具体实施方式

图1示意性地图示了存在检测系统或防入侵系统1。存在检测系统1用于检测环境中的人类存在，并且包括处理单元2和耦合至该处理单元2的静电电荷传感器6。

处理单元2从静电电荷传感器6接收与被监测环境中的环境电荷有关的信号S_Q，并根据电荷信号S_Q生成“中断”信号，该“中断”信号是警告在所考虑和监测的环境中的人的存在的信号。

处理单元2可以包括被配置为执行本文所述的各种操作的任何电路系统。在一些实施例中，处理单元2例如是包括微控制器的计算机，而静电电荷传感器6在图2中图示并且参照该图进行描述。

图2图示了静电电荷传感器6的示例性和非限制性实施例。静电电荷传感器6包括分别耦合到输入电极E1、E2的一对输入端子8a、8b。

在一个实施例中，每个电极E1、E2由导电材料制成，并涂覆有绝缘层。电极E1、E2的几何形状决定了灵敏度，在第一近似中，该灵敏度与电极本身的表面成比例；电极的形状及其在空间中的定位会影响方向性、两个电极共同的信号抑制(输入级是差分的，因此它“取消”了同时出现在两个通道上的信号，并放大了差异)。在示例性实施例中，电极E1、E2的形状为正方形，边长等于约2-10cm，例如5cm。

特别地，输入电极E1、E2被布置在期望检测人类存在的环境中，而静电电荷传感器6的其余部分还可以无区别地被布置在待监测的环境之外或这种环境内部。

该对输入端子8a、8b从相应电极E1、E2接收输入电压Vd(差分信号)，该输入电压Vd被提供给仪表放大器12。以本身已知的方式，人类存在会生成环境静电电荷的变化，在被电极E1、E2检测到之后，该环境静电电荷的变化又会生成输入电压Vd。

在示例性实施例中，仪表放大器12包括两个运算放大器OP1和OP2以及偏置级(缓冲器)OP3，偏置级(缓冲器)OP3具有将仪表放大器12偏置到共模电压V_CM的功能。

放大器OP1的反相端子通过电阻器R₂连接到放大器OP2的反相端子，电阻器R₂的两端具有等于输入电压Vd的电压；因此，等于I₂＝Vd/R₂的电流将流过该电阻器R₂。该电流I₂不来自运算放大器OP1、OP2的输入端子，因此流过连接在运算放大器OP1、OP2的输出之间的两个电阻器R₁，该两个电阻器R1与电阻器R₂串联；因此，流经三个电阻器R₁-R₂-R₁的串联的电流I₂产生输出电压Vd′，输出电压Vd′由Vd′＝(2R₁+R₂)I₂＝(2R₁+R₂)Vd/R₂得到。因此，图2的电路的总增益为Ad＝Vd′/Vd＝(2R₁+R₂)/R₂＝1+2R₁/R₂。差分增益取决于电阻器R₂的值，因此可以通过作用在电阻器R₂上进行修改。

因此，与输入电极8a、8b之间的电位Vd成比例的差分输出Vd′被输入到模数转换器14，该模数转换器14向处理单元2输出电荷变化信号S_Q。例如，电荷变化信号S_Q是高分辨率数字流(16位或24位)。模数转换器14是可选的，因为处理单元2可以被配置为直接作用于模拟信号，或者其本身可以包括用于转换信号Vd′的模数转换器。

可替代地，在存在模数转换器14的情况下，可以省略仪表放大器12，使得模数转换器14接收电极E1、E2之间的差分电压Vd，并且直接对该信号Vd进行采样。

图3通过流程图图示了由图1的系统1实现的用于人类存在检测的方法。

参考图2的步骤30，定义了起始条件，其特征在于在待监测的环境中不存在的人类存在。通过在受控条件下，即在确定在被监测区域中没有人类存在的条件下，通过电极E1、E2获取信号S_Q来执行该操作。然后在步骤32中处理信号S_Q，以便检测相对于所述起始条件在被监测环境中环境电荷的变化。

在步骤32的处理检测到相对于起始条件而言被认为是明显的环境电荷的变化的情况下，则生成中断信号，从而标识出人类存在检测的条件。中断信号可以启动例如防盗警报或其他类型的信令。

如图2的框34所示，可以随时手动或自动中断步骤32的处理。例如，由于防入侵系统的所有者或管理者的存在，该步骤例如对应于反入侵系统的停用。可替代地，可以通过计时器对该停用进行编程，或者对其进行远程控制。

图4通过流程图图示了图3的框30的可能实现。

框40标识由图2的转换器14进行的操作，并提供以50Hz的采样速率对电压Vd′采样，生成信号S_Q。采样速率可以不是50Hz，例如在50Hz-1k Hz的范围内。

然后，在框42中，可选地进行信号S_Q的滤波，以去除或衰减与被监测环境中的人类存在和/或人类的移动无关的可能的频谱分量。

申请人已经证实，通过图2的设备6检测到的人类在空间中的运动具有主要在0-20Hz范围内的频谱分量，而频谱分量集中在50Hz(可替代地，60Hz)(特别是在40Hz-70 Hz的范围内)对于检测人类与电极E1、E2的接近度很有用。

基于以上所述，框42的步骤提供第一低通滤波以隔离0-20Hz范围内的信号S_Q的分量、以及第二带通滤波以隔离40Hz-70Hz范围内的信号S_Q的分量。

可替代地，可以对0-60Hz范围内的信号S_Q的分量进行单次滤波。

显然，所指示的范围可以根据需要进行修改，也可以根据可用硬件进行修改。如上所述，滤波是可选的，但是其实现使所描述的方法更加稳健。

由此获得滤波后的信号S_Q。

然后，在框44中，从信号S_Q中提取感兴趣的参数(在下文中，参考“信号S_Q”以无区别地标识具有或不具有滤波的这种信号S_Q)，这些参数将被用于进行起始情况与人类存在检测条件之间的比较。

框44的操作实现了在坐标为X和Y的双轴参考系中构造状态图，其中X为横坐标轴，Y为纵坐标轴。在X轴上表示信号S_Q的采样值；在Y轴上表示相对于在X轴上表示的S_Q的每个相应采样值的时间与导数成比例的值，即SF·d(x1-xN)/dt，其中SF是比例因子，通常在1-10的范围内，具有使S_Q的导数的值具有与信号S_Q相同数量级的功能，并且x1-xN的值是信号S_Q的采样值。

通过处理一定数目的采样信号的点来计算导数的每个值。将导数估计为y_i＝(x_i+1-x_i)/dt是进行该操作的一种方法(称为“前向差分法”)，其中dt是采样周期。其他方法可以采用更大数目的点来估计导数，从而具有较高的准确性和较低的噪声敏感性；在称为“二阶中心差”的方法中，它为y_i＝(x_i+1-x_i-1)/2dt；在称为“四阶中心差”的方法中，为y_i＝(-x_i+2+8x_i+1-8x_i-1+x_i-2)/12dt。

鉴于以上所述，通过在矢量[x1,...,xN]上移动移动评估窗口来获得导数矢[y1,...,yN]的每个点，移动评估窗口的长度取决于所采用的方法。换句话说，对于(在X轴上表示的)信号S_Q的每个采样值x1、…、xN，然后计算在Y轴上表示的相应值y1、…、yN，其中y1＝SF·(dx/dt)_x1、…、yN＝SF·(dx/dt)_xN。

如上所述，在上述实施例中，电压Vd′是在50Hz下采样的。这意味着用信号S_Q的100个样本x1-x100(即，N＝100)来表示信号Vd′的2秒。因此，在状态图的XY双轴参考系中，表示了100个点P1、...、P100，每个点由相应的坐标P1＝(x1，y1)、...、PN＝(xN，yN)定义。申请人已经证实，根据信号S_Q的类型，该操作生成图5A的状态图或图5B的状态图。当电极E1、E2所获取的信号是存在谐波分量的信号(例如，由于电网生成的电场所致)时，获得图5A的情况，而当电极E1、E2获取的信号是不具有相关谐波分量的信号时，获得图5B的情况。横坐标上的信号为正弦，纵坐标上的导数为余弦。因此，XY参考系中的成分理想地分布在圆周上，例如如图5A所示。

信号S_Q的幅度取决于多个因素，包括电极E1、E2的类型(形状、材料等)、它们在空间中的布置、以及其他因素(例如，模拟级的增益参数的配置、滤波器频段、采样频率)。然而，本公开找到与前述参数无关的应用，从而导致图5A或图5B的状态图的生成。

从图5A中可以看出，点P1、...、PN在此处基本均匀地分布在半径rS的圆周上，几何中心(坐标xC、yC的质心)离所使用的双轴参考系的X轴和Y轴的交点的距离为dS。

从图5B中可以看出，在这种情况下，点P1、...、PN以更集中的方式分布，以形成“雾(fog)”，该雾可限制在半径rP的圆周内，几何中心(坐标xC、yC的质心)离所使用的双轴参考系的X轴和Y轴的交点的距离为dP。

在图5A和图5B两者的情况下，质心被定义为点P1-PN的重心。如果以50Hz对信号S_Q进行采样，则基于最后2秒的采集来计算质心(100个点P1-PN，N＝100)。因此，质心的坐标xC和yC由下式得到：

xC＝mean(X1-xN)，即xC是点P1、...、PN的X轴上所有坐标的平均值(即，x1、...、xN的平均值)；

yC＝mean(y1-yN)，即yC是点P1、...、PN的Y轴上所有坐标的平均值(即，y1、...、yN的平均值)。

回到图4，框46提供了“基线”的计算，该基线是表示起始和参考条件(不存在人类存在)的状态图，用于通过比较来连续识别人类存在。基线对应于图5A、图5B所示(根据强信号或弱信号的相应情况)，在待监测的环境中不存在人类存在的情况下获取信号S_Q并构建相应的状态图。

因此，基于先前的讨论，基线是一个圆，其几何中心的坐标为xC,yC，并且半径为rS或rP(分别根据强信号或弱信号的相应情况)。

基线的半径rS/rP的定义可以根据以下方式之一进行：

a.半径rS/rP是点P1、…、PN与质心的距离d1-dN中的一些距离(例如10至50个距离)的平均值d_MEAN；或者

b.半径rS/rP是点P1、…、PN与质心的所有距离d1-dN的平均值d_MEAN。

在本上下文中，每个点P1-PN与质心的距离d1-dN是将相应点P1-PN连接至质心的直线的长度。例如，对于坐标为xN,yN的点PN，与质心的距离dN被计算为SQRT[(xN-xC)²+(yN-yC)²]，其中“SQRT”表示平方根运算。

此外，可以将与上述距离的标准偏差σ成比例的值(例如，比例因子k在2-7的范围内)加上根据上述识别出的可能性之一而计算出的半径rS/rP的值。在这种情况下，它是rS＝d_MEAN+k·σ(类似地，rP＝d_MEAN+k·σ)。

用于计算半径rS或rP的另一种可能性提供了半径rS或rP是点P1、…、PN与质心的距离d1-dN中较大的距离，可能乘以裕度因子。如果所有点P1、…、PN与质心的距离相同，则裕度因子可以为1；或者裕度因子大于1(例如1.1-1.5)，以便考虑可能的干扰(噪声)。因此，大于1的裕度因子确保在检测时有更大的公差。

参考图6，图示了与图3的框32对应的操作。

在使用期间，例如以规则的间隔不断地监测信号S_Q(框60)，并进行人类存在检查(框62)。

在框62处，使用针对当前监测间隔在框60处获取的(采样的)信号S_Q来构造当前状态图，并将该当前状态图与所存储的基线的状态图进行比较。

申请人已经证实，在人类存在的情况下，图5A的状态图如图7A和图7B所示变化，这使基线的圆变形。特别地，在强烈信号的情况下，该变形遵循特定的模式。如果检测到人类存在接近电极E1、E2，则半径rS增加到值rS′>rS(图7A)。如果检测到人类存在远离电极E1、E2，则半径rS减小到值rS″<rS(图7B)。

因此，足以验证半径rS′或rS″相对于基线的半径rS的当前变化，以生成标识人类存在检测的中断(图6的框66)。显然，为了避免误报，当标识出半径rS的值的变化在预定安全阈值之上时，可以生成中断(图6的框64)。该安全阈值例如对应于等于半径rS的至少10％的变化。

申请人还已经证实，在人类存在和微弱信号的情况下，图5B的状态图如图8A和图8B所示变化，这是与强信号的情况不同地使基线的圆变形。特别地，该变形遵循联想到椭圆的图案。如果检测到接近电极E1、E2的人类存在，则点P1′-PN′相对于基线的情况的分布如图8A所示。如果检测到远离电极E1、E2的人类存在，则点P1-PN相对于基线的情况的分布如图8B所示。

在这种使用条件下，可以验证点P1′、…、PN′相对于基线的质心(xC,yC)的距离d1′、…、dN′；如果所有点P1′、…、PN′或大于预定义数目的多个点与基线的质心(xC,yC)的距离d1′、…、dN′分别大于先前计算的半径rP，则生成标识人类存在检测的中断(框66)。

因此，对于一些或所有点P1、...、PN，重要的是要检测随着时间的推移是否存在将这些点移出基线圆的变化。为此，可以在XY参考系中以规则的间隔来进行该点的坐标与质心的坐标之间的欧几里得距离的计算。例如，对于坐标为xN,yN的点PN，与质心的欧几里得距离被计算为SQRT[(xN-xC)²+(yN-yC)²]，其中“SQRT”表示平方根运算。如果由此计算得到的欧几里得距离大于基线的半径rS/rP，则将点PN标识为基线圆之外的点。标识人类存在的标准可以根据需要而变化。例如，可以将基准线以外在时间上不连续的最少数目的点的验证用作阈值标准；或者可以使用提供需要最少数目的彼此连续的点来确定人类存在的标准。

然而，实际上，申请人已经证实，即使在没有人类存在的情况下，环境电荷也不会随着时间的推移而具有不变的值。这意味着基线质心的坐标xC,yC和基线圆的半径rS/rP随时间变化。因此，实现了通过执行图3的框30的操作以规则的间隔(例如每2-5分钟)更新基线。

当需要首次定义基线或连续更新基线时，在存储质心的坐标和基线半径的值之前，可以仅进行一次或多次连续地进行图3的框30的操作。由于系统可能处于过渡步骤中，因此尚未稳定下来(可能是由于先前的存在检测)，因此该过程允许在系统的固定条件下获取感兴趣的参数(质心和半径)。

例如，在图3的框30处进行以下例程以定义基线：

步骤1

a.采集信号S_Q,

b.形成状态图。

步骤2

c.计算质心坐标，

d.计算状态图中每个点P1-PN与当前质心的距离的平均值，

e.计算值k·σ，该值与状态图中每个点P1-PN相对于当前质心的标准偏差σ成比例。

步骤3

f.将基线定义为半径等于状态图中每个点P1-PN与当前质心的距离的平均值的圆，将其加上k·σ。

步骤4

g.验证以下条件连续多次(例如，三次)有效：

在质心坐标的连续计算中，质心坐标的变化保持小于阈值，并且

在半径的连续计算中，半径的变化保持小于相应的阈值。

然后，将针对质心的坐标xC,yC和质心的半径rS/rP计算得到的最后一个值设置为定义基线的值。

此外，如前所述，在防入侵系统的操作期间，以规则的间隔更新基准线(例如，每分钟或每几分钟)，以考虑被监测环境中与人类存在无关的任何最小自然变化。如前所述，低于阈值的变化不会导致中断的生成，但是，在这种情况下，会导致基线的更新(即，质心的坐标xC,yC和半径rS/rP的值的更新)。

从前面的描述中，本公开所实现的优点是显而易见的。

特别地，相对于现有技术获得以下优点：

对环境条件不敏感；

与其他技术(红外、微波等)相比，能耗极低；

体积更小，易于集成到现有设备、容器、硬件中；

与配备有“透镜”或限制其形状的天线的普通检测器不同，可以根据应用对电极的几何形状以及检测器的几何形状进行建模；以及

相对于当前的方案，大概可以降低成本。

关于所描述的内容，还可以提供其他变体。

例如，尽管图2仅图示了两个电极E1、E2，但是可以设置连接至输入端子8a的多个电极和连接至输入端子8b的多个电极。

上面描述的各种实施例可以被组合以提供另一些实施例。鉴于上面详细的说明，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求书中，所使用的术语不应该被理解为是将权利要求书局限于在本说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而是应该被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的等同物的全部范围。因子，权利要求书不受本公开的限制。