電磁波情報の適応処理のためのフェーザ四元数ニューラルネットの構築と工学的体系化

• 研究課題/領域番号: 18H04105
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分61:人間情報学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 廣瀬 明 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70199115)
• 研究分担者: 夏秋 嶺 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (60748888)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 43,654千円 (直接経費: 33,580千円、間接経費: 10,074千円); 2022年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2021年度: 5,954千円 (直接経費: 4,580千円、間接経費: 1,374千円); 2020年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円); 2019年度: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円); 2018年度: 14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円)
• キーワード: ニューラルネットワーク / リモートセンシング / エッジコンピューティング / 波動情報処理 / 偏波干渉合成傾向レーダ / 近距離レーダイメージング / フェーザ四元数 / 合成開口レーダ / ディジタル高度地図 / 植生・土地利用推定

研究成果の概要

まずPolSARによる地表植生区分を適応的に高精度で行うQNNシステムの構築に成功した。それを発展させて位相情報も融合させたPQNNの理論を構築し、PolInSARデータや地中レーダデータを堅固に行うニューラルネットワークを実現した。続いて移動体通信のチャネル予測を偏波も考慮することで実用的な精度で行うことを可能にするQNNシステムを構築し、その有用性を明確に示した。並行して上記を総合する形での電磁波・光波偏波情報を扱うQNNの枠組みの構築と工学的体系化を進めた。そしてこれら実験結果をもとにQNNおよびPQNNの理論の枠組みをまとめてゆき体系化を進めた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

2010年代前半、ディープラーニングを中心に人工知能(AI)が社会に急速に普及をはじめた。一方、各種センサの急速な普及はセンサネットワーク社会を生み出し、人間に高い利便性をもたらすとともに、プライバシー確保やエネルギー消費の爆発的増大などの問題も新たに生み出した。そこで、このようなネットワークの末端でのセンサ情報のAI処理、すなわちエッジコンピューティングの、高機能化・省エネルギー化が希求されるようになった。センシングで広く利用されるレーダ・イメージングでは、その偏波と位相を有効かつ整合的に扱うニューラルネットワークの理論が望まれるようになった。本研究は、この要求に正面から応えるものである。

研究成果

• [国際共同研究] Washington University in St. Louis(米国)
• [国際共同研究] Indian Institute of Technology Roorkee/Indian Institute of Technology Bombay(インド)
• [雑誌論文] 2.65Gbps Downlink Communications with Polarization Multiplexing in X-Band for Small Earth Observation Satellite (2021)
  • 著者名/発表者名: T.Kaneko N.Kawano Y.Nagao K.Murakami H.Watanabe M.Mita T.Tomoda K.Hirako S.Shirasaka S.Nakasuka H.Saito A.Hirose
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Communications 巻: E104.B 号: 1 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1587/transcom.2019EBN0009
  • NAID: 130007964960
  • ISSN: 0916-8516, 1745-1345
  • 年月日: 2021-01-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Online Regularization of Complex-Valued Neural Networks for Structure Optimization in Wireless-Communication Channel Prediction (2021)
  • 著者名/発表者名: T.Ding A.Hirose
  • 雑誌名: IEEE Access 巻: 8 ページ: 143706-143722
  • DOI: 10.1109/access.2020.3013940
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Phasor-quaternion self-organizing-map-based ground penetrating radar systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Y.Song A.Hirose
  • 雑誌名: IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing 巻: 59 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1109/tgrs.2021.3065137
  • 査読あり
• [雑誌論文] Consideration on singular-point generating mechanisms by analyzing the effect of phase-and-polarization optimization in PolInSAR (2020)
  • 著者名/発表者名: Y.Otsuka T.Shimada R.Natsuaki A.Hirose
  • 雑誌名: IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing 巻: 13 ページ: 1625-1638
  • DOI: 10.1109/jstars.2020.2983801
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Millimeter-wave Coherent Imaging of Moving Targets by Using Complex-valued Self-organizing Map and Auto-encoder (2020)
  • 著者名/発表者名: Y.Arima A.Hirose
  • 雑誌名: IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing 巻: 13, 2 ページ: 1784-1797
  • DOI: 10.1109/jstars.2020.2971275
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Data Arrangement with Rotation Transformation for Fully Polarimetric Synthetic Aperture Radar (2020)
  • 著者名/発表者名: F.Shang X.Huang H.Liu A.Hirose
  • 雑誌名: IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters 巻: 17, 3 号: 3 ページ: 436-440
  • DOI: 10.1109/lgrs.2019.2924077
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adaptive Subsurface 3D Imaging Based on Peak Phase-Retrieval and Complex-Valued Self-Organizing Map (2020)
  • 著者名/発表者名: S.Shimomura A.Hirose
  • 雑誌名: IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters 巻: 17, 1 号: 1 ページ: 52-56
  • DOI: 10.1109/lgrs.2019.2915256
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatially Arranged Sparse Recurrent Neural Networks for Energy Efficient Associative Memory (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Tanaka, R. Nakane, T. Takeuchi, T. Yamane, D. Nakano, Y. Katayama, and A. Hirose
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems 巻: - 号: 1 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1109/tnnls.2019.2899344
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Isotropization of Quaternion-Neural-Network-Based PolSAR Adaptive Land Classification in Poincare-Sphere Parameter Space (2018)
  • 著者名/発表者名: Kinugawa Kazutaka、Shang Fang、Usami Naoto、Hirose Akira
  • 雑誌名: IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters 巻: 15 号: 8 ページ: 1234-1238
  • DOI: 10.1109/lgrs.2018.2831215
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental Analysis on the Mechanisms of Singular Point Generation in InSAR by Employing Scaled Optical Interferometry (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujinami Shunichiro、Natsuaki Ryo、Ichikawa Kazuhide、Hirose Akira
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 巻: 56 号: 7 ページ: 3830-3837
  • DOI: 10.1109/tgrs.2018.2812898
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pixel-by-Pixel Scattering Mechanism Vector Optimization in High-Resolution PolInSAR (2018)
  • 著者名/発表者名: Shimada Tomoharu、Natsuaki Ryo、Hirose Akira
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 巻: 56 号: 5 ページ: 2587-2596
  • DOI: 10.1109/tgrs.2017.2768604
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unsupervised Fine Land Classification Using Quaternion Autoencoder-Based Polarization Feature Extraction and Self-Organizing Mapping (2018)
  • 著者名/発表者名: Kim Hyunsoo、Hirose Akira
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 巻: 56 号: 3 ページ: 1839-1851
  • DOI: 10.1109/tgrs.2017.2768619
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adaptive phase-singular-unit restoration with entire-spectrum-processing complex-valued neural networks in interferometric SAR (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama K.、Hirose A.
  • 雑誌名: Electronics Letters 巻: 54 号: 1 ページ: 43-45
  • DOI: 10.1049/el.2017.2680
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proposal of Complex-Valued Convolutional Neural Networks for Similar Land-Shape Discovery in Interferometric Synthetic Aperture Radar (2018)
  • 著者名/発表者名: Sunaga Yuki、Natsuaki Ryo、Hirose Akira
  • 雑誌名: ICONIP 2018 巻: - ページ: 340-349
  • DOI: 10.1007/978-3-030-04167-0_31
  • ISBN: 9783030041663, 9783030041670
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Singularity-spreading phase unwrapping: Its basic idea and the influence of time and space discreteness on the dynamics (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirose Akira
  • 雑誌名: APSIPA 2018 巻: - ページ: 99-103
  • DOI: 10.23919/apsipa.2018.8659512
  • 査読あり
• [雑誌論文] Complex-Valued and Quaternion Neural Networks to Deal with Complex Amplitude and Polarization: Their Strength in Electronics (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirose Akira
  • 雑誌名: APSIPA 2018 巻: - ページ: 566-571
  • DOI: 10.23919/apsipa.2018.8659590
  • 査読あり
• [雑誌論文] Big SAR data processing: Interferometric and polarimetric SAR data structurization based on complex-valued and quaternion neural networks (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirose Akira
  • 雑誌名: TENGARSS 2018 巻: - ページ: 1-4
  • DOI: 10.1109/tengarss48957.2019.8976051
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Adaptive Subsurface Visualization System Using Phase Retrieval Method and Complex-Valued Self-Organizing Map (2018)
  • 著者名/発表者名: Shimomura S.、Hirose A.
  • 雑誌名: PIERS 2018 巻: - ページ: 476-476
  • DOI: 10.23919/piers.2018.8598229
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Analysis of Singular-Point Generating Mechanisms Based on the Correlations Among the Parameters in Coherency Matrix and Those in the Optimized Scattering-Mechanism Vector in PolInSAR (2018)
  • 著者名/発表者名: Otsuka Y.、Shimada T.、Natsuaki R.、Hirose A.
  • 雑誌名: PIERS 2018 巻: - ページ: 474-474
  • DOI: 10.23919/piers.2018.8598242
  • NAID: 40021590183
  • 査読あり
• [雑誌論文] Profiles of RFI in Alos-2 Images - A Case Study in Tokyo Bay, Japan (2018)
  • 著者名/発表者名: Natsuaki Ryo、Hirose Akira
  • 雑誌名: IGARSS 2018 巻: - ページ: 319-322
  • DOI: 10.1109/igarss.2018.8518551
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proposal of Millimeter-Wave Adaptive Glucose-Concentration Estimation System Using Complex-Valued Neural Networks (2018)
  • 著者名/発表者名: Hu Shizhen、Hirose Akira
  • 雑誌名: IGARSS 2018 巻: - ページ: 4074-4077
  • DOI: 10.1109/igarss.2018.8519476
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proposal of Singular-Unit Compensation in Polarimetric-Interferometric Synthetic Aperture Radar by Phasor-Quaternion Neural Networks (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama Kohei、Hirose Akira
  • 雑誌名: IGARSS 2018 巻: - ページ: 4439-4442
  • DOI: 10.1109/igarss.2018.8518444
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polarization Feature Extraction Using Quaternion Neural Networks for Flexible Unsupervised Polsar Land Classification (2018)
  • 著者名/発表者名: Kim Hyunsoo、Hirose Akira
  • 雑誌名: IGARSS 2018 巻: - ページ: 2378-2381
  • DOI: 10.1109/igarss.2018.8519363
  • 査読あり
• [雑誌論文] Codebook-Based Hierarchical Polarization Feature for Unsupervised Fine Land Classification Using High-Resolution PolSAR Data (2018)
  • 著者名/発表者名: Kim Hyunsoo、Hirose Akira
  • 雑誌名: IGARSS 2018 巻: - ページ: 4643-4646
  • DOI: 10.1109/igarss.2018.8518631
  • 査読あり
• [雑誌論文] Performance of entire-spectrum-processing complex-valued neural-network filter to generate digital elevation model in interferometric radar (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama Kohei、Hirose Akira
  • 雑誌名: IJCNN 2018 巻: - ページ: 1-7
  • DOI: 10.1109/ijcnn.2018.8489721
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interferometric and Polarimetric Effect of Wideband Radio Fre-quency Interference in ALOS-2 (2018)
  • 著者名/発表者名: R.Natsuaki A.Hirose
  • 雑誌名: 12th European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR) 2018 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of Temporal Baseline in Pixel-by-Pixel Scattering Mechanism Vector Optimization for PolInSAR (2018)
  • 著者名/発表者名: R.Natsuaki A.Hirose
  • 雑誌名: 12th European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR) 2018 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] L-BAND SAR INTERFEROMETRIC ANALYSIS FOR FLOOD DETECTION IN URBAN AREA - A CASE STUDY IN 2015 JOSO FLOOD, JAPAN (2018)
  • 著者名/発表者名: R.Natsuaki A.Hirose
  • 雑誌名: IGARSS 2018 巻: -
  • 査読あり
• [学会発表] Big SAR data intelligence in InSAR and PolSAR (Tutorial) (2021)
  • 著者名/発表者名: A.Hirose
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar (APSAR) 2021 Bali
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physical reservoir computing in neural-network hardware history: Dynamics features of spin-wave and optical reservoirs (2020)
  • 著者名/発表者名: A.Hirose R.Nakane J.B.Heroux T.Yamane H.Numata D.Nakano G.Tanaka
  • 学会等名: The 9th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer (BFBC) 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Earth Observation Big Data Intelligence: Theory and Practice of Deep Learning and Big Data Mining (Tutorial) (2020)
  • 著者名/発表者名: A.Hirose M.Datcu
  • 学会等名: Int'l Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Complex-Valued Neural Networks and Applications in Remote Sensing (Tutorial) (2020)
  • 著者名/発表者名: A.Hirose
  • 学会等名: International Workshop on Artificial Neural Networks, IEEE Computational Intelligence Society (CIS) / ACM Hyderabad/Deccan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Introduction to Artificial Neural Networks (Tutorial) (2020)
  • 著者名/発表者名: A.Hirose
  • 学会等名: International Workshop on Artificial Neural Networks, IEEE Computational Intelligence Society (CIS) / ACM Hyderabad/Deccan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physical reservoir computing and complex-valued neural networks (Keynote) (2020)
  • 著者名/発表者名: A.Hirose
  • 学会等名: Int'l Conf. on Neuromorphic Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] COMPLEX-VALUED CONVOLUTIONAL NEURAL NETWORKS IN INTERFEROMETRIC SYNTHETIC APERTURE RADAR AND THEIR TEACHER-IMAGE POLLUTION INFLUENCE ON THE PERFORMANCE (2020)
  • 著者名/発表者名: Y.Sunaga R.Natsuaki A.Hirose
  • 学会等名: Int'l Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) 2020
• [学会発表] Similar land-form discovery: Complex absolute-value max pooling in complex-valued convolutional neural networks in (2020)
  • 著者名/発表者名: Y.Sunaga R.Natsuaki A.Hirose
  • 学会等名: World Congress on Computational Intelligence (WCCI) -International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN) 2020
• [学会発表] Spatial distribution of information effective for logic function learning in spin-wave reservoir computing chip utilizing spatiotemporal physical dynamics (2020)
  • 著者名/発表者名: T.Ichimura R.Nakane G.Tanaka A.Hirose
  • 学会等名: World Congress on Computational Intelligence (WCCI) -International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN) 2020 Glasgow
• [学会発表] Time delay reservoir computing with VCSEL (2020)
  • 著者名/発表者名: J.B.Heroux G.Tanaka T.Yamane N.Kanazawa R.Nakane H.Murata S.Takeda A.Hirose D.Nakano
  • 学会等名: AI and Optical Data Sciences, SPIE
• [学会発表] 偏波合成開口レーダ地表分類でストークスベクトルを適応的に扱うための四元数畳み込みニューラ ルネットワーク (2020)
  • 著者名/発表者名: 松本侑也 夏秋 嶺 廣瀬明
  • 学会等名: 信学会電磁界理論研究会
• [学会発表] Ground penetrating radar system using phasor quaternion neural networks to visualize landmines (2020)
  • 著者名/発表者名: Y.Song A.Hirose
  • 学会等名: 信学会宇宙航行エレクトロニクス研究会
• [学会発表] 四元数畳み込みニューラルネットワークによる偏波合成開口レーダ画像の地表分類 (2020)
  • 著者名/発表者名: 松本侑也 夏 秋嶺 廣 瀬明
  • 学会等名: 信学会宇宙航行エレクトロニクス研究会
• [学会発表] ニューラルネットワーク用ハードウエアとスピン波リザバー コンピューテイング (2020)
  • 著者名/発表者名: 廣瀬明
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] 干渉／偏波合成開口レーダ データの AI 処理と社会利用のためのデータ構造化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 廣瀬明
  • 学会等名: 2021信学総大
  • 招待講演
• [学会発表] 超低消費電力情報処理実現のための物理リザバーコンピューティングチップと複素ニューラルネットワーク理論 (2020)
  • 著者名/発表者名: 廣瀬明
  • 学会等名: 日本応用物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] Deep quaternion neural networks for PolSAR land feature descovery and classification in Big SAR Data era (Keynote) (2018)
  • 著者名/発表者名: A.Hirose
  • 学会等名: Int'l Conf. On Aerospace Electronics and Remote Sensing Technology (ICARES) 2018 Bali
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Big SAR data processing: Interferometric and polarimetric SAR data structurization based on complex-valued and quaternion neural networks (Invited) (2018)
  • 著者名/発表者名: A.Hirose
  • 学会等名: National Seminar: Rating Methodology for Peat Fields Fire Disasters)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced neural adaptive processing in interferometric and polarimetric radar imaging (invited) (2018)
  • 著者名/発表者名: A.Hirose
  • 学会等名: Asia-Pacific Conf. On Geoscience, Electronics and Remote Sensing Technology (AGERS) 2018 Jakarta (ChapNet 2018 GRSS IEEE)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced Neural Adaptive Processing in Interferometric and Polarimetric Radar Imaging, Structurization of SAR Information by using Neural Networks (2018)
  • 著者名/発表者名: A.Hirose
  • 学会等名: ITB technical meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analysis of Singular-point Generating Mechanisms in PolInSAR (2018)
  • 著者名/発表者名: Y.Otsuka A.Hirose
  • 学会等名: India-Japan Bilateral Cooperation Project
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced Neural Adaptive Processing in Interferometric and Polarimetric Radar Imaging, Structurization of SAR Information by using Neural Networks (2018)
  • 著者名/発表者名: A.Hirose
  • 学会等名: India-Japan Bilateral Cooperation Project
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 非侵襲型ミリ波血糖値測定システムのための３ポート プローブの提案 (2018)
  • 著者名/発表者名: 長江セコウ 廣瀬 明
  • 学会等名: 信学会MEとバイオサイバネティクス研究会
• [学会発表] レーダのC-scan画像解析における位相情報の活用と複素自己組織化マップ (2018)
  • 著者名/発表者名: 下村颯志 廣瀬 明
  • 学会等名: 信学会ニューロコンピューティング研究会
• [学会発表] オンライン複素周波数領域独立成分分析によるマイクロ波人命探査レーダシステムの構築 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中西貴大 廣瀬 明
  • 学会等名: 信学会ニューロコンピューティング研究会
• [学会発表] 電磁バンドギャップ構造によるテーパスロットアンテナの広帯域な直接結合の低減 (2018)
  • 著者名/発表者名: 平野拓海 廣瀬明
  • 学会等名: 信学会電磁界理論研究会
• [学会発表] 複素自己組織化マップを用いたタイムドメインの位相の適応的処理による3次元地中レーダ (2018)
  • 著者名/発表者名: 下村颯志 廣瀬明
  • 学会等名: 信学会電磁界理論研究会
• [学会発表] 地中レーダにおける時間領域情報の複素自己組織化マップによる適応的処理 (2018)
  • 著者名/発表者名: 下村颯志 廣瀬明
  • 学会等名: 信学会宇宙航行エレクトロニクス研究会
• [学会発表] 電磁バンドギャップ構造を用いた広帯域・低直接結合テーパスロットアンテナ (2018)
  • 著者名/発表者名: 平野拓海 廣瀬明
  • 学会等名: 2018信学ソ大
• [学会発表] 合成開口レーダに重畳される時間的に高干渉度の不要波とその除去 (2018)
  • 著者名/発表者名: 夏秋嶺 廣瀬明
  • 学会等名: 2018信学総大
• [学会発表] 階層的な偏波特徴ベクトルによる高分解能PolSARデータの教師なし地表分類 (2018)
  • 著者名/発表者名: H.Kim 廣瀬明
  • 学会等名: 2018信学総大
• [図書] 複素ニューラルネットワーク（第2版）【電子版】 (2021)
  • 著者名/発表者名: 廣瀬明
  • 総ページ数: 206
  • 出版者: サイエンス社
  • ISBN: 9784781999845
• [備考] Publications
  • URL: https://www.eis.t.u-tokyo.ac.jp/plist.html
• [備考] 廣瀬 夏秋 研究室
  • URL: https://www.eis.t.u-tokyo.ac.jp/