超寬帶（UWB）雷達(dá)利用單個(gè)設(shè)備的信號(hào)反射，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距與環(huán)境感知。其成本效益高且節(jié)能，能在多種環(huán)境中工作，提升了安全、醫(yī)療、智能家居及車(chē)輛安全等領(lǐng)域的應(yīng)用，為用戶(hù)帶來(lái)更加便捷與可靠的體驗(yàn)。請(qǐng)閱讀本文，了解更多信息。

1   什么是超寬帶（UWB）雷達(dá)？

超寬帶（UWB）技術(shù)被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)位置、距離和方向精確、安全、實(shí)時(shí)測(cè)量的最佳測(cè)距技術(shù)。除此之外，UWB還能作為雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知。與測(cè)距功能相似，UWB雷達(dá)利用UWB極寬的500MHz帶寬和極短的2納秒脈沖，對(duì)物體和人員實(shí)現(xiàn)高精度探測(cè)。但與測(cè)距不同的是，UWB雷達(dá)無(wú)需兩臺(tái)設(shè)備通信，僅需單個(gè)設(shè)備即可捕獲信號(hào)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(jié)合全向天線(xiàn)，可以達(dá)成360°視場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)全面區(qū)域監(jiān)控，且覆蓋盲區(qū)極小。此外，UWB測(cè)距和雷達(dá)功能可以結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)多種功能，例如存在感測(cè)并隨后進(jìn)行安全認(rèn)證。

圖1 超寬帶測(cè)距與感測(cè)對(duì)比

2   UWB雷達(dá)如何精確感測(cè)

UWB感測(cè)的“魔法”在于雷達(dá)在傳輸脈沖的同時(shí)接收來(lái)自物體和人員的多徑信號(hào)反射。這些估算的信道脈沖響應(yīng)（CIR）隨后由先進(jìn)的雷達(dá)算法處理；不僅能檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，還可以估算距離和位置（見(jiàn)圖2）。UWB雷達(dá)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(cè)技術(shù)在此類(lèi)環(huán)境下可能會(huì)遇到困難。

圖2 UWB雷達(dá)發(fā)射并同時(shí)接收多徑信號(hào)反射

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

即便是范圍為幾米以?xún)?nèi)的存在檢測(cè)使用案例中，UWB雷達(dá)的功耗也不超過(guò)10mW，這使其成為用于便攜式設(shè)備的理想低功耗技術(shù)，延長(zhǎng)了電池壽命并減少了頻繁充電的需求。此外，UWB雷達(dá)監(jiān)測(cè)生命體征或識(shí)別手勢(shì)的能力，為用戶(hù)與智能設(shè)備的交互開(kāi)辟了新途徑。通過(guò)檢測(cè)微小動(dòng)作和特定手勢(shì)，它促進(jìn)了直觀(guān)且免觸摸的控制界面。這在醫(yī)療和汽車(chē)應(yīng)用中尤為實(shí)用，因?yàn)榉墙佑|式交互提高了安全性、保密性和便利性?？偟膩?lái)說(shuō)，UWB雷達(dá)的多功能性加上小于10厘米的精細(xì)測(cè)距精度，使其成為一種引人注目的強(qiáng)大解決方案，能夠在廣泛的應(yīng)用中提供精確、可靠和節(jié)能的性能。

3   與其它傳感技術(shù)的對(duì)比

如將UWB 雷達(dá)與被動(dòng)紅外（PIR）傳感器等其他技術(shù)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，幾個(gè)關(guān)鍵差異凸顯了UWB的優(yōu)勢(shì)。PIR傳感器常用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，但僅當(dāng)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(duì)溫度變化、灰塵和強(qiáng)光等環(huán)境因素敏感。相比之下，UWB雷達(dá)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(zhàn)性的環(huán)境條件下保持準(zhǔn)確性和分辨率。這些特性使UWB 成為眾多應(yīng)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(dá)相比，UWB雷達(dá)提供了一系列不同的優(yōu)勢(shì)。雖然毫米波雷達(dá)在特定用例中（如基于安全攝像頭的存在檢測(cè)或智能恒溫器）很有效，但它通常功耗更大，實(shí)施更復(fù)雜，且解決方案成本更高。與之相反，UWB雷達(dá)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(dá)的可行替代方案；尤其適用于短距離雷達(dá)應(yīng)用。

需要記住的一個(gè)要點(diǎn)是，根據(jù)應(yīng)用的不同，每種傳感技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；例如，PIR傳感器在簡(jiǎn)單環(huán)境中的基本運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方面表現(xiàn)出色，而毫米波雷達(dá)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(dāng)應(yīng)對(duì)多種需求，并需要精確性和多功能性的場(chǎng)合，如感測(cè)與精細(xì)測(cè)距的結(jié)合時(shí)，UWB雷達(dá)則表現(xiàn)出色。

表1 UWB雷達(dá)與PIR和毫米波雷達(dá)的比較

4   UWB感測(cè)雷達(dá)重塑不同市場(chǎng)

UWB雷達(dá)技術(shù)重新定義了消費(fèi)、企業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)中的傳感應(yīng)用。通過(guò)將UWB 的高精度雷達(dá)功能與精細(xì)測(cè)距相結(jié)合，該技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了存在檢測(cè)，還實(shí)現(xiàn)了高精度距離測(cè)量，解鎖了一系列創(chuàng)新且無(wú)縫的用戶(hù)體驗(yàn)。圖3展示了UWB雷達(dá)的核心傳感功能；這些功能可以單獨(dú)部署或與精細(xì)測(cè)距相結(jié)合，以增強(qiáng)安全性、自動(dòng)化和交互性。以下部分將探討UWB雷達(dá)如何在這些市場(chǎng)中推動(dòng)變革，提供傳統(tǒng)傳感技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)功能和用戶(hù)體驗(yàn)提升。

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

5   智能空間和生態(tài)系統(tǒng)

通過(guò)實(shí)現(xiàn)高精度存在檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，UWB雷達(dá)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(tǒng)安全系統(tǒng)不同，UWB雷達(dá)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(xù)監(jiān)控，UWB雷達(dá)可以檢測(cè)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(duì)其需求。這種方法降低了未經(jīng)授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)安全攝像頭等的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)確保了全面監(jiān)控。

除了安全之外，UWB雷達(dá)還提高了智能家居環(huán)境的適應(yīng)性。它可以區(qū)分人員和無(wú)生命物體，以減少誤報(bào)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)更靈敏的自動(dòng)化。燈光、氣候控制和其它智能系統(tǒng)可以根據(jù)占用情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，以提高便利性和能源效率。此外，UWB雷達(dá)的手勢(shì)識(shí)別功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廚房水龍頭、垃圾桶甚至娛樂(lè)系統(tǒng)等電器的免觸摸控制，進(jìn)一步提高家庭中的便利性和衛(wèi)生水平。

在企業(yè)環(huán)境中，將UWB雷達(dá)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(xiàn)精確的占用感測(cè)。當(dāng)與人工智能（AI）和成像系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，它有助于企業(yè)通過(guò)跟蹤房間中的人數(shù)來(lái)優(yōu)化工作空間利用率。借助這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，企業(yè)不僅能夠通過(guò)調(diào)節(jié)HVAC系統(tǒng)和照明設(shè)施提高能源利用效率，還能更有效地管理會(huì)議室預(yù)訂，進(jìn)而提高整體運(yùn)營(yíng)效率。通過(guò)集成UWB雷達(dá)，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(dá)無(wú)需物理接觸即可監(jiān)測(cè)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(hù)理。其高精度使其能夠檢測(cè)到與呼吸和心率相關(guān)的細(xì)微動(dòng)作，成為新生兒監(jiān)護(hù)、老年人護(hù)理和遠(yuǎn)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(xù)、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(dá)也能有效工作，提供不間斷的監(jiān)測(cè)，而無(wú)需直接接觸皮膚。這在重癥監(jiān)護(hù)病房中尤為重要，因?yàn)樵谀抢?，盡可能減少對(duì)患者的干擾至關(guān)重要；亦或在家庭醫(yī)療場(chǎng)景中，隱蔽、被動(dòng)的監(jiān)測(cè)可提高生活質(zhì)量。此外，其穿透物理障礙進(jìn)行感測(cè)的卓越能力，使其成為一種強(qiáng)大的監(jiān)測(cè)手段，特別適用于隔離病房?jī)?nèi)的患者，或是在那些傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)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(dá)在門(mén)禁控制方面同樣表現(xiàn)出色，提供穩(wěn)健、安全的身份識(shí)別與認(rèn)證解決方案。在辦公室、倉(cāng)庫(kù)或企業(yè)環(huán)境中，UWB雷達(dá)通過(guò)檢測(cè)個(gè)體的存在與移動(dòng)來(lái)增強(qiáng)門(mén)禁控制系統(tǒng)，并結(jié)合UWB精細(xì)測(cè)距技術(shù)安全地驗(yàn)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(jī)進(jìn)行交互，以確認(rèn)身份并授予安全訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限。在金融、科研及數(shù)據(jù)中心等安全要求嚴(yán)格的行業(yè)中，這一功能尤為必要。

除傳統(tǒng)門(mén)禁控制外，UWB雷達(dá)的手勢(shì)識(shí)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(duì)公用表面的物理接觸。展望未來(lái)，配備UWB雷達(dá)的計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)細(xì)微的姿勢(shì)識(shí)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(yīng)更迅速的健康解決方案，同時(shí)避免過(guò)度監(jiān)控。

8   車(chē)輛安全與信息娛樂(lè)

UWB雷達(dá)通過(guò)實(shí)現(xiàn)高精度、實(shí)時(shí)檢測(cè)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(yīng)用之一是歐洲NCAP所規(guī)定的兒童存在檢測(cè)（CPD）；其檢測(cè)車(chē)輛內(nèi)是否存在遺留的嬰兒，以防止悲劇的發(fā)生。UWB雷達(dá)可通過(guò)監(jiān)測(cè)微弱的呼吸和心率運(yùn)動(dòng)，在生命面臨危險(xiǎn)時(shí)向看護(hù)者或相關(guān)部門(mén)發(fā)送即時(shí)警報(bào)。隨著汽車(chē)變得更加智能和互聯(lián)，UWB雷達(dá)也為下一代智能內(nèi)飾鋪平了道路。未來(lái)的應(yīng)用可能包括基于手勢(shì)的控制，使駕駛員能夠利用簡(jiǎn)單的手勢(shì)動(dòng)作調(diào)整信息娛樂(lè)系統(tǒng)、氣候設(shè)置或?qū)Ш浇缑妗＿@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(yàn)。

9   未來(lái)展望與創(chuàng)新

UWB雷達(dá)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(dú)特的感測(cè)能力，使之成為需要精確和準(zhǔn)確定位應(yīng)用的最佳選擇。

UWB雷達(dá)的未來(lái)潛力無(wú)限，具有低功耗、高性能以及將傳感和測(cè)距功能融于一體的非凡能力。隨著算法的進(jìn)步以及邊緣AI和機(jī)器學(xué)習(xí)集成的持續(xù)發(fā)展，UWB雷達(dá)將進(jìn)化為更加強(qiáng)大的精確和自適應(yīng)感測(cè)工具。無(wú)論是在提升汽車(chē)安全性、構(gòu)建無(wú)接觸醫(yī)療解決方案，還是提高企業(yè)環(huán)境效率方面，UWB雷達(dá)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫交互的潛力不容置疑。

關(guān)于作者

Sri Sridharan

負(fù)責(zé)Qorvo在北美地區(qū)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(lán)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(tǒng)方面擁有深厚的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，包括蜂窩技術(shù)、低功耗藍(lán)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(zhàn)，Sri戰(zhàn)略性地影響著Qorvo的產(chǎn)品路線(xiàn)圖，確保其與市場(chǎng)需求和技術(shù)趨勢(shì)保持一致。

（本文來(lái)源于《EEPW》202505）