UWB雷達是對當前超寬帶 (UWB) 測距技術的增強。為了了解UWB雷達的技術層面和潛在應用，我們先從它所基于的平臺開始。UWB是一種通信協議，它使用寬頻帶的無線電波，在3.1至10.6 GHz頻譜范圍內使用多個通道。UWB最常見的頻率范圍通常在6至8 GHz之間。

雖然我們最近才看到它在汽車和其他行業的應用，但 UWB 已經存在很長時間了，最初可以在 19 世紀 80 年代使用，當時第一批無線電信號設備依靠火花隙發射器來產生無線電波。

由于某些限制，UWB 在其后的幾年里主要用于政府和軍事應用。然而，在 2002 年，該調制技術在 GHz 范圍內的某些頻率上向公眾開放，并從此擴展到多個行業的各種應用。

超寬帶技術在汽車領域帶來諸多優勢，尤其是與窄帶技術相比，UWB 更不易受干擾。UWB 真正具有變革性的意義在于它能夠精準測量距離，從而實現實時定位。當兩個設備直接連接并使用 UWB 進行通信時，我們可以測量無線電波脈沖在它們之間傳播所需的時間，這通常被稱為飛行時間 (ToF)。

圖1：對于汽車應用，UWB雷達可通過單個設備提供更高的實時定位精度。來源： 恩智浦

UWB雷達是對當前超寬帶 (UWB) 測距技術的增強。為了了解UWB雷達的技術層面和潛在應用，我們先從它所基于的平臺開始。UWB是一種通信協議，它使用寬頻帶的無線電波，在3.1至10.6 GHz頻譜范圍內使用多個通道。UWB最常見的頻率范圍通常在6至8 GHz之間。

雖然我們最近才看到它在汽車和其他行業的應用，但 UWB 已經存在很長時間了，最初可以在 19 世紀 80 年代使用，當時第一批無線電信號設備依靠火花隙發射器來產生無線電波。

由于某些限制，UWB 在其后的幾年里主要用于政府和軍事應用。然而，在 2002 年，該調制技術在 GHz 范圍內的某些頻率上向公眾開放，并從此擴展到多個行業的各種應用。

超寬帶技術在汽車領域帶來諸多優勢，尤其是與窄帶技術相比，UWB 更不易受干擾。UWB 真正具有變革性的意義在于它能夠精準測量距離，從而實現實時定位。當兩個設備直接連接并使用 UWB 進行通信時，我們可以測量無線電波脈沖在它們之間傳播所需的時間，這通常被稱為飛行時間 (ToF)。

這使得UWB能夠實時實現超高精度的距離測量。這種精度，加上IEEE 802.15.4z標準中內置的安全特性，使得UWB在安全性至關重要的領域（例如無鑰匙進入解決方案）尤為有用。

深入細節

典型的 UWB 應用需要兩個傳感器進行通信和操作，而 UWB 雷達只需一個設備即可。它采用類似于 UWB 測距概念的脈沖無線電技術，即發送一系列短 UWB 脈沖，但 UWB 雷達傳感器無需第二個設備主動返回信號，而是測量初始脈沖序列被物體反射所需的時間。該雷達技術受益于 UWB 的底層精度，能夠提供極其精確的讀數，并能夠檢測以毫米為單位的運動。

單個UWB雷達傳感器要接收并解讀反射信號，首先必須由UWB天線拾取，然后由低噪聲放大器 (LNA) 放大。為了處理頻率，信號被饋入由本地振蕩器供電的I/Q混頻器。產生的基帶信號可以使用模數轉換器 (ADC) 進行數字化，然后饋入符號累加器，并將結果與已知的前導序列進行相關。

這會產生所謂的信道脈沖響應 (CIR)，它表示信道隨時間的變化。這可以用來預測信號在傳播過程中的失真情況。CIR 隨時間變化的測量序列是 UWB 雷達設備的原始數據。

此外，可以利用多普勒效應的原理，測量反射物體移動時波頻率的變化；它可用于計算速度以生成距離多普勒圖。

這一過程使得使用 UWB 作為一種高效雷達設備成為可能，它不僅可以檢測物體是否存在，還可以檢測物體相對于傳感器本身的移動方式，從而開辟了其他無線標準的全新應用世界。

汽車行業如何解鎖新應用

UWB雷達潛力巨大，其特殊屬性帶來諸多優勢。它的工作頻率相對較低，通常在6至8 GHz之間，這些較低的波長使其能夠高效地穿透衣物、塑料甚至汽車座椅等固體材料。

更重要的是，超寬帶雷達的精準定位能力，加上其速度探測能力、低延遲和清晰信號，使其性能非常強大。這為一系列潛在應用提供了可能，包括存在和手勢檢測、入侵警報以及與更廣泛的系統集成，以實現反應式自動化。

汽車行業是有望從超寬帶測距和雷達技術中獲益良多的行業之一。此前，汽車制造商在無鑰匙進入等應用方面一直面臨著安全標準較弱的困境，消費者因此面臨車輛被盜和保險費上漲的風險。

如今的鑰匙扣技術經常受到中繼站攻擊，車輛訪問信號會被攔截并復制，以模擬有效的門禁信號。而超寬帶傳感器能夠保護距離估算的完整性，從而防止信號被模仿。

UWB 技術已廣泛應用于眾多智能手機，這為原始設備制造商 (OEM) 提升連接性提供了另一種可能性，將手機轉變為安全可靠的先進鑰匙扣。這使得駕駛員即使將手機放在口袋或包中，也能打開甚至啟動汽車。同樣的安全功能也適用于支持 UWB 的鑰匙扣。

UWB雷達在手勢控制等應用方面更進了一步，幫助駕駛員無需動手即可打開汽車后備箱或引擎蓋。當然，這類功能已經可以通過在車輛前部或后部安裝腳踢傳感器來實現，但這需要額外的硬件，也就意味著額外的成本。

UWB 錨點既可以在測距模式下用于智能訪問和無鑰匙進入等功能，也可以在雷達模式下用于踢腿感應等功能，有助于在不增加成本或重量的情況下增加功能。

然而，UWB雷達更高的保真度和探測生命跡象的能力，或許才是其最迫切的用途所在。嬰兒和兒童意外留在車內，中暑甚至死亡的案例屢見不鮮，這促使歐洲新車安全評鑒協會（Euro NCAP）引入了兒童存在檢測系統的評分標準，并規定從2025年起，該系統將成為強制性功能。

UWB 雷達系統可以使用與車輛數字鑰匙相同的 UWB 錨點精確掃描車內，無需額外的傳感器。這有助于原始設備制造商 (OEM) 部署兒童存在檢測系統，而無需投資或封裝額外的硬件。通過檢測兒童胸部的運動，UWB 雷達系統可以利用其穿透能力向駕駛員發出警報，因為脈沖可以輕松穿透毯子、衣物甚至汽車座椅等障礙物。

掌握UWB雷達的藝術

UWB雷達已證明其在檢測目標物體（尤其是生命跡象）方面的有效性。目前，UWB在汽車領域的應用重點是短距離應用，通常以米為單位，因此非常適合在車輛的駕駛室或后備箱內使用。

使用超寬帶雷達解讀數據時，存在一些有趣的挑戰。在汽車應用中，軟件和算法需要從提供的信號中檢測所需信息，例如區分兒童、成人，甚至是動物。

使用UWB雷達作為兒童存在檢測解決方案也比其他UWB應用耗能更多，因為雷達的無線電開啟時間更長。然而，它仍然比其他技術更節能，而且在汽車領域也未必會造成問題。

目前正在進行研究，以優化 USB 芯片的開啟時間，并在 IC 級別啟用不同的電源模式，從而開發更智能、更高效的核心應用，尤其是在如何利用能源預算方面。這些更新可以通過遠程無線 (OTA) 進行。

使用 UWB 雷達時，干擾是另一個需要考慮的因素。如果車輛中的多個應用設計使用 UWB，則必須協調它們以避免干擾。目標是所有 UWB 應用都能和諧共存，避免干擾。

汽車外的UWB雷達

通過兒童存在檢測，UWB 雷達將在汽車領域挽救生命，但它的潛力遠不止于此，尤其是因為它能夠計算速度并精確檢測微小的運動。這些能力使 UWB 雷達非常適合醫療保健行業。

目前已有文獻探討了超寬帶雷達在社交和醫療保健領域的應用潛力。它可以識別存在、運動、姿勢和生命體征，包括呼吸頻率和心跳檢測。

這些特性也使超寬帶雷達在搜救領域極具吸引力。它能夠穿透不同材質探測到最微弱的生命跡象，在地震后發揮巨大作用，因為在尋找被埋在廢墟中的遇難者時，時間至關重要。

UWB雷達的精確運動檢測能力還能實現高效的手勢識別功能，為汽車行業以外的眾多應用提供潛在支持。例如，當與計算機視覺和人工智能技術相結合時，UWB雷達可以提升可訪問性和用戶體驗，并在游戲設備中實現更多以消費者為主導的應用。

UWB雷達最容易實現的應用之一是增強智能家居和物聯網 (IoT) 部署。再次強調，存在檢測功能可以提供一種經濟高效的替代方案，取代視覺或熱像儀，同時保持同等的可靠性。

當與供暖、照明和顯示屏等電源管理系統相結合時，建筑物可以實現更高的能效。UWB 雷達在提升智能家居智能化方面也擁有令人振奮的潛力。例如，它能夠識別房間內人員的位置，從而控制空間音頻，從而提供更具沉浸感的音頻體驗。

這種空間感知技術還可以應用于社會護理領域，例如監測認知障礙老年人的活動。這或許可以消除人們對可穿戴設備的需求，因為這些設備很容易被遺忘或丟失。

展望未來

UWB雷達所具備的廣泛應用潛力，正是這項技術如此引人注目的原因。它能夠探測到精確的微小運動，同時穿透固體材料，這為其幾乎無限的應用打開了大門。

UWB雷達可以為安全帶提醒系統提供更有效、更準確的信息，例如，能夠檢測乘客的座位位置。結合安全帶是否已系好的信息，這有助于避免意外觸發警報，例如將行李放在座位上時。安全帶提醒系統是兒童存在檢測的自然延伸，但其中也需要確定乘員的位置。

UWB雷達不僅可以用于車外，還可以用于車內，實現更精確的安全和運動檢測。它尤其適用于入侵警報，可以檢測到有人砸碎車窗或進入車內。

這種額外的精度有助于避免惡劣天氣下誤觸發警報，僅在檢測到生命跡象和運動時才提醒車主可能發生盜竊。它甚至為車輛內部更強大的手勢識別技術打開了大門，使駕駛員或乘客無需觸摸物理按鈕即可執行其他功能。

能夠在無需額外傳感器的情況下集成這些功能，并利用現有硬件，將為原始設備制造商 (OEM) 乃至最終消費者帶來巨大的改變。通過結合 UWB 測距和 UWB 雷達，每個傳感器都有可能實現多種用途，從集成更智能的數字鑰匙和兒童存在檢測，到踢腿感應、安全帶提醒和入侵警報。這將節省成本、減輕重量，并減少包裝挑戰。

這種集成也會影響功能的實現。制造商將能夠利用OTA更新來提供額外的功能或提高效率，而無需任何額外的傳感器或硬件更改。秉承軟件定義汽車 (SDV) 的理念，這也意味著原始設備制造商 (OEM) 無需在生產過程中決定需要實現哪些功能或技術，而UWB雷達則有助于提供最大的靈活性并降低復雜性。

就 UWB 雷達而言，我們正處于一段激動人心的旅程的開端，首批車輛將于 2025 年上路，未來這項技術將帶來更多應用。由于能夠大幅減少傳感器和硬件數量，它是迄今為止最令人興奮、最具變革性的無線技術之一。隨著行業標準、集成和指南的逐步完善，UWB 雷達的采用率將不斷提升，應用也將蓬勃發展，從而幫助 UWB 雷達充分發揮其巨大潛力。

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