本發(fā)明涉及呼吸感知，尤其涉及干擾場(chǎng)景下呼吸信號(hào)的增強(qiáng)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、醫(yī)學(xué)研究表明，呼吸是反映疾病進(jìn)程和健康衰弱的重要標(biāo)志，其主要包括兩個(gè)指標(biāo)：呼吸速率和呼吸模式。其中，呼吸速率反映了當(dāng)前的身體狀態(tài)，是否發(fā)生呼吸急促或者呼吸衰弱等現(xiàn)象；呼吸模式反映了個(gè)體在某段時(shí)間內(nèi)呼吸狀態(tài)，可以觀察到是否在某段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了呼吸暫停等現(xiàn)象以及得到個(gè)體在一段時(shí)間內(nèi)的詳細(xì)呼吸模式，便于直接進(jìn)行醫(yī)學(xué)分析。

2、早期的呼吸監(jiān)測(cè)通常需要佩戴壓力傳感器或者可穿戴設(shè)備等進(jìn)行接觸式測(cè)量，對(duì)于老年人等特殊群體來說，容易產(chǎn)生不適，佩戴式的方法也大大限制其應(yīng)用范圍，難以普及。近年來，基于雷達(dá)信號(hào)、射頻信號(hào)(如rfid、wi-fi、lora等)以及聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行非接觸式測(cè)量的方法受到了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，wi-fi信號(hào)由于具有普及率高、成本低、帶寬小等優(yōu)勢(shì)，為呼吸感知提供了諸多便捷，因此wi-fi感知成為了進(jìn)行呼吸監(jiān)測(cè)的有效手段。

3、目前的wi-fi呼吸監(jiān)測(cè)主要通過在自由空間中部署一套商用wi-fi設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)人體呼吸行為的跟蹤。人體呼吸產(chǎn)生的胸腔周期性收縮或擴(kuò)張變化將會(huì)導(dǎo)致wi-fi反射信號(hào)路徑長(zhǎng)度也產(chǎn)生周期性的變化，但這種變化與wi-fi波長(zhǎng)相比較小，反映在復(fù)平面內(nèi)是一小段圓弧，通過分析該圓弧可以得到人體在該段時(shí)間內(nèi)的呼吸過程。呼吸產(chǎn)生的這種微小胸腔位移使得準(zhǔn)確估計(jì)呼吸并非易事，現(xiàn)有的工作往往聚焦于純呼吸場(chǎng)景，建立了對(duì)應(yīng)的理論模型，但當(dāng)周圍環(huán)境噪聲較大時(shí)，現(xiàn)有的呼吸感知系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度低、波形失真大。因此，如何實(shí)現(xiàn)在干擾場(chǎng)景下對(duì)呼吸速率的有效估計(jì)和呼吸模式的準(zhǔn)確獲取是當(dāng)前工作的首要難題，也是在實(shí)際場(chǎng)景中部署呼吸感知系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

4、針對(duì)干擾問題，一些學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，現(xiàn)有的方法大致分為兩類：1、特殊部署收發(fā)機(jī)以縮小感知范圍。zeng等人指出收發(fā)器的放置會(huì)對(duì)感知范圍和邊界產(chǎn)生不可忽視的影響，這表明可以通過收發(fā)器的合理放置將干擾排除在感知之外。但該方法對(duì)部署環(huán)境要求較高，且一旦部署，只能在有限的感知范圍內(nèi)感知目標(biāo)，靈活性差，感知區(qū)域受限。例如，在家中通常需要將收發(fā)距離延長(zhǎng)至10米，以避免在有效感知范圍內(nèi)產(chǎn)生干擾。2、獲取高精度的tof和aoa，用于人體呼吸和干擾的定位。zhang等提出利用大規(guī)模天線陣列可以獲得準(zhǔn)確的tof和aoa，分別用于人體和干擾物的定位。然而，該方法需要在商用wi-fi設(shè)備上進(jìn)行嚴(yán)格的天線相位校準(zhǔn)，即使經(jīng)過校準(zhǔn)，在參數(shù)獲取后仍然會(huì)出現(xiàn)一些位置估計(jì)偏差。因此，急需探索一種與部署無關(guān)、不需要大規(guī)模天線陣列的穩(wěn)健抗干擾系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于如何提高干擾場(chǎng)景下呼吸監(jiān)測(cè)的魯棒性。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的：一種干擾場(chǎng)景下呼吸信號(hào)的增強(qiáng)方法，包括以下步驟：

3、步驟一、對(duì)至少三個(gè)接收天線接收的csi信號(hào)分別進(jìn)行預(yù)處理，得到接收天線預(yù)處理后的csi信號(hào)；

4、步驟二、基于線性投影規(guī)則，依據(jù)人體位置計(jì)算出不同子載波csi信號(hào)的最佳投影角間隔，采用空間遍歷法得到多個(gè)投影系，將各個(gè)子載波在每個(gè)投影系下投影得到投影波形，將投影波形的bnr值總和最大的投影系作為最佳投影系，在最佳投影系中將各個(gè)子載波csi信號(hào)相加，得到位置增強(qiáng)的呼吸信號(hào)；

5、步驟三、補(bǔ)齊數(shù)據(jù)，設(shè)定變換窗口長(zhǎng)度，將位置增強(qiáng)的呼吸信號(hào)分割成多個(gè)分段波形，利用循環(huán)操作對(duì)每個(gè)分段波形進(jìn)行短投影變換和強(qiáng)濾波，得到短窗變換后的分段波形，將短窗變換后的分段波形進(jìn)行拼接，得到二次增強(qiáng)的呼吸信號(hào)；

6、步驟四、計(jì)算二次增強(qiáng)的呼吸信號(hào)的par值和bnr值，以parxbnr值為指標(biāo)篩選出若干個(gè)最佳接收天線，計(jì)算得到最佳接收天線自相關(guān)估計(jì)的平均值，得到呼吸速率估計(jì)值；對(duì)接收天線中倒相天線的波形進(jìn)行π模糊檢測(cè)及校正，與其他天線波形疊加后得到增強(qiáng)后的呼吸波形。

7、有益效果：本發(fā)明利用時(shí)空頻三個(gè)維度的信息進(jìn)行直接或間接呼吸信號(hào)增強(qiáng)，頻域上利用線性投影規(guī)則進(jìn)行投影匹配增強(qiáng)，對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行定性增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)間接抑制干擾信號(hào)，得到與人體位置匹配的呼吸信號(hào)，時(shí)域上利用走動(dòng)干擾信號(hào)與呼吸信號(hào)的顯著差異性進(jìn)行短窗變換，通過抑制干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸信號(hào)的間接增強(qiáng)，空域上根據(jù)天線質(zhì)量好壞進(jìn)行選擇性篩選，最終得到經(jīng)增強(qiáng)后的呼吸波形，較好地實(shí)現(xiàn)了抗干擾性能，提高干擾場(chǎng)景下呼吸監(jiān)測(cè)的魯棒性。

8、優(yōu)選的，所述步驟一包括：

9、1.1、將至少三個(gè)接收天線接收的csi信號(hào)合成一個(gè)動(dòng)態(tài)分量小的參考信號(hào)，計(jì)算公式為：

10、href＝w*h＝w1*h1+w2*h2+w3*h3+...+wn*hn?(1)

11、hn(f，t)＝hs，n(f)+hd,n(f，t)+εn(f，t)?(2)

12、

13、其中，href表示參考信號(hào)，w表示權(quán)重矩陣，h表示接收天線信號(hào)矩陣，wn表示第n個(gè)接收天線的權(quán)重值，hn表示第n個(gè)接收天線接收的csi信號(hào)，n表示接收天線的個(gè)數(shù)，n≥3，hs，n(f)表示第n個(gè)接收天線接收的csi信號(hào)的靜態(tài)分量，hd，n(f，t)表示第n個(gè)接收天線接收的csi信號(hào)的動(dòng)態(tài)分量，εn(f，t)表示第n個(gè)接收天線接收的csi信號(hào)的噪聲，表示第n個(gè)接收天線接收的csi信號(hào)中呼吸信號(hào)衰減系數(shù)，dt，n(t)表示呼吸者胸腔反射路徑，表示第n個(gè)天線干擾信號(hào)復(fù)衰減系數(shù)，di，n(t)表示干擾者反射路徑，f表示頻率，c表示光速；

14、1.2、優(yōu)化參考信號(hào)href，得到優(yōu)化后的參考信號(hào)href以及對(duì)應(yīng)的n個(gè)接收天線的權(quán)重矩陣，所述優(yōu)化參考信號(hào)href的計(jì)算方式為：

15、argmin{std(href)-0}?(4)

16、其中，std()表示求括號(hào)內(nèi)變量的方差值，argmin()表示求使得括號(hào)內(nèi)表達(dá)式的最小值；

17、1.3、以優(yōu)化后的參考信號(hào)href為分母，用每個(gè)接收天線接收的csi信號(hào)為分子，分別計(jì)算得到第n個(gè)接收天線預(yù)處理后的csi信號(hào)

18、

19、其中，εref(f，t)表示經(jīng)過等效信號(hào)分析后得到的參考信號(hào)href(f，t)的噪聲分量，由于εref(f，t)的值很小公式(5)近似等于下式：

20、

21、有益效果：充分利用至少三個(gè)天線的信號(hào)，獲得動(dòng)態(tài)波動(dòng)最小的合成信號(hào)。然后利用csi比模型，通過將每個(gè)天線信號(hào)與參考信號(hào)相除，得到預(yù)處理后的csi信號(hào)，能夠防止直接天線比破壞呼吸信號(hào)特性，能夠大大減少信號(hào)失真程度，數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到的csi信號(hào)更加能夠反映原始天線信號(hào)的變化。

22、優(yōu)選的，所述線性投影規(guī)則滿足的關(guān)系式如下：

23、φ’＝2π(fc+mδf)(τd-τs)?(7)

24、其中，τd和τs分別表示動(dòng)態(tài)路徑和直接路徑對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間，δf表示相鄰子載波的頻率間隔，φ′表示斜率，φ’的值反映動(dòng)態(tài)反射路徑與直達(dá)路徑的差值大小，fc表示wi-fi信號(hào)的中心頻率，m表示當(dāng)前是第m個(gè)子載波。

25、優(yōu)選的，所述步驟二中依據(jù)人體位置計(jì)算出不同子載波csi信號(hào)的最佳投影角間隔的過程包括：根據(jù)人體位置計(jì)算出動(dòng)態(tài)反射路徑長(zhǎng)度與直達(dá)路徑長(zhǎng)度的差值，代入線性投影規(guī)則關(guān)系式計(jì)算得到線性投影擬合直線的斜率φ’，根據(jù)斜率φ’得到最佳投影角間隔。

26、優(yōu)選的，所述步驟二中采用空間遍歷法得到多個(gè)投影系的過程包括：以設(shè)定步長(zhǎng)在0-360°的空間中進(jìn)行遍歷，得到不同初始角度下對(duì)應(yīng)的投影系，實(shí)現(xiàn)對(duì)初相的篩選。

27、優(yōu)選的，所述步驟三中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)的方法為：根據(jù)不同子載波csi信號(hào)的時(shí)間戳進(jìn)行插值補(bǔ)齊時(shí)間點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)齊。

28、優(yōu)選的，所述步驟三中變換窗口長(zhǎng)度設(shè)定的原則為：使得該片段的數(shù)據(jù)中呼吸信號(hào)平緩，近似為一小段弧線，而走動(dòng)信號(hào)劇烈變化，出現(xiàn)多個(gè)波峰波谷值。

29、有益效果：對(duì)短窗變換處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)濾波處理時(shí)，可以加大sg濾波和平滑濾波的強(qiáng)度，從而將走動(dòng)信號(hào)濾除掉，呼吸信號(hào)的變化趨勢(shì)保留下來。

30、優(yōu)選的，所述步驟四中以par×bnr值為指標(biāo)篩選出若干個(gè)最佳接收天線的方式為：以par×bnr值中最大值的0.9倍作為閾值，從多個(gè)接收天線中篩選出par×bnr值大于閾值的接收天線作為最佳接收天線。

31、有益效果：采用軟閾值的方法，篩選出該指標(biāo)值0.9倍以上的多個(gè)天線進(jìn)行融合，即篩選出指標(biāo)大于0.9倍par×bnr最大值的天線，然后計(jì)算均值自相關(guān)的結(jié)果作為的呼吸率估計(jì)值，充分利用多個(gè)天線所帶來的空間多樣性。

32、優(yōu)選的，所述步驟四中對(duì)接收天線中倒相天線的波形進(jìn)行π模糊檢測(cè)及校正的方式為：通過依次將每個(gè)接收天線的波形進(jìn)行倒相，然后和其他csi信號(hào)疊加，計(jì)算每個(gè)波形的該指標(biāo)值，篩選出值最大的那個(gè)，也就是正確糾正了倒相的天線。

33、本發(fā)明還提供一種基于所述的干擾場(chǎng)景下呼吸信號(hào)的增強(qiáng)方法的系統(tǒng)，包括：

34、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，用于對(duì)至少三個(gè)接收天線接收的csi信號(hào)分別進(jìn)行預(yù)處理，得到接收天線預(yù)處理后的csi信號(hào)；

35、位置增強(qiáng)模塊，用于基于線性投影規(guī)則，依據(jù)人體位置計(jì)算出不同子載波csi信號(hào)的最佳投影角間隔，采用空間遍歷法得到多個(gè)投影系，將各個(gè)子載波在每個(gè)投影系下投影得到投影波形，將投影波形的bnr值總和最大的投影系作為最佳投影系，在最佳投影系中將各個(gè)子載波csi信號(hào)相加，得到位置增強(qiáng)的呼吸信號(hào)；

36、短窗變換模塊，用于補(bǔ)齊數(shù)據(jù)，設(shè)定變換窗口長(zhǎng)度，將位置增強(qiáng)的呼吸信號(hào)分割成多個(gè)分段波形，利用循環(huán)操作對(duì)每個(gè)分段波形進(jìn)行短投影變換和強(qiáng)濾波，得到短窗變換后的分段波形，將短窗變換后的分段波形進(jìn)行拼接，得到二次增強(qiáng)的呼吸信號(hào)；

37、多天線融合篩選模塊，用于計(jì)算二次增強(qiáng)的呼吸信號(hào)的par值和bnr值，以par×bnr值為指標(biāo)篩選出若干個(gè)最佳接收天線，計(jì)算得到最佳接收天線自相關(guān)估計(jì)的平均值，得到呼吸速率估計(jì)值；對(duì)接收天線中倒相天線的波形進(jìn)行π模糊檢測(cè)及校正，與其他天線波形疊加后得到增強(qiáng)后的呼吸波形。