調頻連續波雷達：原理、設計與應用
許致火
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目錄大綱
第 1章雷達電磁信號傳播 ................................................................................ 1
1.1麥克斯韋方程 ..................................................................................... 1
1.2平面電磁波 ........................................................................................ 2
1.3雷達微帶天線 ..................................................................................... 6
1.3.1微帶傳輸線理論 ....................................................................... 7
1.3.2天線性能指標 ........................................................................ 10
1.4接收機前端噪聲 ................................................................................ 12
1.5雷達方程 .......................................................................................... 14 習題 ........................................................................................................ 16
第 2章雷達信號處理基礎 .............................................................................. 18
2.1信號表示與變換 ................................................................................ 18
2.1.1傅里葉級數 ............................................................................ 18
2.1.2傅里葉變換 ............................................................................ 19
2.1.3信號的採樣 ............................................................................ 23
2.1.4時間序列傅里葉變換 .............................................................. 24
2.1.5周期序列的傅里葉級數 ........................................................... 27
2.1.6離散傅里葉變換 ..................................................................... 27
2.2目標信息測量原理 ............................................................................ 32
2.2.1徑向距離與速度 ..................................................................... 32
2.2.2目標角度測量 ........................................................................ 35
2.
3雷達距離和速度模糊 ......................................................................... 38
2.
4雷達檢測概率與虛警概率 .................................................................. 39
2.
5雷達恆虛警概率技術 ......................................................................... 43
2.
6雷達信號匹配濾波 ............................................................................ 46 習題 ........................................................................................................ 52
第 3章 FMCW雷達系統原理 ....................................................................... 54
3.1線性調頻信號
................................................................................... 54
3.2
FMCW雷達工作原理 ........................................................................ 60
3.3
FMCW雷達信號處理 ........................................................................ 64
3.4
FMCW雷達系統設計 ........................................................................ 65
3.5
FMCW雷達系統模擬 ........................................................................ 66 習題 ........................................................................................................ 73
第 4章 FMCW雷達乾擾及其抑制 ................................................................ 74
4.
1汽車雷達標準法規 ............................................................................ 74
4.2
FMCW雷達乾擾分類 ........................................................................ 75
4.3
FMCW雷達乾擾概率 ........................................................................ 77
4.4
FMCW雷達乾擾信號 ........................................................................ 80
4.5
FMCW雷達乾擾抑制 ........................................................................ 82
4.5.1乾擾檢測
............................................................................... 83
4.5.2乾擾抑制
............................................................................... 85
4.5.3抑制模擬
............................................................................... 87 習題 ........................................................................................................ 89
第 5章 FMCW雷達目標跟蹤 ....................................................................... 90
5.
1遞歸貝葉斯估計方法 ......................................................................... 90
5.2卡爾曼濾波
...................................................................................... 91
5.
3雷達多目標跟蹤 ................................................................................ 93
5.3.1目標檢測
............................................................................... 93
5.3.2目標跟蹤
............................................................................... 94
5.3.3目標關聯
............................................................................... 96 習題 ........................................................................................................ 97
第 6章非接觸人體呼吸和心跳檢測 ................................................................ 98
6.
1呼吸心跳信號檢測原理 ...................................................................... 99
6.
1.1單頻連續波雷達 ................................................................... 100
6.
1.2調頻連續波雷達 ................................................................... 100
6.
2呼吸和心跳檢測處理 ....................................................................... 101
6.
2.1去直流偏置 .......................................................................... 101
6.2.2相位解纏
............................................................................. 101
6.2.3信號分離
............................................................................. 102
6.
3基於深度學習的人體心電圖非接觸測量 ............................................ 103
6.
3.1人工神經網絡 ...................................................................... 104
6.3.2激活函數
............................................................................. 105
6.
3.3長短期記憶網絡 ................................................................... 108
6.
3.4離散小波多分辨分析 ............................................................ 109
6.
3.5深度學習模型 ...................................................................... 110 習題 ...................................................................................................... 111
第 7章毫米波雷達成像及其圖像理解應用 .................................................... 112
7.
1毫米波雷達成像方法 ....................................................................... 112
7.
1.1毫米波雷達合成孔徑成像概述 ............................................... 112
7.
1.2距離多普勒成像方法 ............................................................ 114
7.
1.3波數域成像方法 ................................................................... 117
7.
1.4後向投影成像方法 ................................................................ 118
7.
1.5合成孔徑成像模擬實驗 ......................................................... 119
7.
1.6毫米波雷達實孔徑成像方法 .................................................. 121
7.
2毫米波雷達圖像 .............................................................................. 122
7.
2.1毫米波雷達圖像數據分佈 ...................................................... 122
7.
2.2乘性噪聲模型 ...................................................................... 124
7.
3毫米波雷達圖像相乾斑噪聲抑制 ...................................................... 125
7.
3.1圖像去噪訓練集 ................................................................... 126
7.
3.2深度學習去噪 ...................................................................... 127
7.
4基於毫米波雷達圖像的道路提取 ...................................................... 130
7.4.1提取流程
............................................................................. 131
7.4.2模型建立
............................................................................. 132
7.4.3模型結果
............................................................................. 134
7.4.4性能評估
............................................................................. 134
7.4.5參考代碼
............................................................................. 135 習題 ...................................................................................................... 138
第 8章毫米波雷達實驗 ............................................................................... 139
8.1
TI雷達實驗軟硬件 .......................................................................... 139
8.
2數據採集與處理實驗 ....................................................................... 141
8.2.1實驗目的
............................................................................. 141
8.
2.2數據採集步驟 ...................................................................... 141
8.2.3數據處理
............................................................................. 145
8.3
FMCW雷達乾擾實驗 ...................................................................... 148
8.3.1實驗目標
............................................................................. 148
8.3.2預習內容
............................................................................. 149
8.
3.3乾擾實驗步驟 ...................................................................... 149
8.3.4結果分析
............................................................................. 150
8.
4微多普勒特徵提取實驗 .................................................................... 151
8.4.1實驗目的
............................................................................. 151
8.4.2實驗準備
............................................................................. 151
8.
4.3微多普勒實驗步驟 ................................................................ 152
8.
4.4實驗結果分析 ...................................................................... 153
8.
5人體呼吸信號檢測實驗 .................................................................... 155
8.5.1實驗意義
............................................................................. 155
8.5.2實驗準備
............................................................................. 155
8.
5.3呼吸測量實驗步驟 ................................................................ 155
8.
5.4實驗結果分析 ...................................................................... 156 習題 ...................................................................................................... 157
參考文獻 ...................................................................................................... 158
圖 1-1平面波在兩種不同介質的邊界上傳播 ................................................ 5 圖 1-2雷達後向散射、前向散射與體散射示意圖 ......................................... 6 圖 1-3微帶天線以及 PCB設計示意圖 ........................................................ 6 圖 1-4均勻傳輸線及其等效電路示意圖 ...................................................... 7 圖 1-5雷達微帶天線傳輸線阻抗匹配常用方法之一 .................................... 10 圖 1-6一個天線方向圖例子 ..................................................................... 11 圖 1-7天線的回波損耗 ............................................................................ 12 圖 1-8雷達接收機前端噪聲傳播示意圖 .................................................... 13 圖 1-9雷達天線在距離 R處的天線主瓣橫截面積 ....................................... 15 圖 1-10阻抗匹配圖 ................................................................................. 16
圖 2-1矩形周期信號 ............................................................................... 19 圖 2-2矩形信號及其傅里葉變換 .............................................................. 21 圖 2-3單位沖激周期信號構成的採樣信號 ................................................. 22 圖 2-4連續信號採樣成離散信號的模型 .................................................... 23 圖 2-5信號頻譜混疊 (.s < 2.m) ............................................................. 24 圖 2-6矩形序列及其傅里葉變換 .............................................................. 27 圖 2-7實數信號的傅里葉變換、時域離散序列傅里葉變換及離散傅里葉變換
示意圖 ............................................. ............................................ 30 圖 2-8矩形序列及其離散傅里葉變換 ........................................................ 30 圖 2-9雷達測量目標的原理示意圖 ........................................................... 33 圖 2-10不同頻段的電磁波傳播在大氣中的衰減分佈 .................................. 33
圖 2-11目標的徑向距離和徑向速度 ......................................................... 34 圖 2-12脈沖雷達的目標徑向距離和速度計算示意圖 .................................. 35 圖 2-13雷達虛擬天線陣列測量目標角度示意圖 ......................................... 37 圖 2-14脈沖雷達距離模糊示意圖 ............................................................. 38 圖 2-15脈沖雷達速度模糊示意圖 ............................................................. 38 圖 2-16雷達接收信號中噪聲與信號概率分佈空間示意圖 ........................... 39 圖 2-17二元假設下 γ(r)的似然概率分佈 .................................................. 41 圖 2-18雷達檢測概率在不同信噪比下隨虛警概率的變化 ........................... 43 圖 2-19一種相鄰單元平均的 CFAR實現方法 ............................................ 44 圖 2-20編程 2.2的結果 ............................................................................ 46 圖 2-21脈沖雷達基帶信號匹配濾波示意圖 ............................................... 46 圖 2-22編程 2.3的結果 ............................................................................ 52 圖 2-23正交解調 ......................................... .......................................... 53
圖 3-1線性調頻信號 ............................................................................... 55 圖 3-2積分區間分段示意圖 ..................................................................... 57 圖 3-3編程 3.1的結果 ............................................................................. 60 圖 3-4 FMCW雷達系統結構示意圖 .......................................................... 61 圖 3-5 FMCW雷達發射與接收信號時序示意圖 ......................................... 62 圖 3-6 FMCW雷達接收 IQ解調示意圖 ..................................................... 63 圖 3-7編程 3.2的結果 ............................................................................. 72
圖 4-1 FMCW雷達間的直接路徑乾擾與多徑乾擾 ...................................... 76 圖 4-2 FMCW雷達間的相參乾擾與非相參乾擾 ......................................... 76 圖 4-3雙向車道雷達乾擾幾何示意圖 ........................................................ 78 圖 4-4乾擾概率分佈例子（多徑系數 a =4）............................................. 79 圖 4-5非相參乾擾信號產生過程 .............................................................. 81 圖 4-6乾擾條件下的雷達接收信號組成 .................................................... 82 圖 4-7 FMCW雷達乾擾抑制的框架 .......................................................... 83 圖 4-8一個 FMCW雷達乾擾檢測的例子 .................................................. 84 圖 4-9一個存在乾擾的回波及其檢測 ........................................................ 88
圖 4-10乾擾抑制前後的目標距離多普勒分佈對比 ..................................... 88
圖 5-1目標狀態與觀測數據概率示意圖 .................................................... 90 圖 5-2雷達目標檢測點 ............................................................................ 94 圖 5-3雷達目標跟蹤點與前一幀目標跟蹤點的關聯 .................................... 97
圖 6-1雷達檢測人體呼吸和心跳示意圖 .................................................... 99 圖 6-2相位解纏前後 ............................................................................. 102 圖 6-3帶通濾波器組 ............................................................................. 102 圖 6-4分離得到呼吸和心跳信號 ............................................................ 103 圖 6-5雷達測量人體呼吸心跳信號與 ECG信號對比 ................................ 104 圖 6-6人工神經網絡的基本結構 ............................................................ 104 圖 6-7 Sigmoid激活函數 ........................................................................ 105 圖 6-8雙曲正切激活函數 ...................................................................... 106 圖 6-9 Sigmoid函數與雙曲正切激活函數的梯度對比 ................................ 107 圖 6-10一個雷達信號的多分辨分析例子 ................................................. 109 圖 6-11深度學習模型 ........................................................................... 110 圖 6-12深度學習模型的 ECG估計結果 ................................................... 111
圖 7-1毫米波 FMCW雷達成像示意圖 .................................................... 113 圖 7-2一個距離單元走動校正前後對比的例子 ........................................ 116 圖 7-3不同成像方法對 NTU字母形狀的 19個點目標的成像結果 .............. 119 圖 7-4一個真實道路成像場景 ................................................................ 120 圖 7-5一個真實道路模擬成像結果 ......................................................... 120 圖 7-6毫米波雷達機械掃描成像與 MIMO點雲成像 ................................. 121 圖 7-7雷達分辨單元內散射體回波向量疊加 ............................................ 122 圖 7-8雷達圖像相乾斑噪聲 ................................................................... 125 圖 7-9圖像加噪前後對比 ...................................................................... 127 圖 7-10模擬圖像去噪前後對比 .............................................................. 128 圖 7-11真實雷達圖像去噪前後對比 ....................................................... 128 圖 7-12交通道路提取流程 ..................................................................... 131
圖 7-13部分交通道路路面標簽 .............................................................. 132 圖 7-14一個交通道路路面提取模型 ....................................................... 132 圖 7-15交通道路路面提取結果 .............................................................. 135
圖 8-1 xWR+DevPack+TSW方案的硬件 ............................................... 140 圖 8-2 xWR+DevPack+TSW方案的軟件 ............................................... 140 圖 8-3 xWR+DCA1000 EVM硬件 ......................................................... 141 圖 8-4 xWR+DCA1000 EVM硬件連接示意圖 ........................................ 142 圖 8-5 mmWave studio軟件 Connection項界面操作流程 ......................... 143 圖 8-6 StaticConfig選項配置流程 ........................................................... 143 圖 8-7 DataConfig選項操作流程 ............................................................ 144 圖 8-8 SensorConfig選項配置流程 .......................................................... 144 圖 8-9雷達回波數據採集操作流程 ......................................................... 145 圖 8-10一個室內人體手勢感應回波處理例子 .......................................... 148 圖 8-11一個乾擾雷達實驗場景設置 ....................................................... 149 圖 8-12發生乾擾的回波信號 ................................................................. 150 圖 8-13 4種常規交警手勢 ..................................................................... 151 圖 8-14一個交警手勢檢測實驗場景設置 ................................................. 152 圖 8-15部分幀的距離多普勒圖 .............................................................. 153 圖 8-16 4種手勢的微多普勒特徵圖 ........................................................ 154 圖 8-17一個人體呼吸檢測實驗場景設置 ................................................. 155 圖 8-18雷達檢測得到的人體呼吸波形圖 ................................................. 156
表 1-1某脈沖雷達系統參數 ..................................................................... 17
表 2-1採樣頻率與分析點數對信號頻率估計性能的影響 ............................. 31
表 3-1某汽車短程距離雷達設計要求 ........................................................ 73
表 4-1現有的國內外汽車雷達標準（規定）............................................... 75 表 4-2乾擾抑制模擬實驗參數 .................................................................. 87 表 4-3信號與乾擾加噪聲比 ..................................................................... 87
表 7-1成像方法常用的量符號及其含義 .................................................. 113 表 7-2成像模擬實驗的雷達參數 ............................................................ 119 表 7-3毫米波雷達 360°實孔徑成像參數 .................................................. 121 表 7-4模擬圖像去噪性能指標 ................................................................ 128 表 7-5道路提取精度性能指標 ................................................................ 135
表 8-1一個乾擾雷達實驗參數設置例子 .................................................. 150 表 8-2乾擾實驗結果記錄表 ................................................................... 151 表 8-3一個交警手勢檢測實驗的參數設置例子 ........................................ 153 表 8-4交警手勢實驗結果記錄表 ............................................................ 154 表 8-5一個人體呼吸檢測實驗的雷達參數設置例子 .................................. 155 表 8-6人體呼吸檢測實驗結果記錄表 ...................................................... 156
