超宽带雷达的变革力量

超宽带(UWB)雷达是对当前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，它使用宽频带上的无线电波，在3.1至10.6GHz频谱范围内的任意频率上使用多个信道。UWB最常见的频率范围通常在6至8GHz之间。

尽管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，可以追溯到19世纪80年代，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在其间的几年里主要用于政府和军事应用。然而，在2002年，这种调制技术在GHz范围内的某些频率上向公众开放，并已于此后扩展到多个行业的各种应用中。

UWB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(图1)。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)

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在安全至关重要的领域(例如无钥匙进入解决方案)尤为实用。

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雷达传感器要接收和解读反射信号，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。生成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。

这将生成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程度。CIR随时间变化的测量序列是UWB雷达设备的原始数据。

此外，还可以利用多普勒效应的原理，测量反射波在物体移动时频率的变化；该变化可用于计算速度并生成距离多普勒图(图2)。

图2：多普勒效应使UWB技术成为一种高效的雷达工具。(来源：恩智浦)

这一技术使得UWB成为一种高效的雷达设备，它不仅可以探测物体是否存在，还能探测物体相对于传感器本身的移动情况，从而开辟了超越其他无线标准的全新应用领域。

汽车行业如何解锁新应用

UWB雷达潜力巨大，其独特属性带来诸多优势。它的工作频率相对较低，通常在6至8GHz之间，这些较低的波长使其能够高效穿透固体材料，例如衣物、塑料，甚至汽车座椅。

此外，UWB雷达兼具精准的定位精度、速度探测能力、低延迟和清晰的信号，性能非常强大。这为存在和手势检测、入侵警报以及与更广泛的系统集成以实现反应式自动化等一系列潜在应用提供了可能。

汽车行业将从UWB测距和雷达技术中获益良多。此前，原始设备制造商(OEM)在无钥匙进入等应用方面一直面临安全标准较弱的问题，消费者因此面临车辆盗窃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。UWB传感器能够保护距离估算的完整性，防止信号被模仿。

UWB已应用于许多智能手机，这为OEM厂商增强连接性提供了另一种可能性，将手机变成安全的先进钥匙扣。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，这些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门禁和无钥匙进入等功能，也可以在雷达模式下用于脚踢感应等功能，从而有助于在不增加成本或重量的情况下增强功能。

然而，UWB雷达更高的保真度和探测生命迹象的能力可以说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因高温死亡的案例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点，并指示从2025年起将其作为强制性功能(图3)。

图3：UWB雷达无需额外硬件即可实现儿童存在检测。(来源：恩智浦)

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OEM厂商部署儿童存在检测系统，而无需投资或封装额外的硬件。通过检测儿童的胸部运动，UWB雷达系统可以利用其穿透能力向驾驶员发出警报，使脉冲能够轻松穿透毯子、衣物甚至汽车座椅等障碍物。

掌握UWB雷达的技术

UWB雷达已证明其在检测目标物体存在方面的有效性，尤其适用于生命迹象。目前，UWB在汽车领域的重点是短距离应用，通常在米级以内，这使其成为车辆座舱或后备箱内使用的理想选择。

使用UWB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应用更耗电，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，业界正在进行研究，以优化USB芯片的开启时间，并在IC级别启用不同的功耗模式，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。

干扰是使用UWB雷达时需要考虑的另一个方面。如果车辆中的多个应用都设计使用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，互不干扰。

汽车领域之外的UWB雷达

通过儿童存在检测，UWB雷达将在汽车领域挽救生命，但其潜力远不止于此，尤其因为它能够计算速度并精确检测微小运动。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UWB雷达如何在社交和医疗保健领域的潜在应用。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UWB雷达在搜救方面具有吸引力。能够透过不同的材料探测到最微弱的生命体征，在地震后发挥巨大作用，因为在寻找被埋在废墟中的受害者时，时间至关重要。

UWB雷达精确的运动检测还能实现高效的手势识别功能，为汽车领域之外的众多潜在应用提供了可能。例如，当与计算机视觉和人工智能技术相结合时，UWB雷达可以提供更佳的可访问性和用户体验，并在游戏设备中开发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(图4)。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。

图4：UWB雷达可用于智能家居和物联网环境。(来源：恩智浦)

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，通过识别房间内人员的位置，它能够控制空间音频，从而提供更具沉浸感的音频体验。

这种空间感知能力还可以应用于社会护理领域，例如监测患有认知障碍的老年人的活动。这或许可以消除人们对用于监测的可穿戴设备的需求，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。它能够在穿透固体材料的同时检测精确的微运动，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，它能够检测乘客的座位位置。结合安全带是否已系好的信息，这可以帮助避免意外触发警报，例如将包放在座椅上时。安全带提醒器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雷达还可以用于更精确的安全和运动检测，不仅在车外，也在车内。它作为入侵警报尤其有效，可以检测到有人砸碎车窗或进入车内的情况。

这种额外的精确度有助于避免在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。

能够在不使用额外传感器的情况下集成这些功能，同时使用现有硬件，将对OEM厂商以及最终的终端消费者产生巨大的影响。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、减轻重量并减少封装挑战。

这种集成还会影响功能的实现。制造商将能够利用OTA更新来提供更多功能或提高效率，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OEM厂商无需在生产过程中决定需要实现哪些功能或技术，而UWB雷达有助于提供最大的灵活性并降低复杂性。

我们正处于UWB雷达这一激动人心的旅程开端，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，它是迄今为止我们所见过的最令人兴奋和最具变革性的无线技术之一，并且随着行业标准、集成和指南的实施，采用率将会增加，应用也会激增，从而帮助UWB雷达发挥其巨大的潜力。

（原文刊登于EE Times姊妹网站EDN，参考链接：The transformative force of ultra-wideband (UWB) radar，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。