CN108153410B - 用于基于雷达的姿态检测的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于感测动作姿态的绝对距离和相对移动的并行检测。一种姿态检测系统使用两个雷达频区并行检测目标对象的绝对距离和相对移动。一种基于雷达的检测设备经由雷达发射设备交替传送第一雷达频区和第二雷达频区，并且然后捕获由第一雷达频区和第二雷达频区反射离开目标对象所生成的第一返回信号和第二返回信号。所述基于雷达的检测设备将所述返回信号解调为第一正交信号集合和第二正交信号集合，并且在一些情况下，从相应正交信号生成第一数字样本集合和第二数字样本集合。各个方面对所述第一数字样本集合和第二数字样本集合进行处理以并行识别绝对距离和相对移动，并且有时确定目标对象所执行的空中姿态。

Description

用于基于雷达的姿态检测的方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年12月5日提交的美国临时专利申请序列号62/430,276的优先权，其公开内容通过引用全部并入本文。
技术领域
本申请涉及用于感测动作姿态的绝对距离和相对移动的并行检测。
背景技术
提供本背景技术的描述是为了在总体上给出本发明的场境(context)。除非本文另外有所指示，否则本章节中所描述的素材既不明确也不隐含地承认构成本公开或所附权利要求书的现有技术。
为了控制计算机的功能或者与其进行交互，用户经常使用各个输入设备进行录入。作为一个示例，手持或可附接的检测设备有时能够被物理耦合至执行姿态的手以作为一种捕获有关姿态的速度或有向移动信息的方式。进而，该可附接设备与计算机进行通信以提供来自用户的输入。然而，用户必须首先定位检测设备，然后适当地附接或保持它以便恰当捕获姿态的所期望特性。这在用户无法定位检测设备时能够是不便或存在问题的，或者在用户并未恰当附接所述设备的情况下引入误差。将检测设备物理耦合至执行空中姿态的手的一种替选方式是无线检测。无线检测的挑战涉及到硬件的复杂度、大小和/或成本，因为它们会约束或限制什么类型的设备能够包含无线姿态检测。例如，调频连续波(FMCW)雷达检测使用宽带宽上的信号。这些宽带宽操作条件利用复杂且庞大的硬件，因此使FMCW雷达检测不适于或无法可行地在便携式设备(例如，智能手表或移动电话)中使用。
发明内容
提供该发明内容而以简化形式对在下文的具体实施方式中进一步进行描述的概念的选择进行介绍。该发明内容并非意图标识所请求保护的主题限定特征。
一种姿态检测系统使用两个雷达频区并行检测目标对象的绝对距离和相对移动。一种基于雷达的检测设备经由雷达发射设备交替传送第一雷达频区和第二雷达频区，并且然后捕获由第一雷达频区和第二雷达频区反射离开目标对象所生成的第一返回信号和第二返回信号。所述基于雷达的检测设备将所述返回信号解调为第一正交信号集合和第二正交信号集合，并且在一些情况下，从相应正交信号生成第一数字样本集合和第二数字样本集合。各个方面对所述第一数字样本集合和第二数字样本集合进行处理以并行识别绝对距离和相对移动，并且有时确定目标对象所执行的空中姿态。
附图说明
参考以下的附图对经由双频区雷达姿态检测系统进行的绝对距离和相对移动检测的各个方面进行描述。各附图中相同附图标记被用来引用相似的特征和组件：
图1图示了依据一个或多个实施例的采用姿态的双频区雷达检测的示例环境；
图2图示了依据一个或多个实施例的图1的计算设备的更为详细的示例实施方式；
图3图示了一般信号性质的示例；
图4图示了依据一个或多个实施例的采用姿态的双频区雷达检测的示例环境；
图5图示了依据一个或多个实施例的采用姿态的双频区雷达检测的示例环境；
图6图示了依据一个或多个实施例的采用姿态的双频区雷达检测的示例环境；
图7图示了依据一个或多个实施例的示例双频区雷达检测系统；
图8图示了依据一个或多个实施例的载波频率信号的矢量图；
图9图示了依据一个或多个实施例的能够被用于姿态的双频区雷达检测的I/Q星座图；
图10图示了依据一个或多个实施例的能够被用于姿态的双频区雷达检测的I/Q星座图；
图11图示了依据一个或多个实施例的示例流程图；
图12a和12b图示了依据一个或多个实施例的来自使用双频区雷达检测系统的实验的测试结果；
图13图示了依据一个或多个实施例的来自使用双频区雷达检测系统的实验的测试结果；
图14图示了依据一个或多个实施例的来自使用双频区雷达检测系统的实验的测试结果；
图15图示了依据一个或多个实施例的其中能够采用空中姿态的双频区雷达检测的示例设备。
具体实施方式
概述
双频区雷达检测系统提供了一种紧凑且可负担开销的姿态检测系统，相对宽带的雷达检测系统。一种基于雷达的检测设备在经由雷达发射设备传送第一雷达频区和传送第二雷达频区之间进行交替。有时，所述基于雷达的检测设备使用单个雷达发射设备，并且重新配置所述雷达发射设备以在传送第一雷达频区和第二雷达频区之间进行交替。在传送第一雷达频区时，所述基于雷达的检测设备捕获第一返回信号，并且在传送第二雷达频区时捕获第二返回信号，其中所述返回信号分别由第一雷达频区和第二雷达频区反射离开目标对象所生成。所述基于雷达的检测设备将所述第一和第二返回信号分别解调为第一正交信号集合和第二正交信号集合。在一些情况下，所述基于雷达的检测设备对所述正交信号进行数字化以分别生成第一数字样本集合和第二数字样本集合。各个方面诸如通过向第一数字样本集合和第二数字样本集合应用数字信号处理而从所述正交信号提取相位偏移和/或相位差信息以并行识别绝对距离和相对移动。在确定绝对距离和相对移动时，所述基于双频区雷达的检测设备能够确定目标对象所执行的空中姿态。
在以下讨论中，首先描述能够在其中采用各个方面的示例环境。随后是对示例射频(RF)信号传播性质以及它们能够如何被用于空中姿态检测的讨论。在此之后，对经由双频区姿态检测系统的绝对距离和相对移动检测进行描述。最后，描述能够在其中采用基于双频区雷达的姿态检测系统的示例设备。
示例环境
图1图示了能够在其中采用双频区雷达检测系统来检测空中姿态的示例环境100。示例环境100包括能够以基于雷达的姿态检测组件104的方式来无线感测、检测和辨识姿态的计算设备102。这里，计算设备102假设为经由扬声器输出音频流的便携式无线头戴式耳机的形式。为了接收来自用户的输入命令，计算设备102(经由基于雷达的姿态检测组件104)使用雷达来检测空中姿态。例如，用户能够执行各个空中姿态以增大或减小音频音量、跳过正在播放的当前音频轨道、暂停音频播放、等等。有时，所述计算设备利用双频区雷达姿态检测系统来检测和识别这些输入姿态。
基于雷达的姿态检测组件104表示使用雷达识别目标对象的特性的功能，所述目标对象诸如执行空中姿态的手。有时，基于雷达的姿态检测组件104不仅识别与目标对象和/或姿态相关的特性，而且还识别具体姿态(例如，单次敲击姿态、双次敲击姿态、向左轻扫、向前轻扫、向右轻扫、手指作出形状)。在一些情况下，基于雷达的姿态检测组件104捕获足够分辨率的特性从而将微姿态与其它姿态区分开来，其中微姿态包含能够在毫米(mm)至亚毫米(sub-mm)尺度上测量的差异。为了识别不同类型的姿态以及它们相对应的特性，计算设备有时使用双频区雷达姿态检测系统来确定目标对象的绝对距离和相对移动。短语“绝对距离”的使用指示固定距离或固定点而不是绝对或确切的现实世界值(real-worldvalue)，而短语“相对移动”则指示在该固定距离或固定点周围的移动。然而，在现实世界应用中，确定“绝对距离”或“相对移动”的测量或估计在该值中会包括偏离确切值的某些误差。
基于雷达的姿态检测组件104包括用于传输和接收各个RF信号的双频区雷达前端组件106。作为检测过程的一部分，所述双频区雷达前端组件发射或传送朝向感兴趣目标传播的两个载波频率频区。这些频区能够被同时传送，或者替选地，其中基于雷达的姿态检测组件104配置和/或重新配置信号源以控制哪个频区被传送，何时在两个频区之间交替，以什么持续时间来传送每个频区，等等。当所传送的频区反射离开感兴趣目标时，信号反射朝向计算设备102传播回来并且经由双频区雷达前端组件106的天线和接收器系统被接收。能够使用任何合适类型的接收器系统。在一些情况下，双频区雷达前端组件106包括零中频(homodyne)接收器系统以将所接收的信号解调为基带正交信号(I和Q分量信号)。然后，所述双频区雷达前端组件将所解调的基带信号路由至数字信号处理(DSP)组件108以供数字化和分析。
数字信号处理组件108通常表示将模拟信号转换为数字表示并且对所述数字表示进行处理以提取任何所期望信息的功能。例如，数字信号处理组件108可以包括两个同步的模数转换器(ADC)以对前端组件所生成的基带正交信号进行采样(例如，用于所接收信号的I分量的第一ADC，用于所接收信号的Q分量的第二ADC)。在对正交信号进行数字化时，数字信号处理组件108处理样本以提取与信号从其进行反射的目标对象相关的绝对距离和相对移动信息。数字信号处理组件108有时以数字方式提取相位偏移和/或相位差信息，如以下进一步所描述，所述信息然后被用来确定绝对距离和相对移动。
手110表示用户的基于雷达的姿态检测组件104处于对其的检测过程之中的手。这里，手110处于自由空间中，并且不具有附接至其的、耦合至计算设备102和/或基于雷达的姿态检测组件104或者与之进行通信的物理设备。在手110执行姿态时，所述基于雷达的姿态检测组件使用其双频区雷达检测系统以无线方式识别所述姿态的对应特性。
信号112总体上表示由基于雷达的姿态检测组件104所传送和接收的两个RF信号。出于该讨论的目的，信号112可互换地被称作RF信号、载波频率信号、载波频率雷达频区、载波频率频区、和/或雷达频区。在一些情况下，基于雷达的姿态检测组件104在相同天线上发射指向手110的每个RF信号和/或雷达频区。在其它时间，每个RF信号和/或雷达频区在相应天线上进行传送。这些RF信号能够被同时或交替传送。在所传送信号到达手110时，至少一部分反射回到基于雷达的姿态检测组件104并且被处理，如本文进一步所描述的。信号112可以具有能量水平、载波频率、突发周期(burst periodicity)、脉冲宽度、调制类型、波形、相位关系等的任何合适组合。信号112的配置以及反射信号如何被处理能够由基于雷达的姿态检测组件104来管控。
已经总体上描述了可以在其中实现基于双频区雷达的姿态检测系统的环境，现在考虑更为详细地图示出图1的计算设备102的示例实施方式的图2。计算设备102表示能够利用基于双频区雷达的姿态检测系统的任何合适类型的计算设备。在该示例中，作为示例而非限制，各个设备包括：智能眼镜102-1、智能手表102-2、移动电话102-3、平板计算机102-4、膝上计算机102-5、和显示监视器102-6。所要意识到的是，这些仅是出于说明目的的示例，并且能够采用任何其它合适类型的计算设备而并不背离所请求保护主题的范围，诸如游戏控制台、照明系统、音频系统、电冰箱、微波炉等。
计算设备102包括处理器202和计算机可读存储介质204。被实施为计算机可读存储介质204上的计算机可读指令的应用206和/或操作系统(未示出)能够由处理器202所执行以调取本文所描述的一些或全部功能或者与所述功能进行对接，诸如通过姿态传感器应用编程接口(API)208。在一些情况下，应用206在已经检测到空中姿态时从基于雷达的姿态检测组件104(经由API 208)接收输入和/或通知。在其它时间，应用通过利用姿态传感器API 208确定和/或设置基于雷达的姿态检测组件104的各个操作参数以发送命令并接收信息，诸如算法选择、信号配置等。
姿态传感器API 208提供被合并到基于雷达的姿态检测组件104之中的各个例程和功能的编程访问。例如，基于雷达的姿态检测组件104可以具有程序接口(套接字连接、共享存储器、读/写寄存器、硬件中断等)，其能够与姿态传感器API 208合作被用来允许应用206与基于雷达的姿态检测组件104进行通信和/或对基于雷达的姿态检测组件104进行配置。有时，姿态传感器API 208向基于雷达的姿态检测组件104中提供高层级访问以便对实现细节和/或来自调用程序的硬件访问、关于所识别事件的请求通知、对于结果的请求等进行抽象。姿态传感器API 208还能够向基于雷达的姿态检测组件104提供低层级访问，其中调用程序能够控制基于雷达的姿态检测组件104的硬件配置和/或所传送的RF信号和/或频区的配置。
有时，基于雷达的姿态检测组件104能够被实施为嵌入在计算设备102内的芯片，诸如片上系统(SoC)。然而，所要意识到的是，所述基于雷达的姿态检测组件能够以任何其它合适方式来实现，诸如一个或多个集成电路(IC)，具有嵌入处理器指令或被配置为访问存储器中所存储的处理器指令的处理器，具有嵌入固件的硬件，具有各个硬件组件、软件、固件的印刷电路板，或者它们的任何组合。这里，基于雷达的姿态检测组件104包括双频区雷达前端组件106和数字信号处理组件108，它们能够被共同用来使用如本文所描述的双频区雷达技术无线检测目标对象的特性。
双频区雷达前端组件106包括雷达发射元件210、天线212和接收器组件214。通常，雷达发射元件210表示被配置为发射雷达信号的信号生成器。在一些方面，雷达发射元件210同时或交替地发射两个雷达信号和/或载波频率频区(例如，f1和f2)，它们被配置为至少部分反射离开目标对象。有时，雷达信号穿透织物或其它构造并且从人体组织反射。在从诸如人的手的人体组织反射的同时，这些织物或障碍物可以包括木头、玻璃、塑料、棉、羊毛、尼龙和类似纤维等。雷达信号的选择能够以任何合适方式来执行。例如，双频区雷达前端组件有时基于所期望的信噪比(SNR)来选择载波频率频区。在其它时间，双频区雷达前端组件经由程序接口(例如，姿态传感器API 208)接收被用来确定和/或设置RF信号和/或雷达频区的信息。
天线212传送并接收RF信号。在一些情况下，作为一种传送雷达场的方式，雷达发射元件210电耦合至天线212。如本领域技术人员将会意识到的，这通过将电信号转换为电磁波以用于传输以及反之用于接收来实现。基于雷达的姿态检测组件104能够包括任何合适配置的任何合适数目的天线。例如，任何天线都能够被配置为偶极天线、抛物面天线、螺旋天线、单极天线等。有时，天线212在片上构建(例如，作为SoC的一部分)，而在其它时间，天线212是附接至基于雷达的姿态检测组件104或包括于其中的单独组件、金属、硬件等。天线可以是单用途的(例如，用于传送信号的第一天线，用于接收信号的第二天线等)，或者是多用途的(例如，天线被用于传送和接收信号)。天线212的部署、大小和/或形状能够被选择以提升特定传输模式或多样性方案，诸如被设计为捕获与手所执行的微姿态相关的信息的模式或方案。虽然并未图示，但是每个天线能够对应于相应收发器路径，其在物理上路由并管理用于传输的传出RF信号以及用于捕获和分析的传入RF信号。
雷达场可以是小尺寸，诸如0或1毫米至1.5米，或者是中等尺寸，诸如1至30米。所要意识到的是，这些尺寸仅是用于讨论的目的，并且能够使用任何其它合适的范围。在雷达场具有中等尺寸时，基于雷达的姿态检测组件104被配置为接收并处理所述雷达场的反射以基于由身体、手臂或腿的移动所导致的来自人体组织的反射而提供大幅身体姿态。在其它情况下，所述雷达场能够被配置为使得基于雷达的姿态检测组件104能够检测更小且更精确的姿态，诸如能够基于可在毫米范围内被检测的差异彼此区分开来的微姿态。示例中等尺寸雷达场包括用户在其中作出姿态以从沙发控制电视、跨房间改变来自立体声音响的歌曲或音量、关闭炉灶或炉灶定时器(近场在这里也是有用的)、开启或关闭房间中的灯等的那些雷达场。雷达发射元件210能够被配置为发射载波频率频区、连续调制辐射、超宽带辐射、或亚毫米频率辐射。
接收器组件214通常表示被配置为将通过空气传播并随后被天线212捕获的电磁信号转换为电(模拟)信号的硬件组件，所述电信号与更高频率相比更更容易使用或处理。在天线将传播波形转换为电子信号的同时，接收器组件214将所述电子信号转换为基带或基带正交信号，所述基带或基带正交信号的较低频率比与传播或所捕获信号相关联的频率更加容易处理。一些方面将接收器组件214实现为具有正交检测的直接转换零中频接收器。相对于其它接收器系统(诸如超外差接收器)，直接转换零中频接收器利用较少的降频转换阶段(down conversion stage)，这在成本、大小和模拟信号处理方面对硬件有所简化。然而，该简化有时在准确再现所接收信号时引入了技术挑战。通过经由直接转换零中频转换器将信号转换为基带正交信号，各个方面通过采样基带正交信号以生成然后在数字域中进行处理的正交数字样本集合而对更加简单的硬件所引入的不准确性作出补偿。进而，这能够得到可靠的结果，原因在于数字处理的各个方面在估计来自信号的信息时产生了比模拟对应部更加准确的结果。
数字信号处理组件108包括ADC 216和处理流水线(processing pipeline)组件218。ADC 216在离散时间点捕获模拟信号以生成表示每个相应(离散)时间点的信号的数字样本。有时，数字信号处理组件108包括两个ADC：用于捕获基带正交信号的I分量的数字样本的第一ADC；以及用于捕获基带正交信号的Q分量的数字样本的第二ADC，其中所述ADC被同步以在相同时间点捕获I分量和Q分量。在捕获到数字样本之后，数字信号处理组件108然后将所述样本送至处理流水线组件218。
处理流水线组件218对数字样本进行处理以提取出任何合适类型的所期望信息，诸如绝对距离和相对移动检测、具体微姿态识别等。在一些情况下，提取所期望信息是在多个阶段进行，诸如通过流水线中的阶段进行。例如，处理流水线组件能够利用数字信号处理阶段来执行目标对象的基本分类(例如，速度信息、有向移动信息、存在、形状、大小、方位)，所述基本分类然后在机器学习阶段中被用来提取与目标对象相关的特征，所述特征然后被用于识别空中姿态(例如，手指敲击、轻扫移动、眨眼、讲出一个单词、摇头)。这能够以任何合适方式来实现，诸如通过使用包括各个数字信号处理算法和机器学习算法来确定如何在相应阶段处理信息或数字样本的库。在一些情况下，所应用的算法能够通过使用姿态传感器API 208来选择，而在其它情况下，所应用的算法能够默认地被选择。在其它时间，处理流水线组件218能够在已经识别出特定姿态时经由编程接口(例如，姿态传感器API 208)发送通知。处理流水线组件218能够以硬件、软件、固件、或者它们的任何组合来实现。
已经描述了依据各个方面的计算设备102，现在考虑能够依据各个基于雷达的检测设备所利用的RF信号传播的讨论。
基于雷达的检测设备中的RF信号传播
随着技术发展，用户预期新设备将相比过往设备提供附加的自由度和灵活性。一个这样的示例是在设备中包括无线能力。考虑无线鼠标输入设备的情况。无线鼠标输入设备从用户接收处于按钮点击和位置移动的格式的输入，并且将该信息无线传送至相对应的计算设备。无线性质消除了在无线鼠标输入设备和计算设备之间进行有线连接的需要，这在鼠标的移动性和放置方面为用户给出了更多自由度。然而，用户仍然与无线鼠标输入设备进行物理交互来作为向计算设备进行录入的方式。因此，如果无线鼠标输入设备丢失或被不当放置，则用户就无法利用该机制进行录入。因此，去除需要外围设备作为输入机制为用户给出了附加的自由度。一个这样的示例是经由手部姿态来向计算设备执行输入。
手部姿态为用户提供了向计算设备输入命令的简单且现成的机制。然而，检测姿态会遇到某些问题。例如，将移动感测设备附接至手并未去除用户对于外围设备的依赖性。相反，这是将一种输入外设换为另一种的方案。作为一个替选方案，相机能够捕获图像，所述图像然后能够被比较并分析以识别手部姿态。然而，相机仅能够检测能看到的东西，而缺乏穿透衣物、木头、塑料等的能力。相机也可能无法产生足够精细的分辨率来检测微姿态。一种替选方案涉及使用雷达系统向目标对象传送雷达场，并且基于对所反射信号的分析来确定有关该目标的信息。
考虑图3，其图示了RF波传播以及相对应的反射波传播的简单示例。所要意识到的是，以下讨论已经被简化，且并非意图描述RF波传播、反射波传播或检测技术的所有技术方面。
环境300-1包括源设备302和对象304。源设备302包括天线306，所述天线306总体上表示被配置为以RF信号的形式传送和接收电磁波的功能。所要意识到的是，天线306能够耦合至诸如雷达发射元件的馈送源以实现信号的传输。在该示例中，源设备302传送一系列RF脉冲，所述RF脉冲在这里被图示为RF脉冲308-1、RF脉冲308-2和RF脉冲308-3。如它们的排序以及距源设备302的距离所指示的，RF脉冲308-1在时间上被首先传送，随后是RF脉冲308-2，并且然后是RF脉冲308-3。出于讨论的目的，这些RF脉冲在脉冲之间具有相同的脉冲宽度、功率水平和传输周期，但是能够传送具有替选配置的任何其它合适类型的信号而并不背离所请求保护主题的范围。
总体来讲，电磁波的特征能够在于它们相对应的振荡的频率或波长。作为一种形式的电磁辐射，RF信号带有各种波和粒子性质，诸如反射。当RF信号到达对象时，它将经历一些形式的变换。具体地，将会有一些离开对象的反射。环境300-2图示了RF脉冲308-1、RF脉冲308-2和RF脉冲308-3离开对象304的反射，其中RF脉冲310-1对应于源自于RF脉冲308-1的反射离开对象304的反射，RF脉冲310-2对应于源自于RF脉冲308-2的反射离开对象304的反射，等等。在这种简单情况下，源设备和对象304是静止的，并且RF脉冲308-1、RF脉冲308-2和RF脉冲308-3通过相同的RF信道经由单个天线(天线306)进行传送，并且以垂直入射角度被直接传送向对象304。类似地，RF脉冲310-1、RF脉冲310-2和RF脉冲310-3被示为直接反射回源设备302，而不是具有一些角度偏差。然而，如本领域技术人员将会意识到的，这些信号能够替选地在它们的传输和反射方向基于源设备302、对象304、传输参数、现实世界因素的变化等而有所变化的情况下被传送或反射。
在接收和捕获到RF脉冲310-1、RF脉冲310-2、RF脉冲310-3时，源设备302能够然后单独或组合地对所述脉冲进行分析以识别与对象304相关的特性。例如，源设备304能够对所有所接收的RF脉冲进行分析以获得有关对象304的时间信息和/或空间信息。因此，源设备302能够使用有关传输信号的配置的知识(诸如脉冲宽度、脉冲之间的间隔、脉冲功率水平、相位关系等)，并且进一步分析反射的RF脉冲以识别有关对象304的各个特性，诸如大小、形状、移动速度、移动方向、表面平滑度、材料组成等。
现在考虑图4，其图示了可以在其中实施使用基于雷达的姿态辨识系统的技术以及实施包括所述系统的装置的示例环境400，所述基于雷达的姿态识别系统诸如图1的基于雷达的姿态检测组件104。环境400包括两个使用基于雷达的姿态检测系统的示例设备。首先，基于雷达的姿态检测系统402提供近雷达场以与台式计算机406进行交互，并且其次，基于雷达的姿态检测系统404提供中等雷达场(例如，房间大小)以与电视408进行交互。基于雷达的姿态检测系统402和基于雷达的姿态检测系统404分别提供雷达场412和中等雷达场412并且在下文进行描述。
台式计算机406包括基于雷达的姿态检测系统402或者与之相关联。这些设备一起工作以改善用户与台式计算机406的交互。例如，假设台式计算机406包括能够通过其执行显示和用户交互的触摸屏414。该触摸屏414能够向用户带来一些挑战，诸如需要人以特定定向就坐，诸如坐直且朝前，以能够触摸到屏幕。另外，用于通过触摸屏414选择控件的大小会使得交互对于一些用户而言是困难且耗时的。然而，考虑基于雷达的姿态检测系统402，其提供使得用户的手能够诸如利用小的或大的、简单或复杂的姿态与台式计算机406进行交互的近雷达场410，所述姿态包括利用一只手或两只手并且在三个维度中的那些姿态。如轻易显而易见的，用户可以通过其作出选择的大的体积实质上能够更加容易，并且在诸如触摸屏414表面的平坦表面上提供更好的体验。
类似地，考虑基于雷达的姿态检测系统404，其提供了中等雷达场412。提供雷达场使得用户能够从一定距离且通过各个姿态与电视408进行交互，所述姿态的范围从手部姿态到手臂姿态再到全身姿态。通过如此，能够比平坦表面(例如，触摸屏414)、遥控器(例如，游戏或电视遥控器)以及其它常规控制机制使用户选择更加容易。
基于雷达的姿态辨识系统能够与计算设备的应用或操作系统进行交互，或者通过响应于辨识姿态来传送输入而经通信网络远程地进行交互。姿态能够被映射至各个应用和设备，由此使得能够对许多设备和应用进行控制。许多复杂和具体的姿态能够被基于雷达的姿态辨识系统所辨识，由此甚至针对多个应用而准许精确和/或单一姿态的控制。无论是否与计算设备整合，具有计算能力或者几乎没有计算能力，基于雷达的姿态识别系统都均能够被用来与各个设备和应用进行交互。
雷达场还能够包括施加于人体组织的表面。这在图5有所图示，其示出了手502，其具有包括在膝上计算机506中的(图1和2的)基于雷达的姿态检测组件104所提供的表面雷达场504。雷达发射元件210(未示出)提供了穿透椅子508并被施加于手502的表面雷达场504。在该情况下，天线212(未示出)被配置为接收由手502的表面上的交互所导致的反射，所述反射穿透椅子508(例如，通过椅子508反射回来)。类似地，数字信号处理组件108(未示出)被配置为对表面上所接收的足以提供可用于确定姿态的姿态数据的反射进行处理。注意到，利用表面雷达场504，另一只可以进行交互来执行姿态，诸如在手502的表面上敲击，由此与表面雷达场504进行交互。示例姿态包括单手指和多手指轻扫、伸展、捏合、非线性移动等。手502可以移动或改变形状以导致反射，由此还执行被阻隔姿态(occludedgesture)。
已经描述了能够在基于雷达的检测设备中使用的RF信号的一般原理，现在考虑对经由双频区雷达检测系统的绝对距离检测的讨论。
绝对距离的双频区雷达检测
输入姿态的无线检测允许用户在并不物理接触计算设备的情况下与所述计算设备或通信耦合至计算设备的输入设备进行交互。这为用户提供了自由度，因为输入姿态能够利用已经被用户所占有的设备在任何时刻被执行(例如，手、眼睛、舌头等)。在毫米至亚毫米规模上将微姿态互相区分开来的能力使得使用小的姿态集合来控制复杂的特征集合成为可能。姿态的相对移动和绝对距离是能够被用来区分微姿态之间的差异的特性类型。
多普勒雷达在位移测量(例如，相对移动)方面提供了高度准确性，但是缺乏用于确定绝对距离的测距能力。一种形式的利用多普勒技术的雷达检测系统——FMCW雷达构建2维(2D)距离多普勒图(range-Doppler map)以确定范围和/或绝对距离，以作为一种感测微多普勒特征(例如，区分毫米至亚毫米范围上的姿态差异)的方式。然而，FMCW雷达系统的硬件实现会成为将这样的系统集成到诸如可穿戴设备或移动设备的较小设备之中障碍。例如，FMCW雷达系统中的啁啾信号利用诸如锁相环(PLL)的信号源在宽频率范围上进行线性扫动。这不仅使得被整合到相对应雷达系统中的硬件复杂化，而且还带来了所产生结果中的潜在问题，诸如线性度、噪声、和/或抖动。作为FMCW雷达系统中的硬件复杂性的另一个示例，将相对应的差拍信号数字化使用高速模数转换器(ADC)，这会增加硬件的尺寸和成本。另外，对与FMCW检测相关联的高帧率进行数字处理需要强大的基带处理器，所述基带处理器在能力方面却经常是不足的。因此，在FMCW检测中使用的PLL、ADC、和/或基带处理器不仅增加尺寸，而且还相对于较低频率、较慢速度的设备消耗了更多的功率。因此，这使得更加难以将FMCW雷达系统集成到(较小的)可穿戴和移动设备之中。
一种双频区检测系统提供了一种紧凑且可负担开销的系统以用于通过并行检测目标对象的绝对距离和相对移动来进行关于宽带雷达系统的空中姿态检测。所述双频区姿态检测系统有时能够配置和/或重新配置信号源以交替传送第一载波频率频区和第二载波频率频区。该方法允许相对于宽带信号方法有所简化的信号源硬件。所述基于硬件的检测设备还捕获离开目标对象反射的返回信号(例如，由离开目标对象反射的第一载波频率频区所生成的第一返回信号，由离开目标对象反射的第二载波频率频区所生成的第二返回信号)。有时，所述双频区姿态检测系统诸如通过使用直接转换零中频接收器而将所述第一返回信号和第二返回信号解调为第一基带正交信号集合和第二基带正交信号集合。进而，所述基于雷达的检测设备对所述基带正交信号进行数字化以分别生成第一数字样本集合和第二数字样本集合。诸如通过对所述第一数字样本集合和第二数字样本集合应用数字信号处理，各个方面从所述正交信号提取相位偏移和/或相位差信息以并行识别绝对距离和相对移动。在确定绝对距离和相对移动时，一些基于雷达的姿态检测系统然后确定所述目标对象所执行的空中姿态。
图6图示了包括来自图1的基于雷达的姿态检测组件104和手110的环境600。出于讨论的目的，在基于雷达的姿态检测组件104内所图示的组件已经被简化，而且并非意图完整地捕获检测组件。这里，手110执行拇指前后轻扫的微姿态。例如，一些方面包括附加的滤波步骤(例如，带通滤波、高通滤波、和/或低通滤波)以分离感兴趣信号。如本文进一步描述的，所述微姿态能够通过测量拇指距基于雷达的姿态检测组件104的绝对距离602(标记为d0)以及拇指在其前后移动时的相对移动604(标记为x(t))而被识别。这里，相对移动604表示拇指相对于被识别为绝对距离602的固定点的移动量(例如，移动的距离，移动的速度)。
为了测量绝对距离602和相对移动604，基于雷达的姿态检测组件104包括两个天线：用于传送两个载波频率频区(f1,f2)的天线606-1以及用于接收载波频率频区反射离开手110所生成的部分或所有返回信号的天线606-2。这些载波频率频区能够以任何合适方式被生成。这里，载波频率频区通过将压控振荡器(VCO)608电耦合至天线606-1。VCO 608可以是被配置为交替传送两个载波频率频区的雷达发射元件，诸如图2的雷达发射元件210，或者是耦合至雷达发射元件的被用于同步基于雷达的姿态检测组件104内所包含的各个组件之间的时间基础的时钟源/振荡器。因此，基于雷达的姿态检测组件104有时能够配置和/或重新配置雷达发射元件以在所传送的载波频率之间进行交替。
基于雷达的姿态检测组件104还包括接收器系统610，所述接收器系统610耦合至天线606-2以捕获并处理传入的RF信号。除其它之外，接收器系统610包括混合器，所述混合器能够被用来在并不使用更为复杂的PLL电路的情况下将传入的RF信号解调至基带。这里，VCO 608向接收器系统610中进行馈送，并且能够被用作在混合和/或解调过程中使用的信号源。由于VCO 608提供在传出信号中传送的两个载波频率频区，所以其还为接收器系统610提供了处于或足够接近于所传送载波频率之一或二者的源信号。信号在其允许接收器系统610成功解调处于或接近于基带的传入RF信号而使得信息能够被成功恢复时被认为“足够接近于”所传送的载波频率。因此，当将信号描述为处于基带时，所要意识到的是，在现实世界的实现中，所述信号可能稍有偏离，但是仍然足以能够被用来成功恢复任何所期望的信息。由于VCO 608对于所传送载波频率频区(f1,f2)的生成有所贡献，所以将其用于解调过程中基本上将接收器(以及后续的解调过程)与所传送频率进行同步。
结合接收器系统610使用VCO 608相对于其它接收器系统简化了基于雷达的姿态检测组件104的整体硬件。进而，这可能对包含姿态检测设备的设备有积极影响，因为其相对于更加功率渴求且大型的硬件系统(例如，FMCW)具有有所减少的成本、大小和功耗。因此，这些简化设计使得经由雷达的姿态检测能够被整合到具有较少空间和功率的较小计算设备之中。在直接转换零中频接收器系统的情况下，使用被用来传送信号的相同本地振荡器使得接收器系统能够将信号向下解调至基带正交而并不首先降频转换至中间频率(IF)，因此简化了接收器链。然后，所述基带正交信号被馈送至ADC组件以生成数字样本，所述数字样本然后由基于雷达的姿态检测组件104的DSP组件进行处理。这同样对硬件有所简化，因为正交信号位于基带而不是更高的IF，因此允许具有较低采样能力的ADC。
现在考虑确定绝对距离602和相对移动604。在多普勒雷达中，接收器处的总体累加相位残留取决于雷达和/或接收器与目标之间的距离。因此，如果总体累加相位残留能够被提取，则系统能够确定绝对距离。将此应用于图6，考虑交替传送通常在这里被识别为信号612的载波频率频区f1和f2的天线606-1的情况。这些频率在雷达载波处于f1时对应于接收器处的相位残留θ1，并且在载波被调谐为f2时对应于相位残留θ2。随后只要Δf＝|f1-f2|充分小，就能够从相位差Δθ＝θ1-θ2提取出距离信息。关于图6，由于结果信号614被天线606-2所接收，所以如本文进一步所描述的，相位残留能够被提取以确定绝对距离602。
虽然图6图示了重新配置单个源生成器以在载波频率频区之间进行交替的基于雷达的姿态检测组件104的示例，而图7则图示了使得载波频率频区能够被同时传送的基于雷达的姿态检测组件104的示例。出于讨论的目的，在图7中的基于雷达的姿态检测组件104内所图示的组件已经被简化，而且并非意图完整地表现检测组件。例如，一些方面包括附加的滤波步骤(例如，带通滤波、高通滤波、和/或低通滤波)以分离感兴趣信号。有时，如关于图7所描述的基于雷达的姿态检测组件104能够被用来检测诸如图1的环境100和/或图6的环境600的各个环境中的姿态。
基于雷达的姿态检测组件104包括多个信号生成器702。在一些情况下，每个信号生成器是如本文进一步描述的VCO。为了同时生成两个频区，信号生成器702中的第一信号生成器传送第一载波频率频区(f1)，并且信号生成器702中的第二信号生成器传送第二载波频率频区(f2)。然后，每个载波频率频区被馈送到分路器704中的相应分路器之中以从每个载波频率频区生成两个信号(从而得到四个信号)。然后，分路信号的第一信号集合(例如，f1的分路版本和f2的分路版本)被馈送至信号组合器706中，并且分路信号的第二信号集合被馈送至接收器系统708中。信号组合器706将第一分路信号集合加入或组合到结果(经组合)信号中，并且将所述结果信号馈送至天线710-1中，因此提供载波频率信号的同时传输。
在接收器侧，天线710-2捕获由所传送载波频率信号反射离开目标对象(诸如图1和6中的手110)所生成的传入信号。回想到所传送信号包括两个载波频率信号的同时传输，所述传入信号同样能够包括每个载波频率信号的反射。为了对每个反射的载波频率信号进行单独处理，基于雷达的姿态检测组件104将所述传入信号路由至分路器704中的另一个分路器以生成两个信号。然后，分路(传入)信号中的第一信号被路由至接收器系统708内的第一混合器，并且分路(传入)信号中的第二信号被送至接收器系统708内的第二混合器。在一些情况下，这些混合器被用作一个或多个直接转换零中频接收器系统的一部分。因此，如本文进一步描述的，接收器系统708的第一混合器利用f1的分路版本来生成与f1相关的基带正交信号，并且接收器系统708的第二混合器利用f2的分路版本来生成与f2相关的基带正交信号。然后，基带正交信号的每个集合被馈送至相应ADC中以生成数字样本，所述数字样本被后续处理以提取出绝对相位和相对距离。如图6中的情况那样，天线710-2所接收的传入信号能够被用来提取相位残留信息以便确定目标对象的绝对距离。
为了进一步说明，首先考虑图8，其图示了以矢量形式绘制的正弦信号。处于载波频率fc的正弦信号通常能够被表示为：
Figure GDA0002753133670000191
其中Ac是振幅，2πfc是频率，且
Figure GDA0002753133670000192
是x(t)的相位。共同地，x(t)的频率和相位(例如，
Figure GDA0002753133670000193
)能够被称作相位角θ(t)。基于此并且了解到x(t)是正弦信号，x(t)能够通过其振幅和相位角而以矢量形式被识别。图形802图示了x(t)在任意时间点t的极坐标系统映射。极坐标系统在以距离和角度为特征的二维系统中对点进行表征。在该示例中，距离基于参考点0,0且角度基于作为参考角度的0°，其中逆时针方向指示正角度。在任意时间点t，所述极坐标系统在点804处绘制x(t)，并且将此点表征为具有长度806和角度808的矢量。因此，随着t变化，点804发生变化，这随之改变瞬时角度808。进而，相对应的矢量图形802进行旋转。
现在考虑诸如由接收器系统610所生成的那些的基带正交信号。通常，互相垂直或具有90°相位差的两个信号被认为“处于正交”。同相分量(例如，I分量)被认为是与参考点(例如，0°)同相的信号，而与I分量相差90°的正交相位分量(例如，Q分量)被称作与所述同相分量垂直或“处于正交”。将此应用于接收器系统610的基带正交(I/Q)输出，所述输出正交信号能够被表示为：
Figure GDA0002753133670000201
Figure GDA0002753133670000202
其中AI和AQ分别是I和Q通道的振幅，x(t)是目标相对移动或姿态运动(例如，相对移动604)，λ是波长(与相对应的载波频率频区逆相关)，
Figure GDA0002753133670000203
是由于距离相关效应而能够在相干雷达中被忽略的残留相位，θ0＝4πd0/λ是雷达和目标之间的距离所导致的相移，θr是接收器处的相位延迟(其针对小的Δf可以被认为是恒定的)，并且DCI和DCQ分别是I和Q通道的直流(DC)偏移，它能够在DC校准中得到校准。从等式2和3注意到，相对移动(x(t))对于结果正交信号有所影响。
现在考虑图9，其图示了I/Q星座图902。关于正交信号，I/Q星座图的水平轴线表示I分量(也被称作I通道)，而垂直轴线则表示Q分量(也被称作Q通道)。为了绘制点，在特定时间点从I分量所生成的I值相对在相同特定时间点从Q分量所生成的Q值进行绘制。然后，相对应的点能够被用来确定相位信息。
在该示例中，I/Q星座图902对接收器系统610所生成的两个单独基带正交信号进行绘图。第一基带正交信号对应于第一载波频率频区f1，其中轨迹904表示相对应矢量的移动。回想到矢量能够在长度和相位方面进行表征。因此，相位偏移(这里被标记为θ1)表示所接收信号的相位。如图8中的情况，相位偏移906在其从参考点0°逆时针移动时具有正值，并且在其从参考点0°顺时针移动时具有负值。类似地，轨迹908在被绘制于所述星座图上时表示与载波频率频区f2相对应的基带正交信号的矢量的移动，并且具有相位偏移910(这里被标记为θ2)。这些相位偏移可以被表达为：
Figure GDA0002753133670000211
Figure GDA0002753133670000212
其中λ1和λ2分别对应于载波频率频区f1和f2的波长，d0是感兴趣的绝对距离，并且θr是接收器延迟(其可以被认为是恒定值)。注意到，每个轨迹具有其所跨越的范围，因此其也具有相位偏移的范围。因此，在确定绝对距离时，通过(分别)使用轨迹904(和轨迹908)的中心值来估计距参考点0°的相位偏移。虽然这些值能够在硬件(例如，平面微波电路、移相器)中进行估计，但是使用基带正交信号的数字样本来估计相位偏移能够相对于硬件所生成的估计而产生更高的估计准确度。如本文进一步描述的，能够通过计算θ1和θ2来确定绝对距离。然而，为了节省计算资源，能够作为替代计算相位差Δθ。
相位差912表示相位偏移906和相位偏移910之间的相位差。使用等式(4)和(5)，这能够通过以下来计算：
Figure GDA0002753133670000213
其中c是光的速度，且f1和f2同样是载波频率频区。由此，能够通过以下来确定绝对距离：
Figure GDA0002753133670000214
如这里所能够看到的，绝对距离(诸如图6的绝对距离608)能够利用两个频率之间的频率调谐来确定。相对于波束形成技术和/或FMCW雷达系统，用来确定绝对距离的双频区方法对传输侧和接收侧二者上的硬件都有所简化，而且通过在数字域中进行估计而简化了相位差的估计过程。应当注意的是，载波频率f1/f2的频率对于距离测量并没有影响。相反，如等式(7)中所示，两个频区的差异(例如，|f1-f2|＝Δf)在确定绝对距离时直接相关。因此，能够针对载波频率选择任何频区。然而，载波频率对于SNR和I/Q轨迹的长度有所影响，这是因为雷达信号频率决定了位移测量(例如，相对距离)中的调制灵敏度。因此，对于管理这些影响而言，相比其它载波频率更期望某些载波频率。
另外能够注意到，在Δθ超过360°时在测量距离中存在歧义性。在Δθ超过360°的情况下，I/Q轨迹旋转回其在单位圆上的原始位置。另外，针对给定距离而言，增加频率间隔Δf将会增大相位差Δθ，这有助于检测小的距离。当Δθ超过180°时，就变得难以识别两条轨迹的相位差是顺时针还是逆时针。因此，各个系统将Δθ＝180°定义为歧义条件。对于Δf＝40兆赫(MHz)的示例，该频率差涉及1.875m的最大距离，基于了解大多数人-计算机交互在该范围内发生，所述最大距离能够被用于大多数的姿态感测应用。因此，两个频区之间的频率差有时可以是所驱动的应用，和/或是在其中应用双频区雷达姿态检测的环境。
已经考虑了对经由双频区雷达检测系统的绝对距离检测的讨论，现在考虑对依据本文所描述各个方面的经由单频区雷达检测系统的相对移动检测的讨论。
相对距离的单频区检测
如本文进一步描述的，双频区雷达检测系统能够被用来确定目标对象的绝对距离。一些方面还能够通过充分利用f1或f2处的非线性相位调制来并行提取与姿态运动相关的相对移动信息。通过将绝对距离信息与相对移动信息进行耦合，基于雷达的姿态检测组件能够使用双频区雷达系统区分其它姿态而检测和/或识别微姿态。因此，双频区雷达姿态检测系统的能够进行绝对距离检测的部分或其全部也能够被用来确定目标对象的相对移动。
图10图示了I/Q星座图1002，其包括处于任意载波频率(雷达)频区fc的所接收信号的图线。在一些情况下，fc充分利用自绝对距离检测中所使用的相同频区(例如，f1或f2)。如图9中的情况，I/Q星座图1002的水平轴线表示所接收信号的I分量(例如，I通道)，并且垂直轴线表示所接收信号的Q分量(例如，Q通道)。为了在相对应的星座图上绘制点，相对Q值绘制I值，它们均处于相同的任何时间点。替选地，这些值能够表示各个时间点上的多个点的平均值，或者表示随时间推移的多个值的一些其它加权组合。因此，如本文进一步描述的，在绝对距离检测的双频区雷达检测中所利用的相同载波频率频区还能够被用来检测相对移动。
当在I/Q星座图1002上进行绘制时，fc具有相对应的轨迹1004。这里，I/Q星座图1002总体上以相位偏移1006(标记为θc)为中心来定位轨迹1004，其中相位偏移1006的值相对于0°随着相对应矢量逆时针旋转而增大值，并且随着相对应矢量顺时针旋转而减小值。出于讨论的目的，图10将轨迹1004和相位偏移1006定位于星座图的象限1中(其中I值和Q值都为正)。然而，轨迹1004和相位偏移1006能够被定位于所述I/Q星座图内的任何其它位置而并不背离所请求保护主题的范围。
通过对等式(2)和(3)的简化，所接收信号的I分量和Q分量能够被表达为：
Figure GDA0002753133670000231
Figure GDA0002753133670000232
其中λc是载波频率频区(例如，f1或f2)的波长，θc是相位偏移1006，且x(t)是相对移动。对相对移动x(t)进行求解得到：
Figure GDA0002753133670000233
如绝对距离检测的情况中那样，相位信息能够使用基带正交信号(例如，I分量和Q分量信号)的数字化样本在数字域中被确定。在与模拟方法相比时，该方法产生了相位偏移的更加准确的估计，附加的益处在于硬件在大小、成本和模拟信号处理方面更加简单。
图11描述是依据本文所描述的各个方面的，用于使用基于双频区雷达的姿态检测系统并行检测绝对距离和相对移动的方法中的步骤的流程图。所述方法能够结合任何合适的硬件、软件、固件或者它们的组合来实现。在一些情况下，所述方法能够由诸如图1、2、和4-6的基于雷达的姿态检测组件104的适当配置的系统来实现。
在1102，基于雷达的姿态检测设备经由雷达发射设备传送第一载波频率频区。所述基于雷达的姿态检测设备能够以任何合适方式来确定要传送什么载波频率频区，诸如通过存储在存储器中的默认值，通过经由程序接口所接收的命令，通过基于所期望SNR值的计算，等等。任何合适的频率都能够被用于载波频率频区。在一些情况下，第一载波频率经由电耦合至雷达发射设备的天线被传送。所述雷达发射设备可以是任何合适类型的信号源，诸如能够被配置/重新配置为更替所期望载波频率频区的可配置VCO。
在1104，所述基于雷达的姿态检测设备对第一返回信号进行解调以生成第一基带正交信号集合。例如，在第一载波频率频区从所述基于雷达的姿态检测设备传播时，其能够反射离开目标对象从而生成第一返回信号。进而，所述基于雷达的姿态检测设备的天线能够接收传播的第一返回信号并且将其转换为模拟电子波形，所述模拟电子波形然后被所述基于雷达的姿态检测设备解调为基带正交信号。这能够以任何合适方式来实现，诸如通过使用直接转换零中频接收器。有时，所述基于雷达的姿态检测设备包括一个或多个ADC以便从所述第一基带正交信号集合生成第一数字样本集合。
在1106，所述基于雷达的姿态检测设备经由雷达发射设备传送第二载波频率频区。在1108，所述基于雷达的姿态检测设备将第二返回信号解调为第二基带正交信号集合。类似于第一返回信号，所述第二返回信号能够由第二载波频率频区反射离开目标对象所生成。进一步地，所述基于雷达的姿态检测设备能够以类似于其生成第一基带正交信号集合的方式将所述第二返回信号解调为第二基带正交信号集合。这能够包括通过利用同步ADC对所述第二基带正交信号集合进行采样而生成第二数字样本集合。
在1110，所述基于雷达的姿态检测设备使用基于所述第一基带正交信号集合和第二基带正交信号集合的数据提取绝对距离和相对移动信息。例如，所述基于雷达的姿态检测设备能够处理所述第一数字样本集合和第二数字样本集合以提取相位偏移信息和/或相位差信息，本文提供了它们的示例。在其它时间，所述基于雷达的姿态检测设备能够包括用于提取相位偏移信息和/或相位差信息的硬件。在1112，所述基于雷达的姿态检测设备使用绝对距离和相对移动信息来识别姿态。
虽然在图11中描述的方法以特定顺序图示了这些步骤，但是所要意识到的是，本文所描述步骤的任何具体顺序或层次都是被用来说明样本方法的示例。可以使用对这些步骤的排序重新布置的其它方法。因此，这里所描述的顺序步骤可以被重新布置，并且所图示的这些步骤的排序并不意图作为限制。
已经考虑了对通过充分利用用于经由双频区雷达检测系统进行绝对距离检测的频区来确定相对移动的讨论，现在考虑依据本文所描述的各个方面的一些测试结果。
实验测试结果
为了测试姿态识别或移动的双频区雷达检测，使用牛顿摆来测量机械运动。牛顿摆由相互接连地悬挂在金属框架中的多个完全相同大小的金属球组成。所述球被配置为使得每个球在处于静止时仅与相应的相邻一个或多个球相接触。当处于末端的一个球被抬起并释放时，其撞击静止的球，并且力通过静止的球进行传送以随后将最后的球向上推起。然而，出于测试的目的，不同于拉起并释放一个球，牛顿摆的全部五个球被一起推动至预定义位置且然后被释放。在该配置中，牛顿摆像钟摆那样以衰减的正弦运动进行工作。在实验期间，五个球始终被推动至钟摆远离垂直进行摆动的相同角度，而使得谐振频率对于所有钟摆运动都保持恒定。
为了测量移动，使用多普勒雷达的双频区雷达检测系统被置于离牛顿摆30厘米(cm)处并且最初被调谐至2.4千兆赫兹(GHz)的载波频率频区。在传送2.4GHz频区之后，从反射信号捕获到有关衰减的钟摆运动的信息。接下来，双频区雷达检测系统被调谐40MHz以达到2.44GHz来测量相同的移动。
图12a和12b分别图示了双频区雷达姿态检测系统在2.4GHz和2.44GHz所测量的衰减运动。图12a包括有关2.4GHz的载波频率频区的信息，而图12b包括有关2.44GHz的载波频率频区的信息。图形1202图示了在双频区雷达姿态检测系统传送2.4GHz时所接收(并测量)的I和Q通道。为了阐明该图形的细节，图形1202的图像1204已经被提取并且在下方进行放大从而图示更多的细节。这里，图像1204跨越3秒钟的时间窗口。轨线1206表示在2.4GHz的I通道捕获，而轨线1208则表示在2.4GHz的Q通道捕获。以类似方式，图形1210图示了在双频区雷达姿态检测系统传送2.44GHz时所接收(并测量)的I和Q通道。为了阐明附加的细节，图形1212已经被提取并且在下方进行放大，其中轨线1214表示在2.44GHz的I通道捕获且轨线1216表示在2.44GHz的Q通道捕获。
牛顿摆的衰减运动能够通过在图形1202和图形1210二者中信号振幅的减小而被看到。在图像1204中还能够看到轨线1206与轨线1208大致具有90°的相位差。相反，图像1212中的轨线1214和轨线1216彼此更加同相。因此，2.4GHz I/Q信号处的I通道和Q通道之间的相位关联不同于2.44GHz处的I通道和Q通道之间的相位关联。
现在考虑图13，其图示了在图12a和12b中所测量的相同目标运动(例如，牛顿摆)的I/Q轨迹。I/Q星座图1302对应于以2.4GHz操作的载波频率f1，而I/Q星座图1304则对应于以2.44GHz操作的载波频率f2。当在其中心测量或估计时，轨迹1306产生位于198.1°处的相位偏移1308。以类似的方式，测量或估计轨迹1310的中心产生位于169.2°处的相位偏移。然后，这些测量或估计能够被用来生成28.9°的相位差，其对应于30.1cm的距离。回想到该实验中的牛顿摆位于30.0cm远处，这产生了1mm误差的估计。该精度下的误差能够归因于许多不同因素。例如，如本文所讨论的，绝对距离能够通过针对给定Δf估计Δθ来确定。然而，计算Δθ的准确性部分取决于SNR，这是因为噪声偏差能够影响到找出相对应I/Q轨迹的中心的准确性。作为另一个示例，Δθ的准确性能够被基带正交信号的生成和捕获中的其它现实世界缺陷所影响，诸如I/Q不匹配和信号失真。
还使用双频区雷达姿态检测系统来测量空中姿态运动。图14图示了在测量空中“虚拟滑块”运动(例如，如图6所示将拇指沿着食指侧面进行移动)时的实验结果。图形1402图示了在任意时间窗口上所接收信号的I和Q通道，其中所传送的载波频率f1以2.4GHz操作。类似地，图形1404图示了在所传送的载波频率f2以2.44GHz操作时在相同的任意时间窗口上所接收信号的I和Q通道。在将图形1402与图形1404进行比较时，能够看出图形1402中的I/Q信号与图形1404中的I/Q信号相比彼此更加“不同相”。图形1402相比图形1404中的I/O信号之间的这种相位关联差异能够归因于改变载波频率如何使信号在沿从雷达行进至目标时途中的相位分布有所变化。
类似于利用牛顿摆实验所描述的，然后通过测量(或估计)相位差来提取距离信息。然而，考虑到在该实验在“现实世界”环境中进行，结果信号中出现一些变化。例如，图形1402和图形1404中被圈出的“峰值”1406能够归因于非线性的相位调制以及超出λ/8的运动幅度。为了对此进行校正，能够应用相位展开从而避免解调中的相位非连续性。
图形1408示出了在另一个任意时间窗口上执行的解调“虚拟滑块”。这里，能够看出所述运动具有大约4cm的峰值-峰值振幅。所要意识到的是，大体上，人手是相对于更加简单的结构(例如，铅笔、笔、输入杆)的复杂结构。因此，有时能够通过使用许多动态散射中心的合计来对人手进行建模。雷达所接收的信号是来自所有这些动态散射中心的反射的叠加。因此，雷达测距并非用于测量到任何特定手指的距离，而是用于测量到如图形1408所示的所有动态散射中心的“平均中心”的距离。
已经考虑了使用基于双频区雷达的姿态检测系统的一些经验测试结果，现在考虑能够被用来实现如本文所描述的基于双频区雷达的姿态检测系统的各个方面的示例系统和设备。
示例电子设备
图15图示了包含参考图1-14所描述的基于双频区雷达的姿态检测系统的示例系统1500的各个组件。系统1500可以被实现为任何类型的固定或移动设备，其具有以下任何形式：消费者电子设备、计算机、便携式电子设备、用户电子设备、通信电子设备、电话、导航、游戏电子设备、音频电子设备、相机、消息收发电子设备、媒体播放电子设备、和/或其它类型的电子设备，诸如参考图1和2所描述的计算设备102。在一些情况下，系统1500能够替选地被实现为印刷电路板(PCB)、片堆叠(chip-on-chip)系统等。因此，各个系统能够包括并未关于系统1500加以描述的附加组件，或者排除被描述的组件。
系统1500包括实现设备数据1504(例如，所接收数据、正被接收的数据、被调度进行广播的数据、数据的数据分组等)的有线和/或无线通信的通信设备1502。设备数据1504或其它设备内容能够包括所述设备的配置设置和/或与设备的用户相关联的信息。
系统1500还包括通信接口1506，所述通信接口1506能够被实现为串行和/或并行接口、无线接口、任何类型的网络接口、调制解调器中的任何一种或多种，以及被实现为任何其它类型的通信接口。通信接口1506在系统1500和通信网络之间提供其它电子、计算和通信设备能够通过其与系统1500传输数据的连接和/或通信链路。
系统1500包括一个或多个处理器1508(例如，任何的微处理器、控制器等)，所述处理器1508对各个计算机可执行指令进行处理以控制系统1500的操作以及实现如本文所描述的各个方面。替选地或除此之外，系统1500可以利用结合总体上以1510进行标识的处理和控制电路所实现的硬件、固件、或固定逻辑电路中的任何一个或它们的组合来实现。虽然没有被示出，但是系统1500可以包括耦合设备内的各个组件的系统总线或数据传输系统。系统总线可以包括不同总线结构中的任何一种或其组合，诸如利用各种总线架构中的任何一个的存储器总线或存储器控制器、外围总线、通用串行总线、和/或处理器或局部总线。
系统1500还包括计算机可读存储介质1512，诸如一个或多个存储器组件，其示例包括随机存取存储器(RAM)、非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)、闪存、EPROM、EEPROM等中的任何一个或多个)，以及盘存储设备。盘存储设备可以被实现为任何类型的磁或光存储设备，诸如硬盘驱动器、可记录和/或可重写压缩盘(CD)、任何类型的数字多功能盘(DVD)，等等。
计算机可读存储介质1512提供数据存储机制以存储和维护设备数据1504，以及存储和维护各个设备应用，以及与系统1500的操作方面相关的任何其它类型的信息和/或数据。这里，计算机可读存储介质1512包括应用1514，所述应用1514一般表示具有配置基于雷达的姿态传感器组件和/或接收来自基于雷达的姿态传感器组件的通知的能力的应用。其它应用可以包括设备管理器(例如，控制应用、软件应用、信号处理和控制模块、对特定设备本原的代码、特定设备的硬件抽象层，等等)。计算机可读存储介质1512还包括姿态传感器API 1516。
姿态传感器API 1516提供对姿态传感器组件的程序访问。所述程序访问的范围能够从掩盖基础硬件实现细节和/或功能如何实现(例如，没有硬件配置参数或算法参数)的高级编程访问到使得应用能够发送与对信号如何被姿态传感器组件传送、接收和/或处理进行修改相关联的低级输入配置参数的低层级程序访问。在一些情况下，姿态传感器API1516能够被应用1514用来与基于雷达的姿态传感器组件交换数据。
系统1500还包括音频和/或视频处理系统1518，所述音频和/或视频处理系统1518处理音频数据和/或将音频和视频数据送至音频系统1520和/或显示系统1522(例如，智能电话或相机的屏幕)。音频系统1520和/或显示系统1522能够包括处理、显示和/或以其它方式渲染音频、视频、显示和/或图像数据的任何设备。显示数据和音频信号可以经由RF链路、S-视频链路、HDMI、复合视频链路、分量视频链路、DVI、模拟音频连接，或者诸如媒体数据端口1524的其它类似通信链路被传输至音频组件和/或显示组件。在一些实施方式中，音频系统1520和/或显示系统1522是系统1500外部的组件。替选地或附加地，音频系统1522可以是示例电子设备的集成组件，诸如集成触摸接口的一部分。
系统1500还包括无线地识别目标对象的一个或多个特征的基于雷达的姿态检测组件1526，所述特征诸如手所执行的微姿态。基于雷达的姿态检测组件1526能够被实现为硬件、软件、固件等的任何合适组合。有时，基于雷达的姿态检测组件1526被实现为SoC。除其它之外，基于雷达的姿态检测组件1526包括双频区雷达前端组件1528和数字信号处理组件1530。
双频区雷达前端组件1528传送朝向感兴趣目标传播的RF信号，并且接收这些RF信号离开感兴趣目标的反射。这些频区能够被同时或交替传送。在一些情况下，双频区雷达前端组件包括用于传送和接收传播信号的天线。这些RF信号被配置为提供雷达场，诸如通过发射载波频率所生成的雷达场。在一些情况下，所述雷达场被配置为至少部分地反射离开目标对象。所述雷达场还能够被配置为穿透织物或其它构造并且从人体组织进行反射。在从诸如人的手的人体组织进行反射的同时，这些织物或障碍物可以包括木头、玻璃、塑料、棉、羊毛、尼龙和类似纤维等。有时，双频区雷达前端组件包括被用作生成所述RF信号的信号源的VCO。双频区雷达前端组件1528还包括诸如零中频接收器系统的接收器系统，所述接收器系统能够将所接收的信号降频转换为包括正交基带信号的基带信号。在一些情况下，双频区雷达前端组件1528的接收器系统耦合至信号源以帮助将所接收信号解调为基带信号。在将所接收信号解调为基带信号时，所述双频区雷达前端组件将它们路由至数字信号处理组件1530。
数字信号处理组件1530对从双频区雷达前端组件1528所接收的基带信号进行数字采样，并且对它们进行处理以提取有关目标对象的信息。数字信号处理组件1530的一些方面基于所传送的载波频率并行提取有关目标对象的绝对距离和相对移动。数字信号处理组件1530能够包括能够被选择或反选以供分析的多种数字信号处理算法，本文提供了它们的示例。有时，诸如应用1514之一的应用能够经由姿态传感器API 1516对数字信号处理组件1530的操作行为进行配置。
结论
一种姿态检测系统使用两个雷达频区并行检测目标对象的绝对距离和相对移动。一种基于雷达的检测设备经由雷达发射设备交替传送第一雷达频区和第二雷达频区，并且然后捕获由第一雷达频区和第二雷达频区反射离开目标对象所生成的第一返回信号和第二返回信号。所述基于雷达的检测设备将所述返回信号解调为第一正交信号集合和第二正交信号集合，并且在一些情况下，从相应正交信号生成第一数字样本集合和第二数字样本集合。各个方面对所述第一数字样本集合和第二数字样本集合进行处理以并行识别绝对距离和相对移动，并且有时确定目标对象所执行的空中姿态。
虽然已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言对基于双频区雷达的姿态检测的各个方面进行了描述，但是所要理解的是，所附权利要求书中所定义的各个方面并非必然被局限于所描述的具体特征和动作。相反，所公开的具体特征和动作作为实现各个方面的示例形式而被公开。

Claims (20)

1.一种用于基于雷达的姿态检测的设备，包括：
处理系统；以及
基于雷达的姿态检测组件，所述基于雷达的姿态检测组件至少部分以硬件实现并且包括：
双频区雷达前端组件，包括用于发射第一载波频率频区和第二载波频率频区的雷达发射元件；
天线，用于接收所述第一载波频率频区和所述第二载波频率频区反射离开目标对象所生成的传入射频(RF)信号；
直接转换零中频接收器，电耦合至所述天线以用于从所述天线接收所述传入射频信号并且将所述传入射频信号转换为基带正交信号；
至少一个模数转换器(ADC)，用于对所述基带正交信号进行数字化以生成数字样本；以及
处理流水线组件，用于通过处理所述数字样本来检测与所述目标对象相关的绝对距离和相对移动信息。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述雷达发射元件包括压控振荡器(VCO)。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述直接转换零中频接收器电耦合至所述压控振荡器。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述数字样本包括：
第一数字样本集合，生成自与所述第一载波频率频区相关联的第一基带正交信号集合；
第二数字样本集合，生成自与所述第二载波频率频区相关联的第二基带正交信号集合；以及
其中，检测绝对距离和相对移动信息进一步包括通过以下操作来并行检测绝对距离和相对移动信息：
处理所述第一数字样本集合和所述第二数字样本集合以提取与所述第一基带正交信号集合和所述第二基带正交信号集合相关联的相位差信息；
使用所述相位差信息提取绝对距离；
处理所述第一数字样本集合或所述第二数字样本集合以提取相位偏移信息；以及
使用所述相位偏移信息提取相对移动信息。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一载波频率频区和所述第二载波频率频区具有40兆赫(MHz)的频率差。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述基于雷达的姿态检测组件重新配置所述雷达发射元件以交替传送所述第一载波频率频区和所述第二载波频率频区。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理流水线组件使用所述绝对距离和所述相对移动信息从多个姿态中识别所述目标对象所执行的空中姿态。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述基于雷达的姿态检测组件利用程序接口来发送所述空中姿态已经被检测的通知。
9.一种用于基于雷达的姿态检测的方法，包括：
使用基于雷达的姿态检测系统经由所述基于雷达的姿态检测系统的雷达发射元件传送第一载波频率频区；
使用所述基于雷达的姿态检测系统对所述第一载波频率频区反射离开目标对象所生成的第一返回信号进行解调以生成第一基带正交信号集合；
使用所述基于雷达的姿态检测系统经由所述基于雷达的姿态检测系统的所述雷达发射元件传送第二载波频率频区；
使用所述基于雷达的姿态检测系统对所述第二载波频率频区反射离开所述目标对象所生成的第二返回信号进行解调以生成第二基带正交信号集合；
使用所述基于雷达的姿态检测系统至少部分地基于所述第一基带正交信号集合和所述第二基带正交信号集合来并行提取绝对距离和相对移动信息；以及
使用所述绝对距离和相对移动信息识别所述目标对象所执行的姿态。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
对所述第一基带正交信号集合进行采样以生成第一数字样本集合；
对所述第二基带正交信号集合进行采样以生成第二数字样本集合；
处理所述第一数字样本集合和所述第二数字样本集合以提取在提取所述绝对距离时所使用的相位差信息；以及
处理所述第一数字样本集合或所述第二数字样本集合以提取在提取所述相对移动信息时所使用的相位偏移信息。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，对所述第一基带正交信号集合进行采样或者对所述第二基带正交信号集合进行采样进一步包括：
利用第一模数转换器(ADC)对所述第一基带正交信号集合或所述第二基带正交信号集合的同相分量(I分量)进行采样；以及
利用与所述第一模数转换器同步的第二模数转换器对所述第一基带正交信号集合或所述第二基带正交信号集合的正交相位分量(Q分量)进行采样。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，对所述第一返回信号进行解调以生成所述第一基带正交信号集合或者对所述第二返回信号进行解调以生成所述第二基带正交信号集合进一步包括：
利用直接转换零中频接收器对所述第一返回信号或所述第二返回信号进行解调。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
利用作为所述雷达发射元件的至少一部分的压控振荡器(VCO)；以及
将所述压控振荡器电耦合至所述直接转换零中频接收器以用作对所述第一返回信号进行解调或对所述第二返回信号进行解调时的信号源。
14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
在所述基于雷达的姿态检测设备处经由程序接口接收与所述第一载波频率频区或所述第二载波频率频区相关联的信息；以及
至少部分地基于与所述第一载波频率频区或所述第二载波频率频区相关联的所述信息来配置所述雷达发射元件。
15.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
至少部分地基于信噪比(SNR)来选择所述第一载波频率频区和所述第二载波频率频区。
16.根据权利要求9所述的方法，其中，并行提取所述绝对距离和所述相对移动信息进一步包括：
识别与所述第一基带正交信号集合相关联的第一轨迹；
识别与所述第二基带正交信号集合相关联的第二轨迹；
确定与所述第一轨迹的中心相关联的第一相位偏移和与所述第二轨迹的中心相关联的第二相位偏移之间的相位差；以及
利用所述相位差来执行提取所述绝对距离的操作。
17.一种用于基于雷达的姿态检测的设备，包括：
双频区雷达前端组件，用于：
传送第一载波频率频区；
接收所述第一载波频率频区反射离开目标对象所生成的第一返回信号；
将所述第一返回信号解调为第一基带正交信号集合；
传送第二载波频率频区；
接收所述第二载波频率频区反射离开所述目标对象所生成的第二返回信号；以及
将所述第二返回信号解调为第二基带正交信号集合；以及数字信号处理组件，用于：
从所述第一基带正交信号集合生成第一数字样本集合；
从所述第二基带正交信号集合生成第二数字样本集合；以及
通过处理所述第一数字样本集合和所述第二数字样本集合来并行提取与所述目标对象相关联的绝对距离和相对移动信息。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述双频区雷达前端组件包括：
直接转换零中频接收器，用于对所述第一返回信号和所述第二返回信号进行解调；
雷达发射元件，可配置为交替传送所述第一载波频率频区和所述第二载波频率频区；
第一天线，电耦合至所述雷达发射元件以用于传送所述第一载波频率频区和所述第二载波频率频区；以及
第二天线，电耦合至所述直接转换零中频接收器以用于接收所述第一返回信号和所述第二返回信号。
19.根据权利要求17所述的设备，其中，所述数字信号处理组件包括：
至少两个同步模数转换器(ADC)，用于生成所述第一数字样本集合或所述第二数字样本集合以作为相应的正交数字样本集合；以及
处理流水线组件，用于处理相应的正交数字样本集合。
20.根据权利要求17所述的设备，其中，所述设备是片上系统(SoC)。
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