一文解析UWB雷達(dá)的工作原理

基于厘米級(jí)定位、超低功率、強(qiáng)抗干擾、超大容量等技術(shù)特點(diǎn)，UWB（超寬帶）技術(shù)在消費(fèi)電子、智能汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用前景被賦予厚望。

值得一提的是，利用UWB雷達(dá)還可實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)活體檢測(cè)、腳踢尾箱等，這意味著新一輪座艙感知革命已經(jīng)開啟。

UWB雷達(dá)基本原理

UWB雷達(dá)的工作原理與UWB定位完全不同。UWB雷達(dá)系統(tǒng)不需要UWB標(biāo)簽的存在，其工作原理與飛機(jī)和汽車上用的各類雷達(dá)類似。 UWB雷達(dá)發(fā)射UWB脈沖信號(hào)，并接收該脈沖信號(hào)經(jīng)障礙物反射后的回波，通過對(duì)回波擾動(dòng)的分析來判斷UWB雷達(dá)附近是否存在物體（或人）。具體來講，UWB雷達(dá)通過接收到的CIR（Channel Impulse Response信道脈沖響應(yīng)）來探測(cè)周圍物體及其運(yùn)動(dòng)。

1、當(dāng)UWB雷達(dá)周圍有物體時(shí)，CIR對(duì)應(yīng)位置就會(huì)有脈沖峰。

2、當(dāng)周圍物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，對(duì)應(yīng)的CIR值就會(huì)變化，可通過分析CIR頻譜來估計(jì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。目前常見500M帶寬的UWB芯片，靜態(tài)位置分辨率較低，但可以用作動(dòng)態(tài)雷達(dá)，來檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)。

UWB雷達(dá)原理圖

UWB雷達(dá)性能特點(diǎn)

以UWB行業(yè)頭部廠家全跡科技UWB雷達(dá)V1.0算法為例，具有以下性能特點(diǎn)：

1、靈敏度和檢測(cè)范圍 靈敏度和檢測(cè)范圍跟算法、天線設(shè)計(jì)、物體反射面積、物體運(yùn)動(dòng)幅度等因素有關(guān)，算法能夠完成以下檢測(cè)： 1）檢測(cè)微小的呼吸運(yùn)動(dòng)，已實(shí)現(xiàn)天線正面，距離不小于0.8米，視場(chǎng)角±60°范圍內(nèi)的呼吸運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。 2）檢測(cè)環(huán)境內(nèi)的人體活動(dòng)（包括行走，上身、胳膊、頭部等的微小擺動(dòng)等），可實(shí)現(xiàn)天線正面，距離不小于1.6米，視場(chǎng)角±60°范圍內(nèi)的人體活動(dòng)的檢測(cè)。

2、響應(yīng)速度 波形實(shí)時(shí)變化，可以跟蹤頻率15Hz內(nèi)的快速運(yùn)動(dòng)，比如快速的踢腳運(yùn)動(dòng)。

3、系統(tǒng)組成

UWB雷達(dá)目前有兩種模式。一種是單錨點(diǎn)模式（收發(fā)一體，單顆獨(dú)立運(yùn)行），一種是雙錨點(diǎn)模式（1發(fā)+1收，必須組合運(yùn)行）。單錨點(diǎn)模式覆蓋范圍有限，但是構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低廉；雙錨點(diǎn)模式覆蓋范圍略大，但是成本也更高，可以復(fù)用UWB數(shù)字鑰匙。

單錨點(diǎn)模式與雙錨點(diǎn)模式

4、計(jì)算量

算法經(jīng)過深度優(yōu)化和精簡(jiǎn)，計(jì)算量可大為減少，便于集成到現(xiàn)有MCU中。全跡科技UWB單錨點(diǎn)雷達(dá)可以僅在1顆UWB SOC上直接實(shí)現(xiàn)完整雷達(dá)功能，以最大程度降低成本。

雷達(dá)模組框圖

UWB雷達(dá)的汽車應(yīng)用

1、活體檢測(cè) “將兒童單獨(dú)留在停放的車內(nèi)，即使只有幾分鐘，也可能導(dǎo)致中暑和死亡，尤其是當(dāng)汽車暴露在陽光下時(shí)。兒童無法自行下車，再加上對(duì)高溫的耐受性較低，因此要求兒童不得留在車內(nèi)無人看管。溫度可以在短短15分鐘內(nèi)達(dá)到臨界水平，讓窗戶半開著幾乎不能減少威脅。與車禍相比，兒童死于車輛相關(guān)中暑的情況較少發(fā)生，但這些完全可以避免的死亡的性質(zhì)值得特別關(guān)注，因?yàn)榻鉀Q車內(nèi)兒童體溫過高問題的技術(shù)已經(jīng)存在?！币陨衔淖謥碜詺W洲NCAP關(guān)于兒童存在檢測(cè)的測(cè)試與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的直接翻譯。 活體檢測(cè)在汽車上主要用于兒童存在檢測(cè)（CPD – Child Presence Detection），國(guó)外也有叫后排占用告警（ROA - Rear Occupant Alert）或Hot Car。 歐洲NCAP計(jì)劃從2023年1月起增加對(duì)車內(nèi)兒童存在檢測(cè)的評(píng)分，各項(xiàng)規(guī)定非常細(xì)致。美國(guó)正在立法要求所有新車預(yù)裝兒童存在檢測(cè)功能，預(yù)計(jì)在2025年全面實(shí)施。據(jù)說國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范也在評(píng)估制訂中。 目前車內(nèi)兒童存在檢測(cè)的識(shí)別方式有直接與間接兩大類。直接方式指的是通過嘗試檢測(cè)心跳、呼吸、運(yùn)動(dòng)、或其它生命指征來判定兒童是否存在；間接方式指的是通過一些邏輯信息來推斷車內(nèi)人員存在的可能性，信息包括：車門打開、壓力感應(yīng)、電容感應(yīng)等。 歐洲NCAP規(guī)定從2025起間接方式將無法獲得安全評(píng)分，因此直接方式最有前景。目前較有效的直接方式傳感器主要是：攝像頭、毫米波雷達(dá)、UWB雷達(dá)，下面做簡(jiǎn)要比較。

攝像頭是常見的傳感器，甚至可以與車內(nèi)DMS/OMS（駕駛員/乘客監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）共用。攝像頭方案的主要問題一是有隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)，二是缺少穿透力，例如很難透過毛毯和遮陽傘等障礙物。 歐洲NCAP要求兒童存在檢測(cè)可以覆蓋安全座椅向后安裝、蓋著毯子/遮陽傘、四肢不動(dòng)、熟睡的嬰兒，攝像頭檢測(cè)方案很可能會(huì)丟分。 毫米波雷達(dá)是另一種方案，相比攝像頭方案優(yōu)勢(shì)是沒有隱私擔(dān)心，且有一定的穿透力（可以透過毯子）。毫米波雷達(dá)的問題一是成本較高（相比UWB雷達(dá)），二是有無線電合規(guī)隱患。 根據(jù)2021年11月我國(guó)工信部頒布的《汽車?yán)走_(dá)無線電管理暫行規(guī)定》：24G毫米波雷達(dá)已經(jīng)禁止在新車上使用；77G毫米波雷達(dá)主要用于自適應(yīng)巡航、防撞、盲點(diǎn)探測(cè)等應(yīng)用；60G毫米波雖是目前艙內(nèi)雷達(dá)使用的主要頻段，但工信部本次規(guī)定尚未包含對(duì)60GHz頻段的說明。 UWB雷達(dá)提供了一種新方案。沒有隱私擔(dān)心（相比攝像頭），有穿透力（相比攝像頭），成本適中（低于毫米波雷達(dá)），低功耗（低于毫米波雷達(dá)），目前看來是較好的車內(nèi)兒童存在檢測(cè)方案，能滿足各項(xiàng)法規(guī)要求。 2、腳踢尾箱 在人雙手拿著東西時(shí)，用腳在后保險(xiǎn)杠下踢一下或來個(gè)掃堂腿，可以方便的開關(guān)尾箱門，這已經(jīng)成為很多車型的舒適性配置，而腳踢尾箱技術(shù)也有不同的實(shí)現(xiàn)方案。

現(xiàn)在大部分腳踢尾箱技術(shù)采用電容傳感器方案。通過在車尾保險(xiǎn)杠內(nèi)放兩條電容天線，通過電容變化可識(shí)別人是否有踢腿動(dòng)作。電容腳踢尾箱方案價(jià)格較便宜，但一般認(rèn)為工作不夠穩(wěn)定，容易誤觸發(fā)或失靈。 從網(wǎng)上能查到較多車主的反饋，例如：腳踢不夠靈敏經(jīng)常踢不開，下雨時(shí)尤其嚴(yán)重；或者在洗車的時(shí)候人從尾門走過時(shí)，會(huì)誤觸發(fā)電動(dòng)尾門開關(guān)自動(dòng)打開后備箱。理論上電容方案對(duì)電磁干擾也較為敏感，當(dāng)周邊電磁環(huán)境復(fù)雜時(shí)容易失靈。 毫米波雷達(dá)是一種備選替代方案，通過對(duì)毫米波雷達(dá)回波的分析，可以有效檢測(cè)踢腿的動(dòng)作。并且毫米波不受周邊電磁環(huán)境的干擾，雨水的影響也不大。目前車載毫米波腳踢尾箱雷達(dá)最大的問題是價(jià)格較昂貴（相比電容方案和UWB雷達(dá)方案）。 UWB雷達(dá)提供了另一種選項(xiàng)。穩(wěn)定性足夠高（相比電容方案），成本適中（比電容方案貴，比毫米波方案便宜），低功耗（低于毫米波雷達(dá)）

UWB雷達(dá)的應(yīng)用產(chǎn)品

高工智能汽車了解到，目前全跡科技UWB雷達(dá)產(chǎn)品已經(jīng)獲得多個(gè)主機(jī)廠和tier1的意向訂單。而全跡提供的多種靈活合作方式包括：

1、提供UWB雷達(dá)完整產(chǎn)品 包含：硬件整機(jī) +?軟件算法?？蓡五^點(diǎn)工作（極致精簡(jiǎn)不含MCU，可靠性更高、性價(jià)比突出），也可2個(gè)錨點(diǎn)組合工作（提供更大覆蓋范圍）。

雷達(dá)整機(jī)

2、提供UWB雷達(dá)郵票孔板卡 包含：硬件PCBA +?天線 +?軟件算法。

雷達(dá)模組與天線仿真

3、提供UWB雷達(dá)軟件授權(quán)

僅提供軟件算法lib庫，適配到客戶自己的硬件中。 4、提供UWB定位 +?測(cè)距復(fù)用軟件授權(quán) 僅提供軟件算法lib庫和UWB測(cè)距復(fù)用支持，適配到客戶自己的硬件中。 除了UWB雷達(dá)產(chǎn)品外，全跡科技正在將其行業(yè)首創(chuàng)、已獲專利授權(quán)的UWB-AOA單基站定位系統(tǒng)引入U(xiǎn)WB數(shù)字鑰匙場(chǎng)景。該產(chǎn)品可將UWB數(shù)字鑰匙單車錨點(diǎn)數(shù)量從5個(gè)（車外4個(gè)+車內(nèi)1或2個(gè)）降低到最少1個(gè)（車內(nèi)部署1個(gè)UWB-AOA）。

該產(chǎn)品具備以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

1、UWB錨點(diǎn)數(shù)量從5到1，大幅降低硬件成本；

2、減少了器件和線束，降低組裝難度和成本；

3、減少了復(fù)雜度，提高了可靠性；

4、降低了出險(xiǎn)維修成本； 該創(chuàng)新產(chǎn)品無疑將推動(dòng)UWB數(shù)字鑰匙的更廣泛落地，讓UWB數(shù)字鑰匙體驗(yàn)惠及更多消費(fèi)者。據(jù)全跡透露，該產(chǎn)品目前處于內(nèi)測(cè)階段。 近年來，越來越多的手機(jī)和汽車開始紛紛引入U(xiǎn)WB技術(shù)，UWB正在走進(jìn)大眾視野成為一項(xiàng)時(shí)髦的黑科技。UWB獨(dú)特的物理特性不僅能賦予汽車精準(zhǔn)數(shù)字鑰匙交互能力，還能提供極具競(jìng)爭(zhēng)力的艙內(nèi)雷達(dá)方案。 深耕UWB技術(shù)多年的全跡科技，有望成為UWB數(shù)字鑰匙與雷達(dá)產(chǎn)品極具創(chuàng)新力的供應(yīng)商。

編輯：黃飛