CN109313255A - 具有标准化灵敏度的超宽带雷达 - Google Patents

Abstract

运动检测器和用于操作运动检测器的方法，所述运动检测器包括射频（RF）传输电路、RF接收电路和控制器，所述控制器电气耦合到RF传输电路和RF接收电路。控制器被配置为控制RF传输电路以生成RF信号，并控制RF接收电路以在RF信号的传输之后的预定接收时间内从目标对象接收反射RF信号。控制器还被配置为控制RF接收电路以基于反射RF信号生成多普勒信号，所述多普勒信号指示目标对象和运动检测系统之间的距离。控制器还被配置为在预定接收时间期间调整RF接收电路的灵敏度，并基于多普勒信号的幅度来激活指示器。

Description

具有标准化灵敏度的超宽带雷达

技术领域

实施例涉及运动检测系统。

背景技术

现代监控系统并入各种类型的传感器，用于检测受监控区域内的人。在一些实例中，监控系统包括使用射频（RF）波来感测受监控区域内的对象的运动的运动检测器。在这类情况下，运动检测器传输RF波并从对象接收反射RF波。基于何时接收到反射波，可以确定对象和运动检测器之间的距离。运动检测器可以随时间监视对象和运动检测器之间的距离，并当检测到运动时触发通知或警报。以该方式，运动检测器可以检测受监控区域中的人（例如，入侵者）的存在。

然而，在一些情况下，运动检测器可能检测到来自除人之外的其他对象的运动。例如，运动检测器可能检测到昆虫、啮齿动物、鸟类等的运动。因此，运动检测器可能触发错误警报。归因于使用反射RF波的性质，运动检测器对于由近对象引起的运动高度灵敏并对较远的对象不太灵敏。此外，为了检测远距离的人，运动检测器必须对低振幅反射灵敏。因此，本领域当前所已知的运动检测器平衡长检测范围和错误警报的数量。

图1图示了针对本领域已知的运动检测器的反射RF波的信号强度对比到对象的距离的绘图。绘图包括针对由运动检测器在检测范围内检测到的各种对象的信号强度的示例。在该示例中，检测到的对象包括人、啮齿动物和虫子。阈值120基于信号强度来确定控制器何时触发警报。例如，当信号强度在振幅方面大于阈值120时，控制器触发警报。如图示的，当检测到的对象在距离方面靠近运动检测器（例如，在4英尺以下）时，反射RF波和相关联的信号强度在振幅方面是高的。因此，人、啮齿动物和虫子在近距离处都触发警报。当对象处于近范围时，这导致错误警报。

发明内容

除其他事物外，实施例还提供运动检测的系统和方法，其为上文列出的问题提供解决方案。在这些实施例中，运动检测器自动调整其对反射RF波的灵敏度。

一个实施例提供一种包括射频（RF）传输电路、RF接收电路以及控制器的运动检测器，所述控制器电气耦合到RF传输电路和RF 接收电路。控制器被配置为控制RF传输电路以生成RF信号，并控制RF接收电路以在RF信号的传输之后的预定接收时间内从目标对象接收反射RF信号。控制器还被配置为控制RF接收电路以基于反射RF信号生成多普勒信号，所述多普勒信号指示目标对象和运动检测系统之间的距离。控制器还被配置为在预定接收时间期间调整RF接收电路的灵敏度，并至少部分地基于多普勒信号的幅度来激活指示器。

另一个实施例提供一种利用运动检测器来检测运动的方法。所述方法包括利用射频（RF）传输电路生成RF信号，并在RF信号的传输之后的预定接收时间内从目标对象接收反射RF信号。控制器基于反射RF信号来生成指示到目标对象的距离的多普勒信号，并在预定接收时间期间调整RF接收电路的灵敏度。然后控制器至少部分地基于多普勒信号的幅度来激活指示器。

附图说明

图1是针对本领域当前所已知的运动检测器中的各种检测到的对象的信号强度对比距离的绘图。

图2是根据一个实施例的具有标准化灵敏度的运动检测器的图。

图3A是根据一个实施例的用于生成针对图2的运动检测器的控制波形的电阻性-电容性电路的示意图。

图3B是根据一个实施例的针对图2的电阻性-电容性电路的输入波形和针对图2的运动检测器的控制波形的图。

图4是根据另一个实施例的具有标准化灵敏度的运动检测器的图。

图5是根据一个实施例的用于图2和4中的运动检测器的控制器的图。

图6是根据一个实施例的针对图2和4的运动检测器的操作性控制的定时序列的图，所述操作性控制由图5的控制器发起。

图7是图6的定时序列的部分的图。

图8是根据一个实施例的来自图2和4的运动检测器的射频传输脉冲串的图。

图9是根据一个实施例的图2和4中的运动检测器的操作方法的流程图。

图10是针对图2和4的运动检测器中的各种检测到的对象的信号强度对比距离的绘图。

具体实施方式

在详细解释任何实施例之前，要理解，本发明在其应用方面不限于以下描述中阐述的或所附附图中图示的组件的构造细节和布置。实施例能够以各种方式被实践或被施行。

可以使用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同结构组件来实现本发明。此外，本发明的实施例可以包括硬件、软件和电子组件，出于讨论的目的可以如同多数组件被独自实现在硬件中那样说明和描述所述电子组件。然而，本领域的普通技术人员，并基于对本详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施例中，本发明的基于电子的方面可以被实现在由一个或多个处理器可执行的软件（例如，存储在非暂时性计算机可读介质上）中。这样，可以利用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同结构组件来实现本发明的实施例。例如，说明书中描述的“控制器”可以包括一个或多个处理器、一个或多个包括非暂时性计算机可读介质的存储器模块、一个或多个输入/输出接口以及连接组件的各种连接（例如，系统总线）。

图2图示了根据一个实施例的具有标准化灵敏度的运动检测器200。在图示的示例中，运动检测器200包括传输电路205、接收电路210和控制器215。传输电路205包括射频（RF）形状发生器220（例如，RF脉冲串发生器）和传输天线225。接收电路210包括接收天线230、低噪声放大器233、放大器235（例如，增益控制放大器）、混频器240、采样与保持电路245、运算放大器 250、控制器255和指示器260。图2提供了具有标准化灵敏度的运动检测器200的一个示例。然而，除本文图示和描述的那些之外的针对运动检测器200调整灵敏度的配置和构造是可能的。

在图示的示例中，控制器215的输出电气耦合到RF形状发生器220，并且RF形状发生器220电气耦合到传输天线225。控制器215的输出电气耦合到低噪声放大器233和放大器235。控制器215的另一个输出电气耦合到混频器240，并且控制器215的又一个输出电气耦合到采样与保持电路245。接收天线230电气耦合到低噪声放大器233的输入，并且低噪声放大器233的输出电气耦合到放大器235的输入。放大器235的输出电气耦合到混频器240。混频器240的输出电气耦合到采样与保持电路245的输入。采样与保持电路245的输出电气耦合到运算放大器 250。运算放大器 250的输出电气耦合到控制器255，并且控制器255的输出电气耦合到指示器260。

在一些实施例中，控制器215包括RF振荡器265和时间门与脉冲发生器电路270。这些组件的组合为控制器215提供生成图6和7中图示的控制信号的能力。控制信号包括控制信号275、控制信号277、控制信号280、控制信号285和控制信号290。在一些实施例中，控制器215使用各种硬件和软件组件的组合来生成控制信号。在一个示例中，由如图5中图示的并在下面描述的微控制器来实现控制器215。类似地，可以利用硬件组件的组合来实现控制器255。在一个示例中，以与控制器215相同的硬件配置来实现控制器255。在其他实施例中，取决于对特定应用的需要来利用特定硬件配置文件实现控制器255。在一个示例中，运动检测器200可以具有用于传输和接收RF信号的单个天线。在该实施例中，传输电路205和接收电路210可以合并到用于传输和接收的收发器中，同时仍使用本文描述的概念。

运动检测器200可以使用多种形式的RF传输和接收。例如，运动检测器200、300可以使用红外、微波或两者以用于RF波的传输和接收。在一些实施例中，运动检测器200单独基于多普勒信号的幅度来激活指示器，如下面描述的。在其他实施例中，运动检测器200至少部分地基于多普勒信号的幅度和另一条件来激活指示器260。例如，在一些实施例中，运动检测器200基于多普勒信号的幅度在控制器255内设置指示运动事件的条件，并仅在定位在运动检测器200的内部或外部的另一个传感器确认运动事件后激活指示器260。例如，在一些实施例中，部分地基于存储在控制器255内的信息来触发指示器260，所述信息指示是否检测到运动事件。特别地，可以至少部分地基于控制器255的寄存器中的比特的激活来触发指示器260，所述比特指示运动事件的检测。在该情况下，在检测到运动事件后，可以不立即触发指示器260。而是，可以仅当比特指示运动事件的检测已经发生时并且当运动事件被另一个检测器（例如，红外检测器）确认时，才触发指示器260。

指示器260可以具有各种形式和构造。例如，指示器260可以包括视觉设备（例如，发光二极管（LED）、图形显示器上的图标或灯）、音频设备（例如，扬声器、警笛等）、触觉设备（例如，振动告警设备）或前述的组合。在一些实施例中，指示器260可以包括基于控制器255的信号来激活指示器260的警报继电器、电子开关或其他触发器。

图3A图示了被配置为生成控制信号280的电阻性-电容性电路291的一个示例。在该示例中，到电阻性-电容性电路291的输入电气耦合到电阻器292和二极管294。电容器296电气耦合到电阻器292和二极管294的另一侧。电容器296还电气耦合到输出。对电阻性-电容性电路291应用脉冲输入298以在输出处生成控制信号280。可以在控制器215的内部或外部构造电阻性-电容性电路291。例如，当电阻性-电容性电路291定位在控制器215的外部时，脉冲输入298可以由控制器215生成并被发送到电阻性-电容性电路291。在另一个示例中，脉冲输入298可以由控制器215内部地生成并在控制器215内的电阻性-电容性电路291处内部地被接收。图3B图示了脉冲输入298的波形和控制信号280的波形（也在图6和7中图示）。

图4图示了根据另一个实施例的具有标准化灵敏度的运动检测器300。在图示的示例中，运动检测器200可以包括与运动检测器200相同的硬件。然而，运动检测器300还包括可变衰减器305。归因于可变衰减器305的存在，控制器215将控制信号直接提供给可变衰减器305，而不是如运动检测器200中那样直接提供给放大器235。在该示例中，放大器235可以是低噪声放大器。除了利用可变衰减器305来调整RF信号的信号强度外，运动检测器300可以与运动检测器200相同地运作。在图示的实施例中，可变衰减器305的输入电气耦合到接收天线230，并且可变衰减器305的输出电气耦合到放大器235。在另一个实施例中（未图示），可变衰减器305的输入电气耦合到放大器235的输出，并且可变衰减器305的输出电气耦合到混频器240。换言之，可变衰减器305可以定位在接收天线203和放大器235之间，或者定位在放大器235和混频器240之间。在这些所描述实施例的任一个中，可变衰减器305为控制器215提供自动且可变地调整任何接收的RF信号的衰减的功能性。

图5图示了根据一个实施例的控制器215和控制器255（后文标记为控制器215、255）的组件。在图示的示例中，控制器215、255包括为控制器215、255内的组件和模块提供功率、操作控制和保护的多个电气和电子组件。除其他事物外，控制器215、255还包括电子处理器405（诸如可编程电子微处理器、微控制器或类似设备）、存储器410（例如，非暂时性机器可读存储器）以及输入/输出接口415。控制器215、255可以包括附加电子处理器或存储器。附加于或代替电子处理器405，控制器215、255可以包括专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或两者。除其他事物外，控制器215、255还被配置为实现本文描述的过程和方法。在其他实施例中，控制器215、255包括附加的、更少的或不同的组件。

电子处理器405通信地耦合到存储器410并执行能够存储在存储器410上的指令。电子处理器405被配置为从存储器410检索并执行与运动检测器200或运动检测器300的操作方法有关的指令。电子处理器405通信地耦合到输入/输出接口415。输入/输出接口415通信地耦合到控制器215、255外部的硬件。例如，输入/输出接口415通信地耦合到指示器260和RF振荡器265。在一些实施例中，输入/输出接口415可以生成控制信号275、277、280、285、290。在一些实施例中，输入/输出接口415借助于中央安全系统、消息传送系统、安全网络、本地警报（例如，警报灯或警笛）等来直接或间接地激活运动的指示（例如，警报）。

图6和7图示了根据一个实施例的针对由控制器215所生成的控制信号275、280、285、290的定时序列的图。图6和7中的图图示了处于不同细节水平的相同控制信号275、280、285、290。特别地，图6图示了传输和接收循环可以以每1000纳秒重复发生。图7图示了单个传输和接收循环（例如，在100纳秒内发生）。下面在本方法的讨论中，将参考图6和7中图示的定时序列和控制信号275、280、285、290。未图示控制信号277；然而，控制信号277可以具有与控制信号290所图示的相同的波形和定时。

将控制信号275从控制器215发送到RF形状发生器220。基于控制信号275，RF形状发生器220根据激活的频率和时间段、基于控制信号275而生成RF脉冲串。图8图示了RF脉冲串的一个示例。在一个示例中，RF脉冲串可以是以近似7.5千兆赫兹的RF能量的传输。当控制信号275活动时，RF形状发生器220可以在0至2纳秒的时间范围内生成RF脉冲串。RF脉冲串可以是用于超宽带操作的500兆赫兹带宽的脉冲串波形。可以由RF形状发生器220根据用于传输的RF波的各种RF规则来生成RF脉冲串。例如，RF可以成形为符合联邦通信委员会（FCC）部分15.517和15.521以及欧洲通信委员会（ECC）技术要求（CEPTREP034.pdf）（包括谐波（-41.3dBm / MHz EIRP，0dBm峰值EIRP，带宽> 500MHz））。

图9图示了根据一个实施例的操作运动检测器200、300的方法700。在图示的实施例中，控制器215生成控制信号275（块705）。将控制信号275从控制器215发送到RF形状发生器220。在传输RF波之后，控制器215生成并输出控制信号280到放大器235或可变衰减器305（块710）。如图6和7中图示的，控制信号280可以是在应用到可变衰减器305或放大器235时随时间在幅度方面斜升更高的脉冲。然而，每个特定配置可以要求特定信号来实现对接收电路210的适当调整，诸如对于图示的配置而言的反向或反转信号。可以在完成控制信号275之后激活控制信号280，以防止外发的RF传输的立即接收和放大。在一些实施例中，一完成控制信号275就激活控制信号280。在其他实施例中，在控制信号275活动505之后的短暂延时（例如，3纳秒）之后激活控制信号280。延时用于若干目的。例如，延时在RF传输时段期间避免放大器235的饱和并忽略由在运动检测器200、300的紧邻附近的对象引起的反射。

控制器215调整控制信号280以在它活动的时间段内增大放大器235的增益或减小可变衰减器305的衰减（块715）。例如，取决于运动检测器200、300的期望范围，控制信号280可以活动达近似100纳秒。因此，调整接收的RF信号以补偿在对应于各种距离的各种振幅处接收的RF反射。特别地，在接收循环中稍后接收的RF反射归因于行进较大距离（例如，归因于色散）而自然衰减，并因此导致较低振幅的接收信号。控制器215对控制信号280的调整增大这些较低振幅的接收信号的振幅。

在生成控制信号275之后，控制器215还生成控制信号285（例如，本地振荡器信号）（块720）。控制器215向混频器240输出控制信号285。混频器240基于控制信号285和接收的RF信号的组合来提供多普勒信号。例如，多普勒信号可以表示控制信号285和接收的RF信号之间的差异。多普勒信号可以具有低频率（例如，0.1至100赫兹）。控制信号285针对运动检测器200、300设置检测范围。例如，控制信号285可以活动达100纳秒来为运动检测器200、300提供特定检测范围。由于对于检测范围的每英尺，传输的RF波要花费近似2纳秒被反射回到接收电路210，所以100纳秒的控制信号将检测范围限制到50英尺。因此，归因于100纳秒之后缺少控制信号285，在100纳秒之后接收的反射RF波不创建多普勒信号。

控制器215还生成控制信号290并将控制信号290发送到采样与保持电路245（块725）。如图示的，控制信号290可以是在反射信号的接收期间激活采样与保持电路245的100纳秒脉冲。由于可以将传输的RF波作为脉冲串传输，因此采样与保持电路245将也可以作为脉冲串被接收的多普勒信号转换成连续波信号（块730）。在一些实施例中，来自采样与保持电路245的输出的信号在被发送到控制器255之前被运算放大器 250放大。控制器255将连续波信号与预定阈值进行比较（块735），并当连续波信号在预定阈值之上时激活指示器260（块740）。

图10图示了针对运动指示器200、300的信号强度对比距离的绘图。绘图包括针对运动检测器200、300检测到的各种对象的多普勒信号强度的示例。在说明性示例中，检测到的对象包括人、啮齿动物和虫子。归因于由放大器235或可变衰减器305执行的调整，针对检测到的对象在距离上标准化多普勒信号。例如，对于每个检测到的对象，多普勒信号的振幅在50英尺的检测范围内维持平坦。由虚线指示阈值805（即，上文描述的预定阈值）。归因于多普勒信号的标准化，人是在任何距离范围处在阈值805之上的唯一被检测到的对象。因此，只有人触发指示器260。这可以减少或消除由靠近于运动检测器200、300的对象引起的错误警报。将这与图1进行比较，在图1中，在近距离处，来自检测到的对象的所有多普勒信号都超过阈值。

因此，除其他事物外，本发明的实施例还提供具有标准化检测的运动检测器和通过标准化多普勒信号来执行运动检测的方法。在所附权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (18)

1.一种运动检测器，包括：

射频（RF）传输电路；

RF接收电路；

控制器，其电气耦合到RF传输电路和RF接收电路，控制器被配置为

　控制RF传输电路以生成RF信号，

控制RF接收电路以在所述RF信号的传输之后的预定接收时间内从目标对象接收反射RF信号；

　控制RF接收电路以基于所述反射RF信号生成多普勒信号，所述多普勒信号指示目标对象和运动检测系统之间的距离；

在预定接收时间期间调整RF接收电路的灵敏度，以及

　至少部分地基于所述多普勒信号的幅度来激活指示器。

2.根据权利要求1所述的运动检测器，其中控制器被配置为通过调整接收的反射RF信号的幅度来调整RF接收电路的灵敏度。

3.根据权利要求1所述的运动检测器，其中控制器还被配置为通过标准化所述多普勒信号来调整RF接收电路的灵敏度。

4.根据权利要求1所述的运动检测器，其中RF接收电路包括

放大器；

电气耦合到放大器的混频器；

电气耦合到混频器的采样与保持电路；以及

电气耦合到采样与保持电路的运算放大器。

5.根据权利要求4所述的运动检测器，其中控制器还被配置为在预定接收时间期间增大放大器的增益。

6.根据权利要求4所述的运动检测器，其中RF接收电路还包括定位在接收天线和放大器之间的可变衰减器，并且其中控制器被配置为通过调整可变衰减器来调整RF接收电路的灵敏度。

7.根据权利要求4所述的运动检测器，其中RF接收电路还包括定位在放大器和混频器之间的可变衰减器，并且其中控制器被配置为通过调整可变衰减器来调整RF接收电路的灵敏度。

8.根据权利要求4所述的运动检测器，其中RF接收电路还包括电气耦合到放大器的低噪声放大器。

9.根据权利要求7所述的运动检测器，其中控制器还被配置为对可变衰减器应用脉冲来控制可变衰减器的衰减。

10.根据权利要求1所述的运动检测器，其中控制器被配置为当所述多普勒信号的幅度大于预定阈值时激活指示器。

11.一种利用运动检测器来检测运动的方法，所述方法包括：

利用射频（RF）传输电路生成RF信号，

利用RF接收电路在所述RF信号的传输之后的预定接收时间内从目标对象接收反射RF信号；

基于所述反射RF信号来生成指示到目标对象的距离的多普勒信号；

在预定接收时间期间调整RF接收电路的灵敏度；以及

至少部分地基于所述多普勒信号的幅度来激活指示器。

12.根据权利要求11所述的检测运动的方法，其中调整RF接收电路的灵敏度包括调整接收的反射RF信号的幅度。

13.根据权利要求11所述的检测运动的方法，其中调整RF接收电路的灵敏度包括标准化所述多普勒信号。

14.根据权利要求11所述的检测运动的方法，所述方法还包括：

在放大器处接收所述反射RF信号并放大所述反射RF信号来创建放大的信号；

在混频器处接收所述放大的信号；

在采样与保持电路处接收所述多普勒信号；以及

在采样与保持电路处接收所述多普勒信号之后，在运算放大器处放大所述多普勒信号。

15.根据权利要求14所述的检测运动的方法，所述方法还包括在预定接收时间期间增大放大器的增益。

16.根据权利要求14所述的检测运动的方法，所述方法还包括在可变衰减器处接收所述反射RF信号，并通过调整可变衰减器来调整RF接收电路的灵敏度。

17.根据权利要求16所述的检测运动的方法，所述方法还包括对可变衰减器应用脉冲来控制可变衰减器的衰减。

18.根据权利要求14所述的检测运动的方法，所述方法包括当所述多普勒信号的幅度大于预定阈值时激活指示器。