內容簡介
《雷達中的微都卜勒效應》由電子工業出版社出版。
作者簡介
作者：（美國）維克托C.陳（Victor C.Chen） 譯者：吳順君 杜蘭 劉宏偉
維克托C.陳，在雷達微都卜勒特徵和時頻分析方面的卓越工作是國際公認的。陳博士從美國俄亥俄州克利夫蘭的凱斯西儲（Case Western Reserve）大學獲得電氣工程博士學位。自1982年以來，他曾在多家美國公司及美國華盛頓特區的海軍研究實驗室雷達部工作。他曾經從事的研究工作有逆合成孔徑雷達成像，雷達信號和成像的時頻分析，非合作目標識別，以及雷達微都卜勒特徵分析等。1995年。陳博士開始研究雷達微都卜勒效應及其套用。他已在學術刊物、會議錄集，以及與其他學者共同編著的專著上發表了140餘篇論文。他曾合著出版了《雷達成像和信號分析的時頻變換》（Artech出版社，2002年）。陳博士也是一位電氣和電子工程師協會（IEEE）院士。
圖書目錄
第1章引言
1.1都卜勒效應
1.2相對論都卜勒效應和時間膨脹
1.3雷達中觀察到的都卜勒效應
1.4都卜勒頻移的估計和分析
1.5都卜勒頻率估計的克拉美—羅界
1.6微都卜勒效應
1.7雷達中觀察到的微都卜勒效應
1.8微都卜勒頻移的估計和分析
1.8.1瞬時頻率分析
1.8.2聯合時頻分析
1.9物體的微都卜勒特徵
參考文獻
附錄1AMATLAB原始碼
第2章雷達微都卜勒效應基礎
2.1剛體運動
2.1.1歐拉角
2.1.2四元數
2.1.3運動方程
2.2非剛體運動
2.3運動物體的電磁散射
2.3.1目標的雷達截面積
2.3.2雷達截面積預測方法
2.3.3運動物體的電磁散射
2.4計算微都卜勒效應的基礎數學
2.4.1微運動目標引起的微都卜勒
2.4.2振動引起的微都卜勒頻移
2.4.3旋轉引起的微都卜勒頻移
2.4.4圓錐運動引起的微都卜勒頻移
2.5雙基微都卜勒效應
2.6多基微都卜勒效應
2.7微都卜勒估計的克拉美—羅界
參考文獻
附錄2A
附錄2BMATLAB原始碼
笫3章剛體運動的微都卜勒效應
3.1鐘擺振盪
3.1.1鐘擺的非線性運動動力學建模
3.1.2鐘擺的雷達截面積（RCS）建模
3.1.3振盪鐘擺的雷達後向散射
3.1.4振盪鐘擺產生的微都卜勒特徵
3.2直升機旋翼
3.2.1旋轉旋翼葉片的數學模型
3.2.2旋轉旋翼葉片的RCS模型
3.2.3物理光學眼面預測模型
3.2.4旋翼葉片的雷達後向散射
3.2.5旋翼葉片的微都卜勒特徵
3.2.6所需的最小脈衝重複頻率
3.2.7旋翼葉片微都卜勒特徵的分析和說明
3.3自旋對稱陀螺
3.3.1對稱陀螺的無外力旋轉
3.3.2扭矩引起的對稱陀螺的旋轉
3.3.3對稱陀螺的RCS模型
3.3.4對稱陀螺的雷達後向散射
3.3.5進動陀螺產生的微都卜勒特徵
3.3.6進動陀螺微都卜勒特徵的分析和說明
3.4風力渦輪機
3.4.1風力渦輪機的微都卜勒特徵
3.4.2風力渦輪機微都卜勒特徵的分析和說明
參考文獻
附錄3AMATLAB原始碼
笫4章非剛性物體運動的微都卜勒效應
4.1人體的關節運動
4.1.1人的行走
4.1.2人體行走周期性運動的描述
4.1.3人體運動的仿真
4.1.4人體部件的參數
4.1.5根據經驗的數學參數化模型推導的人體行走模型
4.1.6獲取人體運動的運動學參數
4.1.7三維運動學數據採集
4.1.8基於角度循環圖模式的角度運動學特性
4.1.9行人的雷達後向散射
4.1.10人體運動數據處理
4.1.11人體運動引起的雷達微都卜勒特徵
4.2鳥類的撲翼運動
4.2.1鳥類撲翼運動學
4.2.2鳥類撲翼的都卜勒觀測
4.2.3鳥類撲翼的仿真
4.3四足動物的運動
4.3.1四足運動的建模
4.3.2四足運動的微都卜勒特徵
4.3.3小結
參考文獻
附錄4AMATLAB原始碼
附錄4BMATLAB原始碼
笫5章微都卜勒特徵的分析與解釋
5.1生物運動感知
5.2生物運動的分解
5.2.1基於統計的分解方法
5.2.2聯合時頻域中的微都卜勒特徵分解
5.2.3基於物理結構的分解
5.3從微都卜勒特徵中提取特性
54從微都卜勒特徵中估計運動學參數
5.5人體運動識別
5.5.1用於人體運動識別的特性
5.5.2異常的人類行為
5.5.3小結
參考文獻
笫6章總結、挑戰和展望
6.1總結
6.2挑戰
6.2.1分解微都卜勒特徵
6.2.2基於微都卜勒特徵的特性提取和目標辨識
6.3展望
6.3.1多基微都卜勒分析
6.3.2基於微都卜勒特徵的分類
6.3.3基於微都卜勒辨識的聽覺方法
6.3.4穿牆環境下的微都卜勒特徵
參考文獻
術語表
序言
譯 者 序
都卜勒效應是由於目標和雷達之間的相對運動使雷達回波信號產生都卜勒頻移的物理現象。都卜勒效應已在雷達中得到廣泛套用，並在抑制雷達雜波、提高雷達分辨能力、雷達成像等方面發揮了重大作用。近十多年來，由雷達目標或其構件的振盪運動(微運動)產生的微都卜勒效應引起了雷達工作者的廣泛關注。原著作者維克托C陳博士長期工作於美國海軍研究實驗室，從事逆合成孔徑雷達成像、雷達信號和成像的時頻分析、非合作目標識別，以及雷達微都卜勒特徵分析等研究工作。陳博士是國際知名的雷達專家和微都卜勒效應研究的先驅者。此專著是世界上笫一本正式出版的有關雷達微都卜勒效應的專著，也是陳博士十多年潛心研究的結晶。
此書從剛體和非剛體運動的運動學特性出發，系統闡述了微都卜勒效應的有關理論，建立了剛體(如鐘擺、旋翼、陀螺、渦輪機)和非剛體(如人、鳥、四足動物)的微運動模型，深入分析了雷達微都卜勒效應的產生機理和微都卜勒特徵信息提取等問題。書中的許多仿真舉例無疑會對讀者理解和套用微都卜勒效應提供有力幫助。而書中無償提供的MATLAB原始碼也是讀者仿真研究和分析雷達微都卜勒特徵的有用工具。
當前，微都卜勒效應仍是一個充滿挑戰性的前沿研究課題，有許多有趣而重要的問題期待著有志者去探究。我們希望此專著的翻譯和出版能為我國雷達、導航、通信、聲吶和電子對抗等領域的科技人員，部隊的電子信息科技幹部和管理人員，以及電子信息學科的研究生提供有益的參考。
此書的翻譯出版工作得到了保錚院士、張履謙院士、王小謨院士和毛二可院士的積極支持，他們對譯稿提出了許多寶貴意見，在此我們向四位德高望重的院士表示深深的謝意。
此書的第1章由劉宏偉翻譯，第2章、第3章和索引由吳順君翻譯，第4～6章由杜蘭翻譯，全書由吳順君統一審校。此書在翻譯中得到了西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室許多同事的支持和幫助，在此向他們表示感謝。特別是糾博博士對此書及原著所附DVD磁碟中的MATLAB原始碼進行了校驗仿真，我們對糾博博士認真細緻的工作表示衷心感謝。
為方便教學，我們將原著附帶的DVD磁碟中提供的MATLAB原始碼放在電子工業出版社華信教育資源網(http://www.hxeducomcn)，供購買本書的讀者免費下載。
由於譯者水平所限，書中可能存在不當和疏漏之處，敬請讀者和同人批評指正。同時，我們也向所有關心和支持此書翻譯出版工作的人們表示感謝。
譯 者
中文版前言
我感到榮幸能為本書中文版的讀者寫這篇前言。同時，我也感謝吳順君教授把這本書譯成中文版。
我本人於1998年開始涉足雷達微都卜勒現象的研究。當時，我正在致力於時頻變換在雷達中的套用。有人給我一組雷達測量數據，其中的雷達目標是一個正在步行的人。從這組測量數據所產生的一系列目標成像中，我們清晰地看到一個步行人的亮點。同時，還看見亮點兩旁沿都卜勒軸線上由胳臂和腿的擺動所引起的模糊條紋。為了進一步探索胳臂和腿隨時間擺動的細節，我決定用時頻變換來分析這組雷達回波數據。這樣一來，隨時間擺動的手臂、腿和腳的都卜勒特徵便清楚地展示在時頻平面上了。這是我首次觀察到的有關步行人的雷達微都卜勒特徵。
從此，我便一直致力於雷達微都卜勒現象的基本理論和實驗的研究工作。在同事和學生的協助下，我們進一步開展了雷達微都卜勒原理和套用的深入研究，採集了大量有關微動目標的雷達實驗數據，並提出了各種有關雷達微都卜勒計算機仿真實驗的研究模型和電腦程式。
在過去十多年裡，越來越多的雷達研究和工程人員步入了雷達微都卜勒現象的研究和套用，並在學術期刊和會議錄發表了許多關於微都卜勒特徵分析和套用的論文。於是，我決定寫一本關於雷達微都卜勒現象的書，把我自己十幾年來積累的有關微都卜勒理論分析的經驗和成果，加上電腦程式軟體，一併貢獻給那些有志於學習和套用雷達微都卜勒分析的讀者。
在我擔任IEEE 空間電子系統期刊雷達系統的編輯工作期間，我收到並審閱的許多稿件是出自中國從事雷達微都卜勒現象的研究人員。我相信這本中譯本會為更多中國讀者踏入微都卜勒現象的領域提供方便。
在我這本原版書於2011年出版之後，我和我的同事們組織了一系列有關雷達微都卜勒原理、特徵分析和套用的輔導課及講習班。從中，我注意到學員們有意要學到如何把微都卜勒特徵的一般原理用於具體的套用實例中。我希望這本書對從事微都卜勒特徵套用的學生和專業人士可以成為一本有所裨益的參考書。
此外，這本中文版還糾正了原版中的一些排印錯誤，敬謹向譯者和編輯表示謝忱。
Victor C Chen
於美國維吉尼亞州麥克連市
前 言
微都卜勒效應最初被引入到相參雷射系統中是為了測量物體的運動性質，例如振動速率和振動偏移。微都卜勒頻移可以用獨特特徵來特徵化，這種特殊特徵代表從物體的結構部件產生的複雜精細特性。在雷射雷達系統中，即使用一個很低的振動速率，物體振動的微偏移就能容易地引起大的都卜勒頻移。與雷射雷達相比，在我們感興趣的微波雷達中，由於波長較長，要觀察由微振動引起的微都卜勒調製是困難的。然而，如果振動速率和振動偏移量相乘，且乘積足夠大，那么振動的都卜勒調製就可以被觀察到。例如，由旋翼葉片的旋轉產生的微都卜勒頻移將被檢測到，因為它們的旋臂越長，則旋臂葉尖的速度越高。儘管由旋轉的旋翼葉片引起的都卜勒頻移已被觀察到很長時間了，但一直到聯合時頻域分析被引入到雷達信號分析之前，都卜勒頻移的時變特性並沒有受到足夠的重視。
1998年，當我正從事聯合時頻域分析套用於雷達圖像和信號處理時，我得到了行人的雷達實驗數據，實驗中雷達是固定的，而人是走動的。用固定的雷達採集的實驗數據實際上是逆合成孔徑雷達(ISAR)數據，因而可以得到行人的一系列距離—都卜勒像。
現在有各種各樣的算法可以用來產生聚焦的ISAR圖像。然而，任何未作補償的運動將引起圖像上沿著距離域的模糊，並且，如果相參處理時間較長，未補償的運動可產生時變都卜勒頻移，可能引起ISAR圖像在都卜勒域上的模糊。從行人的一系列距離—都卜勒像，在與步速相關的都卜勒頻率上沿著距離我們可以清楚地看到行人的聚焦的鮮明斑點。但是，在距離—都卜勒像上，存在由行人的未補償的擺動手臂和腿引起的沿著都卜勒域的污跡。為了開發利用擺動的手臂和腿的詳情，我們將聯合時頻域分析套用於污染部分周圍的雷達距離像。作為一個直接的結果，在身體軀幹運動的都卜勒頻移周圍，時頻圖像清楚地顯示出手臂和腿的都卜勒擺動。那是我們畫出的第一個行人的微都卜勒特徵。此特徵清楚地顯示了由人體的結構部件，如腳、手、手臂和腿的周期運動引起的時變頻率分布。
微都卜勒特徵的開發利用不必要求距離分辨。任何連續波(CW)雷達都好到足以產生目標的微都卜勒特徵，但是，同時具有距離和都卜勒分辨的ISAR距離—都卜勒像，在距離—都卜勒域揭示目標或其結構部件在距離—都卜勒域上的位置方面是有用的。那就是為什麼在本書中我們寧可用二維距離像來產生微都卜勒特徵而不用一維時間序列的原因。從二維的距離像，在採用了運動補償和自聚焦算法以後，目標的距離—都卜勒像可以被重構。在另一方面，從目標上結構部件未作補償的旋轉，我們也可以提取目標的微都卜勒特徵。
在最近十年中，大量的有關雷達中的微都卜勒效應的文章已經發表。本書的目的是介紹微都卜勒效應的原理和理論，揭示微都卜勒特徵的潛在套用，並提供一種產生感興趣目標的微都卜勒特徵的簡單易行的工具。除了實際雷達數據的分析以外，仿真是研究雷達中的微都卜勒效應的重要手段。基於本書中所提供的仿真例子，鼓勵讀者進行修改並將這種仿真拓展到其他感興趣的套用上。
在本書中，第1章是對雷達中微都卜勒效應的一種介紹。第2章給出了雷達中微都卜勒效應的概念和數學。在第3和第4章中，介紹了某些可用的RCS預測模型，以便計算剛性和非剛性物體的微都卜勒特徵。幾種典型的例子與MATLAB原始碼一起在這幾章中提供。第5章專注於生物運動的感知和生物運動信息與微都卜勒特徵之間的關係。這有助於基於目標的微都卜勒特徵來識別帶運動學行為的目的。第6章總結了雷達中的微都卜勒效應，並列出了在微都卜勒研究方面的某些挑戰和展望。
為了教學的目的，本書在附帶的DVD磁碟中提供了MATLAB原始碼。這些原始碼由貢獻者在保持現狀的基礎上提供，且已聲明不作任何擔保。原始碼的貢獻者不承擔任何損壞引起的法律責任。
本書中所提供的MATLAB原始碼有部分歸功於我的學生Yang Hai和Yinan Yang的努力。我想對他們表示衷心的感謝。我也要感謝Raghu Raj在基於物理部件的分解方法和在第5章中有關圖表方面的工作。我要特別感謝David Tahmoush在四足動物運動的微都卜勒特徵以及為本書第4章準備有關圖表方面令人關注的工作。
我也希望表達我對William Miceli，我的老朋友和我的微都卜勒研究的資助者的感謝，感謝他的一貫支持和過去十年對雷達中的微都卜勒效應的研究工作的有益討論，特別是對第4章中輪轉全景攝影機拍攝的照片和第6章中的聽覺方法的技術討論。我對本書的評閱人所給出的建設性建議心存感激，同樣也感謝Artec出版社的員工對本書出版的關注和支持。
