超音波による物体位置・速度の 高精度画像化技術1...
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1 超音波による物体位置・速度の 高精度画像化技術 国立情報学研究所 アーキテクチャ科学研究系 教授 橋爪 宏達
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超音波による物体位置・速度の 高精度画像化技術
国立情報学研究所
アーキテクチャ科学研究系
教授 橋爪 宏達
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従来技術とその問題点１
・医療用超音波診断装置 カラードップラー法（Dモード 画像）
組織画像に加えて血流の存在・方向を表示可能
しかし漠然と血流を表すだけで、流速・流量について定量的データは示せなかった
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従来技術とその問題点２ ・車両用後退センサー （駐車センサー） 画像表示できない 数メートルの探査範囲し かない
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従来技術とその問題点３
・ミリ波レーダー （距離は十分だが…）
画像と速度の同時表示 できない
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ドップラーイメージング技術の改良
• パルス圧縮レーダー技術による長レンジ（長探索距離）化
• ログステップマルチキャリア波による位置計測とドップラー速度計測の両立
• 速度計測精度の改善 • 速度計測範囲の改善 • 超音波に限らず、電磁波（ミリ波）など広範囲の波動媒体への応用可能性
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パルス圧縮技術とは ・無相関信号（広帯域ランダム 信号）のバースト波を送信する
・受信波形は、送信波形と相関 処理することで検波する
・相関波形の遅延時間位置に 鋭いピークを得る
・送信波に連続波を使用すること から、高エネルギーでレーダー 観測できる（ＳＮ比改善）
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ログステップマルチキャリア波
frequency
ampl
itude
frequency
ampl
itude
等ステップマルチキャリア波 (OFDM) （キャリア周波数間隔は一定）
ログステップマルチキャリア波 （キャリア周波数は等比数列）
time
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ログステップマルチキャリア波の性質
pulse OFDM chirp
Property 2. The envelop of the cross-correlation profile follows the function shown below:
整列位相ログステップマルチキャリア波
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整列位相ログステップマルチキャリア波の問題点
Time
Doppler shift
Log-swept chirp signal
Log-step multicarrier signal
・ドップラーシフトにより、動く物体の 検出位置がずれて見えてしまう。
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対称整列ログステップマルチキャリア波
・整列位相波形を、 時間反転させたものと 連結し、線対称（もしく は点対称）として送信
・波形前半と後半で逆 のドップラー位置特性 をもつ
・動く物体の位置検出 誤差をキャンセル
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シミュレーションおよび実験による性能の確認
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シミュレーションによる性能確認
・提案手法は従来手法の 20倍の速度検出精度をもつ。
従来手法（カラードップラー法）に よるドップラー速度検出
ログステップマルチキャリア波に よるドップラー速度検出
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ドップラー画像化の例 （Fast : 120rpm : 4.710m/s）
CD Incoming 120rpm(4.710m/s) rho = 1.02810
CD Outgoing 120rpm(4.710m/s) rho = 0.97266
LogRGB Incoming 120rpm(4.710m/s) rho = 1.02810
LogRGB Outgoing 120rpm(4.710m/s) rho = 0.97266
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ログステップマルチキャリア方式の耐ノイズ特性
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新技術の特徴・従来技術との比較
• パルス圧縮レーダー技術による長レンジ（長探索距離）化
• ログステップマルチキャリア波による位置計測とドップラー速度計測の両立
• 特に高い速度計測精度（従来方法の20倍）
• 特に広い速度計測範囲（空中音響計測で100km/h等）
• 超音波、電磁波（ミリ波）に適用可能
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想定される用途・市場
• 医療用超音波診断装置 血流等の精密・定量測定、高深度の画像化 • 車両用後退センサー、衝突回避センサー 停止物体と動物体の識別、探索距離の延長 • 気象観測、海洋観測
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実用化に向けた課題・今後の方向性
• 広帯域信号の扱いに適した超音波アクチュエーター（送信子・受信子）の開発
• 位置・速度同時画像化による新応用分野の開拓
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企業への期待
• 広帯域音響アクチュエータの共同研究
• 高速信号処理技術の共同研究
• 新しい医療超音波応用の共同開発
• 新しい車両用レーダー・イメージング装置の共同開発
• 気象、海洋応用への展開
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本技術に関する知的財産権
• 出願番号 ： 特願2013-146637 • 出願人 ：大学共同利用機関法人 情報・システム研究機構 • 発明者 ：橋爪宏達、前田泰成、杉本雅則 • 発明の名称：ドップラーイメージング信号送信装置、 ドップラーイメージング信号受信装置、 ドップラーイメージングシステム
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関連する知的財産権（１） ・発明の名称： 時刻基準点情報伝送システムおよび受信機 発明者： 橋爪 宏達、杉本 雅則 登録番号 ： 特許第4621924号 国際特許A0200111PCUS（米国） 国際特許A0200111PCGB（イギリス） 【超音波等による精密位置計測技術】
・発明の名称： 速度・距離検出システム、速度・距離検出装置、 および距離･速度検出方法 発明者： 橋爪 宏達、杉本 雅則、佐藤 智彦 出願番号： 特願2011-550018
【超音波等による精密位置・速度同時計測技術 】
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関連する知的財産権（２） ・発明の名称： ドップラーレーダーシステム、ドップラーレーダー 送信装置及び送信波最適化方法 発明者： 橋爪 宏達、杉本 雅則、伊藤 俊夫 出願番号： 特願2010-288791 【超音波等による動物体、停止物体の識別画像化】
・発明の名称： 時分割型連続波レーダー方式と装置 発明者： 橋爪 宏達、杉本 雅則 出願番号： 特願2012-036383 【超音波レーダーの測定距離を 3m→10mに延長する技術】
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本研究に関する産学連携等の実績
・2009年-2011年 ホンダ・エンジニアリング（株） 共同研究 精密超音波計測技術の自動車製造ライン への応用等
