科技日报记者 马爱平
9.3万亿！这是每年夜间穿越我国东部地区上空迁飞昆虫的数量。它们趁着夜色在高空悄悄迁移，像一支看不见的“空中军团”，来无影去无踪，却严重威胁着我国粮食安全。
农业农村部公布的11种一类害虫中，有8种是迁飞害虫，其中6种是夜间高空风载迁飞害虫。稻飞虱、草地贪夜蛾、棉铃虫……这些看似微小的虫子，每年可造成我国粮食损失超2000万吨。
要想防治这些害虫，就得先精准测报虫情。此前，世界上仅少数国家拥有自动运行的垂直昆虫雷达。我国夜间高空风载迁飞害虫的监测，长期处于“看不清、追不着、测不准”的被动局面。从2006年到2026年，河南省农业科学院植物保护研究所所长封洪强带领研发团队，历时20年，先后攻克盲区、识别、标定等一系列难关，研制出全球领先的高分辨率旋转极化垂直昆虫雷达。
“捞出”有效信号
传统昆虫雷达是“远视眼”，天生有个“缺陷”——近距离盲区。
“发射与接收共用一个天线，导致雷达系统必然存在盲区。就像人的眼睛看不清紧贴鼻尖的东西一样，雷达也无法探测离天线太近的目标。”封洪强告诉科技日报记者，这一盲区大约在150米。这意味着，所有在150米以下低空活动的昆虫，雷达都“看”不到。
但封洪强在长期观测中发现，盲区的“边缘”并非一片死寂——那些被噪声淹没的微弱信号中，依然藏有昆虫的踪迹。他分析判断，如果能从噪声中“捞出”有效信号，盲区一定能大大压缩。
解决问题的关键在于噪声阈值的设定。传统昆虫雷达采用“固定阈值法”——设置一个固定的噪声水平，高于它算目标，低于它当噪声丢掉。但昆虫有大有小，背景噪声也会随环境变化而变化。阈值设低了，噪声会被误判为目标，导致“草木皆兵”；阈值设高了，真实目标又会被过滤掉，致使“一叶障目”。
如何科学地设定噪声阈值？封洪强一时没有找到答案。
转机出现在一次国际合作交流中。在与瑞典隆德大学激光雷达专家交流时，封洪强发现对方采用一种“动态阈值”方法，消除了昆虫体形大小对振翅频率计算的影响。“激光雷达能这么做，昆虫雷达为什么不能？”一个大胆的设想在他脑中浮现。
围绕这一设想，研发团队开始密集攻关。他们创造性设计出一套“动态噪声阈值”算法。这种算法不再用一个固定值“一刀切”，而是实时计算每1.875米高度层的独立噪声基线，再根据不同高度、不同时段的噪声水平动态调整阈值，精准过滤干扰，从“噪声海洋”中锁定每一只昆虫信号。
原理看似简单，落地绝非易事。为了验证算法稳定性，团队在试验基地连续驻守3年，不分昼夜采集数据。盛夏的雷达站，白天温度高达40℃，仪器发烫，他们汗流浃背；夜晚蚊虫叮咬，他们浑身是包，刺痒难忍仍紧盯屏幕记录参数。
无数次失败、无数次调试，终于迎来曙光——当70米低空迁飞昆虫信号第一次清晰呈现在屏幕上时，团队成员激动得彻夜未眠。
“这意味着，那些危险的低空迁飞害虫，再也逃不过雷达的‘眼睛’！”封洪强说。这一突破，让我国昆虫雷达的低空监测能力跃居全球首位，为精准预警迁飞昆虫筑牢了第一道防线。
“三步”识别目标
盲区被成功压缩，但如何在高密度信号中精准分辨昆虫，又成为新的难点。
传统垂直雷达的数字化精度仅为50米甚至75米，在这样的分辨率下，当多只昆虫同时出现在一个采样空间内，雷达只能“记录”回波最强的那个信号，其他目标则被忽略。
为了提高分辨率，研发团队考虑将数字化精度同步提升至1.875米。这意味着雷达“视力”将更好，但也带来新的麻烦：一只昆虫穿过雷达波束时，会被反复测量十几次，产生大量重复数据。如何快速识别哪些数据来自同一只昆虫，成为数据处理的关键。处理不好，数据量会暴增十几倍，运算资源将被大量浪费，整个监测系统都有可能陷入瘫痪。
“如果把每个昆虫回波信号比作平原上突起的一个个小山包，”封洪强向团队描述这个问题时，用了一个形象的比喻，“我们要做的，就是把这些小山包一个一个准确地找出来。”
彼时，国际上还没有现成的方法可以借鉴。就在团队一筹莫展之际，刚从国外留学归来的科研助理田果带来了全新思路。曾做过从视频中提取汽车目标的他突发奇想：“能不能把雷达信号转换成图片，像提取汽车图像那样提取昆虫目标？”
一个全新的方案由此诞生。团队反复研究后，将提取过程简化为“三步法”：首先确定噪声阈值；然后将信号转换为二值位图——高于噪声点显示为白色，反之显示为黑色；最后借助计算机视觉系统，快速、准确、完整地捕捉到每一只昆虫的信号。
看似简单的三步，背后是数万次代码调试和数据验证。为了让算法适配不同昆虫、不同高度、不同天气的信号特征，团队把多年积累的数百万条雷达数据全部“喂”给算法，逐条比对、反复优化。“有时为了修正一个微小的识别误差，大家连续几天几夜泡在实验室，饿了吃泡面，困了在椅子上眯一会儿。”田果回忆。
水滴石穿，终获突破。实测显示，三步识别法不仅将流程简化70%、处理效率提升超10倍，还能精准区分重叠昆虫、剔除重复数据，实现全目标识别。而此时，澳大利亚相关团队仍在使用繁琐的“十步法”。当他们得知中国研发出更高效的识别方法时，不禁惊叹：“没想到你们用如此简洁的方法，巧妙地解决了困扰我们多年的难题！”
“自然”标定雷达
要让雷达测得准、测得稳，一套科学可靠的标定体系必不可少。
“就像天平需要标准砝码来校准一样，每一部雷达投入使用前都须经过严格的标定。在国外，这项工作需要建设专门的标定设施，不仅造价高达上千万元，而且雷达每次维修后都需运回标定场地重新标定，成本高昂。”团队成员黄博告诉记者。
面对这个难题，研发团队选择了一条完全不同的道路——用“自然”来校准雷达。“我们采用的方案是一套涵盖高度、质量、速率的‘组合拳’。”封洪强说。
为了精准标定测量高度，团队使用多旋翼无人机悬停在雷达上方200米高空，同步启动雷达实时采集模式，通过比对雷达测量高度与激光测距仪测得的无人机实际高度，开发出适应不同硬件的高度校正算法，有效解决雷达的高度探测误差难题。
与此同时，借助我国自然界中昆虫种类多样性的特点，团队将雷达监测到的不同质量昆虫的最大探测高度与理论预测值相比较，并将探照灯诱虫器捕获昆虫的质量分布与雷达监测数据进行比对，校准了雷达对各类昆虫质量测定的精度。
“针对昆虫迁飞动态的测量，我们则使用探空气球和经纬仪，先测量出空中不同高度的风向风速，再用雷达测得的昆虫移动矢量推算出风向风速，然后将两者数据进行回归分析，确保雷达对目标移动方向和速率的测量准确可靠。”封洪强说。
春夏秋冬，一年四季，团队足迹遍布大江南北，在各种自然环境中验证这套标定方案。“有农田的地方都是我们的试验场，大家经常浑身是泥，却又得小心翼翼‘伺候’着各种设备，让其一尘不染、保养如新。”黄博笑道，“最终定型的‘自然标定法’不仅将标定成本压缩至传统方法的十分之一，更重要的是，它让雷达野外标定变得灵活便捷。”
2025年10月，该雷达获联合国粮农组织植物健康管理领域全球技术卓越奖。如今，这部全球领先的首部高分辨率旋转极化垂直昆虫雷达，已实现对70至1810米高空迁飞昆虫的自动监测，能够精准识别昆虫体型、振翅频率及其三维运动轨迹。
20年追虫，研发团队终于给夜间高空风载迁飞昆虫监测装上了“天眼”。面向未来，封洪强信心满怀：“我们将持续深耕昆虫雷达领域核心技术，不断筑牢我国粮食安全防线，让这只‘天眼’守望丰收，守护大国粮仓。”
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