超寬帶（UWB）雷達：從測距到高階感測

超寬帶（UWB）雷達利用單個(gè)設備的信號反射，實(shí)現精確測距與環(huán)境感知。其成本效益高且節能，能在多種環(huán)境中工作，提升了安全、醫療、智能家居及車(chē)輛安全等領(lǐng)域的應用，為用戶(hù)帶來(lái)更加便捷與可靠的體驗。請閱讀本文，了解更多信息。

1   什么是超寬帶（UWB）雷達？

超寬帶（UWB）技術(shù)被廣泛認為是實(shí)現位置、距離和方向精確、安全、實(shí)時(shí)測量的最佳測距技術(shù)。除此之外，UWB還能作為雷達技術(shù)實(shí)現環(huán)境感知。與測距功能相似，UWB雷達利用UWB極寬的500MHz帶寬和極短的2納秒脈沖，對物體和人員實(shí)現高精度探測。但與測距不同的是，UWB雷達無(wú)需兩臺設備通信，僅需單個(gè)設備即可捕獲信號反射（見(jiàn)圖1）。因此，它作為一種低成本、低功耗的解決方案，結合全向天線(xiàn)，可以達成360°視場(chǎng)內的運動(dòng)檢測，實(shí)現全面區域監控，且覆蓋盲區極小。此外，UWB測距和雷達功能可以結合使用，以實(shí)現多種功能，例如存在感測并隨后進(jìn)行安全認證。

圖1 超寬帶測距與感測對比

2   UWB雷達如何精確感測

UWB感測的“魔法”在于雷達在傳輸脈沖的同時(shí)接收來(lái)自物體和人員的多徑信號反射。這些估算的信道脈沖響應（CIR）隨后由先進(jìn)的雷達算法處理；不僅能檢測運動(dòng)，還可以估算距離和位置（見(jiàn)圖2）。UWB雷達具有很高的抗干擾性，即使在密集多徑和多無(wú)線(xiàn)電環(huán)境中也能提供可靠性能，而其它感測技術(shù)在此類(lèi)環(huán)境下可能會(huì )遇到困難。

圖2 UWB雷達發(fā)射并同時(shí)接收多徑信號反射

UWB雷達的新穎之處在于，可以配置關(guān)鍵的雷達參數以權衡范圍、功耗和覆蓋范圍。每次雷達掃描收集的樣本越多，檢測范圍就越遠——從幾厘米到幾米不等。此外，如果以更高的速率重復發(fā)射雷達幀，雖然會(huì )以更高的功耗為代價(jià)，但能獲得更準確的位置估算。

即便是范圍為幾米以?xún)鹊拇嬖跈z測使用案例中，UWB雷達的功耗也不超過(guò)10mW，這使其成為用于便攜式設備的理想低功耗技術(shù)，延長(cháng)了電池壽命并減少了頻繁充電的需求。此外，UWB雷達監測生命體征或識別手勢的能力，為用戶(hù)與智能設備的交互開(kāi)辟了新途徑。通過(guò)檢測微小動(dòng)作和特定手勢，它促進(jìn)了直觀(guān)且免觸摸的控制界面。這在醫療和汽車(chē)應用中尤為實(shí)用，因為非接觸式交互提高了安全性、保密性和便利性?？偟膩?lái)說(shuō)，UWB雷達的多功能性加上小于10厘米的精細測距精度，使其成為一種引人注目的強大解決方案，能夠在廣泛的應用中提供精確、可靠和節能的性能。

3   與其它傳感技術(shù)的對比

如將UWB 雷達與被動(dòng)紅外（PIR）傳感器等其他技術(shù)進(jìn)行評估時(shí)，幾個(gè)關(guān)鍵差異凸顯了UWB的優(yōu)勢。PIR傳感器常用于運動(dòng)檢測，但僅當傳感器具有清晰的視線(xiàn)（LOS）時(shí)才有效。它們的視野有限，且對溫度變化、灰塵和強光等環(huán)境因素敏感。相比之下，UWB雷達在視線(xiàn)和非視線(xiàn)（NLOS）條件下都能有效工作，能夠穿透墻壁，并在具有挑戰性的環(huán)境條件下保持準確性和分辨率。這些特性使UWB 成為眾多應用場(chǎng)景中極具靈活性和多功能性的解決方案。

與60GHz毫米波（mmWave）雷達相比，UWB雷達提供了一系列不同的優(yōu)勢。雖然毫米波雷達在特定用例中（如基于安全攝像頭的存在檢測或智能恒溫器）很有效，但它通常功耗更大，實(shí)施更復雜，且解決方案成本更高。與之相反，UWB雷達功耗更低，實(shí)施更簡(jiǎn)單且成本效益高，因而成為60GHz毫米波雷達的可行替代方案；尤其適用于短距離雷達應用。

需要記住的一個(gè)要點(diǎn)是，根據應用的不同，每種傳感技術(shù)都有其獨特的優(yōu)勢；例如，PIR傳感器在簡(jiǎn)單環(huán)境中的基本運動(dòng)檢測方面表現出色，而毫米波雷達在要求高精度傳感或高分辨率成像的場(chǎng)合中很有價(jià)值。當應對多種需求，并需要精確性和多功能性的場(chǎng)合，如感測與精細測距的結合時(shí)，UWB雷達則表現出色。

表1 UWB雷達與PIR和毫米波雷達的比較

4   UWB感測雷達重塑不同市場(chǎng)

UWB雷達技術(shù)重新定義了消費、企業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)中的傳感應用。通過(guò)將UWB 的高精度雷達功能與精細測距相結合，該技術(shù)不僅實(shí)現了存在檢測，還實(shí)現了高精度距離測量，解鎖了一系列創(chuàng )新且無(wú)縫的用戶(hù)體驗。圖3展示了UWB雷達的核心傳感功能；這些功能可以單獨部署或與精細測距相結合，以增強安全性、自動(dòng)化和交互性。以下部分將探討UWB雷達如何在這些市場(chǎng)中推動(dòng)變革，提供傳統傳感技術(shù)無(wú)法實(shí)現的先進(jìn)功能和用戶(hù)體驗提升。

圖3 UWB雷達功能可應用于消費、企業(yè)和汽車(chē)等應用領(lǐng)域

5   智能空間和生態(tài)系統

通過(guò)實(shí)現高精度存在檢測和運動(dòng)監測，UWB雷達重新定義了我們與智能空間的交互方式。與依賴(lài)常開(kāi)式攝像頭的傳統安全系統不同，UWB雷達在優(yōu)先考慮隱私的同時(shí)，提供了一種保持安全性和功能性的替代方案。無(wú)需持續監控，UWB雷達可以檢測人員的存在和移動(dòng)，僅在必要時(shí)激活家庭攝像頭或完全消除對其需求。這種方法降低了未經(jīng)授權訪(fǎng)問(wèn)安全攝像頭等的網(wǎng)絡(luò )安全風(fēng)險，同時(shí)確保了全面監控。

除了安全之外，UWB雷達還提高了智能家居環(huán)境的適應性。它可以區分人員和無(wú)生命物體，以減少誤報，實(shí)現反應更靈敏的自動(dòng)化。燈光、氣候控制和其它智能系統可以根據占用情況動(dòng)態(tài)調整，以提高便利性和能源效率。此外，UWB雷達的手勢識別功能可以實(shí)現對廚房水龍頭、垃圾桶甚至娛樂(lè )系統等電器的免觸摸控制，進(jìn)一步提高家庭中的便利性和衛生水平。

在企業(yè)環(huán)境中，將UWB雷達嵌入天花板安裝的Wi-Fi企業(yè)接入點(diǎn)（EAP）或條形攝像頭中，可以實(shí)現精確的占用感測。當與人工智能（AI）和成像系統相結合時(shí)，它有助于企業(yè)通過(guò)跟蹤房間中的人數來(lái)優(yōu)化工作空間利用率。借助這種數據驅動(dòng)的方法，企業(yè)不僅能夠通過(guò)調節HVAC系統和照明設施提高能源利用效率，還能更有效地管理會(huì )議室預訂，進(jìn)而提高整體運營(yíng)效率。通過(guò)集成UWB雷達，企業(yè)可以創(chuàng )建更安全、更高效的辦公環(huán)境，同時(shí)不犧牲安全性或隱私。

6   健康與保健

UWB雷達無(wú)需物理接觸即可監測生命體征的能力有可能徹底改變臨床和家庭環(huán)境中的患者護理。其高精度使其能夠檢測到與呼吸和心率相關(guān)的細微動(dòng)作，成為新生兒監護、老年人護理和遠程患者觀(guān)察的理想解決方案。這種非侵入式方法提高了患者的舒適度，同時(shí)確保了連續、可靠的健康跟蹤。

此外，即使患者被毯子、床上用品或衣物覆蓋，UWB雷達也能有效工作，提供不間斷的監測，而無(wú)需直接接觸皮膚。這在重癥監護病房中尤為重要，因為在那里，盡可能減少對患者的干擾至關(guān)重要；亦或在家庭醫療場(chǎng)景中，隱蔽、被動(dòng)的監測可提高生活質(zhì)量。此外，其穿透物理障礙進(jìn)行感測的卓越能力，使其成為一種強大的監測手段，特別適用于隔離病房?jì)鹊幕颊?，或是在那些傳統監測設備難以發(fā)揮作用的環(huán)境。

7   無(wú)縫訪(fǎng)問(wèn)與控制

UWB雷達在門(mén)禁控制方面同樣表現出色，提供穩健、安全的身份識別與認證解決方案。在辦公室、倉庫或企業(yè)環(huán)境中，UWB雷達通過(guò)檢測個(gè)體的存在與移動(dòng)來(lái)增強門(mén)禁控制系統，并結合UWB精細測距技術(shù)安全地驗證其身份。同樣的UWB芯片可與支持UWB的門(mén)禁卡、智能手表或智能手機進(jìn)行交互，以確認身份并授予安全訪(fǎng)問(wèn)權限。在金融、科研及數據中心等安全要求嚴格的行業(yè)中，這一功能尤為必要。

除傳統門(mén)禁控制外，UWB雷達的手勢識別能力還為企業(yè)環(huán)境引入了交互的新維度。想象一下，員工只需簡(jiǎn)單揮手即可控制會(huì )議室顯示屏，減少了對公用表面的物理接觸。展望未來(lái)，配備UWB雷達的計算機能夠通過(guò)細微的姿勢識別出員工的壓力或疲勞程度，使工作場(chǎng)所能夠開(kāi)發(fā)出更智能、響應更迅速的健康解決方案，同時(shí)避免過(guò)度監控。

8   車(chē)輛安全與信息娛樂(lè )

UWB雷達通過(guò)實(shí)現高精度、實(shí)時(shí)檢測能力，推動(dòng)車(chē)輛安全與便捷性的進(jìn)步。其最關(guān)鍵的應用之一是歐洲NCAP所規定的兒童存在檢測（CPD）；其檢測車(chē)輛內是否存在遺留的嬰兒，以防止悲劇的發(fā)生。UWB雷達可通過(guò)監測微弱的呼吸和心率運動(dòng)，在生命面臨危險時(shí)向看護者或相關(guān)部門(mén)發(fā)送即時(shí)警報。隨著(zhù)汽車(chē)變得更加智能和互聯(lián)，UWB雷達也為下一代智能內飾鋪平了道路。未來(lái)的應用可能包括基于手勢的控制，使駕駛員能夠利用簡(jiǎn)單的手勢動(dòng)作調整信息娛樂(lè )系統、氣候設置或導航界面。這不僅提升了便利性，還最大限度地避免駕駛員分心，進(jìn)一步促進(jìn)更安全的駕駛體驗。

9   未來(lái)展望與創(chuàng )新

UWB雷達的多功能性、可靠性和精確度重新定義了傳感技術(shù)的可能性，為更智能、更安全、更直觀(guān)的環(huán)境鋪平了道路。較寬的帶寬和較短的脈沖特性賦予其獨特的感測能力，使之成為需要精確和準確定位應用的最佳選擇。

UWB雷達的未來(lái)潛力無(wú)限，具有低功耗、高性能以及將傳感和測距功能融于一體的非凡能力。隨著(zhù)算法的進(jìn)步以及邊緣AI和機器學(xué)習集成的持續發(fā)展，UWB雷達將進(jìn)化為更加強大的精確和自適應感測工具。無(wú)論是在提升汽車(chē)安全性、構建無(wú)接觸醫療解決方案，還是提高企業(yè)環(huán)境效率方面，UWB雷達實(shí)現無(wú)縫交互的潛力不容置疑。

關(guān)于作者

Sri Sridharan

負責Qorvo在北美地區物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案的拓展，重點(diǎn)關(guān)注超寬帶（UWB）和低功耗藍牙/Matter技術(shù)。作為一名屢獲殊榮的產(chǎn)品定義專(zhuān)家和技術(shù)出版物作家，他在射頻組件與系統方面擁有深厚的專(zhuān)業(yè)知識，包括蜂窩技術(shù)、低功耗藍牙、GPS、LoRa 和RFID。通過(guò)與客戶(hù)緊密合作并深入了解他們的特定用例與挑戰，Sri戰略性地影響著(zhù)Qorvo的產(chǎn)品路線(xiàn)圖，確保其與市場(chǎng)需求和技術(shù)趨勢保持一致。

（本文來(lái)源于《EEPW》202505）