JP7745451B2 - Signal processing device, signal processing method, and signal processing program - Google Patents
Signal processing device, signal processing method, and signal processing programInfo
- Publication number
- JP7745451B2 JP7745451B2 JP2021203697A JP2021203697A JP7745451B2 JP 7745451 B2 JP7745451 B2 JP 7745451B2 JP 2021203697 A JP2021203697 A JP 2021203697A JP 2021203697 A JP2021203697 A JP 2021203697A JP 7745451 B2 JP7745451 B2 JP 7745451B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- matrix
- range
- observation
- vector
- received signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Description
本開示は、信号処理装置、信号処理方法及び信号処理プログラムに関する。 This disclosure relates to a signal processing device, a signal processing method, and a signal processing program.
音波、電波を出力し、音波、電波の反射波を受信し、受信信号を解析するアクティブセンサの解析方法として、検出結果を可視化(イメージング)する場合がある。この場合、受信した情報を画像化する処理を実行する。例えば、特許文献1には、圧縮センシングを用いて合成開口レーダの3Dイメージングを行う方法が記載されている。 Active sensors output sound waves or radio waves, receive reflected sound waves or radio waves, and analyze the received signals. One analysis method involves visualizing (imaging) the detection results. In this case, the received information is processed to create an image. For example, Patent Document 1 describes a method for performing 3D imaging of synthetic aperture radar using compressed sensing.
圧縮センシングの処理は計算負荷が高く,特に画素サイズが小さい高解像画像を得る場合に、イメージング結果が得られるまでに長時間を要する恐れがある。そのため、リアルタイムで検出結果が必要な場合、イメージング処理を待つ必要が生じてしまう。 Compressed sensing processing imposes a high computational load, and it can take a long time to obtain imaging results, especially when obtaining high-resolution images with small pixel sizes. Therefore, if detection results are required in real time, it will be necessary to wait for the imaging processing.
本開示は、上記に鑑みてなされたものであり、分解能を維持しつつ、処理速度を向上できる信号処理装置、信号処理方法及び信号処理プログラムを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of the above, and aims to provide a signal processing device, a signal processing method, and a signal processing program that can improve processing speed while maintaining resolution.
本開示に係る信号処理装置は、第1方向における複数の計測位置から前記第1方向に直交する第2方向に広がる発信波を発信した場合に前記計測位置で受信される観測データを取得し、前記観測データを前記第1方向と前記第2方向で行列化し、信号の強度を位置の値とした受信信号行列を生成するデータ受信部と、前記受信信号行列における前記第2方向のレンジを特定し当該特定したレンジの前記第1方向の成分に基づいて構成される観測ベクトルを生成し、前記第1方向の分割数を前記受信信号行列よりも大きい分割数とし前記第2方向の分割数を前記受信信号行列と同じとしたイメージング行列において前記観測ベクトルに対応する前記第2方向の前記レンジの前記第1方向の成分で構成されるスパースベクトルを設定するレンジ処理部と、前記観測ベクトル及び前記スパースベクトルに基づいて前記スパースベクトルの成分を算出する復元処理を、複数の前記レンジについて並列して行う復元処理部と、前記復元処理により算出された前記スパースベクトルを合成して前記イメージング行列を生成する合成処理部とを備える。 The signal processing device according to the present disclosure includes a data receiving unit that acquires observation data received at a plurality of measurement positions in a first direction when an emitted wave spreading in a second direction perpendicular to the first direction is transmitted from the plurality of measurement positions, arranges the observation data in a matrix in the first and second directions, and generates a received signal matrix in which the signal strength is a position value; a range processing unit that identifies a range in the second direction in the received signal matrix, generates an observation vector constructed based on the first-direction components of the identified range, and sets a sparse vector constructed of the first-direction components of the range in the second direction corresponding to the observation vector in an imaging matrix in which the number of divisions in the first direction is greater than that of the received signal matrix and the number of divisions in the second direction is the same as that of the received signal matrix; a restoration processing unit that performs restoration processing in parallel for a plurality of ranges to calculate the components of the sparse vector based on the observation vector and the sparse vector; and a synthesis processing unit that synthesizes the sparse vectors calculated by the restoration processing to generate the imaging matrix.
本開示に係る信号処理方法は、第1方向における複数の計測位置から前記第1方向に直交する第2方向に広がる発信波を発信した場合に前記計測位置で受信される観測データを取得し、前記観測データを前記第1方向と前記第2方向で行列化し、信号の強度を位置の値とした受信信号行列を生成するデータ受信ステップと、前記受信信号行列における前記第2方向のレンジを特定し当該特定したレンジの前記第1方向の成分に基づいて構成される観測ベクトルを生成し、前記第1方向の分割数を前記受信信号行列よりも大きい分割数とし前記第2方向の分割数を前記受信信号行列と同じとしたイメージング行列において前記観測ベクトルに対応する前記第2方向の前記レンジの前記第1方向の成分で構成されるスパースベクトルを設定するレンジ処理ステップと、前記観測ベクトル及び前記スパースベクトルに基づいて前記スパースベクトルの成分を算出する復元処理を、複数の前記レンジについて並列して行う復元処理ステップと、前記復元処理により算出された前記スパースベクトルを合成して前記イメージング行列を生成する合成処理ステップとを含む。 The signal processing method disclosed herein includes a data receiving step of acquiring observation data received at a plurality of measurement positions in a first direction when an emitted wave spreading in a second direction perpendicular to the first direction is transmitted from the measurement positions, and arranging the observation data in a matrix in the first and second directions to generate a received signal matrix in which the signal strength represents a position value; a range processing step of identifying a range in the second direction in the received signal matrix, generating an observation vector constructed based on the first-direction components of the identified range, and setting a sparse vector constructed from the first-direction components of the range in the second direction corresponding to the observation vector in an imaging matrix in which the number of divisions in the first direction is greater than that of the received signal matrix and the number of divisions in the second direction is the same as that of the received signal matrix; a restoration processing step of performing restoration processing in parallel for a plurality of ranges to calculate the components of the sparse vector based on the observation vector and the sparse vector; and a combination processing step of combining the sparse vectors calculated by the restoration processing to generate the imaging matrix.
本開示に係る信号処理プログラムは、第1方向における複数の計測位置から前記第1方向に直交する第2方向に広がる発信波を発信した場合に前記計測位置で受信される観測データを取得し、前記観測データを前記第1方向と前記第2方向で行列化し、信号の強度を位置の値とした受信信号行列を生成するデータ受信ステップと、前記受信信号行列における前記第2方向のレンジを特定し当該特定したレンジの前記第1方向の成分に基づいて構成される観測ベクトルを生成し、前記第1方向の分割数を前記受信信号行列よりも大きい分割数とし前記第2方向の分割数を前記受信信号行列と同じとしたイメージング行列において前記観測ベクトルに対応する前記第2方向の前記レンジの前記第1方向の成分で構成されるスパースベクトルを設定するレンジ処理ステップと、前記観測ベクトル及び前記スパースベクトルに基づいて前記スパースベクトルの成分を算出する復元処理を、複数の前記レンジについて並列して行う復元処理ステップと、前記復元処理により算出された前記スパースベクトルを合成して前記イメージング行列を生成する合成処理ステップとをコンピュータに実行させる。 The signal processing program disclosed herein causes a computer to execute the following steps: a data reception step of acquiring observation data received at multiple measurement positions in a first direction when an emitted wave spreading in a second direction perpendicular to the first direction is transmitted from the measurement positions, matrixing the observation data in the first and second directions, and generating a received signal matrix in which signal strength represents a position value; a range processing step of identifying a range in the second direction in the received signal matrix, generating an observation vector constructed based on the first-direction components of the identified range, and setting a sparse vector constructed from the first-direction components of the range in the second direction corresponding to the observation vector in an imaging matrix in which the number of divisions in the first direction is greater than that of the received signal matrix and the number of divisions in the second direction is the same as that of the received signal matrix; a restoration processing step of performing restoration processing in parallel for multiple ranges to calculate the components of the sparse vector based on the observation vector and the sparse vector; and a combination processing step of combining the sparse vectors calculated by the restoration processing to generate the imaging matrix.
本開示によれば、分解能を維持しつつ、処理速度を向上できる。 This disclosure makes it possible to improve processing speed while maintaining resolution.
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。以下の記載では、第1方向がアジマス方向であり、第1方向に直交する第2方向がレンジ方向である場合を例に挙げて説明する。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments. Furthermore, the components in the following embodiments include those that are easily replaceable by those skilled in the art, or those that are substantially identical. In the following description, an example will be given in which the first direction is the azimuth direction and the second direction perpendicular to the first direction is the range direction.
図1は、本実施形態に係る信号処理装置を備える計測システム10の一例を示す模式図である。図1に示すように、計測システム10は、超音波センサ12と、信号処理装置14と、制御部16と、記憶部18とを備える。 FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a measurement system 10 equipped with a signal processing device according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the measurement system 10 includes an ultrasonic sensor 12, a signal processing device 14, a control unit 16, and a memory unit 18.
超音波センサ12は、探査用の音波を出力し、出力した音波の反射を受信して、探査を行うアクティブセンサである。超音波センサ12は、送信部32と受信部34とを備える。送信部32は、超音波を出力する。本実施形態において、送信部32は、パルス信号を出力する。受信部34は、送信部32から出力され、何かで反射し、超音波センサ12に到達した反射波を受信する。 The ultrasonic sensor 12 is an active sensor that outputs sound waves for detection and receives reflections of the output sound waves to perform detection. The ultrasonic sensor 12 comprises a transmitter 32 and a receiver 34. The transmitter 32 outputs ultrasonic waves. In this embodiment, the transmitter 32 outputs a pulse signal. The receiver 34 receives the reflected waves output from the transmitter 32, reflected off something, and reaching the ultrasonic sensor 12.
超音波センサ12において、送信部32と受信部34とは同じものでもよいし、送信部32と受信部34をアレイ状に配置して、各方向の送受信を行うようにしてもよい。本実施形態では超音波を用いた探査としたが、電波等を用いてもよい。センサとして、指向性が高い検査波を用いる場合、検査波を出力する方向移動させ、つまり掃引して、対象の領域の探査を行ってもよい。 In the ultrasonic sensor 12, the transmitter 32 and receiver 34 may be the same unit, or the transmitter 32 and receiver 34 may be arranged in an array to transmit and receive in all directions. In this embodiment, ultrasonic waves are used for detection, but radio waves, etc. may also be used. When using highly directional inspection waves as a sensor, the direction in which the inspection waves are emitted may be moved, i.e., swept, to detect the target area.
信号処理装置14は、例えばパルサーレシーバー28を介して超音波センサ12に接続される。信号処理装置14は、超音波センサ12で受信した信号を処理して、周囲を探知する。信号処理装置14は、第1演算部22と、第2演算部24と、記憶部26とを有する。第1演算部22は、例えばCPU(Central Processing Unit)である。第2演算部24は、第1演算部22よりも多くの並列計算を実行可能であり、何十もの並列計算が可能である。本実施形態において、第2演算部24は、例えばGPU(Graphics Processing Unit)である。記憶部26は、第1演算部22及び第2演算部24の演算内容やプログラムなどの各種情報を記憶する。記憶部26は、例えば、RAM(Random Access Memory)と、ROM(Read Only Memory)のような主記憶部と、HDD(Hard Disk Drive)などの外部記憶部とのうち、少なくとも1つ含む。 The signal processing device 14 is connected to the ultrasonic sensor 12, for example, via a pulser receiver 28. The signal processing device 14 processes the signals received by the ultrasonic sensor 12 to detect the surroundings. The signal processing device 14 has a first calculation unit 22, a second calculation unit 24, and a memory unit 26. The first calculation unit 22 is, for example, a CPU (Central Processing Unit). The second calculation unit 24 is capable of performing more parallel calculations than the first calculation unit 22, and is capable of performing dozens of parallel calculations. In this embodiment, the second calculation unit 24 is, for example, a GPU (Graphics Processing Unit). The memory unit 26 stores various information such as the calculation contents and programs of the first calculation unit 22 and the second calculation unit 24. The memory unit 26 includes at least one of a main memory unit such as RAM (Random Access Memory) or ROM (Read Only Memory), and an external memory unit such as an HDD (Hard Disk Drive).
本実施形態において、記憶部26は、アジマス方向における複数の計測位置からアジマス方向に直交するレンジ方向に広がる発信波を発信した場合に計測位置で受信される観測データを取得し、観測データをアジマス方向とレンジ方向で行列化し、信号の強度を位置の値とした受信信号行列を生成するデータ受信ステップと、受信信号行列におけるレンジ方向のレンジを特定し当該特定したレンジのアジマス方向の成分に基づいて構成される観測ベクトルを生成し、アジマス方向の分割数を受信信号行列よりも大きい分割数としレンジ方向の分割数を受信信号行列と同じとしたイメージング行列において観測ベクトルに対応するレンジ方向のレンジのアジマス方向の成分で構成されるスパースベクトルを設定するレンジ処理ステップと、観測ベクトル及びスパースベクトルに基づいてスパースベクトルの成分を算出する復元処理を、複数のレンジについて並列して行う復元処理ステップと、復元処理により算出されたスパースベクトルを合成してイメージング行列を生成する合成処理ステップとをコンピュータに実行させる信号処理プログラムを記憶する。 In this embodiment, the storage unit 26 stores a signal processing program that causes a computer to execute the following steps: a data reception step of acquiring observation data received at measurement positions when transmitting waves that spread in the range direction perpendicular to the azimuth direction from multiple measurement positions in the azimuth direction, organizing the observation data into matrices in the azimuth and range directions, and generating a reception signal matrix in which signal strength represents a position value; a range processing step of identifying a range in the range direction in the reception signal matrix, generating an observation vector based on the azimuth direction components of the identified range, and setting a sparse vector composed of the azimuth direction components of the range in the range direction corresponding to the observation vector in an imaging matrix in which the number of divisions in the azimuth direction is greater than that of the reception signal matrix and the number of divisions in the range direction is the same as that of the reception signal matrix; a restoration processing step of performing restoration processing in parallel for multiple ranges to calculate the components of the sparse vector based on the observation vector and the sparse vector; and a combination processing step of combining the sparse vectors calculated by the restoration processing to generate an imaging matrix.
第1演算部22は、データ受信部42と、レンジ処理部44と、合成処理部48とを備える。第2演算部24は、復元処理部46を備える。 The first calculation unit 22 includes a data receiving unit 42, a range processing unit 44, and a synthesis processing unit 48. The second calculation unit 24 includes a restoration processing unit 46.
データ受信部42は、超音波センサ12で取得した受信信号の情報を取得し、復調、統合処理等を行い、第1実施形態では合成開口長LAの範囲で、アジマス方向とレンジ方向とで計測結果を整理した受信信号行列を作成する。データ受信部42は、受信信号に対して、復調処理、ビームフォーミング処理、パルス圧縮処理、レンジカーバチャ補正等を行ってもよい。 The data receiving unit 42 acquires information on the received signals acquired by the ultrasonic sensor 12, performs demodulation, integration processing, etc., and in the first embodiment creates a received signal matrix that organizes the measurement results in the azimuth direction and the range direction within the range of the synthetic aperture length L A. The data receiving unit 42 may perform demodulation processing, beamforming processing, pulse compression processing, range curvature correction, etc. on the received signals.
レンジ処理部44は、受信信号行列を処理して作成する音響画像(イメージング画像)を構成する画素の行列のうち、処理対象の領域を選定する。イメージング画像を構成する画素の行列は、アジマス方向、レンジ方向の画素数がユーザの指定等により予め設定されている観測行列である。受信信号行列の情報に基づいて観測行列の各画素の情報を処理することで、イメージング画像を作成する。ここで、処理するレンジは、レンジ方向が同じ位置となる画素である。 The range processing unit 44 selects an area to be processed from the matrix of pixels that make up the acoustic image (imaging image) created by processing the received signal matrix. The matrix of pixels that make up the imaging image is an observation matrix in which the number of pixels in the azimuth and range directions is preset by user specification, etc. The imaging image is created by processing the information of each pixel in the observation matrix based on the information in the received signal matrix. Here, the range to be processed is the pixel that is located at the same position in the range direction.
復元処理部46は、レンジ処理部44で選定したレンジと、既知の観測行列とに基づいて、処理を実行し、レンジの成分を算出する。復元処理部46は、例えば、ADMM(Alternating Direction Method of Multipliers)を用いる。復元処理部46は、受信信号の情報と観測行列のレンジとで、観測行列のレンジのデータを復元する。本実施形態において、復元処理部46は、GPUで構成される第2演算部24により複数のレンジについて並列して復元処理を行う。 The restoration processing unit 46 performs processing based on the range selected by the range processing unit 44 and a known observation matrix, and calculates the range components. The restoration processing unit 46 uses, for example, ADMM (Alternating Direction Method of Multipliers). The restoration processing unit 46 restores the data in the range of the observation matrix using the information on the received signal and the range of the observation matrix. In this embodiment, the restoration processing unit 46 performs restoration processing for multiple ranges in parallel using the second calculation unit 24, which is composed of a GPU.
合成処理部48は、復元処理部46で取得したイメージング画像のレンジの各画素の情報を蓄積し、合成開口長の画像を作成する。 The synthesis processing unit 48 accumulates information for each pixel in the range of the imaging image acquired by the restoration processing unit 46 and creates an image of the synthetic aperture length.
制御部16、記憶部18は、超音波センサ12の移動を制御する機構である。制御部16は、記憶部18からプログラム(ソフトウェア)を読み出して実行することで、超音波センサ12の移動制御を実行する。記憶部18は、制御部16の演算内容やプログラムなどの各種情報を記憶する。記憶部18は、信号処理装置14で検出した処理結果、つまり探査の結果を記憶してもよい。 The control unit 16 and memory unit 18 are mechanisms that control the movement of the ultrasonic sensor 12. The control unit 16 controls the movement of the ultrasonic sensor 12 by reading and executing a program (software) from the memory unit 18. The memory unit 18 stores various information such as the calculation contents and programs of the control unit 16. The memory unit 18 may also store the processing results detected by the signal processing device 14, i.e., the results of the exploration.
図2は、本実施形態に係る計測システムの計測処理を説明する模式図である。図2に示すように、計測システム10は、超音波センサ12がアジマス方向xに複数並んで配置された構成される。図2では、超音波センサ12がM個である場合について示しており、それぞれの超音波センサ12を、#1、#2、…、#i、…、#Mとして区別している。図2に示す例において、計測システム10の計測対象Rは、金属、海中等である。計測システム10は、ある超音波センサ12から計測対象Rの内部に送信信号ξ(t)を送信し、計測対象Rの内部の反射源lにより反射された信号を当該超音波センサ12自身が受信信号ζi(t)として受信する。 FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the measurement process of the measurement system according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the measurement system 10 is configured with a plurality of ultrasonic sensors 12 arranged side by side in the azimuth direction x. FIG. 2 illustrates a case in which there are M ultrasonic sensors 12, and the respective ultrasonic sensors 12 are identified as #1, #2, ..., #i, ..., #M. In the example shown in FIG. 2, the measurement target R of the measurement system 10 is metal, underwater, or the like. In the measurement system 10, a transmission signal ξ(t) is transmitted from one ultrasonic sensor 12 to the inside of the measurement target R, and the signal reflected by a reflection source l inside the measurement target R is received by the ultrasonic sensor 12 itself as a reception signal ζ i (t).
図2に示す例において、計測システム10は、いわゆるリニアスキャン計測方式により、アジマス方向と、アジマス方向に直交するレンジ方向とで囲われる計測対象Rの内部の反射源lを検出する。図2では、探索の領域を1つの面で示しているが、送信波が到達する領域で囲われる三次元領域が探索の範囲となる。 In the example shown in Figure 2, the measurement system 10 uses a so-called linear scan measurement method to detect a reflection source l within the measurement target R, which is surrounded by the azimuth direction and the range direction perpendicular to the azimuth direction. In Figure 2, the search area is shown on one surface, but the search range is a three-dimensional area surrounded by the area reached by the transmitted wave.
上記した計測原理でリニアスキャン計測方式を行う場合、信号処理装置14は、超音波センサ12により実数信号である受信信号ζi(t)を受信する。信号処理装置14は、実数の受信信号ζi(t)に対して、ダウンコンバートを行い、複素ベースバンド信号を得る。 When the linear scan measurement method is performed using the above-described measurement principle, the signal processing device 14 receives a received signal ζ i (t), which is a real signal, from the ultrasonic sensor 12. The signal processing device 14 down-converts the real received signal ζ i (t) to obtain a complex baseband signal.
計測システム10において、i回目の計測位置における受信信号(実数)は、
また、信号の反射源lとの往復時間τil’(i=1,2,・・・,M、l´=1,2,…、L´)は、超音波センサ12の位置[Xi 0]Tと反射源の位置[xl´ rl´]Tを用いて、
この受信信号をダウンコンバートして得られる複素ベースバンド信号は、
各計測位置での受信信号を下記[数4]に示す一つのベクトル
図3は、信号処理の一例を説明するための説明図である。図3の左側は、受信信号行列130の例を示す。受信信号行列130は、横方向がアジマス方向(計測位置)であり、縦方向がレンジ方向(時間)である。図3の右側は、受信信号行列130に基づいて推定するイメージング行列132を示す。イメージング行列132は、横方向がアジマス方向であり、縦方向がレンジ方向である。イメージング行列132において、各区画は音響画像の1つの画素を示している。 Figure 3 is an explanatory diagram illustrating an example of signal processing. The left side of Figure 3 shows an example of a received signal matrix 130. In the received signal matrix 130, the horizontal direction is the azimuth direction (measurement position) and the vertical direction is the range direction (time). The right side of Figure 3 shows an imaging matrix 132 estimated based on the received signal matrix 130. In the imaging matrix 132, the horizontal direction is the azimuth direction and the vertical direction is the range direction. In the imaging matrix 132, each section represents one pixel of the acoustic image.
ここで、図3の右側に示す音響画像の画素l=1,2,…,L(LxLy)の位置に金属欠陥、ターゲット等の反射源lが存在すると仮定すると、受信信号モデルは、
音響画像の画素数L(アジマス方向の画素数Lx及びレンジ方向の画素数Ly)は、ユーザが任意に設定できるパラメータである。このため、反射源の数の真値L´とは無関係である。音響画像のスパース性を仮定すると、画素lの位置における反射強度を表す信号sl(t)は、概ね0となる。 The number of pixels L of the acoustic image (the number of pixels Lx in the azimuth direction and the number of pixels Ly in the range direction) is a parameter that can be arbitrarily set by the user. Therefore, it is unrelated to the true value L' of the number of reflection sources. Assuming the sparsity of the acoustic image, the signal sl (t) representing the reflection intensity at the position of pixel l is approximately 0.
例えば、画素数が1000×1000の場合、L=106となり、音響画像を一度に復元する場合には多大な処理時間等を要する。そこで、本実施形態では、レンジ方向に1行ずつ復元するようにする。復元ターゲットのレンジrは、レンジ方向の時間tと音速νとを用いて、r=0.5tνと表せるため、時間とレンジとが一対一に対応していることがわかる。なお、係数0.5は、計測位置と画素の位置の片道の所要時間を得るために用いた値である。 For example, when the number of pixels is 1000 x 1000, L = 106 , and restoring an acoustic image all at once requires a significant amount of processing time. Therefore, in this embodiment, restoration is performed row by row in the range direction. The range r of the restoration target can be expressed as r = 0.5tν using the time t in the range direction and the sound speed ν, so it can be seen that there is a one-to-one correspondence between time and range. The coefficient 0.5 is a value used to obtain the required time for a one-way trip between the measurement position and the pixel position.
ここで、受信信号η(t)から特定のレンジrの波形だけを取り出した観測ベクトルを、
また、観測ベクトルに対応するレンジrの反射強度を、スパースベクトルとして、
このとき、観測ベクトルとスパースベクトルとの対応関係は、
また、A(r)は、
上記の[数9]に対して、公知技術である圧縮センシングの復元アルゴリズム(例えば、Alternating Direction Method of Multipliers)を適用することにより、スパースベクトルs(r)を推定することができる。図3の左側に示す行列130の画素領域134aは、レンジrにおける観測ベクトルη(r)を示している。また、図3の右側に示す行列132の画素領域136aは、レンジrにおける観測ベクトルη(r)に対応するスパースベクトルs(r)を示している。 The sparse vector s(r) can be estimated by applying a known compressed sensing restoration algorithm (e.g., the Alternating Direction Method of Multipliers) to the above [Equation 9]. The pixel region 134a of the matrix 130 shown on the left side of Figure 3 represents the observation vector η(r) at range r. The pixel region 136a of the matrix 132 shown on the right side of Figure 3 represents the sparse vector s(r) corresponding to the observation vector η(r) at range r.
このように、受信信号行列η(t)の代表値として、レンジrごとの観測ベクトルη(r)と、観測行列A(r)とを用いて復元処理を行う。この場合、複数のレンジrについて並列して復元処理を行うことが可能である。本実施形態では、GPUで構成される第2演算部24の復元処理部46により、複数のレンジrについて並列して復元処理を行う。 In this way, restoration processing is performed using the observation vector η(r) for each range r and the observation matrix A(r) as representative values of the received signal matrix η(t). In this case, restoration processing can be performed in parallel for multiple ranges r. In this embodiment, the restoration processing unit 46 of the second calculation unit 24, which is composed of a GPU, performs restoration processing in parallel for multiple ranges r.
次に、図4及び図5を用いて、信号処理装置14における処理の一例を説明する。図4及び図5は、信号処理装置14における処理の一例を示すフローチャートである。 Next, an example of processing in the signal processing device 14 will be described using Figures 4 and 5. Figures 4 and 5 are flowcharts showing an example of processing in the signal processing device 14.
図4に示すように、まず、超音波センサ12による計測を行う前の段階で、予め観測行列
図5に示す処理は、復元アルゴリズムにADMM (Alternating Direction Method of Multipliers)を採用した場合の処理フローである。 The process shown in Figure 5 is the processing flow when the ADMM (Alternating Direction Method of Multipliers) is used as the restoration algorithm.
信号処理装置14において、データ受信部42は、超音波センサ12により受信信号(実数)
レンジ処理部44は、受信信号行列から、例えばユーザにより設定された画素数に基づき、レンジrごとにデータを割り付けて観測ベクトルを生成し、スパースベクトルを設定する(ステップS202)。レンジ処理部44は、観測ベクトル及びスパースベクトルのデータを第2演算部24に転送する(ステップS203)。第2演算部24において、復元処理部46は、転送された観測ベクトル及びスパースベクトルのデータと、記憶部26に記憶された観測行列のデータとに基づいて、複数のレンジrについて並列して復元処理を行う(ステップS204)。復元処理部46は、復元したスパースベクトルのデータを第1演算部22に転送する(ステップS205)。第1演算部22において、合成処理部48は、復元されたスパースベクトルのデータに基づいてイメージング行列(イメージング画像)を生成し(ステップS206)、処理を終了する。 The range processing unit 44 generates observation vectors by allocating data for each range r from the received signal matrix based on, for example, the number of pixels set by the user, and sets sparse vectors (step S202). The range processing unit 44 transfers the observation vector and sparse vector data to the second calculation unit 24 (step S203). In the second calculation unit 24, the restoration processing unit 46 performs restoration processing in parallel for multiple ranges r based on the transferred observation vector and sparse vector data and the observation matrix data stored in the memory unit 26 (step S204). The restoration processing unit 46 transfers the restored sparse vector data to the first calculation unit 22 (step S205). In the first calculation unit 22, the synthesis processing unit 48 generates an imaging matrix (imaging image) based on the restored sparse vector data (step S206), and then ends the processing.
以上のように、本実施形態に係る信号処理装置14は、アジマス方向における複数の計測位置からアジマス方向に直交するレンジ方向に広がる発信波を発信した場合に計測位置で受信される観測データを取得し、観測データをアジマス方向とレンジ方向で行列化し、信号の強度を位置の値とした受信信号行列を生成するデータ受信部42と、受信信号行列におけるレンジ方向のレンジを特定し当該特定したレンジのアジマス方向の成分に基づいて構成される観測ベクトルを生成し、アジマス方向の分割数を受信信号行列よりも大きい分割数としレンジ方向の分割数を受信信号行列と同じとしたイメージング行列において観測ベクトルに対応するレンジ方向のレンジのアジマス方向の成分で構成されるスパースベクトルを設定するレンジ処理部44と、観測ベクトル及びスパースベクトルに基づいてスパースベクトルの成分を算出する復元処理を、複数のレンジについて並列して行う復元処理部46と、復元処理により算出されたスパースベクトルを合成してイメージング行列を生成する合成処理部48とを備える。 As described above, the signal processing device 14 according to this embodiment includes a data receiving unit 42 that acquires observation data received at measurement positions when transmitted waves spreading in the range direction perpendicular to the azimuth direction are transmitted from multiple measurement positions in the azimuth direction, arranges the observation data in a matrix in the azimuth direction and the range direction, and generates a received signal matrix in which signal strength represents a position value; a range processing unit 44 that identifies the range direction range in the received signal matrix, generates an observation vector constructed based on the azimuth direction components of the identified range, and sets a sparse vector constructed from the azimuth direction components of the range direction corresponding to the observation vector in an imaging matrix in which the number of divisions in the azimuth direction is greater than that of the received signal matrix and the number of divisions in the range direction is the same as that of the received signal matrix; a restoration processing unit 46 that performs restoration processing in parallel for multiple ranges to calculate the components of the sparse vector based on the observation vector and the sparse vector; and a synthesis processing unit 48 that synthesizes the sparse vectors calculated by the restoration processing to generate an imaging matrix.
また、本実施形態に係る信号処理方法は、アジマス方向における複数の計測位置からアジマス方向に直交するレンジ方向に広がる発信波を発信した場合に計測位置で受信される観測データを取得し、観測データをアジマス方向とレンジ方向で行列化し、信号の強度を位置の値とした受信信号行列を生成するデータ受信ステップと、受信信号行列におけるレンジ方向のレンジを特定し当該特定したレンジのアジマス方向の成分に基づいて構成される観測ベクトルを生成し、アジマス方向の分割数を受信信号行列よりも大きい分割数としレンジ方向の分割数を受信信号行列と同じとしたイメージング行列において観測ベクトルに対応するレンジ方向のレンジのアジマス方向の成分で構成されるスパースベクトルを設定するレンジ処理ステップと、観測ベクトル及びスパースベクトルに基づいてスパースベクトルの成分を算出する復元処理を、複数のレンジについて並列して行う復元処理ステップと、復元処理により算出されたスパースベクトルを合成してイメージング行列を生成する合成処理ステップとを含む。 The signal processing method according to this embodiment also includes a data reception step of acquiring observation data received at measurement positions when transmitting waves that spread in the range direction perpendicular to the azimuth direction from multiple measurement positions in the azimuth direction, organizing the observation data into matrices in the azimuth and range directions, and generating a received signal matrix in which signal strength represents a position value; a range processing step of identifying a range in the range direction in the received signal matrix, generating an observation vector based on the azimuth direction components of the identified range, and setting a sparse vector composed of the azimuth direction components of the range in the range direction corresponding to the observation vector in an imaging matrix in which the number of divisions in the azimuth direction is greater than that of the received signal matrix and the number of divisions in the range direction is the same as that of the received signal matrix; a restoration processing step of performing restoration processing in parallel for multiple ranges to calculate the components of the sparse vector based on the observation vector and the sparse vector; and a combination processing step of combining the sparse vectors calculated by the restoration processing to generate an imaging matrix.
また、本実施形態に係る信号処理プログラムは、アジマス方向における複数の計測位置からアジマス方向に直交するレンジ方向に広がる発信波を発信した場合に計測位置で受信される観測データを取得し、観測データをアジマス方向とレンジ方向で行列化し、信号の強度を位置の値とした受信信号行列を生成するデータ受信ステップと、受信信号行列におけるレンジ方向のレンジを特定し当該特定したレンジのアジマス方向の成分に基づいて構成される観測ベクトルを生成し、アジマス方向の分割数を受信信号行列よりも大きい分割数としレンジ方向の分割数を受信信号行列と同じとしたイメージング行列において観測ベクトルに対応するレンジ方向のレンジのアジマス方向の成分で構成されるスパースベクトルを設定するレンジ処理ステップと、観測ベクトル及びスパースベクトルに基づいてスパースベクトルの成分を算出する復元処理を、複数のレンジについて並列して行う復元処理ステップと、復元処理により算出されたスパースベクトルを合成してイメージング行列を生成する合成処理ステップとをコンピュータに実行させる。 The signal processing program according to this embodiment also causes a computer to execute the following steps: a data reception step of acquiring observation data received at measurement positions when transmitting waves that spread in the range direction perpendicular to the azimuth direction from multiple measurement positions in the azimuth direction, organizing the observation data into matrices in the azimuth and range directions, and generating a received signal matrix with signal strength as a position value; a range processing step of identifying a range in the range direction in the received signal matrix, generating an observation vector based on the azimuth direction components of the identified range, and setting a sparse vector composed of the azimuth direction components of the range in the range direction corresponding to the observation vector in an imaging matrix with a larger number of divisions in the azimuth direction than the received signal matrix and the same number of divisions in the range direction as the received signal matrix; a restoration processing step of performing restoration processing in parallel for multiple ranges to calculate the components of the sparse vector based on the observation vector and the sparse vector; and a combination processing step of combining the sparse vectors calculated by the restoration processing to generate an imaging matrix.
この構成によれば、イメージング画像の行列にレンジを設定し、レンジ単位で圧縮センシングの復元を行うことにより、結果として画像全体を一度に復元する場合よりも、高速・正確に処理を実行できる。この際に、複数のレンジについて並列して復元処理を行うことにより、レンジごとに直列的に複合処理を行う場合に比べて、処理速度を向上できる。これにより、分解能を維持しつつ、処理速度を向上できる。 With this configuration, by setting ranges for the matrix of an imaging image and performing compressed sensing restoration on a range-by-range basis, processing can be performed more quickly and accurately than when the entire image is restored at once. In this case, by performing restoration processing on multiple ranges in parallel, processing speed can be improved compared to when composite processing is performed serially for each range. This allows processing speed to be improved while maintaining resolution.
本実施形態に係る信号処理装置14において、データ受信部42、レンジ処理部44及び合成処理部48は、第1演算部22に設けられ、復元処理部46は、第1演算部22よりも多くの並列計算を実行可能な第2演算部24に設けられる。したがって、復元処理部46により複数のレンジについての並列処理を効率的に行うことができる。 In the signal processing device 14 according to this embodiment, the data receiving unit 42, range processing unit 44, and synthesis processing unit 48 are provided in the first calculation unit 22, and the restoration processing unit 46 is provided in the second calculation unit 24, which is capable of performing more parallel calculations than the first calculation unit 22. Therefore, the restoration processing unit 46 can efficiently perform parallel processing for multiple ranges.
本実施形態に係る信号処理装置14において、第1演算部22は、CPUであり、第2演算部24は、GPUである。したがって、GPUで構成される第2演算部24において、複数のレンジについての並列処理を効率的に行うことができる。 In the signal processing device 14 according to this embodiment, the first calculation unit 22 is a CPU, and the second calculation unit 24 is a GPU. Therefore, the second calculation unit 24, which is configured as a GPU, can efficiently perform parallel processing for multiple ranges.
本実施形態に係る信号処理装置14において、レンジ処理部44は、外部から入力された情報に基づいてアジマス方向及びレンジ方向のうち少なくとも一方の分割数を設定する。したがって、例えばユーザ等により設定可能な分割数の許容値を多くすることができる。 In the signal processing device 14 according to this embodiment, the range processing unit 44 sets the number of divisions in at least one of the azimuth direction and the range direction based on information input from the outside. Therefore, it is possible to increase the allowable number of divisions that can be set by, for example, a user.
本実施形態に係る信号処理装置14において、レンジ処理部44は、イメージング行列のうちレンジ方向について1行に対応するレンジを設定する。したがって、レンジごとの処理量を抑制することができ、処理速度の向上を図ることができる。 In the signal processing device 14 according to this embodiment, the range processing unit 44 sets a range corresponding to one row in the range direction of the imaging matrix. This reduces the amount of processing per range, thereby improving processing speed.
本実施形態に係る信号処理装置14において、観測データは、計測位置で発信された発信波について計測位置で受信されるデータである。したがって、いわゆるリニアスキャン計測方式を行う場合において、分解能を維持しつつ、処理速度を向上できる。 In the signal processing device 14 according to this embodiment, the observation data is data received at the measurement position in response to an emitted wave transmitted at the measurement position. Therefore, when using the so-called linear scan measurement method, it is possible to improve processing speed while maintaining resolution.
図6は、信号処理の他の例を説明するための説明図である。図6に示すように、レンジ処理部44は、イメージング行列のうちレンジ方向について複数行に対応するレンジrを設定することができる。レンジrに含まれる行数については、例えばユーザが設定することができる。以下、レンジrに含まれる行数がKである場合について説明する。なお、K=1の場合、上記した実施形態と同様となる。 Figure 6 is an explanatory diagram illustrating another example of signal processing. As shown in Figure 6, the range processing unit 44 can set a range r corresponding to multiple rows in the range direction of the imaging matrix. The number of rows included in range r can be set, for example, by the user. Below, we will explain the case where the number of rows included in range r is K. Note that when K = 1, the situation is the same as in the above-mentioned embodiment.
この場合、観測ベクトルは、
ここで、
次に、図7及び図8を用いて、信号処理装置14における処理の他の例を説明する。図7及び図8は、信号処理装置14における処理の他の例を示すフローチャートである。図7に示すように、超音波センサ12による計測を行う前の段階で、予め観測行列を設定し(ステップS301)、複数行(以下、K行とする)を集約したK行分の観測行列を取得する(ステップS302)。そして、取得したK行分の観測行列を記憶部26に記憶させる(ステップS303)。 Next, another example of processing in the signal processing device 14 will be described using Figures 7 and 8. Figures 7 and 8 are flowcharts showing another example of processing in the signal processing device 14. As shown in Figure 7, before measurements are performed using the ultrasonic sensor 12, an observation matrix is set in advance (step S301), and an observation matrix with K rows, which aggregates multiple rows (hereinafter referred to as K rows), is obtained (step S302). Then, the obtained observation matrix with K rows is stored in the memory unit 26 (step S303).
図8に示すように、信号処理装置14において、データ受信部42は、超音波センサ12により受信信号(実数)を取得し、取得した受信信号をダウンコンバートすることで複素ベースバンド信号による受信信号行列を生成する(ステップS401)。 As shown in FIG. 8, in the signal processing device 14, the data receiving unit 42 acquires a received signal (real number) from the ultrasonic sensor 12 and down-converts the acquired received signal to generate a received signal matrix using complex baseband signals (step S401).
レンジ処理部44は、受信信号行列から、例えばユーザにより設定された画素数に基づき、レンジrごとにデータを割り付けて観測ベクトルを生成し、スパースベクトルを設定する(ステップS402)。レンジ処理部44は、観測ベクトル及びスパースベクトルに基づいて、K行分のデータを集約した観測ベクトル及びスパースベクトルを生成し(ステップS403)、当該観測ベクトル及びスパースベクトルを第2演算部24に転送する(ステップS404)。 The range processing unit 44 generates observation vectors by allocating data for each range r from the received signal matrix, for example, based on the number of pixels set by the user, and sets sparse vectors (step S402). Based on the observation vectors and sparse vectors, the range processing unit 44 generates observation vectors and sparse vectors that aggregate K rows of data (step S403), and transfers the observation vectors and sparse vectors to the second calculation unit 24 (step S404).
第2演算部24において、復元処理部46は、転送された観測ベクトル及びスパースベクトルのデータ、つまり1つのレンジrについてK行分のデータが集約された観測ベクトル及びスパースベクトルのデータと、記憶部26に記憶されたK行分の観測行列のデータとに基づいて、複数のレンジrについて並列して復元処理を行う(ステップS405)。復元処理部46は、復元したスパースベクトルのデータを第1演算部22に転送する(ステップS406)。第1演算部22において、合成処理部48は、復元されたスパースベクトルのデータに基づいてイメージング行列(イメージング画像)を生成し(ステップS407)、処理を終了する。 In the second calculation unit 24, the restoration processing unit 46 performs restoration processing in parallel for multiple ranges r based on the transferred observation vector and sparse vector data, i.e., the observation vector and sparse vector data in which K rows of data for one range r are aggregated, and the observation matrix data for K rows stored in the memory unit 26 (step S405). The restoration processing unit 46 transfers the restored sparse vector data to the first calculation unit 22 (step S406). In the first calculation unit 22, the synthesis processing unit 48 generates an imaging matrix (imaging image) based on the restored sparse vector data (step S407), and ends the processing.
このように、本実施形態に係る信号処理装置14において、レンジ処理部44は、イメージング行列のうちレンジ方向について複数行に対応するレンジを設定する。この構成によれば、1つのレンジに1行分のデータが含まれる場合に比べて、1つのレンジに集約される複数行の画素値の相関をより反映させることができるため、復元精度を向上させることができる。 In this way, in the signal processing device 14 according to this embodiment, the range processing unit 44 sets ranges corresponding to multiple rows in the range direction of the imaging matrix. With this configuration, the correlation between pixel values of multiple rows aggregated in one range can be better reflected compared to when one range contains data for one row, thereby improving restoration accuracy.
図9は、本実施形態に係る計測システムの他の計測処理を説明する模式図である。図9に示すように、計測システム10は、超音波センサ12がアジマス方向xに複数並んで配置される点では、上記実施形態と同様である。計測システム10は、ある超音波センサ12(#i,i=1,2,…,MT)から計測対象Rの内部に送信信号を送信した場合、計測対象Rの内部の反射源lにより反射された信号を、複数の超音波センサ12(#j,j=1,2,…,MR)において受信信号として受信する。つまり、図9に示す例において、計測システム10は、いわゆるフルマトリクスキャプチャ(FMC:マルチスタティックと同義)計測方式により、アジマス方向と、アジマス方向に直交するレンジ方向とで囲われる計測対象Rの内部の反射源lを検出する。 FIG. 9 is a schematic diagram illustrating another measurement process of the measurement system according to this embodiment. As shown in FIG. 9 , the measurement system 10 is similar to the above embodiment in that multiple ultrasonic sensors 12 are arranged side by side in the azimuth direction x. In the measurement system 10, when a transmission signal is transmitted from one ultrasonic sensor 12 (#i, i = 1, 2, ..., M T ) into the interior of the measurement object R, the signal reflected by a reflection source l inside the measurement object R is received as a reception signal by multiple ultrasonic sensors 12 (#j, j = 1, 2, ..., M R ). In other words, in the example shown in FIG. 9 , the measurement system 10 detects the reflection source l inside the measurement object R, which is surrounded by the azimuth direction and the range direction perpendicular to the azimuth direction, using a so-called full matrix capture (FMC: synonymous with multistatic) measurement method.
以下、1つの超音波センサ12からの送信信号を全ての超音波センサ12により受信する場合について説明する。この場合、
ここで、各超音波センサ12で受信する受信信号ηi(t)
ここで、
ここで、時間τiljは、送信元の超音波センサ12から送信信号が送信されてから、画素#lで反射し、各超音波センサ12で受信されるまでの往復の所要時間を表す。往路の所要時間をτilとし、復路の所要時間をτljとすると、
このように、FMC計測方式では、受信信号行列の次元がM2となり、リニアスキャン計測方式の場合に比べて受信信号行列の次元が巨大になる。例えば、超音波センサ12の数が64個の場合、受信信号行列の次元は、642=4096となる。 In this way, in the FMC measurement method, the dimension of the received signal matrix is M2 , which is larger than that of the linear scan measurement method. For example, if the number of ultrasonic sensors 12 is 64, the dimension of the received signal matrix is 642 = 4096.
このように巨大な行列を扱うため、本実施形態では、
そこで、
この場合、観測ベクトルは、
なお、1つのレンジに複数行のデータが集約される場合、[数31]で示すレンジrの観測ベクトルは、
ここで、
次に、図10及び図11を用いて、信号処理装置14における処理の他の例を説明する。図10及び図11は、信号処理装置14における処理の他の例を示すフローチャートである。図10に示すように、超音波センサ12による計測を行う前の段階で、予め横長行列Φ([数27]参照)を設定する(ステップS501)。設定した横長行列Φは、記憶部26に記憶させる。また、観測行列を設定し(ステップS502)、設定した観測行列に横長行列Φを乗じた新たな観測行列を設定する(ステップS503)。また、1つのレンジrに複数行のデータを集約する場合には、複数行(以下、K行とする)を集約したK行分の観測行列(数33に示す)を取得する(ステップS504)。1つのレンジrに1行分のデータを含む場合には、ステップS504を行わなくてもよい。その後、設定した横長行列Φ及び新たな観測行列を記憶部26に記憶させる(ステップS505)。 Next, another example of processing in the signal processing device 14 will be described using Figures 10 and 11. Figures 10 and 11 are flowcharts showing another example of processing in the signal processing device 14. As shown in Figure 10, before performing measurement using the ultrasonic sensor 12, a widthwise matrix Φ (see [Equation 27]) is set in advance (step S501). The set widthwise matrix Φ is stored in the memory unit 26. An observation matrix is also set (step S502), and a new observation matrix is set by multiplying the set observation matrix by the widthwise matrix Φ (step S503). Furthermore, when multiple rows of data are aggregated in one range r, an observation matrix (shown in Equation 33) with K rows that aggregates multiple rows (hereinafter referred to as K rows) is obtained (step S504). When one range r contains one row of data, step S504 does not need to be performed. Thereafter, the set widthwise matrix Φ and the new observation matrix are stored in the memory unit 26 (step S505).
図11に示すように、信号処理装置14において、データ受信部42は、超音波センサ12により受信信号(実数)を取得し、取得した受信信号をダウンコンバートすることで複素ベースバンド信号による受信信号行列を生成する(ステップS601)。 As shown in FIG. 11, in the signal processing device 14, the data receiving unit 42 acquires a received signal (real number) from the ultrasonic sensor 12 and down-converts the acquired received signal to generate a received signal matrix using complex baseband signals (step S601).
レンジ処理部44は、受信信号行列から、例えばユーザにより設定された画素数に基づき、レンジrごとにデータを割り付けて観測ベクトルを生成し、スパースベクトルを設定する(ステップS602)。レンジ処理部44は、記憶部26に記憶された横長行列Φを観測ベクトルに乗じて新たな観測ベクトルを算出する(ステップS603)。また、1つのレンジrに複数行のデータを集約する場合には、算出した新たな観測ベクトルのうちK行分のデータを集約した観測ベクトルを生成し、同様にK行分のデータを集約したスパースベクトルを生成する(ステップS604)。1つのレンジrに1行分のみのデータを含む場合には、ステップS604を行わなくてもよい。レンジ処理部44は、観測ベクトル及びスパースベクトルを第2演算部24に転送する(ステップS605)。 The range processing unit 44 generates an observation vector by allocating data for each range r from the received signal matrix, for example, based on the number of pixels set by the user, and sets a sparse vector (step S602). The range processing unit 44 calculates a new observation vector by multiplying the observation vector by the horizontally long matrix Φ stored in the memory unit 26 (step S603). Furthermore, when multiple rows of data are aggregated into one range r, an observation vector is generated by aggregating K rows of data from the calculated new observation vector, and a sparse vector is similarly generated by aggregating K rows of data (step S604). If one range r contains only one row of data, step S604 does not need to be performed. The range processing unit 44 transfers the observation vector and sparse vector to the second calculation unit 24 (step S605).
第2演算部24において、復元処理部46は、転送された観測ベクトル及びスパースベクトルと、記憶部26に記憶された観測行列とに基づいて、複数のレンジrについて並列して復元処理を行う(ステップS606)。復元処理部46は、復元したスパースベクトルのデータを第1演算部22に転送する(ステップS607)。第1演算部22において、合成処理部48は、復元されたスパースベクトルのデータに基づいてイメージング行列(イメージング画像)を生成し(ステップS608)、処理を終了する。 In the second calculation unit 24, the restoration processing unit 46 performs restoration processing in parallel for multiple ranges r based on the transferred observation vectors and sparse vectors and the observation matrix stored in the storage unit 26 (step S606). The restoration processing unit 46 transfers the restored sparse vector data to the first calculation unit 22 (step S607). In the first calculation unit 22, the synthesis processing unit 48 generates an imaging matrix (imaging image) based on the restored sparse vector data (step S608), and the processing ends.
このように、本実施形態に係る信号処理装置14において、観測データは、一の計測位置で発信された発信波について全ての計測位置で受信されるデータである。この構成によれば、FMC計測方式においても、リニアスキャン計測方式の場合と同様の演算量及び処理時間で復元処理を行うことができる。 In this way, in the signal processing device 14 according to this embodiment, the observation data is data received at all measurement positions for an emitted wave transmitted at one measurement position. With this configuration, the restoration process can be performed with the same amount of calculation and processing time as with the linear scan measurement method, even with the FMC measurement method.
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。例えば、上記実施形態では、複数の計測位置のそれぞれに超音波センサ12が配置された構成を例に挙げて説明したが、これに限定されない。 The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications can be made as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, the above-described embodiment was described using an example configuration in which an ultrasonic sensor 12 is disposed at each of multiple measurement positions, but the present invention is not limited to this.
図12は、変形例に係る計測システム10Aを示す模式図である。図12に示すように、計測システム10Aは、上記した計測システム10(図1参照)の構成に加えて、駆動部20を有する。なお、計測システム10Aの他の構成については、上記した計測システム10と同様である。駆動部20は、超音波センサ12を移動させる動力として機能する。駆動部20の具体的構成は、超音波センサ12の運用形態に応じる。一例として、駆動体が地上を走行するビークルである場合、駆動部20は、複数の車輪と、当該複数の車輪の一部又は全部を駆動する原動機を含む。超音波センサ12が空中を移動するビークルである場合、プロペラ及びプロペラを駆動する駆動源が駆動部となる。超音波センサ12が水中を移動するビークルである場合、スクリュー及びスクリューが駆動する原動機が駆動部となる。ここに例示した駆動部20の具体的構成はあくまで一例であってこれに限られるものでない。駆動部20は、超音波センサ12を移動可能にする動力として機能すればよい。 Figure 12 is a schematic diagram showing a measurement system 10A according to a modified example. As shown in Figure 12, the measurement system 10A includes a drive unit 20 in addition to the components of the measurement system 10 (see Figure 1) described above. The remaining components of the measurement system 10A are the same as those of the measurement system 10 described above. The drive unit 20 functions as a power source for moving the ultrasonic sensor 12. The specific configuration of the drive unit 20 depends on the operating mode of the ultrasonic sensor 12. For example, if the driving body is a vehicle that travels on land, the drive unit 20 includes multiple wheels and a prime mover that drives some or all of the multiple wheels. If the ultrasonic sensor 12 is a vehicle that travels through the air, the drive unit is a propeller and a drive source that drives the propeller. If the ultrasonic sensor 12 is a vehicle that travels underwater, the drive unit is a screw and a prime mover that drives the screw. The specific configuration of the drive unit 20 illustrated here is merely an example and is not limited to this. The drive unit 20 only needs to function as a power source that enables the ultrasonic sensor 12 to travel.
図13は、変形例に係る計測システム10Aを示す図である。図12に示す計測システム10Aは、駆動部20により超音波センサ12をアジマス方向xに移動しつつ、周囲の探知処理を行う構成である。超音波センサ12は、アジマス方向xに移動して、位置#1、#2、…、#i、…、#Mのそれぞれにおいて計測対象Rに送信信号を送信し、計測対象Rの反射源lにより反射された信号を受信信号として受信する。超音波センサ12は、送信信号が角度θの広がり幅で射出され、射出した範囲を探索範囲とする。この構成によれば、超音波センサ12の数を少なくすることができる。なお、複数の超音波センサ12をアジマス方向xに移動させ、マルチスタティック計測方式を行う構成であってもよい。 Figure 13 shows a measurement system 10A according to a modified example. The measurement system 10A shown in Figure 12 is configured to perform surrounding detection processing while moving the ultrasonic sensor 12 in the azimuth direction x using the drive unit 20. The ultrasonic sensor 12 moves in the azimuth direction x, transmitting a transmission signal to the measurement object R at each of positions #1, #2, ..., #i, ..., #M, and receiving a signal reflected by a reflection source l of the measurement object R as a received signal. The ultrasonic sensor 12 emits a transmission signal with a spread width of angle θ, and the emitted range is the search range. This configuration allows the number of ultrasonic sensors 12 to be reduced. Note that multiple ultrasonic sensors 12 may be moved in the azimuth direction x to perform multistatic measurement.
10,10A 計測システム
12 超音波センサ
14 信号処理装置
16 制御部
18,26 記憶部
20 駆動部
22 第1演算部
24 第2演算部
28 パルサーレシーバー
32 送信部
34 受信部
42 データ受信部
44 レンジ処理部
46 復元処理部
48 合成処理部
130 受信信号行列
132 イメージング行列
134a,136a 画素領域
10, 10A Measurement system 12 Ultrasonic sensor 14 Signal processing device 16 Control unit 18, 26 Memory unit 20 Drive unit 22 First calculation unit 24 Second calculation unit 28 Pulsar receiver 32 Transmitter 34 Receiving unit 42 Data receiving unit 44 Range processing unit 46 Restoration processing unit 48 Synthesis processing unit 130 Received signal matrix 132 Imaging matrix 134a, 136a Pixel area
Claims (10)
前記受信信号行列における前記第2方向のレンジを特定し当該特定したレンジの前記第1方向の成分に基づいて構成される観測ベクトルを生成し、前記第1方向の分割数を前記受信信号行列よりも大きい分割数とし前記第2方向の分割数を前記受信信号行列と同じとしたイメージング行列において前記観測ベクトルに対応する前記第2方向の前記レンジの前記第1方向の成分で構成されるスパースベクトルを設定するレンジ処理部と、
前記観測ベクトル及び前記スパースベクトルに基づいて前記スパースベクトルの成分を算出する復元処理を、複数の前記レンジについて並列して行う復元処理部と、
前記復元処理により算出された前記スパースベクトルを合成して前記イメージング行列を生成する合成処理部と
を備える信号処理装置。 a data receiving unit that acquires observation data received at a plurality of measurement positions when an emission wave spreading in a second direction perpendicular to the first direction is emitted from the measurement positions, arranges the observation data in a matrix in the first direction and the second direction, and generates a received signal matrix in which the signal strength is a position value;
a range processing unit that identifies a range in the second direction in the received signal matrix, generates an observation vector configured based on components in the first direction of the identified range, and sets a sparse vector configured of components in the first direction of the range in the second direction corresponding to the observation vector in an imaging matrix in which the number of divisions in the first direction is larger than that of the received signal matrix and the number of divisions in the second direction is the same as that of the received signal matrix;
a restoration processing unit that performs restoration processing for calculating components of the sparse vector based on the observation vector and the sparse vector in parallel for a plurality of the ranges;
a synthesis processing unit that synthesizes the sparse vectors calculated by the restoration processing to generate the imaging matrix.
前記復元処理部は、前記第1演算部よりも多くの並列計算を実行可能な第2演算部に設けられる
請求項1に記載の信号処理装置。 the data receiving unit, the range processing unit, and the synthesis processing unit are provided in a first calculation unit,
The signal processing device according to claim 1 , wherein the restoration processing unit is provided in a second calculation unit that can execute more parallel calculations than the first calculation unit.
前記第2演算部は、GPUである
請求項2に記載の信号処理装置。 the first calculation unit is a CPU,
The signal processing device according to claim 2 , wherein the second processing unit is a GPU.
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の信号処理装置。 The signal processing device according to claim 1 , wherein the range processing unit sets the number of divisions in at least one of the first direction and the second direction based on information input from an external device.
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の信号処理装置。 The signal processing device according to claim 1 , wherein the range processing unit sets the range corresponding to one row in the imaging matrix in the second direction.
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の信号処理装置。 The signal processing device according to claim 1 , wherein the range processing unit sets the ranges corresponding to a plurality of rows in the imaging matrix in the second direction.
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の信号処理装置。 The signal processing device according to claim 1 , wherein the observation data is data received at the measurement position in response to the transmitted wave transmitted at the measurement position.
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の信号処理装置。 The signal processing device according to claim 1 , wherein the observation data is data received at a plurality of the measurement positions in response to the transmitted wave transmitted at one of the measurement positions.
前記受信信号行列における前記第2方向のレンジを特定し当該特定したレンジの前記第1方向の成分に基づいて構成される観測ベクトルを生成し、前記第1方向の分割数を前記受信信号行列よりも大きい分割数とし前記第2方向の分割数を前記受信信号行列と同じとしたイメージング行列において前記観測ベクトルに対応する前記第2方向の前記レンジの前記第1方向の成分で構成されるスパースベクトルを設定するレンジ処理ステップと、
前記観測ベクトル及び前記スパースベクトルに基づいて前記スパースベクトルの成分を算出する復元処理を、複数の前記レンジについて並列して行う復元処理ステップと、
前記復元処理により算出された前記スパースベクトルを合成して前記イメージング行列を生成する合成処理ステップと
を含む信号処理方法。 a data receiving step of acquiring observation data received at a plurality of measurement positions in a first direction when an emission wave spreading in a second direction perpendicular to the first direction is transmitted from the measurement positions, and forming a matrix of the observation data in the first direction and the second direction to generate a received signal matrix in which the signal strength is a position value;
a range processing step of specifying a range in the second direction in the received signal matrix, generating an observation vector configured based on the components in the first direction of the specified range, and setting a sparse vector configured of the components in the first direction of the range in the second direction corresponding to the observation vector in an imaging matrix in which the number of divisions in the first direction is larger than that of the received signal matrix and the number of divisions in the second direction is the same as that of the received signal matrix;
a restoration processing step of performing restoration processing for calculating components of the sparse vector based on the observation vector and the sparse vector in parallel for a plurality of the ranges;
a synthesis processing step of synthesizing the sparse vectors calculated by the restoration processing to generate the imaging matrix.
前記受信信号行列における前記第2方向のレンジを特定し当該特定したレンジの前記第1方向の成分に基づいて構成される観測ベクトルを生成し、前記第1方向の分割数を前記受信信号行列よりも大きい分割数とし前記第2方向の分割数を前記受信信号行列と同じとしたイメージング行列において前記観測ベクトルに対応する前記第2方向の前記レンジの前記第1方向の成分で構成されるスパースベクトルを設定するレンジ処理ステップと、
前記観測ベクトル及び前記スパースベクトルに基づいて前記スパースベクトルの成分を算出する復元処理を、複数の前記レンジについて並列して行う復元処理ステップと、
前記復元処理により算出された前記スパースベクトルを合成して前記イメージング行列を生成する合成処理ステップと
をコンピュータに実行させる信号処理プログラム。 a data receiving step of acquiring observation data received at a plurality of measurement positions in a first direction when an emission wave spreading in a second direction perpendicular to the first direction is transmitted from the measurement positions, and forming a matrix of the observation data in the first direction and the second direction to generate a received signal matrix in which the signal strength is a position value;
a range processing step of specifying a range in the second direction in the received signal matrix, generating an observation vector configured based on the components in the first direction of the specified range, and setting a sparse vector configured of the components in the first direction of the range in the second direction corresponding to the observation vector in an imaging matrix in which the number of divisions in the first direction is larger than that of the received signal matrix and the number of divisions in the second direction is the same as that of the received signal matrix;
a restoration processing step of performing restoration processing for calculating components of the sparse vector based on the observation vector and the sparse vector in parallel for a plurality of the ranges;
a synthesis processing step of synthesizing the sparse vectors calculated by the restoration processing to generate the imaging matrix.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021203697A JP7745451B2 (en) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | Signal processing device, signal processing method, and signal processing program |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021203697A JP7745451B2 (en) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | Signal processing device, signal processing method, and signal processing program |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023088765A JP2023088765A (en) | 2023-06-27 |
| JP7745451B2 true JP7745451B2 (en) | 2025-09-29 |
Family
ID=86935232
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021203697A Active JP7745451B2 (en) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | Signal processing device, signal processing method, and signal processing program |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7745451B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2025220231A1 (en) * | 2024-04-19 | 2025-10-23 | 三菱電機株式会社 | Signal analysis device, control circuit, storage medium, and signal analysis method |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012078347A (en) | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc | Method and system for detecting scene |
| US20190365355A1 (en) | 2017-01-18 | 2019-12-05 | Technion Research & Development Foundation Ltd. | Sparsity-based ultrasound super-resolution imaging |
| JP2021085776A (en) | 2019-11-28 | 2021-06-03 | 三菱重工業株式会社 | Aperture synthetic processing device, aperture synthetic processing method and program for the same |
| JP6921339B1 (en) | 2020-06-11 | 2021-08-18 | 三菱電機株式会社 | Radar device and radar image generation method |
-
2021
- 2021-12-15 JP JP2021203697A patent/JP7745451B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012078347A (en) | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc | Method and system for detecting scene |
| US20190365355A1 (en) | 2017-01-18 | 2019-12-05 | Technion Research & Development Foundation Ltd. | Sparsity-based ultrasound super-resolution imaging |
| JP2021085776A (en) | 2019-11-28 | 2021-06-03 | 三菱重工業株式会社 | Aperture synthetic processing device, aperture synthetic processing method and program for the same |
| JP6921339B1 (en) | 2020-06-11 | 2021-08-18 | 三菱電機株式会社 | Radar device and radar image generation method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023088765A (en) | 2023-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10591597B2 (en) | Ultrasound imaging apparatus and method for controlling the same | |
| US12223568B2 (en) | Systems and methods for generating and estimating unknown and unacquired ultrasound data | |
| Gerg et al. | GPU acceleration for synthetic aperture sonar image reconstruction | |
| CN112888372A (en) | System and method for kalman filter-based microvascular repair for super-resolution imaging | |
| JP5073160B2 (en) | Underwater detection device capable of calculating fish school information, fish school volume and backscattering intensity of a single fish, and methods thereof | |
| US20110098571A1 (en) | Scan line display apparatus and method | |
| EP3997482B1 (en) | Method and apparatus for adaptive beamforming | |
| US11903760B2 (en) | Systems and methods for scan plane prediction in ultrasound images | |
| CN102743226B (en) | Produce method and apparatus, medical image system and the diagnostic system of diagnostic image | |
| US10846569B2 (en) | Method and systems for scan conversion with higher resolution | |
| Sung et al. | Realistic sonar image simulation using generative adversarial network | |
| CN115690035A (en) | Method, device, equipment and medium for underwater structure defect detection based on sonar graphics | |
| JP7745451B2 (en) | Signal processing device, signal processing method, and signal processing program | |
| CN119414395A (en) | A device and method for underwater target acoustic CT three-dimensional imaging and coordinate positioning | |
| CN106125078A (en) | One multidimensional acoustic imaging system and method under water | |
| WO2020255265A1 (en) | Radar system, imaging method, and imaging program | |
| CN102867292B (en) | Stepped mean filtering method aimed at imaging data of multibeam forward-looking sonars | |
| EP2466330B1 (en) | Ultrasound system and method for processing beam-forming based on sampling data | |
| JP2002345815A (en) | Three-dimensional ultrasonic photographic system | |
| CN104361623A (en) | Portable three-dimensional imaging sonar and imaging method and system thereof | |
| JP5296975B2 (en) | Ultrasonic diagnostic equipment | |
| CN114842015B (en) | Coal flow detection method and training method for generating countermeasure network under condition | |
| Cerqueira et al. | Custom shader and 3d rendering for computationally efficient sonar simulation | |
| US11921201B2 (en) | Signal processing device, signal processing method, and computer-readable storage medium | |
| JP2023517512A5 (en) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240930 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20250813 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250819 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250916 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7745451 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |