MIMO モーション・ドップラレーダによる人物の行動追跡に関する研究
Human motion tracking by using MIMO Doppler radar

１．序論
本研究では、屋内マルチパス環境下において、人物の検出および行動追跡を行う高分解能なレーダを開発することが目的である。レーダの距離分解能は周波数帯域幅、角度分解能はアレー長（素子数）により決まり、広帯域かつ多素子アレーであるほど高い分解能特性が実現できる。しかしながら、周波数利用の制限や

山田 寛喜 (Hiroyoshi YAMADA, Dr. Eng.)

ハードウェアコストなどの問題により、所望の特性を新潟大学 工学部工学科 知能情報プログラム 教授実現することは必ずしも容易ではない。特にアレー長(Professor, Faculty of Engineering, Niigata University)（素子数）の制約が厳しく、現時点での実用化のため

電子情報通信学会 IEEE
受賞：IEEE Tokyo Chapter "Young Engineer Award" (1991 年) 電子情報通信学会 学術奨励賞 (1998 年) 電子情報通信学会 論文賞(2009 年) 電子情報通信学会 喜安善市賞 (2009 年) 電子情報通信学会通信ソサイエティ チュートリアル論文賞 (2009 年) 総務省信越総合通信局長表彰 (2015 年)
研究専門分野：アレー信号処理 レーダ信号処理 アンテナ・電波
伝搬 マイクロ波リモートセンシングには 4 素子程度の受信アレーでのシステムでの実現がカギとなる。本研究では、この問題点を解決するため、
送 信 素 子 を 多 素 子 化 し た MIMO （ Multiple-InputMultiple-Output）アレーレーダとすることによる実効 的な開 口 長の増 加に加え、さらに カトリ ・ラオ（Khatri-Rao、以下 KR）仮想アレー処理を導入することによる飛躍的な角度分解能特性の向上を実現し、あらまし

安心・安全社会実現の基盤システムの一つ

人物の行動追跡において、その効果を実証することをとして、センサが果たす役割は大きい。その一例とし主目的としている。て、高齢者や幼児の見守りシステムが挙げられる。こなお、屋内マルチパス環境下では、部屋の壁面や什のようなシステムでは、一般に光学カメラが用いられ器からの反射波のため、ターゲットである人物からのているが、プライバシーなどの観点から、その設置が反射波を識別することが困難となる場合も多い。しか好ましくない場合も多い。そのような場合の代替シスしながら、マイクロ波、ミリ波帯でのレーダは、人物テムとして、この研究では、電波を用いたセンシングのわずかな動きにより生じる周波数偏移、すなわち、システム、すなわちレーダの応用を検討した。光学カドップラ周波数の検出も可能である。その性質を利用メラのような画像とは異なり、レーダは距離および方し、壁面や什器からの反射波を抑圧し、人物検出精度位を推定し映像化する。このとき、距離分解能は使用を改善し、さらに追尾フィルタの導入により、行動追する周波数帯域幅、方位分解能はアンテナアレー長に跡精度の改善を図り、5GHz 帯での 100MHz 程度の周より制限される。この制約の下で、如何に高分解能化波数幅であっても、複数人物の行動追跡を可能とするするかが人物の行動追跡を実現するレーダを開発するシステムが実現されることを実証する。

カギとなる。
本研究では、(1) MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）

２．関連研究アンテナに、さらにカトリ・ラオ（Khatri-Rao）仮想

壁面や様々な什器のある屋内でのレーダ応用では、アレー化技術を導入することにより、角度分解能を向多数の反射波が生じ、ターゲットである人物からの反上すること、その手法が距離分解能向上にも利用でき射波の識別、さらには検出自体が困難となる場合も多ること、(2) 最適な送受信アンテナ配置、(3) 追尾フィい。ここで検討しているマイクロ波（あるいはミリ波）

ルタを用いた行動追跡の実現について検討した。本研

帯のレーダは、数 cm から数 mm の波長の電波を用い究における実験システムは、マイクロ波帯での検討でるため、人物のわずかな変位においても受信信号の位あるが、近年急速に普及が進んでいるミリ波帯におい相変化が生じ、それに伴うドップラ周波数の検出が可ても、応用可能なものである。

能となる。この微小なドップラ周波数偏移の検出は、
1

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様々な応用研究が報告されており[1]、本研究でも、マ波を観測するため、一般には仮定が成立しないが、本

ルチパス波抑圧において、このマイクロ・ドップラ検研究で想定する動きのあるターゲットにおいては、出を利用している。

個々のターゲットが独立な動きにより生じる独立なドップラ周波数偏移により、個々の反射波間の相関が大きな問題である角度分解能特性の改善に関しては、近年、通信分野で大容量通信を実現する方式として広低下する。したがって、十分な観測時間を確保すれば，く利用されている MIMO をレーダに応用した方式に仮想アレー手法の適用が可能となる。

着目した[2]。この方式を利用することにより、 Nt 素

一方、MIMO レーダは、複数の異なる送信アンテナ子の送信アンテナと Nr 素子の受信アンテナを用いたからの反射波を利用して、仮想的に受信素子数およびレーダにおいて、Nt×Nr 素子相当のアレー長の角度実効アレー長を増加させるレーダ技術である。この場分解能が実現される。

合、同時送信の場合は独立な送信信号を用いるが、時さて、受信のみを行うアレーアンテナにおける波源分割（交互）送信し疑似的な MIMO を実現する場合もの到来方向（Direction-of-Arrival, DOA）推定の研究多い。ここで各送信信号における受信信号に着目する

では、限られた素子数で高分解能な角度推定を行う手と、前述の仮想アレー問題と等価であることがわかる。

法として、不等間隔アレーによる様々な仮想アレー技すなわち、MIMO レーダにさらに仮想アレー技術を導術が研究されている。古くから知られている

入した多素子化、高分解能化が可能となるといえる[6]。

Minimum Redundancy Array（MRA）[3]や、近年盛図 1 が送信素子数を 2 素子とした場合において、受んに研究されているカトリ・ラオ仮想アレー[4][5]（あ信素子数を 2～8 と変化させたときの実現可能な仮想

るいは Co-prime array）などが代表的な研究である。

アレー素子数である。
ここでは、生成される仮想アレー

しかしながら、これらの技術は、到来波が無相関（独の導出では様々なレーダ信号処理手法が適用できるよ立な波源）であることを前提としており、単一波源かう、その仮想アレーが等間隔リニアアレー（Uniformらの反射波を観測するレーダにおける応用の検討はほLinear Array, ULA）とする制限を加えている。

とんどなく、さらに高度な MIMO に融合した検討はなされていない。MIMO レーダにおいては、送信アンテナの配置を含めた最適設計を行うことで、飛躍的に多素子の仮想アレーの実現が可能となることが期待できるのもといえる。
３．研究の方法
本研究の主要な柱は、MIMO レーダの高分解能化に関する理論的研究、および本研究で構築した MIMOドップラレーダシステムによる屋内マルチパス環境下での実証実験の 2 つである。以下、それぞれの主な成果を概説する。
図１
３.１ 仮想アレー手法を用いた MIMO レーダのMIMO 仮想アレーレーダにおける最大仮想アレー素子数（送信素子数 2）

高分解能化
アレーアンテナにおいて、多素子化および実効アレー長の拡張を実現する仮想アレー手法は、前節で述

図 1 の ULA は、受信アレー自体を等間隔リニアアレーべたように、独立な波源からの無相関な到来波の分離とした場合の結果であり、これが従来の MIMO レー推定を仮定している。レーダは同一の送信信号の反射ダの結果である。この場合、送信素子数×受信素子数
2

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相 当 の ア レ ー 長 が 実 現 さ れ る 。 同 図 の MRA

数が 4 素子の場合、従来の MIMO レーダでは 8 素子（Restricted Array）および MRA（General Array）相当となるが、MIMO レーダにおいて仮想アレー技術

は、受信アレーを不等間隔な MRA とした場合の結果を導入することにより、39 素子相当、すなわち、アレーであり、Restricted array は、すべての素子が連続し長を約 5 倍に拡張できることがわかる。表 2 は、本研

た ULA となる場合の最大素子数であり、General

究で明らかにした最適アレー配置（Proposed）の場合

array は、生成された仮想アレーにおいて連続するの素子配置と、仮想アレー素子数である。例えば、受ULA が最大となるよう解析した結果、すなわち、一部

信素子数を 8 素子とすると、157 素子相当まで仮想素に欠落素子が生じることを認めたうえで、連続する子数を増加することが可能となる。なお、この場合、ULA 部分を抜き出したものである。この結果から分か

従来の MIMO レーダでは 16 素子、MRA（Generalるように、受信素子数の増加に応じて飛躍的に多くのarray）では 147 素子である。さらなる詳細に関して仮想素子数が実現可能となる。これらの MRA の解析

は、文献[7]を参照されたい。

結果は、受信アレーの配置を従来研究[3]-[5]の成果を仮想アレー技術は、アレーアンテナのように空間的に用いて選択し、送信アンテナの配置を最適化したもの、配置されたもののみならず、様々なアレーデータに対すなわち、部分的な最適化といえる。同図の Proposed

して適用可能となる。
例えば、ステップ周波数レーダ、は、送信、受信アンテナの全ての配置の最適化を行っ

FMCW レーダでは、それぞれ周波数サンプルデータ、たものである。
送信 2 素子、受信 4 素子を超えた場合、時系列のビート信号データが得られる。これらもアさらに実効素子数の増加が可能となることがわかる。

レー信号である。本研究では、この点に着目し、各素表 1 は、受信素子数が 2～4 の場合の送受信素子配子の受信信号に対して仮想アレー技術を適用すると、置および仮想素子数である。表内のアンテナ位置は送周波数帯域幅を実効的に 2 倍に広帯域化できることを信及び受信の第一素子を原点とし、基準アンテナ間隔示した[8]。その効果に関しては次節に示す。

（通常は半波長）を 1 として表記している。受信素子

表１

表２

MIMO 仮想アレーにおける送受信アンテナ配置と仮想素子数（受信素子数 Rx=2～4）

提案する MIMO 仮想アレーにおける送受信アンテナ配置と仮想素子数（受信素子数 Rx=5～8）

3

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従来の MIMO レーダであり、6 素子相当の角度分解能

３.２ 実証実験
MIMO 仮想アレーレーダによる人物の行動追跡の精であり、図 4(b)の MIMO 仮想アレーレーダでは、21度向上効果を検証するため、実験系を構築し、検証実験素子相当の角度分解能となる。同図から分かるように、を行った。図 2 に、構築した実験系の外観を示す。この仮想アレー処理により 2 人の人物の応答が、より明瞭システムは、
FMCW 方式の 2 送信、4 受信の MIMO レーに分離することが可能となっている。

ダであり、送信は時分割（交互）送信である。送受信アンテナはパッチアンテナを用い、5GHz 帯（帯域幅125MHz）とした。ここでは、以降ターゲット検出手法として、基本的なビームフォーマー法を用いた結果を示す。
いうまでもなく、更なる高分解能特性の実現のため、MUSIC 法などの高分解能手法の適用も可能である。

(a)ドップラ処理なし

図３(b)ドップラ処理あり

MIMO ドップラレーダにおけるマルチパス波抑圧効果10

屋内における人物検出では、マルチパス波の抑圧が問-158(a)MIMO レーダ題となる。図 3 に、MIMO ドップラレーダによるマルチ-206-25
4Pbf [dB]MIMO ドップラレーダ実験系

Range [m]-302

パス波抑圧効果の一例として、4×8m 程度の部屋に 2 人-350存在する場合の実験結果を示した。これらの図の横軸は方位、縦軸は距離である。図 3(a)に、ドップラフィルタ

151050-5DOA [deg.]-10-1510リングを施さない場合の結果を示した。ここで、距離-20(b)MIMO 仮想アレーレーダ-25Range [m]（range）が 0ｍ付近および 8m 付近の強い応答は、アン8テナ間のカップリングおよび壁面からの反射であり、この結果では、人物の存在を確認することは困難である。
一方、ドップラフィルタリングにより静止物体の応答を抑圧した結果である図 3(b)では、これらの不要応答が除

64-352-400

去され、2 人の人物の応答を明瞭に確認できる。
従来の MIMO レーダおよび MIMO 仮想アレー技術

図４を導入した場合の角度分解能の差異の一例を図 4（送-30Pbf [dB]

図２-45151050-5DOA [deg.]-10-15MIMO ドップラレーダにおける仮想アレー処理の効果

信 2 素子、受信 3 素子の場合）に示した。図 4(a)は、4TELECOM FRONTIER No.99 2018 SPRINGMIMO モーション・ドップラレーダによる人物の行動追跡に関する研究
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本研究で開発した MIMO 仮想アレー技術の効果をうに、2 人の人物の行動（位置）を正確に追尾できてより詳細に検証するため、電波暗室内におかれた 3 面いることがわかる。静止している人物においても、わコーナーリフレクタをターゲットとした場合の実験結ずかな動きがあるため、その微小ドップラの検出がさ果が図 5 である。図 5(a)が角度分解能特性であり、れ、十分に屋内の複数人物推定が可能であることが実

SIMO-2D-BF は 1 素子送信 4 素子 URA 受信の場合、証された。なお、本システムおよび実験の詳細に関し

MIMO-2D-BF は 2 素子送信 4 素子 URA 受信（従来ては、文献[9][10]を参照されたい。の MIMO レーダ）の場合、MIMO-2D-KR-BF は 2 素子送信 4 素子 MRA 受信（MIMO 仮想アレーレーダ）

４．結論と今後の展望の場合の結果である。 角度分解能に関しては、図 4

本研究では、特に、屋内マルチパス環境における人同様に MIMO 化に伴いビーム幅が狭まり、仮想アレー

物の行動追跡を実現するための MIMO ドップラレー化により更なる狭ビーム化が実現されることがわかる。

ダシステムの高分解能化および実験による実証を行っ

図 5(b)は、距離分解能特性を示したものであり、た。ここでは、5GHz 帯における 125MHz の実験系にMIMO-2D-KR-BF においては、各素子の受信信号自よる検討実験を行い、その有効性を明らかにした、近体にも仮想アレー処理を施している。この処理により、年、自動運転実現に向けたミリ波レーダの開発が急速実効周波数帯域幅が約 2 倍となるため、距離方向のに進展し、ミリ波 MIMO レーダの幅広い応用が検討

ビーム幅も狭くなっていることがわかる。これにより、されている。本研究成果は、そのようなレーダに対し距離分解能特性が改善される。ても有効な高分解能化手法である。ミリ波帯では、数最後に人物の行動追跡結果を示す。図 6 (a), (b)のよGHz という非常に広帯域なセンシングが実現可能なうに、2 人の人物が交差するシナリオおよび 1 人が直ため、本研究で検討した人物の行動追跡は言うまでも進歩行し、もう一人が静止（直立）するという 2 つのなく、手足や腕、さらには指などの個々の部位の動きシナリオの実験を行った。追尾においては、初期推定のトラッキングも実現可能となる。なお、このような後の更新に関してはカルマン追尾フィルタを用いた位高周波化では、本研究で用いた時分割送信方式による置推定を行っており、PC においてリアルタイムで処疑似 MIMO では送信タイミングの際による位相差の理されたものである。図 6(c), (d)の結果から分かるよ補正が問題となる。ターゲットのドップラ推定結果を(a)到来方向推定結果

図５(b)距離方向推定結果

MIMO 仮想アレー技術の角度方向および距離方向分解能特性改善効果

5TELECOM FRONTIER No.99 2018 SPRINGMIMO モーション・ドップラレーダによる人物の行動追跡に関する研究
Human motion tracking by using MIMO Doppler radar(a)人物追尾シナリオ 1(b)人物追尾シナリオ 2(c)人物追尾シナリオ 1 推定結果

(d)人物追尾シナリオ 2 推定結果

図６

屋内における人物の行動追跡実験

用いることにより、その補正が可能である。どの程度ントからの送信信号を送信波としたパッシブなレーダ系の周波数、速度から補正が必要となるのかに関しては、を構築すれば、その問題が回避される[12][13]。
ここでは、見守りシステムを念頭に置いた研究をこの関連研究として検討済みである。結果に関しては、行った。各ターゲットのドップラ周波数特性の特徴な文献[11]を参照されたい。
視点を変えると、本研究で用いた 5GHz 帯の検討結果

ど、レーダから得られる大量のデータを用いることには、WiFi アクセスポイントを波源としたパッシブレーダ

より、ターゲットの検出のみならず、認識・同定などにおける人物の行動追跡の可能性を示したものとみなすの高機能なセンシングの実現も期待できる。これによこともできる。この周波数帯では、無線 LAN への干渉り、さらに応用分野が広がるであろう。このように、の恐れがあるため、アクティブなレーダ方式の実現は容電波センシング分野は、今後もますます発展していく易ではない。しかしながら、既存の WiFi アクセスポイものと期待される。
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参考文献[1] V. C. Chen, The Micro-Doppler Effect in Radar,
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信学技報, vol. 115, no. 199, AP2015-61, pp. 1-6,2015 年 8 月.

レー処理を適用した MIMO レーダにおける最適素子配置に関する基礎検討” , 2017 年電子情報通信学会ソサイエティ大会， 2017 年 9 月．
[8] 小西，大橋，山田，丸山，平本，山口，"Khatri-Rao
積仮想アレー処理を用いた MIMO レーダによる距離および角度分解能向上に関する検討"，信学技報,
vol. 117, no. 31, AP2017-29, pp. 37-42, 2017 年 5月.
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Yamaguchi, "Indoor human detection by using
quasi-MIMO Doppler radar," InternationalWorkshop on Antenna Technology (iWAT2015),
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[10] 佐藤，山田，山口，"マルチパス環境におけるMIMO ドップラレーダを用いた複数人物の屋内リ
アルタイム行動追跡"，信学技報, vol. 115, no. 79,
AP2015-32, pp. 1-6, 2015 年 6 月.
[11] 大橋，山田，山口，” TDM-MIMO レーダによる移動ターゲットの DOA 推定誤差解析”，電子情報

この研究は、平成２５年度ＳＣＡＴ研究助成の対象と通 信 学 会 和 文 論 文 誌 ， Vol.J101-B, No.7 Jul.

して採用され、平成２６～２８年度に実施されたもの

2018(採録決定).

です。

7TELECOM FRONTIER No.99 2018 SPRING