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 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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） 6 amplitude amplitude ログステップマルチキャリア波 frequency 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） frequency 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 7 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 crosscorrelation profile follows the function shown below: 整列位相ログステップマルチキャリア波 8 整列位相ログステップマルチキャリア波の問題点 Doppler shift ・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。 Log-swept chirp signal Time Log-step multicarrier signal 9 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 10 シミュレーションおよび実験による性能の確認 11 シミュレーションによる性能確認従来手法（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・提案手法は従来手法の 20倍の速度検出精度をもつ。 12 ドップラー画像化の例（Fast : 120rpm : 4.710m/s） CD Incoming 120rpm(4.710m/s) rho = 1.02810 LogRGB Incoming 120rpm(4.710m/s) rho = 1.02810 CD Outgoing 120rpm(4.710m/s) rho = 0.97266 LogRGB Outgoing 120rpm(4.710m/s) rho = 0.97266 13 ログステップマルチキャリア方式の耐ノイズ特性 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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 19 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】 20 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】 21 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 22 お問い合わせ先 • 国立情報学研究所総務部企画課社会連携推進室担当：片山・田村・ TEL 03-4212-2108、2124 ・ E-mail [email protected] 23