基于雷达技术的鸟探测技术研究硬件部分
鸟类对果园里果实的啄食，给果园生产带来了极大的损失。果园鸟害已经到了不得不治理的地步。采用驱鸟装置可以有效驱鸟，但是如果装置持续工作会耗费大量能量造成浪费，因此需要一种行之有效的检测方法实现对驱鸟模块的控制，实现高效驱赶。本文介绍了一种基于多普勒雷达原理的鸟探测技术，运用HB100微波多普勒模块，探测鸟类的运动信息，经过放大滤波电路调理后得到多普勒信号，送入单片机进行处理，处理后得到一个控制信号控制驱鸟模块。该设计可以实现10米范围内鸟类的探测，具有良好的效果。关键词 鸟类探测，多普勒雷达，HB100，果园驱鸟
目 录
1 绪论 1
1.1 鸟探测技术研究的目的与意义 1
1.2 雷达技术探鸟的优势 1
1.3 雷达探鸟技术的发展现状 1
2 系统组成及关键技术 2
2.1 系统组成 2
2.2 关键技术 3
3 单元电路设计 4
3.1 检测模块 4
3.2 单片机最小系统 8
3.3 电源模块 13
3.4 通信模块 15
3.5 蜂鸣器报警电路 17
3.6 液晶显示电路 17
3.7 模数转换模块 19
4 调试 20
4.1 软件仿真 20
4.2 硬件调试 23
5 软硬件联调 24
6 遇到的问题及解决措施 25
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附录 系统电路原理图 29
1 绪论
果园里的水果果实都是外露的，很容易受到鸟类的啄食，这给果农带来了极大的经济损失。随着我国生物保护意识的增强，野生鸟类的族群规模越来越大，数量不断增多，另外科学水平和种植技术的提高使得果品的种类、色泽和口味越来越多样化，大大增加了被鸟类啄食的几率。鸟类对果园生产造成了极大危害，必须采取有效的措施积极解决。目前，果园里驱鸟装置大部分还停留在稻草人、反光风车等物理手段上[1]，这些方法驱鸟效果差，鸟类还容易产生适应性，对一种高效先进的驱鸟装置的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
需要显得更为迫切。
1.1 鸟探测技术研究的目的与意义
驱鸟方式有很多种，有稻草人、反光风车和防鸟刺等物理驱鸟方式，有利用让鸟类产生不适的刺激性化学品使鸟类远离的化学驱鸟方式，目前应用比较广泛的是超声波驱鸟方式，驱鸟装置发出的超声波会对鸟类造成刺激达到驱鸟的目的[1]。这种设备性能可靠，但是如果没有控制信号，不论有无鸟类靠近，一直让设备处于工作状态，将造成极大的能量浪费，所以需要先加一级鸟类探测装置，通过装置探测鸟类并做出判断，输出控制信号。有鸟类靠近时，输出高电平，使驱鸟电路工作，没有鸟类靠近时，输出低电平，驱鸟电路不工作。这样，探测装置与驱鸟装置相配合，根据实际情况进行实时应对，大大降低了系统的能量损耗，提高了驱鸟的效率。
1.2 雷达技术探鸟的优势
目前的鸟探测技术，主要有多普勒雷达探测和热释电红外探测两种方式。红外探测是基于人体都能发出红外线从而能被装置探测到这一原理而工作的。红外探测技术器件功耗小，抗干扰能力强，但是容易受环境因素如温度、湿度等的影响，并且穿透能力差，探测范围受到限制，因此探测效果不理想。而雷达探测基于多普勒雷达效应，发射天线发射高频电磁波，接收天线接收反射回来的电磁波，探测器对发射波和接收波进行比较，处理后触发指令。相比于红外探测，多普勒雷达探测灵敏度高，可以有效抑制杂波的干扰，可靠性高，又因为电磁波可以发生衍射，可以绕过障碍物继续传播，探测范围更广，所以具有明显优势。
1.3 雷达探鸟技术的发展现状
利用雷达技术探测鸟类具有六十几年的历史，是观测鸟类活动的重要工具。它使观察人员摆脱了人眼观察的限制，可以在广阔的空中区域探测各种鸟类。通过雷达探测可以计算出鸟类的运动信息如速度和方向等。在受到环境因素影响较大比如夜晚、多云、雨雪时，雷达就发挥了其独特的优势。
随着科技的不断发展，雷达鸟探测技术也在不断取得进步。其中如信息处理技术、算法仿真等方面的研究进步都给雷达探鸟技术带来了更广阔的发展空间。现在的雷达探测系统大多采用X波段和S波段的雷达。部分国家已经研制出相对成熟的系统。
我国的雷达探鸟研究还处在起步状态，北京航空航天大学与民航总局航空安全技术中心合作，结合国外经验搭建了“雷达探鸟试验系统”[2]。在实地试验中，一群自西向东飞行的候鸟恰好被系统雷达波束捕获，1min连续采集了24帧图像，量程为0.5n mile[3]，经系统相应算法的处理，检测到了鸟群的飞行轨迹和飞行速度。
2 系统组成及关键技术
2.1 系统组成
要实现鸟类探测，检测电路是核心，运用多普勒雷达模块加上后续调理电路可以实现前端电路设计。设计需要数据处理和存储，所以单片机是必不可少的，前端电路输出的模拟信号经过A/D转换输入单片机。要知道电路是否在工作是否检测到鸟类，需要加入蜂鸣器报警电路，与单片机I/O口相连接。单片机需要将数据进行存储所以也需要存储模块，为了让存储的数据更直观的表现出来，加入一个液晶显示电路。另外，考虑数据统计和打印等需要，增加与上位机的通信。最后，还需设计一个有效的供电电源。综合以上内容，得到系统的组成框图如图2.1所示。
图2.1 系统组成框图
本设计以多普勒雷达技术为核心，结合单片机、电源、存储模块、通信模块、液晶显示屏组成一个完整的探测系统。系统通过微波多普勒模块发射电磁波并接收反射信号，进行差频处理得到反映区域内是否有鸟类活动的多普勒信号，进行放大滤波处理后送入单片机进行进一步处理，最终输出控制信号控制驱鸟模块。若探测到鸟类，则驱鸟模块工作，若没有探测到鸟类，驱鸟电路不工作，这样就大大节省了电源的能量，环保高效。同时，单片机将数据送入存储模块以便进行后续对比优化，液晶显示屏显示鸟类的速度等移动信息，通过通信模块实现单片机与上位机的通信。
2.2 关键技术
2.2.1 多普勒效应
本课题是基于雷达技术的鸟探测技术的研究，核心是多普勒效应。电磁波在传播过程中如果遇到障碍物会被反射，如果物体是不动的，反射回来的电磁波的频率与发射出去的电磁波一致。如果物体是移动的，那么电磁波的波长会被压缩或拉长，频率会相应地增加或减小，与本来的频率产生偏差[4]。原理示意图如图2.2所示。
多普勒效应在工业设计和生活中都得到了广泛应用。根据发射波和接收波的时间差可以计算物体与波源的距离，根据频率差可以得到物体相对波源的移动速度。
目 录
1 绪论 1
1.1 鸟探测技术研究的目的与意义 1
1.2 雷达技术探鸟的优势 1
1.3 雷达探鸟技术的发展现状 1
2 系统组成及关键技术 2
2.1 系统组成 2
2.2 关键技术 3
3 单元电路设计 4
3.1 检测模块 4
3.2 单片机最小系统 8
3.3 电源模块 13
3.4 通信模块 15
3.5 蜂鸣器报警电路 17
3.6 液晶显示电路 17
3.7 模数转换模块 19
4 调试 20
4.1 软件仿真 20
4.2 硬件调试 23
5 软硬件联调 24
6 遇到的问题及解决措施 25
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附录 系统电路原理图 29
1 绪论
果园里的水果果实都是外露的，很容易受到鸟类的啄食，这给果农带来了极大的经济损失。随着我国生物保护意识的增强，野生鸟类的族群规模越来越大，数量不断增多，另外科学水平和种植技术的提高使得果品的种类、色泽和口味越来越多样化，大大增加了被鸟类啄食的几率。鸟类对果园生产造成了极大危害，必须采取有效的措施积极解决。目前，果园里驱鸟装置大部分还停留在稻草人、反光风车等物理手段上[1]，这些方法驱鸟效果差，鸟类还容易产生适应性，对一种高效先进的驱鸟装置的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
需要显得更为迫切。
1.1 鸟探测技术研究的目的与意义
驱鸟方式有很多种，有稻草人、反光风车和防鸟刺等物理驱鸟方式，有利用让鸟类产生不适的刺激性化学品使鸟类远离的化学驱鸟方式，目前应用比较广泛的是超声波驱鸟方式，驱鸟装置发出的超声波会对鸟类造成刺激达到驱鸟的目的[1]。这种设备性能可靠，但是如果没有控制信号，不论有无鸟类靠近，一直让设备处于工作状态，将造成极大的能量浪费，所以需要先加一级鸟类探测装置，通过装置探测鸟类并做出判断，输出控制信号。有鸟类靠近时，输出高电平，使驱鸟电路工作，没有鸟类靠近时，输出低电平，驱鸟电路不工作。这样，探测装置与驱鸟装置相配合，根据实际情况进行实时应对，大大降低了系统的能量损耗，提高了驱鸟的效率。
1.2 雷达技术探鸟的优势
目前的鸟探测技术，主要有多普勒雷达探测和热释电红外探测两种方式。红外探测是基于人体都能发出红外线从而能被装置探测到这一原理而工作的。红外探测技术器件功耗小，抗干扰能力强，但是容易受环境因素如温度、湿度等的影响，并且穿透能力差，探测范围受到限制，因此探测效果不理想。而雷达探测基于多普勒雷达效应，发射天线发射高频电磁波，接收天线接收反射回来的电磁波，探测器对发射波和接收波进行比较，处理后触发指令。相比于红外探测，多普勒雷达探测灵敏度高，可以有效抑制杂波的干扰，可靠性高，又因为电磁波可以发生衍射，可以绕过障碍物继续传播，探测范围更广，所以具有明显优势。
1.3 雷达探鸟技术的发展现状
利用雷达技术探测鸟类具有六十几年的历史，是观测鸟类活动的重要工具。它使观察人员摆脱了人眼观察的限制，可以在广阔的空中区域探测各种鸟类。通过雷达探测可以计算出鸟类的运动信息如速度和方向等。在受到环境因素影响较大比如夜晚、多云、雨雪时，雷达就发挥了其独特的优势。
随着科技的不断发展，雷达鸟探测技术也在不断取得进步。其中如信息处理技术、算法仿真等方面的研究进步都给雷达探鸟技术带来了更广阔的发展空间。现在的雷达探测系统大多采用X波段和S波段的雷达。部分国家已经研制出相对成熟的系统。
我国的雷达探鸟研究还处在起步状态，北京航空航天大学与民航总局航空安全技术中心合作，结合国外经验搭建了“雷达探鸟试验系统”[2]。在实地试验中，一群自西向东飞行的候鸟恰好被系统雷达波束捕获，1min连续采集了24帧图像，量程为0.5n mile[3]，经系统相应算法的处理，检测到了鸟群的飞行轨迹和飞行速度。
2 系统组成及关键技术
2.1 系统组成
要实现鸟类探测，检测电路是核心，运用多普勒雷达模块加上后续调理电路可以实现前端电路设计。设计需要数据处理和存储，所以单片机是必不可少的，前端电路输出的模拟信号经过A/D转换输入单片机。要知道电路是否在工作是否检测到鸟类，需要加入蜂鸣器报警电路，与单片机I/O口相连接。单片机需要将数据进行存储所以也需要存储模块，为了让存储的数据更直观的表现出来，加入一个液晶显示电路。另外，考虑数据统计和打印等需要，增加与上位机的通信。最后，还需设计一个有效的供电电源。综合以上内容，得到系统的组成框图如图2.1所示。
图2.1 系统组成框图
本设计以多普勒雷达技术为核心，结合单片机、电源、存储模块、通信模块、液晶显示屏组成一个完整的探测系统。系统通过微波多普勒模块发射电磁波并接收反射信号，进行差频处理得到反映区域内是否有鸟类活动的多普勒信号，进行放大滤波处理后送入单片机进行进一步处理，最终输出控制信号控制驱鸟模块。若探测到鸟类，则驱鸟模块工作，若没有探测到鸟类，驱鸟电路不工作，这样就大大节省了电源的能量，环保高效。同时，单片机将数据送入存储模块以便进行后续对比优化，液晶显示屏显示鸟类的速度等移动信息，通过通信模块实现单片机与上位机的通信。
2.2 关键技术
2.2.1 多普勒效应
本课题是基于雷达技术的鸟探测技术的研究，核心是多普勒效应。电磁波在传播过程中如果遇到障碍物会被反射，如果物体是不动的，反射回来的电磁波的频率与发射出去的电磁波一致。如果物体是移动的，那么电磁波的波长会被压缩或拉长，频率会相应地增加或减小，与本来的频率产生偏差[4]。原理示意图如图2.2所示。
多普勒效应在工业设计和生活中都得到了广泛应用。根据发射波和接收波的时间差可以计算物体与波源的距离，根据频率差可以得到物体相对波源的移动速度。
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