超宽带（UWB）雷达：从测距到高阶感测

超宽带（UWB）雷达利用单个设备的信号反射，实现精确测距与环境感知。其成本效益高且节能，能在多种环境中工作，提升了安全、医疗、智能家居及车辆安全等领域的应用，为用户带来更加便捷与可靠的体验。请阅读本文，了解更多信息。

1   什么是超宽带（UWB）雷达？

超宽带（UWB）技术被广泛认为是实现位置、距离和方向精确、安全、实时测量的最佳测距技术。除此之外，UWB还能作为雷达技术实现环境感知。与测距功能相似，UWB雷达利用UWB极宽的500MHz带宽和极短的2纳秒脉冲，对物体和人员实现高精度探测。但与测距不同的是，UWB雷达无需两台设备通信，仅需单个设备即可捕获信号反射（见图1）。因此，它作为一种低成本、低功耗的解决方案，结合全向天线，可以达成360°视场内的运动检测，实现全面区域监控，且覆盖盲区极小。此外，UWB测距和雷达功能可以结合使用，以实现多种功能，例如存在感测并随后进行安全认证。

图1 超宽带测距与感测对比

2   UWB雷达如何精确感测

UWB感测的“魔法”在于雷达在传输脉冲的同时接收来自物体和人员的多径信号反射。这些估算的信道脉冲响应（CIR）随后由先进的雷达算法处理；不仅能检测运动，还可以估算距离和位置（见图2）。UWB雷达具有很高的抗干扰性，即使在密集多径和多无线电环境中也能提供可靠性能，而其它感测技术在此类环境下可能会遇到困难。

UWB雷达的新颖之处在于，可以配置关键的雷达参数以权衡范围、功耗和覆盖范围。每次雷达扫描收集的样本越多，检测范围就越远——从几厘米到几米不等。此外，如果以更高的速率重复发射雷达帧，虽然会以更高的功耗为代价，但能获得更准确的位置估算。

即便是范围为几米以内的存在检测使用案例中，UWB雷达的功耗也不超过10mW，这使其成为用于便携式设备的理想低功耗技术，延长了电池寿命并减少了频繁充电的需求。此外，UWB雷达监测生命体征或识别手势的能力，为用户与智能设备的交互开辟了新途径。通过检测微小动作和特定手势，它促进了直观且免触摸的控制界面。这在医疗和汽车应用中尤为实用，因为非接触式交互提高了安全性、保密性和便利性。总的来说，UWB雷达的多功能性加上小于10厘米的精细测距精度，使其成为一种引人注目的强大解决方案，能够在广泛的应用中提供精确、可靠和节能的性能。

图2 UWB雷达发射并同时接收多径信号反射

3   与其它传感技术的对比

如将UWB 雷达与被动红外（PIR）传感器等其他技术进行评估时，几个关键差异凸显了UWB的优势。

PIR传感器常用于运动检测，但仅当传感器具有清晰的视线（LOS）时才有效。它们的视野有限，且对温度变化、灰尘和强光等环境因素敏感。相比之下，UWB雷达在视线和非视线（NLOS）条件下都能有效工作，能够穿透墙壁，并在具有挑战性的环境条件下保持准确性和分辨率。这些特性使UWB 成为众多应用场景中极具灵活性和多功能性的解决方案。

与60GHz毫米波（mmWave）雷达相比，UWB雷达提供了一系列不同的优势。虽然毫米波雷达在特定用例中（如基于安全摄像头的存在检测或智能恒温器）很有效，但它通常功耗更大，实施更复杂，且解决方案成本更高。与之相反，UWB雷达功耗更低，实施更简单且成本效益高，因而成为60GHz毫米波雷达的可行替代方案；尤其适用于短距离雷达应用。

需要记住的一个要点是，根据应用的不同，每种传感技术都有其独特的优势；例如，PIR传感器在简单环境中的基本运动检测方面表现出色，而毫米波雷达在要求高精度传感或高分辨率成像的场合中很有价值。当应对多种需求，并需要精确性和多功能性的场合，如感测与精细测距的结合时，UWB雷达则表现出色。

表1 UWB雷达与PIR和毫米波雷达的比较

4   UWB感测雷达重塑不同市场

UWB雷达技术重新定义了消费、企业和汽车市场中的传感应用。通过将UWB 的高精度雷达功能与精细测距相结合，该技术不仅实现了存在检测，还实现了高精度距离测量，解锁了一系列创新且无缝的用户体验。图3展示了UWB雷达的核心传感功能；这些功能可以单独部署或与精细测距相结合，以增强安全性、自动化和交互性。以下部分将探讨UWB雷达如何在这些市场中推动变革，提供传统传感技术无法实现的先进功能和用户体验提升。

图3 UWB雷达功能可应用于消费、企业和汽车等应用领域

5   智能空间和生态系统

通过实现高精度存在检测和运动监测，UWB雷达重新定义了我们与智能空间的交互方式。与依赖常开式摄像头的传统安全系统不同，UWB雷达在优先考虑隐私的同时，提供了一种保持安全性和功能性的替代方案。无需持续监控，UWB雷达可以检测人员的存在和移动，仅在必要时激活家庭摄像头或完全消除对其需求。这种方法降低了未经授权访问安全摄像头等的网络安全风险，同时确保了全面监控。

除了安全之外，UWB雷达还提高了智能家居环境的适应性。它可以区分人员和无生命物体，以减少误报，实现反应更灵敏的自动化。灯光、气候控制和其它智能系统可以根据占用情况动态调整，以提高便利性和能源效率。

此外，UWB雷达的手势识别功能可以实现对厨房水龙头、垃圾桶甚至娱乐系统等电器的免触摸控制，进一步提高家庭中的便利性和卫生水平。

在企业环境中，将UWB雷达嵌入天花板安装的Wi-Fi企业接入点（EAP）或条形摄像头中，可以实现精确的占用感测。当与人工智能（AI）和成像系统相结合时，它有助于企业通过跟踪房间中的人数来优化工作空间利用率。借助这种数据驱动的方法，企业不仅能够通过调节HVAC系统和照明设施提高能源利用效率，还能更有效地管理会议室预订，进而提高整体运营效率。通过集成UWB雷达，企业可以创建更安全、更高效的办公环境，同时不牺牲安全性或隐私。

6   健康与保健

UWB雷达无需物理接触即可监测生命体征的能力有可能彻底改变临床和家庭环境中的患者护理。其高精度使其能够检测到与呼吸和心率相关的细微动作，成为新生儿监护、老年人护理和远程患者观察的理想解决方案。这种非侵入式方法提高了患者的舒适度，同时确保了连续、可靠的健康跟踪。

此外，即使患者被毯子、床上用品或衣物覆盖，UWB雷达也能有效工作，提供不间断的监测，而无需直接接触皮肤。这在重症监护病房中尤为重要，因为在那里，尽可能减少对患者的干扰至关重要；亦或在家庭医疗场景中，隐蔽、被动的监测可提高生活质量。此外，其穿透物理障碍进行感测的卓越能力，使其成为一种强大的监测手段，特别适用于隔离病房内的患者，或是在那些传统监测设备难以发挥作用的环境。

7   无缝访问与控制

UWB雷达在门禁控制方面同样表现出色，提供稳健、安全的身份识别与认证解决方案。在办公室、仓库或企业环境中，UWB雷达通过检测个体的存在与移动来增强门禁控制系统，并结合UWB精细测距技术安全地验证其身份。同样的UWB芯片可与支持UWB的门禁卡、智能手表或智能手机进行交互，以确认身份并授予安全访问权限。在金融、科研及数据中心等安全要求严格的行业中，这一功能尤为必要。

除传统门禁控制外，UWB雷达的手势识别能力还为企业环境引入了交互的新维度。想象一下，员工只需简单挥手即可控制会议室显示屏，减少了对公用表面的物理接触。展望未来，配备UWB雷达的计算机能够通过细微的姿势识别出员工的压力或疲劳程度，使工作场所能够开发出更智能、响应更迅速的健康解决方案，同时避免过度监控。

8   车辆安全与信息娱乐

UWB雷达通过实现高精度、实时检测能力，推动车辆安全与便捷性的进步。其最关键的应用之一是欧洲NCAP所规定的儿童存在检测（CPD）；其检测车辆内是否存在遗留的婴儿，以防止悲剧的发生。UWB雷达可通过监测微弱的呼吸和心率运动，在生命面临危险时向看护者或相关部门发送即时警报。随着汽车变得更加智能和互联，UWB雷达也为下一代智能内饰铺平了道路。未来的应用可能包括基于手势的控制，使驾驶员能够利用简单的手势动作调整信息娱乐系统、气候设置或导航界面。这不仅提升了便利性，还最大限度地避免驾驶员分心，进一步促进更安全的驾驶体验。

9   未来展望与创新

UWB雷达的多功能性、可靠性和精确度重新定义了传感技术的可能性，为更智能、更安全、更直观的环境铺平了道路。较宽的带宽和较短的脉冲特性赋予其独特的感测能力，使之成为需要精确和准确定位应用的最佳选择。

UWB雷达的未来潜力无限，具有低功耗、高性能以及将传感和测距功能融于一体的非凡能力。随着算法的进步以及边缘AI和机器学习集成的持续发展，UWB雷达将进化为更加强大的精确和自适应感测工具。无论是在提升汽车安全性、构建无接触医疗解决方案，还是提高企业环境效率方面，UWB雷达实现无缝交互的潜力不容置疑。

关于作者

Sri Sridharan

Sri负责Qorvo在北美地区物联网连接解决方案的拓展，重点关注超宽带（UWB）和低功耗蓝牙/Matter技术。作为一名屡获殊荣的产品定义专家和技术出版物作家，他在射频组件与系统方面拥有深厚的专业知识，包括蜂窝技术、低功耗蓝牙、GPS、LoRa 和RFID。通过与客户紧密合作并深入了解他们的特定用例与挑战，Sri战略性地影响着Qorvo的产品路线图，确保其与市场需求和技术趋势保持一致。

（本文来源于《EEPW》202505）