内容简介

本书聚焦当前主流的毫米波雷达芯片系统及其信号处理技术，突出民用毫米波雷达的核心理论内容，结合深度学习和人工智能在雷达信号处理和应用中的发展趋势，涵盖了从单通道、MIMO点云检测到雷达成像技术领域。作为调频连续波雷达技术及其应用的系统性教材，全书包括雷达理论与实验、原理设计及应用、重点难点化简分解推导、程序代码辅助理解等内容，共分为八章。第一章介绍了雷达电磁信号传播的基本理论，第二章讲述雷达信号处理的基础，第三章重点介绍了FMCW雷达系统与信号处理方法，第四章探讨了FMCW雷达的干扰抑制技术，第五章研究了FMCW雷达的目标跟踪技术，第六章聚焦人体呼吸和心跳检测的雷达技术，第七章为毫米波雷达成像技术及其应用，第八章为毫米波雷达实验。

全书内容紧凑、简明扼要，理论与实践并重，涵盖了雷达信号处理、FMCW雷达系统原理与应用、雷达抗干扰技术及毫米波雷达成像等关键领域，适合高年级本科生、研究生和从事毫米波雷达研发的专业人员作为学习参考用书。

目录

第1章 雷达电磁信号传播
1.1 麦克斯韦方程
1.2 平面电磁波
1.3 雷达微带天线
1.3.1 微带传输线理论
1.3.2 天线性能指标
1.4 接收机前端噪声
1.5 雷达方程
习题
第2章 雷达信号处理基础
2.1 信号表示与变换
2.1.1 傅里叶级数
2.1.2 傅里叶变换
2.1.3 信号的采样
2.1.4 时间序列傅里叶变换
2.1.5 周期序列的傅里叶级数
2.1.6 离散傅里叶变换
2.2 目标信息测量原理
2.2.1 径向距离与速度
2.2.2 目标角度测量
2.3 雷达距离和速度模糊
2.4 雷达检测概率与虚警概率
2.5 雷达恒虚警概率技术
2.6 雷达信号匹配滤波
习题
第3章 FMCW雷达系统原理
3.1 线性调频信号
3.2 FMCW雷达工作原理
3.3 FMCW雷达信号处理
3.4 FMCW雷达系统设计
3.5 FMCW雷达系统仿真
习题
第4章 FMCW雷达干扰及其抑制
4.1 汽车雷达标准法规
4.2 FMCW雷达干扰分类
4.3 FMCW雷达干扰概率
4.4 FMCW雷达干扰信号
4.5 FMCW雷达干扰抑制
4.5.1 干扰检测
4.5.2 干扰抑制
4.5.3 抑制仿真
习题
第5章 FMCW雷达目标跟踪
5.1 递归贝叶斯估计方法
5.2 卡尔曼滤波
5.3 雷达多目标跟踪
5.3.1 目标检测
5.3.2 目标跟踪
5.3.3 目标关联
习题
第6章 非接触人体呼吸和心跳检测
6.1 呼吸心跳信号检测原理
6.1.1 单频连续波雷达
6.1.2 调频连续波雷达
6.2 呼吸和心跳检测处理
6.2.1 去直流偏置
6.2.2 相位解缠
6.2.3 信号分离
6.3 基于深度学习的人体心电图非接触测量
6.3.1 人工神经网络
6.3.2 激活函数
6.3.3 长短期记忆网络
6.3.4 离散小波多分辨分析
6.3.5 深度学习模型
习题
第7章 毫米波雷达成像及其图像理解应用
7.1 毫米波雷达成像方法
7.1.1 毫米波雷达合成孔径成像概述
7.1.2 距离多普勒成像方法
7.1.3 波数域成像方法
7.1.4 后向投影成像方法
7.1.5 合成孔径成像仿真实验
7.1.6 毫米波雷达实孔径成像方法
7.2 毫米波雷达图像
7.2.1 毫米波雷达图像数据分布
7.2.2 乘性噪声模型
7.3 毫米波雷达图像相干斑噪声抑制
7.3.1 图像去噪训练集
7.3.2 深度学习去噪
7.4 基于毫米波雷达图像的道路提取
7.4.1 提取流程
7.4.2 模型建立
7.4.3 模型结果
7.4.4 性能评估
7.4.5 参考代码
习题
第8章 毫米波雷达实验
8.1 TI雷达实验软硬件
8.2 数据采集与处理实验
8.2.1 实验目的
8.2.2 数据采集步骤
8.2.3 数据处理
8.3 FMCW雷达干扰实验
8.3.1 实验目标
8.3.2 预习内容
8.3.3 干扰实验步骤
8.3.4 结果分析
8.4 微多普勒特征提取实验
8.4.1 实验目的
8.4.2 实验准备
8.4.3 微多普勒实验步骤
8.4.4 实验结果分析
8.5 人体呼吸信号检测实验
8.5.1 实验意义
8.5.2 实验准备
8.5.3 呼吸测量实验步骤
8.5.4 实验结果分析
习题
参考文献

前言/序言

雷达是英文单词 Radar的音译，其英文全称是 radio detection and ranging（无线电探测和测距）。1935年，英国物理学家罗伯特·沃森 -瓦特（ Robert Watson-Watt, 1892—1973）与 Arnold Wilkins、Albert Percival Rowe等设计并利用无线电接收机成功获取了飞机目标回波，标志着雷达的诞生。自诞生至今，雷达从军事应用走向广泛的民用领域，成为造福人类和保护地球的重要工具。尤其是 2013年以来，微小型雷达集成电路芯片的问世加速了雷达在民用领域的应用，比如自动驾驶的目标定位，交通流量精细化监测，地表环境监测，智能安防，智能家居楼宇无接触感应控制，智慧医疗中人体呼吸和心跳检测，等等。

雷达以电磁波形式发射信号和接收回波。那些发现电磁场与电磁波的科学家无疑是在人类发展进程中闪耀的群星，为人类带来了无限可能，提高了沟通效率。相对于远古时代，电磁波的利用间接地延长了人类寿命。人类发现电磁场与电磁波，开启了第二次、第三次工业革命。余音绕梁，第四次科技革命仍在其基础上顺势而发。最近十年，新一代民用通信带宽提升，智能手机终端产品迭代，以及物联网技术的成熟促使全球进入万物数字互联时代。各种设备包括中间信息的数字化、自动化，加上日益成熟、性能强大的机器学习理论及算法，全球各个行业朝着智能化趋势发展。在这个万物数字化生长的时代，雷达将重新定位，不仅会抹去以前军用的神秘色彩，还会变得更加亲和亲民，将会像智能摄像头一样走近普通消费者。

在这一历史潮流下，新型雷达芯片企业、系统级雷达公司、不同场景下雷达新产品不断涌现。这个时代对民用小雷达有广泛需求，民用雷达公司迫切期待人才。没有早一步，也没有晚一步，必须重视国产民用小雷达的技术人才培养问题。作者尽自己所能认真写好这本民用小雷达教材，期望搭建企业人才需求和高校人才培养的良好桥梁。

因此，本教材同时注重理论教学与实践操作，让读者能读懂雷达，也能用雷达，更要会设计雷达。本书的主要章节围绕雷达电磁信号与散射、信号表示与变换、 FMCW雷达系统设计、雷达信号处理、雷达目标跟踪、雷达成像技术、目标信息智能识别与利用，以及雷达实验操作等内容，知识点内容讲求复杂问题简单化，再加以相关的计算机程序、相关的习题和雷达实验操作，让读者爱上小雷达，并利用雷达传播爱和善意，提高生产效率、节能环保、呵护生命，造福人类和地球。

本教材专为高年级本科生、研究生和从事毫米波雷达研发的专业人员编写，聚焦目前毫米波雷达芯片主流产品，突出民用毫米波雷达的重点理论内容，结合当前深度学习和人工智能对雷达信号处理和应用的发展趋势，从单通道、 MIMO点云检测到雷达成像技术，覆盖雷达理论与实验、原理设计及应用、重点难点化简分解推导、程序代码辅助理解等，主要内容如下。 

.第 1章雷达电磁信号传播。本章首先回顾麦克斯韦方程，简述平面电磁波，给出雷达微带天线相关基础理论，分析雷达接收机前端噪声，并结合天线相关知识推导雷达方程。 

.第 2章雷达信号处理基础。本章从信号表示与变换简述傅里叶级数、傅里叶变换和离散傅里叶变换，并解决了模拟信号采样后的无限频谱延拓的等效表示，进而给出了雷达目标信息测量原理，分析了雷达距离和速度模糊、雷达检测概率和虚警概率，推导了雷达恒虚警概率技术，最后从随机信号的角度深入分析了雷达信号匹配滤波原理。 

.第 3章 FMCW雷达系统原理。本章从雷达作用威力和距离分辨率的矛盾出发，引出 LFM信号，分析了该信号的特点以及时域和频域匹配滤波方法。以现有主流毫米波雷达产品为参考，给出了时分复用 FMCW雷达的工作原理、信号处理、系统设计以及系统仿真。 

.第 4章 FMCW雷达干扰及其抑制。本章从现有的汽车雷达标准法规角度分析了雷达之间干扰的可能性，并从理论上对干扰进行了分类，推导了干扰空间分布概率、干扰信号表达式，并总结讲述了干扰抑制方法。 

.第 5章 FMCW雷达目标跟踪。本章面向自动驾驶应用领域，从递归贝叶斯估计方法推导了卡尔曼滤波，讲述雷达在非线性观测下的多目标跟踪方法。 

.第 6章非接触人体呼吸和心跳检测。本章面向毫米波雷达在智慧医疗应用新领域，分别推导了单频连续波雷达和调频连续波雷达检测人体呼吸和心跳信号 

的原理，并逐步讲述了人体呼吸和心跳检测处理过程；结合当前的深度学习理论方法，本章还利用雷达进行非接触式测量人体心电图（ Electrocardiogram， ECG）波形。这一崭新的应用为毫米波雷达技术开辟了新的研究领域，具有广泛的潜在应用前景。 

.第 7章毫米波雷达成像及其图像理解应用。在现有汽车毫米波雷达技术中，雷达仅能获取目标的三维点云数据，无法精准感知目标的形状和更加细致