一种水下呼吸状态监测方法及系统

本技术属于水声信号处理，具体地，提供一种水下呼吸状态监测方法及系统。

背景技术：

1、水底地形勘探、水中生物研究及目标搜寻等作业一般通过潜水员等水下人员完成，由于水下环境复杂多变，特别是在浅海海域，受光照、洋流等因素的影响，水温、水流可能在小范围内即出现剧烈变化，此外，在潜水员等水下人员周围出现的大规模鱼群以及船舶等也可能对水下作业产生影响，因此，对潜水员等水下人员的安全监测提出了更高的实时性、准确性及稳定性要求。

2、在水下作业活动中，水下呼吸状态是评估水下人员生理状态和潜水安全性的重要指标，在水下呼吸状态存在异常时，可能会遇到各种挑战，例如，过度费力或没有慢慢地深呼吸引起呼吸频率增高时，将由于过量的二氧化碳导致高碳酸血症；无意识过度换气导致呼吸过缓时，将因二氧化碳不足造成低碳酸血症；憋气时间过长以至呼吸停滞时，将引起身体缺氧甚至黑视症；吸气过度导致呼吸沉重时，则容易产生高氧造成的中枢神经系统中毒。

3、上述潜水过程中常见的突发症状，基本上都可通过监测潜水员的水下呼吸状态来实时预警，即时提醒潜水员和潜水教练来采取相应的措施来保障水下安全，然而，传统的监测手段，如使用表面传感器或气体分析仪，虽然在一定程度上能够提供呼吸频率数据，但这些方法需要将采集设备置于呼吸器或呼吸面罩内部，这种侵入式测量的方式要求被测人员在检测过程中保持相对稳定，且需要额外对呼吸器进行改造以满足水密性能要求，导致上述监测手段在水下环境应用时存在诸多限制，从而极大地影响了潜水员的舒适度和自由度。因此，有必要提供一种更为便捷、准确且不干扰潜水员正常活动的水下呼吸监测方法和监测系统，在不对呼吸器进行侵入性干预的前提下实现对潜水员水下呼吸状态的安全监测，同时保障潜水员的佩戴舒适度和运动自由度，以最大限度地保证水下安全。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的问题，本技术通过实施例提供一种水下呼吸状态监测方法，包括以下操作：

2、采集水下呼吸器外部的原始水声信号及水下人员的心率信号；

3、从原始水声信号中提取水下人员的呼吸声能量信号；

4、基于模式切换判据，择一地通过常规监测模式或联动监测模式对水下人员的呼吸状态进行监测，其中，所述模式切换判据至少包括呼吸峰值混叠判据，以及，在常规监测模式下对心率信号的采样间隔大于在联动监测模式下对心率信号的采样间隔。

5、本技术实施例提供的水下呼吸状态监测方法，在水下呼吸器外部进行呼吸相关的水声信号采集，避免了侵入式设备对水下呼吸器水密性能以及水下人员活动的影响，同时联合水下人员的心率数据，在呼吸峰值状态发生变化时进行更精准的监测，避免了单纯分析声信号的监测方式可能造成对呼吸状态异常产生误判的问题。

6、优选地，所述水下人员的呼吸声能量信号通过对所述原始水声信号进行幅度求平方操作确定。

7、进一步地，所述常规监测模式包括以下步骤：

8、a1，更新常规监测窗口的起止时间；

9、a2，在常规监测窗口中标记呼吸声能量信号中的呼吸峰值；

10、a3，判断在常规监测窗口中标记的各个呼吸峰值是否满足呼吸峰值混叠判据，如是则切换至联动监测模式，如否则返回步骤a1。

11、进一步地，所述联动监测模式包括以下步骤：

12、b1，更新联动监测窗口的起止时间，其中，所述联动监测窗口的时长小于所述常规监测窗口的时长；

13、b2，在联动监测窗口中标记呼吸声能量信号中的呼吸峰值；

14、b3，判断联动监测窗口中标记的各个呼吸峰值是否满足呼吸峰值混叠判据，如是则执行步骤b4，如否则切换至常规监测模式；

15、b4，判断联动监测窗口中水下人员的心率与呼吸峰值的出现频率之比是否满足呼吸急促判据，如是则发出呼吸急促预警信号后返回步骤b1，如否则直接返回步骤b1。

16、进一步地，通过以下步骤标记呼吸声能量信号中的呼吸峰值：

17、c1，获取监测窗口内的呼吸声能量信号序列，其中，为序列编号，为序列长度；

18、c2，构建个长度依次递增的滑动窗口，各个滑动窗口的长度为，且、满足下式：

19、，

20、其中，为信号尺度,为向上取整函数；

21、c3，对于每个尺度，基于下式确定每个对应的局部最大值尺度：

22、，

23、其中，为[0,1]范围内均匀分布的随机数，为常数因子；

24、c4，基于下式确定呼吸声能量信号序列的局部最大值尺度矩阵：

25、；

26、c5，基于下式确定呼吸声能量信号序列的局部最大值分布信息向量：

27、；

28、c6，基于下式确定的全局最小值：

29、，

30、其中，的返回值为使其括号中的函数达到最小值所对应的变量；

31、c7，使用重塑 m，移除所有的元素，选择包含最多潜在峰值的尺度，得到如下式所示的重塑后的局部最大值尺度矩阵：

32、；

33、c8，基于下式计算的列向量标准差：

34、；

35、c9，遍历的每一列，将所有满足的位置，确定为呼吸峰值所在位置。

36、优选地，所述呼吸峰值混叠判据为：相邻的呼吸峰值间距小于正常呼吸周期下限的次数超过预设的呼吸异常阈值。

37、进一步地，所述正常呼吸周期下限为3秒。

38、进一步地，所述呼吸急促判据为：

39、，

40、其中，为心率与呼吸率之比的参考值，为联动监测窗口内的心率，为联动监测窗口内呼吸峰值出现的频率，为心率与呼吸率之比的容差值。

41、优选地，所述模式切换判据还包括呼吸比异常判据，所述呼吸比异常判据为：

42、，

43、其中，、分别为呼气时长与吸气时长，为呼吸比容差值。

44、进一步地，、基于对相邻的呼吸峰值之间的零域中值点进行标注确定。

45、优选地，所述水下呼吸状态监测方法还包括以下步骤：判断所述原始水声信号或呼吸声能量信号中是否包含强噪声信号，如是，则发出避让预警信号，其中，所述强噪声信号为窄带信号，其带宽与所述呼吸声能量信号的带宽重合，且其能量幅值超过所述呼吸峰值的均值。

46、本技术通过实施例还提供一种水下呼吸状态监测系统，使用前述的水下呼吸状态监测方法对水下人员的呼吸状态进行监测，包括：水听器、提取单元、心率单元、控制单元及通信单元；

47、所述水听器用于采集水下呼吸器外部的原始水声信号；

48、所述心率单元用于采集水下人员的心率信号；

49、所述提取单元用于从原始水声信号中提取水下人员的呼吸声能量信号；

50、所述控制单元基于模式切换判据，择一地通过常规监测模式或联动监测模式对水下人员的呼吸状态进行监测，其中，所述模式切换判据至少包括呼吸峰值混叠判据，以及，在常规监测模式下对心率信号的采样间隔大于在联动监测模式下对心率信号的采样间隔；

51、所述通信单元用于将控制单元的监测结果发送至岸基或船基的接收设备。