采用来自环境条件的相长干涉

摘要

本申请公开一种光学系统(104)，该光学系统(104)包括光学照明源(202)、光学接收器(204)、相关性确定电路(206)以及环境条件控制电路(208)。光学照明源(202)被配置为在靶目标的方向上发射光(116)。光学接收器(204)被配置为接收组合光学信号(114)，该组合光学信号(114)包括与探询成分组合的环境光成分。相关性确定电路(206)被配置为比较组合光学信号(114)与环境光信号(112)以识别相关性因子。环境条件控制电路(208)被配置为比较相关性因子与低相关性阈值和高相关性阈值，并且基于相关性因子超过低阈值并小于高相关性阈值而从组合光学信号(114)中消除环境光成分以产生包括探询成分的探询信号(118)。

权利要求

1.一种光学系统，其包含：

光学照明源，其被配置为在靶目标的方向上发射光；

光学接收器，其被配置为接收组合光学信号，所述组合光学信号包含与探询成分组合的环境光成分；

相关性确定电路，其被配置为比较所述组合光学信号和环境光信号以确认相关性因子；以及环境条件控制电路，其被配置为比较所述相关性因子与低相关性阈值和高相关性阈值，并基于所述相关性因子超出所述低相关性阈值且小于所述高相关性阈值，从所述组合光学信号中消除所述环境光成分以产生包含所述探询成分的探询信号。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述环境条件控制电路进一步被配置为基于所述相关性因子超出所述高相关性阈值而停用所述光学照明源。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述环境条件控制电路进一步被配置为基于所述相关性因子小于所述低相关性阈值而确定所述组合光学信号是所述探询信号。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其中所述环境条件控制电路进一步被配置为将所述探询信号发送到处理器以便进一步处理。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学接收器进一步被配置为在第一时间周期期间接收所述组合光学信号并在第二时间周期期间接收所述环境光信号。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其进一步包含第二光学接收器，所述第二光学接收器被配置为接收所述环境光信号。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述高相关性阈值和所述低相关性阈值在所述环境条件控制电路中是可编程的。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述探询信号是光体积描记术信号即PPG信号。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学照明源是发光二极管即LED。

10.一种环境条件控制方法，其包含：

接收组合光学信号，所述组合光学信号包含与探询成分组合的环境光成分；

接收环境光信号，所述环境光信号包含所述环境光成分而不包含所述探询成分；

通过比较所述组合光学信号与所述环境光信号来确认相关性因子；

比较所述相关性因子与高相关性阈值；以及

基于所述相关性因子超出所述高相关性阈值，停用光学照明源。

11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含：比较所述相关性因子与低相关性阈值；以及

基于所述相关性因子超出所述低相关性阈值并小于所述高相关性阈值，从所述组合光学信号中消除所述环境光成分以产生包含所述探询成分的探询信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其中消除所述环境光成分包含从所述组合光学信号中减去所述环境光成分。

13.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含：比较所述相关性因子与低相关性阈值；以及

基于所述相关性因子小于所述低相关性阈值，确定所述组合光学信号是包含所述探询成分的探询信号。

14.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含：比较所述相关性因子与低相关性阈值；

基于所述相关性因子超出所述低相关性阈值并小于所述高相关性阈值，从所述组合光学信号中消除所述环境光成分以产生包含所述探询成分的探询信号；以及基于所述相关性因子小于所述低相关性阈值，确定所述组合光学信号是包含所述探询成分的探询信号。

15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包含将所述探询成分发送到处理器。

16.一种环境条件控制电路，其包含：

光学照明功率控制逻辑，其被配置为基于相关性因子超出高相关性阈值，停用光学照明源，所述相关性因子是通过比较组合光学信号与环境光信号来确认的；以及环境消除控制逻辑，其被配置为基于所述相关性因子超出低相关性阈值并小于所述高相关性阈值，从所述组合光学信号中消除环境光成分以产生探询信号；

其中所述组合光学信号包含与探询成分组合的所述环境光成分。

17.根据权利要求16所述的环境条件控制电路，其中所述环境消除控制逻辑进一步被配置为基于所述相关性因子小于所述低相关性阈值而确定所述组合光学信号是所述探询信号。

18.根据权利要求16所述的环境条件控制电路，其中所述环境消除控制逻辑被配置为通过从所述组合光学信号中减去所述环境光成分来消除所述环境光成分。

19.根据权利要求16所述的环境条件控制电路，其中所述光学照明功率控制逻辑进一步被配置为基于所述相关性因子小于所述高相关性阈值而激活所述光学照明源。

20.根据权利要求16所述的环境条件控制电路，其中所述探询信号是光体积描记术信号即PPG信号。

说明书

采用来自环境条件的相长干涉

背景技术

[0001] 光学吸收光谱是用于测量由于光与靶目标的相互作用而导致的光吸收的技术。例如，光可以被发射并被靶目标反射回来。在该过程中，一些光被靶目标吸收而剩余的光被靶目标反射回来并被光学接收器接收。例如，在光体积描记术(PPG)中，发射的光被用户的身体反射回来并被光检测器接收。不同水平的血氧吸收不同波长的光。因此，表示被靶目标(在该示例中为用户的身体)反射回来而不被靶目标吸收的光的信号可以是脉动的动脉血、非脉动的动脉血、静脉血以及其他组织的函数。通过分析被反射的信号，可以确定不同参数。继续PPG示例，通过分析得到的反射信号可以确定用户的心率。不幸的是，光学接收器除了接收被反射的信号外还会接收环境光。因此，所接收的信号可能包含由光学系统的探询产生的成分(即反射光的结果)以及环境光产生的第二成分。因此，该系统在分析所接收的信号时必须考虑到环境光。

发明内容

[0002] 上面提到的问题在很大程度上由采用来自环境条件的相长干涉的系统和方法来解决。在一些实施例中，一种光学系统包括光学照明源、光学接收器、相关性确定电路以及环境条件控制电路。光学照明源被配置为在靶目标的方向上发射光。光学接收器被配置为接收包括与探询成分组合的环境光成分的组合光信号。相关性确定电路被配置为比较组合光学信号与环境光信号以确认相关性因子。环境条件控制电路被配置为比较相关性因子与低相关性阈值和高相关性阈值，并且基于相关性因子超出低阈值并小于高相关性阈值，从组合光学信号中消除环境光成分以产生包括探询成分的探询信号。

[0003] 另一种说明性实施例是一种方法，该方法可以包括接收包含与探询成分组合的环境光成分的组合光学信号。该方法还可以包括接收包含环境光成分而不包含探询成分的环境光信号。该方法还可以包含通过比较组合光学信号与环境光信号来确认相关性因子。该方法还可以包含比较相关性因子与高相关性阈值。该方法还可以包含基于相关性因子超出高相关性阈值而停用光学照明源。

[0004] 再一个说明性实施例是一种环境条件控制电路，该环境条件控制电路包含光学照明功率控制逻辑和环境消除控制逻辑。光学照明功率控制逻辑被配置为基于相关性因子超出高相关性阈值而停用光学照明源。该相关性因子是通过比较组合光学信号与环境光信号来确认的。组合光学信号包含与探询成分组合的环境光成分。环境消除控制逻辑被配置为基于相关性因子超出低相关性阈值并小于高相关性阈值，从组合光学信号中消除环境光成分以产生探询信号。

附图说明

[0005] 针对各种示例的详细描述，现在将参照附图，其中：

[0006] 图1示出根据各种实施例采用来自环境条件的相长干涉的系统的框图；

[0007] 图2示出根据各种实施例的光学系统的框图；

[0008] 图3示出根据各种实施例的环境条件控制电路的框图；以及

[0009] 图4示出根据各种实施例采用来自环境条件的相长干涉的方法的流程图。

[0010] 标记和术语

[0011] 某些术语贯穿以下说明书和权利要求被用于表示特殊的系统组件。本领域技术人员将认识到，不同的公司可能用不同的名称来指代一个组件。本文档不旨在区别名称不同但功能相同的组件成分。在以下讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放方式使用，并且因此应该被理解为意味着“包含但并不局限于……”。并且，术语“耦合”或“耦接”旨在意味着间接的或直接的连接。因此如果第一器件耦合到第二器件，则该连接可以是通过直接连接，或通过经由其他器件和连接件的间接连接。引述“基于”旨在意味着“至少部分基于”。因此，如果X基于Y，则X可以基于Y和任意数量的其他因素。

具体实施方式

[0012] 以下讨论针对本发明的各种实施例。尽管这些实施例中的一个或多个可能是优选地，然而所公开的实施例不应该被理解为或以其他方式用于限制本公开(包括权利要求)的范围。此外，本领域技术人员将理解以下描述具有广泛的应用，并且任何实施例的讨论仅意味着对该实施例是示例性的，并不旨在暗示本公开(包括权利要求)的范围局限于该实施例。

[0013] 光学吸收光谱是用于测量由于光与靶目标的相互作用而导致的光吸收的技术。例如，光可以被发射并被靶目标反射回来。在该过程中，一些光被靶目标吸收而剩余的光被靶目标反射回来并被光学接收器接收。光学接收器除了接收反射信号外还会接收环境光。因此，所接收的信号可能包含由光学系统的探询产生的成分(即反射光的结果)以及环境光产生的第二成分。因此，该系统在分析所接收的信号时必须考虑到环境光。

[0014] 常规系统以机械方式或电学方式处理环境光。机械解决方案作用为物理地阻挡环境光以免被光学接收器接收。换句话说，机械解决方案作用为机械地解耦环境光。然而，许多光学吸收光谱系统被融入到小型物体(诸如用户佩戴的手表)中。这些机械解决方案体积庞大、不舒适和/或难以融入用户希望佩戴的小型物体中。因此，电学解决方案是优选的。常规的电学解决方案测量包括与环境光组合的探询结果(感兴趣信号)的接收信号并单独地仅测量环境光。然后单独测量的环境光被从组合的接收信号中减去以产生探询信号(感兴趣信号)以便进一步分析。然而，将环境光从组合信号中减去的行为可能增加所得到的信号中的噪声，这实际上比原始组合信号更差。此外，在高环境条件下，感兴趣信号可能存在于独立测量的环境光中。在这些条件中，将环境光从组合信号中减去可能会减去感兴趣信号。因此，存在以不降低待处理的感兴趣信号的方式解决环境光的需求。

[0015] 根据本公开的原理，可以采用分析组合的接收信号和独立测量的环境光两者的系统以确定这两个信号如何相关。如果确定两个信号高度相关，则环境信号本身包括感兴趣信号并且可以考虑待处理的探询信号。在这种情况下，由于使用环境光信号，因此用于发射光的光学照明器可以被停用。换句话说，由于感兴趣信号嵌入在环境信号中，因此光学照明器(例如，LED照明器)可以关闭，这是因为环境光本身提供了如同光学照明器依然启用时的效益。这降低了系统中的功耗。然而，如果确定两个信号微弱地相关，则系统使用组合的接收信号作为待处理的探询信号。因为应用电学环境消除添加了噪声并恶化SNR，所以当两个信号微弱地相关时不应用环境消除。相反，SNR被保留，并且信号可以通过下游的数字带通滤波器后处理，在这里不相关的环境成分将被去除。如果确定两个信号不高度相关也不微弱相关(即，它们以中等量相关)，则系统作用为通过从组合的接收信号中减去独立测量的环境光来消除组合的接收信号的环境成分。这仅留下剩余的感兴趣信号。因为环境信号的某些成分与感兴趣信号的成分相似，所以即使以降低SNR为代价，也从组合的接收信号中去除环境信号以避免来自环境信号的混杂。

[0016] 图1示出根据各种实施例采用来自环境条件的相长干涉的系统100的框图。系统100可以包括环境光源102、光学系统104、靶目标106以及处理器108。环境光源102可以是光学系统104和靶目标106的周围区域或外界中的一个或多个光源。换句话说，环境光源102可以是并非由光学系统104最初产生的、可被光学系统104和靶目标106接收的任意光。例如，环境光源102可以包括太阳光、房间内的顶灯照明光、电视机发出的光、烛光等或任意光源的组合。因此，环境光源102提供环境光信号112，该环境光信号112可以被光学系统104直接接收和/或在被靶目标106反射回来之后被接收。

[0017] 光学系统104是被配置为在靶目标(诸如靶目标106)的方向上发射光116并接收来自靶目标106的组合光学信号114的光学系统。光学系统104可以是光学吸收光谱系统。因此，光116可以由光学系统104发射并被靶目标106反射回来。在该过程中，一些光116被靶目标106吸收，而剩余光被靶目标106反射回来并被光学系统104接收。例如，在PPG系统中，靶目标106可以是人体，其中人体中的血液和其他组织吸收某些波长的光。更具体地，不同水平的血氧吸收不同波长的光。因此，代表被反射回来而不被靶目标106吸收的光的信号(在某些实施例中称为探询信号)可以是脉动的动脉血、非脉动的动脉血、静脉血以及其他组织的函数。然后探询信号被光学系统104接收。然而，光学系统104除了接收探询信号外还可能同时接收环境光信号112。因此，光学系统104接收可由两种成分(即未被靶目标104吸收的反射信号(即探询信号)和环境光信号112)组成的组合光学信号114。

[0018] 光学系统104可以被配置为从组合光学信号114中确认探询信号118。一旦探询信号118被光学系统104确认，则探询信号118被发送给处理器108以便进一步处理。处理器108可以是具有为了处理探询信号118而优化的架构的任意类型的处理器和/或微处理器。例如，处理器118可以是被配置为执行计算以基于探询信号118来确定心率的微处理器。

[0019] 图2示出根据各种实施例的光学系统104的框图。光学系统104可以包括光学照明源202、光学接收器204、相关性确定电路206以及环境条件控制电路208。光学照明源202被配置为在靶目标106的方向上发射光116。在一些实施例中，光学照明源202是发光二极管(LED)。

[0020] 光学接收器204被配置为接收组合光学信号114和环境光信号112。在某些实施例中，光学接收器204是光电二极管，该光电二极管吸收组合光学信号114和/或环境光信号112中的光的光子并将这些光的光子转换为表示组合光学信号114和/或环境光信号112的电流。尽管图2中描绘了单个光学接收器204，然而可以存在多个光学接收器。例如，一个光学接收器可以被配置为接收组合光学信号114，而第二个光学接收器可以被配置为接收环境光信号112。在采用单个光学接收器204的实施例中，光学照明源202可以被配置为在第一时间周期内发射光116而在第二时间周期内停用。因此，光学接收器204在第一时间周期内接收组合光学信号114而在第二时间周期内仅接收环境光信号112。因此，不论使用单个光学接收器204还是多个光学接收器，均接收组合光学信号114和没有探询信号的环境光信号
112。

[0021] 相关性确定电路206可以被配置为接收来自光学接收器204的组合光学信号114和环境光信号112。相关性确定电路206可以是执行指令的硬件和/或微控制器，所述指令促使处理器比较组合光学信号114与环境光信号112以确认相关性因子212。换句话说，相关性确定电路206可以用于比较环境光信号112与组合光学信号114(其由对应于探询信号118的探询成分和对应于环境光信号112的环境光成分组成)以确定信号之间的相关性的量(即确定两个信号在结构上的相似程度)。然后相关性确定电路206可以基于组合光学信号114与环境光信号112之间的相关性的量对相关性因子212赋值。在一个实施例中，组合光学信号114与环境光信号112之间越相关，由相关性确定电路206赋值的相关性因子212越大。

[0022] 图3示出根据各种实施例的环境条件控制电路208的框图。环境条件控制电路208可以包括光学照明功率控制逻辑302和环境消除控制逻辑304。光学照明功率控制逻辑302和环境消除控制逻辑304中的每一个都可以被配置为接收来自相关性确定电路206的相关性因子212。光学照明功率控制逻辑302可以是执行指令的硬件和/或微控制器，所述指令促使处理器比较相关性因子212与高相关性阈值。高相关性阈值可以是在光学照明功率控制逻辑302中可编程的并且可以被设置为使得超出高相关性阈值的任意相关性因子被视为组合光学信号114与环境光信号112之间的高相关性。因为如果相关性因子212超出高相关性阈值，则该相关性被视为组合光学信号114与环境光信号112之间的高相关性，所以环境光信号112可以充当探询信号118。换句话说，因为组合光学信号114和环境光信号112在结构上是相似的，所以在环境光信号112中找到组合光学信号114的探询成分。因此，如图2和图3所示，响应于确定相关性因子超出高相关性阈值，光学照明功率控制逻辑302可以发送停用信号214，该停用信号214起到停用光学照明源202的作用。因此，环境光信号112是由光学系统104接收并作为探询信号118传送给处理器108的唯一信号。因为光学照明源202被停用，所以在保持探询信号118的SNR的同时节省了光学系统104中的功率。

[0023] 然而，如果相关性因子212小于高相关性阈值，则光学照明源202保持启用并发射光116和/或被激活以发射光116。此外，如果相关性因子212小于高相关性阈值，则环境消除控制逻辑304可以比较相关性因子212与低相关性阈值。低相关性阈值可以是在环境消除控制逻辑304中可编程的并且可以被设置为使得小于低相关性阈值的任意相关性因子被视为组合光学信号114和环境光信号112之间具有低的和/或微弱的相关性。因为组合光学信号114与环境光信号112之间的相关性被视为低的和/或微弱的，所以环境消除控制逻辑304被配置为确定组合光学信号114是探询信号118。因为消除组合光学信号114的环境光成分在最终信号中产生噪声，因此在不消除环境成分的情况下，组合光学信号114可以具有比环境成分被消除的情况更好的SNR。因此，如果环境消除控制逻辑304确定组合光学信号114与环境光信号112之间具有低相关性，则相比于消除了环境光成分的组合光学信号114，组合光学信号114提供关于真正的探询信号的情况的更好指示；因此，组合光学信号114被环境条件控制电路确定为探询信号118。然后探询信号118可以被传送给处理器108以便进一步处理。此外，在某些实施例中，充当探询信号118的组合光学信号114可以穿过处理器108中的带通滤波器，在带通滤波器中不相关的环境光信号112被去除。

[0024] 如果相关性因子212小于高相关性阈值，但超出低相关性阈值，则相关性因子212被视为在组合光学信号114与环境光信号112之间具有中等相关性。因为组合光学信号114与环境光信号112之间的相关性被视为是中等的，所以环境消除控制逻辑304被配置为从组合光学信号114中消除环境光成分，仅留下探询成分。换句话说，因为组合光学信号114和环境光信号112在结构上有些相似，所以组合光学信号114的环境光成分被从组合光学信号114中消除，留下探询成分。虽然消除组合光学信号114的环境光成分在最终信号中产生了噪声，但是因为组合光学信号114与环境光信号112具有中等相关性，所以消除环境光成分去除了可能使得难以评定感兴趣信号的信号。换句话说，因为环境信号的某些成分与感兴趣信号的成分类似，所以环境信号被从组合的接收信号中去除(即使以降低SNR为代价)以避免来自环境信号的混杂。然后探询成分被确认为探询信号118。为了消除组合光学信号
114的环境光成分，环境消除控制逻辑304可以从组合光学信号114中减去由光学接收器204接收的环境光信号112。因为环境光信号112相当于组合光学信号114的环境成分，所以从组合光学信号114中减去环境光信号112将从组合光学信号114中去除环境成分，仅留下探询信号118。然后探询信号118可以被发送给处理器108以便进一步处理。

[0025] 高相关性阈值和低相关性阈值中的每一个可以是在环境条件控制电路中可编程的并且可以根据系统100的需要动态变化。例如，对于一些应用(诸如PPG应用)，高相关性阈值可以被设置为比其他应用更高的值，以确保得到的探询信号118具有足够高的品质以便由处理器1058处理。类似地，对于一些应用，低相关性阈值可以被设置为比其他应用更高或更低的值，以确保得到的探询信号118具有足够高的品质以便由处理器108处理。

[0026] 图4示出根据各种实施例采用来自环境条件的相长干涉的方法400的流程图。尽管为了方便顺序地进行描绘，但方法400中所示的至少一些动作可以以不同的顺序执行和/或并行执行。此外，一些实施例可以仅执行一些所示的动作或可以执行附加的动作。在一些实施例中，方法400的至少一些操作以及本文描述的其他操作可以由光学系统104来执行，该光学系统104由执行存储在非瞬态计算机可读存储介质或状态机中的指令的处理器来实施。

[0027] 方法400在框402中开始于接收(在某些实施例中由光学接收器204接收)组合光学信号，诸如组合光学信号114。所接收的组合光学信号包括探询成分和环境光成分。在框404中，方法400继续接收(在某些实施例中由光学接收器204接收)环境光信号，诸如环境光信号112。方法400继续在框406中确认(在某些实施例中由相关性确定电路206确认)组合光学信号和环境光信号之间的相关性因子，诸如相关性因子212。该相关性因子可以基于组合光学信号和环境光信号相互之间的结构相似程度。在一个实施例中，组合光学信号与环境光信号在结构上越相似，相关性因子越高。

[0028] 在框408中，确定(在某些实施例中由光学照明功率控制逻辑302确定)相关性因子是否超出高相关性阈值。如果在框408中确定相关性因子确实超出高相关性阈值，则方法400继续在框410中停用光学照明源，诸如光学照明源202。在框412中，方法400继续确定组合光学信号是探询信号，诸如探询信号118。因为光学照明源被停用，所以该组合光学信号仅由环境光成分组成。方法400继续在框422中将探询信号发送给处理器(诸如处理器108)以便进一步处理。

[0029] 如果在框408中确定相关性因子未超出高相关性阈值，则方法400继续在框414中激活/保持光学照明源的启用。方法400继续在框416中确定(在某些实施例中由环境消除控制逻辑304确定)相关性因子是否小于低相关性阈值。如果在框416中确定相关性因子不小于低相关性阈值，则在框418中，方法400继续从组合光学信号中消除环境光成分以产生探询信号。该消除可以包括从组合光学信号中减去环境光信号。方法400继续在框422中将探询信号发送给处理器(诸如处理器108)以便进一步处理。

[0030] 如果在框416中确定相关性因子小于低相关性阈值，则在框420中，方法400继续确定组合光学信号是探询信号。然后方法400继续在框422中将探询信号发送给处理器(诸如处理器108)以便进一步处理。

[0031] 上面的讨论旨在说明本发明的原则和各种实施例。本领域技术人员一旦完全领会上述公开，众多变化和修改是显而易见的。随附权利要求旨在被解读为包含全部这些变化和修改。