《人脑机智能雷达技术及其应用》（订购）

尹奎英 李成 王中宝 刘川 李澜宇 杜文韬 著

西安电子科技大学出版社

　　“人—脑—机”是当前生物交叉领域的重要研究课题，是未来实现人机共融需要攻克的重要理论和工程难点。“人—脑—机”通过脑机接口技术可以完成脑信号破译，实现“意见控制”“心灵感应”等科幻场景；通过脑导航及信号监测，可以绘制人脑基础结构，并且可以更早地发现脑部异常；通过人机协同，可以引起下一代工业革命，推动社会经济发展。

　　《人脑机智能雷达技术及其应用》以人脑机接口技术在雷达领域的融合应用为切入点，深入浅出地介绍了人脑机智能、现代雷达问题、人脑机智能雷达应用等内容。本书围绕人机混合智能在面对人体失智失能方面的改善，还列举了较具创新性的“灵犀手”以及“阿尔兹海默症筛查干预”两个应用型产品，响应了基础研发服务社会的国家需求。

内容介绍

　　本书以人脑机接口技术在智能雷达领域的融合应用为核心，介绍了人脑机智能雷达技术及其应用。全书共四章：第一章介绍了专家视觉解译与视觉迁移、 脑机接口技术、脑电信号及其处理方法和脑电信号专家判读与脑电视觉重构；  第二章对现代雷达技术的基本概念和目标识别等问题进行了剖析， 并介绍了无人机载SAR技术；  第三章详细介绍了作者团队将人脑机智能雷达技术投入应用的几个实例，主要包括遥感影像智能解译及未来应用技术、机载雷达匹配导航定位技术、雷达心肺探测技术、三体雷达图像检测识别技术；第四章介绍了作者团队在“失能”“失智”残疾人康复领域就人脑机应用进行的探索性研究，主要包括灵犀手和基于小脑的阿尔茨海默病筛查干预技术。

　　本书可供信号与信息处理、遥感信息科学与技术、智能信息处理、生命科学生物医学工程、生物技术、智能医学工程等专业的从业人员阅读， 也可作为对脑机技术和智能雷达技术感兴趣的读者的参考书。

作者介绍

序·致谢恩师

　　本书由中国相控阵雷达之父张光义院士作序，记录了中国电子科技集团公司创新平台人脑机实验室团队十余年的工作，从雷达领域进入脑机接口的真实历程，以及在跨界中遇到的各种障碍和交叉带来的巨大创新，还原一只原创团队十年筚路蓝缕创新之路。

　　雷达是重要的信息获取装备，广泛应用于国防与经济建设中。从20世纪30年代发明至今，雷达已经历了将近一百年长盛不衰的快速发展历程。在不同时期，都有一些重要科技成果对雷达的发展起到了重大的推动作用。近年来，计算机科学技术，数字、微波以及光学集成电路，高功率微波器件、固态功率器件以及新材料、新工艺、新结构等的问世与推广应用，极大地推动了相控阵天线的应用，特别是有源相控阵天线技术在雷达、通信、导航、遥控、遥测、电子与信息对抗等领域的成功应用。能对远程目标进行二维、三维成像的相控阵合成孔径、逆合成孔径与干涉式合成孔径雷达等已投入实际应用。这些雷达相关技术已广泛应用到气象探测、地图测绘、车辆导航等多个领域。 雷达技术的进步对各种无源探测雷达、二次雷达与其他转发式探测设备的技术发展也有同样的促进与支撑作用。

　　可以预计，人工智能（AI）技术是推动新一代雷达创新发展的一个重要方向，它与计算机、大数据、高速通信网络等技术相结合，将进一步提高各类雷达及其他信息获取装备的性能，促进“万物互联”的实现，成为推动各行各业现代化进程的新学科。“人工智能”是计算机科学的一个分支，它是研究计算机拟人的认知过程的一门学科，起源于1956年，其建立的基础是认为人的智能（human intelligence）可以被准确描述与仿真，因此， 可将人工智能（AI ） 通俗地理解为用机器来仿真人的认知功能， 即人们用于学习与解决问题 的智力、思想或想法。显然，人工智能（AI）研究的“计算机拟人的认知过程”是包含多人（有关研究者）参与的复杂的多层面、多通道、多融合系统。人工智能广阔的应用前景极大地吸引了众多科技领域的专家、学者从事人脑科学的研究。其中主治脑科疾病(如精神病、癫痫)及进行脑外科手术的医生可能是最早使用人脑机接口装置（BCI）检测与记录人的脑电波,  开展人工智能（AI）研究的。

　　以中国电子科技集团公司首席专家尹奎英博士为首组建的科研团队一直从事先进雷达的科研工作。他们提出将智能雷达技术与人脑机接口技术相结合创造人脑机智能雷达，改善雷达信号检测性能，实现合成孔径成像雷达辅助影像识别等功能。他们本着“科技造福人民”的理念，提出将“人”本身也作为科技研究的重点对象，由此衍生的生命科学应视作一类交叉学科，吸纳和应用各有关领域的高精尖成果。近年来，围绕“人”的雷达应用受到了越来越多的关注。本书作者选择目标对象时， 考虑到为医学研究、健康事业服务， 将人体内部结构和生理信号均作为新型雷达的检测目标，并围绕“人”的雷达感知技术将“人”或者其随身携带的附属物件作为探测切入点。从广义上看，人脑机接口技术与智能雷达技术的结合，如脑信息辅助雷达影像识别与检测、智能感控等技术也可纳入新的人脑机智能雷达的应用。本书围绕人脑机接口技术在智能雷达领域的融合应用，以中国电子科技集团公司第十四研究所人脑机实验室近年来在该领域的代表性技术为蓝本，详细介绍了新一代人脑机智能雷达在灾后救援、康复等领域的关键技术应用情况。在灾后救援方面，具体对遥感影像处理、脑机智能辅助影像解译、载机平台匹配导航定位、稳健非接触式体征检测等多项关键技术进行了介绍和分析，这些技术通过学科交叉融合的方式提高了传统雷达体系在平台定位导航、雷达影像分类、目标识别等方面的技术水平；在“失能”“失智”残疾人康复领域，本书对灵犀手和阿尔茨海默病筛查干预系统进行了技术分析，这些技术将陆续步入应用阶段。

　　本书在对人脑机和雷达的基本原理进行概念性综述的基础上，翔实介绍了作者团队在人脑机接口技术与智能雷达技术的交叉发展中的研究成果，有助于发挥两者相互融合、交叉发展的潜力,促进人脑机研究与智能雷达融合发展。

谨以此书致谢恩师王德纯先生

致谢

前言·行转变

　　进入脑机接口领域是一件很偶然的事情，大约在2007年，我还在读博士，攻读的专业是雷达信号处理，其间我的硕士导师梁继民教授转入了生命科学学院，我们在同一栋大楼工作，我在17楼，梁老师在3楼。我习惯于走楼梯到实验室，每天经过3楼时， 我都会去看一下梁老师他们当前的工作，然后跟实验室的人聊一聊工作进展(实验室中有几位是从事脑机相关研究的)。到了17楼以后， 我会再跟我的博士同学聊一下各自的工作。这种讨论大概持续了4年。几年后，我在工作中遇到了一些用传统信号处理算法很难一下解决而采用深度学习方法样本量又不定的问题，于是决定从脑机接口着手尝试解决这些问题。

　　从传统的雷达领域跨界到脑机领域是一件艰难而又有意思的事情，这本书真实地记录了我们近十年的工作成果。我们第一个有意思的工作是开发“灵犀手”，它是我和周升丽博士一起完成的原型。做这个工作的初衷是因为肌电信号比脑电信号要稳定可靠一些，从这里入手相对容易，但是后来我们发现， 由于一直用健康人作被试（或称被试者），并没有考虑真正需要它的人，其实用性还有待提高。2018年春节期间，我在老家从拜年的亲戚中打听到因为工伤截肢的庄师傅，便考虑邀请庄师傅作为被试进行相关的研究。 2018年6月15日，供残疾人使用的“灵犀手”第一次亮相世界雷达展览会，之后我们和清华大学孙富春老师团队合作，相继开发了第二代、第三代“灵犀手”。2021年，“灵犀手”被世界人工智能大会最高奖SAIL奖评为TOP30。

　　第二个有意思的工作是针对阿尔茨海默病的筛查和干预进行的。我在一次学术交流中遇到了南京脑科医院神经内科石静萍主任，她提出了当前治疗阿尔茨海默病的一些问题，这个时候我已经建立了人脑机实验室，具备了脑机接口领域磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)、功能性磁共振成像(functional MRI,fMRI)、脑电/脑磁图(Electroencephalogram/Magnetoencephalography, EEG/MEG)等多维度的数据分析能力。在石主任指导下，我们先后招募了几百名志愿者，从小脑特征靶点出发全方位进行了数据计算，最终找出了有效的检测方法。在进行经颅磁刺激干预的时候，我们又遇到了难题——目前只有针对大脑的神经导航系统，还没有针对小脑的神经导航系统。我又找到我的大学老师姜光教授一起合作完成了小脑神经导航系统。这样，在精准导航的配合下，我们完成了对阿尔茨海默病初期患者的有效干预。

　　这两个工作开始并没有对应具体科研任务，完全是业余时间靠兴趣做起来的， 这么做的初衷是因为随着社会老龄化的到来，失能和失智问题日益突出，作为科研人员要率先主动解决问题。

　　人工智能和脑科学的交叉融合发展为机器智能与人类智能的融合提供了可能。因此，在可预见的未来，人类智能与机器智能将逐步融为一体，充分发挥机器的存储和运算能力，融合人脑的思维与创新能力，以推动人工智能达到一个更高的层次——脑机智能融合。

　　创立脑机接口的初衷是为了解决雷达研制中遇到的问题。目前，雷达的目标识别方法大多是基于统计模式识别理论提出的，通过采用统计学、概率论、博弈论、机器学习等手段，从回波数据中提取目标的有效特征信息，进而推理出目标的类别和型号，相当于“以己度人”，但这些方法需要有比较多的先验知识，而且在线的知识无法实时更新。我们希望本书能有助于读者了解人脑机智能技术与雷达技术的基础知识，熟悉人脑机智能雷达在各个应用领域的技术原理和应用思路，拓宽视野，获得一定的启发， 从而将自身研究方向与人脑机智能雷达技术相结合， 促进脑机融合技术的进步。

　　人脑具有强大的认知功能，人类能够快速准确地识别呈现在视野中的各类目标。由fMRI、EEG和MEG等现代无创技术对人类大脑视觉的研究可知： 对于两种或者几种不同内容图像的刺激，无论是大脑的激活部位，还是我们采集的电/磁生理信号特征， 都有明显的不同，这些不同是人脑对目标特征处理的内在机理的宏观外在表现，这是人类特有的强大认知功能。

　　本书第一章1.1节由李成编写， 第一章其余部分由尹奎英编写，并由尹奎英修订； 第二章2.3节由尹奎英编写，第二章其余部分由王中宝编写，并由王中宝修订； 第三章3.1节由李澜宇编写， 第三章其余部分由尹奎英编写， 并由尹奎英修订； 第四章4.1节由刘川、尹奎英、周升丽编写， 4.2节由石静萍、尹奎英、杜文韬编写，并由杜文韬修订。 全书由尹奎英和杜文韬统稿。

　　另外，石静萍、姜光、周升丽、李坡给予了工程技术方面的支持，  人脑机实验室的阮婷、牛畅、黄照悠、高文锐、李绮雪、曲良承、沈皓炜、毛琳、李婉萍、吕明星等也对本书的编写提供了帮助，在此一并表示感谢。

　　由于著者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。

尹奎英

2022年3月于南京453园区

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来源：西安电子科技大学出版社