本发明涉及一种用于检测颗粒的方法和一种用于检测颗粒的装置。特别地，本发明涉及一种用于基于来自光学传感器元件的测量信号检测颗粒的装置，其中该装置集成在移动设备中，特别是集成在智能电话中。
背景技术：
细粉尘污染在交通量大的大城市和工业地频段可能是有问题的，在这种情况下，尤其必须考虑法律要求。因此，需要测量空气质量，以便例如检测何时超过极限值，或者识别有问题的频段域并启动对策。公共或科学设施通常采用技术复杂的且永久安装的测量设备来确定颗粒污染。然而，私营部门也越来越有兴趣就地确定空气质量。因此，还特别需要便携式且紧凑的设备，其仍然产生尽可能精确的测量值。
确定颗粒污染的一种可能的方法是使用光学测量方法。从wo2017/198699a1已知一种光学颗粒传感器。激光传感器模块包括多个激光器，每个激光器发射激光束。借助于自混合干涉方法(smi方法)来确定颗粒在颗粒传感器的环境中的颗粒性质。smi方法应当被理解为意味着反射的激光束干涉发射的激光束的事实，在这种情况下，干涉导致激光器的光学性质和电学性质的改变，这又可以允许关于颗粒的性质得出结论。
然而，便携式设备具有附加的复杂性，即传感器的环境条件和操作条件在位置改变的情况下通常不是公知的或发生改变。特别地，激光器的控制信号可能变化或者热效应可能引起波动。结果，测量信号中不携带与待测颗粒有关的任何信息的那些分量尤其受到影响。dc分量因此可以叠加在测量信号上，即平均贡献，然而该平均贡献是由测量方法引起的并且不是来自颗粒本身。测量信号中不携带任何信息的另一个分量是随机信号的贡献，特别是由于背景噪声。
因此，即使在变化的测量条件下，也需要确保对颗粒的精确检测。
技术实现要素：
本发明提供一种具有权利要求1的特征的用于检测颗粒的方法和一种具有权利要求13的特征的用于检测颗粒的装置。
各个从属权利要求涉及优选实施方式。
因此，根据第一方面，本发明涉及一种用于检测颗粒的方法，其中接收测量信号并且使用所接收的测量信号来计算至少一个估计噪声值。基于至少一个检测标准使用所述测量信号来检测颗粒。所述至少一个检测标准取决于至少一个计算的估计噪声值。
因此，根据第二方面，本发明涉及一种用于检测颗粒的装置，该装置具有接口、计算设备和检测器设备。所述接口被设计为接收测量信号。所述计算设备被设计为使用所接收的测量信号来计算至少一个估计噪声值。所述检测设备被设计为基于至少一个检测标准使用所述测量信号来检测颗粒。所述至少一个检测标准取决于至少一个计算的估计噪声值。
本发明的优点
由于基于计算出的估计噪声值来适配检测标准的事实，因此即使在可变环境条件下也可以可靠地检测颗粒。特别地，所述检测标准优选地以在高水平噪声的情况下增加用于检测颗粒的阈值的方式进行适配。如果由于高水平的噪声而检测到不存在的颗粒，则这使得可以避免不正确的检测。除了这样的假阳性检测之外，还可以通过在低水平噪声的情况下减小用于检测颗粒的阈值来避免假阴性检测，从而确保也尽可能地这样检测所有颗粒并且使必要的测量时间最小化。结果，本发明特别适用于暴露于可变环境条件的便携式设备中的传感器。
根据该方法的一个优选发展，在计算所述估计噪声值时对接收到的测量信号进行滤波。例如，滤波器可以是所谓的匹配滤波器。然后可以进一步分析滤波后的测量信号。
根据该方法的一个优选发展，计算的至少一个估计噪声值包括以下变量中的至少一个，即滤波后的测量信号的平均噪声能量、滤波后的测量信号的平均噪声功率、滤波后的测量信号的噪声电压的均方根值、滤波后的测量信号的噪声的能量密度、滤波后的测量信号的概率密度的值、滤波后的测量信号的功率谱密度和滤波后的测量信号的光谱能量密度。
根据该方法的一个优选发展，在检测颗粒时对所述测量信号进行滤波。将所述至少一个检测标准应用于所述滤波后的测量信号。
根据该方法的一个优选发展，在计算所述估计噪声值时和/或在检测所述颗粒时执行的所述测量信号的滤波包括滤除对所述测量信号的平均贡献。
根据该方法的一个优选发展，当独立于检测所述颗粒时对所述测量信号的滤波来计算所述估计噪声值时，对所述测量信号进行滤波。换句话说，所述测量信号被滤波两次，在这种情况下，也可以使用至少部分不同的滤波器。然而，根据另一实施方式，所述测量信号也可以仅被滤波一次，在这种情况下，以这种方式滤波的所述测量信号既用于计算所述估计噪声值又用于检测所述颗粒。
根据该方法的一个优选发展，如果取决于所述测量信号的评估信号的信号强度超过阈值，则满足所述至少一个检测标准，其中所述阈值取决于所述至少一个计算的估计噪声值。在多个检测标准的情况下，每个检测标准的所述阈值可以被选择为至少部分地不同。
根据所述方法的一个优选发展，至少一个第一估计噪声值的阈值小于至少一个第二估计噪声值的阈值。在这种情况下，所述第一估计噪声值小于所述第二估计噪声值。具体地，这包括所述阈值被选择为越大、则所述估计噪声值越大的特殊情况。特别地，所述阈值可以具有对所述估计噪声值的线性或多项式依赖性。然而，例如，所述阈值对所述估计噪声值的函数依赖也是阶跃的。
根据该方法的一个优选发展，使用所接收的测量信号为多个频率范围计算至少一个估计噪声值。为了基于所述至少一个检测标准中的一个检测标准检测多个频率范围中的每个频率范围的颗粒，计算检测值。结果，可以考虑噪声的频率依赖性。
根据该方法的一个优选发展，用于计算所述估计噪声值的不同计算规则分别用于至少两个不同频率范围。特别地，考虑了特定频率范围的不同统计依赖性。具体地，对应于包括零频率的频率范围的dc分量和对应于采样频率的一半的包括奈奎斯特频率的平均频率范围具有与其他频率范围不同的统计特性。这些统计特性可以通过不同的计算规则来考虑。特别地，可以基于不同的统计分布来计算所述估计噪声值。
根据该方法的一个优选发展，用于计算各个检测值的不同检测标准分别用于不同的频率范围。与用于其他频率范围的阈值相比，用于包括零频率的频率范围和用于包括奈奎斯特频率的频率范围的阈值又可以被不同地适配。
根据该方法的一个优选发展，基于检测到的颗粒来确定颗粒计数率。这可以理解为是指在给定的时间间隔内检测到的颗粒的总数。所述颗粒计数率也可以基于特定的立体角范围。基于所述颗粒计数率并考虑所述至少一个估计噪声值来确定颗粒的至少一个颗粒性质或由此导出的变量。例如，可以计算颗粒密度、颗粒的流速、颗粒的停留时间或空气质量值。
根据该方法的一个优选发展，基于检测到的颗粒来确定颗粒计数率。基于所述至少一个估计噪声值来计算所述颗粒计数率的精度的至少一个估计。例如，所述至少一个估计噪声值越小，则可以估计所述颗粒计数率的精度越高。相反，所述颗粒计数率的所述精度越低，则所述至少一个估计噪声值越高。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一实施方式的用于检测颗粒的装置的示意性框图；
图2示出了用在用于检测颗粒的装置中的滤波器设备的示意图；
图3示出了根据本发明的第二实施方式的用于检测颗粒的装置的示意性框图；
图4示出了根据本发明的第三实施方式的用于检测颗粒的装置的示意性框图；
图5示出了功率谱密度的示例性频率依赖性；
图6示出了根据本发明的第四实施方式的用于检测颗粒的装置的示意性框图；
图7示出了功率密度到不同频率频段的示例性分布；
图8示出了根据本发明的第五实施方式的用于检测颗粒的装置的示意性框图；
图9示出了根据本发明的第六实施方式的用于检测颗粒的装置的示意性框图；以及
图10示出了根据本发明一个实施方式的用于检测颗粒的方法的示意性流程图。
在所有附图中，相同或功能相同的元件和装置具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了用于检测颗粒的装置100的示意性框图。
装置100具有被设计为接收测量信号的接口101。测量信号可以是来自任何期望的传感器的模拟或数字信号，例如发射和接收激光辐射的光学传感器元件。特别地，可以通过自混合干涉方法来生成测量信号。装置100可以与传感器元件一起集成在便携式装置的传感器系统中。
装置100还具有计算设备102，计算设备102评估经由接口101接收的测量信号并计算一个或多个估计噪声值。估计噪声值中的一个例如可以是测量信号的平均噪声能量，即，分配给噪声的测量信号的平均能量的部分。为此目的，首先可以计算测量信号的整个平均能量，然后可以减去dc分量的能量。估计噪声值还可以是测量信号的平均噪声功率、测量信号的噪声电压的均方根值、测量信号的噪声的能量密度、测量信号的概率密度的值和/或测量信号的功率谱密度的值。用于计算至少一个估计噪声值的其他方法可以包括直方图方法、分布函数分析或自相关方法。
装置100还包括检测设备103，其接收经由接口101接收的测量信号和由计算设备102计算的至少一个估计噪声值作为输入变量。检测设备103评估所接收的测量信号以便检测颗粒。因此，检测设备103例如可以将接收到的测量信号的幅度与阈值进行比较，并且如果接收到的测量信号的幅度超过阈值，则检测设备103可以检测颗粒。检测设备103基于该检测输出检测信号。用于检测的阈值取决于至少一个估计噪声值。阈值通常旨在对于较高的估计噪声值采用较高的值，也就是说，例如可以具有对至少一个估计噪声值的多项式依赖性。然而，阈值也可以具有根据部分或全部估计噪声值的阶跃分布。因此，阈值是相对于至少一个估计噪声值的上升函数。在最简单的情况下，计算设备102精确地生成一个估计噪声值，并且由检测设备103使用的阈值线性地依赖于估计噪声值，在这种情况下，比例因子可以基于受控条件下的测试测量来设置。
装置100还包括评估设备104，该评估设备104被设计为进一步评估由检测设备103输出的检测信号。特别地，每当测量信号的幅度超过阈值时，即当检测到颗粒时，检测设备103可以向评估设备104输出相应的检测信号。评估设备104例如可以计算颗粒总数，或颗粒计数率，即在预定时间间隔内的颗粒数。评估设备104还可以计算由此导出的变量，例如空气质量值，在这种情况下，可以包括与颗粒的类型和性质有关的附加假设。特别地，与颗粒的密度或尺寸相关的假设可以包括在计算中。
代替原始测量信号，检测设备103还可以评估已经被处理的测量信号，并且可以将已经被处理的测量信号的幅度与阈值进行比较。特别地，装置100可以可选地具有滤波器设备105，其对经由接口101接收的测量信号进行滤波。例如，基于测量原理但不来自颗粒的噪声分量或dc分量可以通过滤波器设备105至少部分地进行滤波。检测设备103还可以将与测量信号或滤波后的测量信号的有效电压成比例的信号与阈值进行比较，以便检测颗粒。
图2示出了示例性滤波器设备105，其中经由接口101接收的测量信号可用于估计设备1051，该估计设备1051被设计成估计dc分量。减法元件1052被设计为从所接收的测量信号中减去所确定的dc分量，并输出剩余信号作为滤波后的测量信号。
图3示出了用于检测颗粒的装置200的示意性框图。装置200与图1所示的装置100的不同之处在于，除了上述第一滤波器设备105之外或作为上述第一滤波器设备105的替代，提供第二滤波器设备206并对接收到的测量信号进行滤波。计算设备102接收已经由第二滤波器设备206滤波的测量信号作为输入变量，在这种情况下，dc分量因此例如已经被滤波。根据另一实施方式，可以仅设置第二滤波器设备206，同时省去第一滤波器设备105。因此，经由接口101提供的测量信号在开始时被滤波，然后通过计算设备102和检测设备103这二者进行评估。
图4示出了用于检测颗粒的装置300的示意性框图。装置300是图3中所示的装置200的变型。装置300的不同之处在于，除了由检测设备103输出的测量信号之外，评估设备304还考虑由计算设备102计算的至少一个估计噪声值。特别地，可以基于至少一个估计噪声值来推断环境条件，该估计噪声值例如可以被包括在诸如空气质量的导出变量的计算中。可替换地或附加地，评估设备304可以计算所计算的变量的精度或统计相关性，特别是颗粒计数率的精度或统计相关性。至少一个估计噪声值越大，颗粒计数率的精度越低。因此，精度是相对于至少一个估计噪声值的下降函数。评估设备304还可以被设计为控制或测量传感器的操作点或测量信号的能量。由检测设备103考虑的至少一个估计噪声值不需要与由评估设备304考虑的至少一个估计噪声值相同。
图5示出了根据频率f的功率谱密度(psd)的依赖性。噪声能量密度表示分配给频率间隔df的测量信号的噪声贡献对总功率的贡献。从图5可以看出，噪声功率密度通常不是恒定的，而是根据频率f而变化。
图6示出了用于检测颗粒的装置400。装置400具有上述接口101和频率滤波器设备407，该频率滤波器设备407计算经由接口101接收的测量信号的各个频率贡献。因此，频率滤波器设备407可以使用快速傅里叶变换(fft)来确定测量信号的分配给多个(n个)频段中的相应频段的部分。每个频段对应于特定的频率间隔。零频率落入其中的频段可被称为dc频段，而其余比特可被称为ac频段。因此，dc频段大致对应于测量信号的平均值。装置400还包括形成滤波器设备402的多个(n个)滤波器设备元件4021至402n。在这种情况下，n表示评估频段的数量，在这种情况下，n小于或等于多个(n个)频段。滤波器设备元件4021到402n中的每一个针对测量信号的分配给相应频段的部分来计算至少一个估计噪声值，如上文更详细地描述。装置400还包括检测设备403，检测设备403包括多个(n个)检测设备元件4031至403n，检测设备元件4031至403n基于测量信号的分配给相应频段的部分和相关联的至少一个估计噪声值来检测颗粒，并输出相应的检测信号。评估设备404具有多个(n个)评估设备元件4041至404n，这些评估设备元件进一步评估相应的检测信号，如上所述，并且例如计算相应频段的颗粒计数率。因此，可以针对每个频段(即，针对每个频率范围)单独地执行检测。还可以规定评估设备404以并行方式评估所有检测信号，例如以便计算总计数率。
用于计算估计噪声值的计算规则对于不同频率范围可以不同。此外，用于计算各个检测值的检测标准对于不同的频率范围可以不同。特别地，阈值可以取决于频段。
图7示出了各个频段的噪声功率密度psd或功率谱(ps))对频率的依赖性。测量信号的分配给相应频段的部分通常包括由于颗粒和噪声贡献而产生的能量贡献。因此，测量信号具有随机的随机行为。随机过程的统计特性对于不同的频率范围是不同的。特别地，dc频段和奈奎斯特频率所在的ac频段具有不同于其余ac频段的统计行为。例如，使用不同的统计假设来计算这些频段的估计噪声值。特别地，对于其中奈奎斯特频率存在的dc频段和ac频段，可以假设k＝1的卡方分布，而对于剩余的ac频段，假设k＝2的卡方分布。特别地，与其余ac频段的阈值相比，可以不同地计算和适配用于其中存在奈奎斯特频率的dc频段和ac频段的阈值。例如，可以以这样的方式选择阈值，使得由于颗粒的测量信号的能量与由于噪声的测量信号的能量之比对于所有频段假定基本上相同的值。
图8示出了用于检测颗粒的装置500，其是装置400的变型。另外提供了滤波器设备505，其包括多个(n个)滤波器设备元件5051至505n，所述滤波器设备元件5051至505n在由相应的检测设备元件4031至403n评估分配给相应频段的测量信号的部分之前以上述方式对该部分进行滤波，以便检测颗粒。
图9示出了用于检测颗粒的装置600，其是装置500的变型。除了执行快速傅里叶变换的滤波器元件6071之外，频率滤波器设备607还具有形成第二滤波器设备6072并且甚至在计算相应的至少一个估计噪声值之前对测量信号进行滤波的多个(n个)第二滤波器设备元件60721至6072n。第二滤波器设备6072可以作为第一滤波器设备505的补充或替代而设置。
图10示出了用于检测颗粒的方法的流程图。
在方法步骤s1中，接收测量信号，特别是来自光学传感器的测量信号。
在方法步骤s2中，使用接收到的测量信号计算至少一个估计噪声值。如上所述，还可以分别针对多个(n个)频段(即针对各个频率范围)来计算至少一个估计噪声值。还可以规定在计算至少一个估计噪声值之前对测量信号进行滤波。用于计算估计噪声值的不同计算规则可以用于不同频率范围。
在方法步骤s3中，基于至少一个检测标准使用测量信号来检测颗粒。检测标准取决于至少一个估计噪声值，在该情况下，可以涉及与阈值的比较。检测又可以针对每个频段单独地执行，在这种情况下，检测标准(例如所使用的阈值)可以取决于相应的频段。然后可以将检测结果组合，例如以便计算总颗粒计数率。也可以在检测期间评估预先滤波的测量信号。最后，至少一个估计噪声值也可以用于评估测量信号，特别是用于计算评估的质量或精度。
1.一种用于检测颗粒的方法，其具有以下步骤：
接收(s1)测量信号；
使用接收的测量信号计算(s2)至少一个估计噪声值；以及
基于至少一个检测标准使用所述测量信号来检测(s3)所述颗粒，其中，所述至少一个检测标准取决于至少一个计算的估计噪声值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当计算所述估计噪声值时对所接收的测量信号进行滤波，并且其中，所述至少一个估计噪声值对滤波后的测量信号的噪声行为进行量化。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所计算的至少一个估计噪声值包括以下各项中的至少一个：滤波后的测量信号的平均噪声能量、滤波后的测量信号的平均噪声功率、滤波后的测量信号的噪声电压的均方根值、滤波后的测量信号的噪声的能量密度、滤波后的测量信号的概率密度的值、以及滤波后的测量信号的功率谱密度的值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当检测所述颗粒时对所述测量信号进行滤波，并且将所述至少一个检测标准应用于滤波后的测量信号。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，当计算所述估计噪声值时和/或当检测所述颗粒时，对所述测量信号的所述滤波包括滤除对所述测量信号的平均贡献。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，如果取决于所述测量信号的评估信号的信号强度超过阈值，则满足所述至少一个检测标准，其中，所述阈值取决于所述至少一个计算的估计噪声值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，至少一个第一估计噪声值的阈值小于至少一个第二估计噪声值的阈值，其中，所述第一估计噪声值小于所述第二估计噪声值。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，使用所接收的测量信号针对多个频率范围来分别计算至少一个估计噪声值，并且其中，为了基于所述至少一个检测标准中的一个检测标准来检测所述多个频率范围中的每个频率范围的颗粒，计算检测值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，用于计算所述估计噪声值的不同计算规则分别用于至少两个不同的频率范围。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，对于至少两个不同的频率范围，分别使用不同的检测标准来计算相应的检测值。
11.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，基于所检测的颗粒来确定颗粒计数率，并且其中，基于所述颗粒计数率并考虑所述至少一个估计噪声值来确定所述颗粒的至少一个颗粒性质。
12.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，基于所检测的颗粒来确定颗粒计数率，并且其中，基于所述至少一个估计噪声值来计算所述颗粒计数率的精度的至少一个估计。
13.一种用于检测颗粒的装置(100；200；300；400；500；600)，其具有：
接口(101)，其被设计为接收测量信号；
计算设备(102；402)，其被设计为使用所接收的测量信号来计算至少一个估计噪声值；以及
检测设备(103；403)，其被设计为基于至少一个检测标准使用所述测量信号来检测所述颗粒，其中，所述至少一个检测标准取决于至少一个计算的估计噪声值。
技术总结