一种基于声波的非接触式全向多目标呼吸监测方法与装置制造方法及图纸

一种基于声波的非接触式全向多目标呼吸监测方法，所述多目标位于同一个室内，在室内设置声波收发器发送正弦调频波并接收回波；对回波做带通滤波，滤除扫频范围以外的噪音；计算滤波之后的回波的冲激响应；按行累积冲激响应，得到冲激响应随时间变换的矩阵；计算矩阵每一列的自相关函数；按照呼吸特征筛选周期性满足要求的自相关函数所在列，即所有目标的呼吸波；对所有目标的呼吸波，利用自相关函数构建呼吸频率计算方法；计算并分离不同频率的呼吸波；根据呼吸频率的不同实现多目标呼吸波的匹配。本发明专利技术对被测对象位置和设备朝向鲁棒；不需要提前得知受试者数量；呼吸频率分辨率高，对于呼吸相近的目标也能够精确区分。对于呼吸相近的目标也能够精确区分。对于呼吸相近的目标也能够精确区分。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声波的非接触式全向多目标呼吸监测方法与装置


[0001]本专利技术属于监测测量
，涉及呼吸监测，特别涉及一种基于声波的非接触式全向多目标呼吸监测方法与装置。

技术介绍

[0002]目前呼吸监测技术大致可分为接触式和非接触式两大类。接触式方法利用可穿戴设备中的压敏、气敏或热敏等特定的传感器，通过测定胸腹部运动、呼吸声、呼吸气流等实现呼吸监测，但是存在价格高昂、有侵扰性、且必须随时贴身携带等困难。目前非接触式呼吸监测技术，特别是基于声波的呼吸监测技术逐渐受到关注，相比于接触式监测，它无需人体携带或贴靠任何设备，且声波信号已经广泛存在，具有非侵扰性、方便、低成本等优点。
[0003]在非接触式呼吸监测技术方面，文献[Wang T,Zhang D,Wang L,Zheng Y,Gu T,Dorizzi B,Zhou X.2018.Contactless respiration monitoring using ultrasound signal with off
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the
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shelf audio devices.IEEE Internet of Things Journal,6(2):2959
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2973]、[Wang T,Zhang D,Zheng Y,Gu T,Zhou X,Dorizzi B.2018.C
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FMCW based contactless respiration detection using acoustic signal.Proceedings of the ACM on Interactive,Mobile,Wearable and Ubiquitous Technologies,1(4):1
‑
20]、[Wang A,Sunshine J E,Gollakota S.2019.Contactless infant monitoring using white noise.In The 25th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking:1
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16]设计并实现了针对单目标的监测系统。目前的研究主要是基于胸腹部直接测距，呼吸气流多普勒频移和基于白噪声的波束成形实现了单人呼吸监测，无法适用于多目标场景，文献[Wan H,Shi S,Cao W,Wang W,Chen G.2021.RespTracker:Multi
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user Room
‑
scale Respiration Tracking with Commercial Acoustic Devices.In IEEE INFOCOM 2021
‑
IEEE Conference on Computer Communications IEEE:1
‑
10]实现了多目标的呼吸监测，但是需要预先知道被测目标数量，无法区分频率相近的目标，且在被测目标背对设备或被测目标被遮挡等场景下难以分离多个目标的呼吸波。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于声波的非接触式全向多目标呼吸监测方法与装置，以期能够在不清楚目标数量的情况下，准确实现范围内各目标的呼吸监测与区分。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种基于声波的非接触式全向多目标呼吸监测方法，所述多目标位于同一个室内，包括如下步骤：
[0007]S1，在所述室内设置声波收发器，所述声波收发器发送正弦调频波并接收回波；
[0008]S2，对所述回波做带通滤波，滤除扫频范围以外的噪音；
[0009]S3，计算滤波之后的回波的冲激响应；
[0010]S4，按行累积所述冲激响应，得到冲激响应随时间变换的矩阵；
[0011]S5，计算所述矩阵每一列的自相关函数；
[0012]S6，按照呼吸特征筛选周期性满足要求的自相关函数所在列，即所有目标的呼吸波；
[0013]S7，对所述所有目标的呼吸波，利用自相关函数构建呼吸频率计算方法；
[0014]S8，计算并分离不同频率的呼吸波；
[0015]S9，根据呼吸频率的不同实现多目标呼吸波的匹配，最终实现多目标呼吸波可视化。
[0016]在一个实施例中，所述S1，正弦调频波在t时刻的频率f(t)、相位u(t)和时域正弦信号s(t)分别如下式所示：
[0017][0018][0019][0020]f
c
、B和T分别表示载波频率、扫频带宽和扫频周期，f
c
大于目标听觉频率，0≤t≤T；
[0021]为发送的正弦调频波加入占空比s
t
(n)，以接收到一次发送信号的完整回波，占空比s
t
(n)如下式所示：
[0022][0023]式中，w(n)为窗函数w(t)的离散形式，n为采样点，T
′
表示发送周期，T
s
表示采样间隔，T
s
＝1/F
s
，F
s
为采样频率，T
′‑
T大于发送信号经过室内反射并被接收的最大多径时延值。
[0024]在一个实施例中，所述S3，当前时刻的冲激响应计算式如下：
[0025][0026]R(n)表示接收信号即回波r(n)的傅里叶变换，C(n)表示s
t
(n)对应的逆滤波器c(n)的频域，式中S(n)为s
t
(n)的傅里叶变换，ε(n)为频域补偿因子，S
*
(n)为频域平滑补偿因子。
[0027]在一个实施例中，所述S4，冲激响应随时间变换的矩阵表示为S，S大小为k
×
M，表达式如下：
[0028][0029]式中，S
i
为S的第i列，代表时间延迟为i/F
s
的多径信号的幅度变化序列，M为矩阵S中累积的的数量，即S
i
的长度，1＜i＜k，k为S的列数，表示t
m
时刻的环境中的系统冲激响应，1＜m＜M，m为S的行数，每个时刻的冲激响应长度为k。
[0030]在一个实施例中，所述S5，矩阵每一列的自相关函数表示为A(n)，计算公式如下：
[0031][0032]其中，c
n
是S
i
的自协方差，n＝0，1，2，...，M
‑
1，c
n
的定义如下：
[0033][0034]S
i
(j)表示S
i
中的第j个元素，为S
i
的均值。
[0035]在一个实施例中，所述S7，利用自相关函数计算呼吸频率频率的方法如下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声波的非接触式全向多目标呼吸监测方法，所述多目标位于同一个室内，其特征在于，包括如下步骤：S1，在所述室内设置声波收发器，所述声波收发器发送正弦调频波并接收回波；S2，对所述回波做带通滤波，滤除扫频范围以外的噪音；S3，计算滤波之后的回波的冲激响应；S4，按行累积所述冲激响应，得到冲激响应随时间变换的矩阵；S5，计算所述矩阵每一列的自相关函数；S6，按照呼吸特征筛选周期性满足要求的自相关函数所在列，即所有目标的呼吸波；S7，对所述所有目标的呼吸波，利用自相关函数构建呼吸频率计算方法；S8，计算并分离不同频率的呼吸波；S9，根据呼吸频率的不同实现多目标呼吸波的匹配，最终实现多目标呼吸波可视化。2.根据权利要求1所述基于声波的非接触式全向多目标呼吸监测方法，其特征在于，所述S1，正弦调频波在t时刻的频率f(t)、相位u(t)和时域正弦信号s(t)分别如下式所示：述S1，正弦调频波在t时刻的频率f(t)、相位u(t)和时域正弦信号s(t)分别如下式所示：述S1，正弦调频波在t时刻的频率f(t)、相位u(t)和时域正弦信号s(t)分别如下式所示：f
c
、B和T分别表示载波频率、扫频带宽和扫频周期，f
c
大于目标听觉频率，0≤t≤T；为发送的正弦调频波加入占空比s
t
(n)，以接收到一次发送信号的完整回波，占空比s
t
(n)如下式所示：式中，w(n)为窗函数w(t)的离散形式，n为采样点，T
′
表示发送周期，T
s
表示采样间隔，T
s
＝1/F
s
，F
s
为采样频率，T
′‑
T大于发送信号经过室内反射并被接收的最大多径时延值。3.根据权利要求2所述基于声波的非接触式全向多目标呼吸监测方法，其特征在于，所述S3，当前时刻的冲激响应计算式如下：R(n)表示接收信号即回波r(n)的傅里叶变换，C(n)表示s
t
(n)对应的逆滤波器c(n)的频域，式中S(n)为s
t
(n)的傅里叶变换，ε(n)为频域补偿因子，S
*
(n)为频域平滑补偿因子。4.根据权利要求3所述基于声波的非接触式全向多目标呼吸监测方法，其特征在于，所
述S4，冲激响应随时间变换的矩阵表示为S，S大小为k
×
M，表达式如下：式中，S
i
为S的第i列，代表时间延迟为i/F
s
的多径信号的幅度变化序列，M为矩阵S中累积的的数量，即S
i
的长度，1＜i＜k，k为S的列数，表示t
m
时刻的环境中的系统冲激响应，1＜m＜M，m为S的行数，每个时刻的冲激响应长度为k...

【专利技术属性】
技术研发人员：王天本，李张本，刘现涛，严宏昊，胡瑾，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：