昆虫谐波雷达：跟踪昆虫运动的一种新工具
（长江大学农学院 湖北434025 Guilianyou@126.com）
关键词：昆虫谐波雷达；标定；跟踪
在自然状态下，要研究这些昆虫低空扩散飞行和爬行速度较快、运动距离较远的运动行为和生活习性，将采用哪些跟踪技术呢？应用雷达跟踪技术是非常有效的方法。但是，使用扫描昆虫雷达、昆虫追踪雷达、垂直监测雷达、机载昆虫雷达、船载昆虫雷达、双极化多普勒雷达、8.8mm扫描昆虫雷达等，对于昆虫运动的跟踪确是盲区。昆虫谐波雷达技术出现，使跟踪这类昆虫运动的研究有了可能。但在目前，中国没有昆虫谐波雷达。但到2011年年底，长江大学将拥有中国第1部便携式昆虫谐波雷达（harmonic radar transceiver）。
昆虫谐波雷达的基本原理是靠昆虫谐波雷达系统的发射天线发射出一种高功率的脉冲电磁波（Schaefer,1969），待检测的目标上绑有一很小的电子装置标定（tag），该装置吸收雷达波束中的能量并将输入信号调制为谐波后再发射回去；昆虫谐波雷达系统的接收天线即可屏蔽地物回波而从其中将该反射的回来的另一种脉冲电磁谐波检测出来，通过相位比较测量出目标回波的相位、幅度相对于空间、时间和频率的变化率而言，至少应包含有关目标角度、径向速度、距离、形状、自旋和尺寸等信息。电子装置标定是利用肖特基二极管（Schottky diode）的特性发展出来的，肖特基二极管能够吸收高频的电磁波的部分能量并反射出二次谐波，由于植物、地物和海洋不产生高次谐波而由它们产生的基波又被抑制，故谐波雷达具有很强的抗杂波能力，其频率就和其他地面物体的反射波区可以分开来。标定不需要电池，可以做得很轻很小。
昆虫谐波雷达是一种良好的跟踪昆虫运动的新技术。首先由于它在昆虫身体上安装一个由肖特基二极管等组成的电子标记，它能更准确地跟踪单个昆虫的运动。其次，用这种方法研究昆虫运动行为，比传统上用标记技术有着“可在自然条件下进行”、“可以定量化分析”等优点。第三，还可以研究昆虫的对食物或寄主的定向、对配偶的定向、对巢穴的定向（包括越冬）和对迁飞方向的定向行为和习性，并能够区分依靠哪一种感觉类型，如嗅觉定向、听觉定向、视觉定向和磁场定向。并能够区分依靠哪一种感觉能力，如有趋光性、趋化性、趋温性、趋湿性。在实际应用到食饵诱杀、灯光诱集、忌避剂、引诱剂、熏蒸剂、产卵抑制剂和杀虫剂（对象为飞行或步行能力较强的成虫、若虫）等方面效果评价。另外，还可以昆虫具有异常灵敏的嗅觉能够记住大量不同的气味，携带标定之后，它可以准确探测出生物武器所在位置。
不是所有的昆虫都适合利用昆虫谐波雷达技术，要求昆虫具有较强飞行能力和较重的体重。标定重量一般不超过昆虫体重10%，但也有昆虫（如马铃薯叶甲）标定占本身体重的14.7%时同样适用。目前研究昆虫主要集中在昆虫成虫或若虫形态。Boiteau和Colpitts（2004）等研究表明：15%天敌昆虫可以适用昆虫谐波雷达技术跟踪。双翅目昆虫负载飞行能力较强，其中的一些种类可以负载达到本身体重的2～3倍。
昆虫谐波雷达在国外经历了30余年的发展。首次将谐波雷达引入昆虫行为的研究当属美国北达科他州州立大学Klempel（1977）研究小组，他们于1977年对螺旋蝇Cochliomyia hominivorax单个个体的飞行行为进行了谐波雷达追踪，展示了谐波雷达追踪单个昆虫飞行行为的新手段。Mascanzoni和Wallin研究小组，于1986制造出绑一个电子装置标定在昆虫身体上的手持昆虫谐波雷达，并成功地跟踪了土壤洞穴中的昆虫活动行为，这是一部真正实用意义上昆虫谐波雷达。经过30余年间发展，目前，昆虫谐波雷达已分为基站式和便携式两大类型，发射功率4kW、25kW和200kW，标定重0.4～27mg，天线长度16～200mm，探测距离0～1000m，高度地上50m至地表下30cm深处，昆虫一般重量12.0～34000mg，被跟踪昆虫种类涉及鞘翅目、鳞翅目、双翅目、膜翅目和直翅目5目24种（桂连友2011）。
标定的制造是昆虫谐波雷达系统中最关键的技术。其制造技术含金量高，原材料由无感超细金属丝、肖特二极管、导电胶和非导电的超强粘胶组成。在一些研究中，昆虫体重微小、重量轻，要求标定重量极轻、天线长度极短，天线长度和重量不能影响昆虫正常行为；标定重量和天线长度与探测距离时有矛盾，天线长度增长，探测距离范围扩大，但标定重量增加，又影响了昆虫正常行为；制造重量极轻的标定的常常受材料和加工技术限制。标定被粘在昆虫身体上，由于昆虫运动、昆虫撕咬、与其他物体摩擦或碰撞，标定易受损或脱落，也可能导致跟踪目标消失。理想的昆虫标定应该满足如下的特性（Hagler and Jackson,2001）：足够时间不脱落、便宜、粘胶无毒、使用简单和不影响昆虫的正常行为。在选择适合的昆虫标定的重量、长度、形状、粘胶种类时必须考虑因素：标定粘贴部位选择在前胸、中胸、后胸、腹部、翅或其他的位置、使用的粘胶无毒、保持标定不脱落时间足够长和足够高不脱落率、标定对昆虫正常垂直起飞率和在空中起飞持续时间的较小或无影响、标定对昆虫正常垂直和水平运动的距离、时间、速度较小或无影响、标定对昆虫正常取食无影响；标定不妨碍昆虫交配产卵或其他行为。
以便携式昆虫谐波雷达（加拿大产）应用跟踪马铃薯叶甲为例（Gui et al., 2011a），介绍试验基本方法。它是用4kW船用雷达改装的，发射功率4kW，发射频率9.41GHz，标定重3mg，天线长度为16mm，接收频率18.82GHz，探测飞行行为距离为1000m以内。这种昆虫谐波雷达系统发射功率较小，检测范围较有基站式雷达小，主要针对地面飞行较快的昆虫，而且这种雷达重量轻，结果简单，便于携带，使用方便，造价较低。谐波雷达系统的总长度104cm，其中发射机天线长度占85cm（天线可以拆卸），高为54cm，宽为25cm（发射机天线最宽），整个谐波雷达系统的重量不足9kg（包括电池）。
试验基本方法和步骤：①选择适合的标定。确定其重量、长度、形状、粘胶种类。②昆虫标记。用记号笔在马铃薯叶甲翅上打点排列标记。③合适的释放间隔时间和间隔距离。④合适的检测间隔时间。⑤数据获取。记录相邻两次运动转角、距离、温度、湿度、光照、风速等数据。⑥数据处理。包括搜索寄主时净位移与累计位移存在显著相关性；搜索寄主时选择的转角方向分布；温度、风速、湿度、光照强度对柑橘大实蝇成虫活动节律影响；相关随机活动位移（the correlated random walk,
）预测曲线（Turchin,1998）与观察平均位移平方的值（R2）曲线显著的相关性；⑦试验结果。移动路线图；确定运动方式是属于随机、定向、静止、徘徊那种或几种形式；运动参数，如转角、移动步长、速度，最远距离等、运动范围等；释放和回收昆虫参数。如回收率、有效跟踪率（大于6次检测）、飞出跟踪范围率等。
自1977年出现昆虫谐波雷达以来，尽管随着材料科学和谐波雷达技术的发展到今天，昆虫谐波雷达技术发展取得了长足的进步，但是，它还不是非常成熟，存在一定局限性。但它仍然是跟踪昆虫运动的一种良好的技术。由于昆虫谐波雷达研制正处在发展阶段，随着无线微型传感器网关技术、材料科学和芯片技术的发展，上述限制会逐渐克服。目前，在利用昆虫谐波雷达技术研究昆虫运动方面，中国与国外差距近30年。2008年8月至2009年8月，笔者曾赴加拿大做访问学者1年。主要与有关国外专家（包括雷达发明人也是制造者、其测试及应用合作者）开展技术交流；并在田间利用昆虫谐波雷达研究马铃薯叶甲在饥饿的状况下搜索行为。回国后，继续开展“跟踪柑橘大实蝇成虫运动行为的昆虫谐波雷达的标定适合性研究”（Gui et al., 2011b）和“柑橘大实蝇成虫翅载和负载能力的研究”工作。不久我们将昆虫谐波雷达引进到我国，同时希望国内更多学者参与昆虫谐波雷达研制和利用，为农林业害虫综合治理研究服务。