用于存在和运动检测的被动雷达 |
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| 申请号 | CN200980113477.8 | 申请日 | 2009-04-09 | 公开(公告)号 | CN102007428B | 公开(公告)日 | 2014-06-25 |
| 申请人 | 皇家飞利浦电子股份有限公司; | 发明人 | A·菲利皮; B·K·斯雷达兰奈尔; W·F·帕斯维尔; T·M·J·范贝克尔; | ||||
| 摘要 | 一种被动检测器(10)包括接收机(11)，其被配置为收集环境中的被动 辐射 (12)，其中有关所述被动辐射的一部分的详细信息被估计为被动 能量 的基准。所述被 动能 量由与所述检测器不相关的被动源生成。监视器(24)被配置为测量所述基准中的 波动 。判定模 块 (34)耦接到所述监视器以确定所述波动是否表示环境中的存在或者运动。还公开了检测方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于确定环境中的存在或者运动的被动检测器，包括： |
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| 说明书全文 | 用于存在和运动检测的被动雷达技术领域背景技术[0002] 运动和存在检测已经得到了越来越多的关注。主要的驱使因素包括在办公楼中以及在家中节约能量。估计运动检测器和传感器在需求方面会快速增长，并且预期到2012年超过90亿美元。随着这种增长的关注，需要更高功能性的传感器，其能够实现具有最小的错误警告的全向检测、低廓形(low profile)不可见传感器。需要更多的智能传感器从而能够实现检测一定房间中或者一定位置处的多个人员以及人员的位置。 [0003] 在科技出版物中已经给出了通过在室内环境中使用RF波来被动地检测人的运动的构思。(例如参见Nishi，M.；Takahashi，S.；Yoshida，T.，“Indoor Human Detection Systems Using VHF-FM and UHF-TV Broadcasting Waves”，Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2006 IEEE 17th International Symposium，Sept.2006，Page(s)：1-5，在下文中称为Nishi)。在Nishi中，作者关注期望的RF信号的谱的功率谱密度，并且他们尝试观察功率谱变化和人进入房间的事件之间的关系。 [0004] 在室外环境中，在用于军事应用的被动雷达上已进行了许多工作，所述军事应用趋于使用所有的可用射频(RF)谱来定位和跟踪运动的对象。基于RF信号的时变性质的被动观察的人的检测仍是不可靠的，并且当前未被使用。发明内容 [0005] 根据本发明，提供了一种更鲁棒的方法，其提高了检测过程的可靠性。提供了一种用于检测对象(特别是人)的室内运动而不辐射任何功率的新的系统和方法。利用在空气中已经存在的无线电信号或者其它信号的详细知识来表征这些信号随时间改变的方式。通过这样做，我们能够区分运动。 [0006] 根据本发明的原理，被动检测器包括接收机，其被配置为收集环境中的被动辐射，其中有关被动辐射的一部分的详细信息被估计为被动能量的基准(baseline)。被动能量由与检测器不相关的被动源(passive source)生成。监视器被配置为测量基准中的波动。判定模块耦接到监视器以确定所述波动是否表示环境中的存在或者运动。还公开了检测方法。 [0007] 另一被动运动检测器包括接收机，其被配置为从环境中收集无线通信信号并且根据通信信号的期望或者周期性部分估计基准能量。基准能量由与检测器不相关的被动源生成，所述接收机包括信道估计模块，其被配置为确定要在基准能量中监视的最佳信道。监视器被配置为测量最佳信道中的波动。判定模块耦接到监视器，并且被配置为将所述波动与阈值进行比较以确定所述波动是否表示环境中的存在或者运动。 [0008] 一种用于确定环境中的存在或者运动的方法包括：根据环境中现有的被动辐射估计最佳信道，其中被动辐射由不相关的被动源生成；监视所述最佳信道的被动辐射中的波动；并且确定所述波动是否表示环境中的存在或者运动。附图说明 [0009] 本公开的这些和其它目的、特征和优点将从要结合附图阅读的对于本公开的示例实施例的以下详细描述中变得清楚明了。 [0010] 本公开将参照以下附图详细地给出优选实施例的以下描述，在附图中： [0011] 图1是示出根据一个示例实施例的示例性被动雷达检测器或者运动/存在传感器的框图； [0013] 图3是根据本发明的原理的用于演示一种用于选择最佳路径或者信道作为基准的示例性方法的能量与延迟之间的关系的曲线图； [0014] 图4是示出根据一个示例实施例的一种用于检测存在或者运动的系统/方法的框图/流程图；以及 [0015] 图5是示出根据一个示例实施例的用于确定存在或者运动的判定变量与阈值之间的比较的曲线图。 具体实施方式[0016] 本公开描述了用于检测对象(特别是人)的室内运动而不辐射任何功率的系统和方法。利用在空气中已有的无线电信号的详细知识来表征信号随时间改变的方式。通过这样做，能够在环境中区分人的存在和/或运动。 [0017] 应当理解：本发明将按照运动感测来描述；然而，本发明的教导要宽广得多，并且可应用于可以通过改变本地电磁信号而被检测的任何部件。这里描述的实施例优选地被用于安全或者其它检测系统，但是也可以被用于摄影应用或者其中运动感测或者生命存在需要被检测的任何其它应用。这里描述的传感器或者检测器可以使用半导体器件、软件、印刷线路板以及任何其它电子设备来实施。应当理解：检测器的示例性实例可以适于包括额外的电子部件，诸如警报器、灯或者存储装置和介质。这些部件可以与检测器整体形成，或者可以被分开利用。 [0019] 一种用于检测对象的运动(特别是人的室内运动)的设备和方法使用在空气中已有的无线电信号的详细知识(例如被动雷达)来表征信号随时间变化的方式。当前的实施例使得可以在室内和室外运动之间进行区分。通过利用RF信号的结构来进行检测人的存在/运动。不要求辐射功率以用于检测。 [0020] 常规的RF接收机，例如全球移动通信系统(GSM)接收机的基本元件可以用于相对于信号进行同步并且执行信道估计。所估计的信道然后用于找到观察运动何时在室内环境中发生的更鲁棒的方式。本发明使得利用现有的GSM或者其它信号的室内运动检测器成为可能，但是仅使用常规通信系统的少许元件。与常规的接收机相比，所需要的复杂度非常有限，因为我们仅需要通信系统的常规物理层的少许元件。在一个应用中，通信系统硬件的使用允许在电话或者等效装置中使用运动感测应用。 [0021] 遵循相同的原理，其它的无线电信号可以用于检测人的存在。与这里描述的那些方法不同的其它方法也可以被利用和使用以便提高精度。由于本发明利用被动检测，因而与有源系统相比，其将较不“能量饥渴”，并且可以被用于能量管理应用或者安全应用。而且，其它涉及存在检测的应用可以被用于例如像花园照明、器具激活/去激活等那样的应用中。 [0022] 现在参照附图，其中类似的标号表示相同或者类似的元件，并且开始时参照图1，示出了根据一个实施例的被动运动/存在检测器或者被动雷达检测器10。检测器10包括能够接收房间或者环境中的环境辐射12的传感器或者天线25。所述环境辐射可以包括射频辐射或者可能存在的其它类型的辐射。在一个实施例中，可以利用无线通信辐射(例如码分多址(CDMA)、诸如GSM之类的时分多址(TDMA))或者其它的分组化或者经过调制的信号。在一个实例中，在特定位置处或者其附近存在的安全系统或者其它装置可以发出辐射，该辐射可以被用于检测一定位置处的存在或者运动。在这样的实施例中，附近的装置可以被用于提供被用于被动地检测运动或者存在的能量。如果从附近的装置发出的能量是周期性的和/或在已知的持续时间中提供可预测的脉冲或者恒定的能量，则将是优选的。 [0023] GSM标准定义了在服务区域中总是被传输和存在的广播信道。为了效率，当前的实施例将使用GSM信号/辐射来进行描述。然而，本发明的原理不应当被解释为被此实例限制。GSM信号提供了优选的实例，因为GSM信号在被用作蜂窝网络的一部分的情况下进入建筑物，部分反射回来，或者可以部分地被人员吸收。因此，GSM信号可以随着环境中人的运动或者仅仅是存在而改变。 [0024] GSM信号包括被称作中间码的固定的已知序列，尽管也可以利用信号的其它部分。装置10接收GSM信号并且找到信号的中间码。在示例性实施例中，装置10包括具有例如高斯最小频移键控(GMSK)调制器13的GSM接收机11。所接收的信号可以被差分预编码，被调制器13解调，并且被相位旋转器15相位旋转。 [0025] 中间码包括导频信号，其可以被用于通过利用信道估计模块14来估计信号中最强的信道。一旦找到了所估计的信道，可以通过信道监视模块24来监视信道的改变。信道监视模块24监视进入的信号的状态并且提供输入给判定模块34。判定模块34可以包括阈值(S)，其可以通过计算给定时刻的信道强度并且将所述信道强度的当前值与所述阈值进行比较来得到。如果超出所述阈值，则检测到运动，或者检测到了人的存在。然后，判定模块34输出并且警告或者触发信号26，其可以被用于指示所监视的环境中存在或者运动之一。现在，将描述根据本发明的原理的优选实施例的其它细节。 [0026] 参照图2，在GSM实例中，GSM广播分组帧202包括同步信道(SCH)204。在GSM帧202中，同步信道204形成夹在数据208之间的中间码206。全球移动通信系统(GSM)标准当前是所有数字蜂窝标准中最成功的。GSM使用时分多址(TDMA)方案提供数字化的语音和数据的传输。每个TDMA帧被分为八个时隙，其中每个时隙服务一个用户。每个时隙为包括数据以及用于估计信道脉冲响应的训练序列的字符组提供空间。在每个同步字符组的中心处存在64比特的训练序列，其中在中间码或者训练信号206的每一侧有39比特加密数据序列(208)。利用归一化的带宽(例如BT＝0.3)使用(GMSK)来传输数据208，其中B是带宽，T是符号持续时间。 [0027] GMSK的缺点是：由于其差分调制方案，导致其增加了符号间干扰(ISI)的效应。低旁瓣电平以及恒定的模数是在无线通信系统中使用GMSK的两个主要优点。GMSK有意地引入受控的ISI以提高谱效率。 [0028] 以 符 号 率 m 采 样 的 所 接 收 的 信 号 r 可 以 被 表 示 为：其中m是所接收的符号索引，n是信道路径索引，Nh是复 数的总信道脉冲响应h(n)的信道抽头(tap)的数目，p(m)是在中间码206内承载的导频信号序列，η(m)是噪声项。 [0029] 再次参照图1，在一个实施例中，我们可以使用同相(I)分量，忽略正交(Q)分量，并且随后仅处理所接收的信号的实部，将其视为二进制相移键控(BPSK)类型的信号。检测器10因此可以是实的，并且因此在计算上比其复数对应物简单得多。这种类型的接收机被称作串行接收机，与并行接收机相对。由于GSM系统遇到的移动无线电信道的相干时间典型地比TDMA时隙的持续时间大得多，因此这些信道可以表征为缓慢时变的。在此情况下我们遵循对于GSM接收机设计的通常方法，其是在字符组时间段期间将信道视作固定的，并且因此每个字符组仅计算信道估计一次。通过将所接收的字符组的中间部分(中间码)(在相位旋转之后)与原始序列进行互相关来执行估计。相关峰值的位置被用于字符组同步。 [0030] 信道估计被各种数据检测器方案以及匹配滤波器30利用。用于系统的最优接收机包括与整个信道匹配的连续时间滤波器30，其后是符号空间采样器31以及最大似然序列估计(MLSE)检测器32。然而，离散时间匹配滤波器30每个字符组可以被适应性地设置一次，其脉冲响应为{hn}的时间反转的复共轭。相位旋转和在所接收的信号上执行的匹配滤波的组合产生其实分量被用于估计数据序列{dn}的输出。 [0031] 在同步信道内，分组被基站广播到移动终端。在分组到达移动终端之前，其被路径周围的对象反射。对于分组的所接收的信号的这些作用累积，并且因此通信信道将随时间改变，至少在这些作用随时间改变的情况下通信信道将随时间改变。可以利用两种检测运动的方法。第一种包括多普勒效应，而第二种关注信道能量随时间的偏差。判定模块34被用于确定运动或者存在。 [0032] 多普勒效应是由相对于波源运动的观察者感知的波的频率改变。对于传播的波，观察者的速度和源的速度与其中传输波的介质有关。因此，总的多普勒效应可以由源的运动、观察者的运动并且还有反射波的对象的运动产生。为了检测多普勒效应，我们将使信道估计与其延迟版本相关。因此，我们首先需要信道的精确估计。 [0033] 在GSM系统中，每个由基站发送的同步字符组包括“中间码”(206)，其包括64比特的训练序列。这些训练序列被移动站使用来计算解调从GSM基站发送的每个时隙内的数据所需要的信道抽头。解调器重建无误差数据的能力可能被信道估计的质量限制。移动站使用每个训练序列来定位包含所述训练序列的信号字符组的中心。其通过将期望训练序列在其中的字符组的部分与匹配所期望的训练序列的本地生成的序列进行比较来进行此步骤。在常规的信道估计装置中，训练序列的中心比特被与期望的序列相关，并且结果被用于估计定时误差，从而信道抽头可以被相应地设置。应当理解：可以利用其它信号(优选地具有已知的或者期望的特性)。这样的信号可在背景中被监视并且被检测器在一时间段上所认知。 [0034] 所估计的信道(14)可使用以下等式来确定： (2)，其中r(l)是所接收的信号，n是中间码序列索引，Np是中间码序列长度，p*(n)是中间码训练序列，l是信道路径索引。这里，p是相位校正的训练序列，dnjn，Np是训练序列的长度。 [0035] 为了使信道估计中的频率改变、即多普勒效应形象化，我们将信道的主路径与其延迟版本相关： 这里， 是分组l的信道的主路径，Mp是延迟的分组的数目， 是信道分组l-m的主路径，chh(-)是相关系数。相关系数的期望值指示是否检测到运动。随着时间的突然下降指示低相关以及因而指示所估计的信道内的相位漂移。 [0036] 信道的主路径的瞬时接收的能量随时间的波动也可以被用于检测运动。再一次，我们使用之前说明的相同的信道估计方法。我们将信道的能量定义为： [0037] 对于对信道能量随时间的偏差进行建模存在若干选择。我们将关注能量的标准偏差。因此，我们引入判定变量。如果所述判定变量超过一定阈值，则我们宣称检测到运动。 [0038] 参照图3，示例性地描绘了信道估计的实例。图3绘制了信道能量的幅值与延迟l之间的关系。通过绘制所估计的信道能量，信道的主路径可以被确定。广播分组2 k(202)的主路径|h0(k)| 为路径提供最强的能量(h0(k))。广播分组k的主路径周围的信道能量可以被表示为 使用此能线图，可以得到判定变量以测 量能线图中的波动。可以对于诸如振幅偏移、相位偏移、频率改变或者任何其它参数改变之类的能线图中的不同改变获得或者自定义判定变量。每个改变可以表示不同的环境改变或者条件。 [0039] 在 一 个 实 施 例 中， 判 定 变 量 ⑨ 包 括 以 下 ：其中估计随机变量 的标 准变化。项 表示信道能量(即 )平均值的估计，L’是用于获得 其平均值而观察 的次数，L是用于估计r.v.的标准变化而观察 的次数，l是r.v.的索引，L和L’可以相等。 [0040] 应当理解：可以利用其它判定函数/变量，并且可以利用其它功率分布函数。这样的函数和分布对于环境中存在的能量或者辐射的特定方面可能更加灵敏，因此，可以利用变化来优化具体的应用或者提供附加的灵敏度。 [0041] 参照图4，示例性地描绘了用于运动检测或者生命存在而监视环境的框图/流程图。在框302中，初始化根据本发明的原理的检测器。这可以包括对于本地GSM或者其它无线基站的同步。例如，GSM广播分组的中间码可被用作参考。在其它实施例中，可以进行同步，或者可以收集环境辐射的基准以提供用于该方法的参考或者基准。初始化可以包括在框303中根据期望的应用而调谐(例如用于灵敏度等的)参数或者变量。例如，平均窗口(L)和阈值(S)可以被调谐以提供不同的灵敏度或者搜索不同的特性。也可以利用和调谐更高级的变量。例如，可以监视和利用多普勒谱或者信道相干时间。 [0042] 在框304中，信道估计被执行以确定要监视的优选信道或者能量源。在框306中，随时间监视信号。在框307中，根据用于有关所监视的信号的更新后的信息的所估计或者所测量的信息而计算判定变量。在框308中，在阈值和所计算的判定变量之间进行比较。如果在框309中判定变量大于(或者取决于所选择的方法，小于)阈值，则在框310中在所监视的区域中检测到存在或者运动。 [0043] 在框312中生成输出信号。所述信号可以触发装置，提供警告或者警报，或者可以仅仅在诸如计算机等之类的存储装置中登记改变。这样的信号可被用于跟踪人员或者对象或者取得有关区域中人的密度的信息。 [0044] 否则，在框312中，在区域中不存在运动或者存在。监视过程继续，并且程序路径返回以可能重新初始化、监视判定变量，或者基于被监视的信号中的更新或者默认设置或逻辑来重新计算判定变量。 [0045] 参照图5，示例性地描绘了表示被监视的信号的标准偏差/变化与时间(秒)之间的关系的判定变量(⑨)的曲线图。示出了阈值(S)，其指示一定位置，在所述位置以上，已经确定了表示所监视的环境中人员或者生物的存在。在所述阈值以下，区域404表示原状或者环境中不存在人或者生物的运动或者存在。如所指示的，在区域402中，判定变量或者函数 具有局部最大值(k是时间索引)。 [0046] 当前的实施例提供被动并且廉价的存在检测系统。当前的实施例在安全应用以及在照明应用(根据存在打开和关闭灯或者其它装置)中是有用的。本发明的原理提供执行操作所需要的能量的减少，因为与必须生成所使用的信号相反，这些信号已经在空气中。 [0048] a)词语“包括”不排除在给定权利要求中所列之外存在其它的元件或动作； [0049] b)元件前面的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件； [0050] c)权利要求中的任何附图标记不对其范围进行限制； [0051] d)若干“装置”可以由相同项或者硬件或软件实现的结构或功能表示； [0052] e)除非特别指示，不预期需要动作的特定的顺序。 |
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