研究現況 2015
ACTIVITIES 2015

1 干渉型合成開口レーダ

廣瀬 明・津田覚之・島田智大・市川和秀

 合成開口レーダ(synthetic aperture radar: SAR) のうち、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、近年重点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。しかし、SP生成の機序は未だ解明されていない。本年は、偏波情報も含んだ位相ひずみの除去の可能性を探求している。また地形特徴量をニューラルネットワークにより自動抽出して類似地形を見出すことにより地形情報の構造化の試みを進めた。

2 偏波合成開口レーダ

廣瀬 明・尚 方・宇佐美尚人・衣川和
 合成開口レーダ(synthetic aperture radar: SAR) のうち、偏波合成開口レーダ(PolSAR) は、散乱波の偏波に着目して地表の植生や雪氷、海水表面の油膜などを画像化するものであり、地球環境の精密で高頻度な計測を実現する将来技術として期待されている。本年度は新しい区分手法として、四元数ニューラルネットワークによるストークスベクトル表現を基盤とした適応的区分法の解析と利用を進めた。従来研究されてきたものは、コヒーレンス行列や相関行列を、表面散乱、二重散乱、体積散乱、螺旋散乱などの散乱要素に基づいて分離し、その混合割合で散乱状況を特定する手法であった。それに対して、われわれはそれら行列を構成する元となるストークスベクトルに着目した。これによる偏波表現はポアンカレ球上および内部で表現されることになる。この情報を3次元適応情報処理に適した四元数ニューラルネットワークで区分する手法を開発した。今年は特に等方的な非線形関数の提案を行うとともに、山岳地帯の雪氷の区分方法として入射角も利用する四元数ニューラルネットワークを新たに開発した。

3 対人プラスチック地雷可視化システム

廣瀬 明・小山英利香
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。そのシステムは埋設地雷の可視化を主な目的としている。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。特に(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、として新たなシステムを設計・作製を進めた。電子スイッチは高損失・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。基本特性を計測したところ、個々のアンテナ素子のゲインのばらつきが大きい状況であることが明らかになった。これを解決するため、異方性を持つ自己組織化マップを提案し、適応処理を改良することを提案してきた。本年はさらに、アンテナ個性のキャリブレーションを高度化することを試みた。

4 4. セキュリティ用近距離イメージング

廣瀬 明・有馬悠也
 本年度は、歩いている人物のイメージングを行い、1次元アレイと複素自己組織化マップ(Complex-valued self-organizing map: CSOM)を受信部とするイメージングシステムの定量的評価を進めた。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、われわれはEPD方式を提案している。これまでに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を確認した。特に本年は、可視化性能のウィンドウサイズ依存性やCSOMパラメータに関する定量的な評価を行った。特に、深度に対する最適なウィンドウサイズのあり方を明らかにした。さらに歩いている人物のイメージングを行いその評価を進めている。

5 人命救助とモニタリングのための脈動・呼吸運動リモートセンシング

廣瀬明・ベゼル アイセジェム

 震災等での瓦礫の下の人物発見は、リモートセンシングが有効に働く可能性がある分野である。高齢者や病人の非接触モニタリングも重要な分野である。しかし、電波伝搬や透過の困難な中で微弱な脈動や呼吸運動を効果的に検出することは未だに難しい。NASA/JPLなど一部の研究機関ではこの研究がなされ一定の成果が得られているものの、定量評価と広い実用化にはいたっていない。われわれはニューラルネットワークを用いて、微弱な脈動や呼吸運動を効果的に検出する手段を開発することを目標に本研究を進めている。本年は、そのプロトタイプシステムを構築し、基礎実験を進めた。

6 移動体通信のチャネル予測

廣瀬 明・丁 天本・彦坂真央樹
 フェージング環境で起こる通信品質の劣化に対してチャネル予測は重要な補償方法の一つである。チャネルの変動を予測することができれば、パワーコントロールや予等化などの適応的な手法を用いて、通信効率の低下を未然に防ぐことができる。われわれは以前、chirp z-transform(CZT)を用い、周波数領域を一度経ることでチャネル状態を線形予測する手法とラグランジュ補間に基づいて予測する手法を提案した。われわれはまたCZTと複素ニューラルネットワークを結び合わせることにより、チャンネル状態を高精度に予測する手法を提示している。本年はこれに偏波情報も予測する手法を考案し、組み合わせた実験を進めている。

7 高機能アンテナ

廣瀬 明・菊田和孝・小野寺尚人
 超広帯域ワイヤレスシステムは、通信や計測などに広く利用されると考えられる。これは電波の利用可能な周波数帯域が確保できない状況で、帯域を広く薄く利用することで、他の通常の狭帯域システムに影響を与えずにシステムを構築できる可能性があるためである。本年は特に小型のTSAを提案し、Folded TSAと名づけた。TSAのフィンを折り畳んで小型化してもその性能を劣化させず広帯域を実現する構造を提案したものである。一般にUWBアンテナは小型化が難しい。なぜならば、その低域カットオフ周波数は開口幅が広いほど低周波数に延ばせるが、カットオフ周波数に対してその半波長程度の幅が必要になるからである。Folded TSAはフィンを適切に折り畳むことにより、狭開口とコンパクトせいを実現するものである。理論的検討と数値計算により適切な折り畳み構造を検討し、実験によってその基本性能を確認して、広帯域が実現されていることを示した。その特性を論文で議論した。また本年は新たな切り替え可能な円偏波アンテナも提案した。その基礎特性を示し、最適化を行っている。

8 ミリ波による血中物質濃度の非侵襲計測

廣瀬 明・胡
 ミリ波からテラヘルツ波にかけての広い周波数帯は、さまざまな物質の共鳴などの特徴を捉えるのに好都合である。複素ニューラルネットワークで振幅とともに位相情報を適応的に扱えば、この帯域に明示的に共振特性などを持たない物質でも、その全体的な応答によってその濃度などを計測できる可能性がある。本年は、これを血中物質の非侵襲な計測に利用する技術の探求を開始した。
9 超音波イメージングとその生体応用
廣瀬 明・笠井美希
超音波イメージング技術は、その機械的効果や熱的効果によって生体に対する治療にも役立てることが出来る。そこではイメージングにおける到来方向推定の技術は、適応的な超音波収束に利用できる。われわれはこれまでに時空間複素ニューラルネットワークによる適応信号処理技術により、高解像度のイメージングを実現してきた。これも利用しながら、超音波の機械的効果と熱的効果を適切に制御しながら利用する生体応用の開拓を目指す。本年は、バイオエンジニアリング専攻/機械工学専攻の高木周教授・東隆特任准教授の協力と医学系研究科の上田泰己教授、洲崎悦生助教らの支援を得て、実験を進めている。本年は特に、大振幅の超音波により熱的な効果をどのように集中させられるかの実験を進めた。

1 Interferometric Synthetic Aperture Radars

A.Hirose, S.Tsuda, T.Shimada and K.Ichikawa

Among synthetic aperture radar (SAR) techniques, 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. However, the origin of the SPs is still unclear. In this year, we pursue the possibility to compensate SPs by taking into consideration the polarization information. We also investigate the structurization of terrain by using neural networks to extract automatically similar features existing in global InSAR data.

2 Polarimetric Synthetic Aperture Radars

A.Hirose, F.Shang, N.Usami and K.Kinugawa
Among synthetic aperture radar (SAR) techniques, Polarimetric SAR (PolSAR) pays attention to polarity of backscattered waves to visualize land-surface states such as vegetation and snow/ice as well as sea-surface oil spill. This technology is expected to realize global and precise observation of earth environment. Conventional methods are based on matrix decomposition where a so-called coherence matrix or covariance matrix is decomposed mathematically so that respective components correspond to surface scattering, double-bounce scattering, volume scattering and helical scattering, showing the land surface features. In this year we investigated further the quaternion neural-network-based adaptive segmentation that deals with Stokes vector, which is a more primordial entity in polarization. A Stokes vector is represented on or in the Poincare sphere. Quaternion neural networks (QNN) are perfectly suitable for treating three-dimensional vectors in such a situation. We proposed an isotropic nonlinearity as the activation function in QNN. We also constructed a QNN that is sensitive to incidence angle for snow mapping in mountainous regions.

3 Antipersonnel Plastic Landmine Visualization System

A.Hirose and E.Koyama
Previously we proposed a ground penetrating radar (GPR) system employing complex-valued self-organizing map (CSOM) for adaptive distinction between plastic landmines and other objects in landmine visualization systems. We developed a new antenna, namely, walled linearly tapered slot antenna (walled LTSA), to construct a high-density array. With this first system, named SO-1, we conducted field experiments to confirm the high ability to visualize plastic landmines buried in laterite soil. The performance is found very high. Now we are constructing a next generation system by focusing on (1) the 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. We checked the fundamental performance of the newly developed system to find somewhat large fluctuation of characteristics in antenna elements. We then propose isotropic self-organizing map that makes the system insensitive to the antenna variation. We also try to introduce combinatorial calibration of antennas and switches.

4 Near-Range Security Imaging

A.Hirose, and Y.Arima
We constructed 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 at the receiving end. In this year we evaluated the system quantitatively. MMW active imaging has potentially a variety of applications. However, MMW circuits are often lossy and amplifiers are costly, which are serious problems in particular in arrays using many front-end circuits in parallel. To overcome these issues, we have proposed the envelope phase detection (EPD) method where MMW is directly detected without amplification just after received at the antenna. This year, we evaluated dependence of performance on window size and CSOM parameters. In particular, we elucidated how to choose the best window size. We also conduct experiments on visualization of waking human being for quantitative evaluation.

5 Heartbeat and Respiration Remote Sensing for Life Saving and Human Monitoring

A.Hirose and A.E.Bezer
 Remote sensing technology is expected applicable effectively to finding persons under debris of disasters such as earthquakes. Monitoring of aged people and patients is another important application. However, it is still difficult to detect people stably by their small movement of heartbeat or respiration. For example, NASA/JPL developed a system, but further investigation is needed before wide use. We apply neural networks to realize highly sensitive and adaptive detection of faint heartbeat and respiration. In this year, we constructed a prototype system to conduct preliminary experiments.

6 Channel Prediction in Mobile Communications

A.Hirose, T.Ding and M.Hikosakai
Channel prediction is an important process for channel compensation in fading environment. If a future channel state is predicted, adaptive techniques such as pre-equalization and transmission power control is applicable before transmission in order to avoid degradation of communication quality. Previously, we proposed channel prediction methods employing the chirp z-transform (CZT) with a linear extrapolation as well as a Lagrange-based nonlinear extrapolation of frequency-domain parameters. We also presented a highly accurate method for predicting time-varying channels by combining the CZT with a complex-valued neural network (CVNN). In this year, we proposed to include polarization information in the prediction. Preliminary experiment demonstrated the superiority to conventional methods.

7 Highly Functional Antennas

A.Hirose, K.Kikuta and N.Onodera
Ultra wideband (UWB) wireless systems are expected to open new applications in communications and measurements. This is because of its capability to realize functions without disturbing other narrowband systems by utilizing frequency bands widely with low spectral density. This is a great merit in the era of difficulty in frequency allocation. In this year, we proposed a novel antipodal tapered slot antenna (TSA) for UWB applications. A folded fin structure is employed in the design for realizing wider bandwidth. Generally, UWB antennas have difficulty in its miniaturization because the lower-limit frequency reaches to 3.1GHz. The lower-limit of a TSA is determined by its total fin width. The folded fins realize both the lower limit and a compact size. We demonstrate the wide band characteristics in experiments. Its dispersion characteristic is also measured and discussed. We also proposed a novel reconfigurable circular-polarized antenna. Now we focus on the optimization of parameters.

8 Millimeter-wave Non-invasive Measurement of Concentration of Blood Dissolved Substances

A.Hirose and S.Hu
  The wide millimeter-wave band is useful to detect characteristics of various substances by using resonance and other phenomena. By using complex-valued neural networks (CVNNs), we expect to extract faint features of materials that has no apparent resonance nor absorption by acquiring the distributed response adaptively. In this year, we started to detect substances dissolved in blood non-invasively with high sensitivity by using CVNNs.
9 Adaptive ultrasonic imaging and its biological applications
A.Hirose and M.Kasai
 Ultrasonic imaging techniques are useful also for medical treatment utilizing its mechanical and/or thermal effects in the living body. There adaptive direction-of-arrival methods are usefully applied to adaptive focusing of ultrasonic wave. We have been working on adaptive high-resolution ultrasonic imaging based on neural networks. We also aim to develop adaptive focusing techniques to overcome dispersion and nonlinerity in high-power transmission in biological tissue. This stage of the project is collaboration with Professors Shu Takagi and Takashi Azuma, Department of Mechanical Engineering, and Hiroki Ueda and Etsuo Suzaki of School of Medicine. In this year, we conducted experiments on how sharp we can focus the thermal effect by applying high-intensity ultrasonic wave.
論文・著書一覧(2015年度)
Publications List
研究論文
[1] G.Oshiyama, A.Hirose, “Distortion reduction in singularity-spreading phase unwrapping with pseudo-continuous spreading and self-clustering active localization,” IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 8, 8 (2015) 3846-3858
[2] K.Kikuta, A.Hirose, “Compact Folded-Fin Tapered Slot Antenna for UWB Applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 14 (2015) 1192-1195
[3] F.Shang, A.Hirose, “Averaged-Stokes-Vector-Based Polarimetric SAR Data Interpretation,” IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing,” 53, 8 (2015) 4536-4547
[4] D.Danudirdjo, A.Hirose, “Anisotropic Phase Unwrapping for Synthetic Aperture Radar Interferometry,” IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, 53, 7 (2015) 4116-4126
[5] Y.Luo, K.Kikuta, Z.Han, T.Takahashi, A.Hirose, H.Toshiyoshi, “Programmable leaky-wave antenna with periodic J-shaped metamaterial patches,” Electron. Lett., 51, 10 (2015) 733-734

国際会議論文
[6] K.Kikuta, A.Hirose, “Interference Mitigation in UWB Receivers Utilizing the Differences in Direction of Arrival and Power Spectrum Density,” Asia-Pacific Microwave Conference (APMC) 2015 Nanjing, Proc. (Dec. 6-9, 2015, Nanjing) MO1C-2
[7] Y.Takizawa, F.Shang, A.Hirose, “Unsupervised land classification by self-organizing map utilizing the ensemble variance information in satellite-borne polarimetric synthetic aperture radar,” Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2015 Istanbul, Proc. (Nov. 9-12, 2015, Istanbul) 244-252
[8] T.Murata, T.Ding, A.Hirose, “Proposal of channel prediction by complex-valued neural networks that deals with polarization as a transverse wave entity,” Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2015 Istanbul, Proc. (Nov. 9-12, 2015, Istanbul) 541-549
[9] S.Fujinami, R.Natsuaki, A.Hirose, “Scaled experimental analysis of singular point generation mechanisms in interferometric SAR,” Asia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar (APSAR) 2015 Singapore, Proc. (Sept. 1-5, 2015, Singapore) 226-230
[10] A.Muhuri, R.Natsuaki, A.Battacharya, A.Hirose, “Glacier Surface Velocity Estimation Using Stokes Vector Correlation,” Asia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar (APSAR) 2015 Singapore, Proc. (Sept. 1-5, 2015, Singapore) 606-609
[11] S.Fang, A.Hirose, “Effect of Coordinate Rotation for Stokes Vector Based Polarimetric SAR Data Interpretation,” Int'l Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) 2015 Milan, Proc. (Jul. 26-31, 2015, Milan) TH4.W2.4
[12] S.Fujinami, R.Natsuaki, A.Hirose, “Experimental Analysis of Singular Point Generation Mechanisms in Interferometric SAR Using Optics: The Possibility of Singular Point Generation by Interference in a Single Pixel,” Int'l Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) 2015 Milan, Proc. (Jul. 26-31, 2015, Milan) THP.PA.4
[13] Y.Luo, Z.L.Han, K.Kikuta, T.Takahashi, A.Hirose, H.Fujita, H.Toshiyoshi, “An Active Metamaterials Antenna Controled by RF-MEMS Switches,” Transducers 2015 Anchorage, Proc. (June 21-25, 2015, Anchorage) T2B.001

解説ほか
[14] 廣瀬 明、「JNNSの国際活動の舞台としてAPNNSを活用しよう (巻頭言)」、The Brain and Neural Networks (日本神経回路学会誌)、23, 2 (2016) 53-54
[15] N.Kukutsu, T.Nagatsuma, K.Toriyama, A.Hirose, “Introduction to Supplementary Section: Advanced terahertz technologies and efforts toward practical applications,” IEEE Transactions on Terahertz Sience and Technology, 5, 6 (2015) 1101-1103
[16] A.Hirose, P.A.Rosen, H.Yamada, M.Zink, “Foreword to Special Issue on Advances in SAR and radar technology,” IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 8, 8 (2015) 3748-3750
[17] 廣瀬 明、丁 天本、「複素振幅を扱うニューラルネットワークとそのエレクトロニクスにおける利点」、電子情報通信学会和文論文誌(C)、J98-C, 10 (2015) 184-192
[18] 廣瀬 明、「次の100年への楽しい課題」(巻頭言)、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.160 (2015) 1-2

シンポジウム・研究会・大会等発表
[19] 彦坂真央樹、丁天本、廣瀬明、「マルチパス環境で偏波状態を推定し予測する四元数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 NC2015-73 (March 22, 2016, Tokyo)
[20] 衣川和尭、尚方、宇佐美尚人、廣瀬明、「適応的土地分類のための等方的活性化関数を用いた四元数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、NC2015-74 (March 22, 2016, Tokyo)
[21] 市川和秀、廣瀬明、「干渉型合成開口レーダによる高度地図作成のための複素ニューラルネットワークを用いた位相特異点構成画素群の補正」、信学会ニューロコンピューティング研究会 NC2015-75 (March 22, 2016, Tokyo)
[22] 廣瀬明、「InSARおよびPolSARイメージングにおけるニューロ適応処理」、信学会宇宙航行エレクトロニクス研究会 SANE2015-64 (Nov. 26, 2015, Sendai)
[23] 菊田和孝、廣瀬明、「アレイアンテナの到来方向推定を用いたUWB通信における干渉低減」、信学会電磁界理論研究会、EMT15-72 (Oct. 30, 2015, Miyazaki)
[24] 有馬悠也、廣瀬明、「複素自己組織化マップ画像処理を用いた包絡線検波によるミリはアクティブイメージングシステム」、信学会電磁界理論研究会、EMT15-69 (Oct. 30, 2015, Miyazaki)
[25] 小山英利香、廣瀬明、「複素自己組織化マップを用いた一次元アレイアンテナ式地雷可視化システム」、信学会電磁界理論研究会、EMT15-67 (Oct. 29, 2015, Miyazaki)
[26] 津田覚之、廣瀬明、「合成開口レーダ情報のニューラルネットワークによる構造化の手案」、信学会宇宙航行エレクトロニクス研究会、SANE2015-39, AP2015-77 (Aug. 28, 2015, Mito)
[27] 村田哲也、丁天本、廣瀬明、「パス分離による偏波合成を用いた電波伝搬チャネルの予測」、信学会電磁界理論研究会 EMT2015-6 (June 12, 2015, Tokyo)
[28] 有馬裕也 廣瀬明、「複素自己組織化マップ画像処理を用いたステップ周波数ミリ波アクティブイメージング―周波数ウィンドウの影響―」、日本神経回路学会 JNNS 2015 東京、Proc., P42 (2015) 30-31
[29] 小山英利香 廣瀬明、 「異方性を軽減する複素自己組織化マップを用いた1次元アレイアンテナ式地雷可視化システム」、 日本神経回路学会 JNNS 2015 東京、 Proc., P88 (2015) 66-67
[30] 有馬悠也、廣瀬明、「複素ニューラルネットワーク画像処理を用いた包絡線検波によるアクティブミリ波イメージングシステム」、2015信学ソ大、CS-1-3 (Sept. 8, 2015, Sendai)
[31] 菊田和孝、廣瀬明、「到来方向推定を利用したUWBシステムにおける干渉低減」、2015信学ソ大、B-19-12 (Sept. 9, 2015, Sendai)

特許
[32] 廣瀬明、小野寺尚人、円偏波アンテナ、特許出願、特願2016-024428 (2016-2-12)

その他
[33] A.Hirose, “Advanced Neural Adaptive Processing in Interferometric and Polarimetric Radar Imaging,” IEEE Geoscience and Remote Sensing Society Distinguished Lecturer Program, Beijing Chapter) (Dec. 11, 2015, Beijing)
[34] A.Hirose, “Advanced Neural Adaptive Processing in Interferometric and Polarimetric Radar Imaging (DLP in local language),” IEEE Geoscience and Remote Sensing Society Distinguished Lecturer Program, All Japan Chapter) (Nov.26, 2015, Sendai)
[35] N.Usami, A.Muhuri, A.Bhattacharya, A.Hirose, ”Proposal of Snow and Ice Mapping with Stokes Vector Representation,” 2nd ALOS-2 PI workshop (Nov. 19, 2015, Tokyo)
[36] F.Shang, A.Hirose, “Averaged Stokes Vector Based Polarimetric SAR Data Interpretation,” 2nd ALOS-2 PI workshop(Nov. 19, 2015, Tokyo)
[37] 廣瀬明、村田哲也、丁天本、「チャネル予測における偏波の扱い: 物理的実体と複素ニューラルネットワーク」、東北大学・電気通信研究所「高次元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 (Aug. 5, 2015, Sendai)