專利名稱：一種人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的紅外測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的測量裝置及方法，尤其是一種利用熱釋電元件和
菲涅耳透鏡組件對人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行紅外測量的裝置及方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)某些強(qiáng)介電物質(zhì)的表面接受紅外輻射時(shí)，其表面產(chǎn)生溫度變化。隨著溫度的上 升或下降，在物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。利用熱釋電效應(yīng) 制作成的紅外探測元件，稱為熱釋電元件， 一般采用陶瓷氧化物制成。熱釋電元件與電荷檢 測電路一起，構(gòu)成熱釋電傳感器。 由于熱釋電元件所產(chǎn)生的電信號具體表現(xiàn)為表面束縛電荷的變化，只能用于探測 動(dòng)態(tài)變化的紅外輻射信號。因此，利用熱釋電傳感器進(jìn)行人體紅外輻射探測時(shí)，一般需要在 熱釋電傳感器前面添加一只菲涅耳透鏡。菲涅耳透鏡是一種特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡組，遮蓋 在熱釋電元件的表面。當(dāng)處于探測區(qū)域內(nèi)的人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，該透鏡使熱釋電元件表面接收到 變化的紅外信號，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電信號輸出。如果人體靜止，則熱釋電傳感器輸出為零。
熱釋電傳感器的靈敏度高、制作成本低廉。安裝菲涅耳透鏡后，可通過探測人體所 輻射出的紅外光，實(shí)現(xiàn)探測范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)人體的檢測。這種人體運(yùn)動(dòng)探測裝置的制作成本非 常低廉，在防盜報(bào)警、公共場所的自動(dòng)照明等方面有廣泛的應(yīng)用。 圖1給出了目前已有技術(shù)中，這種人體運(yùn)動(dòng)探測裝置的典型構(gòu)成方式。在探測范 圍內(nèi)的人體1輻射出的紅外線，經(jīng)菲涅耳透鏡2后，入射到熱釋電元件3的表面。所產(chǎn)生的 電信號經(jīng)放大電路4放大后，得到模擬電壓信號5。模擬電壓信號5進(jìn)入比較器電路7。比 較器電路7將輸入的模擬電壓信號與閾值電壓電路6所給出的閾值電壓相比較，如模擬電 壓信號的幅值超出閾值電壓范圍，則比較器電路7給出開關(guān)信號8，驅(qū)動(dòng)后續(xù)的被控裝置9 產(chǎn)生如開關(guān)、報(bào)警等動(dòng)作。為防止被控裝置頻繁動(dòng)作，或產(chǎn)生誤動(dòng)作，一般在比較器電路7 之后，還要添加適當(dāng)?shù)难訒r(shí)或信號保持電路。 這種應(yīng)用方式的最大特點(diǎn)在于比較器電路7的采用。探測裝置通過閾值電壓比 較，只能給出探測范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)人體有或無的開關(guān)信號，觸發(fā)后級的報(bào)警電路或其他執(zhí)行機(jī) 構(gòu)工作。 發(fā)明專利02135078. 7公開了一種人體運(yùn)動(dòng)測量裝置，利用運(yùn)動(dòng)感應(yīng)裝置探測人 體運(yùn)動(dòng)信號，并通過閾值比較電路，將探測信號轉(zhuǎn)換為電路通斷信號。該發(fā)明專利并沒有說 明具體的人體運(yùn)動(dòng)探測器，但從信號處理過程來看，所采用的方式與前述報(bào)警裝置類似，也 是將人體運(yùn)動(dòng)信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)量(電路通斷信號)。這種信號處理方式雖然簡單，但去掉了 很多關(guān)于人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的信息。 實(shí)際上，人體可視為一個(gè)分布式的紅外源。人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，紅外輻射將以特定的方式 影響熱釋電傳感器的輸出信號。因此，熱釋電傳感器輸出的模擬電壓信號5中，在一定程度 上包含了人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的信息。通過對模擬電壓信號5進(jìn)行分析與處理，就可能提取出與 人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)相應(yīng)的特征信息。
基于這樣一種考慮，Jian-Shuen Faug等人對模擬電壓信號5與人體運(yùn)動(dòng)形態(tài) 之間的關(guān)系進(jìn)行了石開究，石開究論文"Path-dependent human identification using a pyroelectricinfrared sensor and Fresnel lens arrays"于2006年發(fā)表在《Optics E鄧ress》第14巻，第2期上。該文所公布的研究結(jié)果表明，通過對模擬電壓信號5的分析， 可在一定程度上對探測范圍內(nèi)步行的個(gè)人進(jìn)行區(qū)分。程衛(wèi)東，董永貴于2008年發(fā)表在《儀 器儀表學(xué)報(bào)》第29巻，第5期上的論文"利用熱釋電紅外傳感器探測人體運(yùn)動(dòng)特征" 一文， 也公布了類似的研究結(jié)果。 然而，上述研究結(jié)果中，對模擬電壓信號5的分析是采用主元分析的方法進(jìn)行的。 通過對模擬信號5的分析，只能做到對探測范圍內(nèi)不同的個(gè)人進(jìn)行區(qū)分，尚無法得到人體 步行速度、跑、跳等有關(guān)人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)方面的具體參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種利用熱釋電傳感器探測人體
紅外輻射，通過對傳感器輸出模擬信號的分析，實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)測量的裝置及方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下 —種人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的紅外測量裝置，其特征在于，該裝置包括菲涅耳透鏡組件、熱 釋電元件組、放大電路、自動(dòng)增益控制電路、數(shù)據(jù)采集電路以及數(shù)字信號處理電路；所述的 菲涅耳透鏡組件是由兩只正交排列的柱狀菲涅耳透鏡構(gòu)成，熱釋電元件組是由兩個(gè)熱釋電 元件構(gòu)成，每只菲涅耳透鏡分別覆蓋在一個(gè)單獨(dú)的熱釋電元件上；兩個(gè)熱釋電元件的輸出 端分別與兩個(gè)放大電路的輸入端相連接；兩個(gè)放大電路的輸出端分別與兩個(gè)自動(dòng)增益電路 的輸入端相連接；兩個(gè)自動(dòng)增益電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集電路的兩個(gè)輸入端口相連接；數(shù) 據(jù)采集電路的輸出端與數(shù)字信號處理電路的輸入端相連接。 本發(fā)明提供的一種人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的紅外測量方法，其特征在于該方法包括如下步 驟 1)人體輻射出的紅外線依次經(jīng)過由菲涅耳透鏡組件和熱釋電元件組組成的探測
系統(tǒng)后輸出電信號，電信號經(jīng)過放大電路放大后，得到兩路模擬電壓信號； 2)模擬電壓信號進(jìn)入自動(dòng)增益控制電路，自動(dòng)增益控制電路根據(jù)模擬電壓信號的
幅值大小對信號進(jìn)行自動(dòng)線性放大或者線性衰減，保證信號不發(fā)生畸變或者失真； 3)從自動(dòng)增益控制電路輸出的兩路模擬信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字信
號； 4)將得到的兩路數(shù)字信號輸入到數(shù)字信號處理電路，對信號進(jìn)行時(shí)域的比較分析
和頻域的短時(shí)傅里葉聯(lián)合分析，得到與人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)相對應(yīng)的決策信號。 本發(fā)明所述的人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)包括人體原地踏步、擺臂、跑和跳動(dòng)作。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出效果利用本發(fā)明裝置及方法，可以
實(shí)現(xiàn)對人體步行速度、跑、跳等有關(guān)人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)方面的具體參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取和識別，而且
本發(fā)明裝置成本極低，功耗極小，采用的算法也非常簡單。


圖1為已有的人體探測裝置的典型構(gòu)成方式示意圖。
圖2為本發(fā)明裝置的工作原理圖。 圖3為兩個(gè)柱狀菲涅耳透鏡形成組合探測系統(tǒng)的示意圖。 圖4為實(shí)例中人體原地腿部踏步(無擺臂)的動(dòng)作信號。 圖5為實(shí)例中人體原地正常踏步(有擺臂)的動(dòng)作信號。 圖6為實(shí)例中踏步信號的傅里葉頻譜分析圖。 圖中l(wèi)-人體；2-菲涅耳透鏡組件；3_熱釋電元件組；4_放大電路；5_模擬電壓 信號；6_閾值電壓電路；7_比較器電路；8_開關(guān)信號；9-被控裝置；10-自動(dòng)增益控制電
路；ll-數(shù)據(jù)采集電路；12-數(shù)字信號處理電路；13-后續(xù)裝置；14_第一菲涅耳透鏡；15-第
二菲涅耳透鏡。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合說明圖對本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)和具體實(shí)施進(jìn)行詳細(xì)說明。 圖2為本發(fā)明裝置的工作原理圖，該裝置包括菲涅耳透鏡組件2、熱釋電元件組3、
放大電路4、自動(dòng)增益控制電路10、數(shù)據(jù)采集電路11以及數(shù)字信號處理電路12 ;所述的菲
涅耳透鏡組件2是由兩只正交排列的柱狀菲涅耳透鏡構(gòu)成，熱釋電元件組3是由兩個(gè)熱釋
電元件構(gòu)成，每只菲涅耳透鏡分別覆蓋在一個(gè)單獨(dú)的熱釋電元件上；兩個(gè)熱釋電元件的輸
出端分別與兩個(gè)放大電路4的輸入端相連接；兩個(gè)放大電路4的輸出端分別與兩個(gè)自動(dòng)增
益電路10的輸入端相連接；兩個(gè)自動(dòng)增益電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集電路11的兩個(gè)輸入端
口相連接，數(shù)據(jù)采集電路11的輸出端與數(shù)字信號處理電路12的輸入端相連接。 本發(fā)明利用兩只正交排列的柱狀菲涅耳透鏡形成組合探測系統(tǒng)，數(shù)字信號處理電
路12對數(shù)據(jù)采集電路11所采集到的兩路信號，進(jìn)行時(shí)域的比較分析和頻域的短時(shí)傅里葉
變換聯(lián)合分析，得到與人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)相對應(yīng)的決策信號。 人體1輻射出的紅外線經(jīng)菲涅耳透鏡組件2、熱釋電元件組3、放大電路4放大后， 得到的兩路模擬電壓信號5進(jìn)入自動(dòng)增益控制(AGC)電路IO，自動(dòng)增益控制電路10輸出的 模擬信號進(jìn)入數(shù)據(jù)采集(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC)電路ll，轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字信號。數(shù)字信號處 理電路12對該兩路數(shù)字信號進(jìn)行分析處理，得到與人體原地踏步、擺臂、跑、跳運(yùn)動(dòng)形態(tài)相 對應(yīng)的決策信號，驅(qū)動(dòng)后續(xù)裝置13工作。 自動(dòng)增益控制電路10的用途在于，本裝置在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會出現(xiàn)這樣一個(gè)問題人 體距離菲涅耳透鏡組件2比較遠(yuǎn)時(shí)，熱釋電元件組3的輸出信號幅值比較小，為保證數(shù)據(jù)采 集電路11能夠采集到有效的信號，就需要將熱釋電元件組3與數(shù)據(jù)采集電路11之間的信 號放大電路的增益調(diào)節(jié)到比較大的值。然而，運(yùn)動(dòng)的人體靠近菲涅耳透鏡組2時(shí)，熱釋電元 件組3的輸出信號幅值增大，同樣的放大電路增益會因?yàn)闊後岆娫M3的輸出信號幅值 進(jìn)入放大電路的飽和區(qū)而出現(xiàn)失真。因此，在放大電路4與數(shù)據(jù)采集電路11之間加入自動(dòng) 增益控制電路10，當(dāng)放大電路4輸出的模擬電壓信號5幅值比較小時(shí)，自動(dòng)增益控制電路 10對信號進(jìn)行線性放大，而模擬電壓信號5幅值比較大時(shí)，自動(dòng)增益控制電路10自動(dòng)對信 號進(jìn)行線性衰減，保證數(shù)據(jù)采集電路11所采集到的信號不會發(fā)生畸變。
圖3給出了采用第一菲涅耳透鏡14和第二菲涅耳透鏡15兩只正交排列的柱狀菲 涅耳透鏡形成組合探測系統(tǒng)的示意圖，圖中的細(xì)虛線表示菲涅耳透鏡的敏感方向。每只菲 涅耳透鏡下安裝有一只熱釋電紅外元件。將探測系統(tǒng)置于人體正前方，當(dāng)人體在探測系統(tǒng)前方運(yùn)動(dòng)時(shí)，將同時(shí)得到兩路檢測信號。通過對這兩路信號進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合分析，即可對人體 運(yùn)動(dòng)的形態(tài)進(jìn)行判定。
實(shí)施例 以人體的擺臂動(dòng)作為例。圖4為運(yùn)用圖3所示探測系統(tǒng)，對人體原地腿部踏步(無 擺臂)動(dòng)作進(jìn)行探測時(shí)，數(shù)據(jù)采集電路11所采集到的兩路信號。圖4-1所示是透鏡14探 測到的1路信號，圖4-2所示是透鏡15探測到的2路信號。 圖5為運(yùn)用圖3所示探測系統(tǒng)，對人體原地正常踏步(有擺臂)動(dòng)作進(jìn)行探測時(shí)， 數(shù)據(jù)采集電路11所采集到的兩路信號。圖5-1所示是透鏡14探測到的1路信號，圖5-2 所示是透鏡15探測到的2路信號。 對比圖4、圖5，第一菲涅耳透鏡14對擺臂動(dòng)作不敏感，1路輸出穩(wěn)定高質(zhì)量的步 頻信號；第二菲涅耳透鏡15對擺臂動(dòng)作比較敏感，圖5-2中信號中的小尖峰正是因?yàn)閿[臂 動(dòng)作的影響而形成的，但從時(shí)域上并不能做出很好的區(qū)分。利用短時(shí)傅里葉變換對2路信 號進(jìn)行分析，對高頻譜密度進(jìn)行積分之后得到如下圖6所示，圖6-1所示為腿部踏步(無擺 臂)信號的短時(shí)傅里葉變換的高頻譜密度積分結(jié)果，圖6-2所示為正常踏步(有擺臂)信 號的短時(shí)傅里葉變換的高頻譜密度積分結(jié)果，發(fā)現(xiàn)擺臂動(dòng)作使得信號頻譜中的高頻成分得 到顯著加強(qiáng)，于是，通過2路信號可以實(shí)現(xiàn)對擺臂動(dòng)作進(jìn)行判定和區(qū)分。
權(quán)利要求
一種人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的紅外測量裝置，其特征在于，該裝置包括菲涅耳透鏡組件(2)、熱釋電元件組(3)、放大電路(4)、自動(dòng)增益控制電路(10)、數(shù)據(jù)采集電路(11)以及數(shù)字信號處理電路(12)；所述的菲涅耳透鏡組件是由兩只正交排列的柱狀菲涅耳透鏡構(gòu)成，熱釋電元件組是由兩個(gè)熱釋電元件構(gòu)成，每只菲涅耳透鏡分別覆蓋在一個(gè)單獨(dú)的熱釋電元件上；兩個(gè)熱釋電元件的輸出端分別與兩個(gè)放大電路的輸入端相連接；兩個(gè)放大電路的輸出端分別與兩個(gè)自動(dòng)增益電路的輸入端相連接；兩個(gè)自動(dòng)增益電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集電路的兩個(gè)輸入端口相連接；數(shù)據(jù)采集電路的輸出端與數(shù)字信號處理電路的輸入端相連接。
2. 采用如權(quán)利要求1所述裝置的一種人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的紅外測量方法，其特征在于該方 法包括如下步驟1) 人體(1)輻射出的紅外線依次經(jīng)過由菲涅耳透鏡組件和熱釋電元件組組成的探測 系統(tǒng)后輸出模擬電壓信號，模擬電壓信號信號經(jīng)過放大電路放大后，得到兩路模擬電壓信 號(5);2) 模擬電壓信號進(jìn)入自動(dòng)增益控制電路，自動(dòng)增益控制電路根據(jù)模擬電壓信號(5)的 幅值大小對信號進(jìn)行自動(dòng)線性放大或者線性衰減，保證信號不發(fā)生畸變或者失真；3) 從自動(dòng)增益控制電路輸出的兩路模擬電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字信號；4) 將得到的兩路數(shù)字信號輸入到數(shù)字信號處理電路，對信號進(jìn)行時(shí)域的比較分析和頻 域的短時(shí)傅里葉變換聯(lián)合分析，得到與人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)相對應(yīng)的決策信號。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的紅外測量方法，其特征在于所述的人體 運(yùn)動(dòng)形態(tài)包括人體原地踏步、擺臂、跑和跳動(dòng)作。
全文摘要
一種人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的紅外測量裝置及方法，屬于人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)測量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由熱釋電元件組以及覆蓋于其上的菲涅耳透鏡組件組成紅外探測器，探測范圍內(nèi)人體所輻射出的紅外線經(jīng)菲涅耳透鏡組件，入射到熱釋電元件組上，熱釋電元件組產(chǎn)生與人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)相應(yīng)的電信號，該電信號經(jīng)放大電路放大后得到模擬電壓信號，該模擬電壓信號進(jìn)入自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行信號調(diào)理以防止信號發(fā)生失真或畸變，再進(jìn)入數(shù)據(jù)采集電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號再經(jīng)過數(shù)字信號處理電路對信號進(jìn)行分析處理，得到與人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)相對應(yīng)的決策信號。
文檔編號G01J5/12GK101732052SQ20091023772
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者楊靖, 王東生, 董永貴 申請人:清華大學(xué)