研究概況 2009
Activities 2009
1 対人プラスチック地雷可視化システム
廣瀬 明・仲野幸真・江尻礼聡
複素自己組織化マップ(CSOM)は地雷とそれ以外のものとの適応的な分別を可能にする。これまでのフィールド実験で、walled linearly tapered slot antenna (walled LTSA)アレイの高密度化によって、より高い適応区分性能が得られ地雷領域を可視化できることを確認した。今年度は、アレイアンテナを高密度化した際に顕在化してきた送受信アンテナ素子間の直接結合を軽減する方法について検討し、新たなアンテナ素子を提案した。これは、walled linearly tapered slot antenna (walled LTSA)の壁にもテーパを施して実効的な開口面積を壁自体の開口面積よりも大きくすることによって指向性を増大させ、直接結合を減少させるものである。
2 ミリ波・マイクロ波イメージング
廣瀬 明・ラデンアマド ダムリ・青柳 俊
われわれは、ミリ波による近距離のイメージングを目的するアクティブでコヒーレントなイメージング手法として、振幅変調成分の位相と振幅を取得する 変調複素振幅観測イメージング法 を提案し、基礎実験を行っている。この方式によれば高周波部分の回路構成は比較的簡易であり、安価で並列処理性が高い。その応用には、たとえば鉄道改札を通過する歩行者とその所持物をイメージングすることによるテロ対策システムなどを挙げることができる。特に、変調の位相値に注目することにより、強度イメージとは異なる有効な情報が得られる。すなわち、アクティブ イメージングで反射が輝点に見えてしまう問題が緩和されて、対象の形状をよりよく把握できる。本方式は、キャリアの波長そのままを観測するよりも、奥行きに対する適切な位相感度を得ることができる。今年度は特に、適応的画像処理方式である複素自己組織化マップ(CSOM)を利用する際に、位相情報をより活用するためのメトリックとして複素内積を利用することを提案した。これによって、危険物の区分性能が格段に向上することが、基礎実験により明らかになった。また、このようなイメージングに適した低損失なミリ波回路を実現するための低インピーダンスで広帯域姓を持つbulk LTSAを提案した。数値解析を進めるとともに、実際に素子を作成してその基礎的な特性を明らかにした。
3 干渉型合成開口レーダ
廣瀬 明・夏秋 嶺・ハンムラー ニコラウス
衛星あるいは航空の干渉合成開口レーダー(InSAR)は地形情報(DEM)を測定するための有用な技術である。しかし、InSARによる干渉画像には、位相特異点とよばれる回転成分が多数 生じており、地形情報の精確な把握を困難にしている。今年度は昨年度に引き続き、位相特異点が発生する座標周辺の干渉前の観測データをサブピクセル単位の複素振幅データに補間して局所的かつ非線型な位置合わせを行って、位相特異点の数を減少させることによってDEMのSN比を向上させる実験を進めた。その際に特徴的なことは、位相特異点自体が消滅することを位置合わせの整合度の指標として利用する点にある。この方法をSPEC法と名づけた。実際の観測データに対して本手法を適用したところ、位相特異点が減少するとともに、地形図のSN比が向上して地形の概観も大幅に向上することが確認された。ただし、この際に位相特異点を消去する一あわせ方法が複数ある場合に、ある条件を満たす方向への位置あわせがよりよい結果に至ることを観測している。その点も取り入れて、現在、本手法の体系的な確立を図っている。
4 アダプティブ アンテナ システム
廣瀬 明・小沢章太郎
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。この手法は周波数領域でドップラーシフトを推定するために適したものであり、周波数の量子化(離散化)による誤差を緩和するために大きな効果がある。時分割二重通信において予測精度が大きく向上することをシミュレーションにより確認した。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。今年度はさらに、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た。
5 高機能アンテナ素子
廣瀬 明・ヴェルナー シュテフェン・馬場貴弘
今年度は超広帯域で指向性可変のアンテナの実現を目指した研究のうち、まず、スイッチト・ディスコーン・アンテナの理論解析を中心に進めた。等価回路によって詳細な動作解析を進めた結果、その動作が進行波型エレメントの広帯域性とスタガ同調とによって説明できることが明らかになった。近年、UWB(Ultra wideband)等に利用可能な超広帯域アンテナに対する関心が増している。一般に超広帯域アンテナでは柔軟な指向性を実現することが難しい。アレイ化等によってもホイヘンスの原理による単純な波面合成法が利用できないためである。また共振特性を利用できないため、エスパアンテナなどにも用いられている八木アンテナ的な導波器や反射器の利用も困難である。われわれは指向性可変の超広帯域アンテナを新たに考案した。ディスコーンアンテナのコーンを複数の棒状エレメントで構成し、その一部を給電素子とし残りを無給電(寄生)素子とする。これまでに、全体として調和のとれた動作を行う可変指向性アンテナとすることに成功し、実測によってその性能を確認している。
6 適応的コヒーレント光波イメージング
廣瀬 明・アンドリヤン バユ スクスモノ
今年度はディジタルホログラムにおける対象物画像の新しい数値再構成方法を提案した。この方法は実空間領域とフレネル変換領域の双方を用いるものであり、これを双領域マッチング追跡法(MPPD)と名づけた。変換領域でホログラムを分解し、係数セットを得る。その係数を使って、あらかじめ用意した空間基底によって実空間画像を再構成する。まず球状粒子を対象物としたシミュレーションによって、本手法が高い対雑音性をもつことを確認した。実空間ガウス基底とその変換をペアとして用いることにより、画像の再構成をうまく実現できた。また、実際に球状シリカゲルを対象とした工学実験を行って、本手法が効果的に画像採光性を実現することを確認した。
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・ゲルマン ユルク マルクス
当研究室における複素ニューラルネットワーク研究はこれまで、具体的な個々のアプリケーションに付随する個別のダイナミクスを持つ基本原理として、それぞれ構築されてきた。一方、近年の世界のニューラルネットワーク研究では、すでに複素ニューラルネットワークを出来上がったものとして手軽に活用してアプリケーションに組み込んだり、あるいはその基本的な性質を理解するために基礎的な動作確認を行ったりすることへの要求が大きくなってきた。そこで、複素ニューラルネットワークのソフトウエアを整理し世界の研究者に利用しやすくするためのライブラリ化の作業を開始した。今年度はMatlabの環境で、複素バックプロパゲーションを実現する複素ニューラルネットワークのソフトウエアの構築を行った。柔軟に一般的な信号を処理できるよう工夫し、その動作を確認した。Matlabは手軽な環境であるが、実システムに組み込むには問題もあるため、今後はC++当での構築も進める。
1 Antipersonnel Plastic Landmine Visualization System
A.Hirose, Y.Nakano and A.Ejiri
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 concentrated on the reduction of direct coupling which deteriorates the visualization and classification ability. We proposed and developed a new antenna that has a taper structure also on the walls. The effective aperture is then larger than that of the physical wall, which enhances the directivity and reduces the direct coupling.
2 Millimeter wave and microwave imaging for antiterrorism screening
A.Hirose, D.Radenamad and T.Aoyagi
We conducted experimental demonstration of our novel active and coherent method for near field imaging in millimeter-wave band, namely the envelope phase detection (EPD). In the EPD, the high-frequency circuit is so simple that it is low-cost and suitable for highly-parallel imaging. One of the possible applications is an anti-terrorism security system at ticket gates in railway stations where we observe walking people with their belongings. We reported in particular that the phase image observed by the EPD yields quite informative images. That is, the harmful glaring, which often occurs in active millimeter imaging, is mitigated effectively so that the shape of an objective is presented much better. We can choose arbitrary phase-distance sensitivity by adjusting the modulation frequency adaptively to the target of visualization. This year we proposed a novel metric, namely the complex-valued inner product, to be used in the self-organization in the complex-valued self-organizing map (CSOM) with which we can more utilize the phase information. Experiments demonstrated drastic improvement in the adaptive classification of target objects. In parallel, we proposed a low-impedance wideband antenna element for the imaging purpose, and named it the bulk linearly-tapered slot array (bulk LTSA). Numerical analysis revealed the wideband characteristic and direct connectability to detection circuits, which guarantees low loss in millimeter-wave imaging systems.
3 Interferometric Synthetic Aperture Radars
A.Hirose, R.Natsuaki and N.Hammler
Interferometric synthetic aperture radar (InSAR) is a useful technology to observe the earth topography or, in other words, to generate digital elevation map (DEM). However, an InSAR interferogram usually includes a lot of points where we find rotational component, i.e., singular points (SPs). They deteriorate the accuracy of height estimation. This year, we investigated the improvement by employing our proposed method, the SPEC method, which is a local and nonlinear coregistration method of the master and the slave, that are interpolated into subpixel complex-amplitude data, by using the number of the SPs as the evaluation criterion. In this process, we regard the vanishment of SPs as a realization of accurate coregistration. Experiments for real observation data demonstrated that the proposed method reduces the number of SPs and improves the signal-to-noise ratio of generated digital elevation models. We also found that that, when we have multiple coregistration possibilities in a local area, there exists the best direction, and the solution satisfies a certain condition. We are now optimizing the processing including the above optimization.
4 Adaptive Antenna System
A.Hirose and S.Ozawa
Recently there is an increasing interest in adaptive antenna technology since its capability of user tracking, co-channel interference reduction, and spatial diversity offer better coverage, capacity, multipath rejection, and power efficiency. Previously we proposed a low complexity method to predict fast fading channel by estimating the parameters of the channel from the Doppler spectrum calculated using chirp z-transform (CZT). The CZT fits the frequency domain channel prediction for its ability to interpolate data points in the frequency domain, which reduces the frequency-quantization error. Our evaluation results with time-division duplexing show that the CZT method can significantly increase the channel prediction accuracy. The calculation cost of the CZT-based method is much lower compared to that of the zero-padding, autoregressive, or high-resolution methods. This year we proposed to combine the CZT with linear prediction in the frequency domain. This proposed method has improved the channel prediction ability very largely.
5 Highly functional antenna elements
A.Hirose, S.Werner and T.Baba
We analyzed the operation of our newly proposed ultra-wideband variable-directivity antenna. In the equivalent-circuit analysis, we found that we can explain the wideband and controllable-directivity operation based on the wideband characteristics of the traveling-wave-type elements and the stagger tuning in total. It is more and more desired to develop ultra-wideband antennas applicable to, e.g., so-called ultra wideband (UWB) systems. However, such an ultra wideband antenna has difficulty in variable-directivity compatibility because we cannot adopt a simple wavefront synthesis technique based on Huygens principle. Another reason lies in the unavailability of directors and reflectors used in ESPAR antennas and ordinary Yagi antennas. We proposed a new antenna structure. The antenna is a modified discone of which cone is consists of line elements. We feed some of the lines, while we do not others, to make them parasitic, so that all the elements works in cooperation, which realizes both wideband and variable directivity.
6 Adaptive processing in coherent optical imaging
A.Hirose and A.B.Suksmono
We proposed a new numerical-reconstruction method of an object image from its digital hologram. The proposed matching pursuit on a pair of domains (MPPD) method employs a spatial-domain basis and its (Fresnel) transform-domain pair. The transform domain basis is used to decompose the hologram, which yields a set of coefficients. Then, these coefficients are used to reconstruct the spatial-domain object image using the predefined spatial basis. We showed the robustness of the proposed method against noise on a simulated hologram of spherical particles. By employing spatial-domain gaussian basis and its transform pair, the image of these particles were recovered successfully. The effectiveness of the proposed method has also been demonstrated to a real microscopic-hologram of silica gel spherical particles.
 7 Fundamental analysis of neural network dynamics
 A.Hirose and J.M.Germann
In this laboratory, we have been developing various complex-valued neural networks (CVNNs) as processing modules specialized to respective application systems so that the modules possess their own dynamics optimized their applications. Simultaneously, many world neural-network researchers expect us to provide standard packages of CVNNs for easy embedment into new systems or quick confirmation of performance in basic processing and learning functionality. Then we have started to build a set of CVNN packages available for world researchers in the field. This year we constructed a CVNN package realizing complex-valued backpropagation learning in the Matlab environment. The software has a set of general parameter inputs to realize general learning and processing. Though the Matlab is very useful for quick evaluation, it is not suitable for real applications. For this reason, we are going to construct similar software in C++
 
論文・著書一覧(2009年度)
Publications List
研究論文
[1] A.Handayani A.B.Suksmono T.L.R.Mengko A.Hirose: "Blood Vessel Segmentation in Complex-Valued Magnetic Resonance Images with Snake Active Contour Model," International Journal of E-Health and Medical Communications, 1, 1 (2010) 41-52.
[2] T.Nishino R.Yamaki A.Hirose: “Ultrasonic imaging for boundary shape generation by phase unwrapping with singular-point elimination based on complex-valued Markov random field model," IEICE Trans. on Fundamentals, E93-A, 1 (2010) 219-226.
[3] Y.Baba A.Hirose: “Spectral fluctuation method: A texture-based method to extract text regions in general scene images," IEICE Trans. on Information Systems, E92-D, 9 (2009) 1702-1715.
[4] K.Tanizawa A.Hirose: "Search Control Algorithm Based on Random Step Size Hill-Climbing Method for Adaptive PMD Compensation," IEICE Trans. on Commun. , E92-B, 8 (2009) 2584-2590.
[5] S.Tan A.Hirose: “Chirp Z-Transform-based Fading Channel Prediction," Electron. Lett., 45, 8 (2009) 418-420.

国際会議論文
[6] D.Radenamad T.Aoyagi A.Hirose: "Proposal of bulk LTSA to realize low antenna impedance for real time millimeter wave imaging front-end," Asia Pacific Microwave Conf. (APMC) 2009 Singapore, Proc. (Dec. 7-10, 2009, Singapore) TU1G-2.
[7] K.Kitahara A.Hirose, "A Concept Generation Method Based on Mutual Information Quantity Among Multiple Self-Organizing Maps," Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2009 Bangkok, Proc. (Dec. 1-5, 2009, Bangkok) 263-272.
[8] K.Tanizawa A.Hirose: "Improvement of BER Performance by Active PMD Compensation Employing the Steepest Descent-Based Tracking Algorithm," Optoelectronics and Commun. Conf. (OECC) 2009 Hong Kong, Proc. (July 13-17, 2009, Hong Kong) ThD5.
[9] R.Natsuaki A.Hirose: "Local, nonlinear adaptive co-registration of master and slave interferometric SAR complex image data for high quality digital elevation map generation," Int'l Geosci. and Remote Sens. Symposium (IGARSS) 2009 Capetown, Proc. (July 13-17, 2009, Cape Town) FR2.O2.2.
[10] A.Hirose: "Complex-valued neural networks (Tutorial)," Int'l Joint Conference on Neural Networks (IJCNN) 2009 Atlanta, Proc. (June 15-19, 2009, Atlanta) A2_T15.
[11] A.Hirose: "Complex-valued neural networks: The merits and their origins," Int'l Joint Conference on Neural Networks (IJCNN) 2009 Atlanta, Proc. (June 15-19, 2009, Atlanta) 1237-1244.

解説
[12] 廣瀬明:「地中レーダによる地雷可視化技術」、計測と制御、48, 10 (2009) 754-760.

シンポジウム・研究会・大会等発表
[13] 青柳俊 ラデンアマド・ダムリ 仲野幸真 廣瀬明:複素内積を用いた複素自己組織化マップによるセキュリティ用アクティブイメージング実験、信学会ニューロコンピューティング研究会、NC2009-129 (March 10, 2010, Tokyo)
[14] 廣瀬明 江尻礼聡 北原邦紀:相互情報量を利用した複数SOMによる地雷概念形成、信学会ニューロコンピューティング研究会、NC2009-130 (March 10, 2010, Tokyo)
[15] ラデンアマド・ダムリ 青柳俊 廣瀬明:実時間ミリ波イメージング用フロントエンドのための低インピーダンス バルクLTSA、信学会電磁界理論研究会、EMT09-148 (Nov. 28, 2009, Okinawa)
[16] 仲野幸真 廣瀬明:近傍イメージングのために高指向性・低直接結合を実現するTaper-walled LTSA、信学会電磁界理論研究会、EMT09-147 (Nov. 28, 2009, Okinawa)
[17] 夏秋嶺 廣瀬明:SAR干渉画像を作成するための局所的かつ非線形な位置合わせ、 信学会宇宙・航行エレクトロニクス研究会、SANE2009-40 (June 26, 2008, Tsukuba)
[18] 廣瀬 明:複素ニューラルネットワークの利点とその起源、信学会ニューロコンピューティング研究会、NC2009-2 (May 25, 2009, Okinawa)
[19] 廣瀬明 宮森高:「五感」情報処理:アプリケーションの展望、2010信学総大CDT-1 (Mar. 18, 2010, Sendai)
[20] 夏秋嶺 廣瀬明:SAR干渉画像の局所的歪み解消のための非線形な位置合わせ、2010信学総大、B-2-64 (Mar. 19, 2010, Sendai)
[21] 青柳俊 ラデンアマド・ダムリ 仲野幸真 廣瀬明:衣服下の液体を可視化するためのアクティブミリ波イメージングにおける複素自己組織化マップ適応処理、2010信学総大、C-2-114 (Mar. 17, 2010, Sendai)
[22] 仲野幸真 廣瀬明:広帯域近傍イメージング・アレイの素子間直接結合の低減、2010信学総大、B-1-151 (Mar. 17, 2010, Sendai)
[23] A.Hirose: ”Future millimeter-wave / microwave imaging technology and microelectronics,”Japan-Taiwan Symposium on Microelectronics, (Oct. 29, 2009, Tokyo)

著書
[24] Y.Nakano A.Hirose: "Adaptive ground penetrating radar systems to visualize antipersonnel plastic landmines based on local texture in scattering and reflection data in space and frequency domains,” in Radar Technology, In-Tech (Dec. 2009) 127-140, ISBN 978-953-307-029-2.

その他
[25] A.Hirose: "Complex-valued neural networks (Tutorial video archive, IJCNN 2009 Atlanta)," IEEE Computational Intelligence Society (CIS) / INNS, IEEE CIS Website (June 15-19, 2009, Atlanta).

受賞
[26] A.Hirose, Testimonial for a distinguished tutorial at the IJCNN 2009 Atlanta, IEEE Computational Intelligence Society (CIS) / INNS, 7-Aug-09