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或铁电性的芯片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板子。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，热电性或铁电性芯片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；和红外探测器装置，所述红外探测装置还包 括：导引装置，该导引装置由竖直导向件和水平导向件构成，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 应的所述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；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。

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14，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l1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；l1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l1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。