JP7281784B2 - 推定方法および推定装置 - Google Patents
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人物の位置や人数を知る方法として、無線信号を利用する方法が検討されている。無線信号を利用した生体の位置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。
以下では、図面を参照しながら、MIMO(Multiple Input Multiple Output)構成の送信機および受信機を用いて受信信号の相関行列を観測し、所定の方法で、測定対象の領域に存在する生体の生体数および位置を推定する方法について説明する。
図1は、実施の形態における推定装置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の測定対象である生体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とを有する。
受信機11は、受信アンテナ部111と、受信部112とを有する。
複素伝達関数算出部12は、N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間に受信された受信信号のそれぞれから、N個の送信アンテナ素子のそれぞれと、M個の受信アンテナ素子の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、M×Nの複素伝達関数行列を算出する。つまり、複素伝達関数算出部12は、受信機11において所定期間に観測されたN個の受信信号を用いて、M個の送信アンテナ素子とN個の受信アンテナ素子とを1対1で組み合わせたときに取り得る全ての組み合わせであるM×N個の組合せのそれぞれについて、当該組合せにおける送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の伝搬特性を表す複素伝達関数を算出することで、M×Nの複素伝達関数行列を算出する。本実施の形態では、複素伝達関数算出部12は、受信機11により伝達された低周波の信号から、M個の送信アンテナ素子とN個の受信アンテナ素子との間の伝搬特性を表す複数の複素伝達関数を算出する。
抽出部13は、複素伝達関数算出部12において算出された複素伝達関数行列を用いて、所定の周波数範囲に属し、かつ、それぞれが異なる周波数に対応するK個(Kは2以上の自然数)の生体成分複素伝達関数行列を所定の方法で抽出する。例えば、抽出部13は、所定の方法として、複素伝達関数算出部12が算出した複素伝達関数行列の各要素の所定の周波数範囲に含まれる周波数応答の絶対値をそれぞれ算出し、絶対値が所定の閾値以上の周波数に対応する複素伝達関数行列の周波数応答を抽出することで、K個の生体成分複素伝達関数行列を抽出してもよい。これにより、抽出部13は、生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれか1つを含むバイタル活動の影響を受けた成分に対応するK個の生体成分複素伝達関数行列を抽出する。
生体複素伝達関数ベクトル算出部14は抽出部13で抽出されたK個の生体成分複素伝達関数行列のそれぞれをベクトルに並べ替えることでK個の生体複素伝達関数ベクトルを生成する。具体的には、生体複素伝達関数ベクトル算出部14は、それぞれがM行N列で構成されるK個の生体成分複素伝達関数行列のそれぞれについて、当該生体成分複素伝達関数行列の要素を並べ替えることでM×N行1列のベクトルで表される生体成分複素伝達関数ベクトルFvec(f)に変換する。この操作を演算子vecで表す。並べ方としては例えば(式4)のような方法があるが、行列を並べ替える操作であれば順序は問わない。
相関行列算出部15は、生体複素伝達関数ベクトル算出部14で生成されたK個の生体成分複素伝達関数ベクトルの周波数方向の相関行列を算出する。より具体的には、相関行列算出部15は、生体50による複数の変動成分から構成される生体成分複素伝達関数ベクトルの相関行列Rを(式5)に従って算出する。相関行列Rは、M×N行M×N列で構成される。
相関行列ベクトル算出部16は、相関行列算出部15で算出された相関行列Rをベクトルに並べ替えることで相関行列ベクトルを算出する。具体的には、相関行列ベクトル算出部16は、M×N行M×N列で構成される相関行列Rの要素を並べ替えることでM2×N2行1列の相関行列ベクトルRvecに変換する。当該変換には、生体複素伝達関数ベクトル算出部14によるベクトル化と同様に(式4)を用いてもよい。
ステアリングベクトル算出部17は、推定装置1の測定対象の領域1010をNgrid個の領域1011-1~1011-Ngridに分割する。次に、ステアリングベクトル算出部17は、測定対象の領域1010が複数に区切られた領域1011-1~1011-Ngridのそれぞれに対して、当該領域内の代表点と、送信アンテナ部101の位置および受信アンテナ部111の位置のそれぞれとを結ぶ2本の直線が、基準線となす角度θti、θriをそれぞれ算出する。ここで、iは1からNgridまでの整数である。また、当該領域内の代表点とは、例えば当該領域の重心点または右上の角の点である。また、基準線とは、例えば、送信アンテナ部101の位置および受信アンテナ部111の位置を結ぶ直線である。当該領域の分割および求める角度θti、θriの関係は、図5に示される。
拡張ステアリングベクトル算出部18は、ステアリングベクトル算出部17が算出したステアリングベクトルai(θt、θr)を相関行列ベクトルと同次元に変形することで拡張ステアリングベクトルを算出する。具体的には、拡張ステアリングベクトル算出部18は、(式9)、(式10)に示す変換を行い、拡張ステアリングベクトルAの各行、Aiを算出する。
圧縮センシング部19は、相関行列ベクトルおよび拡張ステアリングベクトルを用いて、相関行列ベクトルRvecに含まれる生体信号強度ベクトルであって、複数の領域1011-1~1011-Ngridのそれぞれの位置における生体からの信号強度に対応する生体信号強度ベクトルを未知数とする圧縮センシングを行うことで生体信号強度ベクトルsを推定する。(式11)は一般的な圧縮センシングの式の形をしており、様々な圧縮センシングアルゴリズムを用いて計算することができる。例えば非特許文献1で開示されているHQR法を用いてもよいし、Fast Iterative Shrinkage Thresholding Algorithm (FISTA)やIterative Shrinkage Thresholding Algorithm (ISTA)を用いてもよい。
推定部20は、圧縮センシング部19が推定した未知数である生体信号強度ベクトルsから領域1011-1~1011-Ngridのうち生体が存在する領域を推定する。具体的には、推定部20は、推定された生体信号強度ベクトルsの要素s1~SNgridのうち、所定の閾値以上の要素の数を生体数として推定する。また、推定部20は、推定された生体信号強度ベクトルsの要素s1~SNgridのうち、所定の閾値以上の成分siに対応する領域1011-iの位置を生体の推定位置として推定する。ここで、所定の閾値は、無人の領域に対応するsの要素の値と比べて十分大きければよく、例えば無人時に測定したsの要素の値の2倍などに設定してもよい。
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。
実施の形態の推定装置1によれば、無線信号を利用して、測定対象の領域1010に存在する生体数および生体の位置の推定を精度よく行うことができる。より具体的には、M個の送信アンテナ素子のそれぞれと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、生体の影響による変動成分を抽出し、抽出した変動成分から相関行列を算出する。そして、算出した相関行列と、複数の領域のそれぞれにおけるステアリングベクトルとを用いて圧縮センシングを適用することで得られた結果を用いて、生体数および生体の位置の両方を推定することができる。
上記実施の形態に係る推定装置1は、送信信号として、複数のサブキャリア信号が変調されたマルチキャリア信号を用いてもよい。具体的には、送信部102は、それぞれ互いに異なる周波数帯の複数のサブキャリアに対応する複数のサブキャリア信号を生成し、生成した複数のサブキャリア信号を多重化することでマルチキャリア信号を生成する。送信部102は、例えば、周波数帯の利用効率が高い、S個のサブキャリアから構成されるOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)信号を生成する。
10 送信機
11 受信機
12 複素伝達関数算出部
13 抽出部
14 生体複素伝達関数ベクトル算出部
15 相関行列算出部
16 相関行列ベクトル算出部
17 ステアリングベクトル算出部
18 拡張ステアリングベクトル算出部
19 圧縮センシング部
20 推定部
50 生体
101 送信アンテナ部
102 送信部
111 受信アンテナ部
112 受信部
1001、1002 領域
1010 測定対象の領域
1011-1~1011-Ngrid 領域
Claims (4)
- M個(Mは2以上の自然数)の送信アンテナ素子およびN個(Nは2以上の自然数)の受信アンテナ素子を有するアンテナ部を備える推定装置による推定方法であって、
測定対象の領域に前記M個の送信アンテナ素子を用いて送信信号を送信し、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにより受信された信号であって、前記M個の送信アンテナ素子のそれぞれから送信された前記送信信号が生体によって反射された反射信号を含む受信信号を、受信し、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間に受信された前記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のそれぞれと、前記M個の受信アンテナ素子の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、M×Nの複素伝達関数行列を算出し、
前記複素伝達関数行列を用いて、所定の周波数範囲に属し、かつ、それぞれが異なる周波数に対応するK個(Kは2以上の自然数)の生体成分複素伝達関数行列を所定の方法で抽出することで、前記生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれか1つ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K個の生体成分複素伝達関数行列を抽出し、
前記K個の生体成分複素伝達関数行列のそれぞれをベクトルに並べ替えることでK個の生体成分複素伝達関数ベクトルを生成し、
前記K個の生体成分複素伝達関数ベクトルの周波数方向の相関行列を算出し、
前記相関行列をベクトルに並べ替えることで相関行列ベクトルを算出し、
前記測定対象の領域を複数の領域に区切った場合において、前記複数の領域のそれぞれの位置に対応する要素からなるステアリングベクトルを算出し、
前記ステアリングベクトルを前記相関行列ベクトルと同次元に変形することで拡張ステアリングベクトルを算出し、
前記相関行列ベクトルおよび前記拡張ステアリングベクトルを用いて、前記相関行列ベクトルに含まれる生体信号強度ベクトルであって、前記複数の領域の少なくとも1つの領域の位置における生体からの信号強度に対応する生体信号強度ベクトルを未知数とする圧縮センシングを行うことで前記生体信号強度ベクトルを推定し、
前記生体信号強度ベクトルを構成する複数の要素のうち、所定の閾値以上の要素の数を生体数として、かつ、前記所定の閾値以上の前記要素に対応する領域の位置を生体の推定位置として推定する、
推定方法。 - 前記抽出では、前記複素伝達関数行列の各要素の所定の周波数範囲に含まれる周波数応答の絶対値をそれぞれ算出し、前記絶対値が所定の閾値以上の周波数に対応する前記複素伝達関数行列の周波数応答を抽出することで、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K個の生体成分複素伝達関数行列を抽出する、
請求項1に記載の推定方法。 - 前記送信では、L個(Lは2以上の自然数)のサブキャリア信号が変調されたマルチキャリア信号を前記送信アンテナ素子に出力することで、前記マルチキャリア信号を前記送信信号として前記送信アンテナ素子に送信させ、
前記受信において受信された前記受信信号は、前記マルチキャリア信号が生体によって反射された反射信号を含み、
前記複素伝達関数行列の算出では、前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで前記所定期間に受信された前記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のそれぞれと、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、M×Nの複素伝達関数行列を、前記L個のサブキャリア信号がそれぞれ対応しているL個のサブキャリアのそれぞれ毎にL個算出し、
前記抽出では、前記L個の複素伝達関数行列を用いて、所定の周波数範囲に属し、かつ、それぞれが異なる周波数に対応するK個(Kは2以上の自然数)の生体成分複素伝達関数行列を前記所定の方法で抽出することで、前記K個の生体成分複素伝達関数行列を抽出する、
請求項1または2に記載の推定方法。 - M個(M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部と、
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アンテナ部と、
測定対象の領域に前記M個の送信アンテナ素子を用いて送信信号を送信する送信部と、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにより受信された信号であって、前記M個の送信アンテナ素子のそれぞれから送信された前記送信信号が生体によって反射された反射信号を含む受信信号を、受信する受信部と、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間に受信された前記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のそれぞれと、前記M個の受信アンテナ素子の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、M×Nの複素伝達関数行列を算出する複素伝達関数算出部と、
前記複素伝達関数行列を用いて、所定の周波数範囲に属し、かつ、それぞれが異なる周波数に対応するK個(Kは2以上の自然数)の生体成分複素伝達関数行列を所定の方法で抽出することで、前記生体の呼吸、心拍および体動の少なくともいずれか1つ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K個の生体成分複素伝達関数行列を抽出する抽出部と、
前記K個の生体成分複素伝達関数行列のそれぞれをベクトルに並べ替えることでK個の生体成分複素伝達関数ベクトルを生成する生体成分複素伝達関数ベクトル算出部と、
前記K個の生体成分複素伝達関数ベクトルの周波数方向の相関行列を算出する相関行列算出部と、
前記相関行列をベクトルに並べ替えることで相関行列ベクトルを算出する相関行列ベクトル算出部と、
前記測定対象の領域を複数の領域に区切った場合において、前記複数の領域のそれぞれの位置に対応する要素からなるステアリングベクトルを算出するステアリングベクトル算出部と、
前記ステアリングベクトルを前記相関行列ベクトルと同次元に変形することで拡張ステアリングベクトルを算出する拡張ステアリングベクトル算出部と、
前記相関行列ベクトルおよび前記拡張ステアリングベクトルを用いて、前記相関行列ベクトルに含まれる生体信号強度ベクトルであって、前記複数の領域の少なくとも1つの領域の位置における生体からの信号強度に対応する生体信号強度ベクトルを未知数とする圧縮センシングを行うことで前記生体信号強度ベクトルを推定する圧縮センシング部と、
前記生体信号強度ベクトルを構成する複数の要素のうち、所定の閾値以上の要素の数を生体数として、かつ、前記所定の閾値以上の前記要素に対応する領域の位置を生体の推定位置として推定する推定部とを備える、
推定装置。
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