研究現況 2011
Activities 2011
1 対人プラスチック地雷可視化システム
廣瀬 明・江尻礼聡・松山和正
現在、地中レーダを利用した埋設地雷の可視化方法の研究が活発に行われている。われわれのグループもこれまでに、複素自己組織化マップ(Complex-valued self-organizing map: CSOM)を利用する新しい地中レーダを利用したシステムを提案している。そのシステムの概要は、空間領域および周波数領域の複素テクスチャに着目してその特徴量を抽出し、これを複素自己組織化マップにより適応区分して、地雷埋設箇所を可視化するものである。これまでに、さまざまな困難な場合での可視化に成功している。しかし、メカニカル高周波スイッチを多用しているため、その寿命が短いという欠点があった。また2次元アレイは高密度の配線を必要とし、保守作業が難しかった。今年度はこれを解決するため、次の2点について検討を進めた。(1)電子的な高周波スイッチも利用する。(2)アレイを1次元化し機械式移動と組み合わせる。前者については、電子スイッチが高損失・高漏洩という問題も持つため、高周波回路中の使用箇所と個数を最適化した。これらに基づき新たな可視化システムを設計し、政策に取り掛かった。
2 ミリ波・マイクロ波イメージング
廣瀬 明・小野島 昇吾
本年度はわれわれが提案するEPD方式による受信機を1次元アレイとし複素自己組織化マップ(Complex-valued self-organizing map: CSOM)によるイメージングシステムの構築を進めた。アクティブなミリ波イメージングは、広範な応用が期待されている。しかし、ミリ波回路は一般的に損失が大きく、またアンプは高価になりがちであるって、特にアレイ化に際して問題になる。低損失で安価なミリ波フロントエンドを実現するために、EPD方式を提案している。それは、アンテナで受信した後すぐに検波を行うものでありミリ波アンプを持たず、回路全体として高感度が望まれる。本論文でわれわれは、フィンが厚いバルク直線テーパスロットアンテナ(bulk TSA)を用いる高感度なミリ波イメージング用フロントエンドを提案する。TSAが低インピーダンスであるため、受信パワーを大きくできる。このため、ミリ波検波器を直結でき、ミリ波損失を提言できて、ミリ波アンプを使わない回路構成が実現できる。CSOMによる可視化の予備実験を行い、移動する物体の1次元アレイによるイメージングが可能であることが確認できた。今後、定量的な評価を行ってゆく予定である。
3 合成開口レーダ
廣瀬 明・夏秋 嶺・尚 方・押山
合成開口レーダ(SAR) は、人工衛星や航空機のような、搭載できるアンテナのサイズに制限がある環境で等価的にアンテナサイズを大きくして高分解能を得るための技術である。特に干渉合成開口レーダ(InSAR) は、地震や火山による地形変動などを観測する際の重要な技術であり、近年積極的に研究がなされている。InSARの干渉画像は、同一地域を2箇所ないしは時間を置いて2回観測して得られた、 master と slave とよばれる2つの複素振幅データを用い、お互いの位相差を取ることによって得られる。この干渉画像の周期性を解消することでデジタル地形図(Digital Elevation Model: DEM) が得られる。標高は本来保存場であるはずだが、実際の干渉画像には位相特異点(Singular Point: SP)と呼ばれる回転成分を持つ地点が多数存在し、正確な DEMの作成における深刻な障害となっている。本年は、より正確な干渉画像を作成する手法として干渉像中の SP の数を指標にした新しい位置合わせと、振幅情報を元に崖の位置を推定し、その崖を再現するのに必要なSPを残す方策を提案した。具体的には、位相特異点数を指標とした位置合わせ手法、およびShape-from-Shadingを応用した振幅情報からの崖の推定を提案した。提案手法を用いた干渉画像をアンラップしたDEMのSN比には、改善が認められた。また、偏波情報も利用したコヒーレンス最大化についても実験を進めた。
4 アダプティブ アンテナ システム
廣瀬 明・松井裕明
本研究では、時間領域処理と周波数領域処理を組み合わせるチャネル予測方式を探求している。移動体通信でアダプティブアンテナを基地局に用いる場合、基地局は受信したアップリンク信号からユーザ端末の方向を推定してアンテナ荷重を決定し、空間分割多重を実現できる。その際、特に時分割二重通信方式では、アップリンク受信信号によって決定した荷重をダウンリンクにも利用できる可能性がある。そのためにはユーザ方向の移動の予測が必要となるが、ダウンリンク時間が長いため、これまで十分な性能を得ることが難しかった。昨年度までにわれわれは、チャープz変換(CZT)を利用する、正確な予測が可能で計算量が少ない新たな手法を提案している。その計算量は、ゼロ埋め込み法や自己回帰法、高分解能法などより小さいく優れている。また、周波数領域で時間的な一時推定を行うことにより、予測の性能を向上させることに成功している。この手法は、周波数領域での解析の高い精度と時間領域での効果的な予測との両特長を併せ持つ方式である。本方式によって、複数散乱体が接近して位置している場合でも、高い精度でチャネルを予測できることを示した。本年は、これをさらに発展させ、非線形な予測を行うシステムの開発を進めた。現在その性能を評価している。
5 高機能アンテナ素子
廣瀬 明・北澤清子・武本絵里加・ニコラ ラドノビッチ
可変指向性を得るための典型的な方法は、フェーズドアレイである。しかし、超広帯域(ultra wideband: UWB)通信では波長が広く広がっているため、それを利用できない。複数のアンテナをスイッチすることも、システムが小型化するにしたがい、アンテナ間直接結合が大きくなってうまく働かなくなる。以前にわれわれのグループはスイッチングとスタガ同調を用いたUWB適応アンテナを提案した。それを放射状アレイアンテナ(radially arrayed gingko antenna, RAGA)と名づけた。しかしそれは立体型であり、平面型ではなかった。平面型のものができれば、たとえばフレキシブル基板も利用して、ウエアラブルなアンテナができるなどの可能性も出てくる。提案したものは4つのテーパスロットアンテナ(TSA)を放射状に並べたものであり直接結合を低減している。ただ、給電点での反射を十分小さくすることが難しかった。これら問題を解決するため、本年は曲線形状と幅広給電線による新たなアンテナを設計し、より高いマッチングとより少ないサイドローブを実現した。
6 アダプティブな超音波イメージング
廣瀬 明・寺林 光太郎
音響イメージングにおける従来のアダプティブアレイは、ホイヘンスの原理によるため、狭帯域信号の場合にのみ用いることができる。しかし、音響イメージングにおいても、時間幅が非常に狭いパルスを利用したり広帯域に周波数を掃引したりすることによって、分解能などを強化することができる。われわれは、このような広帯域信号にも利用可能な音響イメージング方式の開発を進めている。複素ニューラルネットワークに基づく適応的な手法を使ってパワーインバージョン・アダプティブアレイ(PIAA)を実現しようと試みている。これによってより高い解像度と低いスペックルノイズを実現できると考えている。
6 フラクショナル ブラウン運動の生成と利用
廣瀬 明・ダヌディルジョ ドニー
フラクショナル ブラウン運動(fractional Brownian motion: fBm)は、自然界のさまざまな現象を記述するモデルとして有効であり、その生成についてもさまざまな研究が行われている。今年度は2次元あるいはそれ以上の次元のfBm新たな生成方法として、巡回埋め込みによる生成アルゴリズムを提案した。巡回埋め込みについては、1次元のfBmの場合にはすでに報告例があるが、これを2次元に拡張することはこれまで簡単ではないと考えられてきた。われわれはこれを、最終目標fBm2次の差分を考えることによりラプラス方程式を周波数領域で解く問題に帰着させ、厳密解を得ることに成功した。2次元以上の多次元に容易に拡張可能なこととも、この解法の利点である。本年は特に、合成開口レーダのデータを補完する方法を提案し、実験によりその有効性を確認した。
7 ニューラルネットワークのダイナミクスの基礎解析
廣瀬 明
ニューラルネットワークの最も特徴的で重要な機能の一つは、汎化である。本稿は、複素ニューラルネットワークと実数ニューラルネットワークの汎化特性を比較した。特に、複素ニューラルネットワークが波動的なデータを扱う際の汎化特性が、信号の波動性によってどのように変化するか調査した。複素および倍次元の実数ニューラルネットワークとしてフィードフォワード型層状ニューラルネットワークを取り上げた。簡潔な例として、それらが時間信号に対して関数近似あるいはフィルタ的な動作をするときの汎化特性を調べた。計算機実験の結果、複素ニューラルネットワークは倍次元実数ニューラルネットワークに比べて、その汎化特性が良好であり、特に信号の波動性が高い場合にその差が顕著であることが確認された。また、汎化が悪化する時の位相と振幅の関係について調査した。
1 Antipersonnel Plastic Landmine Visualization System
A.Hirose, A.Ejiri and K.Matsuyama
The complex-valued self-organizing map (CSOM) realizes an adaptive distinction between plastic landmines and other objects in landmine visualization systems. Previously we developed our walled linearly tapered slot antenna (walled LTSA) to construct a high-density array. We conducted field experiments to confirm the high ability to visualize plastic landmines buried in laterite soil. This year, we designed a new visualization system to overcome the short lifetime of the mechanical radio-frequency switches and the difficulty in maintenance of the system using a large number of bundled cables. To solve these problems, we considered (1)an appropriate use of electronic switches and (2)the development of one-dimensional array antenna combined with mechanical motion. Since electronic switches have drawbacks of high loss and leakage, we optimized the switching circuit by using both of mechanical and electronic switches appropriately. Then we designed the
2 Millimeter wave and microwave imaging for antiterrorism screening
A.Hirose, and S.Onojima
This year we concentrated upon the construction of a Millimeter-wave (MMW) imaging system based on our  complex-valued self-organizing map (CSOM) and envelope phase detection (EPD) method by employing one-dimensional EPD front-end. MMW active imaging has potentially a variety of applications. However, MMW circuits are often lossy and amplifiers are costly, which is a serious problem in particular in arrays using many front-end circuits in parallel. To overcome this point, there have been some proposals such as the EPS method where MMW is directly detected without amplification just after received at the antenna. To realize a high sensitivity, this paper proposes a MMW imaging front-end using a bulk tapered slot antenna (bulk TSA). Since bulk TSAs possess an intrinsically low impedance characteristic, we can obtain a high detection power., resulting in low loss in the MMW circuit. Then the parallel front-end can be free from expensive MMW amplifiers. Preliminary experiment demonstrated that the CSOM imaging system realizes imaging of moving targets with the one-dimensional array antenna. We are going to evaluate the imaging ability of the system quantitatively.
3 Synthetic Aperture Radars
A.Hirose, R.Natsuaki, F.Shang and G.Oshiyama
Synthetic aperture radar (SAR) is a technology to construct an equivalently large antenna to obtain high resolution with an airborne or satellite-borne physically small antenna. Interferometric SAR (InSAR) observes phase difference between phase measurements of slightly different paths for a target area, by which we can get the landscape (height and its changes) information., resulting in digital elevation map (DEM). It extends its applications to observations of earthquakes and volcanic activities. Theoretically, SAR interferogram should be a conservative field which mirrors the geologic distribution. However, actual interferograms contain a mass of rotational points named singular points (SPs). They prevent creating accurate digital elevation model (DEM). We think that many singular points indicate the local distortion in the interferogram. To solve this problem, we proposed local coregistration and phase correction by using amplitude information. The signal-to-noise ratio has increased by this method. In parallel we are conducting theoretical and experimental research on coherence optimization for full-polarimetric interferometric observation data obtained by ALOS (Advanced Land Observation Satellite) of JAXA.
4 Adaptive Antenna System
A.Hirose and H.Matsui
This theme investigates adaptive channel prediction mthods combining time- and frequency-domain signal processing. Channel prediction is one of the most important issues for dealing with fading environment. If a future channel response is predicted, adaptive techniques such as pre-equalization and beam forming can be employed before transmission in order to avoid the degradation of communication quality. Previously we proposed a highly accurate method to predict time-varying channels by using a linear prediction of Fourier-domain channel parameters. The method combines frequency-domain and time-domain techniques. Simulation assuming a time division duplex (TDD) system demonstrates that the proposed method predicts varying channels very accurately. We also presented the dependence of the prediction error on the length of observation window and on the distance between scatterers. It is found that our method reduces the prediction error even when the scatterers are located very closely. This year, we developed the above method to a nonlinear prediction method. The evaluation is now under way.
5 Highly functional antenna elements
A.Hirose, S.Kitazawa, E.Takemoto and N.Radnovic
Conventional rod antenna arrays exhibit considerable mutual coupling, which limits or degrades the performance of many systems. In the scope of this work we propose a dielectric particle that is placed between the antenna elements and lower the mutual coupling by more than 20dB compared to conventional arrays. The designed particle shows a broadband isolation effect that has a fractional bandwidth of more than 15%. Moreover, the particle can provide an enhanced matched environment and a largely maintained radiation pattern as well as gain compared to a conventional array.

6 Adaptive ultrasonic imaging

A.Hirose and K.Terabayashi
In conventional adaptive array acoustic imaging, only narrowband signals has been used because of the narrowband characteristics of beamformers based on the Huygens' principle. This year we started to investigate a new acoustic imaging method suitable for ultra wideband signals. We used a wideband beamforming technique based on complex-valued neural networks to expand the power inversion adaptive array (PIAA) method to realize high resolution and low speckle noise.
6 Generation and application of fractional Brownian motion
A.Hirose and D.Danudirdjo
Fractional Brownian motion (fBm) is a useful model to represent various natural phenomena and its synthesis has been a topic of interest in literature. We presented an algorithm to generate two-dimensional fBm based on circulant embedding method. Although this method has been proven in simulating one-dimensional fBm, its extension into two-dimensional is not straightforward. To solve the problem, we use circulant embedding as an exact method to synthesize the second-order increments of fBm, and recover the desired fBm via integration in frequency domain. The advantage of using second-order increments is its direct extensibility to any dimension. Experimental results show that the proposed method works efficiently fast and offers acceptable results when compared to the theoretical statistics of fBm. We also proposed an interpolation method of interferometric synthetic aperture radar (InSAR) data based on the two-dimensional fBm. Experiments proved the effectiveness in realizing more precise co-registration and generating digital elevation map (DEM) having higher signal-to-noise ratio.
7 Fundamental analysis of neural network dynamics
A.Hirose
Generalization is one of the most important functions of neural networks. We compared the generalization characteristics in complex-valued and real-valued neural networks. Assuming that a network deals with wave-related data, we paid attention to the generalization variation dependent on the degree of wave nature. We considered feedforward layered neural networks in complex and real domains. To elucidate the operation difference in the domains, we investigated a simple case where the networks function for function approximation or filtering of temporal signals. Computer experiments demonstrated that the generalization ability of the complex-valued neural network is better than that of real-valued one in particular when the signal possesses higher degree of wave nature. We also investigated the relationship between the phase and amplitude values when the generalization characteristic degrades.
 
論文・著書一覧(2011年度)
Publications List
研究論文
[1] D.Radenamad T.Aoyagi A.Hirose, "High-sensitivity millimeter-wave imaging front-end using a low impedance linearly-tapered slot antenna," IEEE Trans. on Antennas and Propagation, 59, 12 (2011) 4868-4872
[2] Y.Nakano A.Hirose, "Taper-walled linearly tapered slot antenna," IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Obervations and Remote Sensing, 4, 4 (2011) 779 - 784
[3] S.Ozawa S.Tan A.Hirose, "Errors in Channel Prediction Based on Linear Prediction in Frequency Domain -- Combination of time-domain and frequency-domain techniques --," URSI Radio Science Bulletin, 337 (2011) 25-29

国際会議論文
[4] A.Hirose S.Yoshida, "Comparison of Complex- and Real-Valued Feedforward Neural Networks in Their Generalization Ability," Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2011 Shanghai, Proc. (Nov. 13-17, 2011, Shanghai) 526-531
[5] A.Hirose R.Natsuaki, "Circular Property in Complex-Valued Correlation Learning Observed in CMRF-Based Singular Unit Restoration for Phase Unwrapping, "Int'l Workshop on Intelligence Science and Intelligent Data Engineering (ISciDE) 2011 Xi'an, Proc. (Oct. 23-27, 2011, Xi'an) Researches from Japan Paper 4
[6] D.Danudirdjo A.Hirose, "Synthesis of two-dimensional fractional Brownian motion via circulant embedding," Int'l Conference on Image Processing (ICIP) 2011 Brussels, Proc. (Sept.. 11-14, 2011, Brussels) 1109-1112
[7] I.Aizenberg D.Mandic A.Hirose, "Complex-valued neural networks: New trends and applications (Tutorial)," Int'l Joint Conference on Neural Networks (IJCNN) 2011 San Jose, Proc. (July 31 - Aug. 5, 2011, San Jose) Tutorial T-5
[8] A.Hirose, "Complex-valued neural networks in remote sensing and imaging," Int'l Geosci. and Remote Sens. Symposium (IGARSS) 2011 Vancouver, Proc. (July 25-29, 2011, Vancouver) Tutorial HD-3
[9] R.Natsuaki A.Hirose, "Local co-registration for distortion reduction in SAR interferogram using amplitude information -- Combination of SPEC method and shape-from-shading --," Int'l Geosci. and Remote Sens. Symposium (IGARSS) 2011 Vancouver, Proc. (July 25-29, 2011, Vancouver) TUP-B.4

解説
[10] 廣瀬 明、「"IEICE Transactions on Electronics"は誰を幸せにするか」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ・ニュースレター、No.145 (2011) 3-4
[11] 廣瀬 明、宮森 高、「小特集「五感情報処理」 編集にあたって」、電子情報通信学会誌 94, 6 (2011) 447

シンポジウム・研究会・大会等発表
[12] 江尻礼聡、廣瀬明、「別モード情報の統合を行う複数複素SOMを用いた地雷可視化システムの構築」、信学会ニューロコンピューティング研究会、NC2011-136 (March 14, 2012, Tokyo)
[13] 廣瀬明、吉田昭太郎、「波動的なデータを扱う際の複素ニューラルネットワークの汎化特性」、信学会ニューロコンピューティング研究会、NC2011-135 (March 14, 2012, Tokyo)
[14] 夏秋嶺、廣瀬明、「陰影からの形状知覚と位相特異点観測によるSAR干渉画像の修正」、信学会電磁界理論研究会、EMT11-135 (Nov. 17, 2011, Takaoka)
[15] 小野島昇吾、廣瀬明、「ミリ波イメージングシステム用Ka帯直線テーパスロットアンテナとフロントエンド」、信学会電磁界理論研究会、EMT11-124 (Nov. 17, 2011, Takaoka)
[16] 江尻礼聡、廣瀬明、「多モード情報を統合する複数の複素SOMによる地雷概念形成」、コンピューテーショナル・インテリジェンス研究会(September 30, 2011, Kyoto)
[17] 小野島昇吾、廣瀬明、「位相感受型ニューラルネットワークを用いたミリ波イメージングシステム」、コンピューテーショナル・インテリジェンス研究会、(September 30, 2011, Kyoto)
[18] 夏秋嶺、廣瀬明、「振幅からの位相差推定と位相特異点を利用したSAR干渉画像の修正」、信学会宇宙・航行エレクトロニクス研究会、SANE2011-23 (June 23, 2011, Tsukuba)

著書
[19] R.Natsuaki A.Hirose, "Local, fine co-registration of SAR interferometry using the number of singular points for the evaluation," Interferometry, In-Tech Interferometry / Book 1 (ISBN 979-953-307-376-6)

その他
[20] 廣瀬 明、吉田 昭太郎、「関数近似におけるフィードフォワード複素ニューラルネットワークの汎化特性」、東北大学・電気通信研究所「複素ニューラルネットワークの実用化」共同プロジェクト研究会、(Dec. 26, 2011, Sendai)
[21] Alan Yuille, Akira Hirose, Andrey S. Krylov, Wai-Kiang YEAP, Yanning Zhang, Xinbo Gao, Enhong Chen, Xiang Li, Changyin Sun, "Sino-foreign-interchange special panel on graduate education and research," Int'l Workshop on Intelligence Science and Intelligent Data Engineering (ISciDE) 2011 Xi'an, Proc. (Oct. 23-27, 2011, Xi'an) Sino-foreign-interchange special pane
[22] 廣瀬 明、「人道的地雷除去技術研究に対する柔軟で親身のご支援の有り難さ」、立石科学技術振興財団・助成研究成果集、No.20 (2011)

特許
[23] 廣瀬明、谷澤 健、波形劣化補償方法及び装置 特許取得(2011-8-1)、特許4820984

受賞
[24] AHandayani A.B.Suksmono T.L.R.Mengko, A.Hirose, IGI Global's Excellence in Research Journal Award for "Blood Vessel Segmentation in Complex-Valued Magnetic Resonance Images with Snake Active Contour Model," International Journal of E-Health and Medical Communications, 1(1) , 26-Aug-11
[25] 夏秋嶺(廣瀬明研)、電子情報通信学会 平成22年度電磁界理論研究会学生優秀発表賞、電子情報通信学会電磁界理論研究専門委員会、28-May-11