JP2020075168A

JP2020075168A - Estimation device and program

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Publication number: JP2020075168A
Application number: JP2020019086A
Authority: JP
Inventors: 武司中山; Takeshi Nakayama; 翔一飯塚; Shoichi Iizuka; 尚樹本間; Naoki Honma; 大笹川; Dai Sasagawa
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2020-05-21
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: JP2018008021A; CN107576957A; JP6667145B2; CN107576957B; JP6839807B2

Abstract

To provide a sensor, etc. capable of estimating a posture of a living body accurately and in a short time by using a radio signal.SOLUTION: A processor of an estimation device acquires N reception signals received by each of M reception antenna elements 31 including reflection signals reflected by a living body of N transmission signals transmitted by N transmission antenna elements 21 for transmitting transmission signals, extracts a second matrix corresponding to a predetermined frequency range from a first matrix of N×M indicating propagation characteristics between each transmission antenna element and each reception antenna element, estimates a position where the living body exists by using the second matrix, calculates an RCS (radar cross-section) value for the living body based on the estimated position and the positions of transmission and reception antennas, and estimates a posture of the living body by using the calculated RCS value and information indicating correspondence between the RCS value and the posture of the living body.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、無線信号を利用することで生体の姿勢を推定する推定装置などに関する。 The present disclosure relates to an estimation device that estimates the posture of a living body by using a wireless signal.

人物の位置などを知る方法として、無線信号を利用する方法が検討されている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１にはドップラーセンサを用いた生体検出の方法、特許文献２にはドップラーセンサとフィルタとを用いた人の動作や生体情報の検知方法が開示されている。特許文献３には、フーリエ変換を用いてドップラーシフトを含む成分を解析することで検出対象となる人物の位置や状態を知ることができることが開示されている。また、特許文献４には、複数アンテナのチャネル情報、各種センサ情報を元に機械学習により生体の位置や状態を推定する方法が開示されており、特許文献５には複数アンテナ、超音波レーダ、複数アンテナによる生体の状態推定方法が開示されている。 As a method of knowing the position of a person or the like, a method of using a wireless signal has been studied (for example, see Patent Documents 1 to 3). Patent Document 1 discloses a method of detecting a living body using a Doppler sensor, and Patent Document 2 discloses a method of detecting a person's motion or biological information using a Doppler sensor and a filter. Patent Document 3 discloses that the position and state of a person to be detected can be known by analyzing a component including a Doppler shift using Fourier transform. Further, Patent Document 4 discloses a method for estimating the position and state of a living body by machine learning based on channel information of a plurality of antennas and various sensor information, and Patent Document 5 discloses a plurality of antennas, an ultrasonic radar, A method of estimating the state of a living body using a plurality of antennas is disclosed.

特表２０１４−５１２５２６号公報Japanese Patent Publication No. 2014-512526 国際公開第２０１４／１４１５１９号International Publication No. 2014/141519 特開２０１５−１１７９７２号公報JP, 2005-117972, A 特開２０１４−１９０７２４号公報JP, 2014-190724, A 特開２００５−２９２１２９号公報JP, 2005-292129, A 特開２００１−１５９６７８号公報JP, 2001-159678, A

しかしながら、無線信号を利用することで、生体の姿勢を推定する精度を向上させるには、さらなる改善が求められている。 However, further improvement is required to improve the accuracy of estimating the posture of the living body by using the wireless signal.

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る推定装置は、推定装置であって、前記推定装置が備えるプロセッサが、生体が存在しうる所定範囲に対して送信信号をそれぞれが送信するＮ個（Ｎは２以上の自然数）の送信アンテナ素子により送信された前記Ｎ個の送信信号のうちの一部の送信信号が前記生体により反射された反射信号を含み、Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の受信アンテナ素子のそれぞれにより受信されたＮ個の受信信号を取得し、前記Ｍ個の受信アンテナ素子のそれぞれにおいて所定期間で受信された前記Ｎ個の受信信号のそれぞれから、前記Ｎ個の送信アンテナ素子それぞれと、前記Ｍ個の受信アンテナ素子それぞれとの間の伝搬特性を示す各複素伝達関数を成分とする、Ｎ×Ｍの第１行列を算出し、前記第１行列における所定周波数範囲に対応する第２行列を抽出することで、前記生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれかを含むバイタル活動の影響を受けた成分に対応する前記第２行列を抽出し、前記第２行列を用いて、前記Ｎ個の送信アンテナ素子および前記Ｍ個の受信アンテナ素子に対する前記生体の存在する位置を推定し、前記推定した位置と、前記Ｎ個の送信アンテナ素子を有する送信アンテナの位置と、前記Ｍ個の受信アンテナ素子を有する受信アンテナの位置と、に基づいて、前記生体と前記送信アンテナとの距離を示す第１距離、および、前記生体と前記受信アンテナとの距離を示す第２距離を算出し、前記第１距離および前記第２距離を用いて、前記生体に対するＲＣＳ（Radar cross-section）値を算出し、前記算出されたＲＣＳ値と、前記推定装置が備えるメモリに記憶されている、ＲＣＳ値および前記生体の姿勢の対応関係を示す情報と、を用いて、前記生体の姿勢を推定する。 In order to achieve the above object, an estimation apparatus according to one aspect of the present invention is an estimation apparatus, wherein a processor included in the estimation apparatus transmits a transmission signal to a predetermined range in which a living body can exist. A part of the N transmission signals transmitted by the N (N is a natural number of 2 or more) transmission antenna elements includes a reflection signal reflected by the living body, and M (M is 2). (N is the above natural number), N reception signals received by each of the reception antenna elements are acquired, and from each of the N reception signals received in a predetermined period in each of the M reception antenna elements, A first matrix of N × M having each complex transfer function indicating a propagation characteristic between each of the N transmitting antenna elements and each of the M receiving antenna elements as a component is calculated, and in the first matrix, By extracting a second matrix corresponding to a predetermined frequency range, the second matrix corresponding to a component affected by vital activity including at least one of respiration, heartbeat and body movement of the living body is extracted, A second matrix is used to estimate the positions of the living body with respect to the N transmission antenna elements and the M reception antenna elements, and the estimated positions and a transmission antenna having the N transmission antenna elements And the position of the receiving antenna having the M receiving antenna elements, the first distance indicating the distance between the living body and the transmitting antenna, and the distance between the living body and the receiving antenna. A second distance shown is calculated, an RCS (Radar cross-section) value for the living body is calculated using the first distance and the second distance, and the calculated RCS value and a memory provided in the estimation device. The posture of the living body is estimated by using the information indicating the correspondence between the RCS value and the posture of the living body stored in the.

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るプログラムは、コンピュータに、生体が存在しうる所定範囲に対してＮ個（Ｎは２以上の自然数）の送信アンテナ素子を用いて送信されたＮ個の送信信号の一部の送信信号が前記生体により反射された反射信号を含み、Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の受信アンテナ素子のそれぞれを用いて受信されたＮ個の受信信号を取得し、前記Ｍ個の受信アンテナ素子のそれぞれにおいて所定期間で受信された前記Ｎ個の受信信号のそれぞれから、前記Ｎ個の送信アンテナ素子それぞれと、前記Ｍ個の受信アンテナ素子それぞれとの間の伝搬特性を示す各複素伝達関数を成分とする、Ｎ×Ｍの第１行列を算出し、前記第１行列における所定周波数範囲に対応する第２行列を抽出することで、前記生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれかを含むバイタル活動の影響を受けた成分に対応する前記第２行列を抽出し、前記第２行列を用いて、前記Ｎ個の送信アンテナ素子および前記Ｍ個の受信アンテナ素子に対する前記生体の存在する位置を推定し、前記推定した位置と、前記Ｎ個の送信アンテナ素子を有する送信アンテナの位置と、前記Ｍ個の受信アンテナ素子を有する受信アンテナの位置と、に基づいて、前記生体と前記送信アンテナとの距離を示す第１距離、および、前記生体と前記受信アンテナとの距離を示す第２距離を算出し、前記第１距離および前記第２距離を用いて、前記生体に対するＲＣＳ（Radar cross-section）値を算出し、前記算出されたＲＣＳ値と、前記コンピュータが備えるメモリに記憶されている、ＲＣＳ値および前記生体の姿勢の対応関係を示す情報と、を用いて、前記生体の姿勢を推定する処理を実行させる。 In order to achieve the above object, a program according to an aspect of the present invention is transmitted to a computer using N (N is a natural number of 2 or more) transmitting antenna elements for a predetermined range in which a living body can exist. N reception signals which are received by using each of M (M is a natural number of 2 or more) reception antenna elements, in which a part of the N transmission signals includes a reflection signal reflected by the living body. A signal is acquired, and each of the N transmission antenna elements and each of the M reception antenna elements is acquired from each of the N reception signals received in each of the M reception antenna elements in a predetermined period. The first matrix of N × M having each complex transfer function indicating the propagation characteristic between the components as the component is calculated, and the second matrix corresponding to the predetermined frequency range in the first matrix is extracted, thereby Extracting the second matrix corresponding to components affected by vital activity including at least one of respiration, heartbeat, and body movement, and using the second matrix, the N transmit antenna elements and the M transmit antenna elements. And estimating the position where the living body is present with respect to the receiving antenna element, the position of the transmitting antenna having the N transmitting antenna elements, and the position of the receiving antenna having the M receiving antenna elements. , A first distance indicating the distance between the living body and the transmitting antenna, and a second distance indicating the distance between the living body and the receiving antenna are calculated, and the first distance and the second distance are calculated. Using the calculated RCS (Radar cross-section) value for the living body by using the calculated RCS value and information stored in a memory included in the computer, indicating the correspondence between the RCS value and the posture of the living body. And are used to execute the process of estimating the posture of the living body.

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係るセンサーは、センサーであって、生体が存在しうる所定範囲に対して送信信号をそれぞれが送信するＮ個（Ｎは２以上の自然数）の送信アンテナ素子を有する送信アンテナと、前記Ｎ個の送信アンテナ素子により送信された前記Ｎ個の送信信号のうちの一部の送信信号が前記生体により反射された反射信号を含むＮ個の受信信号をそれぞれが受信するＭ個（Ｍは２以上の自然数）の受信アンテナ素子を有する受信アンテナと、回路と、メモリと、を備え、前記回路は、前記Ｍ個の受信アンテナ素子のそれぞれにおいて所定期間で受信された前記Ｎ個の受信信号のそれぞれから、前記Ｎ個の送信アンテナ素子それぞれと、前記Ｍ個の受信アンテナ素子それぞれとの間の伝搬特性を示す各複素伝達関数を成分とする、Ｎ×Ｍの第１行列を算出し、前記第１行列における所定周波数範囲に対応する第２行列を抽出することで、前記生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれかを含むバイタル活動の影響を受けた成分に対応する前記第２行列を抽出し、前記第２行列を用いて、前記センサーに対する前記生体の存在する位置を推定し、前記推定した位置と、前記送信アンテナの位置と、前記受信アンテナの位置と、に基づいて、前記生体と前記送信アンテナとの距離を示す第１距離、および、前記生体と前記受信アンテナとの距離を示す第２距離を算出し、前記第１距離および前記第２距離を用いて、前記生体に対するＲＣＳ（Radar cross-section）値を算出し、前記算
出されたＲＣＳ値と、前記メモリに記憶されている、ＲＣＳ値および前記生体の姿勢の対応関係を示す情報と、を用いて、前記生体の姿勢を推定する。 In order to achieve the above object, a sensor according to an aspect of the present invention is a sensor, and N (N is a natural number of 2 or more) each transmitting a transmission signal to a predetermined range in which a living body can exist. A transmitting antenna having a transmitting antenna element, and N receiving signals including a reflected signal in which a part of the N transmitted signals transmitted by the N transmitted antenna elements are reflected by the living body. A reception antenna having M reception antenna elements (M is a natural number of 2 or more) each receiving a signal, a circuit, and a memory, the circuit having a predetermined number in each of the M reception antenna elements. From each of the N received signals received in a period, each complex transfer function indicating a propagation characteristic between each of the N transmit antenna elements and each of the M receive antenna elements is a component. The influence of vital activity including at least one of respiration, heartbeat, and body movement of the living body is calculated by calculating an N × M first matrix and extracting a second matrix corresponding to a predetermined frequency range in the first matrix. The second matrix corresponding to the received component is extracted, the position where the living body exists with respect to the sensor is estimated using the second matrix, the estimated position, the position of the transmitting antenna, and the A first distance indicating the distance between the living body and the transmitting antenna and a second distance indicating the distance between the living body and the receiving antenna are calculated based on the position of the receiving antenna, and the first distance and An RCS (Radar cross-section) value for the living body is calculated using the second distance, and the calculated RCS value and the correspondence relationship between the RCS value and the posture of the living body stored in the memory are calculated. The posture of the living body is estimated using the indicated information.

本発明によれば、無線信号を利用することで、生体の姿勢の推定を、短時間かつ高精度に行うことができる。 According to the present invention, the posture of a living body can be estimated in a short time and with high accuracy by using a wireless signal.

図１は、実施の形態１におけるセンサーの構成の一例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the sensor according to the first embodiment. 図２は、実施の形態１における回路およびメモリの機能的な構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of the circuit and the memory according to the first embodiment. 図３は、実施の形態１における対応関係を示す情報の一例を示す。FIG. 3 shows an example of information indicating the correspondence relationship in the first embodiment. 図４は、実施の形態１におけるセンサーの動作の一例を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing an example of the operation of the sensor in the first embodiment. 図５は、実施の形態２におけるセンサーの構成の一例を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing an example of the configuration of the sensor according to the second embodiment. 図６は実施の形態２における回路およびメモリの機能的な構成を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing a functional configuration of a circuit and a memory according to the second embodiment. 図７は、実施の形態２における対応関係を示す情報の一例を示す。FIG. 7 shows an example of information indicating the correspondence relationship in the second embodiment. 図８は、実施の形態２のセンサーの効果を確認するために実施した実験の概要を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an outline of an experiment conducted to confirm the effect of the sensor of the second embodiment. 図９は、図８で示した実験系を用いた実験結果を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an experimental result using the experimental system shown in FIG. 図１０は実験結果から得られた第１ＲＣＳ範囲〜第４ＲＣＳ範囲の具体例、および、第１高さ範囲〜第４高さ範囲の具体例を示す図である。FIG. 10: is a figure which shows the specific example of the 1st RCS range-4th RCS range and the specific example of the 1st height range-4th height range which were obtained from the experimental result.

（本発明の基礎となった知見）
無線信号を利用した生体の状態推定に関する従来技術について、発明者らは詳細な検討を行った。その結果、特許文献１および特許文献２の方法では、人物の在、不在は検知可能だが、人物の存在する方向、位置、大きさ、姿勢などを検出することはできない問題があることがわかった。 (Findings that form the basis of the present invention)
The inventors have made a detailed study on a conventional technique relating to state estimation of a living body using a wireless signal. As a result, it has been found that the methods of Patent Document 1 and Patent Document 2 can detect the presence or absence of a person, but cannot detect the direction, position, size, posture, etc. of the person. ..

また、特許文献３の方法では、人物などの生体が存在する方向や生体が存在する位置を短時間かつ高精度に検出することは困難であるという問題があることがわかった。なぜなら、生体活動由来のドップラー効果による周波数変化は極めて小さく、フーリエ変換によってこの周波数変化を観測するためには、生体が静止した状態で長時間（例えば数十秒）の観測が必須であるからである。また、一般的に、生体は数十秒にわたって同じ姿勢や位置を継続することは少ないからである。 Further, it has been found that the method of Patent Document 3 has a problem that it is difficult to detect the direction in which a living body such as a person exists and the position where the living body exists in a short time with high accuracy. This is because the frequency change due to the Doppler effect due to biological activity is extremely small, and in order to observe this frequency change by Fourier transform, it is essential to observe for a long time (for example, several tens of seconds) while the living body is stationary. is there. Moreover, in general, the living body rarely continues the same posture and position for several tens of seconds.

さらに、特許文献４では使用者ごとに機械学習をしないといけないという課題があり、また、特許文献５は、天井の広範囲に複数の超音波アンテナを設置する取り付け課題、コスト課題があることがわかった。 Further, in Patent Document 4, there is a problem that machine learning must be performed for each user, and in Patent Document 5, it is found that there is a mounting problem of installing a plurality of ultrasonic antennas in a wide range of the ceiling and a cost problem. It was

発明者らは、以上の課題に対して研究を重ねた結果、異なる位置に置かれたアンテナ素子を含む送信アンテナから送信され、生体によって反射された反射信号の伝搬特性と散乱断面積とを用いることにより、当該生体が存在する方向、位置、大きさ、姿勢などの推定を短時間かつ高精度に行うことが可能であることを見出し、本開示に至った。 As a result of repeated research on the above problems, the inventors use the propagation characteristics and the scattering cross section of a reflected signal transmitted from a transmission antenna including antenna elements placed at different positions and reflected by a living body. As a result, the inventors have found that it is possible to estimate the direction, position, size, posture, etc. of the living body in a short time with high accuracy, and have reached the present disclosure.

すなわち、本発明の一態様に係るセンサーは、センサーであって、生体が存在しうる所定範囲に対して送信信号をそれぞれが送信するＮ個（Ｎは２以上の自然数）の送信アンテナ素子を有する送信アンテナと、前記Ｎ個の送信アンテナ素子により送信された前記Ｎ個の送信信号のうちの一部の送信信号が前記生体により反射された反射信号を含むＮ個の受信信号をそれぞれが受信するＭ個（Ｍは２以上の自然数）の受信アンテナ素子を有する受信アンテナと、回路と、メモリと、を備え、前記回路は、前記Ｍ個の受信アンテナ素子のそれぞれにおいて所定期間で受信された前記Ｎ個の受信信号のそれぞれから、前記Ｎ個の送信アンテナ素子それぞれと、前記Ｍ個の受信アンテナ素子それぞれとの間の伝搬特性を示す各複素伝達関数を成分とする、Ｎ×Ｍの第１行列を算出し、前記第１行列における所定周波数範囲に対応する第２行列を抽出することで、前記生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれかを含むバイタル活動の影響を受けた成分に対応する前記第２行列を抽出し、前記第２行列を用いて、前記センサーに対する前記生体の存在する位置を推定し、前記推定した位置と、前記送信アンテナの位置と、前記受信アンテナの位置と、に基づいて、前記生体と前記送信アンテナとの距離を示す第１距離、および、前記生体と前記受信アンテナとの距離を示す第２距離を算出し、前記第１距離および前記第２距離を用いて、前記生体に対するＲＣＳ（Radar cross-section）値を算出し、前記算出されたＲＣＳ値
と、前記メモリに記憶されている、ＲＣＳ値および前記生体の姿勢の対応関係を示す情報と、を用いて、前記生体の姿勢を推定する。 That is, the sensor according to one aspect of the present invention is a sensor, and has N (N is a natural number of 2 or more) transmitting antenna elements that each transmit a transmitting signal to a predetermined range in which a living body can exist. Each of the transmitting antenna and the N receiving signals including the reflected signal in which a part of the N transmitting signals transmitted by the N transmitting antenna elements is reflected by the living body is received. A receiving antenna having M receiving antenna elements (M is a natural number of 2 or more), a circuit, and a memory, wherein the circuit receives at each of the M receiving antenna elements for a predetermined period. From each of the N received signals, an N × M first component having each complex transfer function indicating a propagation characteristic between each of the N transmit antenna elements and each of the M receive antenna elements as a component By calculating a matrix and extracting a second matrix corresponding to a predetermined frequency range in the first matrix, it is possible to correspond to a component affected by vital activity including at least one of respiration, heartbeat, and body movement of the living body. The second matrix is extracted, the position where the living body is present with respect to the sensor is estimated using the second matrix, the estimated position, the position of the transmitting antenna, and the position of the receiving antenna, A first distance indicating the distance between the living body and the transmitting antenna, and a second distance indicating the distance between the living body and the receiving antenna, and using the first distance and the second distance. Then, an RCS (Radar cross-section) value for the living body is calculated, and the calculated RCS value and information indicating the correspondence between the RCS value and the posture of the living body stored in the memory are used. Then, the posture of the living body is estimated.

このため、生体が存在する位置および当該位置における生体の姿勢の推定を短時間かつ高精度に行うことができる。 Therefore, the position where the living body exists and the posture of the living body at the position can be estimated in a short time and with high accuracy.

また、前記所定期間は、前記生体の呼吸、心拍、および、体動の少なくとも１つの周期の略半分であってもよい。 Further, the predetermined period may be substantially half of at least one cycle of respiration, heartbeat, and body movement of the living body.

このため、生体が存在する位置および当該位置における生体の姿勢の推定を効果的に行うことができる。 Therefore, it is possible to effectively estimate the position of the living body and the posture of the living body at the position.

また、前記回路は、前記生体が、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの並び方向に垂直な方向に対して正対している姿勢であるか否かを推定してもよい。 In addition, the circuit may estimate whether or not the living body is in a posture in which the living body faces a direction perpendicular to a direction in which the transmitting antenna and the receiving antenna are arranged.

また、前記Ｎは３以上の自然数であり、前記Ｎ個の送信アンテナ素子のうち少なくとも３個の送信アンテナ素子は、それぞれ、鉛直方向および水平方向の異なる位置に配置され、前記Ｍは３以上の自然数であり、前記Ｍ個の受信アンテナ素子のうち少なくとも３個の受信アンテナ素子は、それぞれ、鉛直方向および水平方向の異なる位置に配置され、前記対応関係を示す情報は、前記センサーに対する前記生体の存在する鉛直方向における位置である鉛直位置、ＲＣＳ値、および、前記生体の姿勢の対応関係を示し、前記対応関係を示す情報において対応付けられている前記生体の姿勢は、直立、椅座、胡坐、および、仰臥を含み、前記回路は、前記第２行列を用いて、前記鉛直位置を含む３次元位置を推定し、前記推定した前記３次元位置と、前記算出されたＲＣＳ値と、前記メモリに記憶されている、前記対応関係を示す情報と、を用いて、前記生体が、直立、椅座、胡坐、および、仰臥のいずれの姿勢であるかを推定してもよい。 Further, the N is a natural number of 3 or more, at least three of the N transmitting antenna elements are arranged at different positions in the vertical direction and the horizontal direction, and the M is 3 or more. It is a natural number, and at least three receiving antenna elements of the M receiving antenna elements are arranged at different positions in the vertical direction and the horizontal direction, respectively, and the information indicating the correspondence is information of the living body with respect to the sensor. A vertical position which is a position in the vertical direction that exists, an RCS value, and a posture of the living body are shown in correspondence, and the postures of the living body associated in the information indicating the correspondence are upright, sitting, crossed legs. , And supine, and the circuit estimates a three-dimensional position including the vertical position using the second matrix, estimates the three-dimensional position, the calculated RCS value, and the memory. It is also possible to estimate whether the living body is in an upright posture, a sitting posture, a crossed posture, or a supine posture by using the information indicating the correspondence relation stored in the.

このため、生体が存在する３次元位置および当該３次元位置における生体の姿勢の推定を短時間かつ高精度に行うことができる。 Therefore, the three-dimensional position where the living body exists and the posture of the living body at the three-dimensional position can be estimated in a short time and with high accuracy.

なお、本発明は、装置として実現するだけでなく、このような装置が備える処理手段を備える集積回路として実現したり、その装置を構成する処理手段をステップとする方法として実現したり、それらステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したり、そのプログラムを示す情報、データまたは信号として実現したりすることもできる。そして、それらプログラム、情報、データおよび信号は、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やインターネット等の通信媒体を介して配信してもよい。 The present invention is realized not only as an apparatus, but also as an integrated circuit including processing means included in such an apparatus, or as a method in which the processing means that configures the apparatus is a step. Can be realized as a program that causes a computer to execute, or can be realized as information, data, or a signal indicating the program. The programs, information, data and signals may be distributed via a recording medium such as a CD-ROM or a communication medium such as the Internet.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that each of the embodiments described below shows a preferred specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions and connection forms of constituent elements, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are examples, and are not intended to limit the present invention. Further, among the constituent elements in the following embodiments, the constituent elements that are not described in the independent claims showing the highest concept of the present invention will be described as arbitrary constituent elements that constitute a more preferable form. In the present specification and the drawings, constituent elements having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals, and a duplicate description will be omitted.

（実施の形態１）
図１は実施の形態１におけるセンサーの構成の一例を示すブロック図である。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the sensor according to the first embodiment.

図１に示すように、センサー１０は、送信アンテナ２０、受信アンテナ３０、回路４０およびメモリ４１を備える。センサー１０は、ヒト等の生体５０に対して送信アンテナ２０よりマイクロ波を発射し、受信アンテナ３０にて生体５０で反射された反射波を受信する。ここで、送信アンテナ２０に対して任意に設定された第１基準方向と、送信アンテナ２０から生体５０への方向である第１生体方向とのなす角をθ_Ｔとする。同様に、受信アンテナ３０に対して任意に設定された第２基準方向と、受信アンテナ３０から生体５０への方向である第２生体方向とのなす角をθ_Ｒとする。なお、第１基準方向、第１生体方向、第２基準方向、および、第２生体方向は、水平面上の方向である。 As shown in FIG. 1, the sensor 10 includes a transmitting antenna 20, a receiving antenna 30, a circuit 40, and a memory 41. The sensor 10 emits microwaves to the living body 50 such as a human from the transmitting antenna 20 and receives reflected waves reflected by the living body 50 at the receiving antenna 30. Here, an angle between the first reference direction arbitrarily set with respect to the transmitting antenna 20 and the first living body direction which is the direction from the transmitting antenna 20 to the living body 50 is defined as θ _T. Similarly, the angle between the second reference direction arbitrarily set with respect to the receiving antenna 30 and the second living body direction which is the direction from the receiving antenna 30 to the living body 50 is defined as θ _R. The first reference direction, the first living body direction, the second reference direction, and the second living body direction are directions on a horizontal plane.

送信アンテナ２０は、Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）の送信アンテナ素子２１を有する。送信アンテナ２０は、Ｎ個の送信アンテナ素子２１が水平面上の第１所定方向に並んで配置されることで構成されるアレーアンテナを有する。Ｎ個の送信アンテナ素子２１のそれぞれは、生体が存在しうる所定範囲に対して送信信号を送信する。つまり、送信アンテナ２０は、異なるＮ箇所の位置からＮ個の送信信号を所定範囲に対して送信する。なお、生体が存在しうる所定範囲とは、センサー１０が生体の存在を検知する検知範囲である。 The transmitting antenna 20 has N (N is a natural number of 2 or more) transmitting antenna elements 21. The transmission antenna 20 has an array antenna configured by arranging N transmission antenna elements 21 side by side in a first predetermined direction on a horizontal plane. Each of the N transmission antenna elements 21 transmits a transmission signal to a predetermined range in which a living body can exist. That is, the transmission antenna 20 transmits N transmission signals from predetermined N positions to a predetermined range. The predetermined range in which the living body can exist is a detection range in which the sensor 10 detects the existence of the living body.

Ｎ個の送信アンテナ素子２１のそれぞれは、具体的には、ヒトなどの生体５０に対して、マイクロ波を送信信号として発射する。Ｎ個の送信アンテナ素子２１は、送信アンテナ素子２１毎に異なる変調処理が行われた信号を送信信号として送信してもよい。また、Ｎ個の送信アンテナ素子２１のそれぞれは、変調信号または無変調の信号を逐次的に切り替えて送信してもよい。変調処理は、送信アンテナ２０により行われても良い。このように、Ｎ個の送信アンテナ素子２１毎に、Ｎ個の送信アンテナ素子２１から送信される送信信号をそれぞれ異なる送信信号とすることで、受信アンテナ３０により受信された送信信号を送信した送信アンテナ素子２１を特定できる。このように、送信アンテナ２０は、変調処理を行うための回路を含んでいてもよい。 Specifically, each of the N transmission antenna elements 21 emits microwaves as a transmission signal to a living body 50 such as a human. The N transmission antenna elements 21 may transmit, as transmission signals, signals that have undergone different modulation processing for each transmission antenna element 21. Further, each of the N transmitting antenna elements 21 may sequentially switch the modulated signal or the non-modulated signal to transmit. The modulation process may be performed by the transmission antenna 20. In this way, for each of the N transmission antenna elements 21, the transmission signals transmitted from the N transmission antenna elements 21 are set to different transmission signals, so that the transmission signals received by the reception antenna 30 are transmitted. The antenna element 21 can be specified. As described above, the transmission antenna 20 may include a circuit for performing the modulation process.

受信アンテナ３０は、Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の受信アンテナ素子３１を有する。受信アンテナ３０は、Ｍ個の受信アンテナ素子３１が水平面上の第２所定方向に並んで配置されることで構成されるアレーアンテナを有する。Ｍ個の受信アンテナ素子３１のそれぞれは、Ｎ個の送信信号のうち生体５０により反射された信号である反射信号を含むＮ個の受信信号を受信する。受信アンテナ３０は、マイクロ波からなる受信信号を周波数変換し、低周波数信号に変換する。受信アンテナ３０は、低周波数信号に変換することにより得られた信号を回路４０に出力する。つまり、受信アンテナ３０は、受信信号を処理するための回路を含んでいてもよい。 The receiving antenna 30 has M (M is a natural number of 2 or more) receiving antenna elements 31. The receiving antenna 30 has an array antenna configured by arranging M receiving antenna elements 31 side by side in a second predetermined direction on a horizontal plane. Each of the M reception antenna elements 31 receives N reception signals including a reflection signal that is a signal reflected by the living body 50 among the N transmission signals. The reception antenna 30 frequency-converts the reception signal including microwaves into a low-frequency signal. The receiving antenna 30 outputs a signal obtained by converting the low frequency signal to the circuit 40. That is, the receiving antenna 30 may include a circuit for processing the received signal.

回路４０は、センサー１０を動作させる各種処理を実行する。回路４０は、例えば、制御プログラムを実行するプロセッサと、当該制御プログラムを実行するときに使用するワークエリアとして用いられる揮発性の記憶領域（主記憶装置）とにより構成される。揮発性の記憶領域は、例えば、ＲＡＭ（ＲａｎｄｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）である。なお、回路４０は、センサー１０を動作させる各種処理を行うための専用回路により構成されていてもよい。つまり、回路４０は、ソフトウェア処理を行う回路であってもよいし、ハードウェア処理を行う回路であってもよい。 The circuit 40 executes various processes for operating the sensor 10. The circuit 40 includes, for example, a processor that executes a control program and a volatile storage area (main storage device) used as a work area used when the control program is executed. The volatile storage area is, for example, a RAM (Random Access Memory). The circuit 40 may be configured by a dedicated circuit for performing various processes for operating the sensor 10. That is, the circuit 40 may be a circuit that performs software processing or a circuit that performs hardware processing.

メモリ４１は、不揮発性の記憶領域（補助記憶装置）であり、例えば、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）などである。メモリ４１は、例えば、センサー１０を動作させる各種処理に利用される情報を記憶している。 The memory 41 is a non-volatile storage area (auxiliary storage device), and is, for example, a ROM (Read Only Memory), a flash memory, a HDD (Hard Disk Drive), or the like. The memory 41 stores, for example, information used for various processes for operating the sensor 10.

次に、回路４０の機能的な構成について図２を用いて説明する。 Next, the functional configuration of the circuit 40 will be described with reference to FIG.

図２は実施の形態１における回路およびメモリの機能的な構成を示すブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of the circuit and the memory according to the first embodiment.

回路４０は、複素伝達関数算出部４１０と、生体成分算出部４２０と、位置推定処理部４３０と、ＲＣＳ算出部４４０と、姿勢推定部４５０とを有する。 The circuit 40 includes a complex transfer function calculation unit 410, a biological component calculation unit 420, a position estimation processing unit 430, an RCS calculation unit 440, and a posture estimation unit 450.

複素伝達関数算出部４１０は、低周波信号に変換された受信信号から複素伝達関数を算出する。複素伝達関数とは、各送信アンテナ素子２１と各受信アンテナ素子３１との間の伝搬損失および位相回転を表すものである。複素伝達関数は、送信アンテナ素子数がＮ個であり、受信アンテナ素子数がＭ個の場合、Ｍ×Ｎの成分を持つ複素行列となる。以降、この複素行列を複素伝達関数行列と呼ぶ。推定した複素伝達関数行列は、生体成分算出部４２０に出力される。つまり、複素伝達関数算出部４１０は、Ｍ個の受信アンテナ素子３１のそれぞれにおいて所定期間で受信された複数の受信信号のそれぞれから、Ｎ個の送信アンテナ素子２１それぞれと、Ｍ個の受信アンテナ素子３１それぞれとの間の伝播特性を示す各複素伝達関数を成分とする、Ｎ×Ｍの第１行列を算出する。 The complex transfer function calculation unit 410 calculates a complex transfer function from the received signal converted into the low frequency signal. The complex transfer function represents a propagation loss and a phase rotation between each transmitting antenna element 21 and each receiving antenna element 31. The complex transfer function is a complex matrix having M × N components when the number of transmitting antenna elements is N and the number of receiving antenna elements is M. Hereinafter, this complex matrix is referred to as a complex transfer function matrix. The estimated complex transfer function matrix is output to the biological component calculation unit 420. That is, the complex transfer function calculation unit 410 receives the N transmit antenna elements 21 and the M receive antenna elements from each of the plurality of received signals received by the M receive antenna elements 31 in a predetermined period. The first matrix of N × M having each complex transfer function indicating the propagation characteristic with each of 31 as a component is calculated.

生体成分算出部４２０は、生体５０を経由した受信信号から得られた複素伝達関数行列成分と、生体５０を経由していない受信信号から得られた複素伝達関数行列成分とに分離する。生体５０を経由した成分とは、生体活動により時変動する成分である。よって、生体５０を経由した成分は、例えば、生体５０以外は静止しているものとした場合、複素伝達関数行列の成分を時間方向にフーリエ変換することで得られた成分から、直流以外の成分を取り出すことによって抽出することが可能である。また、生体５０を経由した成分は、例えば、生体５０が所定範囲に存在しないときに観測された結果との差分が所定の閾値を超えている成分を取り出すことによって抽出することも可能である。このように、生体成分算出部４２０は、生体５０を経由した反射信号を含む受信信号から得られた複素伝達関数行列成分を抽出することで、抽出した複素伝達関数行列成分を生体成分として算出する。つまり、生体成分算出部４２０は、第１行列における所定周波数範囲に対応する第２行列を抽出することで、生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれかを含むバイタル活動の影響を受けた成分に対応する第２行列を抽出する。所定周波数範囲は、例えば、上述した生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれかを含むバイタル活動に由来する周波数である。所定周波数範囲は、例えば、０．１Ｈｚ以上３Ｈｚ以下の範囲の周波数である。これにより、心臓、肺、横隔膜、内蔵の動きによる生体５０の部位のバイタル活動、または、手、足などによるバイタル活動の影響を受けた生体成分を抽出できる。なお、心臓、肺、横隔膜、内蔵の動きによる生体５０の部位とは、例えば、人のみぞおちである。 The biological component calculation unit 420 separates into a complex transfer function matrix component obtained from a received signal that has passed through the living body 50 and a complex transfer function matrix component obtained from a received signal that has not passed through the biological body 50. The component that has passed through the living body 50 is a component that changes with time due to biological activity. Therefore, for example, when components other than the living body 50 are stationary, the components passing through the living body 50 are components other than direct current from the components obtained by Fourier transforming the components of the complex transfer function matrix in the time direction. It is possible to extract by taking out. Further, the component that has passed through the living body 50 can be extracted by, for example, extracting a component whose difference from the result observed when the living body 50 does not exist in a predetermined range exceeds a predetermined threshold value. In this way, the biological component calculation unit 420 extracts the complex transfer function matrix component obtained from the received signal including the reflection signal that has passed through the living body 50, and calculates the extracted complex transfer function matrix component as the biological component. .. That is, the biological component calculation unit 420 extracts the second matrix corresponding to the predetermined frequency range in the first matrix, so that the component affected by vital activity including at least one of respiration, heartbeat, and body movement of the living body. The second matrix corresponding to is extracted. The predetermined frequency range is, for example, a frequency derived from the vital activity including at least one of the above-mentioned respiration, heartbeat, and body movement of the living body. The predetermined frequency range is, for example, a frequency in the range of 0.1 Hz to 3 Hz. As a result, it is possible to extract the vital component of the part of the living body 50 due to the movement of the heart, lungs, diaphragm, and internal organs, or the biological component affected by the vital activity of the hands, feet, and the like. Note that the heart, lungs, diaphragm, and the part of the living body 50 caused by the built-in movement are, for example, only humans.

ここで生体成分は、Ｍ×Ｎの成分を持つ行列であり、所定期間に受信アンテナ３０において観測された受信信号から得られる複素伝達関数から抽出される。このため、生体成分は、周波数応答あるいは時間応答情報を持っているものとする。なお、所定期間は、生体の呼吸、心拍、および、体動の少なくとも１つの周期の略半分の期間である。 Here, the biological component is a matrix having M × N components, and is extracted from the complex transfer function obtained from the reception signal observed at the reception antenna 30 in a predetermined period. Therefore, the biological component is assumed to have frequency response or time response information. The predetermined period is approximately half the cycle of at least one of breathing, heartbeat, and body movement of the living body.

生体成分算出部４２０で算出された生体成分は、位置推定処理部４３０に出力される。位置推定処理部４３０は、算出された生体成分を用いて生体の位置推定を行う。つまり、位置推定処理部４３０は、第２行列を用いて、センサー１０に対する生体５０の存在する位置を推定する。位置推定には、送信アンテナ２０からの出発角θ_Ｔと受信アンテナ３０への到来角θ_Ｒとの両方の角度を推定し、推定した出発角θ_Ｔおよび到来角θ_Ｒから三角法によって生体５０の位置を推定する。 The biological component calculated by the biological component calculation unit 420 is output to the position estimation processing unit 430. The position estimation processing unit 430 estimates the position of the living body using the calculated living body component. That is, the position estimation processing unit 430 estimates the position where the living body 50 exists with respect to the sensor 10 using the second matrix. For position estimation, both the departure angle θ _T from the transmitting antenna 20 and the arrival angle θ _R to the receiving antenna 30 are estimated, and the living body 50 is triangulated from the estimated departure angle θ _T and arrival angle θ _R. Estimate the position of.

ＲＣＳ算出部４４０は、生体成分と推定された位置とを用いて散乱断面積（ＲＣＳ：ＲａｄａｒＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ）を算出する。ＲＣＳ算出部４４０は、具体的には、散乱断面積を計算するために、推定された位置と、送信アンテナ２０の位置と、受信アンテナ３０の位置と、に基づいて、生体５０と送信アンテナ２０との距離を示す距離ＲＴ、および、生体５０と受信アンテナ３０との距離を示す距離ＲＲを算出する。ＲＣＳ算出部４４０は、算出した距離ＲＴおよび距離ＲＲから伝搬距離を算出し、算出した伝播距離と生体成分の強度とを用いてＲＣＳを算出する。なお、送信アンテナ２０の位置と、受信アンテナ３０の位置とは、メモリ４１に予め記憶されていてもよい。 The RCS calculator 440 calculates a scattering cross section (RCS: Radar Cross Section) using the biological component and the estimated position. Specifically, the RCS calculator 440 calculates the scattering cross section based on the estimated position, the position of the transmitting antenna 20, and the position of the receiving antenna 30, based on the living body 50 and the transmitting antenna 20. A distance RT indicating the distance between the living body 50 and the receiving antenna 30 is calculated. The RCS calculator 440 calculates the propagation distance from the calculated distance RT and the calculated distance RR, and calculates the RCS using the calculated propagation distance and the intensity of the biological component. The position of the transmitting antenna 20 and the position of the receiving antenna 30 may be stored in the memory 41 in advance.

姿勢推定部４５０は、ＲＣＳ算出部４４０により算出されたＲＣＳ値と、メモリ４１に記憶されている、ＲＣＳ値および生体５０の姿勢の対応関係を示す情報４２と、を用いて、生体５０の姿勢を推定する。なお、メモリ４１に記憶されているＲＣＳ値および生体５０の姿勢の対応関係を示す情報４２とは、図３に示すように、仰臥、胡坐、椅座および直立で示される各姿勢に予め対応付けられたＲＣＳ値の範囲を示す情報である。なお、仰臥は、仰向けの姿勢を示し、椅座は、椅子に座っている姿勢を示す。 The posture estimation unit 450 uses the RCS value calculated by the RCS calculation unit 440 and the information 42 indicating the correspondence relationship between the RCS value and the posture of the living body 50 stored in the memory 41, and the posture of the living body 50. To estimate. The information 42 indicating the correspondence between the RCS value and the posture of the living body 50 stored in the memory 41 is associated in advance with the postures of supine, crossed seat, chair and upright, as shown in FIG. It is information indicating the range of the obtained RCS value. The supine position indicates a supine position, and the chair seat indicates a sitting position on a chair.

例えば、仰臥は、第１ＲＣＳ範囲と対応付けられており、胡坐は、第２ＲＣＳ範囲と対応付けられており、椅座は、第３ＲＣＳ範囲と対応付けられており、直立は、第４ＲＣＳ範囲と対応付けられている。なお、第１ＲＣＳ範囲〜第４ＲＣＳ範囲は、それぞれ、異なるＲＣＳ値の範囲である。 For example, supine is associated with the first RCS range, crossed seat is associated with the second RCS range, chair is associated with the third RCS range, and upright is associated with the fourth RCS range. It is attached. The first RCS range to the fourth RCS range are ranges of different RCS values.

次に実施の形態１のセンサー１０の動作原理の詳細を、数式を用いて説明する。なおここでは、フーリエ変換を用いて生体成分を抽出する方法について示す。ここで説明する処理は、回路４０により行われる。送信アンテナ２０と受信アンテナ３０との間の複素伝達関数行列を、

と定義する。ここでｔは時刻を表す。式１の各成分をフーリエ変換すると、

のような周波数応答行列が得られる。ここでｆは周波数を表しており、周波数応答行列の各成分は複素数である。この周波数応答行列には、生体５０を経由する伝搬成分と、生体５０以外を経由する伝搬成分との両方が含まれている。生体以外が静止していると考えられる場合、周波数応答行列の直流成分、すなわちＧ（０）は生体以外の伝搬成分を主として含んでいるものと考えられる。これは、生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれかを含むバイタル活動によってドップラーシフトが発生するため、生体を経由する成分はｆ＝０以外に含まれると考えられるからである。さらに、生体の呼吸または心拍の周波数およびその高調波を考えると、ｆ＜３〔Ｈｚ〕の範囲に生体由来の成分が多く存在するものと考えられる。したがって、例えば０〔Ｈｚ〕＜ｆ＜３〔Ｈｚ〕の所定周波数範囲のＧ（ｆ）を取り出せば、生体成分を効果的に抽出することができる。 Next, details of the operating principle of the sensor 10 of the first embodiment will be described using mathematical expressions. In addition, here, a method of extracting a biological component using Fourier transform will be described. The process described here is performed by the circuit 40. The complex transfer function matrix between the transmitting antenna 20 and the receiving antenna 30 is

It is defined as. Here, t represents time. By Fourier transforming each component of Equation 1,

A frequency response matrix such as Here, f represents a frequency, and each element of the frequency response matrix is a complex number. This frequency response matrix includes both the propagation component passing through the living body 50 and the propagation component passing through other than the living body 50. When the body other than the living body is considered to be stationary, it is considered that the DC component of the frequency response matrix, that is, G (0) mainly contains the propagation component other than the living body. This is because the Doppler shift occurs due to vital activity including at least one of respiration, heartbeat, and body movement of the living body, and it is considered that the components passing through the living body are included in other than f = 0. Further, considering the frequency of respiratory or heartbeat of the living body and its harmonics, it is considered that a large number of components derived from the living body exist within the range of f <3 [Hz]. Therefore, for example, if G (f) in a predetermined frequency range of 0 [Hz] <f <3 [Hz] is taken out, the biological component can be effectively extracted.

次に生体成分Ｇ（ｆ）を用いた生***置推定方法について説明する。生体成分行列Ｇ（ｆ）を、

のようにベクトル形式に並び替える。これを生体成分ベクトルと定義する。ここで｛・｝^Ｔは転置を表す。生体成分ベクトルｇ（ｆ）から相関行列を、

によって計算する。ここで、｛・｝^Ｈは複素共役転置を表す。さらにＲは０〔Ｈｚ〕＜ｆ＜３〔Ｈｚ〕の間で平均化されている。この平均化によって、後述の位置推定精度が向上することが知られている。次に、算出した相関行列Ｒを固有値分解することで、当該相関行列Ｒの固有ベクトルＵとその複素共役転置ベクトルＵ^Ｈを算出する。 Next, a living body position estimating method using the living body component G (f) will be described. The biological component matrix G (f) is

Rearrange to vector format like. This is defined as a biological component vector. Here, {•} ^T represents transposition. The correlation matrix is derived from the biological component vector g (f),

Calculate by Here, {·} ^H represents a complex conjugate transpose. Further, R is averaged between 0 [Hz] <f <3 [Hz]. It is known that this averaging improves the position estimation accuracy described later. Then, the calculated correlation matrix R by eigenvalue decomposition to calculate the eigenvector U and its complex conjugate transposed vector U ^H of the correlation matrix R.

なお、式５における、固有ベクトルは、以下に示す式６で表される。 In addition, the eigenvector in the equation 5 is represented by the following equation 6.

ここで、ｕ_ｉはｉ列目の固有ベクトルを表しており、要素数はＮＭである。Ｄは対角要素が固有値である対角行列であり、

と表される。ここで、ｄｉａｇ［・］とは［・］内の要素を対角項に持つ対角行列を表す。回路４０は、以上の情報を用いて、検出対象となる生体５０の位置推定を行う。ここでは一例としてＭＵＳＩＣ法に基づく位置推定方法について説明する。ＭＵＳＩＣ法ではステアリングベクトルと呼ばれる方向ベクトルと式６で示した固有ベクトルとを用いることによって方向や位置を推定する方法である。式３で示した生体成分ベクトルは、本来のＭ×Ｎ行列を変形して得られる。生体５０の位置推定を行うためには、これに対応してステアリングベクトルを定義する必要がある。送信アンテナ２０の第１基準方向から出発角θ_Ｔの第１生体方向のステアリングベクトルと、受信アンテナ３０の第２基準方向から到来角θ_Ｒの第２生体方向のステアリングベクトルとは、それぞれ、

と表される。ここで、ｋは波数を表し、ｄはアンテナアレーの各アンテナ素子の素子間隔を表す。なお、本実施の形態では素子間隔が一定のリニアアレーアンテナを想定している。ｄは、例えば、送信アンテナ２０においては、複数の送信アンテナ素子２１のうち互いに隣接する２つの送信アンテナ素子２１の間隔を表す。また、ｄは、受信アンテナ３０においては、複数の受信アンテナ素子３１のうち互いに隣接する２つの受信アンテナ素子３１の間隔を表す。これらのステアリングベクトルのクロネッカ積を求めると、 Here, u _i represents the eigenvector of the _i- th column, and the number of elements is NM. D is a diagonal matrix whose diagonal elements are eigenvalues,

Is expressed as Here, diag [•] represents a diagonal matrix having elements in [•] as diagonal terms. The circuit 40 estimates the position of the living body 50 to be detected using the above information. Here, a position estimation method based on the MUSIC method will be described as an example. The MUSIC method is a method of estimating a direction and a position by using a direction vector called a steering vector and the eigenvector shown in Expression 6. The biological component vector shown in Expression 3 is obtained by modifying the original M × N matrix. In order to estimate the position of the living body 50, it is necessary to define the steering vector correspondingly. The steering vector of the transmitting antenna 20 in the first living body direction with a departure angle θ _T from the first reference direction and the steering vector of the receiving antenna 30 in the second living body direction with an arrival angle θ _R from the second reference direction are respectively

Is expressed as Here, k represents the wave number, and d represents the element interval of each antenna element of the antenna array. In this embodiment, a linear array antenna with a constant element spacing is assumed. For example, in the transmitting antenna 20, d represents the distance between two transmitting antenna elements 21 adjacent to each other among the plurality of transmitting antenna elements 21. Further, d represents the distance between two receiving antenna elements 31 adjacent to each other among the plurality of receiving antenna elements 31 in the receiving antenna 30. If we find the Kronecker product of these steering vectors,

となる。ここで

はクロネッカ積を表す演算子である。ａ（θ_Ｔ，θ_Ｒ）は、ＭＮ×１の要素を持つベクトルであり、出発角θ_Ｔと到来角θ_Ｒとの２変数を持つ関数となる。以降、ａ（θ_Ｔ，θ_Ｒ）をステアリングベクトルと定義する。検出範囲内に存在する生体の数をＬとすると、評価関数

によって生***置を特定する。ここで、式１１の評価関数はＭＵＳＩＣスペクトラムと呼ばれており、送信アンテナ２０および受信アンテナ３０のそれぞれから検出対象へ向かう方向の組み合わせ（θ_Ｔ，θ_Ｒ）において極大を取る。極大に対応するθ_Ｔおよびθ_Ｒから、三角法を用いて検出対象である生体５０の位置を特定できる。ここで、Ｌは検出対象の数を表す。つまり、固有ベクトルの数ＭＮは検出対象の数Ｌより大きい必要がある。

Becomes here

Is an operator representing the Kronecker product. a (θ _T , θ _R ) is a vector having MN × 1 elements, and is a function having two variables of the departure angle θ _T and the arrival angle θ _R. Hereinafter, a (θ _T , θ _R ) is defined as a steering vector. Let L be the number of living organisms existing in the detection range, and the evaluation function

The body position is specified by. Here, the evaluation function of Expression 11 is called the MUSIC spectrum, and takes a maximum in the combination (θ _T , θ _R ) of the directions from the transmitting antenna 20 and the receiving antenna 30 toward the detection target. From θ _T and θ _R corresponding to the maximum, the position of the living body 50 to be detected can be specified by using the trigonometry. Here, L represents the number of detection targets. That is, the number MN of eigenvectors needs to be larger than the number L of detection targets.

更に式１２よりＲＣＳ値を求め、生体５０の位置およびＲＣＳ値により生体５０の姿勢を推定する。前述の抽出する周波数範囲をｆ１〜ｆ２（ｆ１＜ｆ２）とすると、生体から反射され観測されるチャネル成分から電力の伝達係数を求めると、

と計算することができる。ここでρｉｊは行列

の（ｉ，ｊ）番目の要素を表している。一方、ｊ番目の送信アンテナ素子２１から生体５０を経由してｉ番目の受信アンテナ素子３１に到達する電力は、

と表される。ここで、Ｐｔは、送信電力を表す。なお、全ての送信アンテナ素子２１から等しい電力が送信されているものとする。Ｇｔは送信アンテナ２０の動作利得を表し、Ｇｒは受信アンテナ３０の動作利得を表し、ｒ１は送信アンテナ２０から生体５０までの距離を表し、ｒ２は生体５０から受信アンテナ３０までの距離を表す。距離ｒ１および距離ｒ２は式１１により推定した位置から容易に計算することができる。すると、式１２で定義される電力伝達係数は、ρｉｊ＝Ｐｒｉｊ／Ｐｔで表されるので、散乱断面積は、

により計算することができる。なお、ここで取り扱う散乱断面積では、生体５０全体の散乱断面積ではなく、呼吸、心拍、体動などの生体５０のバイタル活動の影響を受けることにより生じた変動成分に対応する散乱面積だけが考慮されている。さらに、全要素を平均して

によって平均散乱断面積を求める。以降、

を単に散乱断面積と呼称する。 Further, the RCS value is obtained from Expression 12, and the posture of the living body 50 is estimated from the position of the living body 50 and the RCS value. Assuming that the frequency range to be extracted is f1 to f2 (f1 <f2), the transfer coefficient of power is calculated from the channel component reflected and observed from the living body.

Can be calculated. Where ρij is a matrix

Represents the (i, j) th element of. On the other hand, the electric power that reaches the i-th receiving antenna element 31 from the j-th transmitting antenna element 21 via the living body 50 is

Is expressed as Here, Pt represents transmission power. It is assumed that equal power is transmitted from all the transmitting antenna elements 21. Gt represents the operating gain of the transmitting antenna 20, Gr represents the operating gain of the receiving antenna 30, r1 represents the distance from the transmitting antenna 20 to the living body 50, and r2 represents the distance from the living body 50 to the receiving antenna 30. The distance r1 and the distance r2 can be easily calculated from the position estimated by Expression 11. Then, the power transfer coefficient defined by Equation 12 is represented by ρij = Prij / Pt, and therefore the scattering cross section is

Can be calculated by In addition, in the scattering cross section treated here, not only the scattering cross section of the whole living body 50 but only the scattering area corresponding to the fluctuation component generated by being affected by the vital activity of the living body 50 such as respiration, heartbeat, and body movement. Is being considered. Furthermore, averaging all elements

The average scattering cross section is calculated by. Or later,

Is simply referred to as the scattering cross section.

なお、例えば、生体のバイタル成分と体動成分とをさらに分離して測定する場合、式１２の周波数範囲を調整し、その後の処理を行えば良い事は言うまでもない。 Needless to say, for example, when the vital component and the body motion component of the living body are further separated and measured, the frequency range of Expression 12 may be adjusted and the subsequent processing may be performed.

次に、実施の形態１におけるセンサー１０の動作についてフローチャートを用いて説明する。 Next, the operation of the sensor 10 according to the first embodiment will be described using a flowchart.

図４は、実施の形態１におけるセンサーの動作の一例を示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart showing an example of the operation of the sensor in the first embodiment.

センサー１０では、送信アンテナ２０のＮ個の送信アンテナ素子２１が、生体５０が存在しうる所定範囲に対してＮ個の送信アンテナ素子２１を用いてＮ個の送信信号を送信する（Ｓ１１）。 In the sensor 10, the N transmission antenna elements 21 of the transmission antenna 20 transmit N transmission signals using the N transmission antenna elements 21 in a predetermined range in which the living body 50 can exist (S11).

受信アンテナ３０のＭ個の受信アンテナ素子３１が送信アンテナ２０により送信されたＮ個の送信信号が生体５０により反射された複数の反射信号を含むＮ個の受信信号を受信する（Ｓ１２）。 The M reception antenna elements 31 of the reception antenna 30 receive N reception signals including a plurality of reflected signals in which the N transmission signals transmitted by the transmission antenna 20 are reflected by the living body 50 (S12).

回路４０は、Ｍ個の受信アンテナ素子３１のそれぞれにおいて所定期間で受信されたＮ個の受信信号のそれぞれから、Ｎ個の送信アンテナ素子２１それぞれと、Ｍ個の受信アンテナ素子３１それぞれとの間の伝播特性を示す各複素伝達関数を成分とする、Ｎ×Ｍの第１行列を算出する（Ｓ１３）。 The circuit 40 is arranged between each of the N transmitting antenna elements 21 and each of the M receiving antenna elements 31 from each of the N received signals received in each of the M receiving antenna elements 31 in a predetermined period. The first matrix of N × M having each complex transfer function indicating the propagation characteristic of is as a component is calculated (S13).

回路４０は、第１行列における所定周波数範囲に対応する第２行列を抽出することで、生体５０の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれかを含むバイタル活動の影響を受けた成分に対応する第２行列を抽出する（Ｓ１４）。 The circuit 40 extracts the second matrix corresponding to the predetermined frequency range in the first matrix, and thereby the second matrix corresponding to the component affected by the vital activity including at least one of respiration, heartbeat, and body movement of the living body 50. Two matrices are extracted (S14).

回路４０は、第２行列を用いて、センサー１０に対する生体５０の存在する位置を推定する（Ｓ１５）。 The circuit 40 estimates the position where the living body 50 exists with respect to the sensor 10 using the second matrix (S15).

回路４０は、推定した位置と、送信アンテナ２０の位置と、受信アンテナ３０の位置と、に基づいて、生体５０と送信アンテナ２０との距離を示す距離ｒ１、および、生体５０と受信アンテナ３０との距離を示す距離ｒ２を算出する（Ｓ１６）。 The circuit 40, based on the estimated position, the position of the transmitting antenna 20, and the position of the receiving antenna 30, the distance r1 indicating the distance between the living body 50 and the transmitting antenna 20, and the living body 50 and the receiving antenna 30. The distance r2 indicating the distance is calculated (S16).

回路４０は、第１距離および第２距離を用いて、生体５０に対するＲＣＳ値を算出する（Ｓ１７）。 The circuit 40 calculates the RCS value for the living body 50 using the first distance and the second distance (S17).

回路４０は、算出されたＲＣＳ値と、メモリ４１に記憶されている、ＲＣＳ値および生体５０の姿勢の対応関係を示す情報４２と、を用いて、生体５０の姿勢を推定する（Ｓ１８）。 The circuit 40 estimates the posture of the living body 50 using the calculated RCS value and the information 42 stored in the memory 41 and indicating the correspondence between the RCS value and the posture of the living body 50 (S18).

本実施の形態に係るセンサー１０によれば、生体５０が存在する位置および当該位置における生体の姿勢の推定を短時間かつ高精度に行うことができる。 With the sensor 10 according to the present embodiment, the position where the living body 50 exists and the posture of the living body at the position can be estimated in a short time and with high accuracy.

センサー１０は、動いている部位を検出することで、生体５０の存在を検出する。このため、例えば、これを利用することにより、ヒトが生きている状態で、かつ、直立、椅座、胡坐、および、仰臥のいずれの姿勢であるかを推定できる。これにより、ヒトの生存確認を効果的に行うことができる。また、カメラで撮像した画像を画像解析することなくヒトの生存確認を行うことができるため、ヒトのプライバシーを保護した状態で、ヒトの生存確認を行うことができる。 The sensor 10 detects the presence of the living body 50 by detecting a moving part. Therefore, for example, by using this, it is possible to estimate whether the human being is alive and is in an upright posture, a sitting posture, a crossed posture, or a supine posture. This allows effective confirmation of human survival. Further, since it is possible to confirm the existence of the human without analyzing the image captured by the camera, it is possible to confirm the existence of the human while protecting the privacy of the human.

（実施の形態２）
図５は実施の形態２におけるセンサーの構成の一例を示すブロック図である。図６は実施の形態２における回路およびメモリの機能的な構成を示すブロック図である。 (Embodiment 2)
FIG. 5 is a block diagram showing an example of the configuration of the sensor according to the second embodiment. FIG. 6 is a block diagram showing a functional configuration of a circuit and a memory according to the second embodiment.

実施の形態２におけるセンサー１０Ａは、実施の形態１におけるセンサー１０と比較して、送信アンテナ２０Ａが有するＮ個の送信アンテナ素子２１Ａ、および、受信アンテナ３０Ａが有するＭ個の受信アンテナ素子３１Ａの配置の仕方が異なる。また、ＮおよびＭは、それぞれ、３以上の自然数である点も異なる。 The sensor 10A according to the second embodiment is different from the sensor 10 according to the first embodiment in that N transmitting antenna elements 21A included in the transmitting antenna 20A and M receiving antenna elements 31A included in the receiving antenna 30A are arranged. The way is different. Also, N and M are different in that they are natural numbers of 3 or more.

送信アンテナ２０Ａは、Ｎ個の送信アンテナ素子２１Ａを有する。送信アンテナ２０Ａは、水平方向（ｘ方向）にＮ_ｘ個が並び、かつ、鉛直方向（ｚ方向）にＮ_ｚ個が並ぶように矩形配置された、Ｎ個（Ｎ＝Ｎ_ｘ×Ｎ_ｚ）の送信アンテナ素子２１Ａで構成されるアレーアンテナを有する。つまり、Ｎ個の送信アンテナ素子２１Ａのうち少なくとも３個の送信アンテナ素子２１Ａは、鉛直方向および水平方向の異なる位置に配置されている。 The transmitting antenna 20A has N transmitting antenna elements 21A. Transmitting antenna 20A is lined _{N x} pieces in the horizontal direction (x-direction), and vertical direction _{N z} number in (z direction) is rectangular arranged side by side, N number _{_{(N = N x × N z}} ) It has an array antenna composed of the transmitting antenna element 21A. That is, at least three transmission antenna elements 21A among the N transmission antenna elements 21A are arranged at different positions in the vertical direction and the horizontal direction.

受信アンテナ３０Ａは、Ｍ個の受信アンテナ素子３１Ａを有する。受信アンテナ３０Ａは、水平方向（ｘ方向）にＭ_ｘ個が並び、かつ、鉛直方向（ｚ方向）にＭ_ｚ個が並ぶように矩形配置された、Ｍ個（Ｍ＝Ｍ_ｘ×Ｍ_ｚ）の受信アンテナ素子３１Ａで構成されるアレーアンテナを有する。つまり、Ｍ個の受信アンテナ素子３１Ａのうち少なくとも３個の受信アンテナ素子３１Ａは、鉛直方向および水平方向の異なる位置に配置されている。 The receiving antenna 30A has M receiving antenna elements 31A. Receiving antenna 30A is lined _{M x} pieces in the horizontal direction (x-direction), and, _{M z} pieces in the vertical direction (z-direction) is rectangular arranged side by side, M pieces _{_{(M = M x × M z}} ) It has an array antenna composed of the receiving antenna element 31A. That is, at least three receiving antenna elements 31A among the M receiving antenna elements 31A are arranged at different positions in the vertical direction and the horizontal direction.

ここで、送信アンテナ２０Ａに対して任意に設定された水平面上の方向である第１基準方向と、送信アンテナ２０Ａから生体５０Ａへの方向である第１生体方向とのなす角をφ_Ｔとする。また、鉛直方向と、第１生体方向との為す角である生体５０Ａの仰角をθ_Ｔとする。また、受信アンテナ３０Ａに対して任意に設定された水平面上の方向である第２基準方向と、受信アンテナ３０Ａから生体５０Ａへの方向である第２生体方向との為す角である生体５０Ａの仰角をφ_Ｒとする。また、鉛直方向と、第２生体方向とのなす角をθ_Ｒとする。生体５０Ａがバイタル活動を行っている部位の中心座標を（ｘ_ｂ，ｙ_ｂ，ｚ_ｂ）とすると、送信アンテナ２０Ａ、受信アンテナ３０Ａおよび生体５０Ａの位置関係によって、方向（θ_Ｔ，θ_Ｒ，φ_Ｔ，φ_Ｒ）と座標（ｘ_ｂ，ｙ_ｂ，ｚ_ｂ）は相互に変換可能である。 Here, the angle between the first reference direction that is a direction on the horizontal plane that is arbitrarily set with respect to the transmitting antenna 20A and the first living body direction that is the direction from the transmitting antenna 20A to the living body 50A is φ _T. .. Further, the elevation angle of the living body 50A, which is the angle formed by the vertical direction and the first living body direction, is set to θ _T. Further, the elevation angle of the living body 50A, which is the angle formed by the second reference direction that is a direction on the horizontal plane that is arbitrarily set with respect to the receiving antenna 30A and the second living body direction that is the direction from the receiving antenna 30A to the living body 50A. Be φ _R. Further, the angle formed by the vertical direction and the second living body direction is defined as θ _R. The center coordinates of the site where biological 50A is performing a vital activities _{_{_{(x b, y b, z}}} b) When, by the positional relationship of the transmitting antenna 20A, the reception antenna 30A and biological 50A, the direction (θ _T, θ _R, φ _T , φ _R ) and coordinates (x _b , y _b , z _b ) can be converted to each other.

また、センサー１０Ａは、センサー１０と比較して、回路４０Ａが行う処理が異なる。生体５０Ａは、例えば、高さｚ_ｂにて周囲と比べて最も強くバイタル活動を行っている生体である。生体５０Ａは、例えば、呼吸による体表面変位が最も大きい腹部を有する。本実施の形態におけるセンサー１０Ａでは、実施の形態１におけるセンサー１０で推定する水平面における生体５０の位置に加えて、生体５０Ａの例えば腹部の鉛直方向における位置である鉛直位置ｚｂ（ｚ軸方向の位置）である高さを含む３次元位置を推定する。つまり、本実施の形態のセンサー１０Ａの回路４０Ａは、実施の形態１の回路４０の位置推定処理部４３０の代わりに、上記３次元位置を推定する処理を行う、３次元位置推定処理部４３０Ａを有する。 Further, the sensor 10A differs from the sensor 10 in the processing performed by the circuit 40A. The living body 50A is, for example, a living body that performs the vital activity most strongly than the surroundings at the height z _b . The living body 50A has, for example, an abdomen where the body surface displacement due to respiration is the largest. In the sensor 10A according to the present embodiment, in addition to the position of the living body 50 on the horizontal plane estimated by the sensor 10 according to the first embodiment, for example, the vertical position zb (the position in the z-axis direction) that is the position of the living body 50A in the vertical direction of the abdomen. ) Estimate a three-dimensional position that includes the height. That is, the circuit 40A of the sensor 10A according to the present embodiment includes a three-dimensional position estimation processing unit 430A that performs the process of estimating the three-dimensional position, instead of the position estimation processing unit 430 of the circuit 40 according to the first embodiment. Have.

また、センサー１０Ａは、センサー１０と比較して、メモリ４１に記憶されている対応関係を示す情報４２Ａが異なる。本実施の形態において、メモリ４１に記憶されているＲＣＳ値および生体５０の姿勢の対応関係を示す情報４２Ａとは、図７に示すように、仰臥、胡坐、椅座および直立で示される各姿勢に予め対応付けられたＲＣＳ値の範囲および高さの範囲を示す情報である。例えば、仰臥は、第１ＲＣＳ範囲および第１高さ範囲と対応付けられており、胡坐は、第２ＲＣＳ範囲および第２高さ範囲と対応付けられており、椅座は、第３ＲＣＳ範囲および第３高さ範囲と対応付けられており、直立は、第４ＲＣＳ範囲および第４高さ範囲と対応付けられている。なお、第１ＲＣＳ範囲〜第４ＲＣＳ範囲は、それぞれ異なるＲＣＳ値の範囲である。また、第１高さ範囲〜第４高さ範囲は、それぞれことなる高さの範囲である。 Further, the sensor 10A differs from the sensor 10 in the information 42A indicating the correspondence relationship stored in the memory 41. In the present embodiment, the information 42A indicating the correspondence relationship between the RCS value stored in the memory 41 and the posture of the living body 50 is, as shown in FIG. 7, each of the postures of supine, crossed seat, chair sitting and upright. Is information indicating a range of RCS values and a range of heights that are associated in advance with. For example, the supine is associated with the first RCS range and the first height range, the crossed leg is associated with the second RCS range and the second height range, and the seat is the third RCS range and the third RCS range. It is associated with the height range, and the upright is associated with the fourth RCS range and the fourth height range. The first RCS range to the fourth RCS range are ranges of different RCS values. The first height range to the fourth height range are ranges of different heights.

センサー１０Ａのその他の構成は、センサー１０と同じであるため、当該構成については、実施の形態１と同一の符号を付してその説明を省略する。 Since the other configurations of the sensor 10A are the same as those of the sensor 10, the same reference numerals as those in the first embodiment are attached to the configurations, and the description thereof will be omitted.

本実施の形態のセンサー１０Ａは、実施の形態１におけるセンサー１０で推定する、水平面における生体５０の位置に加えて、鉛直方向における生体５０の位置である鉛直位置を推定する。 The sensor 10A according to the present embodiment estimates the vertical position, which is the position of the living body 50 in the vertical direction, in addition to the position of the living body 50 on the horizontal plane estimated by the sensor 10 according to the first embodiment.

次に実施の形態２のセンサー１０Ａの動作原理の詳細を、数式を用いて説明する。式１から式４までは、実施の形態１と同様な処理を行い、式４によって生体成分から相関行列

を得る。Ｒは実施の形態１と同様に０〔Ｈｚ〕＜ｆ＜３〔Ｈｚ〕の間で平均化されている。 Next, details of the operating principle of the sensor 10A according to the second embodiment will be described using mathematical expressions. Expressions 1 to 4 are processed in the same manner as in Embodiment 1, and the correlation matrix from the biological component is calculated by Expression 4.

To get R is averaged between 0 [Hz] <f <3 [Hz] as in the first embodiment.

次に、式５と同様に算出した相関行列Ｒを固有値分解することで

および

を計算する。以降では、ＭＵＳＩＣ法を用いた高さ方向を含む位置推定方法について説明する。送信アンテナ２０Ａから生体５０Ａへ向かう（θＴ、φＴ）方向を示すステアリングベクトルと、受信アンテナ３０Ａから生体５０Ａへ向かう（θＲ、φＲ）方向を示すステアリングベクトルとは、それぞれ、

と表される。ここで、

と表される。ここで、ｋは波数を表し、ｄ_Ｔｘおよびｄ_Ｔｚはそれぞれ送信アンテナ素子２１Ａのｘ方向およびｚ方向における素子間隔を表し、ｄ_Ｒｘおよびｄ_Ｒｚはそれぞれ受信アンテナ素子３１Ａのｘ方向およびｚ方向における素子間隔を表す。なお、本実施の形態では素子間隔が同一の方向においては一定のリニアアレーアンテナを想定している。 Next, by performing the eigenvalue decomposition on the correlation matrix R calculated in the same manner as Equation 5,

and

To calculate. Hereinafter, a position estimation method including a height direction using the MUSIC method will be described. The steering vector indicating the (θT, φT) direction from the transmitting antenna 20A to the living body 50A and the steering vector indicating the (θR, φR) direction from the receiving antenna 30A to the living body 50A are respectively

Is expressed as here,

Is expressed as Here, k represents the wave number, d _Tx and d _Tz respectively represent the element spacing in the x direction and the z direction of the transmitting antenna element 21A, and d _Rx and d _Rz respectively in the x direction and the z direction of the receiving antenna element 31A. Indicates the element spacing. In this embodiment, it is assumed that the linear array antenna has a constant element spacing in the same direction.

ｄ_Ｔｘは、例えば、複数の送信アンテナ素子２１Ａのうちｘ方向において互いに隣接する２つの送信アンテナ素子２１Ａの間隔を表す。ｄ_Ｔｚは、例えば、複数の送信アンテナ素子２１Ａのうちｚ方向において互いに隣接する２つの送信アンテナ素子２１Ａの間隔を表す。また、ｄ_Ｒｘは、例えば、複数の受信アンテナ素子３１Ａのうちｘ方向において互いに隣接する２つの受信アンテナ素子３１Ａの間隔を表す。また、ｄ_Ｒｚは、例えば、複数の受信アンテナ素子３１Ａのうちｚ方向において互いに隣接する２つの受信アンテナ素子３１Ａの間隔を表す。これらのステアリングベクトルのクロネッカ積を求めると、

となる。ステアリングベクトルａ（θ_Ｔ，φ_Ｔ，θ_Ｒ，φ_Ｒ）は、ＭＮ×１の要素を持つベクトルであり、出発角θＴ、φＴと到来角θＲ、φＲとの４変数を持つ関数となる。以降、ａ（θ_Ｔ，φ_Ｔ，θ_Ｒ，φ_Ｒ）をステアリングベクトルと定義する。検出範囲内に存在する生体の数をＬとすると、評価関数

によって生***置を特定する。実施の形態１と同様に、式２２のＭＵＳＩＣスペクトラムの極大点を探索することで、鉛直位置を含む、送信アンテナ２０Ａおよび受信アンテナ３０Ａから見た生体５０Ａの３次元位置を特定できる。 d _Tx represents, for example, the distance between two transmission antenna elements 21A that are adjacent to each other in the x direction among the plurality of transmission antenna elements 21A. d _Tz represents, for example, a distance between two transmission antenna elements 21A adjacent to each other in the z direction among the plurality of transmission antenna elements 21A. Further, d _Rx represents, for example, a distance between two receiving antenna elements 31A that are adjacent to each other in the x direction among the plurality of receiving antenna elements 31A. Further, d _Rz represents, for example, a distance between two receiving antenna elements 31A that are adjacent to each other in the z direction among the plurality of receiving antenna elements 31A. If we find the Kronecker product of these steering vectors,

Becomes The steering vector a (θ _T , φ _T , θ _R , φ _R ) is a vector having elements of MN × 1 and is a function having four variables of departure angles θT and φT and arrival angles θR and φR. Hereinafter, a (θ _T , φ _T , θ _R , φ _R ) is defined as a steering vector. Let L be the number of living organisms existing in the detection range, and the evaluation function

The body position is specified by. Similar to the first embodiment, by searching for the maximum point of the MUSIC spectrum of Expression 22, the three-dimensional position of the living body 50A including the vertical position viewed from the transmitting antenna 20A and the receiving antenna 30A can be specified.

なお、本実施の形態におけるセンサー１０Ａの動作の説明は、図４で説明したフローチャートのステップＳ１５の生体の位置の推定において、上記の３次元位置の推定を行うことで説明できるため省略する。 Note that the description of the operation of the sensor 10A in the present embodiment will be omitted because it can be explained by performing the above-described estimation of the three-dimensional position in the estimation of the position of the living body in step S15 of the flowchart described in FIG.

図８は、実施の形態２のセンサーの効果を確認するために実施した実験の概要を表す図である。 FIG. 8 is a diagram showing an outline of an experiment conducted for confirming the effect of the sensor of the second embodiment.

図８に示すように、送信アンテナ２０Ａは４×４＝１６の送信アンテナ素子２１Ａが配置されることで構成される方形アレーアンテナである。送信アンテナ素子２１Ａはパッチアンテナとする。受信アンテナ３０Ａは４×４＝１６の受信アンテナ素子３１Ａが配置されることで構成される方形アレーアンテナである。受信アンテナ素子３１Ａはパッチアンテナとする。送信アンテナ素子２１Ａおよび受信アンテナ素子３１Ａは、ともに、素子間隔が０．５波長で配置されている。 As shown in FIG. 8, the transmission antenna 20A is a rectangular array antenna configured by arranging 4 × 4 = 16 transmission antenna elements 21A. The transmitting antenna element 21A is a patch antenna. The receiving antenna 30A is a rectangular array antenna configured by arranging 4 × 4 = 16 receiving antenna elements 31A. The receiving antenna element 31A is a patch antenna. Both the transmitting antenna element 21A and the receiving antenna element 31A are arranged with an element spacing of 0.5 wavelength.

被検者は１名であり、直立、椅座（椅子に座った状態）、胡座（あぐら）、仰臥（仰向け）の４状態にて測定を行った。また、被験者の位置は（Ｘ，Ｙ）＝（５．０，１．０）ｍである。仰臥以外の姿勢では、被験者はアンテナ方向（Ｙ方向）を向いている。仰臥では、被験者はアンテナ方向（Ｙ方向）に足を向けている。実験１回につき約５秒間観測を行った。 There was one subject, and the measurement was performed in four states: upright, chair sitting (state sitting on a chair), cross-legged sitting (Agura), and supine (back to back). The position of the subject is (X, Y) = (5.0,1.0) m. In postures other than supine, the subject faces the antenna direction (Y direction). In the supine position, the subject turns his or her feet in the antenna direction (Y direction). Observation was performed for about 5 seconds per experiment.

図９は、図８で示した実験系を用いた実験結果を示す図である。図９において、横軸は推定された高さｚｂを示し、縦軸は算出した散乱断面積（ＲＣＳ：ＲａｄａｒＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ）を示す。 FIG. 9 is a diagram showing an experimental result using the experimental system shown in FIG. In FIG. 9, the horizontal axis represents the estimated height zb, and the vertical axis represents the calculated scattering cross section (RCS: Radar Cross Section).

図９に示すように、姿勢によって高さおよびＲＣＳ値が分布している領域が異なることが分かる。つまり、推定された高さおよび算出したＲＣＳ値から被験者の姿勢を推定できることが確認できる。例えば、図１０に示すように、対応関係を示す情報４２Ａを設定しておくことで、推定した３次元位置と、算出されたＲＣＳ値と、メモリ４１に記憶されている、対応関係を示す情報４２Ａと、を用いて、生体５０Ａが、直立、椅座、胡坐、および、仰臥のいずれの姿勢であるかを推定できる。なお、図１０は実験結果から得られた第１ＲＣＳ範囲〜第４ＲＣＳ範囲の具体例、および、第１高さ範囲〜第４高さ範囲の具体例を示す図である。なお、図１０の第１ＲＣＳ範囲〜第４ＲＣＳ範囲は、実施の形態１の対応関係を示す情報４２の第１ＲＣＳ範囲〜第４ＲＣＳ範囲にも適用可能である。 As shown in FIG. 9, it can be seen that the areas in which the height and the RCS value are distributed differ depending on the posture. That is, it can be confirmed that the posture of the subject can be estimated from the estimated height and the calculated RCS value. For example, as shown in FIG. 10, by setting the information 42A indicating the correspondence relationship, the estimated three-dimensional position, the calculated RCS value, and the information indicating the correspondence relationship stored in the memory 41. 42A and 42A can be used to estimate whether the living body 50A is in an upright posture, a sitting posture, a crossed posture, or a supine posture. In addition, FIG. 10 is a figure which shows the specific example of the 1st RCS range-4th RCS range and the specific example of the 1st height range-4th height range which were obtained from the experimental result. Note that the first RCS range to the fourth RCS range in FIG. 10 are also applicable to the first RCS range to the fourth RCS range of the information 42 indicating the correspondence relationship of the first embodiment.

本実施の形態に係るセンサー１０Ａによれば、生体５０が存在する３次元位置および当該位置における生体の姿勢の推定を短時間かつ高精度に行うことができる。 According to the sensor 10A according to the present embodiment, the three-dimensional position where the living body 50 exists and the posture of the living body at the position can be estimated in a short time and with high accuracy.

なお、上記各実施の形態において、各構成要素は、専用のハードウェアで構成されるか、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、ＣＰＵまたはプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスクまたは半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。ここで、上記各実施の形態のセンサー１０、１０Ａなどを実現するソフトウェアは、次のようなプログラムである。 In addition, in each of the above-described embodiments, each component may be configured by dedicated hardware, or may be realized by executing a software program suitable for each component. Each component may be realized by a program execution unit such as a CPU or a processor reading and executing a software program recorded in a recording medium such as a hard disk or a semiconductor memory. Here, the software that realizes the sensors 10 and 10A of the above-described embodiments is the following program.

すなわち、このプログラムは、コンピュータに、Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）の送信アンテナ素子を有する送信アンテナと、Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の受信アンテナ素子を有する受信アンテナと、回路と、メモリとを備えるセンサーによる推定方法であって、生体が存在しうる所定範囲に対してＮ個の送信アンテナ素子を用いてＮ個の送信信号を送信し、送信した前記Ｎ個の送信信号の一部の送信信号が前記生体により反射された反射信号を含むＮ個の受信信号を複数の受信アンテナ素子のそれぞれを用いて受信し、前記Ｍ個の受信アンテナ素子のそれぞれにおいて所定期間で受信された前記Ｎ個の受信信号のそれぞれから、前記Ｎ個の送信アンテナ素子それぞれと、前記Ｍ個の受信アンテナ素子それぞれとの間の伝搬特性を示す各複素伝達関数を成分とする、Ｎ×Ｍの第１行列を算出し、前記第１行列における所定周波数範囲に対応する第２行列を抽出することで、前記生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれかを含むバイタル活動の影響を受けた成分に対応する前記第２行列を抽出し、前記第２行列を用いて、前記センサーに対する前記生体の存在する位置を推定し、前記推定した位置と、前記送信アンテナの位置と、前記受信アンテナの位置と、に基づいて、前記生体と前記送信アンテナとの距離を示す第１距離、および、前記生体と前記受信アンテナとの距離を示す第２距離を算出し、前記第１距離および前記第２距離を用いて、前記生体に対するＲＣＳ（Radar cross-section）値を算出し、前記算出されたＲＣＳ値と、前記メモリに記憶されている、ＲＣＳ値および前記生体の姿勢の対応関係を示す情報と、を用いて、前記生体の姿勢を推定する、推定方法を実行させる。 That is, this program causes a computer to have a transmitting antenna having N (N is a natural number of 2 or more) transmitting antenna elements, a receiving antenna having M (M is a natural number of 2 or more) receiving antenna elements, and a circuit. And a memory, which is an estimation method using a sensor, wherein N transmission signals are transmitted using N transmission antenna elements to a predetermined range where a living body can exist, and the N transmission signals are transmitted. Of a plurality of reception antenna elements, each of which is a part of the transmission signal of which is reflected by the living body, is received by each of a plurality of reception antenna elements, and each of the M reception antenna elements receives a predetermined period. From each of the N received signals thus generated, N × M, each having a complex transfer function indicating a propagation characteristic between each of the N transmitting antenna elements and each of the M receiving antenna elements as a component, By calculating the first matrix of and extracting the second matrix corresponding to the predetermined frequency range in the first matrix, the influence of the vital activity including at least one of respiration, heartbeat, and body movement of the living body was received. The second matrix corresponding to the component is extracted, the position where the living body exists with respect to the sensor is estimated by using the second matrix, and the estimated position, the position of the transmitting antenna, and the position of the receiving antenna A first distance indicating the distance between the living body and the transmitting antenna, and a second distance indicating the distance between the living body and the receiving antenna are calculated based on the position and the first distance and the second distance. An RCS (Radar cross-section) value for the living body is calculated using the distance, and the calculated RCS value and information indicating the correspondence between the RCS value and the posture of the living body stored in the memory. , Are used to execute an estimation method for estimating the posture of the living body.

以上、本発明の一つまたは複数の態様に係るセンサー１０、１０Ａについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。 Although the sensors 10, 10A according to one or more aspects of the present invention have been described above based on the embodiment, the present invention is not limited to this embodiment. As long as it does not depart from the spirit of the present invention, various modifications made by those skilled in the art may be applied to the present embodiment, or a configuration constructed by combining components in different embodiments may be one or more of the present invention. It may be included in the range of the aspect.

上記実施の形態では、センサー１０、１０Ａは、生体が直立、椅座、胡坐、および、仰臥のいずれの姿勢であるかを推定するとしたが、これに限らない。例えば、生体が、送信アンテナ２０、２０Ａおよび受信アンテナ３０、３０Ａの並び方向に垂直な方向に対して正対している姿勢であるか否かを推定してもよい。具体的には、図１または図５におけるｙ方向に対して正対している姿勢であるか、ｙ方向に対して横向きの姿勢であるかを推定してもよい。例えば、ヒトがｙ方向に対して正対している場合、ｙ方向に対して正対していない場合と比較してＲＣＳ値が小さくなる。なお、ｙ方向に対して横向きの姿勢とは、ｘ方向に対して正対している姿勢である。 In the above-described embodiment, the sensors 10 and 10A estimate whether the living body is in the upright posture, the sitting posture, the crossed posture, or the supine posture, but the present invention is not limited to this. For example, it may be estimated whether or not the living body is in a posture in which it is directly facing the direction perpendicular to the arrangement direction of the transmitting antennas 20 and 20A and the receiving antennas 30 and 30A. Specifically, it may be estimated whether the posture is directly facing the y direction in FIG. 1 or FIG. 5 or the posture is lateral to the y direction. For example, when a person is facing the y direction, the RCS value is smaller than when the person is not facing the y direction. Note that a posture that is lateral to the y direction is a posture that is directly facing the x direction.

上記実施の形態１では、Ｎ個の送信アンテナ素子２１は、水平面上の第１所定方向に並んで配置され、かつ、Ｍ個の受信アンテナ素子３１は、水平面上の第２所定方向に並んで配置されるとしたが、これに限らない。つまり、第１所定方向および第２所定方向は、水平面上の方向に限らずに、例えば、鉛直方向を含む平面上の方向であってもよいし、水平面から傾いた平面上の方向であってもよい。この場合、回路４０は、第１所定方向および第２所定方向を含む平面上における生体の位置を推定することとなる。 In the first embodiment, the N transmitting antenna elements 21 are arranged side by side in the first predetermined direction on the horizontal plane, and the M receiving antenna elements 31 are arranged side by side in the second predetermined direction on the horizontal plane. Although it is supposed to be arranged, it is not limited to this. That is, the first predetermined direction and the second predetermined direction are not limited to the directions on the horizontal plane, but may be directions on a plane including the vertical direction, or directions on a plane inclined from the horizontal plane. Good. In this case, the circuit 40 will estimate the position of the living body on the plane including the first predetermined direction and the second predetermined direction.

本発明は、無線信号を利用した動体の方向や位置を推定するセンサーおよび推定方法に利用できる。特に、生体と機械を含む動体の方向や位置を測定する測定器、動体の方向や位置に応じた制御を行う家電機器、動体の侵入を検知する監視装置などに搭載される方向推定方法、方向推定方法，位置推定方法および散乱断面積を用いた高々推定装置に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention can be utilized for the sensor and estimation method which estimate the direction and position of a moving body using a radio signal. In particular, measuring devices that measure the direction and position of moving bodies, including living organisms and machines, home appliances that control according to the direction and position of moving bodies, direction estimation methods and directions that are installed in monitoring devices that detect intrusion of moving bodies, etc. It can be used in estimation methods, position estimation methods, and at most estimation devices that use scattering cross sections.

１０、１０Ａセンサー
２０、２０Ａ送信アンテナ
２１、２１Ａ送信アンテナ素子
３０、３０Ａ受信アンテナ
３１、３１Ａ受信アンテナ素子
４０、４０Ａ回路
４１メモリ
４２、４２Ａ対応関係を示す情報
５０、５０Ａ生体
４１０複素伝達関数算出部
４２０生体成分算出部
４３０位置推定処理部
４３０Ａ３次元位置推定処理部
４４０ＲＣＳ算出部
４５０姿勢推定部 10, 10A sensor 20, 20A transmitting antenna 21, 21A transmitting antenna element 30, 30A receiving antenna 31, 31A receiving antenna element 40, 40A circuit 41 memory 42, 42A information indicating correspondence 50, 50A biological body 410 complex transfer function calculator 420 biometric component calculation unit 430 position estimation processing unit 430A three-dimensional position estimation processing unit 440 RCS calculation unit 450 posture estimation unit

Claims

推定装置であって、
前記推定装置が備えるプロセッサが、
生体が存在しうる所定範囲に対して送信信号をそれぞれが送信するＮ個（Ｎは２以上の自然数）の送信アンテナ素子により送信された前記Ｎ個の送信信号のうちの一部の送信信号が前記生体により反射された反射信号を含み、Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の受信アンテナ素子のそれぞれにより受信されたＮ個の受信信号を取得し、
前記Ｍ個の受信アンテナ素子のそれぞれにおいて所定期間で受信された前記Ｎ個の受信信号のそれぞれから、前記Ｎ個の送信アンテナ素子それぞれと、前記Ｍ個の受信アンテナ素子それぞれとの間の伝搬特性を示す各複素伝達関数を成分とする、Ｎ×Ｍの第１行列を算出し、
前記第１行列における所定周波数範囲に対応する第２行列を抽出することで、前記生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれかを含むバイタル活動の影響を受けた成分に対応する前記第２行列を抽出し、
前記第２行列を用いて、前記Ｎ個の送信アンテナ素子および前記Ｍ個の受信アンテナ素子に対する前記生体の存在する位置を推定し、
前記推定した位置と、前記Ｎ個の送信アンテナ素子を有する送信アンテナの位置と、前記Ｍ個の受信アンテナ素子を有する受信アンテナの位置と、に基づいて、前記生体と前記送信アンテナとの距離を示す第１距離、および、前記生体と前記受信アンテナとの距離を示す第２距離を算出し、
前記第１距離および前記第２距離を用いて、前記生体に対するＲＣＳ（Radar cross-section）値を算出し、
前記算出されたＲＣＳ値と、前記推定装置が備えるメモリに記憶されている、ＲＣＳ値および前記生体の姿勢の対応関係を示す情報と、を用いて、前記生体の姿勢を推定する、
推定装置。 An estimator,
The processor provided in the estimation device,
A part of the transmission signals of the N transmission signals transmitted by the N (N is a natural number of 2 or more) transmission antenna elements, each of which transmits a transmission signal in a predetermined range in which a living body can exist, Acquiring N reception signals including reflection signals reflected by the living body and received by each of M (M is a natural number of 2 or more) reception antenna elements,
Propagation characteristics between each of the N transmission antenna elements and each of the M reception antenna elements from each of the N reception signals received in each of the M reception antenna elements in a predetermined period. The first matrix of N × M having each complex transfer function indicating
By extracting a second matrix corresponding to a predetermined frequency range in the first matrix, the second matrix corresponding to components affected by vital activity including at least one of respiration, heartbeat, and body movement of the living body. Extract
Using the second matrix to estimate the positions of the living body with respect to the N transmitting antenna elements and the M receiving antenna elements;
Based on the estimated position, the position of the transmitting antenna having the N transmitting antenna elements, and the position of the receiving antenna having the M receiving antenna elements, the distance between the living body and the transmitting antenna is calculated. Calculating a first distance, and a second distance indicating the distance between the living body and the receiving antenna,
An RCS (Radar cross-section) value for the living body is calculated using the first distance and the second distance,
Estimating the posture of the living body by using the calculated RCS value and information indicating a correspondence relationship between the RCS value and the posture of the living body, which is stored in a memory included in the estimation device,
Estimator.

前記所定期間は、前記生体の呼吸、心拍、および、体動の少なくとも１つの周期の略半分である、
請求項１に記載の推定装置。 The predetermined period is approximately half of at least one cycle of respiration, heartbeat, and body movement of the living body,
The estimation device according to claim 1.

前記プロセッサは、
前記生体が、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの並び方向に垂直な方向に対して正対している姿勢であるか否かを推定する、
請求項１または２に記載の推定装置。 The processor is
Estimating whether or not the living body has a posture facing directly to a direction perpendicular to the direction in which the transmitting antenna and the receiving antenna are arranged,
The estimation device according to claim 1.

前記Ｎは３以上の自然数であり、
前記Ｎ個の送信アンテナ素子のうち少なくとも３個の送信アンテナ素子は、それぞれ、鉛直方向および水平方向の異なる位置に配置され、
前記Ｍは３以上の自然数であり、
前記Ｍ個の受信アンテナ素子のうち少なくとも３個の受信アンテナ素子は、それぞれ、鉛直方向および水平方向の異なる位置に配置され、
前記対応関係を示す情報は、前記Ｎ個の送信アンテナ素子および前記Ｍ個の受信アンテナ素子に対する前記生体の存在する鉛直方向における位置である鉛直位置、ＲＣＳ値、および、前記生体の姿勢の対応関係を示し、
前記対応関係を示す情報において対応付けられている前記生体の姿勢は、直立、椅座、胡坐、および、仰臥を含み、
前記プロセッサは、
前記第２行列を用いて、前記鉛直位置を含む３次元位置を推定し、
前記推定した前記３次元位置と、前記算出されたＲＣＳ値と、前記メモリに記憶されている、前記対応関係を示す情報と、を用いて、前記生体が、直立、椅座、胡坐、および、仰臥のいずれの姿勢であるかを推定する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の推定装置。 The N is a natural number of 3 or more,
At least three transmitting antenna elements of the N transmitting antenna elements are respectively arranged at different positions in the vertical direction and the horizontal direction,
M is a natural number of 3 or more,
At least three receiving antenna elements of the M receiving antenna elements are arranged at different positions in the vertical direction and the horizontal direction, respectively.
The information indicating the correspondence relationship is a correspondence relationship between a vertical position that is a position in the vertical direction in which the living body exists with respect to the N transmitting antenna elements and the M receiving antenna elements, an RCS value, and a posture of the living body. Indicates
The posture of the living body associated in the information indicating the correspondence includes upright, chair sitting, crossed sitting, and supine,
The processor is
Estimating a three-dimensional position including the vertical position using the second matrix,
Using the estimated three-dimensional position, the calculated RCS value, and the information indicating the correspondence stored in the memory, the living body stands upright, sitting, crossed legs, and Estimate which of your supine postures,
The estimation device according to any one of claims 1 to 3.

コンピュータに、
生体が存在しうる所定範囲に対してＮ個（Ｎは２以上の自然数）の送信アンテナ素子を用いて送信されたＮ個の送信信号の一部の送信信号が前記生体により反射された反射信号を含み、Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の受信アンテナ素子のそれぞれを用いて受信されたＮ個の受信信号を取得し、
前記Ｍ個の受信アンテナ素子のそれぞれにおいて所定期間で受信された前記Ｎ個の受信信号のそれぞれから、前記Ｎ個の送信アンテナ素子それぞれと、前記Ｍ個の受信アンテナ素子それぞれとの間の伝搬特性を示す各複素伝達関数を成分とする、Ｎ×Ｍの第１行列を算出し、
前記第１行列における所定周波数範囲に対応する第２行列を抽出することで、前記生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれかを含むバイタル活動の影響を受けた成分に対応する前記第２行列を抽出し、
前記第２行列を用いて、前記Ｎ個の送信アンテナ素子および前記Ｍ個の受信アンテナ素子に対する前記生体の存在する位置を推定し、
前記推定した位置と、前記Ｎ個の送信アンテナ素子を有する送信アンテナの位置と、前記Ｍ個の受信アンテナ素子を有する受信アンテナの位置と、に基づいて、前記生体と前記送信アンテナとの距離を示す第１距離、および、前記生体と前記受信アンテナとの距離を示す第２距離を算出し、
前記第１距離および前記第２距離を用いて、前記生体に対するＲＣＳ（Radar cross-section）値を算出し、
前記算出されたＲＣＳ値と、前記コンピュータが備えるメモリに記憶されている、ＲＣＳ値および前記生体の姿勢の対応関係を示す情報と、を用いて、前記生体の姿勢を推定する処理を実行させる、
プログラム。 On the computer,
A reflection signal in which a part of transmission signals of N transmission signals transmitted using N (N is a natural number of 2 or more) transmission antenna elements in a predetermined range in which a living body can be reflected by the living body And acquiring N received signals received using each of the M (M is a natural number of 2 or more) receiving antenna elements.
Propagation characteristics between each of the N transmission antenna elements and each of the M reception antenna elements from each of the N reception signals received in each of the M reception antenna elements in a predetermined period. The first matrix of N × M having each complex transfer function indicating
By extracting a second matrix corresponding to a predetermined frequency range in the first matrix, the second matrix corresponding to components affected by vital activity including at least one of respiration, heartbeat, and body movement of the living body. Extract
Using the second matrix to estimate the positions of the living body with respect to the N transmitting antenna elements and the M receiving antenna elements;
Based on the estimated position, the position of the transmitting antenna having the N transmitting antenna elements, and the position of the receiving antenna having the M receiving antenna elements, the distance between the living body and the transmitting antenna is calculated. Calculating a first distance, and a second distance indicating the distance between the living body and the receiving antenna,
An RCS (Radar cross-section) value for the living body is calculated using the first distance and the second distance,
A process of estimating the posture of the living body is executed by using the calculated RCS value and information indicating a correspondence relationship between the RCS value and the posture of the living body, which is stored in a memory included in the computer.
program.