數(shù)字鑰匙關(guān)鍵技術(shù)：UWB（超寬帶）實現(xiàn)原理一文講透

UWB利用超短脈沖信號，通過測量信號的時延和幅度來確定目標的位置和速度。因此，UWB可用作雷達成像。UWB雷達的超寬帶信號帶寬非常寬，可以達到幾個GHz。這種信號具有很短的脈沖寬度和很高的峰值功率，可以穿透障礙物并在復雜環(huán)境中進行探測。

UWB雷達發(fā)射脈沖信號，并接收該脈沖信號經(jīng)障礙物反射后的回波，通過對回波擾動的分析來判斷UWB雷達附近是否存在物體，這種檢測方式我們稱之為CIR（Channel Impulse Response，信道脈沖響應(yīng)）技術(shù)。UWB雷達通過接收到的CIR來探測周圍物體及其運動。當UWB雷達周圍有物體時，CIR對應(yīng)位置就會有脈沖峰；當周圍物體運動時，由于多普勒效應(yīng)，對應(yīng)的CIR值就會變化。通過分析CIR頻譜來估計目標運動狀態(tài)。

圖4 UWB在不同物體的CIR表現(xiàn)

2.2UWB成像原理

UWB成像技術(shù)是UWB雷達的擴展應(yīng)用，UWB成像可以簡單理解為UWB脈沖波組成一堵無形的墻，這面墻向前走的時候碰到任何物體都會局部反彈回去，這面初始平整的墻返回的時候就有了凹凸變化，這個凹凸變化就描繪出了物體的一個面。

UWB成像通過軟件算法解析實現(xiàn)，對于UWB硬件底層，只需要將檢測的這一個區(qū)域變化的曲線，如上圖的一個整體趨勢告知算法，用算法的運算來描繪出物體的樣貌，這種成像的方式是應(yīng)用層所關(guān)注且通用的，除UWB雷達外，底層硬件不管使用毫米波雷達還是激光雷達，其成像原理都是采用的這種方式。

2.3UWB雷達成像應(yīng)用

當前UWB雷達成像應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域主要包括：

??軍事領(lǐng)域：便攜式UWB穿墻雷達能夠?qū)崿F(xiàn)對障礙物后面目標的探測、定位、成像和追蹤。在應(yīng)用層面主要包含建筑內(nèi)部成像，探測、跟蹤運動目標。在軍事裝備、火災及地震救援等場景有著廣泛的應(yīng)用前景和價值。

??醫(yī)療領(lǐng)域：非接觸式UWB生命監(jiān)測雷達不同于傳統(tǒng)的電極和傳感器接觸的檢測形式，可實現(xiàn)較遠距離無接觸式檢測患者的呼吸和心跳，可以在不影響患者正常休息的情況下，實現(xiàn)對患者的生命體征實時監(jiān)測。

??車載領(lǐng)域：UWB活體雷達通過活體微動作感知算法，實現(xiàn)車內(nèi)生命體征的非接觸式存在性檢測，支持靜態(tài)呼吸檢測，有效防止兒童、寵物等無行為能力的乘客滯留車內(nèi)。UWB腳踢雷達基于運動感知算法，實現(xiàn)車尾箱的非接觸式腳踢檢測。

3.1測距原理最簡單最直接的知道距離的方式便是獲取時間，距離 = 時間*速度。電磁波在空中的飛行時間ToF（Time of flight，飛行時間）可以認為是光速（299792458 m/s）。UWB作為一種高頻脈沖調(diào)制波可以為我們提供準確到皮秒級別的時間戳精度。那么我們可以簡單算一下，1ps的時間光傳播了多少米呢？29979245800*1E-12 = 0.02998cm。這個理論精度無疑是非常好的。當然實際精度不可能這么好，原因在于我們無法找到一個ps級別不出現(xiàn)誤差的晶振，那么在正常有源晶振的情況下，UWB的實際精度可以保證在10cm以內(nèi)，10cm這個精度在現(xiàn)有的無線點對點測距領(lǐng)域已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于其它無線技術(shù)了。

??雙向測距(TWR，Two Way Ranging)

雙向測距顧名思義就是通過兩邊的一收一發(fā)以及一發(fā)一收的相互配合下進行的測距，與比較常見的紅外測距不同，紅外測距就是典型的單向測距即為只用一個設(shè)備，發(fā)和收獲取到了位置，缺點也很明顯，必須有一個合適的反射點，雙向測距則解決了這個問題，雙方進行通訊后獲取到了距離信息，且是雙方都可以獲取到測距信息。

??單邊雙向測距(SS-TWR，Single Side-TWR)

前文講解了測距的基本物理原理，這里我們就來講解一下UWB測距的最基礎(chǔ)的實現(xiàn)原理，單邊雙向測距。

SS-TWR原理，如下圖，Device A在其自己時鐘TA1 時刻發(fā)起測距，Device B在其自己時鐘TB1時刻收到了Device A發(fā)起的測距幀，即Tprop1 = (TB1-TA1 ) Device A 于Device B的距離就應(yīng)該是Tprop ?*C(光速)。但是由于Device A 和Device B 時鐘不同步，所以無法確認Tprop1 的值。為了確定Tprop1 的值，Device B在收到Device A發(fā)起的測距幀后，固定延時Treply 的時間回復Device A,發(fā)射時間為TB2, Device A在TA2的時刻收到，即Tprop2 =? ?(TA2-TB2)，假設(shè)在這段時間，Device A設(shè)備Device B的位置沒有發(fā)生過改變。那么理論Tprop1 = Tprop2。為了確認Tprop的時間，在Device A的時間軸上，從發(fā)送時刻TA1 到收到Device B 回復幀的時刻TA2的耗時Troud = (TA2-TA1 )，在Device B的時間軸上，收到Device A 發(fā)起測距幀的時刻TB1到自己回復Device A 的時刻TB2的耗時Treply = (TB2-TB1 )。所以Tprop = (Troud - Treply)/2。即距離為Tprop ?*C。

圖6 SS-TWR測距原理

舉個例子：

地球和火星的距離。來自地球的老王，打電話給在火星上的老馬并看了現(xiàn)在的時間12:00:00(時分秒)，老馬接到電話，時間是18:00:00，過了一會兒，在18:05:00老馬打了電話給老王，老王在12:13:00接到電話。因為他們的頻率是一致都是以秒為單位(假設(shè))，通過這些數(shù)據(jù)可以計算信號在地球和火星間飛行的時間，往返的時間是13-5=8分鐘，(8分鐘/2)*C(光速)即為地球距離火星的距離。

??雙邊雙向測距(DS-TWR，Double Side - TWR)

其實雙邊測距是從單邊測距擴展而來，主要是用于解決測距雙方時鐘精度不一致導致的誤差問題。

在SS-TWR的基礎(chǔ)上，由于設(shè)備自身時鐘，由于溫度以及設(shè)備精度誤差等原因?qū)е碌臅r鐘偏移，即Treply延時時間越長，從而導致計算距離時的誤差越大。為了減小以及消除這種誤差，DS-TWR增加反向測量補償，如下圖所示。使用兩個往返時間測量，降低Treply的延時帶來的誤差。

即

距離為Tprop ?*C。

圖7 DS-TWR測距原理

3.2基于測距的定位方式（三邊定位）

??基于測距的定位原理

我們已經(jīng)獲知了距離，如果我們想進一步知道這個待定位對象（未知點）在這個空間的哪個地方或者在這個二維平面的哪個坐標點，就需要定位解算，從距離轉(zhuǎn)化為坐標點必須有三個已知點以及待定位對象（未知點）與這三點之間的距離，拿到這些數(shù)據(jù)后即可獲知待定位對象（未知點）的坐標點。基于測距的定位原理，其實從數(shù)學的角度分析，抽象后只有一種，就是畢達哥拉斯定理（Pythagorean Theorem）。這位古希臘數(shù)學家用代數(shù)的方式來描述平面幾何，畢達哥拉斯定理其實在中國有一個更廣為人知的名字即“勾股定理”。

??三邊定位解算

對于距離推算坐標，最簡單的方式就是畫圓，在理想情況下（三個圓均相交），三個圓會相交于一點，公式如下：

已知三點位置 (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3)

已知未知點 (x0, y0) 到三點距離 d1, d2, d3

以 d1, d2, d3 為半徑作三個圓，根據(jù)畢達哥拉斯定理，得出交點即未知點的位置計算公式：

但是對于距離計算，是不存在絕對理想的情況的，很大概率是三個圓相交甚至相離的情況下，計算出估計出一個近似值。

圖8 三角定位原理

設(shè)未知點位置為 (x, y)， 令其中的第一個球形 P1 的球心坐標為 (0, 0)，P2 處于相同縱坐標，球心坐標為 (d, 0)，P3 球心坐標為 (i, j)，三個球形半徑分別為 r1, r2, r3，z為三球形相交點與水平面高度。則有：

當 z = 0 時， 即為三個圓在水平面上相交為一點，首先解出 x: