X波段海洋雷达系统对自由飞行的亚洲彩蝠（Vespertilio sinensis）的探测性能

《PLOS One》：Detection performance of an X-band marine radar system for free-flying Asian particolored bats (Vespertilio sinensis)

本研究验证了X波段海洋雷达检测亚洲粉叶蝠的可行性，通过调整天线高度至0.4米显著减少地面杂波，结合 ornithodolite 获取蝙蝠三维轨迹，发现雷达在1.0公里范围内检测概率超过70%，为风场监测提供了新工具。

　　随着全球风力发电设施的迅速扩展，蝙蝠种群面临着日益严峻的生存威胁。特别是在亚洲和欧洲地区，风力涡轮机碰撞已成为蝙蝠死亡事件的主要原因之一。这种威胁不仅体现在直接的碰撞伤亡上，还可能影响蝙蝠的栖息地利用模式，甚至对整个种群的存续构成挑战。为了更有效地监测和预测蝙蝠与风力设施的碰撞风险，科学家们正在探索能够覆盖广阔空间范围的监测技术。雷达系统，尤其是海洋雷达，因其能够有效观测飞行动物的能力而受到关注。然而，目前对海洋雷达系统在蝙蝠监测中的有效性研究仍然有限。因此，本研究旨在验证一种商用X波段海洋雷达在检测亚洲斑点蝙蝠（*Vespertilio sinensis*）方面的性能，并探讨如何通过优化雷达设置来提高蝙蝠监测的准确性。

### 研究背景与意义

自2000年以来，全球多个地区的蝙蝠死亡事件中，风力涡轮机碰撞事故已成为主要原因之一。例如，在北美地区，每年因风力设施碰撞而死亡的蝙蝠数量高达数万只。在欧洲，2003至2014年间，共有5815只蝙蝠因与风力设施发生碰撞而死亡，涉及27个不同的蝙蝠物种。在亚洲，台湾等地也观察到了类似的蝙蝠死亡现象，并且正在推动风力发电的发展。蝙蝠的死亡不仅影响个体数量，还可能对生态系统造成深远影响，包括栖息地丧失、行为模式改变等。

为了更好地理解和评估蝙蝠与风力设施的碰撞风险，科学家们需要准确监测蝙蝠的飞行行为和空间分布。然而，传统的蝙蝠监测方法存在一定的局限性。例如，声学监测设备虽然可以识别蝙蝠种类并评估其活动频率，但其检测范围通常较短，只能覆盖几十米的距离，且无法准确统计个体数量。红外热成像技术虽然能够提供蝙蝠的视觉信息，但其视野范围有限，难以捕捉远距离目标。因此，研究者们开始探索更高效的监测手段，以获取更全面的蝙蝠活动数据。

### 雷达技术的应用潜力

雷达技术因其覆盖范围广、数据获取能力强，被认为是蝙蝠监测的一种理想工具。海洋雷达自20世纪50年代以来，已被广泛应用于鸟类迁徙和局部飞行行为的研究。近年来，一些专门的鸟类雷达系统（如DeTect和Robin Radar Systems）也被用于监测鸟类与风力设施的碰撞风险。这些雷达系统能够在较短的范围内（约6公里）追踪个体目标，并统计其飞行轨迹。此外，海洋雷达还可以用于监测蝙蝠的飞行行为，特别是在大范围内的蝙蝠活动研究中，其优势尤为突出。

尽管如此，目前针对蝙蝠的雷达监测研究仍然较为有限。一些早期的研究表明，海洋雷达可以在约1.5公里的距离内检测到蝙蝠，但并未系统地分析检测概率与距离之间的关系。因此，本研究的重点在于通过调整雷达天线高度和优化雷达设置，验证X波段海洋雷达在检测蝙蝠飞行活动方面的有效性，并探讨其在实际应用中的潜力。

### 研究方法与实验设计

本研究的实验地点位于日本新潟县的一个稻田区域，具体坐标为37°46.85'N，138°58.75'E，海拔为0米。研究团队在该区域的一个开阔地带安装了X波段海洋雷达系统（型号为MDC-7910），并将其高度调整至0.4米，以减少地面杂波的影响。通过降低天线高度，研究团队发现雷达图像的可见区域在1.5公里的观测范围内增加了2.1倍。这表明，天线高度的调整对于提高雷达对蝙蝠的检测能力具有重要意义。

为了验证雷达的检测效果，研究团队使用了一种称为“光学测距仪”（Ornithodolite）的设备，同步进行雷达扫描。该设备能够自动测量目标的方位角、仰角和距离，从而提供精确的三维位置信息。通过将光学测距仪的轨迹数据与雷达图像中的蝙蝠回波进行比对，研究团队成功识别了25条雷达轨迹，确认这些轨迹属于蝙蝠的飞行活动。这一过程不仅提高了雷达数据的准确性，还为后续的统计分析提供了可靠的“地面真值”数据。

### 数据处理与分析

在雷达图像处理过程中，研究团队采用了手动追踪和轨迹提取相结合的方法。首先，他们通过手动追踪的方式，识别出雷达图像中具有蝙蝠特征的回波。随后，利用轨迹提取技术，将这些回波与光学测距仪记录的蝙蝠飞行轨迹进行匹配。通过这种方式，研究团队确保了雷达检测数据的可靠性，并减少了鸟类或其他飞行昆虫的干扰。

为了进一步分析雷达检测性能，研究团队使用了广义线性混合模型（GLMM）来评估检测概率与距离之间的关系。模型的输入变量包括蝙蝠回波的检测情况（检测或未检测）和其与雷达之间的距离。研究团队还考虑了雷达天线高度调整对地面杂波的影响，并通过多次实验验证了不同高度下雷达图像的杂波区域变化。结果显示，当雷达天线高度降低至0.4米时，地面杂波区域的占比显著减少，从而提高了蝙蝠回波的可见性。

此外，研究团队还分析了蝙蝠飞行速度与雷达检测概率之间的关系。通过比较不同物种的飞行速度（如鸟类、蝙蝠和昆虫），他们发现蝙蝠的飞行速度通常在5.4至16.4米/秒之间，而鸟类的飞行速度则更快（如灰鹳和大白鹭的飞行速度分别为12.3至37.7米/秒和10.6至37.9米/秒）。这表明，蝙蝠的飞行速度与鸟类存在显著差异，有助于区分雷达图像中的不同飞行目标。研究团队还发现，雷达回波的检测概率随着距离的增加而逐渐降低，但在1.0公里范围内，检测概率仍保持在70%以上。

### 研究结果与讨论

研究结果显示，X波段海洋雷达在1.0公里的范围内能够以超过70%的概率检测到蝙蝠飞行活动。这一发现为蝙蝠监测提供了新的技术手段，特别是在大范围内的飞行行为研究中。通过调整雷达天线高度，研究团队成功减少了地面杂波，提高了蝙蝠回波的可见性。然而，需要注意的是，虽然降低天线高度有助于减少杂波，但也可能影响雷达对低空区域的覆盖能力。因此，在实际应用中，需要权衡杂波减少与雷达探测范围之间的关系。

此外，研究团队还发现，蝙蝠的飞行轨迹与雷达检测数据之间存在一定的匹配度。通过将光学测距仪记录的蝙蝠飞行轨迹与雷达图像中的回波进行比对，他们确认了雷达数据的可靠性。然而，由于蝙蝠的飞行行为具有一定的复杂性，特别是在觅食阶段，其飞行路径可能更加曲折，这可能会对雷达检测造成一定影响。因此，未来的研究需要进一步探讨蝙蝠行为对雷达检测性能的影响，并开发更先进的雷达处理算法，以适应不同飞行行为的蝙蝠种群。

### 雷达监测的优势与挑战

X波段海洋雷达在蝙蝠监测中的应用具有显著优势。首先，其检测范围远大于声学监测设备，能够覆盖更广阔的空间区域。其次，雷达技术可以提供连续的飞行轨迹数据，有助于分析蝙蝠的活动模式和飞行路径。然而，雷达监测也面临一些挑战。例如，地面杂波的干扰可能会影响回波的识别，特别是在植被密集或地形复杂的区域。此外，雷达的检测性能还受到环境因素的影响，如风速、湿度和雷达安装位置等。

为了提高雷达监测的准确性，研究团队建议采用多种技术手段相结合的方法。例如，通过调整雷达天线高度和使用图像处理算法，可以有效减少地面杂波并提高蝙蝠回波的可见性。同时，结合声学监测和光学测距仪的数据，可以进一步验证雷达检测结果的可靠性。此外，研究团队还指出，雷达检测性能可能因蝙蝠种类的不同而有所变化，因此需要针对不同物种进行专门的验证和优化。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究取得了一定成果，但仍存在一些局限性。首先，研究样本量较小，仅识别了25条雷达轨迹，这可能影响模型的稳健性和泛化能力。其次，研究仅集中在单一地点和一种蝙蝠物种（亚洲斑点蝙蝠）上，未涵盖其他蝙蝠种类或更复杂的地形条件。因此，未来的研究需要扩大样本量，并在更多样化的环境中进行验证。

此外，研究团队还指出，雷达监测技术在夜间和复杂飞行行为下的应用仍面临一定挑战。例如，蝙蝠在觅食阶段的飞行路径较为复杂，难以通过简单的雷达轨迹匹配技术进行准确识别。因此，未来的研究需要开发更先进的图像处理算法和更精确的飞行轨迹识别方法，以适应蝙蝠的多样性和复杂性。

### 结论

本研究验证了商用X波段海洋雷达在检测亚洲斑点蝙蝠飞行活动方面的有效性。通过调整雷达天线高度和优化雷达设置，研究团队成功减少了地面杂波，并提高了蝙蝠回波的可见性。结果表明，雷达可以在1.0公里的范围内以超过70%的概率检测到蝙蝠飞行活动，这对于蝙蝠监测和风力设施的碰撞风险评估具有重要意义。未来的研究需要进一步探索雷达监测技术在不同蝙蝠物种和复杂环境中的应用，并开发更高效的图像处理算法和飞行轨迹识别方法，以提高蝙蝠监测的准确性和全面性。