近年來，超寬帶 (UWB) 無線技術因其能夠提供高度準確和精確的定位和測距而備受關注。衛星定位、Wi-Fi和藍牙等其他無線協議的精度只能達到約一米，而UWB則能夠實現厘米級甚至毫米級測量精度。

UWB不僅能夠提供精準的定位和測距，還具有高安全性，因此在消費電子、汽車和工業領域得到了廣泛應用。從智能手機、平板電腦和智能手表到鑰匙扣及工業物聯網 (IoT) 設備，支持UWB的系統在資產跟蹤、安全門禁、實時室內導航等方面功能顯著增強。

事實證明，UWB在精準測距方面的優勢同樣適用于物體和運動的精準檢測。因此，UWB技術正廣泛應用于許多使用脈沖多普勒雷達的汽車和工業場景，包括存在檢測、手勢識別和運動檢測等。

本文摘編自恩智浦最新技術白皮書，該白皮書介紹UWB與其他無線協議的區別，闡述其獨特特性在雷達中的應用，并重點說明開發人員如何利用基于UWB的雷達技術提升工業物聯網和汽車領域的功能安全、信息安全和生產力。

UWB獨有的脈沖信號

UWB是一種脈沖無線技術，與其他常用的無線協議有顯著不同。衛星、Wi-Fi和藍牙在窄頻率上使用調制正弦波傳輸信息，而UWB則在寬頻段上通過一系列脈沖傳輸信號。UWB脈沖的形狀比較陡峭和狹窄，易于識別，并有助于避免與信號反射相關的多徑效應。

此外，UWB在遠離2.4GHz繁忙ISM頻段的頻譜上運行，因此能夠與當前最流行的無線技術 (包括衛星導航、Wi-Fi、藍牙甚至NFC) 共存。

UWB信號獨具特性，易于識別，抗噪聲和反射，并且使用不同的頻譜。這些特點使UWB成為一種強大、穩定的通信技術。此外，UWB的帶寬高，能夠快速傳輸陡峭和狹窄的脈沖， 因此也適用于測距應用。采用UWB技術可以更準確地標記信號時序，使用常用的定位方法，如飛行時間 (ToF) 和到達角 (AoA) 計算，能夠產生更精確的結果。

研究科學家和工程師發現，UWB生成的定位脈沖同樣可用于存在和運動檢測，因此在脈沖多普勒雷達應用中得到了廣泛采用。下面是該過程的詳細介紹。

UWB飛行時間計算

脈沖多普勒雷達工作原理

多普勒效應是指當物體靠近時，輻射的聲波或光波在傳播過程中被壓縮，其頻率隨著物體的接近而增加。例如，當我們聽到移動的救護車或消防車的警笛聲時，會發現它們的音調在接近時變高，而在經過時突然降低。脈沖多普勒雷達利用這一原理，先發送探測信號脈沖，然后分析物體運動對返回信號頻率的影響。

在UWB應用中，通過UWB IC檢查發送的脈沖如何反射回接收器，從而實現脈沖多普勒雷達功能。該功能能夠檢測物體并測量其運動，即使是微小的運動。通過信道脈沖響應 (CIR) 計算來分析反射信號。脈沖的傳播時間 (即往返飛行時間) 用于指示目標物體的絕對位置。通過多次連續測量，可以檢測到目標的大幅度運動 (及其徑向速度)。通過觀察多次測量之間反射載波信號的相位變化 (多普勒效應)，可以檢測到小于空間分辨率 (亞毫米級) 的運動。

UWB脈沖多普勒雷達的工作原理

更好的運動檢測方法

UWB信號適用于高精度雷達，其脈沖采用相對較低的頻率 (6至8GHz)，因此能夠輕松穿透木材、混凝土和金屬等固體材料。此外，由于UWB使用電磁波 (而非聲波) 來檢測物體的存在，信號不易受到外部振動和噪聲的干擾。結合復雜的信號處理功能，UWB雷達在檢測對象、識別運動模式、跟蹤運動變化和消除噪聲方面表現出色。

從設計角度來看，由于雷達和測距使用相同的脈沖，UWB雷達可以與UWB測距解決方案無縫融合。這意味著，UWB雷達在測距的基礎上無需額外占用空間，從而實現緊湊設計和低成本實施。在現有測距功能上添加雷達時，不會增加天線、信道或無線前端開銷，UWB技術可以與DSP和微控制器功能緊密集成。

搜救隊已經使用UWB雷達來搜尋房屋內或廢墟中的被困人員，醫務人員則利用它來監測患者的生命體征，如心率和呼吸頻率，無需接觸患者。事實上，UWB雷達非常精確，甚至可以檢測到極其微小的運動，例如嬰兒睡覺時胸部隨呼吸的起伏。

在UWB應用中，通過UWB IC檢查發送的脈沖如何反射回接收器，實現脈沖多普勒雷達功能。該功能能夠檢測物體并測量其運動，即使是微小的運動。通過信道脈沖響應 (CIR) 計算來分析反射信號。脈沖的傳播時間 (即往返飛行時間) 用于指示目標物體的絕對位置。通過多次連續測量，可以檢測到目標的大幅度運動 (及其徑向速度)。通過觀察多次測量之間反射載波信號的相位變化 (多普勒效應)，可以檢測到小于空 間分辨率 (亞毫米級) 的運動。

UWB雷達的多普勒處理流程

融合：測距與雷達

新一代UWB IC (如恩智浦Trimension系列產品) 集成了UWB測距和UWB雷達功能，能夠以高性價比的方式創建系統。這些系統具備超高的運動靈敏度、精確的手勢識別和定位能力。

結合低功耗UWB雷達、安全測距和AoA計算等技術，可以利用UWB導航、安全定位、物體檢測甚至挽救生命的人員檢測實現新應用。這些應用包括防止兒童被遺留在溫度過高的汽車中的車輛安全系統、基于存在的智能暖通空調或照明觸發等節能方案，以及基于存在和位置的訪問控制或危險區域檢測等工業環境安全系統。在UWB雷達的加持下，即使人機界面簡單的設備也可以根據位置和存在信息做出響應，實現更直觀的操作。

無源位置檢測可以確定物體的位置，并結合精確的運動檢測來激活安防系統，僅在必要時觸發安全攝像頭、監控燈和警報器，從而提高可靠性并減少誤報。UWB測距和雷達的結合也改進了嬰兒監測器，使其能夠更精確地跟蹤運動，甚至監測生命體征，而無需強迫嬰兒佩戴腕帶或類似設備。

工業物聯網應用

Trimension SR250等UWB解決方案組合了測距和雷達功能，在工業物聯網中得到了廣泛應用。例如，UWB測距可用于查找貨物和資產或定位工人，而UWB雷達則可以提高功能安全和信息安全，同時提升生產力。

在日常運營中，UWB雷達可以管理員工和訪客的訪問控制，防止碰撞，并優化流程，從而提高多項任務的執行效率，如資產和工具的使用、庫存管理、貨物流動跟蹤、質量保證監測或服務線分析 (SLA) 數據處理等。在緊急情況下，UWB雷達還可以幫助進行突發事件管理，提高疏散效率、監測生命體征等。

UWB安全測距需要兩個UWB設備進行通信來檢測位置或存在，而UWB雷達只需一個芯片IC即可實現無源檢測。以Trimension SR250為例，該器件利用低功耗雷達來檢測存在、位置，甚至是呼吸或手勢等運動；如果與運行AI/ML算法的主處理器 (如恩智浦的i.MX系列應用處理器、RW61x系列無線MCU，或MCX系列工業和物聯網MCU) 配套工作，它還可以檢測和跟蹤一個或多個人員或物體。

舉例來說，位于已知位置的UWB錨點能夠在給定區域內進行測距，對該區域的工作人員進行身份驗證，確保只有授權人員在場，還可以檢測員工卡方向，以確定人員的行走方向， 確保他們遠離危險區域。同樣，配備UWB器件的機器人可以連續感知人員的存在或移動的物體。當在指定區域內檢測到目標時，硬件信號能夠立即觸發相應的動作，例如讓機器人停下，以避免碰撞和其他危險情況。UWB雷達可以跟蹤檢測到的目標，無論光照條件如何，都能夠通過UWB測距排除目標的員工卡信號，然后監測目標的運動軌跡，從而實現對組內特定物品、機器人或人員的可視化跟蹤。

為了節省電力，部分UWB雷達解決方案 (包括Trimension SR250) 集成了片上雷達處理器。這使得IC能夠自主執行雷達處理功能，可以使用更價格更低的主處理器，從而降低系統的整體成本，同時最大限度地減少系統的能耗。例如，主處理器處于深度睡眠模式，而Trimension SR250則可以利用片上存在檢測功能來感知移動的人員或物體。這種片上處理在工業物聯網中起著關鍵作用。它能夠在用戶進入或離開指定區域時，自動觸發系統響應，例如啟動或關閉暖通空調設備，或控制自主機器人。

智能家居應用

當您進入房間時，智能家居系統會將照明網絡、智能音箱或智能電視從待機狀態喚醒，即使您長時間靜坐不動，該系統也能通過檢測您的呼吸來保持設備開啟。當您在家中走動時，無需隨身攜帶有源UWB設備 (如智能手機)，因為家中的各種設備可以通過UWB雷達感知到您的存在。此外，UWB設備可以與其他UWB設備 (如智能音箱) 同步測距，實現娛樂體驗自動化。智能音箱還可以跟蹤您在房間內的移動，將音頻波束引導到您的新位置，為您提供更愉悅的音頻體驗。

基于存在的觸發器可以幫助智能家居節省能源，通過更精確和自動化的控制來調節供暖、空調、風扇和燈光。如在工業部分所述，即使人機界面簡單的設備也可以根據位置和存在信息做出響應，實現更直觀的操作。

無源位置檢測可以確定物體的位置，并結合精確的運動檢測功能來激活安防系統，僅在必要時觸發安全攝像頭、監控燈和警報器，從而提高可靠性并減少誤報。UWB測距和雷達的結合也改進了嬰兒監測器，使其能夠更精確地跟蹤運動，甚至監測生命體征，無需強迫嬰兒佩戴腕帶或類似設備。

汽車應用

UWB測距和雷達的融合在汽車領域也具有重要意義，能夠顯著提高安全性和便利性。UWB測距技術已經在汽車設計中應用了一段時間，特別是在數字鑰匙解決方案中，通過駕駛員的智能手機或智能手表的UWB測距功能便可控制汽車門禁。

現階段，Trimension NCJ29D6等UWB解決方案不僅能夠執行測距，還能實現雷達功能，從而擴展了車輛的UWB應用范圍。例如，UWB雷達可以集成到安全帶警報系統中，通過比較安全帶狀態和座椅上是否有人，如果檢測到乘客已就座但未系安全帶，則發出警報。

此外，UWB雷達能夠檢測踢動-開啟運動，可以取代傳統的踢動傳感器，用于后備箱或艙口的開啟。如果結合使用UWB雷達與人工智能 (AI) 算法，汽車還可以學習個性化手勢，這樣駕駛員在車外揮揮手就能打開或關閉車窗。

UWB雷達在汽車中的一個重要安全用途是檢查停放車內是否有乘客。后排乘客提醒 (ROA)系統，也稱為“兒童遺留檢測 (CPD)” 系統，通過雷達來確保弱勢乘客 (特別是兒童) 不會被遺留在車內，因為即使在溫和或多云的天氣，車內溫度也會迅速升高到危險水平，可能導致車內人員中暑、脫水，甚至危及生命。ROA/CPD系統通過UWB雷達檢測停放車內的生命跡象，并向汽車儀表板發送消息提醒駕駛員。如果駕駛員在未注意到ROA/CPD通知的情況下關閉車門，汽車會發出警報聲。UWB雷達是ROA/CPD系統的理想解決方案，因為它能夠檢測到非常微小的身體運動，包括嬰兒呼吸時胸腔的起伏。

自2022年以來，作為廣受信賴的新車安全信息來源，歐洲新車安全評鑒協會 (NCAP) 對配備ROA/CPD系統的汽車進行加分，這有助于加快ROA/CPD系統的普及。汽車制造商在設計時通常會考慮Euro-NCAP的要求，因此ROA/CPD系統的普及率日益增加，越來越多的此類系統使用UWB雷達構建。

另一個促使汽車制造商使用UWB部署ROA/CPD系統的原因是，汽車現有的UWB測距解決方案可以擴展，能夠提供ROA/CDP系統使用的UWB雷達功能。這使得一個解決方案能夠實現多種功能。

本文小結

在工業和消費電子領域的帶動下，UWB在汽車、智能家居和工業物聯網應用中逐漸普及。由于許多智能設備現在將UWB作為標準功能，在單個芯片上集成UWB測距和雷達功能將大大促進各種應用的開發。這種集成不僅可以提升汽車、家居和工廠的功能安全、信息安全和生產力，同時還能夠便捷地將這些功能集成到未來的設計中。