(57)【要約】【課題】１つの受信系を用いて、リーダが、レーダの人体検知距離を数メートル程度確保しつつ、無線タグのＩＤを取得すること。【解決手段】ＵＷＢ送信部310は、IR-UWBのパルス系列を用いて周期的且つ間欠的であって、リーダ300に固有のユニークワードを示すUW信号を送信し、ＵＷＢ受信部320は、タグ200のタグIDを示すID信号と、UW信号がタグ200を装着した人体で反射された人体エコーと、を受信し、タグＩＤ検出部340は、ID信号からタグ200のタグIDを検出し、相関受信部330は、受信信号の遅延プロファイルを算出し、２次元プロファイル推定部370は、遅延プロファイルを用いて遅延時間領域及びドップラシフト領域の２次元電力スペクトラムを算出し、測距・生体検知部380は、２次元の電力スペクトラムを用いて人体エコーを検出する。ここで、ＵＷＢ送信部310は、タグ200のタグIDが検出された後に、UW信号を送信する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タグ装置及びリーダ装置で構成されるＵＷＢセンサシステムであって、
前記タグ装置は、
ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いて前記タグ装置のＩＤを示すＩＤ信号をバースト送信するＩＤ送信手段を具備し、
前記リーダ装置は、
ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いて周期的且つ間欠的であって、前記リーダ装置に固有のユニークワードを示すＵＷ信号を送信するＵＷＢ送信手段と、
前記ＩＤ信号、及び、前記ＵＷ信号が前記タグ装置を装着した人体で反射された人体エコーを受信するＵＷＢ受信手段と、
前記ＩＤ信号から前記タグ装置のＩＤを検出するＩＤ検出手段と、
受信信号の遅延プロファイルを算出する相関受信手段と、
前記遅延プロファイルを用いて遅延時間領域及びドップラシフト領域の２次元電力スペクトラムを算出する２次元プロファイル推定手段と、
前記２次元電力スペクトラムを用いて前記人体エコーを検出する生体検知手段と、を具備し、
前記ＵＷＢ送信手段は、前記タグ装置のＩＤが検出された後に、前記ＵＷ信号を送信する、
ＵＷＢセンサシステム。
【請求項２】
前記生体検知手段は、前記２次元電力スペクトラムに基づいて、前記タグ装置までの距離を測距する、
請求項１に記載のＵＷＢセンサシステム。
【請求項３】
前記ＩＤ検出手段が、前記タグ装置のＩＤを検出した場合に、前記ＩＤ信号を受信する初期状態のＩＤ検出モードから、前記人体エコーを受信するレーダモードへと動作モードを変更し、前記ＵＷＢ送信手段が、前記ＵＷＢ信号の送信を開始するように制御するモード設定・制御手段を、更に具備する、
請求項１に記載のＵＷＢセンサシステム。
【請求項４】
前記モード設定・制御手段は、前記動作モードの変更時に前記ＵＷＢ受信手段におけるゲイン調整用の制御信号を生成し、
前記ＵＷＢ受信手段は、前記制御信号を入力として前記動作モードに応じて前記受信信号のゲインを調整するゲイン制御手段、を具備する、
請求項３に記載のＵＷＢセンサシステム。
【請求項５】
前記相関受信手段は、前記遅延プロファイルに基づいてパルス系列の受信タイミングを調整するタイミング制御信号を生成し、
前記リーダ装置は、
前記ＵＷ信号を受信するアレーアンテナと、
前記タイミング制御信号を用いて前記アレーアンテナの受信時間窓を制御するＲＦスイッチと、
前記ＲＦスイッチを介した各受信信号を狭帯域化してサンプリング処理する受信処理手段と、
前記受信処理手段で得られるサンプリング信号を用いて前記アレーアンテナに対する相関行列を算出する相関行列算出手段と、
前記相関行列を用いて前記受信時間窓において到来したパルス系列の方向を推定する到来方向推定手段と、を更に具備する、
請求項１に記載のＵＷＢセンサシステム。
【請求項６】
前記ＵＷＢ送信手段は、ビーコン信号を送信し、
前記タグ装置は、
前記ビーコン信号を受信する受信手段と、
前記ビーコン信号の受信電力に基づいて、前記ＩＤ信号の送信電力を制御する制御手段と、を更に具備し、
前記ＩＤ送信手段は、前記受信手段前記タグ装置ＩＤを重畳し、前記タグ装置ＩＤが重畳された前記ビーコン信号を前記ＩＤ信号として再放射し、
請求項１に記載のＵＷＢセンサシステム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記ビーコン信号の受信タイミングに基づいて、前記ＩＤ信号の送信タイミングを更に制御する、
請求項６に記載のＵＷＢセンサシステム。
【請求項８】
前記２次元プロファイル推定手段は、前記再放射されたビーコン信号と、前記ビーコン信号が前記タグ装置を装着した人体で反射された人体エコーとの遅延時間差を用いて前記２次元電力スペクトラムを補正し、
前記生体検知手段は、補正後の前記２次元電力スペクトラムに基づいて、前記タグ装置までの距離を測距する、
請求項６に記載のＵＷＢセンサシステム。
【請求項９】
ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いて周期的且つ間欠的であって、前記リーダ装置に固有のユニークワードを示すＵＷ信号を送信するＵＷＢ送信手段と、
タグ装置のＩＤを示すＩＤ信号、及び、前記ＵＷ信号が前記タグ装置を装着した人体で反射された人体エコーを受信するＵＷＢ受信手段と、
前記ＩＤ信号から前記タグ装置のＩＤを検出するＩＤ検出手段と、
受信信号の遅延プロファイルを算出する相関受信手段と、
前記遅延プロファイルを用いて遅延時間領域及びドップラシフト領域の２次元電力スペクトラムを算出する２次元プロファイル推定手段と、
前記２次元電力スペクトラムを用いて前記人体エコーを検出する生体検知手段と、を具備し、
前記ＵＷＢ送信手段は、前記タグ装置のＩＤが検出された後に、前記ＵＷ信号を送信する、
リーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＲ−ＵＷＢ（Impulse Radio - Ultra Wide Band）無線通信又はレーダを用いたタグＩＤ検出、測距・測位及び生体検知に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＵＷＢ（Ultra Wide Band）無線は、その広帯域性を活かした高速通信以外に、時間分解能の高いパルスを間欠的に送受信することによる低消費電力な無線通信、伝搬遅延時間に基づく測距、生体微動を検知するレーダとして利用できることが知られている。特に、時間分解能の高いパルス（インパルス）を送受信するＵＷＢ無線は、高速通信用のマルチバンドＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplex）とは別の方式であり、ＩＲ（Impulse Radio）−ＵＷＢと呼ばれる。
【０００３】
ＩＲ−ＵＷＢの高い時間分解能を活かして無線機間の距離を高精度に測定するための技術は、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されている。また、ＩＲ−ＵＷＢの通信機能も利用して無線タグ装置（以下「無線タグ」又は「タグ」と略記する）の識別情報（ＩＤ：Identification)とその位置を管理するための技術は、例えば、特許文献３及び特許文献４に開示されている。
【０００４】
さらに、ＩＲ−ＵＷＢをレーダとして用いて人の動きを検知するためのセンサ技術は、特許文献５及び特許文献６に開示されている。同様のレーダ用途である心拍や呼吸といった生体情報を検知するためのセンサ技術は、特許文献７及び特許文献８に開示されている。特許文献７及び特許文献８には、パルスの受信ゲートを制御して検知距離を限定することにより、検知対象である人体エコーを周辺物体からの散乱波と分離できることが示されている。
【０００５】
以上のような従来技術を組み合わせると、無線タグを持った人のＩＤ、位置、及び、当該タグを持った人の生体情報を紐付けて取得するシステムが実現できる。例えば、タグＩＤ検出用のリーダ装置（以下「リーダ」と略記する）が、測距機能或いはレーダ機能を具備することで、無線タグのＩＤ、位置、及び、無線タグを持っている人の生体情報を同時に検出できることを示唆している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３２９３５３号公報
【特許文献２】特表２００２−５１７００１号公報
【特許文献３】特開２００８−２１７０７４号公報
【特許文献４】特開２００６−１７０８９１号公報
【特許文献５】特許第３４７１８０３号公報
【特許文献６】特許第３６４８２３６号公報
【特許文献７】米国特許第５５７３０１２号明細書
【特許文献８】米国特許第５７６６２０８号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】高橋他、“人間および軽車両のKa帯UWBレーダ断面積の測定”、2004年電子情報通信学会ソサイエティ大会、ＡＳ−４−４．
【非特許文献２】M. D. JUDD, “A Simple, Low-Computation Peak Detection Algorithm for the Angle-of-Arrival Spectrum for,” IEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS VOL. 28, NO. 4 OCTOBER 1992.
【非特許文献３】Q. Spencer, B. Jeffs, M. Jensen, and A. Swindlehurst, “Modeling the statical time and angle of arrival characteristics of an indoor multipath channel,” IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 18, pp. 347-360, Mar. 2000.
【非特許文献４】「アレーアンテナによる適応信号処理」、科学技術出版、菊間信良著
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、リーダが受信するタグからの送信波と、レーダ動作時にリーダが受信する人体エコーとは、その信号レベルに大きな差異がある。図１は、リーダから見て、タグと当該タグを持った人（成人及び幼児）が等距離にあるとした場合に、タグ送信波１０、成人の人体エコー２０、および、幼児の人体エコー３０の受信レベルをそれぞれ示している。ただし、使用周波数は１０ＧＨｚ、人体のレーダ断面積（ＲＣＳ：Radar Cross Section）は、非特許文献１により成人に対する０ｄＢｓｍ（DEcibel squared meter）程度と仮定し、タグおよびリーダの送信出力を０ｄＢｍとしている。このとき、距離５ｍにおいて、タグ送信波の受信レベルと人体エコーの受信レベルとの差は２５ｄＢとなる。また、検知対象が幼児の場合には人体ＲＣＳは−１０ｄＢｓｍ程度まで小さくなるため、距離１．５ｍにおいても受信レベル差が２５ｄＢとなる。
【０００９】
また、ＩＲ−ＵＷＢの無線タグは、電池内蔵型でＵＷＢパルスを自律発信するアクティブタグが一般的であり、タグ送信とリーダのレーダ機能とが同時に動作することが十分想定される。つまり、本発明の前提であるレーダ機能を有する無線タグのリーダは、大きなレベル差のあるタグ送信波と人体エコーとを同時に受信処理する必要がある。
【００１０】
一般に、ＵＷＢパルスの受信系には、その回路構成が簡易であり、低コストで製造できるため、ダイオードを用いた検波器が良く用いられる。しかし、このダイオード検波器において線形性が保たれるダイナミックレンジは、２５ｄＢ程度である。したがって、その受信レベル差が非常に大きくなるタグ送信波と人体エコーとを同時に受信処理するためには、リーダが受信電力範囲の異なる２つの受信系を具備する必要があった。
【００１１】
本発明の目的は、１つの受信系を用いて、リーダが、レーダの人体検知距離を数メートル程度確保しつつ、無線タグのＩＤを取得することができるＵＷＢセンサシステム及びリーダ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のＵＷＢセンサシステムは、タグ装置及びリーダ装置で構成されるＵＷＢセンサシステムであって、前記タグ装置は、ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いて前記タグ装置のＩＤを示すＩＤ信号をバースト送信するＩＤ送信手段を具備し、前記リーダ装置は、ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いて周期的且つ間欠的であって、前記リーダ装置に固有のユニークワードを示すＵＷ信号を送信するＵＷＢ送信手段と、前記ＩＤ信号、及び、前記ＵＷ信号が前記タグ装置を装着した人体で反射された人体エコーを受信するＵＷＢ受信手段と、前記ＩＤ信号から前記タグ装置のＩＤを検出するＩＤ検出手段と、受信信号の遅延プロファイルを算出する相関受信手段と、前記遅延プロファイルを用いて遅延時間領域及びドップラシフト領域の２次元電力スペクトラムを算出する２次元プロファイル推定手段と、前記２次元電力スペクトラムを用いて前記人体エコーを検出する生体検知手段と、を具備し、前記ＵＷＢ送信手段は、前記タグ装置のＩＤが検出された後に、前記ＵＷ信号を送信する、構成を採る。
【００１３】
本発明のリーダ装置は、ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いて周期的且つ間欠的であって、前記リーダ装置に固有のユニークワードを示すＵＷ信号を送信するＵＷＢ送信手段と、タグ装置のＩＤを示すＩＤ信号、及び、前記ＵＷ信号が前記タグ装置を装着した人体で反射された人体エコーを受信するＵＷＢ受信手段と、前記ＩＤ信号から前記タグ装置のＩＤを検出するＩＤ検出手段と、受信信号の遅延プロファイルを算出する相関受信手段と、前記遅延プロファイルを用いて遅延時間領域及びドップラシフト領域の２次元電力スペクトラムを算出する２次元プロファイル推定手段と、前記２次元電力スペクトラムを用いて前記人体エコーを検出する生体検知手段と、を具備し、前記ＵＷＢ送信手段は、前記タグ装置のＩＤが検出された後に、前記ＵＷ信号を送信する、構成を採る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レーダ機能を有するリーダは、ダイオード検波器を用いた受信一系統だけで、タグを持った人のＩＤとその生体情報とを紐付けて同時に取得できるようになる。つまり、リーダに対して、回路規模の増大を抑えて小型、低コストでレーダ機能を追加することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の課題であるタグ送信波と人体エコーのレベル差を説明するための図
【図２】本発明の実施の形態１に係るＵＷＢセンサシステムの全体構成を示す図
【図３】実施の形態１に係るＵＷＢセンサシステムの送信フレーム構成を示す図
【図４】ＵＷＢセンサシステムにおけるレーダ測距の原理を説明するための図
【図５Ａ】人が静止している場合の２次元電力スペクトラムを示す図
【図５Ｂ】人が歩行している場合の２次元電力スペクトラムを示す図
【図６】実施の形態１に係るタグの内部構成を示すブロック図
【図７】実施の形態１に係るリーダの内部構成を示すブロック図
【図８】実施の形態１におけるＩＲ―ＵＷＢのパルス波形の実測結果を示す図
【図９】本発明の実施の形態２に係るリーダの内部構成を示すブロック図
【図１０】本発明の実施の形態３に係るＵＷＢセンサシステムの全体構成を示す図
【図１１】実施の形態３に係るセミパッシブタグの内部構成を示すブロック図
【図１２】実施の形態３におけるセミパッシブタグの制御方法を説明するための図
【図１３】本発明の実施の形態４におけるエコーバック方式を説明するための図
【図１４】実施の形態４に係るセミパッシブタグの内部構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
１）システム概要
図２は、本発明の実施の形態１に係るＵＷＢセンサシステムの全体構成を示す図である。本実施の形態に係るＵＷＢセンサシステムは、主に屋内環境での使用を想定している。具体的には、図２に示すように、検知対象である人１００、人１００が装着しているタグ２００、及び、リーダ３００を有している。なお、図２には、ＵＷＢセンサシステムが使用される屋内環境に、電波の反射体である什器１０１が設置されている様子を示している。実環境では、什器１０１以外にも様々な什器或いは壁等が電波の反射体となり得るが、以下では、説明を分かり易くするために、代表的な金属製の什器１０１で代表させている。
【００１８】
タグ２００は、人１００に装着されおり、タグ２００の識別情報であるタグＩＤのビット列をＩＲ−ＵＷＢのパルス系列１０２として送信する。このとき、パルス系列１０２は、例えば２値のＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調方式であるＯＯＫ（On-Off-Keying）変調されたタグＩＤのビット列であり、このＯＯＫ変調信号は一定時間長のバースト区間だけ送信される。
【００１９】
リーダ３００は、ＩＤ検出機能の動作モード（以下「ＩＤ検出モード」という）、及び、レーダ機能の動作モード（以下「レーダモード」）を有し、ＩＤ検出モードでは、タグ２００のＩＤを検出し、レーダモードでは、人１００の位置或いは生体微動を検出する。
【００２０】
始めに、リーダ３００は、ＩＤ検出モードに設定されている。リーダ３００は、タグ２００からバースト送信されるパルス系列１０２を受信し、ＯＯＫ変調信号を検波することでタグＩＤのビット列を復調する。ここで、タグＩＤを取得してタグ２００の存在が確認された場合、タグ２００を装着した人１００の生体情報を検知するために、リーダ３００は、レーダモードへと設定変更される。
【００２１】
リーダ３００は、リーダ３００の識別情報であるリーダＵＷ（Unique Word）のビット列をＩＲ−ＵＷＢのパルス系列１０４として送信する。このパルス系列１０４は、例えば単パルスの時間幅が２ｎｓ以下でパルスの送信周期を１００ｎｓとするようなＬｏｗ−Ｄｕｔｙ−ｃｙｃｌｅ信号である。つまり、パルス系列１０４は、例えばＯＯＫ変調されたリーダＵＷのビット列であり、このＯＯＫ変調信号は一定時間長のバースト区間だけ送信され、さらに一定周期で繰り返しバースト送信される。
【００２２】
リーダ３００は、間欠的に且つ周期的にパルス系列１０４を繰り返し送信すると同時に、パルス系列１０４を構成するインパルスＵＷＢの単パルスが、タグ２００を装着した人１００で反射されて折り返し、リーダ３００に到来する所謂人体エコーのパルス系列１０５を受信する。
【００２３】
ここで、例えば、リーダ３００からの人１００の距離が３ｍのとき、折り返し伝搬となる人体エコーの到来時間τは、各パルスの送信時刻を基準とすると約２０ｎｓとなる。ただし、到来時間τは、折り返し伝搬距離ｄ＝６［ｍ］に対して、光速ｃ≒２．９９８×１ｅ８［ｍ／ｓ］を用いて、τ＝ｄ／ｃ［ｓ］より算出される。つまり、リーダ３００は、受信パルスの到来時間τを推定することで、リーダ３００と人１００との距離を測定することができる。
【００２４】
図３は、本実施の形態におけるＵＷＢセンサシステムの送信フレーム構成を示す図である。
【００２５】
図３Ａにおいて、パルス系列１０２は、タグ２００から送信されるＩＲ−ＵＷＢを用いたタグＩＤのＯＯＫ変調信号であり、タグフレーム４００−１，４００−２から構成される。
【００２６】
図３Ｂは、タグフレーム４００−１，４００−２の詳細構成を示す図である。タグフレーム４００−１，４００−２は、リーダ３００がタグフレーム４００−１，４００−２を検出し且つパルス受信時の同期を確立するためのプリアンブル部と、タグＩＤのビット列からなるデータ部とから構成される。
【００２７】
プリアンブル部は、リーダ３００において相関受信することを前提としており、例えば図３Ｂに示すように、すべて“１”の３２ビットからなるパルス系列とし、データ部は、例えば１２８ビットのパルス系列とする。このビット列が予めパリティチェックビットの付与等により伝送路符号化されている場合には、タグＩＤのビット数は１２８ビットより小さくなる。尚、プリアンブル部として、予め決めたれた既知のＰＮ（Pseudo Random、擬似ランダム）系列を用いるようにしてもよい。
【００２８】
また、プリアンブル部及びデータ部から構成されるタグフレームは、リーダ３００においてタグ２００のタグＩＤの検出率を高めるために、例えば２回繰り返しでバースト送信されるとよい。つまり、タグフレーム４００−１とタグフレーム４００−２とを、同一のパルス系列で構成すれば、タグＩＤの受信誤り率を低減できる。
【００２９】
ここで、ＩＤ検出モードに設定されているリーダ３００が、タグフレーム４００−１，４００−２を検出した場合には、リーダ３００は、レーダモードへと設定変更される。
【００３０】
図３Ｃは、レーダフレーム４１０−１〜４１０−８０の詳細構成を示す図である。
【００３１】
図３Ｃにおいて、パルス系列１０４は、レーダモードのリーダ３００からバースト送信されるパルス系列である。パルス系列１０４は、インパルスＵＷＢを用いたリーダＵＷのＯＯＫ変調信号であり、レーダフレーム４１０−１〜４１０−８０を構成する。すなわち、パルス系列１０４は、パルス送信周期１００ｎｓとするようなＬｏｗ−Ｄｕｔｙ−ｃｙｃｌｅ信号であり、リーダ３００は、ＵＷ長分のビット列からなるパルス系列１０４をバースト送信する。
【００３２】
レーダフレーム４１０−１では、ＵＷ長分のビット列（パルス系列１０４）がバースト送信された後、一定時間の無信号区間４３０−１が設定される。その後は、図３に示すように、パルス系列１０４（４２０−ｎ）と無信号区間４３０−ｎ（ｎ＝１，２，…，８０）とが一定周期で、例えば２秒間程度繰り返される。
【００３３】
レーダフレーム４１０−ｎに無信号区間４３０−ｎを設けることで、同一周波数帯を使用する多システムへの与干渉影響を低減できる。また、タグ２００からのタグフレームとは別に、リーダ３００の検知エリア内に存在する他のタグが自律的に送信するタグフレームを検出できるようにしている。つまり、このような時分割処理によって、リーダ３００の検知エリア内にタグ或いはその保有者が複数存在する場合においても、タグＩＤ検出及びタグ保有者測距を同時に実行できるようになる。
【００３４】
２）人体検知原理
図４は、本実施の形態に係るＵＷＢセンサシステムにおけるレーダ測距の原理を説明するための図である。
【００３５】
リーダ３００は、人体エコーのパルス系列１０５を相関受信するために、各パルスの送信タイミングから一定の遅延時間τで、到来する信号を１００ｎｓ周期でリーダＵＷのビット数分だけ繰り返し加算平均する。加えて、リーダ３００は、この遅延時間τを、一定の時間分解能でシフトさせながら相関受信する、所謂スライディング相関処理により、遅延プロファイルを算出することができる。
【００３６】
実際には、リーダ３００は、送信されるパルス系列１０４が既知ＵＷのＯＯＫ変調信号であるため、ビット情報が１のときのみ加算平均する。また、リーダ３００の受信系は、受信系時間幅２ｎｓ程度のパルス波形に対して、例えば１ＧＨｚでサンプリングすることで、パルス波形を再生することができる。このとき、スライディング相関処理で得られる遅延プロファイルの時間分解能は１ｎｓとなり、レーダ動測距動作としての距離分解能は１５ｃｍとなる。
【００３７】
一方で、本実施の形態に係るＵＷＢセンサシステムが使用される環境は主に屋内であり、例えば医療施設内或いは家庭内が運用環境として想定される。例えば、図２に示すように、実伝搬環境においては、リーダ３００から比較的近距離にある什器１０１の存在を無視することが困難となる。つまり、リーダ３００は、人体エコーのパルス系列１０５の他に、什器１０１により反射される反射波（以下「什器反射波」と略記する）のパルス系列１０６も同時に受信することになる。
【００３８】
人１００において反射される人体エコーは、呼吸に依って生じるゆっくりとした変動成分を有している。リーダ３００から送信されるインパルスＵＷＢ信号が、例えば中心周波数１０ＧＨｚの信号である場合、この呼吸に依る変動成分は１Ｈｚ程度の所謂ドップラシフト成分して観測される。また、人１００が歩行者である場合には、呼吸による１Ｈｚ程度のドップラシフト成分に加えて、１０Ｈｚ程度のドップラシフト成分も同時に存在する。つまり、人体エコーは、前述した遅延時間領域の電力スペクトラムである遅延プロファイルに加えて、特定遅延時間におけるドップラシフト領域の電力スペクトラムをも有していることになる。一方で、什器１０１からの反射波には、ドップラシフトがない、言い換えればドップラシフトが０Ｈｚである。すなわち、ドップラシフトに基づいて、人体エコーと什器反射波とを識別することができる。
【００３９】
また、一般に、人の鼓動検知には、送信電波が体内の心臓まで到達して折り返し伝搬される必要があるため、レーダとして使用する周波数が高くなるにつれてその実現が困難になる。これに対して、人の呼吸や歩行は、人体表面の変動により検知できるため、高マイクロ波帯やミリ波帯も有用となり、周波数依存度が小さい。したがって、本発明のＵＷＢセンサシステムでは、呼吸や歩行によって生じる変動成分を、生体情報として検知することを主目的としている。
【００４０】
図５Ａ及び図５Ｂは、本実施の形態に係るＵＷＢセンサシステムにおける生体微動測定の原理を説明するための図である。なお、図５Ａ及び図５Ｂは、人体エコーと什器反射波とが同時に存在する場合に得られる遅延時間及びドップラシフトの２次元電力スペクトラムの典型例を示す図である。図５Ａは、人１００が静止している場合の２次元電力スペクトラムを示している。また、図５Ｂは、人１００が歩行している場合の２次元電力スペクトラムを示している。ここで、什器１０１がリーダ３００から距離４ｍの位置にあり、什器反射波は距離４ｍにおいて全反射された反射波と仮定している。また、人体エコーの受信レベルは、図１で示したようにＲＣＳ０ｄＢｓｍとしてレーダ方程式により推定している。なお、人１００がリーダ３００から距離３ｍの位置にいると仮定している。
【００４１】
以上のような物理特性は、強い什器反射波が存在するような条件においても、２次元電力スペクトラムの観測により、人体エコーを精度良く検知できることを示唆している。このことは、呼吸による微動成分を測定することで、人と壁とを分離した測距が実現できるだけでなく、その２次元電力スペクトラムが検知対象である人１００の呼吸状態に関する情報も提示していることになる。
【００４２】
つまり、ドップラシフト領域におけるスペクトラム形状又はその時間変動特性を自動的に観測できるようにすることで、睡眠時の無呼吸状態をモニタするといったような医療分野への応用も実現できる。
【００４３】
なお、図５Ａ及び図５Ｂは、解析的に算出される遅延時間及びドップラシフトの主成分のみ描画しており、実際に観測されるスペクトラムは、多数の散乱波又は人体の複雑な動きに、さらには機器のノイズ成分などによって、より複雑な形状となるのが一般的である。実システムでは、そのような複雑なスペクトラム形状から主成分を抽出するアルゴリズムが必要であり、非特許文献２のスペクトラムピーク検出方法や、非特許文献３において採用しているパス特定アルゴリズムが有効である。
【００４４】
３）タグ装置構成
図６は、本発明の実施の形態１に係るタグ２００の内部構成を示すブロック図である。
【００４５】
ＩＤ送信部２２０は、ＵＷＢパルス発生部２２１及び増幅器２２２を有する。
【００４６】
ＵＷＢパルス発生部２２１は、タグ２００の識別情報であるタグＩＤのビット列に応じて、パルス系列を生成する。例えば、ＵＷＢパルス発生部２２１は、タグＩＤのビット列に応じて、ＯＯＫ変調信号を生成する。このＯＯＫ変調信号は、タグ２００のタグＩＤを示すＩＤ信号（タグ送信波）である。なお、図３を用いて説明したように、タグ２００は、ＯＯＫ変調信号を一定時間長のバースト区間だけ生成する。
【００４７】
増幅器２２２は、ＩＤ信号を増幅してアンテナ２１０を介して送信する。
【００４８】
このようにして、ＩＤ送信部２２０は、タグ２００タグＩＤを示すＩＤ信号（タグ送信波）をＩＲ−ＵＷＢのパルス系列１０２として送信する。
【００４９】
４）リーダ装置構成
図７は、本発明の実施の形態１に係るリーダ３００の内部構成を示すブロック図である。
【００５０】
アンテナ３０１は、ＩＲ−ＵＷＢのＲＦ（Radio Frequency）信号を送受信する。
【００５１】
ＲＦスイッチ３０２は、アンテナ３０１とリーダ３００の送受信系統間に挿入され、送受信系統を切り替えることで、１つのアンテナ３０１で送受信共用としている。
【００５２】
ＵＷＢ送信部３１０は、送信パターン発生部３１１、ＳＲＤ（Step Recovery Diode）回路３１２、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）３１３、及び、増幅器（ＰＡ：Power Amplifier）３１４を有している。
【００５３】
送信パターン発生部３１１は、送信のパルス系列１０４に応じたパターン信号として、例えば１０ＭＨｚの矩形信号を生成する。このとき、その送信出力は、後述するモード設定・制御部３５０から出力されるリーダ３００のＵＷビット列のデジタル信号をＤ／Ａ変換してアナログ信号に変換することで、ＵＷビット列に対応してＯＮ／ＯＦＦされた１０ＭＨｚの矩形信号を得る。
【００５４】
ＳＲＤ回路３１２は、送信パターン発生部３１１が出力する１０ＭＨｚの矩形信号を入力として、そのエッジ成分が抽出且つ強調された信号、所謂エッジショック励振された信号を生成する。このＳＲＤ回路３１２が生成する信号は、例えばマイクロ波帯にまで拡がるＵＷＢ信号となっている。
【００５５】
バンドパスフィルタ３１３は、ＳＲＤ回路３１２が出力するＵＷＢ信号からシステムの所要帯域を抽出する。この所要帯域というのは、送信されるＩＲ−ＵＷＢのパルス幅を決定する。
【００５６】
増幅器３１４は、バンドパスフィルタ３１３から出力されるＩＲ−ＵＷＢの信号電力を、法規制（ＡＲＩＢ  ＳＴＤ−Ｔ９１）である−４１．３ｄＢｍ／ＭＨｚ以下を満足する範囲で増幅する。増幅後のＩＲ−ＵＷＢのＲＦ信号は、ＲＦスイッチ３０２を介してアンテナ３０１より発信される。
【００５７】
このようにして、ＵＷＢ送信部３１０は、ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いて周期的且つ間欠的なＵＷ信号を送信する。
【００５８】
ＵＷＢ受信部３２０は、ＬＮＡ（Low Noise Amp）３２１、ゲイン調整回路３２２、検波回路３２３、信号整形回路３２４およびＡ／Ｄ変換部３２５で構成されている。
【００５９】
ＬＮＡ３２１は、アンテナ３０１で受信され、ＲＦスイッチ３０２を介したＩＲ−ＵＷＢのＲＦ信号を入力として、システムの所要ＮＦ（Noise Figure）を満足しつつ２０ｄＢ程度、信号電力を増幅する。通常、ＬＮＡ３２１に求められるＮＦは、マイクロ波帯であれば３ｄＢ程度となる。
【００６０】
ゲイン調整回路３２２は、ＬＮＡ３２１から出力される受信信号の想定電力に合わせて、後段の検波回路３２３の入力ダイナミックレンジ内に収まるように、受信信号電力を調整する。具体的には、リーダ３００がＩＤ検出モードに設定され、タグ２００からのバースト信号を受信する際には、ゲイン調整回路３２２は、受信信号電力を２０〜２５ｄＢ程度減衰する。これは、図１に示したように、人体エコー２０，３０とタグ送信波１０との間には、２０〜２５ｄＢ程度のレベル差が生じるためで、ゲイン調整回路３２２は、リーダ３００がレーダモードに設定されているときに、そのゲインが最大となるように制御される。
【００６１】
検波回路３２３は、ダイオードを用いた検波器から構成され、ゲイン調整回路３２２からの出力であるＩＲ−ＵＷＢの受信信号を包落線検波する。図８は、実際に検波回路３２３で包絡線検波したＩＲ−ＵＷＢの受信波形の一例を示している。この図は、図３に示した送信波形を適当な信号電力に調整した後、検波回路３２３で包絡線検波した結果を示している。
【００６２】
信号整形回路３２４は、検波回路３２３からの出力信号を、後段のＡ／Ｄ変換部３２５へ入力する前に、信号波形及び信号電力を調整する。この信号整形回路３２４は、ＬＰＦとバッファアンプとで構成され、包絡線検波されたパルス波形をＡ／Ｄ変換部３２５のサンプリング周波数と入力ダイナミックレンジに合わせるために、ＬＰＦのカットオフ周波数及びバッファアンプのゲインが最適化されている。
【００６３】
Ａ／Ｄ変換部３２５は、信号整形回路３２４からの出力を入力信号として、例えば１ＧＨｚのサンプリング周波数でデジタル信号へと変換する。このサンプリング周波数は、リーダ３００がレーダモードで動作する際の測距性能に係るパラメータである。１ＧＨｚサンプリングで再現できる周期信号の周波数は理論的には５００ＭＨｚとなり、インパルスＵＷＢ信号のパルス幅は、その信号波形にも依存するが、２ｎｓ程度となる。Ａ／Ｄ変換部３２５は、デジタル信号を相関受信部３３０及びタグＩＤ検出部３４０に出力する。
【００６４】
このように、ＵＷＢ受信部３２０は、ＩＤ信号、及び、ＵＷ信号がタグ２００を装着した人体で反射された人体エコーを受信する。
【００６５】
相関受信部３３０は、Ａ／Ｄ変換部３２５で得られるパルス波形のサンプル値を入力として、遅延プロファイルを生成する。図４を用いて前述したように、一定の時間分解能でシフトさせながら相関受信する、所謂スライディング相関処理により、遅延プロファイルを算出することができる。
【００６６】
初期状態おいて、リーダ３００は、タグフレーム４００−１，４００−２を受信するため、ＩＤ検出モードに設定されている。タグフレーム４００−１，４００−２は、リーダ３００がフレーム同期を確立するためのプリアンブル部と、タグＩＤのビット列からなるデータ部で構成される。よってリーダ３００では、タグフレーム４００−１，４００−２との同期確立のため、相関受信によるプリアンブル検出が必要となる。
【００６７】
相関受信部３３０は、タグフレーム長分の受信データを内部メモリに記憶させておき、その受信データを時間シフトさせながら、タグ２００のパルス送信周期でタグフレーム４００−１，４００−２のプリアンブル部のビット数分を加算平均して、遅延プロファイルを算出する。この遅延プロファイルのピーク値は、プリアンブルのビット数分の、例えば３２ビット分の拡散利得が確保されている。
【００６８】
タグＩＤ検出部３４０は、相関受信部３３０で取得されたプリアンブル部に対する遅延プロファイルのピーク値に基づいて、タグフレーム４００−１，４００−２におけるデータ部の受信タイミングを決定する。加えて、タグＩＤ検出部３４０は、この受信タイミングにおいてＯＯＫ変調されている受信信号を閾値判定して、２値化する。タグフレーム４００−１，４００−２のデータ部は、例えばタグＩＤを含む１２８ビットで構成されており、データ部がパリティチェックビットの付与等により伝送路符号化されたビット列であれば、タグＩＤ検出部３４０は、誤り検出又は誤り訂正の処理を実行する。また、図３に示したように、タグフレーム４００−１とタグフレーム４００−２とを同一フレームとし、同一フレームを２回繰り返すような場合には、２フレーム分同様な処理を実行することで、タグＩＤの検出誤りを低減することができる。タグＩＤ検出部３４０は、タグＩＤの検出結果をモード設定・制御部３５０に出力する。また、タグＩＤ検出部３４０は、グフレーム４００−１，４００−２におけるデータ部の受信タイミングを共通メモリ３６０に出力する。
【００６９】
モード設定・制御部３５０は、タグＩＤ検出部３４０においてタグＩＤが検出された場合、リーダ３００をレーダモードに変更する。つまり、ゲイン調整回路３２２のゲインを最大値に設定すると同時に、前述した送信パターン発生部３１１に対してリーダ３００のＵＷビット列のデジタル信号を出力する。これと同時に、このＵＷビット列のデジタル信号に同期させて、モード設定・制御部３５０は、ＲＦスイッチ３０２を、ＰＡ３１４に接続する。さらに、モード設定・制御部３５０は、相関受信部３３０がスライディング相関処理の実行する際にレーダフレーム長分の受信データを記憶するように相関受信部３３０の設定変更を行う。
【００７０】
前述したように、レーダモードのリーダ３００から送信されるパルス系列１０４は、ＩＲ−ＵＷＢを用いたＵＷのＯＯＫ変調信号であり、パルス系列１０４は、パルス送信周期１００ｎｓとするようなＬｏｗ−Ｄｕｔｙ−ｃｙｃｌｅ信号であり、ＵＷ長分のビット列の信号である。レーダフレーム４１０−１では、パルス系列１０４（パルス系列２０３−１）がバースト送信された後、一定時間の無信号区間４３０−１が設定され、その後は図３に示すように、パルス系列２０３−ｉと無信号区間４３０−ｉ（ｉ＝２，３，…，８０）が一定周期で、例えば２秒間程度繰り返される。
【００７１】
相関受信部３３０は、レーダフレーム長分の受信データをその内部メモリに記憶させておき、その受信データを時間シフトさせながら、リーダ３００のパルス送信周期でレーダフレームのビット数分を加算平均して、遅延プロファイルを算出する。この遅延プロファイルは、例えば１ｎｓの遅延時間分解能で、送信パルス周期である１００ｎｓを最大遅延時間とした電力スペクトラムとなっている。
【００７２】
図３に示したように、レーダモードのリーダ３００は、送信周期２５ｍｓで、レーダフレーム４１０−１，レーダフレーム４１０−２，・・・，レーダフレーム４１０−８０まで、同一フレームを８０回繰り返して２秒間送信する。このレーダフレーム毎に算出される遅延プロファイルは、共通メモリ３６０へと出力されて一時記憶される。したがって、受信信号のドップラシフトに対する電力スペクトラムは、この送信周期毎の時間サンプルを用いてフーリエ変換することで取得できる。この電力スペクトラムの周波数分解能は０．５Ｈｚ、最大周波数は２０Ｈｚとなる。
【００７３】
共通メモリ３６０は、レーダフレーム毎に算出される遅延プロファイルを一時記憶し、記憶した遅延プロファイルを２次元プロファイル推定部３７０に出力する。
【００７４】
２次元プロファイル推定部３７０は、レーダフレームの送信周期２５ｍ毎に得られた遅延プロファイルにおいて、同一遅延時間の電力値を総数８０の時間サンプルとしたＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を実行する。この時間領域から周波数領域への変換処理により、同一遅延時間に対するドップラシフトの電力スペクトラムを推定することができる。ただし、周波数スペクトラム推定は、電力値の時間サンプルに対してその自己相関関数を求めた後にフーリエ変換処理を実行するのが一般的である。したがって、本実施の形態においても、２次元プロファイル推定部３７０が、予め自己相関関数を算出し、その後にＦＦＴ処理を実行することで推定精度を改善できる。ただし、自己相関関数を算出する際の時間サンプル数を８０とする場合、理想的にはその１０倍程度の総サンプル数が必要となり、ここではレーダフレームを８００回繰り返して２０秒間送信することになる。
【００７５】
測距・生体検知部３８０は、２次元プロファイル推定部３７０が生成する遅延時間毎のドップラシフトの電力スペクトラムを入力として、遅延時間に基づく測距と、特定のドップラシフト量に着目した生体検知処理とを実行する。具体的には、図５に示したように、レーダとして使用する周波数が１０ＧＨｚの場合、静止している人からのエコーには呼吸による１Ｈｚ程度のドップラシフト成分が存在する。また、歩行している人からのエコーには呼吸によるドップラシフト成分の他に、歩行速度に依存した、例えば１０Ｈｚ程度のドップラシフト成分が存在する。このような事前知識に基づいて、人体エコーの呼吸による変動成分或いは歩行による変動成分に着目し、測距・生体検知部３８０は、２次元電力スペクトラムから、人体エコーに係わる主成分を検出する。そして、測距・生体検知部３８０は、検出した主成分が示す遅延時間より人体までの測距結果を算出し、ドップラシフトより呼吸或いは歩行に関する生体検知結果を求める。
【００７６】
さらに、測距・生体検知部３８０は、共通メモリ３６０に記憶されているタグＩＤ検出結果を読み出して測距結果と生体検知結果と紐付けした後、センサ情報３９０としてリーダ３００の外部へ出力する。
【００７７】
このように、本実施の形態では、タグ２００は、始めにＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いてタグＩＤを、自発的にバースト送信する。このとき、リーダ３００はタグＩＤ検出モードに初期設定されており、タグ送信波をバースト受信してタグＩＤを検出する。
【００７８】
次に、タグＩＤを検出したリーダ３００はレーダモードへと設定変更され、ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いてリーダユニークワードを周期的且つ間欠的にバースト送信する。このときリーダ３００は、タグ２００を装着した人体で折り返して到来する人体エコーを、既知のリーダＵＷに基づいてスライディング相関受信することで遅延プロファイルを算出する。加えて、リーダ３００はバースト送信周期で算出される遅延プロファイルの離散時間サンプルをフーリエ変換して、ドップラシフト領域の電力スペクトラムも同時に算出する。ここで得られた遅延時間領域とドップラシフト領域の２次元電力スペクトラムを用いて、リーダ３００は、タグ装着者の呼吸変動成分などの生体情報を検知する。
【００７９】
このような方法を用いることにより、リーダ３００は、タグ送信波と人体エコーとを時分割で受信処理するようになるため、各動作モードに応じて受信系のゲインを最適に制御できるようになり、結果として、リーダ３００は、１つの受信系を具備するだけで、ＩＤ検出とレーダの機能とを同時に実現できるようになる。
【００８０】
以上のように、本実施の形態によれば、ＵＷＢ送信部３１０は、ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いて周期的且つ間欠的であって、リーダ３００に固有のユニークワードを示すＵＷ信号を送信し、ＵＷＢ受信部３２０は、タグ２００からバースト送信される信号であって、ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いてタグ２００のタグＩＤを示すＩＤ信号（タグ送信波）と、ＵＷ信号がタグ２００を装着した人体で反射された人体エコーと、を受信し、タグＩＤ検出部３４０は、ＩＤ信号からタグ２００のタグＩＤを検出し、相関受信部３３０は、受信信号の遅延プロファイルを算出し、２次元プロファイル推定部３７０は、遅延プロファイルを用いて遅延時間領域及びドップラシフト領域の２次元電力スペクトラムを算出し、測距・生体検知部３８０は、遅延時間領域及びドップラシフト領域の２次元電力スペクトラムを用いて人体エコーを検出する。ここで、ＵＷＢ送信部３１０は、タグ２００のタグＩＤが検出された後に、ＵＷ信号を送信する。
【００８１】
これにより、タグ２００のタグＩＤを示すＩＤ信号（タグ送信波）を受信する受信期間と、ＵＷ信号がタグ２００を装着した人体で反射された人体エコーとを受信する受信期間とが重ならず、ＵＷＢ受信部３２０を時分割して用いることができるようになる。すなわち、レーダ機能を有するリーダ３００は、ダイオード検波器を用いたＵＷＢ受信処理部を１系統だけ具備することで、タグ２００を持った人に対するＩＤ検出、測距及び当該タグ２００を持った人の生体情報を紐付けて同時に取得できるようになる。
【００８２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、到来方向を推定することができるリーダ装置について説明する。なお、本実施の形態に係るＵＷＢセンサシステム及びタグ装置の構成については、実施の形態１と同様のため説明を省略する。
【００８３】
図９は、本実施の形態に係るリーダの内部構成を示すブロック図である。図９において、図７と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図９の本実施の形態に係るリーダ５００は、図７のリーダ３００に対して、相関受信部３３０に代えて、相関受信部５１０を備え、到来方向推定部５３０を追加した構成を採る。なお、相関受信部５１０は、相関受信部３３０と同様に受信信号の遅延プロファイルを算出する。また、実施の形態１で説明したように、リーダ３００は、ＩＤ検出、測距及び生体検知の機能を有し、到来時間（受信タイミング）を推定する。そこで、以下では、リーダ３００と同様の構成を有する構成部を、到来時間推定部５２０として説明する。到来時間の推定方法については後述する。
【００８４】
到来方向推定部５３０は、アンテナ５３１−１〜５３１−４、受信処理部５４０、相関行列算出部５５０及び到来方向演算部５６０を有し、リーダ５００が、人１００又はタグ２００の存在する方向を推定する。
【００８５】
リーダ５００より送信され人１００で反射された人体エコーのＩＲ−ＵＷＢ信号は、到来方向推定部５３０におけるアレーアンテナを構成する４本のアンテナ５３１−１〜５３１−４で受信される。ただし、到来電波の方向を２次元推定する、つまりアジマス（Azimuth）及びエレベーション（Elevation）を同時推定するためには、アレーアンテナを構成するアンテナを３本以上の平面配置とする必要がある。そこで、本実施の形態では、アンテナ数を４本として説明している。
【００８６】
アンテナ５３１−１〜５３１−４は、ＩＲ−ＵＷＢ帯域の一部の帯域を受信する狭帯域のアンテナである。電波の到来方向を推定する際には、基本原理として各アンテナ系統間の位相誤差が到来方向推定の推定結果誤差となるため、アンテナ系統間の位相誤差をキャリブレーション等により所望誤差範囲内に管理する必要がある。このため、ＵＷＢのような広帯域信号においては、広帯域すべての帯域で位相精度を管理する必要があり、この実現には困難が伴う。
【００８７】
狭帯域信号として最も簡易な例としては、ＩＲ−ＵＷＢ信号に含まれる単一連続波（以下、「ＣＷ：Continuous Wave」という）信号を用いることができる。ＩＲ−ＵＷＢ方式におけるＵＷＢ信号は、送信側の水晶発振回路で発振される周波数のエッジ信号がバンドパスフィルタを通過することにより生成される。ＩＲ−ＵＷＢ信号は、例えば、水晶発振子の周波数が１０ＭＨｚであるとすれば、マイクロ波ＵＷＢ下帯域３．４〜４．８ＧＨｚ又はＵＷＢ上帯域７．２５〜１０．２５ＧＨｚに１０ＭＨｚ間隔のＣＷが並ぶ信号と考えることができる。従って、本実施の形態において、例えばＩＲ−ＵＷＢ信号を１０ＧＨｚのＣＷとして扱い、アレーアンテナを構成する各アンテナ５３１−１〜５３１−４の中心周波数を１０ＧＨｚの周波数に設定することができる。
【００８８】
尚、上記はマイクロ波ＵＷＢの使用を想定しているが、本実施の形態におけるＵＷＢセンサシステムは、ＩＲ−ＵＷＢの無線周波数帯として準ミリ波の２５ＧＨｚ帯やミリ波の６０ＧＨｚ帯／７７ＧＨｚ帯を使用することも可能である。
【００８９】
各アンテナで受信された信号は、ＲＦスイッチ５３２−１〜５３２−４を用いた数ｎｓ〜十数ｎｓ程度の受信時間の窓掛け処理が実行される。この窓掛け処理は、相関受信部５１０により抽出されるレーダフレーム４１０−１の受信タイミングを用いて、ＲＦスイッチ５３２−１〜５３２−４をＯＮ／ＯＦＦ制御することを意味している。つまり、本実施の形態の形態では、相関受信部５１０は算出される遅延プロファイルに基づいて所望パルスを特定して受信タイミングを決定し、ＲＦスイッチ５３２−１〜５３２−４に対して受信時間の窓掛けをするタイミング制御信号７２００〜７１０−４を出力する。
【００９０】
また、相関受信部５１０が、タグフレーム４００−１，４００−２の同期タイミングを用いて、ＲＦスイッチ５３２−１〜５３２−４をＯＮ／ＯＦＦ制御することも可能である。この場合、相関受信部５１０は、タグフレーム４００−１，４００−２のプリアンブル部の検出タイミングを受信タイミングとして、同様のタイミング制御信号７２００〜７１０−４を生成する。これにより、ＲＦスイッチ５３２−１〜５３２−４は、タグフレーム４００−１，４００−２のデータ部を受信する際には、プリアンブル部の検出タイミングに基づいた窓掛け処理が実行されるようになる。
【００９１】
アンテナ５３１−１〜５３１−４の受信信号は、例えば数ｎｓの受信時間窓を掛けられて、後段の受信処理部５４０に出力される。
【００９２】
受信処理部５４０は、ＬＮＡ５４１−１〜５４１−４、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５４２−１〜５４２−４、ダウンコンバータ５４３−１〜５４３−４、及び、Ａ／Ｄ変換部５４４−１〜５４４−４を有する。
【００９３】
ＲＦスイッチ５３２−１〜５３２−４により窓掛けされた受信信号は、ＬＮＡ５４１−１〜５４１−４により増幅され、バンドパスフィルタ５４２−１〜５４２−４へと出力される。
【００９４】
窓掛けされた受信信号は、バンドパスフィルタ５４２−１〜５４２−４を通過して干渉除去された後、ダウンコンバータ５４３−１〜５４３−４でＩＦ（Intermedeate Frequency）信号又はＩＱ（In-Phase/Quadrature-Phase）ベースバンド信号に変換される。ＩＦ信号としては、例えば１０ＭＨｚのＩＦ信号に変換する。この場合、ローカル信号は４ＧＨｚ／８ＧＨｚの上方又は下方１０Ｍｚ離れた信号であり、近接したイメージを除去するためにイメージリジェクションミキサを用いることが望ましい。ＩＱベースバンド信号に変換される場合には、イメージ信号が無いため遮断周波数５ＭＨｚ程度のベースバンドフィルタにより隣接ＣＷ信号がカットされる。
【００９５】
ダウンコンバータ５４３−１〜５４３−４で生成されたＩＦ信号又はＩＱベースバンド信号は、Ａ／Ｄ変換部５４４−１〜５４４−４へ入力され、デジタル信号に変換されて相関行列算出部５５０へ入力される。
【００９６】
Ａ／Ｄ変換部５４４−１〜５４４−４は、これら４系統のＩＦ信号又は８系統のＩＱベースバンド信号を入力とし、離散時間サンプル値であり各アンテナ５３１−１〜５３１−４に対応付けられた４系統又は８系統のデジタル信号へと変換する。
【００９７】
相関行列算出部５５０は、アレーアンテナを構成する各アンテナ５３１−１〜５３１−４の受信信号に基づいた相関行列ＲＸＸを算出する。つまり、アンテナ５３１−１〜５３１−４に対応付けられたデジタル信号を用いてアレーアンテナに対する相関行列ＲＸＸを算出する。
【００９８】
パルスがＯＯＫ方式のＩＲ−ＵＷＢの場合には、信号がＤＣ成分を持つため、一般的には、相関行列から信号平均成分を減算する共分散を算出する。また、パルスがバイフェーズ方式のＩＲ−ＵＷＢの場合には、信号はＤＣ成分を持たないため、一般的には、相関行列を用いてもよい。相関行列又は共分散行列は相関行列算出部５５０内のメモリに蓄積される。
【００９９】
さらに、到来方向演算部５６０は、この相関行列ＲＸＸを入力として、例えばＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）法に必要となる行列の固有値分解又はアレーマニホールドとの内積に係わる処理を実行して、到来電波の方向推定結果を出力する。ただし、方向推定に用いるアルゴリズムは、ＭＵＳＩＣ法以外にも、ビームフォーマー（Beamformer）法、ＣＡＰＯＮ法等が有用であるが、本実施の形態ではこれらアルゴリズムを限定するものではない。なお、ビームフォーマー法、ＣＡＰＯＮ法等の推定アルゴリズムは、非特許文献４に詳しく記載されている。
【０１００】
ところで、方向推定された到来電波は、図３に示したように、人体エコーのパルス系列１０６若しくはタグ送信波のパルス系列１０２のいずれかである。アレーアンテナが、これらのＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を受信する際に、レーダフレーム若しくはタグフレームの相関受信において決定された受信タイミングを用いて、数ｎｓ〜十数ｎｓ程度の受信時間の窓掛け処理が実行されている。この窓掛け処理は、本発明のＵＷＢセンサシステムが想定する屋内伝搬環境ではその存在を無視できないマルチパスから、所望パスとして特定のＩＲ−ＵＷＢのパルス信号を切り出して受信できるようしている。つまり、このような窓掛けをしない場合には、多数のマルチパスが同時に受信される。この場合は、それら多数の到来電波を分離して方向推定するためには、原理的にマルチパス数よりも多くのアンテナを必要とする。
【０１０１】
したがって、本実施の形態に係るリーダ５００は、ＩＲ−ＵＷＢの受信信号を相関受信してその遅延時間推定により受信タイミングを決定する機能と、アレーアンテナにおけるＩＲ−ＵＷＢの受信信号を狭帯域化して位相検出するようにした到来電波の方向推定の機能とを同時に有することで、少ないアンテナ数で高精度なＩＲ−ＵＷＢの到来方向推定を実現している。
【０１０２】
以上のように、本実施の形態によれば、相関受信部５１０は、遅延プロファイルに基づいてパルス系列の受信タイミングを調整するタイミング制御信号を生成する。そして、ＲＦスイッチ５３２−１〜５３２−４は、タイミング制御信号を用いてアレーアンテナ５３１−１〜５３１−４の受信時間窓を制御し、受信処理部５４０は、ＲＦスイッチ５３２−１〜５３２−４を介した各受信信号を狭帯域化してサンプリング処理し、相関行列算出部５５０は、受信処理部５４０で得られるサンプリング信号を用いてアレーアンテナ５３１−１〜５３１−４に対する相関行列を算出し、到来方向演算部５６０は、相関行列を用いて受信時間窓において到来したパルス系列の方向を推定する。
【０１０３】
これにより、リーダ５００は、タグ２００のＩＤ検出に加えて、人１００若しくはタグ２００が存在する２次元方向も推定できるようになる。そのため、本実施の形態に係るＵＷＢセンサシステムは、実施の形態１で示したタグ２００を保有する人１００の測距及び生体情報検知の機能を合わせれば、タグＩＤ検出、３次元測位及び生体情報検知を同時に実現していることになる。
【０１０４】
（実施の形態３）
本実施の形態では、ＵＷＢセンサシステムを構成する無線タグが、リーダからのビーコン信号を受信した場合にのみタグＩＤ信号を再放射パルスとして送信する電池駆動型のセミパッシブタグの場合について説明する。具体的には、本実施の形態では、セミパッシブタグを用いた場合において、リーダがタグ送信波と人体エコーとを、１つのＵＷＢ受信系を用いて同時に検出できるようにするための制御方法について説明する。
【０１０５】
図１０は、本実施の形態に係るセミパッシブタグ６００を用いたＵＷＢセンサシステムの全体構成を示す図である。図１０において、セミパッシブタグ６００は、リーダ７００から連続的若しくは周期的に発信されるＩＲ−ＵＷＢのビーコン信号を受信する。このビーコン信号は、例えば図３に示したレーダフレーム４１０−１〜４１０−８０に含まれるパルス系列１０４であり、間欠的且つ周期的にバースト送信される。
【０１０６】
本実施の形態に係るリーダ７００の内部構成は、実施の形態１に係るリーダ３００又は実施の形態２に係るリーダ５００と同様であるため、説明を省略する。なお、本実施の形態に係るリーダ７００において、ＵＷＢ送信部３１０は、ＵＷ信号に加えて、ビーコン信号を送信する。
【０１０７】
図１１は、本実施の形態に係るセミパッシブタグ６００の内部構成を示すブロック図である。
【０１０８】
セミパッシブタグ６００は、アンテナ６１０、サーキュレータ６２０、受信部６３０、制御部６４０及びＩＤ送信部６５０を有する。
【０１０９】
受信部６３０は、ＬＮＡ６３１、検波器６３２、コンパレータ６３３及び受信電力推定部６３４を有する。
【０１１０】
ＬＮＡ６３１は、アンテナ６１０において受信され、サーキュレータ６２０を介したＩＲ−ＵＷＢ信号を増幅し、する。このＬＮＡ６３１における増幅度は、後段の検波器６３２及びコンパレータ６３３が作動するに十分な増幅度を有する。
【０１１１】
検波器６３２は、増幅されたＩＲ−ＵＷＢ信号に対してダイオードを用いて包絡線検波し、包絡線検波後の信号をコンパレータ６３３及び受信電力推定部６３４に出力する。
【０１１２】
コンパレータ６３３は、包絡線検波後の信号をデジタル２値化する。デジタル２値化された信号により、セミパッシブタグ６００から再放射される送信パルスの信号生成タイミングが生成される。コンパレータ６３３は、生成した信号生成タイミングを制御部６４０に出力する。なお、デジタル２値化された信号に基づいて、セミパッシブタグ６００は、リーダＵＷを検出することができる。
【０１１３】
受信電力推定部６３４は、包絡線検波後の信号を用いて、受信信号電力を推定する。
【０１１４】
このようにして、受信部６３０は、リーダ７００からのパルス系列を受信し、受信電力推定、リーダ７００のＵＷ（Unique Word）検出等の処理を実行する。
【０１１５】
制御部６４０は、受信部６３０で取得された情報に基づいて、送信タイミング及び送信電力を制御するための送信タイミング制御信号及び送信レベル制御信号を生成する。なお、制御部６４０における制御信号の生成方法については、後述する。
【０１１６】
ＩＤ送信部６５０は、バッファアンプ６５１、ステップリカバリダイオード６５２、及び、バンドパスフィルタ６５３を有する。
【０１１７】
バッファアンプ６５１は、制御部６４０からの送信タイミング制御信号、タグＩＤビット列、及び、送信レベル制御信号を入力とする。バッファアンプ６５１は、タグＩＤ（複数ビットからなる）の各ビットが１か０かに応じて、フレーム周期でＯＮ／ＯＦＦ切り替えがされる。なお、フレーム開始タイミングは、制御部６４０からの送信タイミング制御信号に基づく。これにより、コンパレータ出力にタグＩＤが重畳される。また、バッファアンプ６５１は、制御部６４０からの送信レベル制御信号に応じて、増幅度を設定する。
【０１１８】
ステップリカバリダイオード６５２は、バッファアンプ６５１の出力の下がりエッジの場合に電流が貫通してインパルスを生成する。
【０１１９】
バンドパスフィルタ６５３は、ステップリカバリダイオード６５２により生成されたインパルスが、ＵＷＢのスペクトルマスクを満たすように帯域制限する。
【０１２０】
帯域制限後のインパルスは、サーキュレータ６２０を介してアンテナ６１０より放射される。
【０１２１】
このようにして、ＩＤ送信部６５０は、送信タイミング制御信号及び送信レベル制御信号に基づいて、タグＩＤの送信タイミング及び送信電力を調整して、ＩＲ−ＵＷＢのＩＤ信号（タグ送信波）を送信する。この送信されるＩＤ信号（タグ送信波）は、例えば図３に示したタグフレーム４００−１，４００−２のパルス系列であり、２フレーム分が連続送信される。
【０１２２】
図１２は、本発明の実施の形態３に係るセミパッシブタグ６００の制御方法を説明するための図であり、リーダ７００で受信されるセミパッシブタグ６００からの再放射パルスと人体からの反射パルスとの到来時間差を示している。ここで、再放射パルスとは、セミパッシブタグ６００のタグＩＤを示すＩＤ信号（タグ送信波）である。
【０１２３】
図１２に示すように、セミパッシブタグ６００からの再放射パルスは、制御部６４０によって送信タイミングを制御することで、人体からの反射パルスに対して到来時間に一定の遅延が与えられた上で、リーダ７００が受信できるようになる。また、制御部６４０は、送信電力も同時に制御するため、リーダ７００においては、セミパッシブタグ６００からの再放射パルスと人体からの反射パルスとを同程度の受信電力とすることができる。
【０１２４】
具体的には、制御部６４０は、受信部６３０の受信電力推定部６３４で取得された受信電力推定結果に基づいて、再放射パルスの送信電力を制御するための送信レベル制御信号を生成する。また、制御部６４０は、数ｎｓ〜数十ｎｓ程度の遅延を与えた送信タイミングを決定し、決定した送信タイミングに応じた送信タイミング制御信号をＩＤ送信部６５０に出力する。これにより、セミパッシブタグ６００からは、送信タイミング及び送信電力が制御されたタグフレームが送信されるようになる。
【０１２５】
このように、制御部６４０が、セミパッシブタグ６００の送信タイミング及び送信電力を制御することにより、セミパッシブタグ６００からの再放射パルス（タグ送信波）と人体からの反射パルスとが、所要の遅延時間差で、且つ同程度の受信電力で受信されるようになる。したがって、再放射パルス（タグ送信波）と人体エコーの受信電力差が小さくなり、リーダ７００は、ＵＷＢ受信部３２０におけるダイオード検波器のダイナミックレンジの制約を受けずに、タグ送信波及び人体エコーを受信することができるようになる。更に、制御部６４０により、タグ送信波の送信タイミングが制御されることにより、遅延プロファイル上で、タグ送信波と人体エコーとを十分に分離することができる到来時間差が与えられるようになる。
【０１２６】
以上のように、本実施の形態によれば、リーダ７００は、ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いてビーコン信号を送信し、セミパッシブタグ６００は、ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いてセミパッシブタグ６００のＩＤを示すＩＤ信号をバースト送信するＩＤ送信部６５０と、ビーコン信号を受信する受信部６３０と、受信部６３０がビーコン信号を受信した場合に、ビーコン信号の受信電力に基づいて、ＩＤ信号の送信電力を制御する制御部６４０とを有するようにした。これにより、セミパッシブタグ６００から送信されるタグＩＤの送信電力を制御することができるため、タグ送信波及び人体エコーの受信電力がリーダのＵＷＢ受信系のダイナッミクレンジ内に収めることができる。この結果、リーダ７００は、１つの受信系を用いて、レーダの人体検知距離を数メートル程度確保しつつ、無線タグのＩＤを取得することができるようになる。
【０１２７】
なお、以上の説明では、リーダ７００から連続的若しくは周期的に発信されるビーコン信号が、インパルスＵＷＢを用いたリーダＵＷのＯＯＫ変調信号である場合について説明したが、これに限られない。ビーコン信号は、周期的にバースト送信されればよい。
【０１２８】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態３と同様に、ＵＷＢセンサシステムを構成する無線タグが、セミパッシブタグの場合について説明する。本実施の形態に係るＵＷＢセンサシステムの全体構成は、図１０と同様である。なお、本実施の形態に係るセミパッシブタグは、ＩＲ−ＵＷＢのエコーバック方式を用いる。
【０１２９】
始めに、ＩＲ−ＵＷＢのエコーバック方式について説明する。
【０１３０】
エコーバック方式では、タグは、リーダから連続的に送信されるパルス系列を受信し、受信したパルス系列に端末自身のＩＤ情報を重畳した上で、パルス系列を再放射パルスとして送信する。この再放射パルスを送信する際には、タグは、あたかも単パルスに対する反射体のように動作するため、結果として、リーダの基準クロックに同期したパルス系列がタグから送信される。このように、エコーバック方式では、タグ内部で基準クロックを再生する必要がないため、タグから送信される再放射パルスの送信タイミングを安定させることができる。つまり、実施の形態３では、図１１に示すように、セミパッシブタグ６００が、送信タイミング制御信号及び送信レベル制御信号を生成する制御部６４０を具備するのに対し、本実施の形態では、タグがエコーバック方式を用いるため、後述するように制御部６４０Ａは、送信タイミングを一定とし、且つ、送信電力を制御するための制御信号を生成しているのと等価である。
【０１３１】
図１３は、エコーバック方式を説明するための図であり、ＩＲ−ＵＷＢを用いたタグＩＤ信号の送信フレーム構成を示している。
【０１３２】
タグは、アンテナで受信したパルス系列を増幅し、増幅されたパルス系列を再放射する。このとき、再放射されるパルス系列には、タグＩＤが重畳されている。例えば、タグＩＤ（複数ビットからなる）の各ビットが１か０かに応じて、タグ内の増幅器をフレーム周期でＯＮ／ＯＦＦ切り替えすることで、フレーム周期でＡＳＫ変調されたビット列としてタグＩＤを重畳することができる。ただし、１つのフレームは、例えば１２８ビットからなる、リーダ固有のＵＷに基づいてＯＯＫ変調されたパルス系列である。このようにして、タグは、単パルスに対する反射体のように動作するとともに、パルス系列に自己のＩＤ情報を重畳して再放射する。
【０１３３】
リーダは、タグから再放射されたパルス系列を受信し、既知のＵＷとのスライディング相関の受信処理を実行する。このような相関受信は、ＵＷの長さに応じた符号化利得を確保できる。
【０１３４】
以上のように、タグが受信パルスをエコーバックしてＩＤ情報を伝送する方式を用いることで、リーダは、相関受信により得られた相関値を用いてタグ折り返し波の到来時間を推定できる。つまり、リーダは、リーダとタグとの間の距離を測定できるようになる。この到来時間推定処理は、リーダがパルス系列を送信した時刻を基準にして、タグで受信されたパルス系列が再放射され、再びリーダで受信される時刻までの経過時間を推定することを意味する。この到来時間推定結果及び光速に基づいて、リーダからタグまでの距離を算出できる。
【０１３５】
さらに、リーダは、タグから再放射されたパルス系列のビット判定をすることにより、各パルス系列に重畳されたタグＩＤを検出する。
【０１３６】
このような本実施の形態４において前提としているエコーバック方式では、リーダから送信されたＩＲ−ＵＷＢ信号を、タグが、あたかも物体で反射されるかのように再放射することで、遅延時間推定の精度を保証している。そのため、１台のリーダで無線タグの測距可能であり、かつ、測距精度も高い。
【０１３７】
本実施の形態に係るリーダ８００の内部構成は、実施の形態２に係るリーダ５００と同様であるため、説明を省略する。なお、本実施の形態係るリーダ８００において、ＵＷＢ送信部３１０は、ＵＷ信号に加えて、ビーコン信号を送信する。また、後述するように、到来時間推定部５２０は、後述するセミパッシブタグ６００Ａの内部処理遅延を推定し、推定した内部処理遅延量を用いて、セミパッシブタグ６００Ａに対する到来時間推定結果に対して補正処理を実行する。
【０１３８】
図１４は、本実施の形態４に係るセミパッシブタグの内部構成を示すブロック図である。図１４において、図１１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図１４の本実施の形態に係るセミパッシブタグ６００Ａは、図１１のセミパッシブタグ６００に対して、制御部６４０に代えて、制御部６４０Ａを備える。
【０１３９】
制御部６４０Ａは、制御部６４０と同様に、受信部６３０の受信電力推定部６３４で取得された受信電力推定結果に基づいて、再放射パルスの送信電力を制御するための送信レベル制御信号を生成する。制御部６４０Ａは、生成した送信レベル制御信号をバッファアンプ６５１に出力する。
【０１４０】
以上のように構成されたセミパッシブタグ６００Ａを用いたＵＷＢセンサシステムにおいても、図１２に示したように、セミパッシブタグ６００Ａからの再放射パルスと人体からの反射パルスとの間に、セミパッシブタグ６００Ａの内部処理遅延量に応じた到来時間差が生じる。言い換えれば、この到来時間差がセミパッシブタグ６００Ａの内部処理遅延量を示していることになる。つまり、セミパッシブタグ６００Ａの内部処理遅延量は、人体からの反射パルスの到来時間を用いて推定可能であることを示している。
【０１４１】
したがって、リーダ８００の到来時間推定部５２０は、この推定された内部処理遅延量を用いてセミパッシブタグ６００Ａに対する到来時間推定結果に対して補正処理を実行する。具体的には、２次元プロファイル推定部３７０は、再放射されたビーコン信号と、ビーコン信号がセミパッシブタグ６００Ａを装着した人体で反射された人体エコーとの遅延時間差を用いて２次元電力スペクトラムを補正する。また、後述するように、測距・生体検知部３８０は、補正後の２次元電力スペクトラムに基づいて、セミパッシブタグ６００Ａまでの距離を測距する。
【０１４２】
このように、エコーバック方式のセミパッシブタグを用いる場合に、セミパッシブタグ６００Ａの再放射パルス及びセミパッシブタグ６００Ａの装着者の人体からの反射パルスを利用して、セミパッシブタグ６００Ａにおいても避けられない内部処理遅延を、測距処理を実行するリーダ側において補正できるようになる。
【０１４３】
以上のように、本実施の形態では、セミパッシブタグ６００Ａは、ＩＲ−ＵＷＢのパルス系列を用いてリーダ８００から送信されるビーコン信号にタグＩＤを重畳し、タグＩＤが重畳されたビーコン信号を再放射する。また、リーダ８００において、２次元プロファイル推定部３７０は、再放射されたビーコン信号と、ビーコン信号がセミパッシブタグ６００Ａを装着した人体で反射された人体エコーとの遅延時間差を用いて２次元電力スペクトラムを補正し、測距・生体検知部３８０は、補正後の２次元電力スペクトラムに基づいて、セミパッシブタグ６００Ａまでの距離を測距する。これにより、リーダ８００側で、温度変化等によって生じるセミパッシブタグ６００Ａの内部処理遅延量の変動も吸収できるようになり、タグ測距の精度保証を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明に係るＵＷＢセンサシステム及びリーダ装置は、リーダが無線タグを持った人のＩＤ、位置及びその生体情報を紐付けて取得でき、危険を伴う作業環境における安全確保や健康管理の用途等として特に有用である。また、家庭内或いは病院等において、睡眠時の無呼吸状態をモニタするといったような医療用途にも応用することができる。
【符号の説明】
【０１４５】
１００  人
１０１  什器
２００  タグ
２２０、６５０  ＩＤ送信部
２２１  ＵＷＢパルス発生部
２２２、３１４  増幅器
３００、５００、７００、８００  リーダ
２１０、３０１、５３１−１〜５３１−４、６１０  アンテナ
３０２、５３２−１〜５３２−４  ＲＦスイッチ
３１０  ＵＷＢ送信部
３１３、５４２−１〜５４２−４、６５３  バンドパスフィルタ
３１２  ＳＲＤ回路
３１１  送信パターン発生部
３２０  ＵＷＢ受信部
３２１、５４１−１〜５４１−４、６３１  ＬＮＡ
３２２  ゲイン調整回路
３２３  検波回路
３２４  信号整形回路
３２５、５４４−１〜５４４−４  Ａ／Ｄ変換部
３３０、５１０  相関受信部
３４０  タグＩＤ検出部
３５０  モード設定・制御部
３６０  共通メモリ
３７０  ２次元プロファイル推定部
３８０  測距・生体検知部
３９０  センサ情報
５２０  到来時間推定部
５３０  到来方向推定部
５４０  受信処理部
５４３−１〜５４３−４  ダウンコンバータ
５５０  相関行列算出部
５６０  到来方向演算部
６００、６００Ａ  セミパッシブタグ
６２０  サーキュレータ
６３０  受信部
６３２  検波器
６３３  コンパレータ
６３４  受信電力推定部
６４０、６４０Ａ  制御部
６５１  バッファアンプ
６５２  ステップリカバリダイオード
【図１】
2011145111.tif 000003
【図２】
2011145111.tif 000004
【図３】
2011145111.tif 000005
【図４】
2011145111.tif 000006
【図５Ａ】
2011145111.tif 000007
【図５Ｂ】
2011145111.tif 000008
【図６】
2011145111.tif 000009
【図７】
2011145111.tif 000010
【図８】
2011145111.tif 000011
【図９】
2011145111.tif 000012
【図１０】
2011145111.tif 000013
【図１１】
2011145111.tif 000014
【図１２】
2011145111.tif 000015
【図１３】
2011145111.tif 000016
【図１４】
2011145111.tif 000017