JP5861178B1

JP5861178B1 - 生体情報の検知装置及びその利用方法

Info

Publication number: JP5861178B1
Application number: JP2015035907A
Authority: JP
Inventors: 光正齋藤; 英明松江; 一弘山口; 拓也秋山; 朋弘小林
Original assignee: 株式会社Ｃｑ−Ｓネット
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: JP2016156751A

Abstract

【課題】複数の人体が近接して位置している場合にも、その位置及び生体信号を高精度で検出することができる生体情報の検知装置を提供する。【解決手段】複数の人体から複数の反射波を受信し、距離スペクトルを演算し、距離スペクトルのピーク値を検出し、このピーク値を中心周波数とする第１及び第２帯域通過フィルタを通過させて、複数の測定対象についての個別の距離スペクトルを求める。そして、この個別の距離スペクトルから測定対象の位置及び呼吸等の微小変位を求めるので、近接した人体の位置及び個別の呼吸数等を求めることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、周波数掃引した電波を送信し、複数の人体（測定対象者）からの反射波を受信して、反射波と受信波との乗算により位相検波信号を得た後、前記測定対象者の位置及び微小変位を求め、その生体信号を個別に検知する生体情報の検知装置及びその検知装置の利用方法に関する。

従来、人体（測定対象者）からの反射波を基に、この人体までの距離スペクトルを求め、この距離スペクトルから測定対象者との間の距離成分を抽出するとともに、位相の変化分を演算し、前記位相の変化分から測定対象者の身体状態並びに呼吸数及び脈拍を含む生理状態を判定する定在波レーダーによる人体異常検知装置が提案されている（特許文献１）。この場合、変動する測定対象者を除いた静止物体のみ存在する場合を初期状態として、変動する測定対象者が加わった状態から前記初期状態を差し引きする差分検出により、前記特定対象者の距離スペクトルの振幅成分から被測定物の距離を計測し、また、前記距離スペクトルの位相成分から測定対象者の微小変位（呼吸数及び脈拍等）を検出していた。

この従来の定在波レーダーによる人体異常検知装置では、１つの変動する人体と静止している複数の物体が共存する場合に、変動する人体を除いた全ての静止物体の距離スペクトルを求め、それを初期状態の距離スペクトルとして、変動する人体を加えた状態の距離スペクトルから初期状態の距離スペクトルを差し引く差分検出方式によって、変動する人体のみの距離スペクトルを計測することにより、この装置から人体までの距離並びに呼吸数及び脈拍等の微小変動の生体情報とを正確に検知することができる。

特許第５３７７６８９号公報

しかしながら、上述の従来技術においては、複数の人体が近接して存在する場合に、それを分離して、各人までの距離と、各人の生体信号とを個別に測定することが困難であるという問題点がある。例えば、各家庭における住居の居室、寝室、トイレ及び浴室等において、人体に異常が生じて倒れた場合に、その人体の容体の急変を検知して、その異常を医療機関等の外部に通報する際に、従来の人体異常検知装置においては、生体信号を発する複数の人体が比較的離れている場合は、それを個別に検出することができる。しかし、この複数の人体が同じ部屋の中で近接して位置しているときには、それを分離して、個別に生体信号を検出することが難しいという難点がある。また、自動車内に人体異常検知装置を設置し、自動車の乗員に身体状態の異常が生じたことを検出する際には、自動車内に乗り込んだ２人の生体信号を個別に検知することが必要となる。この場合も、人体が自動車内に近接して位置しているために、それらの位置並びに呼吸数及び脈拍等の微小変動を個別に検出することが難しい。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、複数の人体が近接して位置している場合にも、その位置及び生体信号を高精度で検出することができる生体情報の検知装置を提供することを目的とする。

また、この生体情報の検知装置において、
前記複数個の帯域通過フィルタは、
前記距離スペクトルから周波数スペクトルを演算する演算部と、
前記周波数スペクトルの振幅成分の極大値となる周波数に相当する中心周波数を得るＦＩＲデジタルフィルタと、
を有することとすることができる。

本願発明に係る生体情報の検知装置は、
周波数掃引された電波を外部に送信し、外部の被反射体から受信した反射波を検出する送受信部と、
受信信号と送信信号とを乗算する乗算部と、
この乗算部の出力信号の高調波成分をカットする低域通過フィルタと、
この低域通過フィルタから出力された受信信号が入力される受信信号処理部と、
を有し、
前記受信信号処理部は、
前記受信信号をフーリエ変換して距離スペクトルを得るＦＦＴ演算部と、
前記距離スペクトルの振幅成分を検出する振幅成分検出部と、
前記距離スペクトルの振幅成分のピーク位置を検出するピーク位置検出部と、
前記距離スペクトルから、２つのピーク位置に対応する中心周波数の中間の周波数にて最小ゲインとなる信号を出力するノッチ型の帯域通過フィルタと、
前記帯域通過フィルタの出力信号に対して、夫々振幅成分を検出する複数個のフィルタリング後振幅成分検出部と、
前記帯域通過フィルタの出力信号に対して、夫々位相成分を検出する複数個のフィルタリング後位相成分検出部と、
を有することを特徴とする

更に、前記第１発明において、
前記送受信部は、
前記反射波を受信する複数個の受信アンテナと、
各受信アンテナの出力信号の振幅及び位相を可変とすることができる複数の重み回路と、
各重み回路の出力信号を加算する加算器と、
を有し、
前記乗算部は、前記送信信号と前記加算器の出力信号とを乗算するものであり、
前記受信信号処理部は、
更に、前記受信アンテナの制御部を有し、
この受信アンテナの制御部は、
複数の被測定物のうち対象とする１つの被測定物のみをある一定の時間を区切って切り替える信号を出力するタイマーと、
このタイマー信号を基に被測定物を１つ選択する被測定物選択部と、
この被測定物選択部により選択された１つの被測定物に対して所望波と不要波の到来角を推定する到来角推定部と、
この到来角推定部の出力信号を基に前記重み回路の重み量を制御する重み量制御部と、
を有するように構成することもできる。

又は、前記送受信部は、
前記反射波を受信する複数個の受信アンテナと、
各受信アンテナの出力信号の振幅及び位相を可変とすることができる複数の重み回路と、
各重み回路の出力信号を加算する加算器と、
を有し、
前記乗算部は、前記送信信号と前記加算器の出力信号とを乗算するものであり、
前記受信信号処理部は、
更に、前記受信アンテナの制御部を有し、
この受信アンテナの制御部は、
複数の被測定物のうち対象とする１つの被測定物のみをある一定の時間を区切って切り替える信号を出力するタイマーと、
このタイマー信号を基に被測定物を１つ選択する被測定物選択部と、
不要波成分を最大限減衰するように前記複数の重み回路の重み量を制御する重み量制御部と、
を有するように構成することもできる。

これらの場合に、
前記被測定物選択部の代わりに、複数の被測定物のうち個々の１つの被測定物に対応した所望波と不要波を同時に指定して、同時に複数の被測定物を計測することもできる。

本発明によれば、受信波から、複数の人体に対応する個別の距離スペクトルを取り出し、各距離スペクトルの振幅成分から距離情報を得、各距離スペクトルの位相成分から微小変位を得ることにより、各人の距離及び生体信号を検出して、各人の位置及び生体情報をえることができる。これにより、２個のシングルベッド上に横たわる二人については勿論のこと、ダブルベッド上に横たわって近接した位置で睡眠をとる二人についても、個別に位置情報及び呼吸情報等を得ることができる。更に、車に搭乗して近接した位置にいる複数の人に対して、夫々、位置情報及び呼吸情報等を検出することもできる。

本発明の第１実施形態に係る検知装置の使用態様を示す図である。同じく第１実施形態の検知装置を示すブロック図である。同じく第１実施形態の受信信号処理部を示すブロック図である。第１帯域通過フィルタ３４及び第２帯域通過フィルタ３５の構成を示す模式図である。ノッチフィルタ（帯域通過フィルタＢＰＦ３）の構成を示す模式図である。第１測定対象のみの場合の検出結果を示す図である。第２測定対象のみの場合の検出結果を示す図である。第１及び第２測定対象がある場合の検出結果を示す図である。第１及び第２測定対象がある場合に、帯域通過フィルタを使用して第２測定対象を取り出したときの検出結果を示す図である。第２帯域通過フィルタにＦＩＲフィルタを使用した場合の特定を示す図である。同じく第１実施形態の第１変形例の受信信号処理部を示すブロック図である。同じく第１実施形態の第２変形例の受信信号処理部を示すブロック図である。本発明の第２実施形態の検知装置の帯域通過フィルタの構成を示す模式図である。この本発明の第２実施形態の受信信号処理部を示すブロック図である。本発明において、ターゲットの反射波から位置及び生体信号を検出できることを示すブロック図である。同じくそのレーダーの時間，周波数軸上の動作説明図である。本発明の第３実施形態の検知装置を示す図である。同じく第３実施形態の検知装置を示すブロック図である。同じく第３実施形態のアレーアンテナ制御部を示すブロック図である。同じく第３実施形態のアレーアンテナの具体的な構成を示す図である。同じく第３実施形態のアレーアンテナの放射パターンを示す図である。同じく第３実施形態のアレーアンテナの放射パターンを示す図である。測定対象が２つの場合に、アレーアンテナを用いて、第２測定対象のみを取り出す場合の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して、具体的に説明する。
本発明の実施形態の説明に先立ち、受信信号の距離スペクトルから、人体からなるターゲットの位置並びに脈拍及び呼吸数等の生体信号を検知できるとする方法について説明する。図１５は、静止又は準静止物体の距離を計測するためのＦＭ−ＣＷレーダーの構成を示すブロック図、図１６は、レーダーの時間軸、周波数軸の動作を示す。図１６において、ｆｗは掃引周波数幅を示し、ｔｗは掃引時間を示している。信号処理部１１内の信号発生制御部１２からの信号をＤ／Ａ変換（Ｄ／Ａ変換部１４）した後、ＶＣＯ１５により、周波数変調波が得られ、送信信号ＶＴとして送信アンテナ（Ｔｘ）１７から送信される。その信号はターゲット１，・・ｋ，・・・Ｋにて反射した後、受信アンテナ（Ｒｘ）１８により受信し、この受信波ＶＲを送信波ＶＲと乗算器１９でミキシングした後、低域通過フィルタ（ＬＰＦ２０）を通すことで、位相検波信号としてビート信号を得ることができる。得られたビート信号は、Ａ／Ｄ変換（Ａ／Ｄ変換部２１）してデジタル信号に変換された後、このビード信号は受信信号処理部１３において、フーリエ変換される。これにより、距離スペクトルが得られ、その振幅成分からターゲットまでの距離を計測することができる．

送信信号周波数をｆ、振幅をＡ、送信アンテナからの距離をｘとすると、送信信号ＶＴ（ｆ，ｘ）は下記数式１で表される。

Ｋ個の被測定物によるｘ点における反射波の信号Ｖ_Ｒ（ｆ，ｘ）は、下記数式２で表される。

但し、γ_k，φ_kは夫々ｋ番目のターゲットの反射による振幅及び位相係数を示し、α_kはｋ番目のターゲットに反射した信号の伝搬損による振幅係数である。ｄ_ｋを、送信点からｋ番目の物体までの距離とすると、受信アンテナ位置ｘ＝０の点における反射波の信号は数式２において、ｘ＝０とおき、下記数式３が得られる。

送信信号と反射波の信号を乗算すると、Ｖ_ｏｕｔ（ｆ，０）＝Ｖ_Ｔ（ｆ，０）×Ｖ_Ｒ（ｆ，０）であり、ＬＰＦ２０を通すと、下記数式４が得られる。

ここでフーリエ変換による距離スペクトルを求めると、下記数式５が得られる。

ここで、ｆ＝ｆ_０＋ｆ_Δとおくと、下記数式６が得られる。

次に、距離スペクトルの振幅成分｜Ｐ（ｘ）｜は、下記数式７で表される。

ここで、数式７の等号が成り立つのは、全てのｋについて、下記数式８が０に等しい場合である。

Ｋ＝１、即ち、測定対象の数が１であるとすると、数式７は下記数式９となる。

この数式９の振幅成分は、下記数式１０で表される。

また、数式９の位相成分を求めると、下記数式１１が得られる。

そして、θ１（ｘ）を、下記数式１２の範囲とすると、数式１１は下記数式１３で表される。

数式１３において、φ_１＝０とすれば、ｆ_０＝２４．１５ＧＨｚにて、ｄ_１（ｍｍ）は−３．１１〜３．１１の範囲にあることが得られる。即ち、距離スペクトルの位相特性から、±３．１１ｍｍの範囲で微小変位が測定可能となる。

次に、本発明の第１実施形態に係る生体情報の検知装置について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る生体情報の検知装置の適用例を示す模式図、図２は、本実施形態の生体情報の検知装置の構成を示すブロック図、図３は、同じくその受信信号処理部の構成を示すブロック図である。本実施形態の検知装置１は、家庭の天井２にレーダー波の送信方向を下方に向けて設置されており、床４上の人体３ａ、３ｂの位置及び生体情報を検知する。例えば、検知装置１から人体３ａ、３ｂまでの距離は、夫々２ｍ、１ｍであり、人体３ａ、３ｂは近接する位置に存在している。

本実施形態の生体情報の検知装置１は、図２に示すように、信号処理部１１の信号発生制御部１２がＦＭ変調された周波数制御電圧を生成する。この周波数制御電圧は、Ｄ／Ａ変換部１４にてアナログ信号に変換され、２４ＧＨｚ帯ＶＣＯ（電圧制御発信器）１５の制御入力に入力される。この周波数制御信号により、ＶＣＯ１５は、発信電波の周波数をスイープさせる（掃引させる）。ＶＣＯ１５の発信信号ＶＴは、ＢＰＦ（帯域フィルタ）１６によりフィルタリングされた後、送信（Ｔｘ）アンテナ１７からレーダー波が送信される。この送信波は、被反射体Ｔ１、Ｔ２にて反射した後、受信（Ｒｘ）アンテナ１８にて受信される。この受信信号ＶＲは、乗算器１９にて送信信号ＶＴと乗算（ミキシング）され、乗算器１９の出力信号Ｖｏｕｔは、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２０にて高調波成分が除去される。このＬＰＦ２０の信号は、Ａ／Ｄ変換器２１にてデジタル信号に変換され、信号処理部１１の受信信号処理部１３に入力される。

受信信号処理部１３は、図３に示すように、Ａ／Ｄ変換器２１の出力信号がＦＥＴ演算部３１に入力され、このＦＥＴ演算部３１は、受信信号をフーリエ変換して、距離スペクトルｐ（ｘ）を得る。この距離スペクトルは、振幅成分検出部３２に入力されて、その振幅成分が検出される。そして、この距離スペクトルｐ（ｘ）の振幅成分は、ピーク位置検出部３３に入力され、距離スペクトルｐ（ｘ）の振幅成分のピーク位置が検出される。このピーク位置は、第１の帯域通過フィルタ３４及び第２の帯域通過フィルタ３５に入力される。

ＦＥＴ演算部３１の出力である距離スペクトルｐ（ｘ）は、第１の帯域通過フィルタ３４及び第２の帯域通過フィルタ３５に入力され、第１の帯域通過フィルタ３４においては、ピーク位置検出部３３から入力されている第１のピーク位置に対応する第１の距離スペクトルｐ（ｘ）を出力し、第２の帯域通過フィルタ３５においては、ピーク位置検出部３３から入力されている第２のピーク位置に対応する第２の距離スペクトルｐ（ｘ）を出力する。これにより、第１帯域通過フィルタ３４から第１の距離スペクトルが検出部３６に入力されて検出部３６が第１測定対象（人体３ａ）の距離スペクトルｐ（ｘ）から位相成分を検出すると共に、検出部３７に入力されて検出部３７が第１測定対象（人体３ａ）の距離スペクトルｐ（ｘ）から振幅成分を検出する。そして、検出部３７は振幅成分を基に、検知装置１から第１検出対象までの距離を演算し、検出部３６は第１検出対象の微小変位である呼吸数及び脈拍を演算する。同様に、第２帯域通過フィルタ３５から第２の距離スペクトルが検出部３８に入力されて検出部３８が第２測定対象（人体３ｂ）の距離スペクトルｐ（ｘ）から位相成分を検出すると共に、検出部３９に入力されて検出部３９が第２測定対象（人体３ｂ）の距離スペクトルｐ（ｘ）から振幅成分を検出する。そして、検出部３９は振幅成分を基に、検知装置１から第２検出対象までの距離を演算し、検出部３８は第２検出対象の微小変位である呼吸数及び脈拍を演算する。

図４（ａ）乃至（ｃ）は、第１帯域通過フィルタ３４及び第２帯域通過フィルタ３５の構成を示す模式図である。図４（ａ）は、第１ターゲットＴ１（第１測定対象（人体３ａ））及び第２ターゲットＴ２（第２測定対象（人体３ｂ））の距離スペクトルを示す。この第１ターゲットＴ１の距離スペクトルは周波数ｆ１に中心周波数をもち、ターゲットＴ２の距離スペクトルは周波数ｆ２に中心周波数をもつ。そして、第１帯域通過フィルタ３４には、ローパスフィルタＬＰ１とバンドパスフィルタＢＰＦ１とが設けられていて、ローパスフィルタＬＰ１により中心周波数がｆ２の第２ターゲットＴ２からの距離スペクトルを削除し、中心周波数がｆ１のバンドパスフィルタＢＰＦ１により、第１ターゲットＴ１からの距離スペクトルを尖鋭化する。また、第２帯域通過フィルタ３５には、ハイパスフィルタＨＰ２とバンドパスフィルタＢＰＦ２とが設けられていて、ハイパスフィルタＨＰ２により中心周波数がｆ１の第１ターゲットＴ１からの距離スペクトルを削除し、中心周波数がｆ２のバンドパスフィルタＢＰＦ２により、第２ターゲットＴ２からの距離スペクトルを尖鋭化する。このようにして、第１帯域通過フィルタ３４及び第２帯域通過フィルタ３５により、夫々第１測定対象の距離スペクトルと、第２測定対象の距離スペクトルとを抽出することができる。

図５は、他の帯域通過フィルタＢＰＦ３を示す。この帯域通過フィルタＢＰＦ３は、第１ターゲットＴ１の中心周波数ｆ１と、第２ターゲットＴ２の中心周波数ｆ２との中間の周波数（ｆ１＋ｆ２）／２に利得が０となるノッチフィルタである。このノッチフィルタにより、中心周波数ｆ１の距離スペクトルと、中心周波数がｆ２の距離スペクトルとを分離することができる。即ち、この変形例においては、第１帯域通過フィルタ３４のバンドパスフィルタＢＰＦ１及び第２帯域通過フィルタ３５のバンドパスフィルタＢＰＦ２の代わりに、このノッチフィルタＢＰＦ３を共通して設置し、低域通過フィルタＬＰ１及び高域通過フィルタＨＰ２をノッチフィルタＢＰＦ３と組み合わせれば、図４（ａ）と同様に、第１ターゲットＴ１からの距離スペクトルと、第２ターゲットＴ２からの距離スペクトルとを分離することができる。

なお、距離スペクトルから得られる距離ｘと周波数スペクトルから得られる周波数ｆとの間には、ｆｗを掃引周波数幅、ｔｗを掃引時間、ｃを光速度として、下記数式１４にて表される１対１の関係を有する。

図１に示す第１測定対象（人体３ａ）及び第２測定対象（人体３ｂ）と、検知装置１との間の距離が夫々２ｍ、１ｍであるとし、人体３ａの微小変位が振幅２ｍｍ、周波数０．１Ｈｚであり、人体３ｂの微小変位の振幅１．５ｍｍ、周波数０．０７Ｈｚであるとして、コンピュータシミュレーションを行った。図６（ａ）は、第１測定対象の距離スペクトルの振幅成分．図６（ｂ）は、第１測定対象の周波数スペクトルの振幅成分、図６（ｃ）は、第１測定対象の距離スペクトル位相成分を示す。コンピュータシミュレーションで使用したパラメータは、ＦＭ信号の掃引周波数幅が２００ＭＨｚ、掃引時間が１０２４μｓである。第１測定対象は距離スペクトルの振幅成分から１ｍの位置に、また、周波数スペクトルから０．１５ｋＨｚの位置にあることがわかる。また、距離スペクトルの位相成分から、第１測定対象の微小変位量として振幅が２ｍｍ（ピーク・ツー・ピークが４ｍｍ）、周波数が０．１Ｈｚ（周期は１０ｓ）を検出できている。ここで、距離スペクトルの位相成分は変位量が±３．１１ｍｍ内に表示されるため、図１５のように、一見、不連続で表示される場合もある。

同様に、図７（ａ)、（ｂ）、（ｃ）は、夫々第２測定対象のみ存在する場合の距離スペクトルの振幅成分、周波数スペクトルの振幅成分及び距離スペクトルの位相成分の計算結果を示す。第２測定対象は距離スペクトルの振幅成分から２ｍの位置に、また、周波数スペクトルから０．２９ＫＨｚの位置にあることがわかる。更に、距離スペクトルの位相成分から第２測定対象の微小変位量として振幅１．５ｍｍ（ピーク・ツー・ピークが３ｍｍ）、周波数が０．０７Ｈｚ（周期は１４ｓ）を検出できている。

一方、２つの被測定物が存在する場合、図８のように、距離スペクトル及び周波数スペクトルの双方の振幅成分には２つの被測定物が検出され、夫々識別可能であるが、一方、位相成分は２つの測定対象の微小変位が混在するため、各測定対象ごとに分離することはできない。そこで、図９に示すように、例えば、第２測定対象のみを抽出するため、第２帯域通過フィルタ２５を使用することにより、距離スペクトルの振幅成分及び周波数スペクトルの振幅成分は、夫々第２測定対象のみになっていることがわかる。また、距離スペクトルの位相成分からは、第２測定対象の微小変位のみを検出することが可能となっている。

第１測定対象についても、第１測定対象のみ抽出する第１帯域通過フィルタ２４を使用することにより、同様に距離スペクトルの振幅成分から被測定物１のみを検出できる。また、距離スペクトルの位相成分からは、第１測定対象の微小変位のみを検出することが可能となる。

図１０は、第２測定対象のみを取り出すための第２帯域通過フィルタ２５の例を示す。帯域通過部分の位相特性に擾乱を与えないことが重要であり、位相特性の直線性を確保するため、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）デジタルフィルタで帯域通過フィルタを構成している。このＦＩＲフィルタは、位相情報をこわさないで、フィルタをかけることができるものである。そのフィルタの中心周波数は周波数スペクトルの振幅成分の最大値となる周波数に等しくなる２．９ｋＨｚに設定している。また、帯域幅は２００Ｈｚに設定している例である。

この例では、近接する被測定物が２つの場合を示したが、３つ以上の場合にもそれぞれの被測定物に対応した中心周波数を有する帯域通過フィルタを用意することで容易に対応可能である。

上記実施形態においては、図３に示すように、Ａ／Ｄ変換器出力信号はＦＦＴ演算部３１で距離スペクトル、周波数スペクトルを計算した後、振幅成分検出部３２でそれらの距離スペクトルＰ（ｘ）の振幅成分を検出し、この振幅成分のピーク位置を検出するピーク位置検出部３３に入力される。その結果を基にＦＦＴ演算信号に対して、第１測定対象のみを抽出する第１帯域通過フィルタ３４を通過することで、第１測定対象の距離スペクトルの振幅成分と位相成分を得ることができる。また、ＦＦＴ演算信号に対して第２測定対象のみを抽出する第２帯域通過フィルタ３５を通過することで、第２測定対象の距離スペクトルの振幅成分と位相成分を得ることができる。その結果、それぞれの第１及び第２の測定対象の距離スペクトルの振幅成分から位置を計測でき、また、距離スペクトルの位相成分から微小変位量を計測することが可能となる。

図１１は本実施形態の第１変形例を示す図である。この第１変形例においては、図３に示す実施形態に対して、第１帯域通過フィルタ３４の替わりに、第１帯域通過トラッキングフィルタ３４ａを設け、第２帯域通過フィルタ３５の替わりに、第２帯域通過トラッキングフィルタ３５ａを設けたものである。そして、第１測定対象の距離スペクトルの振幅成分検出器３７から、従前の制御タイミングにおける第１帯域通過トラッキングフィルタ３４ａによりフィルタをかけられた距離スペクトルのピーク位置が、距離スペクトルの振幅成分のピーク位置検出部３２に入力される。また、第２測定対象の距離スペクトルの振幅成分検出器３９から、従前の制御タイミングにおける第２帯域通過トラッキングフィルタ３５ａによりフィルタをかけられた距離スペクトルのピーク位置が、距離スペクトルの振幅成分のピーク位置検出部３２に入力される。そして、第１帯域通過トラッキングフィルタ３４ａ及び第２帯域通過トラッキングフィルタ３５ａに対し、ピーク位置検出部３２から、上述の従前の制御タイミングにおける第１測定対象及び第２測定対象からの各反射波の距離スペクトルのピーク位置がフィルタの中心周波数として入力される。これにより、図４（ａ）から、図４（ｂ）、図４（ｃ）というように、第１測定対象及び第２測定対象が、相互に接近移動しているような場合に、その距離スペクトルのピーク位置がｆ１から、ｆ１´、ｆ１´´と、またｆ２から、ｆ２´、ｆ２´´と変動するが、そのピーク位置が常時追跡（トラッキング）されて、フィルタ３４ａ、３５ａのフィルタリング中心周波数を常時ピーク位置に合わせることができる。これにより、第１測定対象と第２測定対象とが極めて接近した場合にも、帯域フィルタリングをかける中心周波数は時々刻々と変化してトラッキングされ、現実の測定対象の位置に合わせることができるので、常に適切なフィルタリングをかけて、第１測定対象と第２測定対象とを分離してその距離スペクトルを求めることができる。

次に、図１２を参照して、本実施形態の第２変形例について説明する。受信信号処理部１３ｂは、図３では複数の測定対象に対応するため、中心周波数が異なる複数の帯域通過フィルタ３４，３５を備えていたが、図３の構成に替えて、図１２に示すように、複数の帯域通過フィルタ３４，３５の替わりに、測定対象選定部４１ａと中心周波数可変帯域通過フィルタ３４ｃと、タイマー４４ａを備えることにより、図３と同様な機能を実現できる。つまり、図１２において、距離スペクトルの振幅成分のピーク位置検出部３２で得られる複数の測定対象のピーク位置に対して、タイマー４４ａからの測定対象切り替えタイミングにより、測定対象を１個づつ時間的に切り替えて、そのピーク位置に中心周波数可変帯域通過フィルタ３４ｃの中心周波数を一致させることができる。このため、フィルタ３４ｃからは、各測定対象に合わせたピーク位置で帯域フィルタリングをかけた距離スペクトル（ＦＦＴ演算結果）を、測定対象の距離スペクトルＰ（ｘ）の振幅成分検出部３７ａ、位相成分検出部３６ａに入力することができる。これにより、検出部３７ａ、３６ａでは、１つの被測定物のみを、経時的に順次抽出でき、全ての測定対象につき、その振幅成分から位置を計測し、位相成分から心拍等を計測することができる。

次に，図１３及び図１４を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態においては、図１３に示すように、ノッチ型の帯域通過フィルタＢＰＦ３のみを、使用する。即ち、図１４に示すように、ＦＦＴ演算部３１から出力された距離スペクトルは、ノッチ型の帯域通過フィルタ３４を通過する。そうすると、図１３に示すように、このフィルタ３４の出力信号は、（ｆ_１＋ｆ_２）／２の周波数にて、通過信号が最小になるように、フィルタリングをかけられて、破線にて示すような周波数特性を有しているが、このフィルタ３４の出力である距離スペクトルは、その中心周波数ｆ_１，ｆ_２が明瞭に現れている。そこで、この中心周波数ｆ_１，ｆ_２の距離スペクトルから、第１測定対象（ｆ１）及び第２測定対象（ｆ）の夫々振幅成分及び位相成分を検出することができる。これにより、第１実施形態と同様に、近接した測定対象の距離及び心拍等を検知することができる。なお、本実施形態においても、図１１と同様に、中心周波数ｆ_１，ｆ_２をトラッキングしてもよい。これにより、経時的な中心周波数の変化（測定対象の接近等）によらず、測定対象の正確な距離及び心拍等を検知することができる。

以下、本発明の第３実施形態について説明する。上記第１実施形態は、周波数軸（または距離軸）で２つの被測定物を分離する方法の例である。しかし、この第３実施形態は、２つの測定対象からの信号を、空間的に分離するものである。図１７（ａ）は、人体５ａ、５ｂが床４上に位置し、検知装置１が、人体５ａ、５ｂの中間位置の上方に設置されている。即ち、本実施形態は、装置１と、測定対象の人体５ａ，５ｂまでの距離とが、ほぼ同一である場合のものである。例えば、人体５ａは、検知装置１から床４へ向かう垂線を中心として、−１４°振れた方向に位置し、人体５ｂは、前記垂線から＋１４°振れた方向に位置する。そして、検知装置１から床４に引いた垂線の長さを２ｍとし、この垂線からの人体５ａ，５ｂの水平距離を０．５ｍとする。人体５ａの微小変位量は振幅が２ｍｍ、周波数が０．１Ｈｚであり、人体５ｂの微小変位量は振幅が１．５ｍｍ、周波数が０．０７Ｈｚであるとする。このように、装置１から測定対象の２個の人体５ａ、５ｂまでの距離がほぼ等しいような場合は、図１７（ｂ）に示すように、第１実施形態のように、距離スペクトルを求めると、各人体５ａ、５ｂについての距離スペクトルが重なってしまい、識別できない。

本実施形態において、人体５ａのみを抽出する場合には、検知装置１からみて-１４°°方向からの反射波は希望波とし、人体５ｂからの反射波である１４°方向からの電波は不要波と定義する。同様に、第２測定対象の人体５ｂのみを抽出する場合には、検知装置１からみて１４°方向からの反射波は希望波とし、人体５ｂからの反射波である−１４°方向からの電波は不要波と定義することとする。

図１８は第３実施形態のブロック図を示す。受信側アンテナにアンテナ（Ｒｘ１）１８ａと、アンテナ（Ｒｘ２）１８ｂからなる２素子のアレーアンテナが使用されている。また、信号処理部１１には、受信信号処理部１３ａからの信号をもとにアレイアンテナ１８ａ、１８ｂを制御するアレーアンテナ制御部２３が設けられている。受信信号処理部１３ａには、フーリエ変換部が設けられており、受信信号は、このフーリエ変換部においてフーリエ変換されて、距離スペクトルｐ（ｘ）が得られる。この距離スペクトルｐ（ｘ）は、アレーアンテナ制御部２３に入力され、図１９に示すように、測定対象選択部４１に入力される。測定対象選択部４１においては、タイマー４４からの切換信号を基に、ある期間は、複数の測定対象のうちの１つの測定対象、例えば人体５ｂを選択して、推定部４２に出力する。測定対象選択部４１は、タイマー４４からの信号により、推定部４２に入力させる距離スペクトルｐ（ｘ）を切り替える。推定部４２は、選択部４１により選択された距離スペクトルを基に、一方の測定対象（人体５ａ，又は人体５ｂ）の所望波と、不要波の到来角を推定する。この所望波と不要波の到来角は、重み量制御部４３に入力される。重み量制御部４３は、下記数式１５〜数式１９により演算することにより、重み量を演算する。この重み量制御部４３は、重み量に基づく制御信号をアレーアンテナ制御部２３ａ，２３ｂに出力し、アレーアンテナ１８ａ、１８ｂの重み量を制御する。その結果、測定対象の距離スペクトルの振幅成分から位置を、また、位相成分から微小変位を計測することができる。即ち、指向性アンテナ１８ａは、図１８に示すＡ方向から入射してくる反射波を主として検出し、指向性アンテナ１８ｂは、Ｂ方向から入射してくる反射波を主として検出する。そして、アレーアンテナ制御部２３の重み量制御部４３は、指向性アンテナ１８ａの検出信号に対し、位相器係数がｗ１の重み付けを行い、指向性アンテナ１８ｂの検出信号に対し、位相器係数がｗ２の重み付けを行う。従って、重み量制御部４３が、指向性アンテナ１８ａ、１８ｂの検出信号に対して、夫々ｗ１、ｗ２（ｗ１＞ｗ２）の重み付けを行ったときは、Ａ方向から指向性アンテナ１８ａに入射した検出信号が重みｗ１の優勢な強度を持って加算器２２を介して、混合器１９に入力される。このようにして、この指向性アンテナ１８ａに入射した反射信号が主として、受信信号処理部１３ａに入力される。一方、重み量制御部４３が、指向性アンテナ１８ａ、１８ｂの検出信号に対して、夫々ｗ１、ｗ２（ｗ１＜ｗ２）の重み付けを行ったときは、Ｂ方向から指向性アンテナ１８ｂに入射した検出信号が重みｗ２の優勢な強度を持って加算器２２を介して、混合器１９に入力される。このようにして、この指向性アンテナ１８ｂに入射した反射信号が主として、受信信号処理部１３ａに入力される。このように、ｗ１，ｗ２の位相器係数（重み付け）を操作することにより、Ａ方向の反射波を優勢的に受信したり、Ｂ方向の反射波を優勢的に受信することができ、このとき、ターゲットＴ１を受信しているときは、ターゲットＴ２の信号は減衰し、ターゲットＴ２を受信しているときは、ターゲットＴ１の信号は減衰しているため、ターゲットＴ１又はターゲットＴ２のいずれかの信号を優勢的に受信信号処理部１３ａに入力させることができる。即ち、受信信号処理部１３ａには、Ａ方向に位置するターゲットＴ１とＢ方向に位置するターゲットＴ２の反射波を分離して、個別に検出することができる。

そして、アレーアンテナ制御部２３においては、図１８及び図１９に示すように、受信信号処理部１３ａから、フーリエ変換（ＦＦＴ）の演算信号が、測定対象選択部４１に入力され、測定対象選択部４１は、タイマー４４からの測定対象の切り替えタイミングを示す信号を入力して、アンテナ１８ａ、１８ｂの一方を選択する信号を出力する。この測定対象選択部４１からの信号は、選択されたアンテナにおける所望波及び不要波の到来角推定部４２に入力され、この到来角に応じて、重み量制御部４３が重み量ｗ１，ｗ２を出力する。

このようにして、ターゲットＴ１、Ｔ２（人体５ａ、５ｂ）からの反射波を、個別に検出することにより、第１測定対象の人体５ａの距離スペクトルの振幅成分から位置を、また、位相成分から微小変位を計測することができ、第２測定対象の人体５ｂの距離スペクトルの振幅成分から位置を、また、位相成分から微小変位を計測することができるので、全ての測定対象の位置及び生体信号を個別に測定することができる。

図２０のように、アレーアンテナ部分に対して、所望波の到来角をθs、不要波の到来角をθuとすると、入力信号ベクトルをｘ（ｔ）、相関行列をＲｘｘ、相関ベクトルをｒＸｒ、最適な重みをＷｏｐｔ（Ｗ１，Ｗ２）とすると、入力ベクトルＸ（ｔ）は下記数式１５により求められる。但し、ｎ１（ｔ）、ｎ２（ｔ）は、夫々、指向性アンテナ素子１８ａ、１８ｂにおける内部雑音である。

相関行列は、下記数式１６により得られる。また、Ｐｓ、Ｐｕ、Ｐｎは下記数式１７により表される。相関ベクトルｒ_ｘｒは下記数式１８により表される。また、最適重み量は、下記数式１９により表される。

本実施形態においては、アレーアンテナには所望波と不要波の到来角を推定する到来角推定部を設けて、その情報を基に重み量を制御する例を示したが、到来角推定部を設けない場合は、以下のように、重み量制御部を構成することで同様に重み量を制御することができる。即ち、アレーアンテナ制御部では各重み量は不要波成分の信号強度をモニタする機能を用意して、その量が最小になるよう摂動法により重み量を制御する。更に、アレーアンテナの素子数が多くなれば、不要波成分の信号強度を最小にしつつ、同時に所望波成分の信号強度を最大にするよう摂動法により制御することが可能となる。

図２１は、２素子のアレーアンテナを用いて、図１７に示す人体５ａを対象にする場合の所望波到来角−１４°、不要波到来角１４°の場合のアレーアンテナの放射パターン特性の計算結果を示す。一方、図２２は、２素子のアレーアンテナを用いて、図１７に示す人体５ｂを対象にする場合の所望波到来角１４°、不要波到来角−１４°の場合のアレーアンテナの放射パターン特性の計算結果を示す。両者とも不要波成分は３０ｄＢ以上減衰していることがわかる。また、図２１及び図２２に、２素子の重み量を示している。

図２３は、第２測定対象の人体５ｂのみを抽出する場合の距離スペクトルの振幅成分、周波数スペクトルの振幅成分及び距離スペクトルの位相成分を示す。希望波到来角１４°、不要波到来角−１４°として、アレーアンテナを用いることで、距離スペクトル及び周波数スペクトルの振幅成分は所望波成分である人体５ｂ（位置は２．０６ｍに相当）のみとなっている。また、距離スペクトルの位相成分から微小変位量として人体５ｂの微小変位である振幅１．５ｍｍ、周波数０．０７Ｈｚ（周期１４ｓ）が正確に検出できていることがわかる。

この実施例のように１組のアレーアンテナを時間的に区切って人体５ａと人体５ｂを交互に計測するように、重み量を時間とともに切り替える方法を用いることで、２つの束帯対象の距離スペクトルの振幅成分と位相成分を個々に検出することができる。

また、人体５ａと人体５ｂを同時に抽出するためには、それぞれの測定対象のみを抽出できるように、２組のアレーアンテナを用意し、夫々重み量を制御することで実現できる。

本実施形態は、アレーアンテナに所望波と不要波の到来角が既知の例であるが、到来角が既知でない場合もあり、その場合には、アレーアンテナの各重み量は不要波成分を最小にするよう制御される。更に、アレーアンテナの素子数が多くなれば、不要波成分を最小にしつつ、同時に所望波成分を最大にするよう制御することが可能となる。

本発明によれば、近接して複数の人体が存在する場合においても、各人の個々の呼吸状態を正確に監視することができるため、急病により人体に異常が発生した場合に、これを迅速にかつ正確に検知することができ、医療及び介護の分野は勿論のこと、高齢化社会における各家庭の安全を図る上で、有用である。

１：生体情報の検知装置
３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂ：人体
１１：信号処理部
１２：信号発生制御部
１３，１３ａ：受信信号処理部
１４：Ｄ／Ａ
１５：ＶＣＯ
１６：ＢＰＦ
１７：送信アンテナ
１８：受信アンテナ
１９：乗算器
２０：ＬＰＦ
２１：Ａ／Ｄ
２３：アレーアンテナ制御部
３１：ＦＥＴ演算部
３２：振幅成分検出部
３３：ピーク位置検出部
３４：第１帯域通過フィルタ
３５：第２帯域通過フィルタ
３６：位相成分検出部
３７：振幅成分検出部
３８：位相成分検出部
３９：振幅成分検出部
４１：測定対象選択部
４２：到来角推定部
４３：重み量制御部
４４：タイマー

Claims

周波数掃引された電波を外部に送信し、外部の被反射体から受信した反射波を検出する送受信部と、
受信信号と送信信号とを乗算する乗算部と、
この乗算部の出力信号の高調波成分をカットする低域通過フィルタと、
この低域通過フィルタから出力された受信信号が入力される受信信号処理部と、
を有し、
前記受信信号処理部は、
前記受信信号をフーリエ変換して距離スペクトルを得るＦＦＴ演算部と、
前記距離スペクトルの振幅成分を検出する振幅成分検出部と、
前記距離スペクトルの振幅成分のピーク位置を検出するピーク位置検出部と、
前記距離スペクトルから、２つのピーク位置に対応する中心周波数の中間の周波数にて最小ゲインとなる信号を出力するノッチ型の帯域通過フィルタと、
前記帯域通過フィルタの出力信号に対して、夫々振幅成分を検出する複数個のフィルタリング後振幅成分検出部と、
前記帯域通過フィルタの出力信号に対して、夫々位相成分を検出する複数個のフィルタリング後位相成分検出部と、
を有することを特徴とする生体情報の検知装置。