CN104040310A - 用于检测对象在监视区域中的存在性的红外存在性检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于检测对象(9)在监视区域(8)中的存在性的检测设备(10)和方法。该设备(10)包括：至少一个红外辐射感测元件(11)，每一个红外辐射感测元件适用于生成与由红外辐射感测元件(11)从监视区域(8)内接收的红外辐射量有关的传感器信号；处理单元(12)以及用于输出所确定的对象(9)的存在性和/或从其导出的属性的输出装置(13)。处理单元(12)适用于：获得该至少一个传感器信号；通过将该至少一个传感器信号与至少一个参考值相比较来生成至少一个反差值；以及通过评估关于所述至少一个反差值的条件来确定对象(9)的存在性；以及调整该至少一个参考值以使得向该至少一个反差值施加负反馈。
Description
发明领域
本发明涉及存在性检测领域。特别地，本发明涉及通过使用热辐射传感器来确定对象在感兴趣的地带内的存在性。
发明背景
存在性或占据性检测在以下系统中被使用：即，在感兴趣的地带(例如，监视区域)中存在感兴趣的对象(例如，人)时自动采取行动的系统。例如，门(如滑动门)可在有人站在该门前时自动打开，灯可在有人进入房间或者有人在灯附近时打开，灯可在没有人在房间中时关掉，或者报警器可在检测到闯入者时被触发。
本领域已知有诸多存在性检测的方法。例如，压敏传感器或感应环可被集成在底板中以检测人或车辆的存在性。对于发热的对象，特别是对于人和/或诸如宠物等动物，检测可涉及用于检测这些对象发出的红外辐射的传感器。红外检测可使用紧凑且负担得起的技术来实施，并且相比于诸如视觉图像识别、声学感测或超声波检测等其他技术所具有的优势在于温血生物(诸如人类)发出具有特征频谱分布(例如，对于人类为9.5μm左右的峰值)并且具有相当功率(例如，对于人类为100W左右)的热辐射。由于红外辐射是由这些温血生物发出的，检测不要求外部照明。而且，不透明的、或者仅允许可见光谱中的光有限透射的许多材料对于红外辐射是透明的。
作为示例，在用于存在性或占据性检测的当前技术水平的器件中，无源红外(PIR)传感器常被用于检测监视区域中移动的发热对象。此类PIR传感器将红外能量(例如，热辐射)转换成电信号，例如，电压。此实例中的术语无源意味着PIR传感器不发出红外射束，而是仅无源地接受传入的红外辐射。用于检测人的PIR传感器可具有被调至约10μm(例如，接近9.5μm)的波长灵敏度峰值，该9.5μm是人类发出的红外辐射的峰值波长。US4,318,089公开了用于占据性检测的此类PIR传感器器件。在此文件中，用于存在性检测的现有技术PIR传感器器件可包括外壳中的一对分隔开的红外辐射感测元件，该外壳诸如是用于半导体器件的三引脚式的金属头封装，例如，TO-5封装。该外壳的进一步特征还可以在于有透明窗口以将通过该窗口传入该外壳的辐射限制在合适的波长范围，例如，介于5μm和15μm之间或介于7μm和14μm之间。此类透明窗可例如是由合适的材料(诸如锗、硅或聚乙烯)制造而成的。
在典型的现有技术PIR传感器器件中，这对红外辐射感测元件可以是例如通过两个元件的一对电气连接的匹配电杆以电压抵消配置连接(例如以反相序列连接)的热电元件。热电元件具有差分响应；温度变化促使元件上的临时电压变化，该临时电压变化将由于恒温下的漏电流而消散。然而，两个元件上的差分读出安排可能另外消除掉由于振动、环境温度变化或者视野范围照明(例如，阳光)导致的信号。包括该热电元件的外壳还可包括灵敏的场效应晶体管(FET)以读出这对灵敏元件上的电压。这两个反相序列的灵敏元件可例如在一个端子上接地，而在另一端子上可连接到FET的栅极和连接至下拉电阻。
现有技术传感器器件还典型地包括诸如菲涅耳透镜或多面抛物面镜等聚焦元件以将发热的对象(例如，人)发出的红外辐射投射到感测元件上。此聚焦元件被设计成使得移动经过检测区域(例如，经过检测器件的视野)的发热对象发出的辐射以交变方式被投射到感测元件上，即此辐射被集中在其上的元件反复地切换。因此，在FET的输出上生成交变电流，后者可被进一步放大。
以电压抵消配置(例如，以反相序列)耦合元件的优点是传感器器件变得对环境温度不敏感。然而，由于各感测元件决不会展现完全相同的特性，所以可能引起偏移量，该偏移量不得不通过基于平均低通滤波器创建浮动参考电平来滤除出系统。
在此现有技术器件的数字实施例中，进一步的滤波可以在用模数转换器(ADC)通常以例如低于10Hz的低采样率(例如5Hz)对信号进行采样之前对信号进行调理，以例如减少混叠。由于低信噪比(SNR)，例如约为2的SNR，采样率通常非常的低。在数字域中，可检测经滤波信号的峰值，该峰值若达到某一水平就将触发事件达预设的持续时间，例如，峰值可触发灯的开或门的开、以及将在经过预设的延迟后关掉该灯或关闭该门的定时器的重启，该预设的延迟通常是用户可控制的。
实现相同或相似功能的类似模拟电路在本领域已知的。在模拟和数字器件两者中，定时器延迟和器件的灵敏度可以通过更改设置来控制。
然而，此类基于PIR的检测方法可具有由于这种设计的固有区别行为导致的缺点。此类器件只是在监视区域中检测到移动的对象时才被触发。例如，当人停止不动超过基于PIR的传感器器件中用于灯开关的定时器的允许时，他会惊讶地发现灯被关掉了。
在美国专利号US4,849,737中，公开了另一种基于PIR的检测器。此现有技术传感器适于例如通过在旋转盘上布置基于PIR的检测器来机械地扫描空间。因此，此现有技术的基于PIR的检测器能够观察到相对于其周边环境基本停止不动的人，这是因为该传感器的运动建立了该人与检测器之间的相对移动。然而，此类基于PIR的传感器的检测效率可能仍然取决于检测器与被检测的人之间的相对速度。
而且，本领域中所知的PIR器件常常要求复杂的设计，例如精心设计的菲涅耳透镜，以便能够提供对被检测对象的移动方向(例如，人的行走方向)的指示。使用PIR传感器来检测人的自动滑动门因此通常不是安排在走廊的边墙上，因为仅仅是路过的人可能触发许多虚警。
而且，设计能够提供对监视区域中被检测对象的数目(例如，场景中有多少人存在)的指示的基于PIR的器件要求更高的复杂性。对存在的人数的起码指示(例如，区分是一个人还是多个人)例如在有效的因人而异的生活类监视设备中将有用于例如监视养老院中在多个老年人共享同一生活空间的情形中的应用。
发明概述
本发明的实施例的一目的是提供对热辐射发射对象的良好存在性检测。
上述目的通过根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面，本发明提供用于检测对象在监视区域中的存在性的检测设备。该设备包括：至少一个红外辐射感测元件，所述至少一个红外辐射感测元件适用于生成与从所述监视区域(8)内接收的红外辐射量有关的传感器信号；处理单元，所述处理单元适用于获得所述传感器信号，通过将所获得的传感器信号与参考值相比较来生成反差值，以及通过评估关于所述反差值的条件来确定对象的存在性；以及输出装置，所述输出装置用于输出所确定的对象的存在性和/或从其导出的属性。在本发明的实施例中，处理单元进一步适用于调整参考值以使得向反差值施加负反馈。
本发明的实施例的优势在于提供了一种在发出辐射热量的对象保持静止时以及在这些对象移动时都可对这些对象进行检测的设备。
本发明的实施例的优势在于提供了一种对不移动的发热对象(诸如加热器)可能不敏感、而对移动的发热对象(即使在这些对象暂时保持不动时)保持敏感的设备。
本发明的实施例的优势在于提供了一种可替代检测系统中的传统的基于PIR的检测器设备但无需大量重新设计的设备。
本发明的实施例的优势在于提供了一种不需要菲涅耳透镜的设备。
本发明的实施例的优势在于提供了一种不需要定时器的设备。
本发明的实施例的优势在于提供了一种可在宽范围的设定下使用而不需要调整用户可控参数(诸如灵敏度或定时器设定)的设备。
本发明的实施例的优势在于提供了一种可以紧凑并且只要求少量组件的设备。
在本发明的实施例中，处理单元可适用于：通过从传感器信号中扣除参考值来生成反差值；当所述反差值超过预定的第一水平时确定所述对象存在；以及当反差值低于预定的第二水平时通过将所述反差值的预定比例加到参考值来调整参考值以使得对反差值施加负反馈。
本发明的实施例的优势在于提供了一种对妨碍对象(诸如加热器或窗户)具有鲁棒性而对诸如人之类的目标发热对象保持敏感的设备。
本发明的实施例的优势在于提供了一种可以以动态且高效的方式适应此类妨碍对象的存在，而例如在没有目标发热对象(诸如人)存在的情况下不需要校准的设备。
在根据本发明的实施例的检测设备中，这至少一个红外辐射感测元件可包括至少一个热电堆传感器。
本发明的实施例的优势在于提供了一种可检测发出辐射热量的不移动的对象和移动的对象两者的设备。
根据本发明的实施例的检测设备还可包括环境温度传感器。在根据本发明的实施例的检测设备中，处理单元还可适用于接收来自所述环境温度传感器的温度信号并向所述传感器信号或向所述参考值施加温度校正从而考虑该温度信号。
根据本发明的实施例的检测设备的优势在于它可以用对环境条件几乎不敏感的几个参数来控制，这样可以不需要针对特定监视区域中的使用进行调谐。
在根据本发明的实施例的检测设备中，该至少一个红外辐射感测元件可包括红外辐射感测元件的阵列，并且处理单元可适用于：接收多个传感器信号，每个传感器信号是从所述阵列中的相应红外辐射感测元件处接收的；通过逐元件地将这多个传感器信号与多个参考值相比较来提供多个反差值；通过评估关于所述多个反差值的所述条件来确定对象的存在性；以及逐元件地调整这多个参考值以使得向这多个反差值施加负反馈。本发明的这些实施例的优势在于可提供一种能标识待检测的对象在监视区域中的位置的设备。
本发明的实施例的优势在于提供了一种可确定一个或多个对象在监视区域中的移动方向，以例如在用于开启滑动门的控制系统中使用时改善效率的设备。
在根据本发明的实施例的检测设备中，所述阵列的每个红外辐射感测元件可适用于生成与从监视区域的相应子地带内内接收的红外辐射量有关的传感器信号，并且所述输出装置可适用于输出这多个反差值中满足所述条件的反差值的计数和/或从其导出的属性。本发明的这些实施例的优势在于可提供一种能执行例如对房间中的人的计数的设备。
根据本发明的实施例的检测设备还可包括至少一个无线通信模块，该至少一个无线通信模块用于在所述至少一个红外辐射感测元件、所述处理单元、和/或所述输出装置之间传送信息。本发明的实施例的优势在于可提供一种可容易安装即要求较少有线连接的设备。
在第二方面，本发明提供用于检测对象在监视区域中的存在性的方法。该方法包括获得与从监视区域内接收到的红外辐射量有关的至少一个传感器信号值；通过将这至少一个传感器信号值与至少一个参考值相比较来生成至少一个反差值；以及通过评估关于所述至少一个反差值的条件来确定对象的存在性。根据本发明的实施例的方法包括调整该至少一个参考值以使得向所述至少一个反差值施加负反馈。
在根据本发明的实施例的方法中，所述提供反差值可包括从传感器信号值中扣除参考值，以及确定对象的存在性可包括评估所述反差值是否超过预定的第一水平。参考值的所述调整可包括将反差值的预定比例加到该参考值。参考值的所述调整是在满足关于所述反差值的进一步条件时执行的。
在根据本发明的实施例的方法中，评估是否满足关于所述反差值的进一步条件可包括评估所述反差值是否低于预定的第二水平。
根据本发明的实施例的方法还可包括向所述传感器信号值或向所述参考值施加温度校正从而考虑环境温度测量。
在根据本发明的实施例的方法中，获得传感器信号值可包括获得多个传感器信号值，每个传感器信号值与从监视区域的相应子地带内接收的红外辐射量有关；生成反差值可包括通过逐元件地将这多个传感器信号与多个参考值相比较来提供多个反差值；确定对象的存在性可包括评估关于所述多个反差值的所述条件；以及调整参考值可包括逐元件地调整这多个参考值以使得向这多个反差值中的每一个施加负反馈。
在所附独立和从属权利要求中陈述了本发明的具体和优选方面。来自从属权利要求的特征在适当时可与独立权利要求的特征组合，且可与其他从属权利要求的特征组合，而不仅如权利要求中明确陈述的那样。
参考以下描述的实施例，本发明的这些以及其他方面将是显而易见的且得以说明。
附图简述
图1示意性地示出根据本发明的第一方面的检测设备的第一实施例。
图2示意性地解说根据本发明的诸实施例的热电堆传感器系统的架构。
图3示意性地示出根据本发明的第一方面的检测设备的第二实施例。
图4解说借助根据本发明的第一方面的第二实施例的检测设备对对象的检测。
图5解说根据本发明的第二方面的方法的示例性方法步骤。
图6解说相对于环境温暖度的皮肤温度。
图7示出现有技术检测设备的作为时间的函数的示例性响应信号。
图8示出根据本发明的诸实施例的检测设备在存在一个感兴趣对象时的示例性响应信号。
图9示出根据本发明的诸实施例的检测设备在不存在感兴趣对象时的示例性响应信号。
附图仅仅是示例性的而非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。
权利要求书中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。
在不同附图中，相同附图标记指示相同或相似元件。
具体实施方式
将针对具体实施例且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书定义。所描述的附图只是示意性的和非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。尺寸和相对尺寸并不对应于为实践本发明的实际还原。
此外，在说明书和权利要求书中，术语“第一”、“第二”等用于在类似元素之间进行区分，而未必描述时间顺序、空间顺序、等级排序、或者任何其他方式的顺序。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，且本文中所描述的本发明的实施例能以不同于本文所描述或示出的其它顺序操作。
此外，说明书和权利要求书中的术语在……之上、在……之下等等被用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，且本文中所描述的本发明的实施例能以不同于本文所描述或示出的其它取向操作。
应注意，在权利要求中使用的术语“包括”不应当被解释为受限于下文中列出的含义；它不排除其它元件或步骤。因此它应当被解释为指定所指的所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤或部件或它们的组的存在或添加。因此，表达“包括装置A和B的设备”的范围不应受限于仅由部件A和B组成的设备。它表示相对于本发明，该设备的仅有相关部件是A和B。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中的多个位置中短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定指的是同一实施例，但也可能是同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如本领域技术人员根据本公开内容显而易见，特定特征、结构或特性可以任何适当的方式组合。
类似地，应当理解的是，在本发明的示例实施例的上述描述中，本发明的多个特征有时在单个实施例、附图及其描述中被组合到一起，以将公开内容连成整体，并帮助理解多个发明方面中的一个或多个方面。然而，本发明的方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比在每一权利要求中明确表述的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求书所反映的，各发明性方面在于比以上公开的单个实施例的所有特征要少的特征。因此，随详细说明书所附的权利要求在此明确地被包括到说明书中，其中各个权利要求独立作为本发明的单个实施例。
此外，尽管此处描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内，并且形成将按本领域技术人员理解的不同实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求的实施例中的任何一个可以任何组合使用。
在本文提供的描述中，陈述了多个具体细节。然而，应当理解，可以在不具有这些具体细节的情况下实施本发明的各实施例。在其它实例中，未详细示出众所周知的方法、结构以及技术，以免混淆对本描述的理解。
在本发明的实施例中“热电堆”指的是用于将热能转换成电能，例如用于生成指示局部温差(例如，与此温差基本成比例)的电压差的电子元件。此类热电堆包括多个互连(通常串联)的热电偶，每个热电偶例如可通过堆叠多层至少两种不同的导电材料(诸如金属合金)来获得。在热电偶中，若温差被施加至两种相异金属的两个接合点，则由于赛贝克效应而生成可与该温差成比例的电压。通过串联地组合多个热电偶，获得了对单个热电偶上所生成的相当小的电压降进行放大的热电堆。用于红外辐射检测的热电堆可被形成在半导体(例如，硅、芯片)上。例如，此芯片区域可被蚀刻掉而只剩下薄膜，可在该薄膜上沉积两种不同导电材料的交替层。两类导体可在膜的中央和在半导体基板的主体上具有交替的接合点。处于膜中央的中心接合点或热接合点随后可被合适的红外吸收层覆盖。在导体的另一端的接合点形成冷接合点。热电堆可安设在具有合适的滤波器帽(即，对于感兴趣的红外波长窗透明)的TO或SMD接头上。
在本发明的实施例中向系统的输出施加负反馈指的是对影响此输出的变量进行调整，以使得系统的输出基本保持恒定。
在第一方面，本发明涉及用于检测对象9在监视区域8中的存在性或不存在性的检测设备10。图1示出根据此第一方面的检测设备10的解说性实施例。此检测设备10包括热电堆传感器形式的至少一个红外辐射感测元件11。此红外辐射感测元件11适用于生成指示从此监视区域8内接收的红外辐射的传感器信号，即电输出信号，例如举例而言输出电压。检测设备10可包括聚焦元件7，例如透镜(举例而言硅透镜)以用于将从监视区域8内接收的红外辐射聚焦在感测元件11上，例如，来自圆锥内的红外辐射通过聚焦元件7投射到红外辐射感测元件11上。
检测设备10还包括处理单元12，后者适用于接收来自感测元件11的传感器信号。该传感器信号可经由信号线作为模拟电信号从红外辐射感测元件11传递至处理单元12。在此情形中，处理单元12可包括模数转换器(ADC)和用于执行在本文进一步阐述的逻辑和算术运算的微处理器或数字计算设备。然而，本领域技术人员将理解处理单元12可适用于模拟信号处理，并且这样实际上可执行所描述的除模数转换以外的操作。替换地，该传感器信号可以以数字形式从感测元件11传递至处理单元12，例如，该信号可被感测器件转换成数字信号并在随后例如经由总线(诸如I2C总线)进行传送。此类数字化信号也可通过无线通信模块进行传送。
处理单元12进一步适用于通过将收到的传感器信号与参考值相比较来提供反差值。此反差值可以是通过从传感器信号中扣除该参考值而计算得到的差，或者可包括向此差所施加的函数，例如三次函数。例如，该传感器信号可以由例如ADC组件以小于20Hz(举例而言小于10Hz)的采样率采样到的数字样本来表示，该采样率为诸如5Hz或更低的采样率、或者1Hz或更低的采样率、例如对于处于“睡眠模式”并且每分钟左右检查一下是否有生物存在以决定是否进入“唤醒模式”的传感器而言甚至低至0.01Hz。对于传感器信号的每个样本Ii，其中i是通过采样获得的值的时间序列的索引号，计算反差值Ci，例如Ci＝Ii-Bi-1，其中Bi-1是指在前一时间步骤i-1中提供的参考值，或者对于序列中的第一个反差值(i＝1)的计算是指预设的默认值B0。该预设的默认值B0可对应于将针对监视区域8中的足够高的温度(例如，远高于室温，例如40℃)获得的传感器信号值。
处理单元12进一步适用于通过评估关于该反差值的条件来确定对象9的存在性或不存在性。此对象9可例如在该反差值超过预定第一水平时被确定为存在。发热对象9可被假定具有高于其环境的表面温度，例如对于环境温度介于15℃和30℃之间的房间，人具有近似介于27℃和33℃之间的表面温度。参考值Bi-1可被解释为演变的背景温度校正，例如将以下文进一步讨论的方式进行调整，以追随由于环境的温度变化和在感测元件11的视野中的妨碍对象(即不作为感兴趣的对象9来检测的对象，例如加热辐射体)的温度变化引起的所观测传感器信号Ii的变化。对于室温下的区域中生物的存在性的检测，例如人存在性的检测，该存在性可通过检查反差值Ci是否超过预定的第一水平Li(其任选地可以是室温的函数)来确定，例如，该预定的第一水平Li是与针对感测到的介于0.5℃和10℃之间(例如，2℃)的温差所获得的传感器信号中的差相对应的值。关于该反差值的条件反映了关于要检测的对象9的基本假设，例如，如图6所示人的存在通常比室温更热，该假设来自“相对于环境温暖度的皮肤温度(Skin Temperature in Relation to the Warmth of theEnvironment)”，T.Bedford，卫生期刊(The Journal of Hygiene)，35卷，No.3，307-317页，1935年8月。
应注意到这是要检测的对象及其环境的特征，并且因此可以比例如当前技术的PIR传感器的定时器和/或灵敏度设置更具鲁棒性。
根据本发明的诸实施例的检测设备10包括用于输出所确定的对象9的存在性和/或从其导出的属性的输出装置13。输出装置13可包括信号线输出、数字总线接口、有线或无线网络接口或者其他电子通信装置。输出装置13还可包括功率输出以用于驱动与其连接的设备，例如致动器(诸如用于开门和关门的致动器)、报警器或灯。设备10可通过输出装置13来传达导出的属性，即与对象存在性的存在状态不同但是与其有关的信号。此类导出属性例如可以是统计量，例如在时间窗中检测到的对象的数目、或者自上次检测以来所流逝的时间。
处理单元12进一步适用于调整参考值以使得对该反差值施加负反馈。例如，可通过将反差值的预定比例加到参考值来提供负反馈。而且，在有利实施例中，此负反馈可以是有条件的，以使得只有在反差值低于预定的第二水平时才施加该负反馈。此负反馈方式可随时间调整反差值Ci，以补偿变化，例如视野中正在缓慢加热升温的辐射体。
例如，新参考值Bi可通过Bi＝Bi-1+β.Ci来提供。比例比率β可反映例如凸滤波器办法中的学习速率，并且例如对于1Hz的采样率可以具有介于0.01和0.10之间的值，例如0.05。此调整可有条件地执行，例如
其中，预定的第二水平θ可具有小于预定的第一水平的值，例如与将针对介于0.1和2℃/s之间的温差(举例而言低于1℃/s，诸如为0.2℃/s)获得的传感器信号值相对应的值。
任选地，检测设备10可包括环境温度传感器15。处理单元12可适用于接收自此环境温度传感器15的温度信号并用于向传感器信号Ii或向预定参考值Bi施加温度校正以考虑该温度信号。例如，使用环境温度传感器读数Ti，传感器信号Ii、反差值Ci以及参考值Bi都可被标准化为温度尺度，例如以℃计。总之，处理单元12可重复地执行以下操作：
1.获得样本Ii和Ti，
2.计算Ci＝Ii–Bi-1，
3.计算
4.当Ci>预定余量L时确定对象9的存在。
应注意到，此示例中的反差值是通过带符号函数来计算的，以便生成对于比背景水平热预定余量L的对象的存在性信号。当观察到比背景更冷的信号、或比背景热但不超过第二阈值θ的信号时，通常可小于L的第二阈值θ对背景参考水平进行调整。环境温度测量可被用于在变化的环境中随着时间进一步校准背景信号，由此提供标准化的反差值。这可以增强鲁棒性，即存在性确定的条件和有条件负反馈校正的条件可以用对环境条件较不敏感的单位来定义。
图2示意性地解说根据本发明的诸实施例的热电堆传感器系统10的架构，该系统包括至少一个IR辐射感测元件11，例如热电堆阵列。辐射感测元件11的信号在放大器28中被放大，并且作为传感器信号I连同来自室温的温度信息T一起被发送到背景扣除单元29。背景扣除单元29在传感器系统10检测到生物的存在时更新背景信号BG并且报告事件E。根据本发明的实施例，背景扣除单元29，将已经获得的关于所检测到的对象9和环境两者的知识考虑在内，实现背景/趋势扣除功能：
—生物(特别是人)比环境温度更暖(若要检测的对象比环境温度更冷，则功能被翻转)；以及
—“虚假对象”(诸如加热器和窗户)只是以往上方向上的低梯度随时间缓慢增加其温度。
在图3所解说的第二实施例中，该至少一个红外辐射感测元件11可包括至少两个红外辐射感测元件11。例如，该至少一个红外辐射感测元件11可包括红外辐射感测元件的阵列18，例如规则地间隔的阵列形式的红外辐射感测元件，举例而言一维阵列(诸如8x1元件阵列)，或者二维阵列(诸如8x8元件阵列)。阵列18的每个红外辐射感测元件11可适用于生成与从监视区域8的相应子地带17内接收的红外辐射的量有关的传感器信号。由此，监视区域8可被多个子地带17(例如，圆锥)覆盖，来自这些子地带17的红外光被投射到相应的感测元件11上。
例如，阵列18可以是热电堆传感器阵列，诸如集成电路上的热电堆传感器阵列。此类热电堆传感器阵列可包括覆盖共同观察角度的远程温度感测元件的集合。在温度感测元件旁，它们还可具有用于该传感器自身的温度测量的精准板上装置，例如，热敏电阻。
热电堆阵列可检测生物，例如人，不仅是运动中的人而且在他们静止时也能检测。而且，此类阵列可被用于确定生物在哪个方向上移动。
除了这多个红外辐射感测元件11外，根据本发明的第二实施例的传感器系统10还包括处理单元12。处理单元12可适用于接收多个传感器信号，每个传感器信号是从阵列18中的相应红外辐射感测元件11处接收的。每个传感器信号可关联有反差值和参考值，即处理单元12可适用于通过逐元件地比较这多个传感器信号和多个参考值来提供多个反差值：
处理单元12可进一步适用于通过评估关于这多个反差值的条件来确定对象9的存在性：其中j索引与这多个感测元件相关联的向量分量。Li可以是室温测量的函数。
在此实施例中参照图2引入的I、BG和E信号被实现为向量，具有连接至热电堆阵列传感器11的各元件的元素。这样，生物的存在性可关于传感器的角度来推断，如图4所示。样本I和T以重复性方式进行采样，例如每秒一次。
输出装置13随后可将存在性例如Ej传达给连接的设备或用户。该输出装置还可提供相关属性，例如通过对中峰值的数目进行计数来提供诸如房间中存在的人数。输出装置13例如可通过将所存储的值Ej-1或Cj-1与当前值Ej或Cj相比较来提供对象在哪个方向上移动的指示。
处理单元12可进一步适用于逐元件地调整这多个参考值以使得向这多个反差值施加负反馈。例如，
基于以从这多个感测元件11获得的信号为基础确定的此类移动检测，可驱动致动器，诸如用于开门或关门、或致动报警器或灯的致动器。这可以例如用在医院或养老院中，其中若一个或更多个专用感测元件(例如，图3中的中部感测器元件)递送存在性信号，这意味着病人处于特定位置，例如在床上或在沙发上，而若其他感测元件(例如，图3中的中部感测器元件左侧或右侧的感测器元件)递送存在性信号，这意味着该病人已经摔倒或正在到处行走。该“其他”感测元件(图3中在中部感测器元件的左侧或右侧)的这种检测可触发报警器。
在第二方面，本发明提供用于检测对象9在监视区域8中的存在性的方法20。图5中解说了此类示例性方法20。具体地，根据本发明的第二方面的方法20可由根据上文描述的本发明的第一方面的设备来执行。方法20可以用例如供在微处理器(诸如形成处理单元12的部分的微处理器)上执行的软件来实现。替换地，方法20可通过硬件设计来实现，或者可被实现为硬件和软件的组合。
此方法20包括获得(21)与从监视区域8内接收的红外辐射量有关的传感器信号值，例如由至少一个红外辐射感测元件11生成的至少一个传感器信号表示的传感器信号值。方法20还包括通过将所获得的至少一个传感器信号值与至少一个参考值相比较来生成(22)至少一个反差值。这可包括从该至少一个传感器信号值中扣除该至少一个参考值。
方法20还包括通过评估关于所述生成的至少一个反差值的条件来确定(23)对象9的存在性。此确定(23)可包括评估所生成的至少一个反差值是否超过预定的第一水平。
方法20进一步包括调整(24)参考值以使得向所述反差值施加负反馈。此调整(24)可包括将所生成的至少一个反差值的预定比例加到该参考值。而且，此调整(24)可在满足关于该反差值的进一步条件时(例如在该反差值低于预定的第二水平时)执行。
另外，方法20可包括向该至少一个传感器信号值或向该参考值施加(25)温度校正，以考虑环境温度测量。
在特定实施例中，获得(21)至少一个传感器信号值可包括获得多个传感器信号值，每个传感器信号值与从监视区域8的相应子地带17内接收的红外辐射量有关。提供反差值22可包括通过逐元件地将这多个传感器信号值与多个参考值相比较来提供多个反差值。确定(23)对象9的存在性可包括评估关于这多个反差值的条件。调整(24)参考值可包括逐元件地调整这多个参考值以使得向这多个反差值中的每一个施加负反馈。
本发明的实施例可提供用于对典型室温环境中的生物(诸如人类)的检测的准确和高效的装置和方法。本发明并不由此以任何方式受到限制，根据本发明的实施例对发热对象(诸如人对象)的检测的原理可通过以下考量来解释。通过考虑要检测的对象和环境的具体知识，可根据本发明的实施例对传感器数据执行背景扣除，即趋势移除。
首先，可假设生物(诸如人)比其环境温度更暖。对于技术人员将显而易见的是，一直比其环境更冷的对象可根据本发明的实施例通过采取用于检测和/或有条件负反馈的恰当条件来检测。其次，可假设妨碍对象(诸如加热体和窗户)仅以往上方向上的低梯度随时间缓慢地增加其温度。第三，比当前背景参考水平更冷的对象是首选的，即可快速地对其采用。若温差大于该阈值，通过对每秒温度升高的限制来对更新背景进行约束。若温度低于该阈值，则无条件地用凸滤波器对背景进行更新，以使得无约束地快速适应较低温度。
这些概念与图像处理不同，在图像处理中，人的表象通常不能被指示为在色饱和度、色调或色强度的意义上高于或低于环境的表象。
下文给出了示例以说明根据本发明的实施例的检测原理，但是本发明并不因此以任何方式受到限制。
在图7中，示出了从本领域已知的具有菲涅耳透镜的PIR传感器获得的响应曲线。该响应曲线示出了作为时间的函数的PIR响应电压。对于此示例，该传统PIR传感器朝向具有椅子的空间。人在第一时间实例71进入该空间，在持续时间区间73期间坐在该椅子上，并且在第二时间实例72再次离开。如从图7可看到的，PIR传感器以差分方式做出反应，当其检测到移动的人时(例如在第一时间实例71和第二时间实例72附近)在其输出显示出猛烈波动，但是在该人静坐时(例如，在时间区间73期间)并未显示出波动。在图7中指出示例性阈值水平74，其适用于指示活动的人的存在性。然而，由于PIR传感器的差分性质，使用类似阈值水平不可能检测出静态的人。
另一方面，根据本发明的实施例的检测设备(包括8个热电堆传感器元件)能够如图8中所示地检测出静态的人，图8中图形和数字化地示出了每传感器元件的输出值。图8示出了由根据本发明的实施例的检测设备在如图7中所示的时间区间73期间内的某时刻获得的响应。一个像素的高强度响应81对应坐着的人。作为比较，图9示出了同一设备在第一时间实例71前的某时刻，由此在该人进入房间之前获得的响应。这里，人的不存在对应于升高的像素值的不存在。显然，当选择合适的采样率时，根据本发明的检测设备能恰好地检测空间中移动的人。
Claims (15)
1.一种用于检测对象(9)在监视区域(8)中的存在性的检测设备(10)，该设备包括：
至少一个红外辐射感测元件(11)，所述至少一个红外辐射感测元件适用于生成与从所述监视区域(8)内接收的红外辐射量有关的传感器信号，
处理单元，所述处理单元适用于：获得所述传感器信号；通过将所获得的传感器信号与参考值相比较来生成反差值；以及通过评估关于所述反差值的条件来确定所述对象(9)的存在性，以及
输出装置(13)，所述输出装置用于输出所确定的所述对象(9)的存在性和/或从其导出的属性，
其特征在于：
所述处理单元(12)进一步适用于调整所述参考值以使得向所述反差值施加负反馈。
2.如权利要求1所述的检测设备(10)，其特征在于，所述处理单元(12)适用于：
通过从所述传感器信号中扣除参考值来生成反差值；
当所述反差值超过预定的第一水平时确定所述对象(9)存在；以及
当所述反差值低于预定的第二水平时通过将所述反差值的预定比例加到所述参考值来调整所述参考值以使得对所述反差值施加负反馈。
3.如权利要求1或权利要求2所述的检测设备(10)，其特征在于，所述至少一个红外辐射感测元件(11)包括至少一个热电堆传感器。
4.如前述权利要求中的任意一项所述的检测设备(10)，其特征在于，该设备(10)还包括环境温度传感器(15)。
5.如权利要求4所述的检测设备(10)，其特征在于，所述处理单元(12)还适用于从所述环境温度传感器(15)接收温度信号并向所述传感器信号或向所述参考值施加温度校正从而考虑所述温度信号。
6.如前述权利要求中的任意一项所述的检测设备(10)，其特征在于，所述至少一个红外辐射感测元件(11)包括红外辐射感测元件的阵列(18)，并且所述处理单元(12)适用于：接收多个传感器信号，每个传感器信号是从所述阵列中的相应红外辐射感测元件接收的；通过逐元件地将所述多个传感器信号与多个参考值相比较来提供多个反差值；通过评估关于所述多个反差值的所述条件来确定所述对象(9)的存在性；以及逐元件地调整所述多个参考值以使得向所述多个反差值施加负反馈。
7.如权利要求6所述的检测设备(10)，其特征在于，所述阵列中的每个红外辐射感测元件(11)适用于生成与从所述监视区域(8)的相应子地带(17)内接收的红外辐射量有关的传感器信号，并且所述输出装置适用于输出所述多个反差值中满足所述条件的反差值的计数和/或从其导出的属性。
8.如前述权利要求中的任意一项所述的检测设备(10)，其特征在于，还包括至少一个无线通信模块，所述至少一个无线通信模块用于在所述至少一个红外辐射感测元件(11)、所述处理单元(12)和/或所述输出装置(13)之间传送信息。
9.一种用于检测对象(9)在监视区域(8)中的存在性的方法(20)，所述方法(20)包括：
获得(21)与从所述监视区域(8)内接收的红外辐射量有关的至少一个传感器信号值，
通过将所述至少一个传感器信号值与至少一个参考值相比较来生成(22)至少一个反差值；
通过评估关于所述至少一个反差值的条件来确定(23)所述对象(9)的存在性，
其特征在于，所述方法还包括：
调整(24)所述至少一个参考值以使得向所述至少一个反差值施加负反馈。
10.如权利要求9所述的方法(20)，其特征在于，所述提供(22)反差值包括从所述传感器信号值中扣除所述参考值，以及确定(23)所述对象(9)的存在性包括评估所述反差值是否超过预定的第一水平。
11.如权利要求10所述的方法(20)，其特征在于，所述调整(24)所述参考值包括将所述反差值的预定比例加到所述参考值。
12.如权利要求11所述的方法(20)，其特征在于，所述调整(24)所述参考值是在满足关于所述反差值的进一步条件时执行的。
13.如权利要求12所述的方法(20)，其特征在于，评估是否满足关于所述反差值的进一步条件包括评估所述反差值是否低于预定的第二水平。
14.如权利要求9至13中任意一项所述的方法(20)，其特征在于，还包括向所述传感器信号值或向所述参考值施加温度校正从而考虑环境温度测量。
15.如权利要求9至14中的任意一项所述的方法(20)，其特征在于，获得(21)传感器信号值包括获得多个传感器信号值，每个传感器信号值与从所述监视区域(8)的相应子地带(17)内接收的红外辐射量有关；生成反差值(22)包括通过逐元件地将所述多个传感器信号与多个参考值相比较来提供多个反差值；确定(23)所述对象(9)的存在性包括评估关于所述多个反差值的所述条件；以及调整(24)所述参考值包括逐元件地调整所述多个参考值以使得向所述多个反差值中的每一个施加负反馈。
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