1 対人プラスチック地雷探知システム

廣瀬明・原貴弘・トージアユンエリス・増山惣一

本年度は特に複素振幅画像の画像区分処理の高速化と地雷クラス同定、およびアンテナアレイ化に焦点を当てて研究を進めた。地雷や土、石のクラスを区分するためのテクスチャ画像区分には、これまでやや時間がかかっていた。しかし今回、周波数領域データについては位相データの揺らぎのみを周波数領域特徴ベクトルとすることにより、計算時間を8.5分の1にしこれまでと同等の性能を維持することに成功した。また、地雷クラスを同定する多段フィードフォワード・ニューラルネットワークを提案・構成し、高い確率で地雷クラスを同定できることを示した。またプラスチック地雷と同程度の反射強度を有する金属ねじなどに対しては、これを確実に弁別できることが示された。さらに、計測時間の大半を占めていたアンテナの機械的掃引を回避するため、アレイアンテナの設計を行った。8〜18GHzの広掃引帯域を有するアレイアンテナのエレメントを設計し、低いクロストークと高い放射性能を実現することに成功した。

2 干渉型開口合成レーダの画像補正

廣瀬明・大石豪

広く用いられている最少二乗法に基づく位相アンラッピング法(LSPU法）は、ポアソン方程式を数値的に解く際に1次微分情報を取捨しており、そのことがLSPUの解であるディジタル・エレベーション・マップ（DEM)に大域的なひずみをもたらすことを指摘した。そしてこれを補正する方法として、双一次曲面補正法を提案した。これを正解がわかっている合成地形と実測による地形位相データに対して適用し、補正が有効に行われてSN比が向上することを実証した。

3 光通信における適応的分散補償

廣瀬明・谷澤健

近い将来実現が期待されている光交換によるメトロネットワークなどでは、伝送路の分散特性が時々刻々変化する。これに適応的に追随し、また分散特性計測が不要な安定かつ高速に分散補償する方法を提案した。本方法は受信光波形の誤差を直接利用して勾配法によって周波数領域のパラメータを自動調整するものである。本方式が、さまざまな補償デバイスを適切に制御できることを確認した。

4 コヒーレント光波ニューラルネットワーク

廣瀬明・川田宗太郎・リイマニーアモーンラット

コヒーレント光波ニューラルネットワークの理論、特にキャリア周波数依存の複素ヘブ則によって、周波数多重の学習論理回路が実現されることを基礎実験によって示した。特に、その周波数領域での論理関数密度について実験的解析を行い、ニューロンあたりの並列シナプス結合数と論理関数密度が比例することを見出した。また、体積ホログラムで全光学的コヒーレント型光ニューラルネットワークを実現するための基礎実験にも成功するとともに、消光比や解像度に関する実験データを得た。

5 適応的な人の異常行動抽出システム

廣瀬明・小安雄一

独居住者の異常検出を目的とする適応的な人の行動抽出システムの構築を行った。従来に無い特徴が、人の移動位置と動作の時系列データを得てこれらを判断する点である。自己組織化マップ(SOM)と隠れマルコフモデル(HMM)判定を用いている。学習結果と異なる状況を示すレベルは、学習済みデータでは同期し、磨く週状況ではこれらにずれが出ることが確認された。これらの差に注目することにより、より正確に異常検出を実現できることを示した。

6 発展学習

廣瀬明・東佑輔

ジャグリング学習ロボットにおける発展学習の機序解析を実験的に行った。ジャグリングはその動作と成否の離散性が大きいため、そのような課題に関する発展学習のありかたを探求した。

7 神経系インターフェイス

廣瀬明・ボドロフマクシム

生体神経インターフェイスを実現するため、実神経信号から情報ブロックを抽出する方法について、実験的な研究を進めた。

8 神経細胞活動の定量的解析

廣瀬明・渡辺将也

軸策を伝搬する活動電位の伝搬メカニズムについて、基本的に樹状突起を扱うケーブル理論に変わる新しい理論、ポテンシャル理論を提案した。ケーブル理論は電気回路的理論であって、内部抵抗率などがその動作に大きな影響を与える。また活動解析に当たってはこれが任意パラメータになってしまうことが多い。われわれは、伝搬は電流ではなくむしろ膜電荷が作るポテンシャル自体が担うと考えて、新しい理論を作ることに成功した。

1 Antipersonnel Plastic Landmine Detecting System by Use of Complex-Valued Neural Networks

A.Hirose, T.Hara, J.Y.A.Toh and S.Masuyama

This year we focused on calculation-cost reduction in texture segmentation, landmine-class identification, and array-antenna design. Our recent C-SOM (complex-valued self-organizing map) to classifying textures required a large calculation cost. The newly developed C-SOM evaluates frequency-domain data simply by its fluctuation in one dimension. The improvement has reduced the calculation time to 1/8.5. We have also developed a double stage landmine-class identifier that realizes a high identification rate as well as a strict distinction of other disturbing objects such as metal bolts. In addition, we have designed an 8-18GHz bandwidth array-antenna element and demonstrated a low crosstalk and a high radiation gain.

2 Compensation of Interferometric Synthetic Aperture Radar Images

A.Hirose and T.Oishi

We have pointed out that the least squares phase unwrapping (LSPU) method abandons first-order derivatives as well as zero-th one. The loss results in a global distortion in the generated digital elevation map (DEM). We have also proposed the bilinear curved-surface compensation. We demonstrated the effectiveness by showing DEMs and SN ratios for synthesized and real interferometric synthetic aperture radar (In SAR) images.

3 Adaptive Dispersion Compensation in Optical Communications

A.Hirose and K.Tanizawa

In the near-future all-optical networks, adaptive dispersion compensation is indispensable for high-speed flexible communications. We have proposed a low-cost dispersion-measurement-free compensation method that deals with time-domain signal-waveform directly and controls compensation device in frequency domain. We have formulated the dynamics and demonstrated a fast compensation.

4 Coherent Optical Neural Networks

A.Hirose, S.Kawata and A.Limmanee

We have proposed a frequency-domain-multiplexed learning logic optical circuit based on complex-valued Hebbian rule. We found that the connection number per neuron is in proportional to logic density in frequency domain. We have also demonstrated a volume-hologram-based all optical complex-valued neural network.

5 A Human Emergency Extraction System

A.Hirose and Y.Koyasu

We have proposed an adaptive human abnormal-behavior extraction system by paying attention to both human position and action. We found that a difference of probabilities of the position and action likelihood is a robust indicator showing a human emergency.

6 Developmental Learning

A.Hirose and Y.Azuma

We analyze developmental learning mechanisms in a juggling robot. Because the task relation in juggling is rather discrete, we are interested in possible mechanisms of developmental learning emergence.

7 Biological Neural Interfaces

A.Hirose and M.Bodrov

A pulse-series information extractor is investigated to realize a functional interface between human nerve system and electronics.

8 Quantitative Analysis of Neural Cell Behavior

A.Hirose and M.Watanabe

Instead of the conventional cable theory, we have successfully formulated a potential-based pulse propagation theory on neuron membrane. Our new theory is free from parameter arbitrariness so that we can connect microscopic physics to mesoscopic neuron activity.

論文・著書一覧（2004年度）

Publications List

研究論文 [1] S.Sakatani, A.Hirose: “Analysis of the influence of differences in somatic symmetry and sharpness on the firing rate,” Neurocomputing, 58-60 (2004) 503-509. [2] T.Hara A.Hirose: “Plastic mine detecting radar system using complex-valued self-organizing map that deals with multiple-frequency interferometric images,” Neural Networks, 17, 8-9 (2004) 1201-1210. [3] A.B.Suksmono A.Hirose: “Intelligent beamforming by using a complex-valued neural network,” Jounal of Intelligent and Fuzzy Systems, 15, 3-4 (2004) 139-147. [4] A.B.Suksmono A.Hirose: “A Fractal estimation method to reduce the distortion in phase unwrapping process,” IEICE Trans. on Electron. , E88-B, 1 (2005) 364-371. [5] A.B.Suksmono A.Hirose, “Beamforming of ultra-wideband pulses by a complex-valued spatio-temporal multilayer neural network,” International Journal of Neural Systems, 15, 1-2 (2005) 1-7. 国際会議論文 [6] S.Kawata A.Hirose: “Frequency-controlled learning logic circuit using spatially differential phase-value coding,” Int'l Conf. On Optics in Computing (OiC)' 2004 Engelberg, Proc. (April 21-23, 2004, Engelberg) 67-68. [7] A.Hirose: “The super brain electronics: applications to soft-processing radar systems,” Int'l Conf. On Fuzzy Systems & Innovational Computing (FIC) 2004 Hibikino, Proc. (June 2-3, 2004, Kitakyushu) 213-218 <Invited>. [8] T.Inaba, T.Hara, A.Hirose: “Wideband and compact microwave front-end circuit for adaptive plastic landmine imaging arrays,” Int'l Symp. on Antennas and Propagation (ISAP) 2004 Sendai, Proc. (Aug. 17-21, 2004, Sendai) 2D2-6, 517-520. [9] Y.Baba, A.Hirose: “Proposal of the spectral gradient method to extract text / character regions from general scene images,” Int'l Conf. on Image Processing (ICIP) 2004 , Proc. (Oct 24-27, 2004, Singapore) 211-214. [10] S.Sakatani A.Hirose: “The spatiotemporal dynamics of intracellular ion concentration and potential,” Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2004 Calcutta, Proc. (Nov. 22-25, 2004, Calcutta) 50-56. [11] S.Kato S.Sakatani A.Hirose: “Influence of dendritic spine morphology on spatiotemporal change of calcium/calmoduline-dependent protein kinase density,” Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2004 Calcutta, Proc. (Nov. 22-25, 2004, Calcutta) 131-136. [12] A.Hirose Y.Asano T.Hamano, “Mode-utilizing developmental learning based on coherent neural networks,” Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2004 Calcutta, Proc. (Nov. 22-25, 2004, Calcutta) 116-121. [13] A.B.Suksmono A.Hirose, “Ultra-wideband beamforming by using a complex-valued spatio-temporal neural network,” Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2004 Calcutta, Proc. (Nov. 22-25, 2004, Calcutta) 104-109. 著書 [14] 廣瀬明, “複素ニューラルネットワーク,” サイエンス社, SGCライブラリ 38, 2005年3月. [15] A.Hirose, T.Hara: “Complex-Valued Self-Organizing Map: A Framework of Adaptive Processing for Multiple-Frequency Millimeter-Wave Interferometric Imaging Systems,” Systems and Human Science - For Safety, Security, and Dependability, T.Arai, et al. (ed.), Elsevier (February 2005) 総説・解説論文 [16] 廣瀬明: “エレクトロニクスを豊かにする複素ニューラルネットワーク,” 電子情報通信学会誌, 小特集「複素ニューラルネットワーク」, 87, 6 (2004) 447-449. [17] 廣瀬　, A.B.Suksmon, 川田　宗太郎: “位相と振幅を見るスーパー右脳 ---干渉型レーダ・イメージング・システムおよび適応的な光波位相等化器への応用 ---,” 電子情報通信学会誌, 小特集「複素ニューラルネットワーク」, 87, 6 (2004) 482-487. シンポジウム・研究会・大会等発表 [18] 廣瀬　明, 浅野　泰史, 濱野　敏彦: “コヒーレント型ニューラルネットワークに基くモード活用発展学習,” 信学会ニューロコンピューティング研究会, NC2004-3 (2004). [19] 稲葉　崇, 原　貴弘, 廣瀬　明: “プラスチック地雷探査用適応的イメージング・アレイのための広帯域小型マイクロ波フロントエンド回路,” 信学会/電気学会電磁界理論研究会, EMT04-42 (2004). [20] 大石　豪, A.B.Suksmon, 廣瀬　明: “四基準点法の提案：グローバル・トランスフォーム・位相アンラッピングにより得られるディジタル・エレベーション・マップの補正法,” 信学会/電気学会電磁界理論研究会, EMT04-75 (2004). [21] 原　貴弘, 廣瀬　明: “複素自己組織化マップによるプラスチック地雷の適応的イメージング性能,” 信学会/電気学会電磁界理論研究会, EMT04-76 (2004). [22] 小安　雄一, 廣瀬　明: “人物の各部位の動き情報に基づく異常動作検出システム,” 信学会ニューロコンピューティング研究会,NC2004-131 (2004). [23] 川田宗太郎, 廣瀬　明: “学習する光論理回路の周波数多重密度,” 信学会ニューロコンピューティング研究会, NC2004-154 (2005). [24] リイマニー　アモーンラット, 川田　宗太郎, 廣瀬　明: “体積ホログラムを用いた位相学習が可能な周波数多重の関数近似コヒーレント光波ニューラルネットワーク,” 信学会ニューロコンピューティング研究会, NC2004-155 (2005). [25] 廣瀬　明, トー　ジアユン　エリス, 原　貴弘: “多段連想によるプラスチック地雷同定,” 信学会ニューロコンピューティング研究会, NC2004-156 (2005). [26] 原　貴弘, 廣瀬　明: “実空間および周波数空間でのピクセル値相関値のばらつきに着目したテクスチャ適応区分レーダシステム,” 信学会ニューロコンピューティング研究会, NC2004-157 (2005). [27] 川田宗太郎, 廣瀬　明: “コヒーレント光波ニューラルネットワーク,” 日本光学会情報フォトニクス研究会Proc., 7-12 (2004). [28] 川田宗太郎, 廣瀬　明: “光周波数多重論理回路の多重化密度が動作に与える影響,” OJ2004 日本光学会年次学術講演会,Proc., 4pF7 (2004) 114-115. [29] リイマニー　アモーンラット　川田宗太郎, 廣瀬　明: “複素Hebb学習則で加重を体積ホログラムに書き込むことによる周波数多重コヒーレント・ニューラルネットワーク,” OJ2004 日本光学会年次学術講演会,Proc., 5pE6 (2004) 534-535. [30] 原　貴弘, 廣瀬　明: “複素自己組織化マップによるプラスチック地雷探査レーダシステムへの合成開口処理の適用,” 200４信学総大, CS-1-9 (2005) S-16-17. [31] 谷澤　健, 廣瀬　明: “最急降下法を用いた適応的分散補償方式の提案,” 200４信学総大, B-10-36 (2005) 326. [32] 廣瀬　明, 川田　宗太郎: “複素／コヒーレント光波ニューラルネットワーク,” 応用物理学会学術講演会, 29p-YS-3 (2005). [33] 廣瀬　明: “スーパー・ブレイン・エレクトロニクス,” 東北大学・電気通信研究所・工学研究会, 27p-ZH-1 (2002). その他 [34] 廣瀬明: “「スーパー右脳」と複素ニューラルネットワーク,” 数理科学, 492 (2004年6月)78-83. 受賞 [35] A.Hirose, ICONIP 2004 Best Paper Award, Asia-Pacific Neural Network Assembly (APNNA), November 25, 2004 (Conference), February 15, 2005 (Informed)