CN1146010A - 红外探测装置和用其检测人体的方法 - Google Patents

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Abstract

一种红外探测装置包括：聚光透镜，用以收集由人体发出的红外线；导引装置，用以将需监视室划分为多个横向和纵向区，并将红外线导引到与红外线方向对应的红外线探测器组件的一部分；一壳体，用以封装聚光透镜和导引装置，防止入射的红外线散射；红外线探测器组件，用于检测由导引装置和壳体导引的某区的红外线或多个区的红外线；及一信号处理装置，用以放大红外探测器组件的输出信号和用以将施加的信号变换为数字信号并分析该信号。

Description

红外探测装置和用其检测人体的方法
本发明涉及一种红外探测装置(infrared sensing device)，不仅能够检测人体的出现和活动范围，而且检测在场的任一个人的位置和移动方向，以及涉及利用这种装置检测人体的方法。
正如公知的，红外探测装置分为热电式红外探测装置和光(量)子式红外探测装置。虽然，与光(量)子式红外探测装置相比，各种热电式红外探测装置检测灵敏度较差，但由于它们在一般室温下利用非冷却的系统来驱动，因而制造成本低，能够使制造方式简化。因此，热电式探测装置在预防犯罪、预防灾害设备和空调系统中正在扩大使用。当构成这种探测装置的热电物质接收由一热源例如人体发出的红外线时，热电物质的温度发生变化，由于热电物质的极化强度的变化，引起热电性电流，因此能检测热原。近些年来，已经将PbTiO3，锆钛酸铅、LiTaO3、聚偏氟乙烯聚合物等用作热电材料。
参照附图，下面对常规的红外探测装置进行介绍。
图1是常规的红外探测装置的结构的断面图，图2以曲线方式表示一般的红外探测装置的温度一极化强度特性。图3表示常规的红外探测装置的等效电路图。
常规的红外探测装置包括一热电式铁电性的芯片1、安装在一上台2上的红外探测元件、安装在热电性芯片下方的电路基板3上的栅极电阻4和场效应晶体管5，形成在热电性芯片1上方的滤波器6以及形成密封的金属封装件7。
红外探测装置的热电物质的温度越高，红外探测装置的极化强度降低越多，如图2所示。在温度T1，热电探测装置的极化上升到P1，以及与极化程度成比例，产生正和负电荷的偶极子。按照这一特点，当温度上升到T2点时，热电探测装置的极化强度下降到P2，偶极子的数目降低到P2，因此，负和正电荷等效于通过金属线的偶极子的数目P1-P2(ΔP：极化强度的降低)。这些负的和正的电荷形成一个热电性电流，探测装置灵敏地根据热电流的变化检测温度。
参阅图3，随着温度由T1上升到T2时，热电性式铁电性芯片1的极化强度由P1下降到P2，这降低了偶极子的数目并且由于偶极子的减少产生的正负电荷减少。
利用连接到FET5(场效应晶体管)的栅极的栅极电阻4，将热电电流转换为一个阻抗电压，FET5灵敏地反应，产生一个探测器检测信号。
这种常规的红外探测装置能够探测人体的出现和活动的范围，但不能检测人体的位置和移动方向或人体与装置本身之间的距离。
本发明提供的红外探测装置具有三个热电式红外探测器元件和导引装置，将需监视的室分为长距离区和短距离区，以及右、中心和左区，以便探测在场的任一个人的位置和移动方向，人体的出现和活动范围，以及还提供一种利用这种探测装置探测人体的方法。
为了实现上述目的，本发明提供的一种红外探测装置包括：聚光透镜，用于收集来自人体的红外线；导引装置，用于将一个需监视的室分成为多个横向的和纵向的区域，以及用于将该红外线导引到与红外线探测装置的方向相应的该装置的一个部分上；一壳体，用于包封聚光透镜和导引装置，防止入射的红外线的散射；红外探测器组件，用于探测某一区域的红外线或由导引装置和壳体导引的多个区域的红外线；以及信号处理装置，用于放大红外探测器组件的输出信号，以及用于将提供的信号变换为数字信号并分析该数字信号。
图1是常规的红外探测装置结构的剖面图；
图2以曲线方式表示一般红外探测装置的温度一极化强度特性；
图3表示常规的红外探测装置的等效电路图；
图4是根据本发明的红外探测装置的分解图；
图5是根据本发明的红外探测器组件的分解图；
图6表示根据本发明的红外探测器组件的结构；
图7表示根据本发明的红外探测装置的水平剖面图；
图8表示根据本发明的红外探测装置的竖直剖面图；
图9表示红外探测装置的视场的水平分布；
图10表示本发明的红外探测装置的视场的竖直分布；
图11是根据本发明的红外探测装置的方块图；
图12是根据本发明的红外探测装置的电路图；以及
图13A和13B表示利用根据本发明的红外探测装置探测人体的方法的流程图。
下面参照附图，将详细介绍根据本发明的红外探测装置的一个优选的实施例。
图4和图5是本发明的红外探测装置和红外探测器组件的分解图。图6表示本发明的红外探测器组件的结构，图7和图8表示本发明的红外探测装置的水平和竖直断面图。
参照图4，该红外探测装置包括菲涅耳透镜11，用于汇集由人体发出的热红外线；导引装置12，具有水平的和竖直的导引件12b和12a，用于将需监视的室分为多个横向和纵向的区域并且导引由出现在其中一个区域的目标发出的某些红外线IR；以及导引件壳体13，用于封装导引装置12，以防止经过菲涅耳透镜11和导引装置12入射的红外线的分散。本发明的红外探测装置还包括：一个红外探测器组件4，用于探测经导引装置12引入的红外线，以及一个信号处理装置15，用于放大由红外探测组件14产生的信号并且用于将所施加的信号变换为数字信号并分析该数字信号。
下面参照图5，红外探测器组件14包括：一个红外滤波器16，仅透过红外线；具有阻抗变换器20的红外检测器件17，用于检测由红外滤波器16接收的红外线并产生热电电流；一个金属底座18，其上安装红外检测器17和阻抗变换器20；以及金属封装件19，用于容纳红外滤波器16，红外检测器17和阻抗变换器20，形成一个密封件。
如图6所示，红外检测器17包括：具有形成在同一电路基片上的场效应晶体管FET和栅极电阻的阻抗变换器20；两个横向/纵向距离区检测器元件17a和17b，它们安装在上部，以便检测需监视的室的左、中和右区以及长距离区；以及一短距离区检测元件17C，安装在该横向/长距离区检测元件17a和17b的下方，以便检测该室的短距离区。
当涉及到检测元件的位置时，该横向/长距离区检测器元件17a和17b的配置由于两个竖直的导引件12a被分为3个部分，左、中和右部分，如图7所示。
假如人体出现在中区，由竖直导引件12a形成的横向/长距离区检测器元件17a和17b的中间一个检测人体的位置，两个横向/长距离区检测器元件17a和17b一起产生反应性的输出。用于监视一个室的近距离区的短距离区检测元件17c配置在横向/长距离区检测器元件17a和17b的下方。
此外，水平导引件12b配置在该横向/长距离区检测器元件17a和17b与该短距离区检测器元件17c之间，以便防止当如图8所示，红外线入射到红外检测器17上时，在长距离区和短距离区检测方面产生相互干扰。
下面介绍本发明的红外探测装置的工作。
由出现在如上所述由导引件12a和12b所划分的其中一个区内的人体，所发出的红外线IR由菲涅耳透镜11所收集，然后或者聚焦在红外检测器17的横向/长距离区元件17a和17b，或者聚焦在红外检测器17的短距离区元件17c，与人体出现的区相对应。
通过每个区检测的红外线IR加到红外检测器17的阻抗变换器20上，以便产生探测器检测信号。
换句话说，假如在某一区域出现一个人体或在场的任何一个人的移动，这个区的对应的红外检测元件产生一予输出，检测出在场的任一个人的位置和移动方向，活动范围等。每个红外检测元件对人体的移动方向和速度的顺序反应向红外探测装置提供该运动方向的信息，以及红外探测装置可以由响应移动的频率的每个红外检测器元件的反应频率来探测活动的范围。
如图7和8中所示，对于左、中和右区确定的检测角度，以及横向/长距离区检测器元件17a和17b由于竖直导引件12a形成左、中和右部分。
在入射角A下，来自各个左，中和右区的红外线入射到横向/长距离区检测器元件17a和17b的对应部分。入射角B表示来自中、左和右区的并且可以入射到各检测器元件的中心部分的红外线的最大弯曲度。入射角C表示入射到邻近对应各区的红外检测器元件的区域的一个红外检测器元件上的红外线的方向。
检测角度范围是由入射的红外线来确定的，中心检测角度a1由在图上出现的H1、f1、i1、h1、w1和g1来确定，左检测角度a2由H1、f1、i1、g1、S1和11来确定。
由于本发明的红外探测装置是对称的，右检测角度a3按照与左检测角度相同的原则来表示。
参考字母标注如下：H1是每个竖直导引件12a的上端的高度；F1是菲涅耳透镜11的焦距；i1是竖直导引件12a所在的角度；h1是每个竖直导引件12a下端的高度；w1是横向/长距离区检测元件17a和17b的宽度；g1是两个竖直导引件12a之间的间隔；11是红外滤波器16′的窗口宽度；S1为2g1-w1 。
一般是由在另一个区中的入射红外线引起的横向/长距离检测元件17a和17b的误操作，也可以由波长长于菲涅耳透镜11的焦距f1的入射红外线所引起。通过利用信号处理装置15将横向/长距离检测器元件17a和17b的输出与参考电压相比较可以防止这个问题，并且不计它的结果，因为红外辐射的强度是不高的。
分布在横向/长距离检测器元件17a和17b与短距离区检测器元件17c之间的水平导引件12b可以提供人体远离还是接近红外探测装置的信息。
下部部分的短距离检测角度b1由f1、j1、g1、c1、d1和h1来确定，下部部分的长距离检测角度由f1、j1、p1、c1、d1和h1来确定。
各参考字母标注如下：j1是安装在红外探测装置上的水平导引件12b的角度；c1是横向/长距离检测器元件17a和17b与短距离检测器元件17c之间的间隔；d1是2w1-c1，(w1是横向/长距离检测器元件的宽度)；e1是红外滤波器16的窗口宽度；p1是菲涅耳透镜11的下部部分沿长度方向的宽度；以及g1是菲涅耳透镜11的上部部分沿长度方向的宽度。
图9表示红外探测装置的视场的水平分布。图10是表示本发明的红外探测装置的视场的竖直分布。图11是本发明的红外探测装置的方块图，图12是本发明的红外探测装置的电路图。
如图11所示，本发明的探测装置包括红外探测器组件14，它探测来自多个区的每一红外线和产生左侧信号、右侧信号或短距离信号，还包括信号处理装置15。
信号处理装置15具有：左侧信号放大部分21，它接收由红外探测器组件14产生的左侧信号并增加所施加的信号的幅度；右侧信号放大部分22，它接收由红外探测器组件14产生的右侧信号并增加所施加的信号的幅度；以及短距离信号放大部分23，它接收红外探测器组件14的短矩离信号并增加所施加的信号的幅度。信号处理装置15还具有第一、第二和第三A/D变换部分24、25和26，每一个部分接收由左侧信号、右侧信号和短距离信号放大部分21、22和23产生的相应的输出信号，并将所施加的信号变换为数字信号；以及一比较部分27，它接收来自第一和第二A/D变换部分24和25的左侧和右侧信号，将它们彼此比较，计算所施加的信号，然后产生一中间信号。
更具体地说，如图12所示，本发明的探测装置包括：红外探测器组件14，该组件具有电源Vcc、接地端、电容C12和C13，这两个电容并联在电源Vcc和接地端之间，以消除电源电压的噪声；以及一红外检测器17，由电源Vcc驱动，以便产生左侧、右侧或短距离信号；信号处理装置15，它由左侧信号、右侧信号和短距离信号放大部分21、22和23组成，每一部分具有彼此连接的非反相放大器和反相放大器，以及它的幅度由连接在各放大器的每个电阻和电容确定；第一、第二和第三A/D变换部分24、25和26，它们将来自各放大部分的每个经放大的信号利用各比较器变换为数字信号；以及比较部分27，它通过利用比较用栅极，将右侧和左侧信号彼此比较，并对信号进行处理。
下面介绍本发明的红外探测装置的工作。
假如人体出现在由红外探测装置监视的一个室的左区，由人体发出的红外线行进，由将该室分为左、中和右区的竖直导引件12a使之入射到红外检测器17的横向/长距离区检测器元件17a和17b中的左边一个上。
由入射到横向/长距离区检测器元件17a和17b中的左侧一个上的红外线产生一左侧信号，通过左侧信号放大部分21增加该信号的幅度。利用第一A/D变换部分24将经放大的信号变换为数字信号，产生一个传递人体出现在左区内的信息的信号。
当探测器组件检测到人体的出现时，它的高电平输出信号变为低电平，这一低电平信号的周期随入射到检测器元件上的红外线的强度变化。换句话说，当人体近于红外探测装置时，由人体发出的红外线的强度是高的，低电平信号的周期变长。相反，假如人体离红外探测装置远，红外线强度低，低电平信号的周期变短。
右侧信号和短距离信号的处理与左侧信号的处理相同。
利用竖直导引件12a导引由中区产生的红外线，并入射到横向/长距离区检测器元件17a和17b的中间一个部分，这一部分电连接到各检测器元件左右部分，以便同时产生左侧和右侧信号。这些左侧和右侧信号经过左侧和右侧信号放大部分21和22的非反相放大器和反相放大器被放大，经放大的信号利用第一和第二A/D变换部分24和25变换为数字信号。
利用比较部分27将两个数字信号与一参考电压进行比较，假如两个信号中的每个信号变为低电平，则产生一个通知人体出现在中区的信号。
下面介绍利用本发明的红外探测装置检测人体的步骤。
如图13A和13B所示，假如人体出现在红外探测装置的前方，红外探测装置检查左侧、中间、右侧和短距离的各个信号。
换句话说，探测装置测定(S101)中间信号是否达到低电平。假如中间信号达到低电平，探测装置提高中间信号变量的数值(S102)，并且，假如中间信号达到高电平，探测装置测定(S103)接着中间信号的右侧信号是否达到低电平。假如右侧信号达到低电平，探测装置提高右侧信号变量的数值(S104)，并且，假如右侧信号达到高电平，探测装置测定(S105)下一个左侧信号是否达到低电平。假如左侧信号达到低电平，探测装置提高左侧信号变量的数值(S106)，以及假如左侧信号达到高电平，探测装置测定(S107)下一个信号，即短距离信号是否达到低电平。假如短距离信号达到低电平，探测装置提高短距离信号的变量的数值(S108)，以及假如短距离信号达到高电平，探测装置进行下一步骤。
在上述步骤之后，假如左、中、右信号变量中的任一个超过第一设定值X1，它表明人体的活动范围是大的，探测装置行进到下一步骤(S109)。假如，所有左、中、右信号变量没有超过第一设定值X1，探测装置测定是否经过了时间为T1的预定周期。假如经过了时间为T1的预定周期，探测装置开始下一步骤，假如没有，探测装置返回(S110)到起始步骤(S101)。
接着，探测装置测定(S111)是否短距离信号变量小于第二设定值C1。假如短距离信号变量小于第二设定值C1，这表明人体远离红外探测装置，探测装置测定(S112)人体的位置作为长度距离位置。
假如短距离信号变量超过第二设定值C1，探测装置测定(S113)是否短距离信号变量超过第三设定值C2。假如短距离信号变量超过第三设定值C2，则人体靠近红外探测装置，并且探测装置测定(S114)人体的位置作为短距离位置。另外，假如短距离信号变量大于第二设定值C1并小于第三设定值C2，探测装置测定人体的位置作为中间距离的位置，并行进到下一步骤(S115)。
在上述步骤之后，假如所有的左、中、右信号变量都小于第四设定值X3(S116)，探测装置不考虑测定位置，而行进(S117)到起始步骤(S131)。
假如左、中和右信号变量中的任何一个超过第四设定值X3，探测装置测定(S118)中间变量是否超过第五设定值C4。假如中间变量超过第五设定值C4，探测装置测定(S119)右信号变量是否等于左信号变量。假如右信号变量等于左信号变量，测定中间信号，且探测装置行进(S120)到起始步骤(S131)。
假如右信号变量与左信号变量不同，探测装置测定(S121)右信号变量是否等于中间信号变量。假如右信号变量与中间信号变量相似，则测定左侧和中间信号，探测装置进行(S122)到起始步骤(S131)。假如右侧信号变量与中间信号变量不相似，探测装置测定(S123)左侧信号变量是否与中间信号变量相似。假如左侧信号变量与中间信号变量相似，则测定右侧和中间信号，探测装置行进(S124)到起始步骤(S131)。假如左侧信号变量与中间信号变量不相似，则侧定前向信号，且探测装置行进(S125)到起始步骤(S131)。
当探测装置测定(S118)中间信号变量是否超过第五设定值C4时，假如中间信号变量不超过第五设定值C4，探测装置测定(S126)右侧信号变量是否小于第六设定值C5，假如右侧信号变量小于第六设定值C5，则测定左侧信号，且探测装置行进(S127)到起始步骤(S131)。
假如右侧信号变量超过第六设定值C5，探测装置测定(S128)左侧信号变量是否小于第六设定值C5。假如左侧信号变量小于第六设定值C5，则测定右侧信号，探测装置行进(S129)到起始步骤(S131)。假如左侧信号变量超过第六设定值C5，则测定左侧信号和右侧信号，且探测装置行进(S130)到起始步骤(S131)。
在上述步骤之后，在S131，所有的变量被起始化，探测装置产生一个输出作为设定值，并返回(S132)到起始步骤。
假如检测短距离信号的程序(在图11和12的短距离信号放大部分23和第三A/D变换部分26中测定短和长距离的位置的步骤以及在图13中的步骤S111-S115)由本发明的检测方法中被删除，则红外探测装置仅利用入射在横向/长距离检测器元件17a和17b上的每个左、中、右侧的红外线的强度就能够检测在场的任一个人的短或长距离的位置。换句话说，假如人体离探测装置较远，入射到检测器元件上的红外线的强度变低，并且提供的低电平信号的周期减小，使左、中、右侧信号变量的各自计算值降低到低电平信号。相反，假如人体接近探测装置，它们的计算值则增加。
因此，可以应用如下的算法；假如左侧、中间和右侧信号的各自的计算值超过该大的数值X2，红外探测装置测定人体的位置作为短距离的位置，以及假如它们小于该小的数值X3，则该装置测定它作为长距离位置。此外，假如它们超过该小的数值X3，则装置测定它作为中间距离位置。
根据本发明的红外探测装置和利用这样一种装置检测人体的方法，可以检测人体的出现，在场的任一个人的位置和移动方向。当将本发明应用到空调系统上时，空调系统使冷却空气流到人体出现的区域，有效地进行自动空气循环控制。本发明另外具有的优点是，功率消耗低、制造简单、重量轻、尺寸小、生产成本低，这是由于本发明的探测器组件仅包括按照高的光学技术设计的菲涅耳透镜、导引件和红外检测元件。
对于本技术领域的普通技术人员来说很明显，在不脱离本发明的构思和范围的情况下，可以对本发明的红外探测装置和探测方法进行各种改进和变化。因此，本发明意在覆盖处于所提权利要求的范围内的本发明的各种改进和变化以及它们的等同物。

Claims (12)

1、一种红外探测装置，包含：
聚光装置，用于收集由人体发出的红外线；
导引装置，用于将需监视的室分为多个横向和纵向区以及用于将红外线导引到与红外线的方向相对应的红外探测器装置的一个部分上；
壳体装置，用于封装所述聚光装置和导引装置，防止入射的红外线；
所述红外探测器装置，用于探测所述导引装置和壳体装置导引的某一区的红外线或多个区的红外线；以及
信号处理装置，用于放大所述红外探测器装置的输出信号，以及用于将施加的信号变换为数字信号和分析该数字信号。
2、根据权利要求1所述的红外探测装置，其中所述的导引装置的配置呈扇片形。
3、根据权利要求1所述的红外探测装置，其中所述的导引装置包括：
竖直导向件，用于将需监视的室划分为左、右和中区；以及
水平导引件，用于将该室划分为长距离区和短距离区。
4、根据权利要求3所述的红外探测装置，其中所述竖直和水平导引件是交叉配置的。
5、根据权利要求1所述的红外探测装置，其中所述的红外探测器组件包括：
红外滤波器，用于仅透过红外线；
红外检测器，用于检测通过所述红外滤波器的红外线。产生热电性电流；
金属底座，用于承载所述红外检测器；及
金属封装，用于保护所述红外滤波器、红外检测器和金属底座，防止外部冲击。
6、根据权利要求5所述的红外探测装置，其中所述的红外检测器包括多个红外检测器元件，它们配置在一阻抗变换装置上以划分为几个与由所述导引装置形成的多个区相对应的部分。
7、根据权利要求6所述的红外探测装置，其中所述的红外检测器包括：
一对上部红外检测器元件，具有预定的尺寸和其间预定的间隔，检测出现在左、中、右区和长距离区中的人体发出的红外线；以及
下部红外检测元件，配置在所述上部红外检测器元件下方，检测由短距离区发出的红外线。
8、根据权利要求1所述的红外探测装置，其中所述的信号处理装置包括：
左侧、右侧和短距离信号放大部分，每个用于放大所述红外探测器装置的输出信号；
第一、第二和第三模拟/数字变换部分，分别接收由每个放大部分产生的信号，并将所施加的信号分别变换成数字信号；以及
比较部分，将由所述第一和第二模拟/数字变换部分产生的数字信号与一参考电压比较，并产生一个中间信号。
9、一种利用红外探测装置探测由室内出现的人体发出的红外线的方法，包含的步骤有：
检测由一划分为多个横向和纵向区的室的左、右和中区以及短距离区入射的红外线，用以监测和提高每个输出信号变量的数值；
根据在所述第一步骤中求出的多个方向的变量的高或低的计算值，测定人体活动范围；
根据在所述步骤求出的短距离变量的高或低的数值，测定人体是接近还是远离红外探测装置；
根据多个方向变量的各个高或低的计算值，测定人体出现在其中哪一个区；以及
使所有方向变量和短距离变量起始化，对每一变量确定一设定值，并返回到第一步骤。
10、根据权利要求9所述的方法，其中还根据左、中和右侧红外线的强度进行用以测定人体是接近还是远离红外探测装置的所述步骤。
11、根据权利要求9所述的方法，其中在微计算机时间计数器上，所说计算值表示响应于红外线高或低的强度产生的长或短的低电平信号的周期。
12、根据权利要求9所述的方法，其中所述的用以对每个输出信号进行计算的步骤还包含用以根据多个方向变量的各个高或低计算值测定人体出现的步骤。
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