CN102680964A - 基于快速傅里叶变换的微波探测方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种基于傅里叶变换的微波探测方法，包括：对运动物体发射微波探测信号，接收运动物体的回波信号，并将微波探测信号和回波信号叠加为时域模拟信号；对所述时域模拟信号以采样频率f进行采样并进行模数转换，得到时域离散数字信号；每隔一时间间隔Δt，对P个离散时域数字信号进行一次快速傅里叶变换，得到频域信号；对所述频域信号的特定频段的幅值进行积分求和，得到积分和SumA；对包括当前时刻的前N次积分和SumA进行累加，得到累加和SUM；将该累加和SUM与预先存储的“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，得到运动物体的当前距离。本发明还提供了一种基于傅里叶变换的微波探测设备。本发明提高了距离判断精度，而且能够抵抗干扰信号。

Description

基于快速傅里叶变换的微波探测方法和设备
技术领域
本发明涉及对物体运动模式的探测，更具体而言，涉及基于快速傅里叶变换的微波探测方法和设备。
背景技术
现有技术中，特别是应用于卫浴场所的微波探测技术存在很多的技术问题。因为在例如卫浴场所一般比较小，物体的运动速度比较低，需要对物体的运动情况（例如距离）要求比较高的精度。微波传感器一般设定为隐藏状态，对物体的运动情况（例如距离）的探测精度比较差。而且由于微波传感器自身功率受限，其输出的信号幅值小（幅值反映了物体距传感器的距离），容易受外界干扰。现有的微波探测技术是对微波传感器输出的信号的某一时刻的幅值与预先设定的阈值进行比较判断，没有产生距离值。但是，这样存在以下弊端：对感应距离的判断精度差；对外界的干扰信号（如工频干扰、手机干扰等）没有效滤除。
以上这些弊端都使得微波探测装置发出错误信号，卫浴设施产生误操作。因此，现在亟需一种解决上述问题的微波探测装置。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于快速傅里叶变换的微波探测方法，包括：
对运动物体发射微波探测信号，接收运动物体的回波信号，并将微波探测信号和回波信号叠加为时域模拟信号；
对所述时域模拟信号以采样频率f进行采样并进行模数转换，得到时域离散数字信号；
每隔一时间间隔Δt，对P个离散时域数字信号进行一次快速傅里叶变换，得到频域信号；
对所述频域信号的第一频率和第二频率之间的特定频段的幅值进行积分求和，得到积分和SumA，其中所述特定频段根据运动物体的运动特征而确定；
对包括当前时刻的前N次积分和SumA进行累加，得到累加和SUM；
将该累加和SUM与预先存储的“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，得到运动物体的当前距离。
本发明还提供一种基于傅里叶变换的微波探测设备包括：
微波探测器，其对运动物体发射微波探测信号，接收运动物体的回波信号，将微波探测信号和回波信号叠加为时域模拟信号，并输出该时域模拟信号；
采样及模数转换器，其接收来自微波探测器的时域模拟信号，对所述时域模拟信号以采样频率f进行采样并进行模数转换，得到离散时域数字信号；
快速傅里叶变换装置，其接收来自采样及模数转换器的离散时域数字信号，每隔一时间间隔Δt，对P个离散时域数字信号进行快速傅里叶变换，得到频域信号；
运动状态判断装置，其对所述频域信号的特定频段的幅值进行积分求和，得到积分和SumA，对多个积分和SumA进行累加，得到累加和SUM，将该累加和SUM与预先存储的“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，得到运动物体的当前距离。
本发明精度高，可比传统的微波探测技术提高50%以上的精确度。进一步，本发明具有很高的抗干扰性强，特别是针对工频干扰和手机干扰。进一步，本发明可在出厂前进行校准，弥补微波传感器灵敏度不一的缺点。
附图说明
图1为本发明的方法的简要流程图；
图2本发明的方法的标准累加和SUM-距离曲线的一个实施例；
图3为本发明的设备的原理图；
图4为现有技术的感应精度实验数据图；
图5为本发明的感应精度实验数据图。
具体实施方式
图1为本发明的方法的简要流程图。首先，利用微波传感器对运动物体进行探测，微波传感器发射微波探测信号，运动物体返回回波信号。微波传感器对收到的微波信号和发射出的微波探测信号进行叠加得出低频时域模拟信号,再对此时域模拟信号进行连续采样和模数转换，将时域连续模拟信号转换为时域离散数字信号。其中采样频率f根据该运动物体的运动特征（速度、运动方向）而设定。优选地，采样频率f至少要高于所需探测的最高频率2倍。
接下来，针对采样和模数转换后的时域离散数字信号，每隔一时间间隔Δt对连续的P个时域离散数字信号进行一次快速傅里叶变换，即进行P点快速傅里叶变换，得到物体的一次运动频谱曲线，该频谱曲线明了物体的运动特征在频域的分布情况，其中频谱曲线的幅值A表现了该物体距传感器的距离。
然后，对输出的运动频谱特征中的特定频段，即第一频率（其小于或等于所需探测的最低频率）和第二频率（大于第一频率，且大于或等于所需探测的最高频率）之间的幅值A进行积分求和，得到SumA。再将当前时刻之前的前N次（含本次）的积分和SumA累加，即对包括当前时刻的前N次积分和SumA进行累加，得到累加和SUM。将该累加和SUM与“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，从而测量出当前距离。
其中，“累加和SUM-距离标准曲线”在传感器出厂时存储到传感器内或本发明的微波探测设备（在下面详述）的非易失性存储器（见图3）中，该“累加和SUM-距离标准曲线”通过如下方式获得：物体以常规速度运动（例如对于人体而言为1m/s），选取多个目标距离（例如2m、1.5m、1m…0.5m），以上述方法分别计算在所述多个目标距离处的累加和SUM，通过插值方法获得“累加和SUM-距离标准曲线”。图2显示了一“累加和SUM-距离标准曲线”的示意图。
另外，因为回波信号幅值可能比较小以及有干扰，在进行采样和模数转换前，可以对微波传感器输出的信号进行调理处理，包括放大和带通滤波处理。放大信号并滤除杂波信号，以提高后续数据处理的精度。其中带通滤波的下转折频率和上转折频率根据该运动物体的运动特征（例如速度、运动方向）而设定。而采样频率f优选地设定为所述带通滤波器的上转折频率的3倍左右。更优选地，还需考虑探测所需精度以及数据计算量来设定采样频率f。
进一步，由于物体的体积对传感器输出的信号的幅值有影响，物体体积越大，信号幅度也越大。所以可以通过对物体的体积进行测定来消除体积对信号幅度的影响。在测量“累加和SUM-距离标准曲线”时，设定一标准体积（例如一般人体体积相差不大），测量该标准体积物体的累加和SUM。再选择一相对该标准体积很小的物体，测量该物体的累加和SUM。两者相减则得到标准体积对累加和SUM的体积贡献量，得到校准的“累加和SUM-距离标准曲线”并存储到微波探测器或存储器中。在实际探测时，在得到累加和SUM后减去该体积贡献量，再与“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，所以消除了体积的影响，从而得到更精确的距离值。
因此，通过以上方式可以针对不同类型的被感应物体（例如人体、球）来校准该传感器的“累加和SUM-距离标准曲线”。
进一步，为了提高精度，消除某些频率的干扰信号的影响，可以在获得“累加和SUM-距离标准曲线”后，测量物体静止时的上述干扰信号的累加和SUM，即干扰信号贡献量，并存储到微波传感器或存储器中。将该累加和SUM减去所述干扰信号贡献量，得到校准后的“累加和SUM-距离标准曲线”。在实际探测时，在得到物体的累加和SUM后，减去该干扰信号贡献量，再与存储的“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，得到当前距离。
以10.525GHz多谱勒微波传感器为例（具体请参考申请号为200910053657.3的专利申请“微波多普勒传感系统天线”以及申请号为200910052832.7的专利“低速微波探测系统”）。根据多谱勒原理，微波传感器输出的信号频率Fout与被感应运动物体的运动速度Vm的关系为：
Fout=2×Vm×(Fmv/C)×Cosθ
其中：Fmv为传感器发射的微波频率，即10.525GHz，
C为光速，C=300,000,000m/s，
θ为运动物体的运动方向和传感器微波发射方向的夹角，这里取0度计算，表示运动物体的运动方向和传感器微波发射方向一致。
将上述值代入公式，并且在本发明的某些应用场合，通常运动物体的运动速度小于2m/s，因此，当物体的运动速度为1m/s时：
Fout=2×1×(10.525GHz/300,000,000)×Cos 0=2×1×35.08=70Hz
当物体的运动速度为2m/s时：
Fout=2×2×(10.525GHz/300,000,000)×Cos 0=2×2×35.08=140Hz
对传感器输出的信号进行调理处理，包括放大和带通滤波。带通滤波的下转折频率设定为10Hz，带通滤波的上转折频率设定为350Hz。其中带通滤波的下转折频率和上转折频率根据该运动物体的运动特征（速度、方向）而设定。
然后，对调理后的模拟信号进行采样和模数转换以得到时域离散数字信号。信号的采样周期T为1ms,即采样频率f=1KHz，为带通滤波上转折频率的3倍左右。每隔Δt=32ms对连续的P=128个离散时域数字信号进行一次快速傅里叶变换，得到0-500Hz的频谱。上述采样间隔Δt和P的选择根据微波探测设备的运算处理能力以及所需精度设定。
另外，外界的工频干扰一般为50Hz/60Hz，经过半波整流后为100Hz/120Hz。GSM等手机干扰一般为220Hz。因此，对每次快速傅里叶变换的输出频谱中的4Hz-92Hz的幅值A进行积分求和，避开了工频干扰和手机干扰，得到SumA（第一频率取值4Hz,第二频率取值92Hz）。在将当前时刻之前的前N=16次的积分和SumA累加，得到累加和SUM。将该累加和SUM与“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，从而得到物体的当前距离。其中N的选择根据微波探测设备的运算处理能力以及所需精度设定。
为了避免工频为50Hz/60Hz，半波整流后为100Hz/120Hz的工频干扰，以及220Hz的GSM手机干扰，所述第一频率和第二频率的选择为低于100Hz（国内）或120Hz（国外）。因为基于物体（特别是人体）的正常运动速度，其频谱基本集中在低频部分，即使人体高速运动，其频谱的100Hz以下的低频部分也很丰富，足以表现出物体的距离特征。
进一步，还可以选择第二频率大于100Hz（国内）或120Hz（国外）。此时为了避免工频干扰，在传感器出厂前，物体静态时测量工频及附近频率的累加和SUM，即干扰信号贡献量，在获得“累加和SUM-距离标准曲线”时减去所述干扰信号贡献量，得到校准后的“累加和SUM-距离标准曲线”。在实际探测时，计算得到的累加和SUM减去该干扰信号贡献量，再与“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，从而动态消除该工频干扰的影响。对GSM手机干扰的影响，同样可以应用该方法。
对输出频谱中4Hz到92Hz的幅值进行积分求和可以避开工频干扰，同时由于物体（例如卫浴场所内的人体）正常的运动速度在1米/秒左右，并且通过实测，即使物体高速运动，其频谱的92Hz以下的低频部分也很丰富。所以仅对频谱中4Hz到92Hz的幅值进行积分求和不会丢失信号的主要成分。
本发明还提供一种基于快速傅里叶变换的微波探测设备。其原理图如图3所示，微波探测设备包括微波传感器、信号调理装置和数字信号处理装置。数字信号处理装置包括采样及模数转换器、快速傅里叶变换装置和运动特征判断装置。
具体来说，微波传感器对物体进行探测，输出反映了物体的运动特征的信号。因为输出的信号一般都比较小和有杂信，优选地，可以对其进行调理，即微波传感器输出信号至信号调理装置，信号调理装置对该信号进行调理处理。信号调理装置包括放大器和带通滤波器（例如可以用TI公司的LMV358加阻容器件实现），分别对信号进行放大和带通滤波。带通滤波器的下转折频率和上转折频率根据该运动物体的运动特征（例如速度、运动方向）而设定。
经过放大和带通滤波的信号被传输至采样及模数转换装置，在该模块中，对信号进行连续采样和模数转换，将时域模拟信号转换为时域离散数字信号。其中采样频率f根据该运动物体的运动特征（例如速度、运动方向）而设定。优选地，采样频率f设定为所述带通滤波器的上转折频率的3倍左右。
采样及模数转换装置输出时域离散数字信号至快速傅里叶变换装置。在该装置中，每隔一定时间间隔Δt对得到的时域离散数字信号中的连续的P个进行一次快速傅里叶变换，即进行P点快速傅里叶变换，得到物体的一次运动频谱特征曲线，该频谱特征曲线表明了物体的运动特征在频域的分布情况，其中信号幅值反映了物体距传感器的距离。
快速傅里叶变换装置的输出信号的频谱被传输到运动状态判断装置的积分求和单元，积分求和单元对运动频谱特征中的第一频率和第二频率之间的幅值A进行积分求和，得到积分和SumA，再将当前时刻之前的前N次(含本次)的积分和SumA累加，得到累加和SUM，传送给比较单元。比较单元将此累加和SUM与从存储器读出的“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，从而得到对应的当前距离。对于其他优选实施方式，与参照图1所描述的实质相同，在此不再赘述。
另外，在获得当前距离之后，本发明的微波探测设备可以将该距离输出至另一控制设备，该控制设备将该距离与阈值相比较，根据比较结果输出信号控制例如卫浴设施进行动作。例如，如果距离小于最小阈值，则命令卫浴设施开始工作；如果距离大于最大阈值，则命令卫浴设施停止工作。
本发明的技术方案的一个优点是精度高，可比传统的微波探测技术提高50%以上的精确度。下面的表1显示了传统的微波探测器的测试实验数据，对5个传统装置针对其感应距离各进行了10次测量。以第2号机器为例，其感应距离从145cm分布到160cm，浮动比较大。图4更直观地表现了其测试结果，每个机器的感应距离点的位置没有重叠，比较分散。
Figure BDA00001646390800071
Figure BDA00001646390800081
表1（单位：cm）
表2显示了本发明的基于傅里叶变换的微波探测设备的测试实验数据,针对5个本发明的装置进行测量，测量的感应距离比较接近，精度提高了。图5更直观的表现了其测试结果，以第1号机器为例，其测量10次的感应距离均为150cm，在图5中表现为一个点。
Figure BDA00001646390800082
表2（单位：cm）
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于傅里叶变换的微波探测方法，其特征在于，包括：
对运动物体发射微波探测信号，接收运动物体的回波信号，并将微波探测信号和回波信号叠加为时域模拟信号；
对所述时域模拟信号以采样频率f进行采样并进行模数转换，得到时域离散数字信号；
每隔一时间间隔Δt，对P个离散时域数字信号进行一次快速傅里叶变换，得到频域信号；
对所述频域信号的第一频率和第二频率之间的特定频段的幅值进行积分求和，得到积分和SumA，其中所述特定频段根据运动物体的运动特征而确定；
对包括当前时刻的前N次积分和SumA进行累加，得到累加和SUM；
将该累加和SUM与预先存储的“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，得到运动物体的当前距离。
2.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的微波探测方法，其特征在于，还包括：对所述时域模拟信号采样前对其进行调理，所述调理包括对所述时域模拟信号进行放大和带通滤波，其中所述带通滤波的下转折频率和上转折频率根据运动物体的运动特征而确定。
3.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的微波探测方法，其特征在于，所述采样频率f设定为所述上转折频率的三倍，所述时间间隔Δt根据运动物体的运动特征而确定。
4.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的微波探测方法，其特征在于，获得预先存储的“累加和SUM-距离标准曲线”的方法为，通过在多个已知距离处测量所述累加和SUM，并通过插值方法得到“累加和SUM-距离标准曲线”。
5.根据权利要求4所述的基于傅里叶变换的微波探测方法，其特征在于，还包括第一校准“累加和SUM-距离标准曲线”的步骤：在得到“累加和SUM-距离标准曲线”后，测量运动物体静态时特定频率的干扰信号的累加和SUM，作为干扰信号贡献量，并存储该干扰信号贡献量，将“累加和SUM-距离标准曲线”中的累加和SUM减去该干扰信号贡献量，得到校准的“累加和SUM-距离标准曲线”并存储；
在对包括当前时刻的前N次积分和SumA进行累加，得到累加和SUM后，将该累加和SUM减去所述干扰信号贡献量，再与校准的“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，得到运动物体的当前距离。
6.根据权利要求4或5所述的基于傅里叶变换的微波探测方法，其特征在于，还包括第二校准“累加和SUM-距离标准曲线”的步骤：测量一特定体积的运动物体的累加和SUM，作为体积贡献量，并存储体积贡献量，将“累加和SUM-距离标准曲线”中的累加和SUM减去该体积贡献量，得到校准的“累加和SUM-距离标准曲线”并存储；
在对包括当前时刻的前N次积分和SumA进行累加，得到累加和SUM后，将该累加和SUM减去所述体积贡献量，再与校准的“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，得到运动物体的当前距离。
7.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的微波探测方法，其特征在于，所述第一频率小于所需探测的最低频率，所述第二频率大于所需探测的最高频率。
8.一种基于傅里叶变换的微波探测设备，其特征在于，包括：
微波探测器，其对运动物体发射微波探测信号，接收运动物体的回波信号，将微波探测信号和回波信号叠加为时域模拟信号，并输出该时域模拟信号；
采样及模数转换器，其接收来自微波探测器的时域模拟信号，对所述时域模拟信号以采样频率f进行采样并进行模数转换，得到离散时域数字信号；
快速傅里叶变换装置，其接收来自采样及模数转换器的离散时域数字信号，每隔一时间间隔Δt，对P个离散时域数字信号进行快速傅里叶变换，得到频域信号；
运动状态判断装置，其对所述频域信号的特定频段的幅值进行积分求和，得到积分和SumA，对多个积分和SumA进行累加，得到累加和SUM，将该累加和SUM与预先存储的“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，得到运动物体的当前距离。
9.根据权利要求8所述的基于傅里叶变换的微波探测设备，其特征在于，所述运动状态判断装置包括：
积分求和单元，其针对快速傅里叶变换装置进行的每次快速傅里叶变换所得到的频域信号，对所述频域信号的第一频率和第二频率之间的特定频段的幅值进行积分求和，得到积分和SumA，其中所述特定频段根据运动物体的运动特征而确定；并且对包括当前时刻的前N次积分和SumA进行累加，得到累加和SUM；
存储器，其存储“累加和SUM-距离标准曲线”；以及
比较单元，其将所述累加和SUM与从存储器读出的“累加和SUM-距离标准曲线”相比对，得到运动物体的当前距离。
10.根据权利要求8所述的基于傅里叶变换的微波探测设备，其特征在于，还包括信号调理装置，信号调理装置接收来自微波传感器的时域模拟信号，对所述时域模拟信号进行调理，所述调理包括对所述时域模拟信号进行放大器和带通滤波器，其中所述带通滤波器的下转折频率和上转折频率根据运动物体的运动特征而确定。
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