JP2020109391A - 推定方法、推定装置、及び、プログラム - Google Patents
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Description
無線信号を利用した生体の位置等の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。その結果は上述したが、特許文献1〜2に開示される技術は、デバイスの位置検出技術であるため、生体の位置を推定できないという問題があった。また、特許文献3に開示される技術では、外来ノイズなどにより瞬時の測位誤差が発生する場合があり、その測位結果にどれだけの信頼性があるかを知ることができないという問題があった。
以下では、図面を参照しながら、SIMO(Single Input Multiple Output)構成の送信機、受信機を用いて受信信号の相関行列を観測し、相関行列の固有値を用いて所定の方法で、対象空間内に存在する生体の方向を推定することについて説明する。
図1は、実施の形態1における推定装置1の構成の一例を示すブロック図である。図1には、図1に示す推定装置1の検出対象である生体50が合わせて示されている。
送信機10は、送信アンテナ部101と、送信部102とで構成される。
受信機11は、受信アンテナ部111と、受信部112とで構成される。
生体情報算出部12は、図1に示すように、複素伝達関数算出部121と、抽出部122と、相関行列算出部123とを備え、受信機11により伝達された信号から生体情報を算出する。
複素伝達関数算出部121は、N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、送信アンテナ素子とN個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する。より具体的には、複素伝達関数算出部121は、受信機11から伝達された低周波の信号から、1個の送信アンテナ素子とMR個の受信アンテナ素子それぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を算出する。以下、図2を用いてより具体的に説明する。
抽出部122は、複素伝達関数算出部121において算出された複数の複素伝達関数から、生体50の影響による生体成分であってN個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける生体成分を抽出する。より具体的には、抽出部122は、複素伝達関数算出部121が算出した複素伝達関数を時系列で記録し、複素伝達関数の変化のうち、生体50の影響による生体成分を抽出する。ここで、生体50の影響による生体成分を抽出する方法としてはフーリエ変換などの周波数領域への変換後に生体の振動に対応する成分のみを抽出する方法、または、2つの異なる時間の複素伝達関数の差分を計算する方法などを用いることができる。これらの方法を実行することにより、生体50以外の固定物を経由する複素伝達関数は除去され、生体50を経由する複素伝達関数成分のみが残る。なお、受信アンテナ素子は複数あるため、受信アンテナ素子に対応する複素伝達関数の生体50経由成分の数も複数となる。これらをまとめて、生体成分チャネルベクトルと定義する。
相関行列算出部123は、抽出部122において抽出された、N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける生体成分から相関行列を算出する。より具体的には、相関行列算出部123は、生体成分である生体50を経由する複数の複素伝達関数成分から構成される生体成分チャネルベクトルの相関行列Riを算出する。
計算部13は、相関行列算出部123において算出された相関行列の1以上の固有値を計算する。より具体的には、計算部13は、相関行列算出部123より算出された相関行列Riの固有値を計算する。計算部13は、計算した相関行列Riの固有値を記憶部14に記憶させる。
記憶部14は、HDD(Hard Disk Drive)またはメモリ等で構成され、推定装置1の処理で用いるデータ等が記憶される。
信頼性推定部15は、対象空間内に存在する生体50の数の値を示す生体数情報と、計算部13において計算された1以上の固有値とを用いて、生体50の方向を推定したときの推定結果の信頼性を推定する。ここで、生体数情報は、あらかじめ与えられる情報であり、測定対象範囲である対象空間内にL人の生体50が存在するという情報を示す。
固有値分布算出部151は、計算部13において計算された複数の固有値を大きさでソートしたときに得られる固有値分布を算出する。例えば、固有値分布算出部151は、図6に示すような固有値分布を算出してもよい。
特徴判定部152は、固有値分布算出部151により算出された固有値分布の特徴を判定する。より具体的には、特徴判定部152は、固有値分布算出部151により算出された固有値分布において隣接する固有値の比率または差分を示す比率情報を、固有値分布の特徴として算出する。例えば、特徴判定部152は、図6に示す固有値分布の特徴として、図7に示すような固有値分布の比率情報を算出してもよい。
信頼性判定部153は、特徴判定部152により判定された固有値分布の特徴を用いて、推定結果の信頼性を判定する。より具体的には、信頼性判定部153は、生体数情報により示される値がLである場合、最大の固有値から数えてL番目の固有値における比率情報に示される値が所定値以上であるか否かで、推定結果の信頼性を判定する。
方向推定部16は、信頼性推定部15により推定された信頼性に応じて、相関行列から所定の方法で生体50の方向を推定する。より具体的には、方向推定部16は、信頼性推定部15により推定された信頼性に応じて、生体情報算出部12が算出した相関行列を用いて、生体50の受信アンテナ部111から見た方向を推定する。
次に、以上のように構成された推定装置1の動作について、図を用いて説明する。
上記の実施の形態1では、一例として送信機10が2.45GHzの正弦波を送信するとして説明したが、これに限らない。送信機10は、送信波(電波)として例えばOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)信号などのマルチキャリア信号を送信してもよい。送信機10が送信波としてOFDM信号などのマルチキャリア信号を送信する場合を、変形例として以下説明する。
実施の形態1の推定装置1に対して、本変形例の推定装置1は、マルチキャリア信号を扱う点が異なる。以下、図1を用いて、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。
本変形例の送信機10は、上述したとおり、例えばOFDM信号などのマルチキャリア信号を生成し、送信アンテナ部101が有する1個の送信アンテナ素子から送信する。
本変形例の受信機11は、実施の形態1と同様に、受信アンテナ部111と、受信部112とで構成される。本変形例の受信機11は、実施の形態1と比較して、受信部112が受信する信号が異なる。
生体情報算出部12は、受信部112により伝達されたs個の低周波信号からs個の生体情報を算出する。具体的には、生体情報算出部12は、s個の生体情報の算出処理を、並列で行い(s並列に行い)、最終的にs個の相関行列を算出する。
計算部13は、生体情報算出部12で算出されたs個の相関行列をもとにs組の固有値を計算する。
信頼性推定部15は、計算部13で計算されたs組の固有値を用いて、方向推定部16が生体50の方向を推定したときのs組の推定結果の信頼性を推定する。信頼性推定部15は、対象空間内に存在する生体50の数の値を示す生体数情報と、計算部13において計算されたs組の固有値とを用いて、生体50の方向を推定したときのs組の推定結果の信頼性を推定する。ここで、生体数情報は、あらかじめ与えられる情報であり、測定対象範囲である対象空間内にL人の生体50が存在するという情報を示す。
方向推定部16は、信頼性推定部15により推定された信頼性に応じて、相関行列から所定の方法で生体50の方向を推定する。より具体的には、方向推定部16は、生体情報算出部12が算出したs個の相関行列と、信頼性推定部15が推定したs個の信頼性とをもとに生体50の方向を推定する。ここで、方向推定部16は、それぞれのサブキャリアの相関行列に対して、MUSIC法などを用いることで生体50の方向を推定する。
実施の形態1及び変形例の推定装置1及び推定方法によれば、無線信号を利用して、対象空間内に存在する生体50の方向推定とその信頼性の評価を行うことができる。より具体的には、一の送信アンテナ素子とN個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の複素伝達関数から、生体50の影響による生体成分を抽出し、抽出した生体成分から相関行列とその固有値を算出する。そして、算出した固有値を用いて所定の方法で測定結果の信頼性を推定した上で、生体50の方向推定をすることで、無線信号を利用して、対象空間内に存在する生体50の方向推定を行うと同時にその推定結果の信頼性を知ることができる。
実施の形態1では、SIMO構成の送信機、受信機を用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限らない。MIMO(Multiple Input Multiple Output)構成の送信機、受信機を用いて受信信号の相関行列を観測し、相関行列の固有値を用いて所定の方法で、対象空間内に存在する生体の位置を推定してもよい。この場合を以下、実施の形態2として説明する。
図13は、実施の形態2における推定装置1Aの構成の一例を示すブロック図である。図13に示す推定装置1Aは、実施の形態1の推定装置1に対して、送信機10Aの構成が異なる。この構成により、対象空間内に存在する生体50の位置を推定するとともに、当該位置の推定結果に対する信頼性を評価することができる。
送信機10Aは、送信アンテナ部101Aと、送信部102とで構成される。
実施の形態2における複素伝達関数算出部121では、実施の形態1と構成は同じであるものの、送信アンテナ部101Aが、複数の送信アンテナ素子を有することで、実施の形態1と比較して一部の処理が異なる。具体的には、本実施の形態における推定装置1Aは、送信アンテナ素子をMT個、受信アンテナ素子をMR個備えるため、複素伝達関数算出部121により算出される複素伝達関数Hは、MR行MT列の行列となる。
実施の形態2における方向推定部16は、信頼性推定部15により推定された信頼性に応じて、相関行列から所定の方法で生体50の位置を推定する。より具体的には、実施の形態2における方向推定部16は、信頼性推定部15により推定された信頼性に応じて、生体情報算出部12が算出した相関行列を用いて、生体50の受信アンテナ部111から見た複数の方向を推定することで生体50の位置を推定する。
実施の形態2の推定装置1A及び推定方法によれば、無線信号を利用して、対象空間内に存在する生体50の位置推定を行うことができる。より具体的には、複数の送信アンテナ素子とN個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の複素伝達関数から、生体50の影響による生体成分を抽出し、抽出した生体成分から相関行列とその固有値を算出する。そして、算出した固有値を用いて、所定の方法で生体50の位置推定とその推定結果の信頼性評価とを行う。このようにして、無線信号を利用して、対象空間内に存在する生体位置の推定を行うことができる。
実施の形態1及び2では、観測した受信信号の固有値を用いて、生体の方向または位置の推定結果の信頼性を推定したが、これに限らない。MUSIC法またはCapon法に代表される到来方向推定法の評価関数スペクトルを用いて、生体の方向または位置の推定結果の信頼性を推定してもよい。この場合を以下、実施の形態3として説明する。以下では、実施の形態1と異なるところを中心に説明する。
図14は、実施の形態3における推定装置1Bの構成の一例を示すブロック図である。図14に示す推定装置1Bは、実施の形態1の推定装置1と比較して方向推定部16Bと信頼性推定部15Bの構成が異なる。
方向推定部16Bは、相関行列算出部123により算出された相関行列を用いて、評価関数を計算し、計算した評価関数を用いて、生体50の方向または位置を推定する。ここで、方向推定部16Bにおいて計算される評価関数は、MUSICスペクトルであってもよいし、Capon法のスペクトルであってもよいし、ビームフォーマー法のスペクトルであってもよい。
信頼性推定部15Bは、方向推定部16Bにおいて計算された評価関数を用いて、生体50の位置または方向を推定したときの推定結果の信頼性を推定する。信頼性推定部15Bは、推定した信頼性が閾値より低い場合、推定結果の信頼性が低いと判定し、推定した信頼性が閾値以上である場合、推定結果の信頼性が高いと判定する。
実施の形態3の推定装置1B及び推定方法によれば、無線信号を利用して、対象空間内に存在する生体50の位置推定を行うことができる。より具体的には、一の送信アンテナ素子とN個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の複素伝達関数から、生体50の影響による生体成分を抽出し、抽出した生体成分から相関行列とその固有値を算出する。そして、算出した固有値を用いて所定の方法で測定結果の信頼性を推定した上で、生体50の方向推定をすることで、無線信号を利用して、対象空間内に存在する生体50の位置推定を行うと同時にその推定結果の信頼性を知ることができる。
10、10A 送信機
11 受信機
12 生体情報算出部
13 計算部
14 記憶部
15、15B 信頼性推定部
16、16B 方向推定部
50 生体
101、101A 送信アンテナ部
102 送信部
111 受信アンテナ部
112 受信部
121 複素伝達関数算出部
122 抽出部
123 相関行列算出部
151 固有値分布算出部
152 特徴判定部
153 信頼性判定部
Claims (15)
- 少なくとも一の送信アンテナ素子を有する送信機及びN個(Nは2以上の自然数)の受信アンテナ素子を有する受信機を用いて、対象空間内に存在する生体の位置または方向を推定する推定装置の推定方法であって、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、前記送信アンテナ素子と前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する伝達関数算出ステップと、
前記伝達関数算出ステップにおいて算出された複数の複素伝達関数から、生体の影響による生体成分であって前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける生体成分を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにおいて抽出された、前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける前記生体成分から相関行列を算出する相関行列算出ステップと、
前記相関行列算出ステップにおいて算出された前記相関行列の1以上の固有値を計算する計算ステップと、
前記対象空間内に存在する生体の数の値を示す生体数情報と、前記計算ステップにおいて計算された前記1以上の固有値とを用いて、前記生体の位置または方向を推定したときの推定結果の信頼性を推定する信頼性推定ステップと、
前記推定結果の信頼性に応じて、前記相関行列から所定の方法で前記生体の位置または方向を推定する推定ステップとを含む、
推定方法。 - 前記信頼性推定ステップでは、
(1)前記計算ステップで計算された前記1以上の固有値を、値の大きい順にソートした際における隣接する固有値の比率または差分を示す比率情報を算出し、
(2)前記生体数情報により示される値がL(Lは1以上の自然数)のとき、前記ソートした際の前記L番目の固有値に対応する前記比率情報が所定値以上の場合、前記推定結果の信頼性が高いと判定する、
請求項1に記載の推定方法。 - 少なくとも一の送信アンテナ素子を有する送信機及びN個(Nは2以上の自然数)の受信アンテナ素子を有する受信機を用いた、対象空間内に存在する生体の方向または位置を推定する推定装置の推定方法であって、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、前記送信アンテナ素子と前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する伝達関数算出ステップと、
前記伝達関数算出ステップにおいて算出された複数の複素伝達関数から、生体の影響による生体成分であって前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける生体成分を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにおいて抽出された、前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける前記生体成分から相関行列を算出する相関行列算出ステップと、
前記相関行列を用いて評価関数を計算し、計算した評価関数を用いて、前記生体の方向または位置を推定する推定ステップと、
前記推定ステップにおいて計算された前記評価関数を用いて、前記生体の位置または方向を推定したときの推定結果の信頼性を推定する信頼性推定ステップとを含む、
推定方法。 - 前記推定ステップにおいて計算される前記評価関数は、MUSICスペクトルである、
請求項3に記載の推定方法。 - 前記推定ステップにおいて計算される前記評価関数は、Capon法のスペクトルである、
請求項3に記載の推定方法。 - 前記推定ステップにおいて計算される前記評価関数は、ビームフォーマー法のスペクトルである、
請求項3に記載の推定方法。 - 前記信頼性推定ステップでは、
推定した前記信頼性が閾値より低い場合、前記信頼性が低いと判定し、推定した前記信頼性が前記閾値以上である場合、前記信頼性が高いと判定する、
請求項3〜6のいずれか1項に記載の推定方法。 - 前記推定ステップでは、
前記信頼性推定ステップにおいて前記信頼性が低いと判定された場合、前記生体の方向または位置を推定した推定結果であって前記信頼性が低いと判定された時点よりも過去の期間の推定結果のうち、前記信頼性推定ステップにおいて前記信頼性が高いと判定された過去時点における推定結果を出力する、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の推定方法。 - 前記推定ステップでは、
前記信頼性推定ステップにおいて前記信頼性が低いと判定された場合、前記生体の方向または位置を推定した推定結果であって前記信頼性が低いと判定された周波数以外の周波数範囲の推定結果のうち、前記信頼性推定ステップにおいて前記信頼性が高いと判定された周波数における推定結果を出力する、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の推定方法。 - 前記推定ステップでは、
前記信頼性推定ステップにおいて前記信頼性が低いと判定された場合、前記生体の方向または位置を推定した推定結果であって過去の所定期間と所定周波数範囲との推定結果のうち、前記信頼性推定ステップにおいて前記信頼性が高いと判定された過去時点かつ周波数における推定結果を出力する、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の推定方法。 - 前記推定ステップでは、
前記信頼性推定ステップにおいて前記信頼性が低いと判定され、かつ、前記推定ステップにおいて推定される推定結果が直前の推定結果から閾値以上の時間または周波数離れている場合、前記信頼性が低いと判定された時点よりも過去期間の推定結果のうち、前記信頼性が高いと判定された過去時点の推定結果を出力する、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の推定方法。 - さらに、前記推定ステップにおいて過去に推定された推定結果を記憶部に記憶する記憶ステップを含み、
前記推定ステップでは、
前記信頼性推定ステップにおいて前記信頼性が低いと判定された場合、前記信頼性の度合いに応じて基準区間よりも長く設定される第1区間の時間範囲で、前記記憶部に記憶されている過去の推定結果の平均または中央値を算出し、現在の推定結果として出力する、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の推定方法。 - さらに、前記推定ステップにおいて過去に推定された推定結果を記憶部に記憶する記憶ステップを含み、
前記信頼性推定ステップにおいて前記信頼性が低いと判定された場合、前記信頼性の度合いに応じて基準区間よりもながく設定される第2区間の周波数範囲で、前記記憶部に記憶されている過去の推定結果の平均または中央値を算出し、現在の推定結果として出力する、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の推定方法。 - 少なくとも一の送信アンテナ素子を有する送信機及びN個(Nは2以上の自然数)の受信アンテナ素子を有する受信機を用いて、対象空間内に存在する生体の位置または方向を推定する推定装置であって、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、前記送信アンテナ素子と前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する伝達関数算出部と、
前記伝達関数算出部において算出された複数の複素伝達関数から、生体の影響による生体成分であって前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける生体成分を抽出する抽出部と、
前記抽出部において抽出された、前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける前記生体成分から相関行列を算出する相関行列算出部と、
前記相関行列算出部において算出された前記相関行列の1以上の固有値を計算する計算部と、
前記対象空間内に存在する生体の数の値を示す生体数情報と、前記計算部において計算された前記1以上の固有値とを用いて、前記生体の位置または方向を推定したときの推定結果の信頼性を推定する信頼性推定部と、
前記推定結果の信頼性に応じて、前記相関行列から所定の方法で前記生体の位置または方向を推定する推定部とを備える、
推定装置。 - 少なくとも一の送信アンテナ素子を有する送信機及びN個(Nは2以上の自然数)の受信アンテナ素子を有する受信機を用いて、対象空間内に存在する生体の位置または方向を推定する推定装置の推定方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、前記送信アンテナ素子と前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する伝達関数算出ステップと、
前記伝達関数算出ステップにおいて算出された複数の複素伝達関数から、生体の影響による生体成分であって前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける生体成分を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにおいて抽出された、前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける前記生体成分から相関行列を算出する相関行列算出ステップと、
前記相関行列算出ステップにおいて算出された前記相関行列の1以上の固有値を計算する計算ステップと、
前記対象空間内に存在する生体の数の値を示す生体数情報と、前記計算ステップにおいて計算された前記1以上の固有値とを用いて、前記生体の位置または方向を推定したときの推定結果の信頼性を推定する信頼性推定ステップと、
前記推定結果の信頼性に応じて、前記相関行列から所定の方法で前記生体の位置または方向を推定する推定ステップとをコンピュータに実行させる、
プログラム。
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