《毫米波雷达感知技术及应用》兼顾雷达感知领域的基础理论和*新研究进展，将理论与典型应用相结合，全面介绍毫米波雷达感知技术，内容包括：绪论，毫米波雷达系统组成，毫米波雷达参数估计方法，毫米波雷达干扰抑制技术，毫米波雷达手势识别技术以及毫米波雷达人体生命信号检测技术。

目录
第1章　绪论 1
1.1　雷达的概念 1
1.2　雷达的起源和发展 2
1.2.1　雷达的诞生 2
1.2.2　第二次世界大战时期的雷达 4
1.2.3　战后雷达技术的发展 6
1.3　毫米波频段划分 7
1.4　毫米波雷达感知技术及其应用 9
1.4.1　毫米波雷达概念 9
1.4.2　毫米波雷达感知技术 9
1.4.3　毫米波雷达感知技术应用 10
1.5　本章小结 11
参考文献 11
第2章　毫米波雷达系统组成 13
2.1　雷达天线 14
2.1.1　主要性能指标 14
2.1.2　喇叭天线 16
2.1.3　缝隙天线 16
2.1.4　微带天线 17
2.1.5　反射面天线 18
2.1.6　透镜天线 19
2.2　毫米波雷达发射机 20
2.2.1　发射机系统 20
2.2.2　主要技术指标 22
2.3　毫米波雷达接收机 23
2.3.1　接收机系统 23
2.3.2　主要技术指标 24
2.4　本章小结 25
参考文献 25
第3章　毫米波雷达参数估计方法 27
3.1　FMCW毫米波雷达工作原理 27
3.2　单参数估计方法 30
3.2.1　基于变步长迭代的距离估计算法 30
3.2.2　基于FFT的速度参数估计方法 33
3.2.3　基于MUSIC的角度参数估计方法 36
3.3　多参数联合估计方法 39
3.3.1　距离-速度联合估计方法 39
3.3.2　距离-角度联合估计方法 41
3.3.3　距离-速度-角度三维参数联合估计方法 45
3.4　实验结果分析 47
3.4.1　距离估计结果分析 49
3.4.2　速度估计结果分析 53
3.4.3　角度估计结果分析 54
3.4.4　距离-速度联合估计结果分析 56
3.4.5　距离-角度联合估计结果分析 58
3.4.6　距离-速度-角度联合估计结果分析 60
3.5　本章小结 63
参考文献 63
第4章　毫米波雷达干扰抑制技术 66
4.1　引言 66
4.2　基于恒虚警率检测的干扰抑制技术 66
4.2.1　CFAR检测原理 66
4.2.2　CFAR目标检测技术 67
4.2.3　静态和动态干扰抑制技术 70
4.3　基于小波变换的干扰抑制技术 72
4.3.1　小波分解 73
4.3.2　小波高频系数处理 73
4.3.3　小波低频系数处理 75
4.4　无监督降噪卷积自编码网络干扰抑制技术 77
4.4.1　无监督降噪自编码网络数学模型 78
4.4.2　无监督降噪卷积自编码网络设计 80
4.4.3　实验结果分析 82
4.5　本章小结 84
参考文献 84
第5章　毫米波雷达手势识别技术 86
5.1　引言 86
5.2　连续手势目标提取方法 88
5.2.1　基于时域信号累积的手势目标提取方法 89
5.2.2　基于时间滑窗检测的手势目标提取方法 91
5.3　基于聚类特征提取的FDTW手势识别算法 95
5.3.1　基于k均值聚类的手势特征提取算法 95
5.3.2　FDTW手势识别算法 97
5.4　基于深度学习网络的手势识别算法 99
5.4.1　基于端到端多维手势特征融合的手势识别算法 100
5.4.2　基于时序I3D网络的手势识别算法 101
5.4.3　基于互补模态特征融合的手势识别算法 105
5.5　实验结果分析 111
5.5.1　实验平台与数据集构建 111
5.5.2　FDTW手势识别算法性能分析 115
5.5.3　基于端到端多维手势特征融合的手势识别算法性能分析 119
5.5.4　基于时序I3D网络的手势识别算法性能分析 123
5.5.5　基于互补模态特征融合的手势识别算法性能分析 124
5.6　本章小结 129
参考文献 130
第6章　毫米波雷达人体生命信号检测技术 133
6.1　引言 133
6.2　毫米波雷达人体目标检测方法 135
6.3　直流偏置与相位校正方法 142
6.4　呼吸和心跳信号分离与重构算法 144
6.4.1　基于CS-OMP的呼吸和心跳信号分离与重构算法 145
6.4.2　基于RA-DWT的呼吸和心跳信号分离与重构算法 148
6.4.3　呼吸率和心率计算方法 149
6.5　实验结果分析 150
6.5.1　实验平台 150
6.5.2　人体目标检测和相位提取结果分析 152
6.5.3　生命信号分离与重构结果分析 155
6.5.4　检测性能比较与分析 158
6.6　本章小结 161
参考文献 162

第1章　绪论
　　1.1　雷达的概念
　　雷达（radio detection and ranging，RaDAR）*早出现于20世纪初，通常译为无线电探测和测距，即通过测量无线电波来发现目标并测量其位置。目前，雷达集中了包括信号设计（signal design）、发射机（transmitter）、接收机（receiver）、天线（antenna）、电磁波传播（electromagnetic wave propagation）、电磁散射（electromagnetic scattering）、信号处理（signal processing）、参数估计（parameter estimation）、目标探测（target detection）、目标识别和分类（target recognition and classification）等现代电子科学技术，已广泛应用于监测、跟踪和成像等领域[1]。雷达既可以是发射端，又可以是接收端，可以主动发射信号，也可以接收反射信号，其利用目标对电磁波的反射或散射现象来发现目标并进行检测、定位、跟踪、成像、分类与识别。
　　雷达种类繁多，分类的方法也非常复杂，表1.1从雷达信号形式、雷达用途、角跟踪方式、目标测量的参数等七个方面对雷达进行总结和分类。
　　表1.1　雷达分类[2]
　　雷达的优势是无论白天还是黑夜都可以检测到目标，且不受云雾等影响，可全天时全天候工作，具有较强的穿透能力和抗干扰能力，能够有效地避免复杂地形和电磁环境带来的影响。
　　现代雷达除了能够实现对目标的相对距离、速度和角度等测量，还能与卫星、飞机、车辆、船舰等相结合，广泛应用于气象预报、资源探测、环境监测、交通管理等领域，可执行和完成各种军事和民用任务。
　　1.2　雷达的起源和发展
　　雷达的发明受蝙蝠探路原理启发，根据物体反射的回波躲避障碍和跟踪物体，使得雷达成了受动物启发发明的八个事例之一。一直以来，人们都希望自己站得更高，看得更远，这样才能更好地探索世界，解放自我。飞机的发明使人们“站得高”的愿望成为现实，而雷达的发明则使“看得远”变成可能。
　　1.2.1　雷达的诞生
　　雷达作为军事设备服务于人类始于20世纪30年代，而对其理论的研究和探索早在19世纪末期就已经开始。
　　1865年，詹姆斯？克拉克？麦克斯韦（James Clerk Maxwell）从理论上证明了电磁波的存在。1887～1888年，海因里希？赫兹（Heinrich Hertz）通过装置证明了电磁波的存在，通过建立**个天线系统，验证了电磁波的产生、接收和散射。图1.1给出了赫兹验证电磁波产生的实验装置。
　　图1.1　赫兹验证电磁波产生的实验装置
　　电磁理论的快速发展为雷达的出现奠定了基础。19世纪末期，随着航海事业的迅猛发展，人们对船用防撞装置的渴求日益明显。
　　1903～1904年，克里斯琴？赫尔斯迈耶（Christian Hülsmeyer）设计了世界公认的**部雷达，其通过探测从船上反射回来的电磁波，防止轮船之间的碰撞，如图1.2所示。
　　图1.2　克里斯琴？赫尔斯迈耶的船用防撞装置
　　1922年，“无线电之父”伽利尔摩？马可尼（Guglielmo Marconi）提出一种船用防撞测角雷达的建议并于次年做出**套相关设备[3]。同年，美国海军研究实验室（United States Naval Research Laboratory，NRL）的艾伯特？霍伊特？泰勒（Albert Hoyt Taylor）和Leo C. Young采用一部发射天线和接收天线分置的连续波干涉雷达（波长为5 m）成功地探测到一只木船[4]。
　　1925年，美国物理学家格雷戈里？布雷（Gregory Breit）和梅尔？安东尼？图夫（Merle Antony Tuve）利用一部脉冲无线发射机测量了地球的电离层，**次在阴极射线管荧光屏上观测到了从电离层反射回来的短波窄脉冲回波[5]。
　　1930年，美国海军研究实验室利用无线电天线进行连续波测量试验，间接地促成了雷达的诞生。当时，无线电信号碰巧穿越了飞机的起降跑道，当一架飞机跨越波束后，无线电信号质量发生了明显的变化。
　　1935年，英国科学家罗伯特？沃森？瓦特（Robert Watson-Watt）利用一部无线电设备，成功地截获到一架飞机的信号。随后，英国国防部对这种无线电设备进行不断改进。由此，世界上**个防空系统，也是**部实战型雷达正式面世，即“本土链”（chain home，CH）（图1.3）。该雷达能够探测到150 km
　　图1.3　英国防空雷达“本土链”
　　外的空中轰炸机。1937年，“本土链”正式服役，此时离第二次世界大战（简称二战）的爆发还有两年时间。
　　到1939年，英国、美国、德国、苏联、日本等诸多二战参与国均拥有了各式各样的雷达装备。同时，澳大利亚、新西兰、加拿大和南非等英联邦国家从英国获得了基本雷达技术，并研发了各自的雷达系统。虽然这些雷达的功能相对简单，但现代雷达所应用的技术已经渐入雏形，如连续波多普勒、圆锥扫描、双基地、展布频谱等。
　　1.2.2　第二次世界大战时期的雷达
　　1939年9月，伴随着德国入侵波兰，二战的序幕正式拉开。英国的“本土链”雷达在英德战场上“大放异彩”。“本土链”雷达多次探测到德国的空中入侵，并为己方拦截入侵飞机提供了可靠信息，对德军轰炸机实施了空中拦截[6]。同年，美国军方为“纽约号”战舰配备了**部实用的XAF舰载雷达。它可以探测方圆20 km的船只和160 km的飞机。英国军方在飞机上搭载一部200 MHz的雷达，制作了历史上**部机载预警雷达，用来监测入侵的飞机。
　　1941年，美国已经生产了超过百部的SCR-270和SCR-271预警雷达[7]，如图1.4所示。其中，在夏威夷一个小岛上，美国就部署了一部该雷达系统，该岛非常靠近美军太平洋舰队的基地珍珠港。但是，由于操作人员欠缺经验，误将敌军的飞机当作是友军的飞机，从而酿成了珍珠港悲剧。如果历史可以重演，日军的珍珠港突袭行动也许不会得逞。
　　图1.4　SCR-270/271预警雷达
　　1942年6月，中途岛之战时，该岛上共部署了三部SCR-268防空雷达（图1.5），其用于引导岛上第6海防营的3 in（1 in = 2.54 cm）高射炮阵地射击，通过该雷达系统美军击落了11架日军飞机。SCR-268防空雷达可以将数据输入Sperry M-4火控系统，M-4是一台机械计算机，它接收目标的方向、速度和高度数据作为输入，输出火炮或探照灯瞄准方位角和高度，指挥防空炮攻击目标。
　　图1.5　SCR-268防空雷达
　　1943年中期美国成功研制了针状波束圆锥扫描S波段的SCR-584防空火控雷达[8]，如图1.6所示。这是**部自动跟踪炮瞄雷达，它与指挥仪配合，不仅提高了高炮射击的命中率，而且使雷达控制的火炮在射程范围内具有很高的杀伤力。
　　图1.6　SCR-584防空火控雷达
　　二战期间，军用雷达的工作频率通常在超高频或者超低频。在二战前的早期试验阶段，无线电设备的工作频率大约在10 MHz，英国的“本土链”雷达则工作在20 MHz（后来拓展到70 MHz）。而美国H2S轰炸机雷达所采用的磁控管发射机*次实现了3 GHz的工作频率，完成了从MHz到GHz的突破[9]。
　　二战期间，雷达技术得到了迅猛的发展，美国、德国、英国等一系列国家的雷达技术在此期间走在了世界前列。
　　1.2.3　战后雷达技术的发展
　　二战结束至今，每个时期都有各种标志性的雷达产品相继问世。
　　20世纪50年代，大功率速调管放大器开始应用于雷达，其发射功率比磁控管大两个数量级。50年代还出现了合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）、机载气象观测雷达、地面气象观测雷达和机载脉冲多普勒雷达[10]等。
　　20世纪60年代，基于电扫相控阵天线和数字信号处理技术的新型雷达问世。60年代末，服役于美国空军的AN/FPS-85雷达[11]成为电扫相控阵雷达的代表。这是**部正式用于探测和跟踪大目标物体的相控阵雷达。在此期间，美国海军研究室还成功研制了探测距离在3600 km以上的超视距雷达。
　　20世纪70年代，随着数字信号处理和计算机技术的发展，合成孔径雷达、相控阵雷达和脉冲多普勒雷达的研制又取得了一些突破性进展。在使用固态小型计算机后，雷达的尺寸大幅度缩小，同时雷达探测能力增强，性能日益提高，应用范围也持续拓宽。此时的雷达已经可以实现自动检测和跟踪功能。同时，声表面波延迟线的引进则把脉冲压缩到几毫微秒，增强了雷达高分辨力脉冲压缩性能[12]。
　　20世纪80年代，相控阵雷达技术开始大量用于军用雷达。与此同时，雷达也逐渐成为气象研究和安全飞行等领域的重要工具。
　　20世纪90年代至今，雷达又进入了一个新的时代。军事方面，已发展出多种抗有源干扰与抗反辐射导弹的技术[13]来应对电子战中反雷达技术的威胁；采用低频段雷达技术、多基地雷达技术和无源定位技术的反隐身雷达则被用来应对隐形飞机的挑战。与此同时，雷达技术也开始广泛应用于人们的生活中。在高速公路上，雷达测速用于测量车辆速度以提醒驾驶员保持安全车速驾驶。汽车雷达在汽车市场上也应用广泛，其不仅可以让车主自动与前车保持一定距离，也可以测知汽车与后面障碍物之间的距离，对行车安全具有很好的保障作用。此外，雷达在现代航海、地形测绘、气象预测、空间勘察等民用领域也扮演了重要角色。