1 干渉型合成開口レーダ |
廣瀬 明・藤波駿一郎・津田覚之 |
2 偏波合成開口レーダ |
| 廣瀬 明・尚 方・宇佐美尚人・滝沢雄登 |
| 合成開口レーダ(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を提案した。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提案した。その区分性能は、従来高い性能を上げているWishart / C-matrix法に比べて高い正答率を得ることを示した。その特長をさらに追求している。 |
3 セキュリティ用イメージング |
| 廣瀬 明・有馬悠也 |
| 本年度は、われわれが提案したEPD方式による受信機を1次元アレイとする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構築とそ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、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。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している。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。 |
4 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。以前に2次元アレイアンテナを設計・作製して初号機を構築し、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号機を提案し、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により解決することが出来る見通しが立った。 |
5 移動体通信のチャネル予測 |
| 廣瀬 明・丁 天本・村田哲也 |
| 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。本年、われわれは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する。シミュレーションと実測実験の結果により、提案手法が、線形予測に基づく手法やラグランジュ補間に基づく手法よりも、高精度にチャネル状態を予測できることを示す。 |
6 高機能アンテナ |
| 廣瀬 明・北澤清子・菊田和孝・宇佐美尚人 |
| 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。 |
7 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。 |
8 複素ニューラルネットワークのモジュール化 |
| 廣瀬 明・謝 浩然 |
| 複素ニューラルネットワークは広く用いられるようになってきたが、新たにこの分野の研究をはじめようとする研究グループから、プログラミングライブラリが無いか尋ねられることが頻繁にある。研究室ではそれぞれのアプリケーションに最適な形で各ソフトウエアを構築しており、一般的に使える形のものがこれまで無かった。学部交換留学生やインターンシップ学生に複素ニューラルネットワークについて会得してもらうと共にそのような目的にも利用できる環境を実現するため、汎用的な複素ニューラルネットワーク環境の構築を進める。 |
1 Interferometric Synthetic Aperture Radars |
A.Hirose, S.Fujinami and S.Tsuda |
| 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. This year, we proposed a scaled experiment that we can conduct in the laboratory to make the interferometry under our control. In particular, we paid attention to the statistics of singular unit (SU: four pixels constructing a SP) amplitude. We shows that most SPs are generated as a result of interference of backscattered waves from dominant but plural scatterers. Now we investigate the mechanisms more qualitatively. |
2 Polarimetric Synthetic Aperture Radars |
| A.Hirose, F.Shang, N.Usami and Y.Takizawa |
| 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. This year we proposed 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. It has been found that the QNN performance is superior to the conventional Wishart / C-matrix method in adaptive classification. We further investigate its strength. |
3 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. 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. |
4 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. However, we also found a few problems in SO-1, that is, the short lifetime of the mechanical radio-frequency switches and the difficulty in maintenance of the system using a large-number dense two-dimensional array. Then we started to design a new-generation visualization system to overcome these problems. Our ideas include (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. Now we evaluate the performance. |
5 Channel Prediction in Mobile Communications |
| A.Hirose, T.Ding and T.Murata |
| 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. This year, we presented a highly accurate method for predicting time-varying channels by combining the CZT with a complex-valued neural network (CVNN). We demonstrated that the channel prediction accuracy of our CVNN-based prediction is better than those of the previous prediction methods in a series of simulations and experiments. |
6 Highly functional antennas |
| A.Hirose, S.Kitazawa, K.Kikuta and N.Usami |
| 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. 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. |
7 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 year, we conducted experiments with cooperation of Professors Shu Takagi and Takashi Azuma, Department of Mechanical Engineering, and Hiroki Ueda and Etsuo Suzaki of School of Medicine. |
8 Modularization of complex-valued neural networks |
| A.Hirose and H.Xie |
| Complex-valued neural networks are widely used in these years. Nonetheless we sometimes receive inquiry from newly participating research groups whether there exist any programming libraries so that they can start their research quickly. In our laboratory we have developed our software for respective application systems but not for general purposes. We develop a general complex-valued neural-network environment to answer positively to such questions as well as to prepare such environment for undergraduate university-exchanging students and internship students to experience the dynamics and performance of the networks. |
| 論文・著書一覧（2014年度） |
| Publications List |
| 研究論文 [1] D.Danudirdjo, A.Hirose, "InSAR Image Regularization and DEM Error Correction with Fractal Surface Scattering Model," IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, 53, 3 (2015) 1427-1439 [2] E.Takemoto, A.Hirose, "Propeller-Shaped Antenna: A steerable ultra-wideband planar antenna," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 13, 6 (2014) 1140-1143 [3] K.Terabayashi, R.Natsuaki, A.Hirose, "Ultra-Wideband Direction-of-Arrival Estimation Using Complex-Valued Spatiotemporal Neural Networks," IEEE Trans. on Neural Netw. and Learning Systems, 25, 9 (2014) 1727-1732 [4] T.Ding, A.Hirose, "Fading Channel Prediction Based on Combination of Complex-Valued Neural Networks and Chirp Z-Transform," IEEE Trans. on Neural Netw. and Learning Systems 25, 9 (2014) 1686-1695 [5] F.Shang, A.Hirose, Quaternion Neural-Network-Based PolSAR Land Classification in Poincare-Sphere-Parameter Space," IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, 52, 9 (2014) 5693-5703 国際会議論文 [6] A.Hirose, "Advanced Neural Adaptive Processing in Interferometric and Polarimetric Radar Imaging," IEEE Geoscience and Remote Sensing Society Distinguished Lecturer Program, Delhi Chapter / ICMARS 2014 Jodhpur (Dec. 11, 2014, Johdpur) [7] Y.Arima, A.Hirose, "Millimeter-Wave Active Imaging Using Multiple Frequencies with Complex-Valued Self-Organizing Map Image Processing," Asia-Pacific Microwave Conference (APMC) 2014 Sendai, Proc. (Nov. 4-7, 2014, Sendai) 1031-1033 [8] K.Kikuta, A.Hirose, "Proposal of Compact Folded Tapered Slot Antenna for UWB, "Asia-Pacific Microwave Conference (APMC) 2014 Sendai, Proc. (Nov. 4-7, 2014, Sendai) 37-39 [9] N.Usami, A.Hirose, "Proposal of Wideband Reconfigurable Circular-Polarized Single-Port Antenna," Asia-Pacific Microwave Conference (APMC) 2014 Sendai, Proc. (Nov. 4-7, 2014, Sendai) 34-36 [10] A.Hirose, "Complex-Valued Neural Networks – Recent Progress and Future Directions, "Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2014 Kuching, Proc. (Nov. 3-6, 2014, Kuching) 223-230 [11] T.Ding, A.Hirose, "Fading channel prediction based on self-optimizing neural networks," Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP) 2014 Kuching, Proc. (Nov. 3-6, 2014, Kuching) 178-182 [12] R.Natsuaki, A.Hirose, "Changes of dominant scatterers and propagation paths as a possible origin of singular points in radar interferometry: Experimental analysis," Int'l Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) 2014 Quebec City, Proc. (Jul. 13-18, 2014, Quebec City) 290-293 [13] F.Shang, A.Hirose, "Considerations on C/T matrix-based polsar land classification and explorations on stokes vector-based method," Int'l Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) 2014 Quebec City, Proc. (Jul. 13-18, 2014, Quebec City) 4576-4579 [14] K.Terabayashi, A.Hirose, Ultra-short-pulse acoustic imaging using complex-valued spatio-temporal neural-network for null-steering: Experimental results," Int'l Joint Conference on Neural Networks (IJCNN) 2014 Beijing, Proc. (Jul. 6-11, 2014, Beijing) 3410-3413 解説ほか [15] 鳥山和重, 廣瀬 明,「最新テラヘルツ技術と実用化に向けた取り組み」編集にあたって, 電子情報通信学会誌, 97, 11 (2014) 917 [16] A.Hirose, "All Japan Chapter: Activities and Prospect," IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 2, 3 (2014) 42-45 [17] 廣瀬 明,「複素振幅を扱うニューラルネットワーク理論の構築とレーダ応用への先駆的貢献」（エレクトロニクスソサイエティ賞 寄稿）, 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.158 (2014) 7-8 [18] 渡邊実, 廣瀬明, 「高度な専門知識に基づくデザインコンテスト」編集にあたって, 電子情報通信学会誌, 97, 9 (2014) 757 [19] A.Hirose, I.Aizenberg, D.P.Mandic, "Guest Editorial: Special Issue on Complex- and Hypercomplex-Valued Neural Networks," IEEE Trans. on Neural Netw. and Learning Systems, 25, 9 (2014) 1597-1599 [20] A.Hirose, "APSAR 2013 Tsukuba, Japan -- Report," IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 2, 2 (2014) 83-85 [21] 廣瀬 明, "編集室（国際化 2）," 電子情報通信学会誌, 97, 3 (2014) 264 シンポジウム・研究会・大会等発表 [22] 有馬悠也,廣瀬明, "複素自己組織化マップを用いたミリ波アクティブイメージングにおけるウィンドウサイズの最適化," 信学会ニューロコンピューティング研究会 NC2015-115 (March 16, 2015, Tokyo) [23] 滝沢雄登, 尚 方, 廣瀬明, "二段階クラスタリングによる人工衛星搭載偏波合成開口レーダ画像の地表情況適応分類," 信学会ニューロコンピューティング研究会, NC2014-113 (March 16, 2015, Tokyo) [24] 藤波駿一郎, 廣瀬明, "干渉型合成開口レーダにおける位相特異点生成機序解明のための光学系による実験的解析," 信学会電磁界理論研究会, EMT-14-167 (Nov. 22, 2014, Kusatsu) [25] 有馬悠也, 廣瀬明, "ミリ波イメージングにおける適応的区分化のための複素自己組織化マップのダイナミクス," 計測自動制御学会・第５回 コンピューテーショナル・インテリジェンス, PG0008-14 (2014) 97-103 [26] 宇佐美尚人, 廣瀬明, "広帯域に左右円偏波切り替え可能な単一給電の導波管型アンテナ：数値解析," 信学会電磁界理論研究会, EMT14-76 (May 24, 2014, Tokyo) [27] 菊田和孝, 廣瀬明, "折りたたみ構造による小型・超広帯域(UWB)テーパスロットアンテナ," 信学会電磁界理論研究会 EMT14-75 (May 24, 2014, Tokyo) [28] 菊田和孝, 廣瀬明, "折りたたみ構造によるUWB用小型テーパスロットアンテナ," 2014信学ソ大, B-1-121 (Sept. 24, 2014, Tokushima) [29] 廣瀬明, "複素振幅を扱うニューラルネットワーク理論の構築とレーダ応用 --電波伝搬・散乱の物理と適応的・統計的な情報処理の融合による新技術領域の開拓--," 2014信学ソ大, C-1-23 (Sept. 24, 2014, Tokushima) 著書 [30] 廣瀬 明, "電気電子計測（第2版）," シリーズ 新・電気システム工学, 数理工学社、東京(Jan. 2015) ISBN 4-86481-025-8 その他 [31] A.Hirose, F.Shang, "Stokes vector representation for high-accuracy polarimetric land classification," Pi-SAR-L2 PI Workshop, (Feb. 12, 2015, Tokyo) [32] A.Hirose, "Japan's Technology in the recent 50 yeasrs, "India-Japan Cooperational Project Workshop 2015 Mumbai, (Feb. 3, 2015, Mumbai) [33] A.Hirose, G.Oshiyama, "Fully Isotropic Singularity-Spreading Phase Unwrapping," India-Japan Cooperational, Project Workshop 2015 Mumbai (Feb. 3, 2015, Mumbai) [34] N.Usami, A.Hirose, "Proposal of Wideband Reconfigurable Circular-Polarized Single-Port Antenna," India-Japan Cooperational Project Workshop 2015 Mumbai (Feb. 3, 2015, Mumbai) [35] A.Hirose, "Japan's Technology in the recent 50 yeasrs," IEEE Geoscience and Remote Sensing Society Distinguished Lecturer Program, Delhi Chapter / ICMARS 2014 Jodhpur (Dec. 11, 2014, Jodhpur) [36] A.Hirose, "Advanced Neural Adaptive Processing in Interferometric and Polarimetric Radar Imaging," IEEE Geoscience and Remote Sensing Society Distinguished Lecturer Program, Bangalore Chapter (Dec. 8, 2014, Bangalore) [37] Y.Arima, A.Hiroes, "Millimeter-wave Active Imaging Using Multiple Frequencies with Complex-Valued Self-Organizing Map Image Processing," India-Japan Cooperational Project Workshop 2014 Niigata (Nov. 20, 2014, Niigata) [38] K.Kikuta, A.Hirose, "Proposal of Compact Folded Tapered Slot Antenna for UWB," India-Japan Cooperational Project Workshop 2014 Niigata (Nov. 20, 2014, Niigata) [39] N.Usami, A.Hirose, "Proposal of Wideband Reconfigurable Circular-Polarized Single-Port Antenna," India-Japan Cooperational Project Workshop 2014 Niigata (Nov. 20, 2014, Niigata) [40] A.Hirose, "Advanced Neural Adaptive Processing in Interferometric and Polarimetric Radar Imaging," IEEE Geoscience and Remote Sensing Society Distinguished Lecturer Program, Malaysia Chapter (Nov. 7, 2014, Kuala Lumpur) [41] A.Hirose, "Advanced Neural Adaptive Processing in Interferometric and Polarimetric Radar Imaging," IEEE Geoscience and Remote Sensing Society Distinguished Lecturer Program, Gujarat Chapter (June 4, 2014, Ahmedabad) [42] A.Hirose, "Complex Valued Neural Networks (CVNN) concept in analyzing SAR Polarimetry data," Geomatrix Conference 2014 Mumbai Proc. (June 7, 2014, Mumbai) S4_01 [43] A.Hirose, "Advanced Neural Adaptive Processing in Interferometric and Polarimetric Radar Imaging," IEEE Geoscience and Remote Sensing Society Distinguished Lecturer Program, Malaysia Chapter (Nov. 7, 2014, UTAR, Kuala Lumpur) [44] A.Hirose, "Advanced Neural Adaptive Processing in Interferometric and Polarimetric Radar Imaging," IEEE Geoscience and Remote Sensing Society Distinguished Lecturer Program, Gujarat Chapter, (June 4, 2014, ISRO, Ahmedabad) 受賞 [45] 小山英利香（指導：廣瀬明）, 電気学会東京支部 電気学術女性活動奨励賞 [46] 廣瀬明、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ賞、電子情報通信学会 |