摘要：UWB雷达是对当前超宽带 (UWB) 测距技术的增强。为了了解UWB雷达的技术层面和潜在应用，我们先从它所基于的平台开始。UWB是一种通信协议，它使用宽频带的无线电波，在3.1至10.6 GHz频谱范围内使用多个通道。UWB最常见的频率范围通常在6至8 GHz

UWB雷达是对当前超宽带 (UWB) 测距技术的增强。为了了解UWB雷达的技术层面和潜在应用，我们先从它所基于的平台开始。UWB是一种通信协议，它使用宽频带的无线电波，在3.1至10.6 GHz频谱范围内使用多个通道。UWB最常见的频率范围通常在6至8 GHz之间。

虽然我们最近才看到它在汽车和其他行业的应用，但 UWB 已经存在很长时间了，最初可以在 19 世纪 80 年代使用，当时第一批无线电信号设备依靠火花隙发射器来产生无线电波。

由于某些限制，UWB 在其后的几年里主要用于政府和军事应用。然而，在 2002 年，该调制技术在 GHz 范围内的某些频率上向公众开放，并从此扩展到多个行业的各种应用。

超宽带技术在汽车领域带来诸多优势，尤其是与窄带技术相比，UWB 更不易受干扰。UWB 真正具有变革性的意义在于它能够精准测量距离，从而实现实时定位。当两个设备直接连接并使用 UWB 进行通信时，我们可以测量无线电波脉冲在它们之间传播所需的时间，这通常被称为飞行时间 (ToF)。

图1：对于汽车应用，UWB雷达可通过单个设备提供更高的实时定位精度。来源： 恩智浦

UWB雷达是对当前超宽带 (UWB) 测距技术的增强。为了了解UWB雷达的技术层面和潜在应用，我们先从它所基于的平台开始。UWB是一种通信协议，它使用宽频带的无线电波，在3.1至10.6 GHz频谱范围内使用多个通道。UWB最常见的频率范围通常在6至8 GHz之间。

虽然我们最近才看到它在汽车和其他行业的应用，但 UWB 已经存在很长时间了，最初可以在 19 世纪 80 年代使用，当时第一批无线电信号设备依靠火花隙发射器来产生无线电波。

由于某些限制，UWB 在其后的几年里主要用于政府和军事应用。然而，在 2002 年，该调制技术在 GHz 范围内的某些频率上向公众开放，并从此扩展到多个行业的各种应用。

超宽带技术在汽车领域带来诸多优势，尤其是与窄带技术相比，UWB 更不易受干扰。UWB 真正具有变革性的意义在于它能够精准测量距离，从而实现实时定位。当两个设备直接连接并使用 UWB 进行通信时，我们可以测量无线电波脉冲在它们之间传播所需的时间，这通常被称为飞行时间 (ToF)。

这使得UWB能够实时实现超高精度的距离测量。这种精度，加上IEEE 802.15.4z标准中内置的安全特性，使得UWB在安全性至关重要的领域（例如无钥匙进入解决方案）尤为有用。

深入细节

典型的 UWB 应用需要两个传感器进行通信和操作，而 UWB 雷达只需一个设备即可。它采用类似于 UWB 测距概念的脉冲无线电技术，即发送一系列短 UWB 脉冲，但 UWB 雷达传感器无需第二个设备主动返回信号，而是测量初始脉冲序列被物体反射所需的时间。该雷达技术受益于 UWB 的底层精度，能够提供极其精确的读数，并能够检测以毫米为单位的运动。

单个UWB雷达传感器要接收并解读反射信号，首先必须由UWB天线拾取，然后由低噪声放大器 (LNA) 放大。为了处理频率，信号被馈入由本地振荡器供电的I/Q混频器。产生的基带信号可以使用模数转换器 (ADC) 进行数字化，然后馈入符号累加器，并将结果与已知的前导序列进行相关。

这会产生所谓的信道脉冲响应 (CIR)，它表示信道随时间的变化。这可以用来预测信号在传播过程中的失真情况。CIR 随时间变化的测量序列是 UWB 雷达设备的原始数据。

此外，可以利用多普勒效应的原理，测量反射物体移动时波频率的变化；它可用于计算速度以生成距离多普勒图。

这一过程使得使用 UWB 作为一种高效雷达设备成为可能，它不仅可以检测物体是否存在，还可以检测物体相对于传感器本身的移动方式，从而开辟了其他无线标准的全新应用世界。

汽车行业如何解锁新应用

UWB雷达潜力巨大，其特殊属性带来诸多优势。它的工作频率相对较低，通常在6至8 GHz之间，这些较低的波长使其能够高效地穿透衣物、塑料甚至汽车座椅等固体材料。

更重要的是，超宽带雷达的精准定位能力，加上其速度探测能力、低延迟和清晰信号，使其性能非常强大。这为一系列潜在应用提供了可能，包括存在和手势检测、入侵警报以及与更广泛的系统集成，以实现反应式自动化。

汽车行业是有望从超宽带测距和雷达技术中获益良多的行业之一。此前，汽车制造商在无钥匙进入等应用方面一直面临着安全标准较弱的困境，消费者因此面临车辆被盗和保险费上涨的风险。

如今的钥匙扣技术经常受到中继站攻击，车辆访问信号会被拦截并复制，以模拟有效的门禁信号。而超宽带传感器能够保护距离估算的完整性，从而防止信号被模仿。

UWB 技术已广泛应用于众多智能手机，这为原始设备制造商 (OEM) 提升连接性提供了另一种可能性，将手机转变为安全可靠的先进钥匙扣。这使得驾驶员即使将手机放在口袋或包中，也能打开甚至启动汽车。同样的安全功能也适用于支持 UWB 的钥匙扣。

UWB雷达在手势控制等应用方面更进了一步，帮助驾驶员无需动手即可打开汽车后备箱或引擎盖。当然，这类功能已经可以通过在车辆前部或后部安装脚踢传感器来实现，但这需要额外的硬件，也就意味着额外的成本。

UWB 锚点既可以在测距模式下用于智能访问和无钥匙进入等功能，也可以在雷达模式下用于踢腿感应等功能，有助于在不增加成本或重量的情况下增加功能。

然而，UWB雷达更高的保真度和探测生命迹象的能力，或许才是其最迫切的用途所在。婴儿和儿童意外留在车内，中暑甚至死亡的案例屡见不鲜，这促使欧洲新车安全评鉴协会（Euro NCAP）引入了儿童存在检测系统的评分标准，并规定从2025年起，该系统将成为强制性功能。

UWB 雷达系统可以使用与车辆数字钥匙相同的 UWB 锚点精确扫描车内，无需额外的传感器。这有助于原始设备制造商 (OEM) 部署儿童存在检测系统，而无需投资或封装额外的硬件。通过检测儿童胸部的运动，UWB 雷达系统可以利用其穿透能力向驾驶员发出警报，因为脉冲可以轻松穿透毯子、衣物甚至汽车座椅等障碍物。

掌握UWB雷达的艺术

UWB雷达已证明其在检测目标物体（尤其是生命迹象）方面的有效性。目前，UWB在汽车领域的应用重点是短距离应用，通常以米为单位，因此非常适合在车辆的驾驶室或后备箱内使用。

使用超宽带雷达解读数据时，存在一些有趣的挑战。在汽车应用中，软件和算法需要从提供的信号中检测所需信息，例如区分儿童、成人，甚至是动物。

使用UWB雷达作为儿童存在检测解决方案也比其他UWB应用耗能更多，因为雷达的无线电开启时间更长。然而，它仍然比其他技术更节能，而且在汽车领域也未必会造成问题。

目前正在进行研究，以优化 USB 芯片的开启时间，并在 IC 级别启用不同的电源模式，从而开发更智能、更高效的核心应用，尤其是在如何利用能源预算方面。这些更新可以通过远程无线 (OTA) 进行。

使用 UWB 雷达时，干扰是另一个需要考虑的因素。如果车辆中的多个应用设计使用 UWB，则必须协调它们以避免干扰。目标是所有 UWB 应用都能和谐共存，避免干扰。

汽车外的UWB雷达

通过儿童存在检测，UWB 雷达将在汽车领域挽救生命，但它的潜力远不止于此，尤其是因为它能够计算速度并精确检测微小的运动。这些能力使 UWB 雷达非常适合医疗保健行业。

目前已有文献探讨了超宽带雷达在社交和医疗保健领域的应用潜力。它可以识别存在、运动、姿势和生命体征，包括呼吸频率和心跳检测。

这些特性也使超宽带雷达在搜救领域极具吸引力。它能够穿透不同材质探测到最微弱的生命迹象，在地震后发挥巨大作用，因为在寻找被埋在废墟中的遇难者时，时间至关重要。

UWB雷达的精确运动检测能力还能实现高效的手势识别功能，为汽车行业以外的众多应用提供潜在支持。例如，当与计算机视觉和人工智能技术相结合时，UWB雷达可以提升可访问性和用户体验，并在游戏设备中实现更多以消费者为主导的应用。

UWB雷达最容易实现的应用之一是增强智能家居和物联网 (IoT) 部署。再次强调，存在检测功能可以提供一种经济高效的替代方案，取代视觉或热像仪，同时保持同等的可靠性。

当与供暖、照明和显示屏等电源管理系统相结合时，建筑物可以实现更高的能效。UWB 雷达在提升智能家居智能化方面也拥有令人振奋的潜力。例如，它能够识别房间内人员的位置，从而控制空间音频，从而提供更具沉浸感的音频体验。

这种空间感知技术还可以应用于社会护理领域，例如监测认知障碍老年人的活动。这或许可以消除人们对可穿戴设备的需求，因为这些设备很容易被遗忘或丢失。

展望未来

UWB雷达所具备的广泛应用潜力，正是这项技术如此引人注目的原因。它能够探测到精确的微小运动，同时穿透固体材料，这为其几乎无限的应用打开了大门。

UWB雷达可以为安全带提醒系统提供更有效、更准确的信息，例如，能够检测乘客的座位位置。结合安全带是否已系好的信息，这有助于避免意外触发警报，例如将行李放在座位上时。安全带提醒系统是儿童存在检测的自然延伸，但其中也需要确定乘员的位置。

UWB雷达不仅可以用于车外，还可以用于车内，实现更精确的安全和运动检测。它尤其适用于入侵警报，可以检测到有人砸碎车窗或进入车内。

这种额外的精度有助于避免恶劣天气下误触发警报，仅在检测到生命迹象和运动时才提醒车主可能发生盗窃。它甚至为车辆内部更强大的手势识别技术打开了大门，使驾驶员或乘客无需触摸物理按钮即可执行其他功能。

能够在无需额外传感器的情况下集成这些功能，并利用现有硬件，将为原始设备制造商 (OEM) 乃至最终消费者带来巨大的改变。通过结合 UWB 测距和 UWB 雷达，每个传感器都有可能实现多种用途，从集成更智能的数字钥匙和儿童存在检测，到踢腿感应、安全带提醒和入侵警报。这将节省成本、减轻重量，并减少包装挑战。

这种集成也会影响功能的实现。制造商将能够利用OTA更新来提供额外的功能或提高效率，而无需任何额外的传感器或硬件更改。秉承软件定义汽车 (SDV) 的理念，这也意味着原始设备制造商 (OEM) 无需在生产过程中决定需要实现哪些功能或技术，而UWB雷达则有助于提供最大的灵活性并降低复杂性。

就 UWB 雷达而言，我们正处于一段激动人心的旅程的开端，首批车辆将于 2025 年上路，未来这项技术将带来更多应用。由于能够大幅减少传感器和硬件数量，它是迄今为止最令人兴奋、最具变革性的无线技术之一。随着行业标准、集成和指南的逐步完善，UWB 雷达的采用率将不断提升，应用也将蓬勃发展，从而帮助 UWB 雷达充分发挥其巨大潜力。

Fluke 高性能便携式示波器、电机驱动分析仪

免费试用（申请即将截止）

来源：科技与科学