用于检测人的存在的方法及系统与流程

1.本发明涉及使用红外辐射检测人的存在的系统及方法。


背景技术：

2.存在检测是设备或系统检测人是否存在的能力。已知使用ir传感器通过检测体热来进行非接触存在检测。存在检测可以用于例如调整设备的操作，例如打开或关闭设备。使用非接触存在检测的设备的示例包括如果人不存在则进入省电模式的计算机、进入省电模式的加热/空调系统以及当人存在时自动接通的照明设备(诸如灯)。
3.热电堆是ir传感器，其可以传送作为绝对温度而不仅仅是温度变化的输出。然而，当使用热电堆进行存在检测时，已经证明热电堆难以相对于房间中的背景ir辐射进行校准，特别是在室温波动的“嘈杂”环境中。
4.us20150185806描述了使用预定阈值的热电堆的存在检测。


技术实现要素：

5.在本发明的第一方面，提供了一种用于确定人的存在的方法，其包括以下步骤：
6.a)在第一时间段期间从热电堆接收ir传感器数据并使用所述ir传感器数据来确定所述时间段的ir背景信号基线，并且确定所述ir传感器数据的变化性，b)使用所述ir背景信号基线和ir背景信号水平的变化性来确定具有高于所述背景信号基线的值的阈值，并且其方式为使得所述ir背景信号中的较大变化性导致较高阈值，然后c)在所述第一时间段之后的第二时间段期间接收另外的ir传感器数据，并且当所述另外的ir传感器数据包括高于所述阈值的值时，使用所述另外的ir传感器数据和在步骤b)中确定的所述阈值来确定人存在。
7.该方法提供了一种动态的、自调整的、响应的系统，该系统适应环境的变化，以避免存在检测期间的假阳性和假阴性。数据的较大变化性使阈值远离基线，这降低了当背景室温波动时假“存在”状态的风险。
8.所述第一和第二时间段优选地具有相等的长度。
9.在优选实施例中，来自所述第二时间段的ir传感器数据用于更新所述阈值。在一个优选的实施例中，重复进行步骤a)
‑
c)，优选至少每5秒进行一次。
10.可以在步骤b)中应用阻尼过滤器。在一个实施例中，所述阻尼过滤器抑制阈值朝向更高值的移动。所述阻尼过滤器防止所述阈值随着所述ir传感器数据增加而从所述ir传感器数据“偏离”。
11.在一个实施例中，当人存在时确定顶线信号，并且使用所述顶线信号确定具有比顶线信号低的值的第二阈值，并且当所述系统处于非存在状态并且检测到高于所述第一阈值的值时确定从非存在状态到存在状态的转变，并且其中当所述系统处于存在状态时检测到低于第二阈值的值时确定从所述存在状态到所述非存在状态的转变。
12.当人坐在小房间(特别是冷房间)中的计算机前面时的问题是房间中温度倾向于
随时间升高，这也会升高阈值。因此，当人离开计算机时，信号不会触发阈值，因为信号不会一直下降到阈值。解决这个问题的一种方式是使用第二阈值用于从存在到不存在的触发转变，并且该阈值高于所述第一阈值。
13.可以使用阻尼过滤器来抑制所述第二阈值的向下和向上的移动。
14.在一个实施例中，在启动时执行以下方法：
15.i)在起始时间段期间确定初始ir信号并计算所述初始ir信号的初始信号基线，然后
16.ii)使用所述初始ir信号基线和所述初始ir信号在所述起始时间段期间的所计算的变化性来确定上限启动阈值和下限启动阈值，然后
17.iii)在稍后的时间段期间接收另外的ir传感器数据，以及
18.1.确定所述另外的ir传感器数据高于所述上限启动阈值，并且然后使用所述初始信号基线作为步骤b)中的所述ir背景信号基线，
19.或
20.2.确定所述另外的ir传感器数据低于所述下限启动阈值，并且然后确定新的ir信号基线水平并使用所述基线作为步骤b)中的所述ir背景信号基线。
21.所述ir传感器优选地是热电堆。所述热电堆对于基于ir的非接触存在检测非常有用，因为它们小、灵敏且相对低成本，并且可以以非接触方式测量绝对温度。
22.在本发明的第二方面，提供了一种包括ir传感器、处理器和存储器的系统，所述系统包括信号处理模块、阈值确定逻辑和存在确定逻辑，所述系统被配置为使用所述ir传感器来确定第一时间段期间的ir传感器数据并将所述ir传感器数据提供给所述信号处理模块，所述信号处理模块被配置为使用所述ir传感器数据来确定所述时间段的ir背景信号基线，以及确定所述ir传感器数据的变化性，所述阈值确定逻辑被配置为使用所述ir背景信号基线和所述ir背景信号水平的变化性来确定具有高于所述背景信号基线的值的阈值，其方式为使得所述ir背景信号中的较大变化性导致较高阈值，所述存在确定逻辑被配置为当接收到另外的ir传感器数据并且所述另外的ir传感器数据包括高于所述阈值的值时，使用所述阈值来确定人存在。
23.在本发明的第三方面，提供了一种设备，其包括根据本发明的第二方面的系统或被配置为从根据本发明的第二方面的系统接收信息，该设备被配置为解释来自所述系统的没有人存在的信息，然后将所述设备置于省电模式，或者解释来自所述系统的人存在的信息，并且然后将所述设备从省电模式唤醒。所述设备可以是便携式计算机或用于计算机的显示器。
附图说明
24.附图形成说明书的一部分，并且示意性地示出了本发明的优选实施例，并且用于示出本发明的原理。
25.图1是系统的示意图。
26.图2是存储器的示意图。
27.图3是系统和人的示意图。
28.图4是包括显示器和人的系统的示意图。
29.图5是示出方法的流程图。
30.图6是曲线图。
31.图7是示出方法的流程图。
32.图8是示出ir数据和阈值的图。
33.图9是示出方法的流程图。
34.图10
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11是曲线图。
具体实施方式
35.图1示出了存在确定系统1的一个实施例，其包括ir传感器2，该ir传感器优选地是可以测量绝对温度值的ir传感器，优选地是热电堆2。wo20040968256中示出了有用的热电堆，但是也可以使用其他类型的热电堆。然而，可以使用任何合适类型的ir传感器，例如辐射热计。热电堆2能够检测ir辐射并向子系统3提供ir传感器数据8(参见图2)、50(参见图6、10、11)。子系统3可以用硬件或软件或其组合来实现，并且图1示出了用硬件和软件实现的实施例。子系统3包括从ir传感器2接收信号的输入接口4。子系统3还包括处理器5、存储器6和输出接口7。系统1还可以包括信号过滤器、放大器、a/d转换器和信号处理领域中已知的类似设备中的一个或多个，并且特别是用于处理来自ir传感器2的信号。系统1由电源供电。子系统3可以安装到与ir传感器2相同的设备中，或者可以与ir传感器2分离。在一个实施例中，本文描述的方法中的所有步骤由相同的处理器5执行。
36.参考图2，存储器6能够存储ir传感器数据8和阈值数据9。存储器具有阈值确定逻辑10和存在确定逻辑11。存储器6还具有存在状态数据12和信号处理模块13。存储器6可以具有下面更详细描述的启动逻辑14。
37.系统1通常能够输出关于至少两种状态的信息：“人存在”或“人不存在”，或者替代地，关于从“存在”到“非存在状态”以及再次返回的传递的信息。系统1的当前状态作为存在状态数据12存储在存储器6中。
38.参考图3
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4，ir传感器2具有视场15，其中ir传感器2检测ir辐射，并且其中系统1确定人16是否存在。人16通常辐射比背景ir辐射(其由环境室温引起)更强的ir辐射。因此，在视场15中检测到的ir辐射可以用于确定人16是否存在于视场15中。在一些实施例中，系统1可以具有多个热电堆2，每个热电堆2具有不同的视场15。多个ir传感器2可以使用相同的子系统3，并且子系统3然后可以为每个ir传感器提供数据存储、信号处理和阈值确定。
39.系统1能够通过使用输出接口7向第二设备17提供关于人是否存在的信息。输出接口7可为系统1能够借以将数据提供到第二设备17的任何合适接口，且输出接口7可以在硬件及/或软件中实现。第二设备17可以是计算机系统。从系统1提供给第二设备17的信息可以是关于状态(存在/不存在)的信息或关于从一个状态到另一个状态的状态转换的信息。
40.第二设备17可以能够以各种方式使用来自系统1的输出。存在和非存在状态可以用于根据情况接通或关断第二设备17。第二设备17可以是可以受益于非接触式存在检测的任何类型的设备，诸如例如个人计算机(诸如膝上型计算机)、加热系统、空调系统或通风系统，以便确保当人在设定的时间段期间不存在时关闭这些系统或将其置于省电模式等。因此，存在或非存在状态可以触发定时器。第二设备17也可以是提供光的器具，诸如室内或室外的灯。第二设备17也可以通过存在状态被接通，使得当人存在时计算机、显示器、灯或通
风系统被接通。第二设备17也可以是警报设备，诸如入侵者警报。通常，所有这些设备可以受益于通过本文的方法及系统被接通变得激活、或被关断、被置于省电模式或从省电模式唤醒。
41.例如，来自系统1的输出可以用于将第二设备17置于省电模式和/或关闭显示器18。因此，当人不存在时，可能在已经检测到非存在状态达特定最小时间之后，可以将第二设备17置于省电模式。由系统1提供的“存在状态”可以用于唤醒第二设备17。
42.应当注意，子系统3的部分(诸如例如处理器5和/或存储器6)可以是第二设备17的部分，特别是当第二设备17包括计算机或由计算机组成时。然后，本文描述的软件可以安装在计算机的硬盘驱动器上并由计算机的cpu使用。通常，系统1的部分可以与第二设备17的部分集成，使得处理器5或存储器6可以是第二设备17的部分。整个系统1也可以完全集成在第二设备17中，作为以硬件和软件的合适组合实现的其子部分。
43.即，系统1可以安装到第二设备17中，或者可以与第二设备17分离。在一个实施例中(如图4所示)，ir传感器2安装在用于计算机的显示器18旁边，该显示器18可以是膝上型计算机、平板计算机、智能电话(诸如iphone或android电话)的显示器18或用于固定式计算机的独立式显示器18。视场15优选地指向显示器18前方的人16的预期位置。显示器18可以是lcd显示器。在优选实施例中，系统1用在膝上型计算机中。诸如膝上型计算机的便携式计算机在不同的房间、室内和室外之间四处移动，并且因此经常暴露于具有“嘈杂”热图案的环境，这使得校准ir传感器特别具有挑战性。
44.ir传感器数据从ir传感器2提供给子系统3。子系统3分析传感器数据并向第二设备17提供存在/非存在输出。系统1可以使用任何合适采样间隔对视场15中的热数据进行采样。优选地，采样频率为每5秒一次至100次/秒。对ir传感器数据进行采样以获得ir传感器信号50由信号处理模块13执行，并且被存储为ir传感器数据8。这可以连续且实时地完成。通常，热电堆将其输出作为输出电压递送。优选地，本文中的所有ir传感器数据(阈值、基线等)是或可以被转换为绝对温度值，因此不是相对温度值。因此，优选地使用热电堆作为ir传感器。
45.现在将参考图5描述用于确定人存在的方法。应当理解，系统1被布置为执行这种方法。
46.在步骤100中，由信号处理模块13确定ir背景信号基线51(“基线”，参见图8)。基线51表示历史ir传感器数据50(在本文中也称为“ir信号50”)，其已经用(优选数字)平滑方法处理以去除极值以便示出趋势。有用的平滑方法的示例包括移动平均值或中值。在一些实施例中，去除数据中的异常值。基线51是针对第一时间段确定的。ir背景信号基线51反映房间或其他环境的背景温度。ir背景信号基线51优选地在视场15中不存在人时反映ir传感器数据50。基线51可以随着通风、日照、房间中的人数、打开窗户等而波动。基线51可以以不同的方式确定。ir背景信号基线51可以例如被确定为在第一时间段期间从ir传感器数据50收集的多个数据点的平均值。第一时间段以及第二时间段的合适长度可以是例如0.01秒至5秒，更优选0.01秒至1秒。可以使用移动平均值，例如最后1
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15秒的移动平均值。因此，基线51可以至少每5秒更新一次，更优选地至少每1秒更新一次，更优选地每秒更新至少2次，并且最优选地每秒更新至少十次。
47.当没有人在视场15中时，确定基线51。可以以不同的方式确定没有人在视场13中
的事实，例如当ir信号50下降到低于如本文所述的阈值时。下面参考图9
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11描述在启动时选择正确基线51的一种方法。优选地，当系统处于非存在状态时，使用ir信号50重复更新基线51，并且每当系统恢复到非存在状态时，更新基线51。
48.在步骤101中，确定第一时间段的ir数据50的变化性。该确定由信号处理模块13执行。可以使用任何有用的色散参数或变化性测量并将其应用于ir信号50。例如，可以使用ir传感器数据50的标准偏差、绝对变化、平均绝对偏差或方差。因此，在一个实施例中，ir传感器数据50的标准偏差用于确定ir背景信号基线51的变化性。ir信号50的较高背景噪声将导致较高的变化性，并且因此导致整个测量的时间间隔的较高的标准偏差。可替代地，变化性可以被确定为第一时间段的最高值和最低值之间的差。在一个实施例中，确定背景基线51的变化性(例如，基线51的采样间隔短于用于确定阈值52的采样间隔)。步骤101可以在步骤100之前或之后或同时进行。
49.在步骤102中，由阈值确定逻辑10确定用于确定存在的阈值52(在本文中也称为“第一阈值52”，参见图8)。阈值确定逻辑10使用基线51和ir传感器数据50的数据变化性，该数据变化性用于确定在步骤100和101中确定的基线51。数据变化性参数可以乘以因子n。此外，可以使用预定偏移。通常，阈值被确定为：
50.阈值＝基线+n*(变化性)+偏移。
51.其中n可以是具有选自0.1至10、更优选0.1至5的常数值的无量纲参数，特别是当标准偏差用于确定变化性时。根据ir传感器的配置以及放大器和a/d转换器的选择来选择偏移，并且可以使用系统1的特定配置来确定偏移。根据经验，偏移可以是在存在状态和非存在状态下测量的信号强度的典型差异之间的差异的大约10％
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70％。可以针对特定应用和所使用的ir传感器来确定偏移。偏移的使用是可选的，并且因此偏移可以是零。较高的变化性导致较高的阈值52，这导致其中由外部因素引起的波动不触发“存在”的阈值52。所确定的阈值52被存储为存储器6的阈值数据9。偏移的目的是确保阈值52足够远离基线51，使得系统1不会检测到假阳性。
52.可以重复执行步骤100
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102，从而动态地改变基线51和阈值52。在优选实施例中，系统确定连续时间段的基线51，并且基线51用于重复地更新阈值52。连续时间段可以是离散的或者可以是部分重叠的。连续时间段可以具有相同的长度。如上所述，该时间段可以是0.01秒至5秒，更优选0.01秒至1秒。因此，阈值可以至少每5秒更新一次，更优选地至少每1秒更新一次，更优选地每秒更新至少2次，并且最优选地每秒更新至少十次。阈值可以实时或接近实时地更新。
53.在步骤103中，在第一时间段之后的第二时间段的ir数据50由传感器2提供给子系统3，并且由存在确定逻辑11处理，其可以访问存储器6中的阈值数据9形式的阈值52。可以从信号处理模块13向存在确定逻辑11提供针对第二时间段的ir数据50。如果第二时间段的ir数据50高于阈值，则确定人存在，并且如果另外的ir数据不高于阈值，则确定人不存在。对于高于阈值的一个单个测量可能就足够了，但是也可能要求在最小持续时间内(诸如连续地或重复地)超过阈值。第二时间段的ir数据50或基线51可被用于与阈值52进行比较。存在的确定优选地以与更新阈值相同的频率来完成。
54.第二时间段的ir数据可以(特别是如果确定没有人存在的话)被阈值确定逻辑11使用来更新阈值，如步骤100
‑
102中所描述的。
55.可以使用连续的非重叠或重叠时间段来重复检查是否超过阈值。时间段优选地具有相等的长度。
56.图6示出了阈值确定逻辑10如何使用来自第一时间段60a的基线51a来确定阈值52a。在随后的时间段60b中的信号50是更可变的，并且导致更高的阈值52b。因此，存在确定逻辑11可以检查在连续时间段内是否超过阈值，并且如果确定未超过阈值，则使用该信号将阈值52更新为如52b所示的值。在时间段60c期间，在时间t1超过阈值。到存在状态的转变可以在时间t1发生，但是也可以在采样间隔60c结束之后的某个时间发生，例如在时间间隔60c结束之后，例如在时间t2(如图6所示)。后一种方法对于短采样间隔更有用。因此，在一个实施例中，以与基线相同的间隔对照阈值52检查ir信号50，并且更新阈值。
57.在优选实施例中，当在步骤102中确定阈值52时，应用(优选地数字)阻尼过滤器。例如，如果人16缓慢接近传感器的视场15，则阈值52将逐渐上升，使得信号50永远不会达到阈值52，并且然后永远不会触发存在状态，这是不期望的。优选地至少当基线51向上移动时，阻尼过滤器抑制阈值52的移动。可以使用任何类型的合适低通过滤器进行抑制。抑制阈值52的移动的一种方式是仅允许其以基线变化的百分比移动。百分比可以由本领域技术人员选择，并且可以是例如0.5
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10％。可以根据采样频率来选择变化量，其中对于较低的采样频率使用较高的百分比。特别地，当基线向上移动时，阻尼过滤器应该抑制阈值52的移动，以便避免上述“缓慢接近效应”。然而，可以允许阈值52在没有抑制的情况下“向下”(朝向较低值)移动。阻尼过滤器可以由阈值确定逻辑10使用。
58.上述阈值52可以用于确定在非存在状态到存在状态之间以及从存在状态到非存在状态之间的切换，使得每次信号越过阈值52时切换状态。
59.然而，在优选实施例中，第二阈值53用于从存在状态切换到非存在状态。换句话说，将滞后原理应用于阈值。因此，可以存在导致从非存在状态切换到存在状态(如上所述)的第一阈值52和导致从存在状态切换到非存在状态的第二阈值53。当信号50从较低值越过第一阈值52到较高值时，第一阈值52仅触发存在状态，并且当信号50从较高值越过第二阈值53到较低值时，第二阈值53仅触发非存在状态。对于任何给定时间点，第二阈值53优选地具有高于第一阈值的值，但这不是必需的。
60.第二阈值53是相对于顶线信号54确定的，该顶线信号是当人24出现在计算机处时确定的，但是在其他方面以与如上所述确定ir背景信号基线51相同的方式确定的，重要的区别在于第二阈值53低于顶线信号54：
61.第二阈值＝顶线信号
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(n*(变化性)+偏移)。
62.顶线信号54也可以被称为“存在状态基线54”。因此，第二阈值53优选地利用与上面针对第一阈值52描述的相同的方法来确定，但是通过减去变化性并且可能减去与顶线信号的偏移。常数n和偏移可以与第一阈值52的计算不同或相同。再次，应当注意，“基线51”和“顶线54”以基本上相同的方式确定，并且可以统称为“平滑ir信号数据”。
63.第二阈值53由阈值确定逻辑10确定。当确定第二阈值53时，可以应用阻尼过滤器。阻尼过滤器可以抑制第二阈值53的移动，但是它也可以抑制向上移动。当传感器被集成到具有显示器18的第二设备17(诸如膝上型计算机)中时，向上抑制防止当人16朝向显示器18向前倾斜时由于顶线信号54暂时向上移动而导致的太高的第二阈值53，否则这在某些情况下可能导致系统1在人16再次向后倾斜时触发非存在状态。
64.参考图7，方法步骤200
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204以与图5的步骤100
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104类似的方式执行。在步骤200中，确定顶线信号54。这以与基线51相同的方式完成，仅仅是在“存在”状态下完成。存在状态可以由步骤104触发，或者在启动时通过下面参考图9
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11讨论的方法或任何其他合适的方式来确定。例如，可以通过在最小时间间隔内检测击键或鼠标移动来确定存在状态。在步骤201中，ir信号50的变化性用于确定步骤200中的顶线54。在步骤202中，确定第二阈值53。在步骤203中，接收低于第二阈值53的第二时间段的ir传感器数据。这在步骤204中触发到非存在状态的转变。优选地，确定频率和更新频率对于第一阈值和第二阈值是相同的。
65.在一个实施例中，使用图7的方法而不使用图5的方法，即，单独使用用于确定不存在状态的方法，而不使用用于确定存在状态的方法。
66.系统1可以在非存在状态到存在状态和回到非存在状态之间波动。每当系统1恢复到非存在状态时，基线51可以使用来自非存在状态下的依照时间段的测量数据来更新。每当系统1恢复到存在状态时，顶线信号54可以使用来自存在状态下的依照时间段的测量数据来更新。当基线51和顶线54更新时，阈值52、53被更新，因此阈值52、53有时可以保持不被更新(即，第一阈值52可以在存在状态下保持不被更新，并且第二阈值53可以在非存在状态下保持不被更新)。图8中示出了使具有第一阈值52和第二阈值53的系统1在存在状态与非存在状态之间波动的ir数据的示例。该图示出了来自检测在约1米的距离处的人的存在的热电堆的实际数据，其中系统1确定并使用第一阈值52和第二阈值53。基线51、顶线54和阈值52、53的位置被示意性地示出为近似值。图8中的阈值52、53已经以短时间间隔被多次调整，这使得阈值看起来好像正在逐渐改变。如下使用抑制：当基线51向上移动时，第一阈值52的移动被向上抑制，并且当顶线向下移动时，第二阈值53的移动被向下抑制。在第一阈值52的8.5秒和14秒处的“尖峰”是由基线51的高变化性引起的。以类似的方式，第二阈值53在7秒和12秒处略微向下移动，这也是由顶部线54的高变化性引起的。
67.当系统1启动时，系统1不知道人16是否存在于视场15中。例如，当具有系统1的膝上型计算机17启动时，人16可以坐在膝上型计算机17前面或者可以做其他事情，例如取咖啡。因此，当系统1开始检测ir信号时，系统1不知道其正在检测基线51还是顶线54。系统1可以使用来自设备17的输入，例如检测是否正在敲击键盘来检测这一点。解决该问题的不同方式是图9
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11中所示的使用启动逻辑14的方法。在启动时，系统1确定初始信号55并确定下阈值56和上阈值57。阈值56、57可如上文参考图5到7所描述而确定，其中如针对第二阈值53所描述而确定下阈值56，且如针对第一阈值52所描述而确定上阈值57。
68.在图9的步骤300中，检测并确定初始信号55基线。这以与确定上面的背景基线51和顶线信号54相同的方式完成，仅因为状态未知，所以不能将其指定为基线51或顶线信号54。因此，使用ir传感器数据50来确定初始信号基线55。因此，初始信号基线55可以是平均信号。在步骤301中，如在上面的步骤101和步骤201中那样确定初始传感器数据50的变化性。在步骤302中，确定下限启动阈值56和上限启动阈值57。下限启动阈值56和上限启动阈值57被确定为：
69.下限启动阈值＝初始信号基线
‑
n*(变化性)
‑
偏移。
70.上限启动阈值＝初始信号基线+n*(变化性)+偏移。
71.阈值56、57可以在距初始信号基线55相同或基本相同的距离处，如图10
‑
11所示，但这不是必需的。对于下限启动阈值56和上限启动阈值57，常数n和/或偏移可以相同或可
以不同。
72.在步骤303中，从ir传感器2接收至少第二时间段的ir数据，直到超过下限启动阈值56或上限启动阈值57。如果超过上限启动阈值57，则在步骤304中确定初始信号55用作背景基线51。然后，系统1可以继续确定顶线54(图10)，如果超过了较低的启动阈值56，则初始信号基线55不用作背景基线51，而是在步骤305中确定背景基线51(图11)。然后，在步骤300中确定的初始信号基线55可以可选地用作顶线54(也可以丢弃数据)。
73.该过程可以在系统1需要定义基线51或顶线54的任何时间使用(例如在系统1启动时，或者当系统1需要重新校准时)。
74.本文描述了如何使用系统1来检测人16的存在。系统1还可以用于检测动物的存在。动物优选温血动物如哺乳动物或鸟。
75.虽然已经参考具体示例性实施例描述了本发明，但是本说明书通常仅旨在说明本发明的概念，并且不应被视为限制本发明的范围。本发明的范围通常由权利要求限定。