| 书名： | 调频连续波雷达：原理、设计与应用 |
| 出版社： | 清华大学出版社 |
| 出版日期 | 2025 |
| ISBN号： | 9787302684152 |
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| 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。 |
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| 许致火，南洋理工大学资深研究员，研究生导师，IEEE高级会员，主要从事雷达成像理论及其应用研究；近5年主持完成2项国家自然科学基金项目、2项江苏省自然科学基金项目和2项南通市科技计划项目，发表高水平论文、著作和发明专利等成果60余项。 |
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| 本书适合民用“雷达原理与技术”课程本科教学的需要，分8章系统地介绍相关基础理论、FMCW雷达原理、成像技术及其新兴应用领域。本书同时介绍了FMCW雷达的硬件实验实现，并给出了具体实例。各章都配有习题及上机练习题。 本书配有丰富资源，包括完整教学大纲、书中重要的MATLAB程序、数据文件。 |
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第 1章雷达电磁信号传播 ................................................................................ 1
1.1麦克斯韦方程 ..................................................................................... 1
1.2平面电磁波 ........................................................................................ 2
1.3雷达微带天线 ..................................................................................... 6
1.3.1微带传输线理论 ....................................................................... 7
1.3.2天线性能指标 ........................................................................ 10
1.4接收机前端噪声 ................................................................................ 12
1.5雷达方程 .......................................................................................... 14 习题 ........................................................................................................ 16
第 2章雷达信号处理基础 .............................................................................. 18
2.1信号表示与变换 ................................................................................ 18
2.1.1傅里叶级数 ............................................................................ 18
2.1.2傅里叶变换 ............................................................................ 19
2.1.3信号的采样 ............................................................................ 23
2.1.4时间序列傅里叶变换 .............................................................. 24
2.1.5周期序列的傅里叶级数 ........................................................... 27
2.1.6离散傅里叶变换 ..................................................................... 27
2.2目标信息测量原理 ............................................................................ 32
2.2.1径向距离与速度 ..................................................................... 32
2.2.2目标角度测量 ........................................................................ 35
2. 3雷达距离和速度模糊 ......................................................................... 38
2. 4雷达检测概率与虚警概率 .................................................................. 39
2. 5雷达恒虚警概率技术 ......................................................................... 43
2. 6雷达信号匹配滤波 ............................................................................ 46 习题 ........................................................................................................ 52
第 3章 FMCW雷达系统原理 ....................................................................... 54
3.1线性调频信号 ................................................................................... 54
3.2 FMCW雷达工作原理 ........................................................................ 60
3.3 FMCW雷达信号处理 ........................................................................ 64
3.4 FMCW雷达系统设计 ........................................................................ 65
3.5 FMCW雷达系统仿真 ........................................................................ 66 习题 ........................................................................................................ 73
第 4章 FMCW雷达干扰及其抑制 ................................................................ 74
4. 1汽车雷达标准法规 ............................................................................ 74
4.2 FMCW雷达干扰分类 ........................................................................ 75
4.3 FMCW雷达干扰概率 ........................................................................ 77
4.4 FMCW雷达干扰信号 ........................................................................ 80
4.5 FMCW雷达干扰抑制 ........................................................................ 82
4.5.1干扰检测 ............................................................................... 83
4.5.2干扰抑制 ............................................................................... 85
4.5.3抑制仿真 ............................................................................... 87 习题 ........................................................................................................ 89
第 5章 FMCW雷达目标跟踪 ....................................................................... 90
5. 1递归贝叶斯估计方法 ......................................................................... 90
5.2卡尔曼滤波 ...................................................................................... 91
5. 3雷达多目标跟踪 ................................................................................ 93
5.3.1目标检测 ............................................................................... 93
5.3.2目标跟踪 ............................................................................... 94
5.3.3目标关联 ............................................................................... 96 习题 ........................................................................................................ 97
第 6章非接触人体呼吸和心跳检测 ................................................................ 98
6. 1呼吸心跳信号检测原理 ...................................................................... 99
6. 1.1单频连续波雷达 ................................................................... 100
6. 1.2调频连续波雷达 ................................................................... 100
6. 2呼吸和心跳检测处理 ....................................................................... 101
6. 2.1去直流偏置 .......................................................................... 101
6.2.2相位解缠 ............................................................................. 101
6.2.3信号分离 ............................................................................. 102
6. 3基于深度学习的人体心电图非接触测量 ............................................ 103
6. 3.1人工神经网络 ...................................................................... 104
6.3.2激活函数 ............................................................................. 105
6. 3.3长短期记忆网络 ................................................................... 108
6. 3.4离散小波多分辨分析 ............................................................ 109
6. 3.5深度学习模型 ...................................................................... 110 习题 ...................................................................................................... 111
第 7章毫米波雷达成像及其图像理解应用 .................................................... 112
7. 1毫米波雷达成像方法 ....................................................................... 112
7. 1.1毫米波雷达合成孔径成像概述 ............................................... 112
7. 1.2距离多普勒成像方法 ............................................................ 114
7. 1.3波数域成像方法 ................................................................... 117
7. 1.4后向投影成像方法 ................................................................ 118
7. 1.5合成孔径成像仿真实验 ......................................................... 119
7. 1.6毫米波雷达实孔径成像方法 .................................................. 121
7. 2毫米波雷达图像 .............................................................................. 122
7. 2.1毫米波雷达图像数据分布 ...................................................... 122
7. 2.2乘性噪声模型 ...................................................................... 124
7. 3毫米波雷达图像相干斑噪声抑制 ...................................................... 125
7. 3.1图像去噪训练集 ................................................................... 126
7. 3.2深度学习去噪 ...................................................................... 127
7. 4基于毫米波雷达图像的道路提取 ...................................................... 130
7.4.1提取流程 ............................................................................. 131
7.4.2模型建立 ............................................................................. 132
7.4.3模型结果 ............................................................................. 134
7.4.4性能评估 ............................................................................. 134
7.4.5参考代码 ............................................................................. 135 习题 ...................................................................................................... 138
第 8章毫米波雷达实验 ............................................................................... 139
8.1 TI雷达实验软硬件 .......................................................................... 139
8. 2数据采集与处理实验 ....................................................................... 141
8.2.1实验目的 ............................................................................. 141
8. 2.2数据采集步骤 ...................................................................... 141
8.2.3数据处理 ............................................................................. 145
8.3 FMCW雷达干扰实验 ...................................................................... 148
8.3.1实验目标 ............................................................................. 148
8.3.2预习内容 ............................................................................. 149
8. 3.3干扰实验步骤 ...................................................................... 149
8.3.4结果分析 ............................................................................. 150
8. 4微多普勒特征提取实验 .................................................................... 151
8.4.1实验目的 ............................................................................. 151
8.4.2实验准备 ............................................................................. 151
8. 4.3微多普勒实验步骤 ................................................................ 152
8. 4.4实验结果分析 ...................................................................... 153
8. 5人体呼吸信号检测实验 .................................................................... 155
8.5.1实验意义 ............................................................................. 155
8.5.2实验准备 ............................................................................. 155
8. 5.3呼吸测量实验步骤 ................................................................ 155
8. 5.4实验结果分析 ...................................................................... 156 习题 ...................................................................................................... 157
参考文献 ...................................................................................................... 158
图 1-1平面波在两种不同介质的边界上传播 ................................................ 5 图 1-2雷达后向散射、前向散射与体散射示意图 ......................................... 6 图 1-3微带天线以及 PCB设计示意图 ........................................................ 6 图 1-4均匀传输线及其等效电路示意图 ...................................................... 7 图 1-5雷达微带天线传输线阻抗匹配常用方法之一 .................................... 10 图 1-6一个天线方向图例子 ..................................................................... 11 图 1-7天线的回波损耗 ............................................................................ 12 图 1-8雷达接收机前端噪声传播示意图 .................................................... 13 图 1-9雷达天线在距离 R处的天线主瓣横截面积 ....................................... 15 图 1-10阻抗匹配图 ................................................................................. 16
图 2-1矩形周期信号 ............................................................................... 19 图 2-2矩形信号及其傅里叶变换 .............................................................. 21 图 2-3单位冲激周期信号构成的采样信号 ................................................. 22 图 2-4连续信号采样成离散信号的模型 .................................................... 23 图 2-5信号频谱混叠 (.s < 2.m) ............................................................. 24 图 2-6矩形序列及其傅里叶变换 .............................................................. 27 图 2-7实数信号的傅里叶变换、时域离散序列傅里叶变换及离散傅里叶变换
示意图 ............................................. ............................................ 30 图 2-8矩形序列及其离散傅里叶变换 ........................................................ 30 图 2-9雷达测量目标的原理示意图 ........................................................... 33 图 2-10不同频段的电磁波传播在大气中的衰减分布 .................................. 33
图 2-11目标的径向距离和径向速度 ......................................................... 34 图 2-12脉冲雷达的目标径向距离和速度计算示意图 .................................. 35 图 2-13雷达虚拟天线阵列测量目标角度示意图 ......................................... 37 图 2-14脉冲雷达距离模糊示意图 ............................................................. 38 图 2-15脉冲雷达速度模糊示意图 ............................................................. 38 图 2-16雷达接收信号中噪声与信号概率分布空间示意图 ........................... 39 图 2-17二元假设下 γ(r)的似然概率分布 .................................................. 41 图 2-18雷达检测概率在不同信噪比下随虚警概率的变化 ........................... 43 图 2-19一种相邻单元平均的 CFAR实现方法 ............................................ 44 图 2-20编程 2.2的结果 ............................................................................ 46 图 2-21脉冲雷达基带信号匹配滤波示意图 ............................................... 46 图 2-22编程 2.3的结果 ............................................................................ 52 图 2-23正交解调 ......................................... .......................................... 53
图 3-1线性调频信号 ............................................................................... 55 图 3-2积分区间分段示意图 ..................................................................... 57 图 3-3编程 3.1的结果 ............................................................................. 60 图 3-4 FMCW雷达系统结构示意图 .......................................................... 61 图 3-5 FMCW雷达发射与接收信号时序示意图 ......................................... 62 图 3-6 FMCW雷达接收 IQ解调示意图 ..................................................... 63 图 3-7编程 3.2的结果 ............................................................................. 72
图 4-1 FMCW雷达间的直接路径干扰与多径干扰 ...................................... 76 图 4-2 FMCW雷达间的相参干扰与非相参干扰 ......................................... 76 图 4-3双向车道雷达干扰几何示意图 ........................................................ 78 图 4-4干扰概率分布例子（多径系数 a =4）............................................. 79 图 4-5非相参干扰信号产生过程 .............................................................. 81 图 4-6干扰条件下的雷达接收信号组成 .................................................... 82 图 4-7 FMCW雷达干扰抑制的框架 .......................................................... 83 图 4-8一个 FMCW雷达干扰检测的例子 .................................................. 84 图 4-9一个存在干扰的回波及其检测 ........................................................ 88
图 4-10干扰抑制前后的目标距离多普勒分布对比 ..................................... 88
图 5-1目标状态与观测数据概率示意图 .................................................... 90 图 5-2雷达目标检测点 ............................................................................ 94 图 5-3雷达目标跟踪点与前一帧目标跟踪点的关联 .................................... 97
图 6-1雷达检测人体呼吸和心跳示意图 .................................................... 99 图 6-2相位解缠前后 ............................................................................. 102 图 6-3带通滤波器组 ............................................................................. 102 图 6-4分离得到呼吸和心跳信号 ............................................................ 103 图 6-5雷达测量人体呼吸心跳信号与 ECG信号对比 ................................ 104 图 6-6人工神经网络的基本结构 ............................................................ 104 图 6-7 Sigmoid激活函数 ........................................................................ 105 图 6-8双曲正切激活函数 ...................................................................... 106 图 6-9 Sigmoid函数与双曲正切激活函数的梯度对比 ................................ 107 图 6-10一个雷达信号的多分辨分析例子 ................................................. 109 图 6-11深度学习模型 ........................................................................... 110 图 6-12深度学习模型的 ECG估计结果 ................................................... 111
图 7-1毫米波 FMCW雷达成像示意图 .................................................... 113 图 7-2一个距离单元走动校正前后对比的例子 ........................................ 116 图 7-3不同成像方法对 NTU字母形状的 19个点目标的成像结果 .............. 119 图 7-4一个真实道路成像场景 ................................................................ 120 图 7-5一个真实道路仿真成像结果 ......................................................... 120 图 7-6毫米波雷达机械扫描成像与 MIMO点云成像 ................................. 121 图 7-7雷达分辨单元内散射体回波向量叠加 ............................................ 122 图 7-8雷达图像相干斑噪声 ................................................................... 125 图 7-9图像加噪前后对比 ...................................................................... 127 图 7-10仿真图像去噪前后对比 .............................................................. 128 图 7-11真实雷达图像去噪前后对比 ....................................................... 128 图 7-12交通道路提取流程 ..................................................................... 131
图 7-13部分交通道路路面标签 .............................................................. 132 图 7-14一个交通道路路面提取模型 ....................................................... 132 图 7-15交通道路路面提取结果 .............................................................. 135
图 8-1 xWR+DevPack+TSW方案的硬件 ............................................... 140 图 8-2 xWR+DevPack+TSW方案的软件 ............................................... 140 图 8-3 xWR+DCA1000 EVM硬件 ......................................................... 141 图 8-4 xWR+DCA1000 EVM硬件连接示意图 ........................................ 142 图 8-5 mmWave studio软件 Connection项界面操作流程 ......................... 143 图 8-6 StaticConfig选项配置流程 ........................................................... 143 图 8-7 DataConfig选项操作流程 ............................................................ 144 图 8-8 SensorConfig选项配置流程 .......................................................... 144 图 8-9雷达回波数据采集操作流程 ......................................................... 145 图 8-10一个室内人体手势感应回波处理例子 .......................................... 148 图 8-11一个干扰雷达实验场景设置 ....................................................... 149 图 8-12发生干扰的回波信号 ................................................................. 150 图 8-13 4种常规交警手势 ..................................................................... 151 图 8-14一个交警手势检测实验场景设置 ................................................. 152 图 8-15部分帧的距离多普勒图 .............................................................. 153 图 8-16 4种手势的微多普勒特征图 ........................................................ 154 图 8-17一个人体呼吸检测实验场景设置 ................................................. 155 图 8-18雷达检测得到的人体呼吸波形图 ................................................. 156
表 1-1某脉冲雷达系统参数 ..................................................................... 17
表 2-1采样频率与分析点数对信号频率估计性能的影响 ............................. 31
表 3-1某汽车短程距离雷达设计要求 ........................................................ 73
表 4-1现有的国内外汽车雷达标准（规定）............................................... 75 表 4-2干扰抑制仿真实验参数 .................................................................. 87 表 4-3信号与干扰加噪声比 ..................................................................... 87
表 7-1成像方法常用的量符号及其含义 .................................................. 113 表 7-2成像仿真实验的雷达参数 ............................................................ 119 表 7-3毫米波雷达 360°实孔径成像参数 .................................................. 121 表 7-4仿真图像去噪性能指标 ................................................................ 128 表 7-5道路提取精度性能指标 ................................................................ 135
表 8-1一个干扰雷达实验参数设置例子 .................................................. 150 表 8-2干扰实验结果记录表 ................................................................... 151 表 8-3一个交警手势检测实验的参数设置例子 ........................................ 153 表 8-4交警手势实验结果记录表 ............................................................ 154 表 8-5一个人体呼吸检测实验的雷达参数设置例子 .................................. 155 表 8-6人体呼吸检测实验结果记录表 ...................................................... 156
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