UWB脉冲多普勒雷达的工作原理和应用

近年来，超宽带 (UWB) 无线技术因其能够提供高度准确和精确的定位和测距而备受关注。卫星定位、Wi-Fi和蓝牙等其他无线协议的精度只能达到约一米，而UWB则能够实现厘米级甚至毫米级测量精度。

UWB不仅能够提供精准的定位和测距，还具有高安全性，因此在消费电子、汽车和工业领域得到了广泛应用。从智能手机、平板电脑和智能手表到钥匙扣及工业物联网 (IoT) 设备，支持UWB的系统在资产跟踪、安全门禁、实时室内导航等方面功能显著增强。

事实证明，UWB在精准测距方面的优势同样适用于物体和运动的精准检测。因此，UWB技术正广泛应用于许多使用脉冲多普勒雷达的汽车和工业场景，包括存在检测、手势识别和运动检测等。

本文摘编自恩智浦最新技术白皮书，该白皮书介绍UWB与其他无线协议的区别，阐述其独特特性在雷达中的应用，并重点说明开发人员如何利用基于UWB的雷达技术提升工业物联网和汽车领域的功能安全、信息安全和生产力。

UWB独有的脉冲信号

UWB是一种脉冲无线技术，与其他常用的无线协议有显著不同。卫星、Wi-Fi和蓝牙在窄频率上使用调制正弦波传输信息，而UWB则在宽频段上通过一系列脉冲传输信号。UWB脉冲的形状比较陡峭和狭窄，易于识别，并有助于避免与信号反射相关的多径效应。

此外，UWB在远离2.4GHz繁忙ISM频段的频谱上运行，因此能够与当前最流行的无线技术 (包括卫星导航、Wi-Fi、蓝牙甚至NFC) 共存。

UWB信号独具特性，易于识别，抗噪声和反射，并且使用不同的频谱。这些特点使UWB成为一种强大、稳定的通信技术。此外，UWB的带宽高，能够快速传输陡峭和狭窄的脉冲， 因此也适用于测距应用。采用UWB技术可以更准确地标记信号时序，使用常用的定位方法，如飞行时间 (ToF) 和到达角 (AoA) 计算，能够产生更精确的结果。

研究科学家和工程师发现，UWB生成的定位脉冲同样可用于存在和运动检测，因此在脉冲多普勒雷达应用中得到了广泛采用。下面是该过程的详细介绍。

UWB飞行时间计算

脉冲多普勒雷达工作原理

多普勒效应是指当物体靠近时，辐射的声波或光波在传播过程中被压缩，其频率随着物体的接近而增加。例如，当我们听到移动的救护车或消防车的警笛声时，会发现它们的音调在接近时变高，而在经过时突然降低。脉冲多普勒雷达利用这一原理，先发送探测信号脉冲，然后分析物体运动对返回信号频率的影响。

在UWB应用中，通过UWB IC检查发送的脉冲如何反射回接收器，从而实现脉冲多普勒雷达功能。该功能能够检测物体并测量其运动，即使是微小的运动。通过信道脉冲响应 (CIR) 计算来分析反射信号。脉冲的传播时间 (即往返飞行时间) 用于指示目标物体的绝对位置。通过多次连续测量，可以检测到目标的大幅度运动 (及其径向速度)。通过观察多次测量之间反射载波信号的相位变化 (多普勒效应)，可以检测到小于空间分辨率 (亚毫米级) 的运动。

UWB脉冲多普勒雷达的工作原理

更好的运动检测方法

UWB信号适用于高精度雷达，其脉冲采用相对较低的频率 (6至8GHz)，因此能够轻松穿透木材、混凝土和金属等固体材料。此外，由于UWB使用电磁波 (而非声波) 来检测物体的存在，信号不易受到外部振动和噪声的干扰。结合复杂的信号处理功能，UWB雷达在检测对象、识别运动模式、跟踪运动变化和消除噪声方面表现出色。

从设计角度来看，由于雷达和测距使用相同的脉冲，UWB雷达可以与UWB测距解决方案无缝融合。这意味着，UWB雷达在测距的基础上无需额外占用空间，从而实现紧凑设计和低成本实施。在现有测距功能上添加雷达时，不会增加天线、信道或无线前端开销，UWB技术可以与DSP和微控制器功能紧密集成。

搜救队已经使用UWB雷达来搜寻房屋内或废墟中的被困人员，医务人员则利用它来监测患者的生命体征，如心率和呼吸频率，无需接触患者。事实上，UWB雷达非常精确，甚至可以检测到极其微小的运动，例如婴儿睡觉时胸部随呼吸的起伏。

在UWB应用中，通过UWB IC检查发送的脉冲如何反射回接收器，实现脉冲多普勒雷达功能。该功能能够检测物体并测量其运动，即使是微小的运动。通过信道脉冲响应 (CIR) 计算来分析反射信号。脉冲的传播时间 (即往返飞行时间) 用于指示目标物体的绝对位置。通过多次连续测量，可以检测到目标的大幅度运动 (及其径向速度)。通过观察多次测量之间反射载波信号的相位变化 (多普勒效应)，可以检测到小于空 间分辨率 (亚毫米级) 的运动。

UWB雷达的多普勒处理流程

融合：测距与雷达

新一代UWB IC (如恩智浦Trimension系列产品) 集成了UWB测距和UWB雷达功能，能够以高性价比的方式创建系统。这些系统具备超高的运动灵敏度、精确的手势识别和定位能力。

结合低功耗UWB雷达、安全测距和AoA计算等技术，可以利用UWB导航、安全定位、物体检测甚至挽救生命的人员检测实现新应用。这些应用包括防止儿童被遗留在温度过高的汽车中的车辆安全系统、基于存在的智能暖通空调或照明触发等节能方案，以及基于存在和位置的访问控制或危险区域检测等工业环境安全系统。在UWB雷达的加持下，即使人机界面简单的设备也可以根据位置和存在信息做出响应，实现更直观的操作。

无源位置检测可以确定物体的位置，并结合精确的运动检测来激活安防系统，仅在必要时触发安全摄像头、监控灯和警报器，从而提高可靠性并减少误报。UWB测距和雷达的结合也改进了婴儿监测器，使其能够更精确地跟踪运动，甚至监测生命体征，而无需强迫婴儿佩戴腕带或类似设备。

工业物联网应用

Trimension SR250等UWB解决方案组合了测距和雷达功能，在工业物联网中得到了广泛应用。例如，UWB测距可用于查找货物和资产或定位工人，而UWB雷达则可以提高功能安全和信息安全，同时提升生产力。

在日常运营中，UWB雷达可以管理员工和访客的访问控制，防止碰撞，并优化流程，从而提高多项任务的执行效率，如资产和工具的使用、库存管理、货物流动跟踪、质量保证监测或服务线分析 (SLA) 数据处理等。在紧急情况下，UWB雷达还可以帮助进行突发事件管理，提高疏散效率、监测生命体征等。

UWB安全测距需要两个UWB设备进行通信来检测位置或存在，而UWB雷达只需一个芯片IC即可实现无源检测。以Trimension SR250为例，该器件利用低功耗雷达来检测存在、位置，甚至是呼吸或手势等运动；如果与运行AI/ML算法的主处理器 (如恩智浦的i.MX系列应用处理器、RW61x系列无线MCU，或MCX系列工业和物联网MCU) 配套工作，它还可以检测和跟踪一个或多个人员或物体。

举例来说，位于已知位置的UWB锚点能够在给定区域内进行测距，对该区域的工作人员进行身份验证，确保只有授权人员在场，还可以检测员工卡方向，以确定人员的行走方向， 确保他们远离危险区域。同样，配备UWB器件的机器人可以连续感知人员的存在或移动的物体。当在指定区域内检测到目标时，硬件信号能够立即触发相应的动作，例如让机器人停下，以避免碰撞和其他危险情况。UWB雷达可以跟踪检测到的目标，无论光照条件如何，都能够通过UWB测距排除目标的员工卡信号，然后监测目标的运动轨迹，从而实现对组内特定物品、机器人或人员的可视化跟踪。

为了节省电力，部分UWB雷达解决方案 (包括Trimension SR250) 集成了片上雷达处理器。这使得IC能够自主执行雷达处理功能，可以使用更价格更低的主处理器，从而降低系统的整体成本，同时最大限度地减少系统的能耗。例如，主处理器处于深度睡眠模式，而Trimension SR250则可以利用片上存在检测功能来感知移动的人员或物体。这种片上处理在工业物联网中起着关键作用。它能够在用户进入或离开指定区域时，自动触发系统响应，例如启动或关闭暖通空调设备，或控制自主机器人。

智能家居应用

当您进入房间时，智能家居系统会将照明网络、智能音箱或智能电视从待机状态唤醒，即使您长时间静坐不动，该系统也能通过检测您的呼吸来保持设备开启。当您在家中走动时，无需随身携带有源UWB设备 (如智能手机)，因为家中的各种设备可以通过UWB雷达感知到您的存在。此外，UWB设备可以与其他UWB设备 (如智能音箱) 同步测距，实现娱乐体验自动化。智能音箱还可以跟踪您在房间内的移动，将音频波束引导到您的新位置，为您提供更愉悦的音频体验。

基于存在的触发器可以帮助智能家居节省能源，通过更精确和自动化的控制来调节供暖、空调、风扇和灯光。如在工业部分所述，即使人机界面简单的设备也可以根据位置和存在信息做出响应，实现更直观的操作。

无源位置检测可以确定物体的位置，并结合精确的运动检测功能来激活安防系统，仅在必要时触发安全摄像头、监控灯和警报器，从而提高可靠性并减少误报。UWB测距和雷达的结合也改进了婴儿监测器，使其能够更精确地跟踪运动，甚至监测生命体征，无需强迫婴儿佩戴腕带或类似设备。

汽车应用

UWB测距和雷达的融合在汽车领域也具有重要意义，能够显著提高安全性和便利性。UWB测距技术已经在汽车设计中应用了一段时间，特别是在数字钥匙解决方案中，通过驾驶员的智能手机或智能手表的UWB测距功能便可控制汽车门禁。

现阶段，Trimension NCJ29D6等UWB解决方案不仅能够执行测距，还能实现雷达功能，从而扩展了车辆的UWB应用范围。例如，UWB雷达可以集成到安全带警报系统中，通过比较安全带状态和座椅上是否有人，如果检测到乘客已就座但未系安全带，则发出警报。

此外，UWB雷达能够检测踢动-开启运动，可以取代传统的踢动传感器，用于后备箱或舱口的开启。如果结合使用UWB雷达与人工智能 (AI) 算法，汽车还可以学习个性化手势，这样驾驶员在车外挥挥手就能打开或关闭车窗。

UWB雷达在汽车中的一个重要安全用途是检查停放车内是否有乘客。后排乘客提醒 (ROA)系统，也称为“儿童遗留检测 (CPD)” 系统，通过雷达来确保弱势乘客 (特别是儿童) 不会被遗留在车内，因为即使在温和或多云的天气，车内温度也会迅速升高到危险水平，可能导致车内人员中暑、脱水，甚至危及生命。ROA/CPD系统通过UWB雷达检测停放车内的生命迹象，并向汽车仪表板发送消息提醒驾驶员。如果驾驶员在未注意到ROA/CPD通知的情况下关闭车门，汽车会发出警报声。UWB雷达是ROA/CPD系统的理想解决方案，因为它能够检测到非常微小的身体运动，包括婴儿呼吸时胸腔的起伏。

自2022年以来，作为广受信赖的新车安全信息来源，欧洲新车安全评鉴协会 (NCAP) 对配备ROA/CPD系统的汽车进行加分，这有助于加快ROA/CPD系统的普及。汽车制造商在设计时通常会考虑Euro-NCAP的要求，因此ROA/CPD系统的普及率日益增加，越来越多的此类系统使用UWB雷达构建。

另一个促使汽车制造商使用UWB部署ROA/CPD系统的原因是，汽车现有的UWB测距解决方案可以扩展，能够提供ROA/CDP系统使用的UWB雷达功能。这使得一个解决方案能够实现多种功能。

本文小结

在工业和消费电子领域的带动下，UWB在汽车、智能家居和工业物联网应用中逐渐普及。由于许多智能设备现在将UWB作为标准功能，在单个芯片上集成UWB测距和雷达功能将大大促进各种应用的开发。这种集成不仅可以提升汽车、家居和工厂的功能安全、信息安全和生产力，同时还能够便捷地将这些功能集成到未来的设计中。