UWB創新精確測距與環境感知　檢測運動/估算距離和位置

超寬頻(Ultra Wide Band, UWB)雷達利用單個設備的訊號反射，實現精確測距與環境感知。其成本效益高且節能，能在多種環境中工作，提升了安全、醫療、智慧家庭及車輛安全等領域的應用，為用戶帶來更加便捷與可靠的體驗。
超寬頻UWB雷達
超寬頻UWB技術被廣泛認為是實現位置、距離和方向精確、安全、即時測量的最佳測距技術。除此之外，UWB還能作為雷達技術實現環境感知。與測距功能相似，UWB雷達利用UWB極寬的500MHz頻寬和極短的2奈秒(ns)脈衝，對物體和人員實現高精度探測。
但與測距不同的是，UWB雷達無需兩台設備通訊，僅需單個設備即可捕獲訊號反射(圖1)。因此，它作為一種低成本、低功耗的解決方案，結合全向天線，可以達成360°視場內的運動檢測，實現全面區域監控，且覆蓋盲區極小。此外，UWB測距和雷達功能可以結合使用，以實現多種功能，例如存在感測並隨後進行安全認證。

UWB雷達精確感測
UWB感測的「魔法」在於雷達在傳輸脈衝的同時接收來自物體和人員的多徑訊號反射。這些估算的通道脈衝回應(Channel Impulse Responses, CIR)隨後由先進的雷達演算法處理；不僅能檢測運動，還可以估算距離和位置(圖2)。UWB雷達具有很高的抗干擾性，即使在密集多徑和多無線電環境中也能提供可靠性能，而其它感測技術在此類環境下可能會遇到困難。

UWB雷達的新穎之處在於，可以配置關鍵的雷達參數以權衡範圍、功耗和覆蓋範圍。每次雷達掃描收集的樣本越多，檢測範圍就越遠——從幾釐米到幾米不等。此外，如果以更高的速率重複發射雷達幀，雖然會以更高的功耗為代價，但能獲得更準確的位置估算。
即便是範圍為幾米以內的存在檢測使用案例中，UWB雷達的功耗也不超過10mW，這使其成為用於可攜式設備的理想低功耗技術，延長了電池壽命並減少頻繁充電的需求。此外，UWB雷達監測生命體徵或識別手勢的能力，為使用者與智慧設備的互動開闢了新途徑。透過檢測微小動作和特定手勢，它促進了直觀且免觸控的控制介面。這在醫療和汽車應用中尤為實用，因為非接觸式互動提高了安全性、保密性和便利性。整體而言，UWB雷達的多功能性加上小於10公分的精密測距精度，使其成為一種引人注目的強大解決方案，能夠在廣泛的應用中提供精確、可靠和節能的性能。
與其它感測技術的對比
如將UWB雷達與被動紅外(PIR)感測器等其他技術進行評估時，幾個關鍵差異凸顯了UWB的優勢。PIR感測器常用於運動檢測，但僅當感測器具有清晰的視線(LOS)時才有效。它們的視野有限，且對溫度變化、灰塵和強光等環境因素敏感。相較之下，UWB雷達在視線和非視線(NLOS)條件下都能有效工作，能夠穿透牆壁，並在具有挑戰性的環境條件下保持準確性和解析度。這些特性使UWB成為眾多應用場景中極具靈活性和多功能性的解決方案。
與60GHz毫米波(mmWave)雷達相比，UWB雷達提供了一系列不同的優勢。雖然毫米波雷達在特定用例中(如基於安全攝影機的存在檢測或智慧恆溫器)很有效，但它通常功耗更大，操作更複雜，且解決方案成本更高。相反地，UWB雷達功耗更低，操作更簡單且成本效益高，因而成為60GHz毫米波雷達的可行替代方案；尤其適用於短距離雷達應用。
需要記住的一個要點是，根據應用的不同，每種感測技術都有其獨特的優勢；例如，PIR感測器在簡單環境中的基本運動檢測方面表現出色，而毫米波雷達在要求高精度感測或高解析度成像的場合中很有價值。當應對多種需求，並需要精確性和多功能性的場合，如感測與精密測距的結合時，UWB雷達則表現出色(表1)。

UWB感測雷達重塑不同市場
UWB雷達技術重新定義了消費、企業和汽車市場中的感測應用。透過將UWB的高精度雷達功能與精細測距相結合，該技術不僅實現了存在檢測，還實現了高精度距離測量，解鎖了一系列創新且無縫的用戶體驗。圖3展示了UWB雷達的核心感測功能；這些功能可以單獨部署或與精密測距相結合，以增強安全性、自動化和交互性。以下部分將探討UWB雷達如何在這些市場中推動變革，提供傳統傳感技術無法實現的先進功能和用戶體驗提升。

智慧空間和生態系統
透過實現高精度存在檢測和運動監測，UWB雷達重新定義了人們與智慧空間的對話模式。與依賴常開式攝影機的傳統安全系統不同，UWB雷達在優先考慮隱私的同時，提供了一種保持安全性和功能性的替代方案。無需持續監控，UWB雷達可以檢測人員的存在和移動，僅在必要時啟動家庭攝影機或完全消除對其需求。這種方法降低了未經授權訪問安全攝影機等的網路安全風險，同時確保了全面監控。
除了安全之外，UWB雷達還提高了智慧家庭環境的適應性。它可以區分人員和無生命物體，以減少誤報，實現反應更靈敏的自動化。燈光、氣候控制和其它智慧系統可以根據占用情況動態調整，以提高便利性和能源效率。此外，UWB雷達的手勢識別功能可以實現對廚房水龍頭、垃圾桶甚至娛樂系統等電器的免觸控控制，進一步提高家庭中的便利性和衛生水準。
在企業環境中，將UWB雷達嵌入天花板安裝的Wi-Fi企業存取點(EAP)或條形攝影機中，可以實現精確的占用感測。當與人工智慧(AI)和成像系統相結合時，它有助於企業透過追蹤房間中的人數來優化工作空間利用率。借助這種資料驅動的方法，企業不僅能夠透過調節HVAC系統和照明設施提高能源利用效率，還能更有效地管理會議室預訂，進而提高整體運營效率。透過整合UWB雷達，企業可以創建更安全、更高效的辦公環境，同時不犧牲安全性或隱私。
健康與保健
UWB雷達無需物理接觸即可監測生命體徵的能力有可能徹底改變臨床和家庭環境中的患者護理。其高精度使其能夠檢測到與呼吸和心率相關的細微動作，成為新生兒監護、老年人護理和遠端患者觀察的理想解決方案。這種非侵入式方法提高了患者的舒適度，同時確保了連續、可靠的健康追蹤。
此外，即使患者被毯子、床上用品或衣物覆蓋，UWB雷達也能有效工作，提供不間斷的監測，而無需直接接觸皮膚。這在重症監護病房中尤為重要，因為在那裡，盡可能減少對患者的干擾至關重要；亦或在家庭醫療場景中，隱蔽、被動的監測可提高生活品質。此外，其穿透物理障礙進行感測的卓越能力，使其成為一種強大的監測手段，適用於隔離病房內的患者，或是在那些傳統監測設備難以發揮作用的環境。
無縫訪問與控制
UWB雷達在門禁控制方面同樣表現出色，提供穩健、安全的身分識別與認證解決方案。在辦公室、倉庫或企業環境中，UWB雷達透過檢測個體的存在與移動來強化門禁控制系統，並結合UWB精細測距技術安全地驗證其身分。同樣的UWB晶片可與支援UWB的門禁卡、智慧手表或智慧手機進行互動，以確認身分並授予安全存取權限。在金融、科研及資料中心等安全要求嚴格的產業中，這一功能尤為必要。
除傳統門禁控制外，UWB雷達的手勢識別能力還為企業環境導入了互動的新維度。想像一下，員工只需簡單揮手即可控制會議室顯示幕，減少了對公用表面的物理接觸。展望未來，配備UWB雷達的電腦能夠透過細微的姿勢識別出員工的壓力或疲勞程度，使工作場所能夠開發出更智慧、回應更迅速的健康解決方案，同時避免過度監控。
車輛安全與資訊娛樂
UWB雷達透過實現高精度、即時檢測能力，推動車輛安全與便捷性的進步。其最關鍵的應用之一是歐洲NCAP所規定的兒童存在檢測(CPD)；其檢測車輛內是否存在遺留的嬰兒，以防止悲劇的發生。UWB雷達可透過監測微弱的呼吸和心率運動，在生命面臨危險時向看護者或相關部門發送即時警報。隨著汽車變得更加智慧和聯網，UWB雷達也為下一代智慧座艙建立良好基礎。未來的應用可能包括基於手勢的控制，使駕駛員能夠利用簡單的手勢動作調整資訊娛樂系統、氣候設置或導航介面。這不僅提升了便利性，還可避免駕駛員分心，強化安全的駕駛體驗。
UWB創新感測技術應用
UWB雷達的多功能性、可靠性和精確度重新定義了感測技術的可能性，強化更智慧、更安全、更直觀的應用潛力。較寬的頻寬和較短的脈衝特性賦予其獨特的感測能力，使之成為需要精確和準確定位應用的最佳選擇。
UWB雷達具有低功耗、高性能以及將感測和測距功能融於一體。隨著演算法的進步以及邊緣AI和機器學習整合的發展，UWB雷達將進化為更加強大的精確和自我調整感測工具。無論是在提升汽車安全性、構建無接觸醫療解決方案，還是提高企業環境效率方面，UWB雷達實現無縫互動的潛力不容置疑。
(本文作者任職於Qorvo)