研究現況 2012
Activities 2012
1 対人プラスチック地雷可視化システム
廣瀬 明・松山和正
埋設地雷の可視化を主な目的に、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。これまでにその初号機を構築し、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。そこでこれらを解決するため、(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、第2号機の設計・構築を進めている。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が、処理方法にも一層の工夫が必要になる可能性がある。現在、データ取得を進め、システム全体のあり方を検討している。
2 ミリ波・マイクロ波イメージング
廣瀬 明・有馬悠也
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。また、定量的な評価を行っている。CSOMのダイナミクスが自己組織化パラメータ(a,b)の変動で受ける影響を調べ、特にbについては1桁程度の変化にも頑強に分類を実施できることを確認した。
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。特に、従来法である散乱要素分解による地表分類と異なり、もう一度原点に立ち返って、ポアンカレ球(ポアンカレ空間)での偏波表現による、より優れた地表分類の可能性を検討した。
4 アダプティブ アンテナ システム
廣瀬 明・丁 天本・吉田早人
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や、時空間統合処理による広帯域アダプティブアレイを探求している。前者で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、複素ニューラルネットワーク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。また、広帯域ビームフォーミングを実現するため、時空間統合処理による広帯域アダプティブアレイを実現するいくつかの方法を提案・検討している。
5 高機能アンテナ素子
廣瀬 明・北澤清子・武本絵里加・菊田和孝
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。また広帯域アンテナの分散特性についても理論的・実験的研究を進めている。
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
到来波方向推定には、いわゆるMUSIC法やESPRIT法などの超解像手法が多用されている。これらは複数到来波の信号の相互相関関数の空間依存性を利用して線形代数的に少ない計算量で到来方向を推定するものであり、高い解像度を実現できる。しかし超広帯域システムなどのように、自己相関が低下したり信号対雑音比が極端に低下したりする場合には、有限時間の観測データで必ずしも優れた特性を示すとは限らず、推定方向の偏差の増大や解像度の低下が起こる場合があると考えられる。われわれは現在、これらを解決する手法を開発中である。
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る。本年は、fBmに基づく合成開口レーダ画像の位置合わせ手法を提案した。干渉型合成開口レーダの画像処理などに利用可能である。SAR画像がfBmによってよく表現されると考え、2つの空間差分画像の統計を利用することにより、そのサブピクセル高解像度位置合わせを実現する。アップサンプリングやクロスコリレーションを取る必要がなく、少ない計算量でこれを実現する。干渉型合成開口レーダ処理での実験の結果、得られた地形図が、計算量が多い従来の手法と同等のSN比を実現していることを示した。特にフラクタル次元がほぼ一定の観測領域では、従来法よりもより高いSN比をもたらすことも確認した。
1 Antipersonnel Plastic Landmine Visualization System
A.Hirose 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. With this first system, named SO-1, we conducted field experiments to confirm the high ability to visualize plastic landmines buried in laterite soil. However, we also found a few problems in SO-1, namely, the short lifetime of the mechanical radio-frequency switches and the difficulty in maintenance of the system using a large number of bundled cables. Then last year, we started to design a new-generation visualization system to overcome 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. We may also renew the CSOM dynamics to cope with the low RF switch performance. We investigate the total system based on the data obtained by the new hardware.
2 Millimeter wave and microwave imaging for antiterrorism screening
A.Hirose and Y.Arima
From the last year, we have been concentrating 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 are serious problems in particular in arrays using many front-end circuits in parallel. To overcome these points, there have been some proposals such as the EPS method where MMW is directly detected without amplification just after received at the antenna. This year, we show the dependence of its dynamics on the self-organization parameters in the complexvalued self-organizing map (CSOM) by presenting systematic experimental results. Experiments demonstrate that the CSOM visualizes successfully a liquid-filled small plastic bottle. We found that the dynamics shows a higher tolerance on the self-organization coefficient for neighbors b, showing almost stable self-organization for changes over one order of magnitude, than on that for winners a.
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. In particular, instead of the conventional decomposition based on the scattering mechanisms, we proposed and investigated a new method of surface classification in the Poincare sphere (or Poincare space) which is more basic and more flexible in the adaptive polarization processing.
4 Adaptive Antenna System
A.Hirose, T.Ding and H.Yoshida
This theme investigates adaptive methods such as channel prediction methods combining time- and frequency-domain signal processing and learning array for ultra wideband systems. 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. We also investigate adaptive arrays suitable for ultra wideband systems based on spatiotemporal neural processing.
5 Highly functional antenna elements
A.Hirose, S.Kitazawa, E.Takemoto and K.Kikuta
Phased array, which is a typical method for variable directivity, cannot be applied to ultra wideband  (UWB) communications having widely distributed wavelength. Switching several antenna elements to various directions neither can work well since the direct coupling between the elements gets stronger when the entire antenna system needs to be miniaturized. Previously we realized a UWB adaptive antenna based on switching and stagger tuning. However it was not a planar antenna. Planar antennas also lead to wearable antenna systems in combination with flexible substrate. Then we proposed an antenna (radially arrayed gingko antenna, RAGA) in which four tapered slot antenna (TSA) elements are set radially to weaken the direct coupling. Diode switching enables variable directivity. However, reflection of the antenna is not small enough, and its side lobes are intricate and complicated. To solve these problems this year, we propose a novel antenna having slot fins with curved outline and wide roots. We realize better impedance matching and lower as well as smooth side lobes. In addition, we investigated dispersion characteristics in ultra wideband antennas theoretically and experimentally.

6 Adaptive ultrasonic imaging

A.Hirose and K.Terabayashi
The so-called MUSIC and ESPRIT methods are widely used direction-of-arrival (DoA) estimation methods widely used in various fields. They are included in linear algebraic approaches and based on the directional dependence of the signal autocorrelation. The methods realizes high resolution with low calculation cost. In ultra wideband systems, however, they may show performance degradation because of the possible low autocorrelations and/or low signal-to-noise ratios, presenting larger estimation deviation and lower directional resolution. We proposed an idea to solve this problem this year, and investigate the estimation characteristics now.
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. This year we presented a fine coregistration method for synthetic aperture radar (SAR) image processing, such as in InSAR interferogram generation based on the fBm model. Under the assumption that SAR images are proper modeled as fractional Brownian motion, relative subpixe offsets between two images can be derived from the statistics of their increments. The method does not require upsampling or cross-correlation, thus allowing for an accurate offset estimation with less computational load. Implemented as a local coregistration procedure, it also provides a non-rigid geometric alignment that nicely follows the topography of the area. Experimental results show that the method gives comparable results to the conventional method, in terms of the accuracy of the generated digital elevation models (DEM). In particular, it displays superior accuracy for images with near homogeneous fractal behavior. 
 
論文・著書一覧(2012年度)
Publications List
研究論文
[1] F.Shang A.Hirose, "Polarimetric-basis transformation for land classification in PolInSAR," Electron. Lett., 49, 1 (2013) 69-71
[2] A.Hirose S.Yoshida, "Relationship between phase and amplitude generalization errors in complex- and real-valued feedforward neural networks," Neural Computing and Applications, DOI 10.1007/s00521-012-0960-z (2012)
[3] A.Hirose S.Yoshida, "Generalization Characteristics of Complex-valued Feedforward Neural Networks in Relation to Signal Coherence," IEEE Trans. on Neural Netw. and Learning Systems, 23,4 (2012) 541-551

国際会議論文
[4] S.Onojima A.Hirose, "One-Dimensional-Array Millimeter-Wave Imaging of Moving Targets for Security Purpose Based on Complex-Valued Self-Organizing Map (CSOM)," Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2012 Doha, Proc. (Nov. 12 - 15, Doha) 229-236
[5] Y.Konno A.Hirose, "Early-Vision-Inspired Method to Distinguish Between Handwritten and Machine-Printed Character Images Using Hough Transform," Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2012 Doha, Proc. (Nov. 12 - 15, Doha) 353-360
[6] H.Matsui A.Hirose, "Nonlinear Prediction of Frequency-Domain Channel Parameters for Channel Prediction in Fading and Fast Doppler-Shift Change Environment," Int'l Symposium on Antennas and Propagation, Proc. (Oct. 29 - Nov. 2, 2012) 1132 - 1135
[7] G.Oshiyama A.Hirose, "Fully Isotropic Singular-Spreading Phase Unwrapping Int'l Symposium on Antennas and Propagation," Proc. (Oct. 29 - Nov. 2, 2012) 628 - 631
[8] F.Shang A.Hirose, "Classification Features in Phase Components of Mechanism Vectors in PolInSAR Optimization," Int'l Symposium on Antennas and Propagation, Proc. (Oct. 29 - Nov. 2, 2012) 114-117
[9] E.Takemoto A.Hirose, "Propeller-Shaped Ultra-Wideband Planar Adaptive Antenna," Int'l Symposium on Antennas and Propagation, Proc. (Oct. 29 - Nov. 2, 2012) 846-849
[10] R.Natsuaki A.Hirose, "Improvement of ALOS interferogram quality by use of the local co-registration method using singular-point and amplitude information," Int'l Geosci. and Remote Sens. Symposium (IGARSS) 2012 Munich, Proc. (July 22-27, 2012, Munich) 5602-5605
[11] A.Ejiri A.Hirose, "Landmine visualization system utilizing multiple complex-valued SOMs to integrate multimodal information," Int'l Joint Conference on Neural Networks (IJCNN) 2012 Brisbane, Proc. (June 10 - 15, 2012, Brisbane) 1233-1239

解説ほか
[12] 廣瀬 明、「編集室(英文(C)の取り組み)」、電子情報通信学会誌、95, 11 (2012) 1046
[13] 廣瀬 明、「複素ニューラルネットワークの応用における新展開」、計測と制御、51, 4 (2012) 351-357

シンポジウム・研究会・大会等発表
[14] 寺林光太郎 廣瀬明、「複素ニューラルネットワークを用いた広帯域ビームフォーミング手法による音響イメージング」、信学会ニューロコンピューティング研究会、NC20132-182 (March 15, 2013, Tokyo)
[15] 小野島昇吾 有馬悠也 廣瀬明、「複素自己組織化マップによるセキュリティ用ミリ波イメージングの提案」、信学会ニューロコンピューティング研究会、NC20132-177 (March 15, 2013, Tokyo)
[16] 夏秋嶺 廣瀬明 、「ALOSにより観測されたSAR干渉画像に対する陰影からの形状推定と位相特異点に基づく評価による修正」、信学会電磁界理論研究会、EMT12-123 (Nov. 16, 2012, Aso)
[17] ドニー・ダヌディルジョ 廣瀬明「干渉型合成開口レーダイメージのためのバリオグラムに基づく高精度位置合わせ手法」、信学会電磁界理論研究会、EMT12-123 (Nov. 15, 2012, Aso)
[18] 寺林光太郎 廣瀬明、「複素ニューラルネットワークを用いた広帯域ビームフォーミングによる音響イメージング」、コンピューテーショナル・インテリジェンス研究会 (September 28, 2012, Okayama)

著書
[19] A.Hirose, "Complex-Valued Neural Networks, 2nd Edition <単著>," Springer-Verlag (March 2012) ISBN 978-3-642-27631-6

その他
[20] A.Hirose, "Adaptive signal processing based on complex-valued neural networks in radar imaging," Int'l Workshop on Polarimetric Synthetic Aperture Radar (PolSAR) 2012 Niigata, Proc. (Aug. 23-26, 2012) Aug.25_3
[21] 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)

受賞
[22] A.Hirose、IEEE Fellow, For contributions to theory and radar applications of complex-valued neural networks, IEEE, 1-Jan-13
[23] 小野島昇吾 廣瀬明、「ミリ波イメージシステム用Ka帯直線テーパスロットアンテナとフロントエンド」、電子情報通信学会電磁界理論研究専門委員会、25-May-12