚等数十个国家的农业官员和科研代表驻足交流。同年,该雷达荣获联合国粮农组织植物健康管理领域全球技术卓越奖。多国专家一致认为,这项技术对建立全球迁飞性害虫的跨境联合监测与早期预警网络具有重大意义,标志着农作物病虫害监测从传统的“经验判断”迈入了精准的“数字感知”时代。

 在国内,昆虫雷达的组网布局正在加速推进。浙江在省内主要迁飞通道部署了5个智慧监测站,构建起省域级的立体监测网络。辽宁东港的首座国家级迁飞性害虫雷达监测站已通过竣工验收,采用厘米波垂直昆虫雷达自动监测200至2000米高空中的大型迁飞性害虫。山东东营的四部雷达则组成“雷达矩阵”,以等边三角形加中心的布局覆盖黄河三角洲的广袤农田,实现对迁飞害虫的立体化精准监测。与此同时,我国正积极推动“跨国昆虫雷达网络”建设,与各国共享数据、互通有无,在全球尺度上守护粮食安全。

 从“会看”到“会想” 智慧植保前景广阔

 从最初的“看不见”到如今的“测得准”,昆虫雷达的进化之路远未止步。浙江重大迁飞性害虫监测预警平台已建立起包含119种昆虫的数据库,针对本省建立的识别模型可准确辨别其中54种主要害虫,平均准确率超过90%。每一只飞过的昆虫,系统都能在几分钟内获取其体型、体重、飞行速度、振翅频率乃至体轴方向等详尽信息。

 当前,研发团队正致力于将雷达监测数据与气象数据、物候数据深度融合,进一步精准解析昆虫迁飞路径和落区预报,让预警系统从“看见”迈向“预见”。一套“天网+地网”一体化的立体监测网络正在成形——高空有昆虫雷达全天候扫描,地面有智能诱虫灯和田间传感器实时验证,这套从感知到决策的完整链条,正为我国粮食安全筑起一道科技防线。