专利名称：一种人体运动形态的红外测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种人体运动形态的测量装置及方法，尤其是一种利用热释电元件和
菲涅耳透镜组件对人体运动形态进行红外测量的装置及方法。
背景技术：
当某些强介电物质的表面接受红外辐射时，其表面产生温度变化。随着温度的上 升或下降，在物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应。利用热释电效应 制作成的红外探测元件，称为热释电元件， 一般采用陶瓷氧化物制成。热释电元件与电荷检 测电路一起，构成热释电传感器。 由于热释电元件所产生的电信号具体表现为表面束缚电荷的变化，只能用于探测 动态变化的红外辐射信号。因此，利用热释电传感器进行人体红外辐射探测时，一般需要在 热释电传感器前面添加一只菲涅耳透镜。菲涅耳透镜是一种特殊设计的光学透镜组，遮盖 在热释电元件的表面。当处于探测区域内的人体运动时，该透镜使热释电元件表面接收到 变化的红外信号，从而产生相应的电信号输出。如果人体静止，则热释电传感器输出为零。
热释电传感器的灵敏度高、制作成本低廉。安装菲涅耳透镜后，可通过探测人体所 辐射出的红外光，实现探测范围内运动人体的检测。这种人体运动探测装置的制作成本非 常低廉，在防盗报警、公共场所的自动照明等方面有广泛的应用。 图1给出了目前已有技术中，这种人体运动探测装置的典型构成方式。在探测范 围内的人体1辐射出的红外线，经菲涅耳透镜2后，入射到热释电元件3的表面。所产生的 电信号经放大电路4放大后，得到模拟电压信号5。模拟电压信号5进入比较器电路7。比 较器电路7将输入的模拟电压信号与阈值电压电路6所给出的阈值电压相比较，如模拟电 压信号的幅值超出阈值电压范围，则比较器电路7给出开关信号8，驱动后续的被控装置9 产生如开关、报警等动作。为防止被控装置频繁动作，或产生误动作，一般在比较器电路7 之后，还要添加适当的延时或信号保持电路。 这种应用方式的最大特点在于比较器电路7的采用。探测装置通过阈值电压比 较，只能给出探测范围内运动人体有或无的开关信号，触发后级的报警电路或其他执行机 构工作。 发明专利02135078. 7公开了一种人体运动测量装置，利用运动感应装置探测人 体运动信号，并通过阈值比较电路，将探测信号转换为电路通断信号。该发明专利并没有说 明具体的人体运动探测器，但从信号处理过程来看，所采用的方式与前述报警装置类似，也 是将人体运动信号转换为开关量(电路通断信号)。这种信号处理方式虽然简单，但去掉了 很多关于人体运动形态的信息。 实际上，人体可视为一个分布式的红外源。人体运动时，红外辐射将以特定的方式 影响热释电传感器的输出信号。因此，热释电传感器输出的模拟电压信号5中，在一定程度 上包含了人体运动形态的信息。通过对模拟电压信号5进行分析与处理，就可能提取出与 人体运动形态相应的特征信息。
基于这样一种考虑，Jian-Shuen Faug等人对模拟电压信号5与人体运动形态 之间的关系进行了石开究，石开究论文"Path-dependent human identification using a pyroelectricinfrared sensor and Fresnel lens arrays"于2006年发表在《Optics E邓ress》第14巻，第2期上。该文所公布的研究结果表明，通过对模拟电压信号5的分析， 可在一定程度上对探测范围内步行的个人进行区分。程卫东，董永贵于2008年发表在《仪 器仪表学报》第29巻，第5期上的论文"利用热释电红外传感器探测人体运动特征" 一文， 也公布了类似的研究结果。 然而，上述研究结果中，对模拟电压信号5的分析是采用主元分析的方法进行的。 通过对模拟信号5的分析，只能做到对探测范围内不同的个人进行区分，尚无法得到人体 步行速度、跑、跳等有关人体运动形态方面的具体参数。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种利用热释电传感器探测人体
红外辐射，通过对传感器输出模拟信号的分析，实现人体运动形态测量的装置及方法。 本发明的技术方案如下 —种人体运动形态的红外测量装置，其特征在于，该装置包括菲涅耳透镜组件、热 释电元件组、放大电路、自动增益控制电路、数据采集电路以及数字信号处理电路；所述的 菲涅耳透镜组件是由两只正交排列的柱状菲涅耳透镜构成，热释电元件组是由两个热释电 元件构成，每只菲涅耳透镜分别覆盖在一个单独的热释电元件上；两个热释电元件的输出 端分别与两个放大电路的输入端相连接；两个放大电路的输出端分别与两个自动增益电路 的输入端相连接；两个自动增益电路的输出端与数据采集电路的两个输入端口相连接；数 据采集电路的输出端与数字信号处理电路的输入端相连接。 本发明提供的一种人体运动形态的红外测量方法，其特征在于该方法包括如下步 骤 1)人体辐射出的红外线依次经过由菲涅耳透镜组件和热释电元件组组成的探测
系统后输出电信号，电信号经过放大电路放大后，得到两路模拟电压信号； 2)模拟电压信号进入自动增益控制电路，自动增益控制电路根据模拟电压信号的
幅值大小对信号进行自动线性放大或者线性衰减，保证信号不发生畸变或者失真； 3)从自动增益控制电路输出的两路模拟信号经数据采集电路转换为两路数字信
号； 4)将得到的两路数字信号输入到数字信号处理电路，对信号进行时域的比较分析
和频域的短时傅里叶联合分析，得到与人体运动形态相对应的决策信号。 本发明所述的人体运动形态包括人体原地踏步、摆臂、跑和跳动作。 本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果利用本发明装置及方法，可以
实现对人体步行速度、跑、跳等有关人体运动形态方面的具体参数的实时获取和识别，而且
本发明装置成本极低，功耗极小，采用的算法也非常简单。
图1为已有的人体探测装置的典型构成方式示意图。
图2为本发明装置的工作原理图。 图3为两个柱状菲涅耳透镜形成组合探测系统的示意图。 图4为实例中人体原地腿部踏步(无摆臂)的动作信号。 图5为实例中人体原地正常踏步(有摆臂)的动作信号。 图6为实例中踏步信号的傅里叶频谱分析图。 图中l-人体；2-菲涅耳透镜组件；3_热释电元件组；4_放大电路；5_模拟电压 信号；6_阈值电压电路；7_比较器电路；8_开关信号；9-被控装置；10-自动增益控制电
路；ll-数据采集电路；12-数字信号处理电路；13-后续装置；14_第一菲涅耳透镜；15-第
二菲涅耳透镜。
具体实施例方式
下面结合说明图对本发明的原理、结构和具体实施进行详细说明。 图2为本发明装置的工作原理图，该装置包括菲涅耳透镜组件2、热释电元件组3、
放大电路4、自动增益控制电路10、数据采集电路11以及数字信号处理电路12 ;所述的菲
涅耳透镜组件2是由两只正交排列的柱状菲涅耳透镜构成，热释电元件组3是由两个热释
电元件构成，每只菲涅耳透镜分别覆盖在一个单独的热释电元件上；两个热释电元件的输
出端分别与两个放大电路4的输入端相连接；两个放大电路4的输出端分别与两个自动增
益电路10的输入端相连接；两个自动增益电路的输出端与数据采集电路11的两个输入端
口相连接，数据采集电路11的输出端与数字信号处理电路12的输入端相连接。 本发明利用两只正交排列的柱状菲涅耳透镜形成组合探测系统，数字信号处理电
路12对数据采集电路11所采集到的两路信号，进行时域的比较分析和频域的短时傅里叶
变换联合分析，得到与人体运动形态相对应的决策信号。 人体1辐射出的红外线经菲涅耳透镜组件2、热释电元件组3、放大电路4放大后， 得到的两路模拟电压信号5进入自动增益控制(AGC)电路IO，自动增益控制电路10输出的 模拟信号进入数据采集(模拟-数字转换ADC)电路ll，转换为两路数字信号。数字信号处 理电路12对该两路数字信号进行分析处理，得到与人体原地踏步、摆臂、跑、跳运动形态相 对应的决策信号，驱动后续装置13工作。 自动增益控制电路10的用途在于，本装置在实际应用时会出现这样一个问题人 体距离菲涅耳透镜组件2比较远时，热释电元件组3的输出信号幅值比较小，为保证数据采 集电路11能够采集到有效的信号，就需要将热释电元件组3与数据采集电路11之间的信 号放大电路的增益调节到比较大的值。然而，运动的人体靠近菲涅耳透镜组2时，热释电元 件组3的输出信号幅值增大，同样的放大电路增益会因为热释电元件组3的输出信号幅值 进入放大电路的饱和区而出现失真。因此，在放大电路4与数据采集电路11之间加入自动 增益控制电路10，当放大电路4输出的模拟电压信号5幅值比较小时，自动增益控制电路 10对信号进行线性放大，而模拟电压信号5幅值比较大时，自动增益控制电路10自动对信 号进行线性衰减，保证数据采集电路11所采集到的信号不会发生畸变。
图3给出了采用第一菲涅耳透镜14和第二菲涅耳透镜15两只正交排列的柱状菲 涅耳透镜形成组合探测系统的示意图，图中的细虚线表示菲涅耳透镜的敏感方向。每只菲 涅耳透镜下安装有一只热释电红外元件。将探测系统置于人体正前方，当人体在探测系统前方运动时，将同时得到两路检测信号。通过对这两路信号进行时频联合分析，即可对人体 运动的形态进行判定。
实施例 以人体的摆臂动作为例。图4为运用图3所示探测系统，对人体原地腿部踏步(无 摆臂)动作进行探测时，数据采集电路11所采集到的两路信号。图4-1所示是透镜14探 测到的1路信号，图4-2所示是透镜15探测到的2路信号。 图5为运用图3所示探测系统，对人体原地正常踏步(有摆臂)动作进行探测时， 数据采集电路11所采集到的两路信号。图5-1所示是透镜14探测到的1路信号，图5-2 所示是透镜15探测到的2路信号。 对比图4、图5，第一菲涅耳透镜14对摆臂动作不敏感，1路输出稳定高质量的步 频信号；第二菲涅耳透镜15对摆臂动作比较敏感，图5-2中信号中的小尖峰正是因为摆臂 动作的影响而形成的，但从时域上并不能做出很好的区分。利用短时傅里叶变换对2路信 号进行分析，对高频谱密度进行积分之后得到如下图6所示，图6-1所示为腿部踏步(无摆 臂)信号的短时傅里叶变换的高频谱密度积分结果，图6-2所示为正常踏步(有摆臂)信 号的短时傅里叶变换的高频谱密度积分结果，发现摆臂动作使得信号频谱中的高频成分得 到显著加强，于是，通过2路信号可以实现对摆臂动作进行判定和区分。
权利要求
一种人体运动形态的红外测量装置，其特征在于，该装置包括菲涅耳透镜组件(2)、热释电元件组(3)、放大电路(4)、自动增益控制电路(10)、数据采集电路(11)以及数字信号处理电路(12)；所述的菲涅耳透镜组件是由两只正交排列的柱状菲涅耳透镜构成，热释电元件组是由两个热释电元件构成，每只菲涅耳透镜分别覆盖在一个单独的热释电元件上；两个热释电元件的输出端分别与两个放大电路的输入端相连接；两个放大电路的输出端分别与两个自动增益电路的输入端相连接；两个自动增益电路的输出端与数据采集电路的两个输入端口相连接；数据采集电路的输出端与数字信号处理电路的输入端相连接。
2. 采用如权利要求1所述装置的一种人体运动形态的红外测量方法，其特征在于该方 法包括如下步骤1) 人体(1)辐射出的红外线依次经过由菲涅耳透镜组件和热释电元件组组成的探测 系统后输出模拟电压信号，模拟电压信号信号经过放大电路放大后，得到两路模拟电压信 号(5);2) 模拟电压信号进入自动增益控制电路，自动增益控制电路根据模拟电压信号(5)的 幅值大小对信号进行自动线性放大或者线性衰减，保证信号不发生畸变或者失真；3) 从自动增益控制电路输出的两路模拟电压信号经数据采集电路转换为两路数字信号；4) 将得到的两路数字信号输入到数字信号处理电路，对信号进行时域的比较分析和频 域的短时傅里叶变换联合分析，得到与人体运动形态相对应的决策信号。
3. 如权利要求2所述的一种人体运动形态的红外测量方法，其特征在于所述的人体 运动形态包括人体原地踏步、摆臂、跑和跳动作。
全文摘要
一种人体运动形态的红外测量装置及方法，属于人体运动形态测量技术领域。本发明由热释电元件组以及覆盖于其上的菲涅耳透镜组件组成红外探测器，探测范围内人体所辐射出的红外线经菲涅耳透镜组件，入射到热释电元件组上，热释电元件组产生与人体运动形态相应的电信号，该电信号经放大电路放大后得到模拟电压信号，该模拟电压信号进入自动增益控制电路进行信号调理以防止信号发生失真或畸变，再进入数据采集电路转换为数字信号，该数字信号再经过数字信号处理电路对信号进行分析处理，得到与人体运动形态相对应的决策信号。
文档编号G01J5/12GK101732052SQ20091023772
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者杨靖, 王东生, 董永贵 申请人:清华大学