近年來，超寬帶 (UWB) 無線技術(shù)因其能夠提供高度準(zhǔn)確和精確的定位和測(cè)距而備受關(guān)注。衛(wèi)星定位、Wi-Fi和藍(lán)牙等其他無線協(xié)議的精度只能達(dá)到約一米，而UWB則能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)甚至毫米級(jí)測(cè)量精度。

UWB不僅能夠提供精準(zhǔn)的定位和測(cè)距，還具有高安全性，因此在消費(fèi)電子、汽車和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。從智能手機(jī)、平板電腦和智能手表到鑰匙扣及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備，支持UWB的系統(tǒng)在資產(chǎn)跟蹤、安全門禁、實(shí)時(shí)室內(nèi)導(dǎo)航等方面功能顯著增強(qiáng)。

事實(shí)證明，UWB在精準(zhǔn)測(cè)距方面的優(yōu)勢(shì)同樣適用于物體和運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)檢測(cè)。因此，UWB技術(shù)正廣泛應(yīng)用于許多使用脈沖多普勒雷達(dá)的汽車和工業(yè)場(chǎng)景，包括存在檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等。

本文摘編自恩智浦最新技術(shù)白皮書，該白皮書介紹UWB與其他無線協(xié)議的區(qū)別，闡述其獨(dú)特特性在雷達(dá)中的應(yīng)用，并重點(diǎn)說明開發(fā)人員如何利用基于UWB的雷達(dá)技術(shù)提升工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和汽車領(lǐng)域的功能安全、信息安全和生產(chǎn)力。

UWB獨(dú)有的脈沖信號(hào)

UWB是一種脈沖無線技術(shù)，與其他常用的無線協(xié)議有顯著不同。衛(wèi)星、Wi-Fi和藍(lán)牙在窄頻率上使用調(diào)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(hào)。UWB脈沖的形狀比較陡峭和狹窄，易于識(shí)別，并有助于避免與信號(hào)反射相關(guān)的多徑效應(yīng)。

此外，UWB在遠(yuǎn)離2.4GHz繁忙ISM頻段的頻譜上運(yùn)行，因此能夠與當(dāng)前最流行的無線技術(shù) (包括衛(wèi)星導(dǎo)航、Wi-Fi、藍(lán)牙甚至NFC) 共存。

UWB信號(hào)獨(dú)具特性，易于識(shí)別，抗噪聲和反射，并且使用不同的頻譜。這些特點(diǎn)使UWB成為一種強(qiáng)大、穩(wěn)定的通信技術(shù)。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(cè)距應(yīng)用。采用UWB技術(shù)可以更準(zhǔn)確地標(biāo)記信號(hào)時(shí)序，使用常用的定位方法，如飛行時(shí)間 (ToF) 和到達(dá)角 (AoA) 計(jì)算，能夠產(chǎn)生更精確的結(jié)果。

研究科學(xué)家和工程師發(fā)現(xiàn)，UWB生成的定位脈沖同樣可用于存在和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，因此在脈沖多普勒雷達(dá)應(yīng)用中得到了廣泛采用。下面是該過程的詳細(xì)介紹。

UWB飛行時(shí)間計(jì)算

脈沖多普勒雷達(dá)工作原理

多普勒效應(yīng)是指當(dāng)物體靠近時(shí)，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(dāng)我們聽到移動(dòng)的救護(hù)車或消防車的警笛聲時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的音調(diào)在接近時(shí)變高，而在經(jīng)過時(shí)突然降低。脈沖多普勒雷達(dá)利用這一原理，先發(fā)送探測(cè)信號(hào)脈沖，然后分析物體運(yùn)動(dòng)對(duì)返回信號(hào)頻率的影響。

在UWB應(yīng)用中，通過UWB IC檢查發(fā)送的脈沖如何反射回接收器，從而實(shí)現(xiàn)脈沖多普勒雷達(dá)功能。該功能能夠檢測(cè)物體并測(cè)量其運(yùn)動(dòng)，即使是微小的運(yùn)動(dòng)。通過信道脈沖響應(yīng) (CIR) 計(jì)算來分析反射信號(hào)。脈沖的傳播時(shí)間 (即往返飛行時(shí)間) 用于指示目標(biāo)物體的絕對(duì)位置。通過多次連續(xù)測(cè)量，可以檢測(cè)到目標(biāo)的大幅度運(yùn)動(dòng) (及其徑向速度)。通過觀察多次測(cè)量之間反射載波信號(hào)的相位變化 (多普勒效應(yīng))，可以檢測(cè)到小于空間分辨率 (亞毫米級(jí)) 的運(yùn)動(dòng)。

UWB脈沖多普勒雷達(dá)的工作原理

更好的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法

UWB信號(hào)適用于高精度雷達(dá)，其脈沖采用相對(duì)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(cè)物體的存在，信號(hào)不易受到外部振動(dòng)和噪聲的干擾。結(jié)合復(fù)雜的信號(hào)處理功能，UWB雷達(dá)在檢測(cè)對(duì)象、識(shí)別運(yùn)動(dòng)模式、跟蹤運(yùn)動(dòng)變化和消除噪聲方面表現(xiàn)出色。

從設(shè)計(jì)角度來看，由于雷達(dá)和測(cè)距使用相同的脈沖，UWB雷達(dá)可以與UWB測(cè)距解決方案無縫融合。這意味著，UWB雷達(dá)在測(cè)距的基礎(chǔ)上無需額外占用空間，從而實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)和低成本實(shí)施。在現(xiàn)有測(cè)距功能上添加雷達(dá)時(shí)，不會(huì)增加天線、信道或無線前端開銷，UWB技術(shù)可以與DSP和微控制器功能緊密集成。

搜救隊(duì)已經(jīng)使用UWB雷達(dá)來搜尋房屋內(nèi)或廢墟中的被困人員，醫(yī)務(wù)人員則利用它來監(jiān)測(cè)患者的生命體征，如心率和呼吸頻率，無需接觸患者。事實(shí)上，UWB雷達(dá)非常精確，甚至可以檢測(cè)到極其微小的運(yùn)動(dòng)，例如嬰兒睡覺時(shí)胸部隨呼吸的起伏。

在UWB應(yīng)用中，通過UWB IC檢查發(fā)送的脈沖如何反射回接收器，實(shí)現(xiàn)脈沖多普勒雷達(dá)功能。該功能能夠檢測(cè)物體并測(cè)量其運(yùn)動(dòng)，即使是微小的運(yùn)動(dòng)。通過信道脈沖響應(yīng) (CIR) 計(jì)算來分析反射信號(hào)。脈沖的傳播時(shí)間 (即往返飛行時(shí)間) 用于指示目標(biāo)物體的絕對(duì)位置。通過多次連續(xù)測(cè)量，可以檢測(cè)到目標(biāo)的大幅度運(yùn)動(dòng) (及其徑向速度)。通過觀察多次測(cè)量之間反射載波信號(hào)的相位變化 (多普勒效應(yīng))，可以檢測(cè)到小于空 間分辨率 (亞毫米級(jí)) 的運(yùn)動(dòng)。

UWB雷達(dá)的多普勒處理流程

融合：測(cè)距與雷達(dá)

新一代UWB IC (如恩智浦Trimension系列產(chǎn)品) 集成了UWB測(cè)距和UWB雷達(dá)功能，能夠以高性價(jià)比的方式創(chuàng)建系統(tǒng)。這些系統(tǒng)具備超高的運(yùn)動(dòng)靈敏度、精確的手勢(shì)識(shí)別和定位能力。

結(jié)合低功耗UWB雷達(dá)、安全測(cè)距和AoA計(jì)算等技術(shù)，可以利用UWB導(dǎo)航、安全定位、物體檢測(cè)甚至挽救生命的人員檢測(cè)實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用。這些應(yīng)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(tǒng)、基于存在的智能暖通空調(diào)或照明觸發(fā)等節(jié)能方案，以及基于存在和位置的訪問控制或危險(xiǎn)區(qū)域檢測(cè)等工業(yè)環(huán)境安全系統(tǒng)。在UWB雷達(dá)的加持下，即使人機(jī)界面簡(jiǎn)單的設(shè)備也可以根據(jù)位置和存在信息做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更直觀的操作。

無源位置檢測(cè)可以確定物體的位置，并結(jié)合精確的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)來激活安防系統(tǒng)，僅在必要時(shí)觸發(fā)安全攝像頭、監(jiān)控?zé)艉途瘓?bào)器，從而提高可靠性并減少誤報(bào)。UWB測(cè)距和雷達(dá)的結(jié)合也改進(jìn)了嬰兒監(jiān)測(cè)器，使其能夠更精確地跟蹤運(yùn)動(dòng)，甚至監(jiān)測(cè)生命體征，而無需強(qiáng)迫嬰兒佩戴腕帶或類似設(shè)備。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

Trimension SR250等UWB解決方案組合了測(cè)距和雷達(dá)功能，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，UWB測(cè)距可用于查找貨物和資產(chǎn)或定位工人，而UWB雷達(dá)則可以提高功能安全和信息安全，同時(shí)提升生產(chǎn)力。

在日常運(yùn)營(yíng)中，UWB雷達(dá)可以管理員工和訪客的訪問控制，防止碰撞，并優(yōu)化流程，從而提高多項(xiàng)任務(wù)的執(zhí)行效率，如資產(chǎn)和工具的使用、庫(kù)存管理、貨物流動(dòng)跟蹤、質(zhì)量保證監(jiān)測(cè)或服務(wù)線分析 (SLA) 數(shù)據(jù)處理等。在緊急情況下，UWB雷達(dá)還可以幫助進(jìn)行突發(fā)事件管理，提高疏散效率、監(jiān)測(cè)生命體征等。

UWB安全測(cè)距需要兩個(gè)UWB設(shè)備進(jìn)行通信來檢測(cè)位置或存在，而UWB雷達(dá)只需一個(gè)芯片IC即可實(shí)現(xiàn)無源檢測(cè)。以Trimension SR250為例，該器件利用低功耗雷達(dá)來檢測(cè)存在、位置，甚至是呼吸或手勢(shì)等運(yùn)動(dòng)；如果與運(yùn)行AI/ML算法的主處理器 (如恩智浦的i.MX系列應(yīng)用處理器、RW61x系列無線MCU，或MCX系列工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)MCU) 配套工作，它還可以檢測(cè)和跟蹤一個(gè)或多個(gè)人員或物體。

舉例來說，位于已知位置的UWB錨點(diǎn)能夠在給定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)距，對(duì)該區(qū)域的工作人員進(jìn)行身份驗(yàn)證，確保只有授權(quán)人員在場(chǎng)，還可以檢測(cè)員工卡方向，以確定人員的行走方向， 確保他們遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域。同樣，配備UWB器件的機(jī)器人可以連續(xù)感知人員的存在或移動(dòng)的物體。當(dāng)在指定區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)，硬件信號(hào)能夠立即觸發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作，例如讓機(jī)器人停下，以避免碰撞和其他危險(xiǎn)情況。UWB雷達(dá)可以跟蹤檢測(cè)到的目標(biāo)，無論光照條件如何，都能夠通過UWB測(cè)距排除目標(biāo)的員工卡信號(hào)，然后監(jiān)測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)組內(nèi)特定物品、機(jī)器人或人員的可視化跟蹤。

為了節(jié)省電力，部分UWB雷達(dá)解決方案 (包括Trimension SR250) 集成了片上雷達(dá)處理器。這使得IC能夠自主執(zhí)行雷達(dá)處理功能，可以使用更價(jià)格更低的主處理器，從而降低系統(tǒng)的整體成本，同時(shí)最大限度地減少系統(tǒng)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(cè)功能來感知移動(dòng)的人員或物體。這種片上處理在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中起著關(guān)鍵作用。它能夠在用戶進(jìn)入或離開指定區(qū)域時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)響應(yīng)，例如啟動(dòng)或關(guān)閉暖通空調(diào)設(shè)備，或控制自主機(jī)器人。

智能家居應(yīng)用

當(dāng)您進(jìn)入房間時(shí)，智能家居系統(tǒng)會(huì)將照明網(wǎng)絡(luò)、智能音箱或智能電視從待機(jī)狀態(tài)喚醒，即使您長(zhǎng)時(shí)間靜坐不動(dòng)，該系統(tǒng)也能通過檢測(cè)您的呼吸來保持設(shè)備開啟。當(dāng)您在家中走動(dòng)時(shí)，無需隨身攜帶有源UWB設(shè)備 (如智能手機(jī))，因?yàn)榧抑械母鞣N設(shè)備可以通過UWB雷達(dá)感知到您的存在。此外，UWB設(shè)備可以與其他UWB設(shè)備 (如智能音箱) 同步測(cè)距，實(shí)現(xiàn)娛樂體驗(yàn)自動(dòng)化。智能音箱還可以跟蹤您在房間內(nèi)的移動(dòng)，將音頻波束引導(dǎo)到您的新位置，為您提供更愉悅的音頻體驗(yàn)。

基于存在的觸發(fā)器可以幫助智能家居節(jié)省能源，通過更精確和自動(dòng)化的控制來調(diào)節(jié)供暖、空調(diào)、風(fēng)扇和燈光。如在工業(yè)部分所述，即使人機(jī)界面簡(jiǎn)單的設(shè)備也可以根據(jù)位置和存在信息做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更直觀的操作。

無源位置檢測(cè)可以確定物體的位置，并結(jié)合精確的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能來激活安防系統(tǒng)，僅在必要時(shí)觸發(fā)安全攝像頭、監(jiān)控?zé)艉途瘓?bào)器，從而提高可靠性并減少誤報(bào)。UWB測(cè)距和雷達(dá)的結(jié)合也改進(jìn)了嬰兒監(jiān)測(cè)器，使其能夠更精確地跟蹤運(yùn)動(dòng)，甚至監(jiān)測(cè)生命體征，無需強(qiáng)迫嬰兒佩戴腕帶或類似設(shè)備。

汽車應(yīng)用

UWB測(cè)距和雷達(dá)的融合在汽車領(lǐng)域也具有重要意義，能夠顯著提高安全性和便利性。UWB測(cè)距技術(shù)已經(jīng)在汽車設(shè)計(jì)中應(yīng)用了一段時(shí)間，特別是在數(shù)字鑰匙解決方案中，通過駕駛員的智能手機(jī)或智能手表的UWB測(cè)距功能便可控制汽車門禁。

現(xiàn)階段，Trimension NCJ29D6等UWB解決方案不僅能夠執(zhí)行測(cè)距，還能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)功能，從而擴(kuò)展了車輛的UWB應(yīng)用范圍。例如，UWB雷達(dá)可以集成到安全帶警報(bào)系統(tǒng)中，通過比較安全帶狀態(tài)和座椅上是否有人，如果檢測(cè)到乘客已就座但未系安全帶，則發(fā)出警報(bào)。

此外，UWB雷達(dá)能夠檢測(cè)踢動(dòng)-開啟運(yùn)動(dòng)，可以取代傳統(tǒng)的踢動(dòng)傳感器，用于后備箱或艙口的開啟。如果結(jié)合使用UWB雷達(dá)與人工智能 (AI) 算法，汽車還可以學(xué)習(xí)個(gè)性化手勢(shì)，這樣駕駛員在車外揮揮手就能打開或關(guān)閉車窗。

UWB雷達(dá)在汽車中的一個(gè)重要安全用途是檢查停放車內(nèi)是否有乘客。后排乘客提醒 (ROA)系統(tǒng)，也稱為“兒童遺留檢測(cè) (CPD)” 系統(tǒng)，通過雷達(dá)來確保弱勢(shì)乘客 (特別是兒童) 不會(huì)被遺留在車內(nèi)，因?yàn)榧词乖跍睾突蚨嘣频奶鞖猓噧?nèi)溫度也會(huì)迅速升高到危險(xiǎn)水平，可能導(dǎo)致車內(nèi)人員中暑、脫水，甚至危及生命。ROA/CPD系統(tǒng)通過UWB雷達(dá)檢測(cè)停放車內(nèi)的生命跡象，并向汽車儀表板發(fā)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(guān)閉車門，汽車會(huì)發(fā)出警報(bào)聲。UWB雷達(dá)是ROA/CPD系統(tǒng)的理想解決方案，因?yàn)樗軌驒z測(cè)到非常微小的身體運(yùn)動(dòng)，包括嬰兒呼吸時(shí)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(píng)鑒協(xié)會(huì) (NCAP) 對(duì)配備ROA/CPD系統(tǒng)的汽車進(jìn)行加分，這有助于加快ROA/CPD系統(tǒng)的普及。汽車制造商在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)考慮Euro-NCAP的要求，因此ROA/CPD系統(tǒng)的普及率日益增加，越來越多的此類系統(tǒng)使用UWB雷達(dá)構(gòu)建。

另一個(gè)促使汽車制造商使用UWB部署ROA/CPD系統(tǒng)的原因是，汽車現(xiàn)有的UWB測(cè)距解決方案可以擴(kuò)展，能夠提供ROA/CDP系統(tǒng)使用的UWB雷達(dá)功能。這使得一個(gè)解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能。

本文小結(jié)

在工業(yè)和消費(fèi)電子領(lǐng)域的帶動(dòng)下，UWB在汽車、智能家居和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中逐漸普及。由于許多智能設(shè)備現(xiàn)在將UWB作為標(biāo)準(zhǔn)功能，在單個(gè)芯片上集成UWB測(cè)距和雷達(dá)功能將大大促進(jìn)各種應(yīng)用的開發(fā)。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(chǎn)力，同時(shí)還能夠便捷地將這些功能集成到未來的設(shè)計(jì)中。