(57)【要約】      （修正有）【課題】トランスデューサーの仮想アレイを用いてシーンを再構成する方法を提供する。【解決手段】トランスデューサーの仮想アレイ１００によって送信されたパルスを受信することによってシーン１１０が再構成される。パルスは、シーンによって反射される。仮想アレイは、位置決め誤差を受ける１組の構成を有する。各受信パルスは、サンプリング及び分解され、シーンの反射率をモデリングする１組の線形システム内にスタックされた周波数係数が生成される。構成ごとに１つの線形システムが存在する。上記１組の線形システムに再構成方法が適用される。再構成方法は、各線形システムを別個に解いて対応する解を得る。これらの対応する解は、解く間の情報を共有する。次に、これらの解は、結合されてシーンが再構成される。【選択図】図１
2014122883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シーンを再構成する方法であって、
トランスデューサーの仮想アレイによって送信され、前記シーンによって反射されたパルスを受信するステップであって、
前記仮想アレイは、位置決め誤差を受ける１組の構成を有する、
ステップと、
前記シーンの反射率をモデリングする１組の線形システム内にスタックされた周波数係数を生成するために、各受信パルスをサンプリングするとともに分解するステップであって、
前記構成ごとに線形システムが存在する、
ステップと、
前記１組の線形システムに再構成方法を適用するステップであって、
前記再構成方法は、対応する解を得るために前記線形システムのそれぞれを別個に解くステップであって、前記対応する解は、前記解くステップの間の情報を共有する、ステップと、前記シーンを再構成するために前記解を結合するステップとを更に含む、
ステップと、
を備えるシーンを再構成する方法。
【請求項２】
前記情報は、前記再構成中の前記解のそれぞれのサポートである、
請求項１に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項３】
前記サポートは、前記再構成中の前記解間で共通である、
請求項２に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項４】
前記サポートは、前記再構成中の全ての解について同一であるように強制される、
請求項２に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項５】
前記再構成中に共同スパース性モデルが用いられる、
請求項１に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項６】
前記再構成中に凸最適化が用いられる、
請求項５に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項７】
前記再構成中に貪欲法が用いられる、
請求項５に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項８】
前記再構成中に前記シーンのモデルが強制される、
請求項１に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項９】
前記結合によって前記解の平均が得られる、
請求項１に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項１０】
前記結合によって前記解の係数の平均の大きさが得られる、
請求項１に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項１１】
前記結合によって、前記解の係数の大きさの二乗の平均が得られる、
請求項１に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項１２】
前記結合は、前記平均の二乗根をとる、
請求項１１に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項１３】
前記結合は、前記解の共通サポートを求める、
請求項１に記載のシーンを再構成する方法。
【請求項１４】
前記線形システムを統合するステップを更に含む、
請求項１に記載のシーンを再構成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シーンを再構成することに関し、より詳細には、トランスデューサーの仮想アレイ（アレー）を用いてシーンを再構成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術による通常の検知システムは、単一周波数（狭帯域）トランスデューサー及び時間遅延推定を用いて、シーン内のロケーションへの距離を求める。多くの場合に、狭帯域パルスは、約４０ｋＨｚの中心周波数及び１ｋＨｚ〜２ｋＨｚの帯域幅を有し、すなわち、例えば、パルスは、４０ｋＨｚ±１ｋＨｚの範囲で動作する。
【０００３】
特に、このシステムは、送信パルスと受信パルスとの間の時間遅延を測定する。時間遅延にパルスの速度を乗算して、シーンまでの距離を推定する。
【０００４】
更なる情報は、トランスデューサー（送信機及び受信機）のアレイによって得ることができる。トランスデューサーのアレイは、各トランスデューサーから同じ周波数パルスを送信するが、異なるトランスデューサーからのパルス間に適切な時間遅延が伴い、それによって送信全体が本質的にシーン内の特定のロケーションに向かって方向付けられる。これは、ビームステアリングと呼ばれることもある。
【０００５】
様々な方向を走査することによって、アレイは、シーン内の様々なロケーションへの距離を推定することができる。その手法は、医学超音波において用いられる方法に類似している。その手法は、有効なアレイを作製するように多数のトランスデューサー又は様々なトランスデューサーロケーションを必要とする。さらに、その走査手法は、ビームの方向ごとに１つずつ、複数のパルス送信を必要とし、それによって、シーンを十分に再構成することができるまでの時間が増大する。また、アレイは、移動するので、アレイ素子を動かすことによって仮想アレイを形成することは容易でない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
トランスデューサーの仮想アレイを用いてシーンを再構成する方法を提供することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
シーン上にパルスを送信することによってシーンが再構成される。シーンは、パルスを反射する。反射されたパルスは、トランスデューサーの仮想アレイによって受信される。仮想アレイは、位置決め誤差を受ける１組の構成を有する。
【０００８】
各受信パルスは、サンプリング及び分解され、シーンの反射率をモデリングする１組の線形システム内にスタックされた周波数係数が生成される。構成ごとに１つの線形システムが存在する。
【０００９】
上記１組の線形システムに再構成方法が適用される。再構成方法は、各線形システムを別個に解いて対応する解を得る。これらの対応する解は、解く間の情報を共有する。次に、これらの解は、結合されてシーンが再構成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態は、広帯域超音波パルスを送受信する僅かな数のトランスデューサーを用いる。各トランスデューサーは、異なる幅の周波数成分を有する或る周波数で一意のパルスを放出する。各パルスは、一意であるので、受信機において容易に識別することができ、これによってシステムが、対応する送信機からのシーン内の様々な物体の距離を推定することが可能になる。パルスの広帯域幅は、以下の目的を果たす。各送信機からのパルスは、他の送信機に対し一意である。より多くの周波数を用いることにより、ダイバーシティがもたらされるので、用いるトランスデューサーの数を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態による、シーンを再構成するトランスデューサーの仮想アレイの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による、シーンを再構成する方法のブロック図である。
【図３】本発明の実施形態による、共同再構成方法のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで、明細書内の実施形態の中で言及する関連出願とは、２０１０年９月３０日にＢｏｕｆｏｕｎｏｓによって出願された米国特許出願第１２／８９５，４０８号（米国特許出願公開第２０１２／００８２００４号）「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｏｂｊｅｃｔｓ  ｉｎ  ａ  Ｓｃｅｎｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  Ａｒｒａｙｓ  ａｎｄ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｗｉｄｅｂａｎｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｐｕｌｓｅｓ」のことである。また、この米国特許出願第１２／８９５，４０８号は、引用により本明細書の一部をなす。この関連出願は、高帯域超音波パルスを用いてシーン内の物体を検出する。この関連出願は、信号取得中に同じ原理を用いるが、異なる再構成手法を用い、この手法は、トランスデューサー相対位置が十分な精度で知られていると仮定している。
【００１３】
トランスデューサーの仮想アレイを用いたシーン再構成
図１に示すように、本発明の好ましい実施形態は、トランスデューサー１２０の仮想アレイ１００を用いて、シーンｘ１１０を、ｘ（バー）３３０として再構成する。再構成によって、シーン内の物体１１１を検出することができる。
【００１４】
各トランスデューサーは、それぞれ、パルスを送信する送信機（Ｓ）１２１と、反射を受信する受信機（Ｒ）１２２とを備える。１つの実施形態では、パルスは、広帯域超音波を用いることができるが、他のシグナリングモダリティ（ｍｏｄａｌｉｔｙ）及び周波数、例えば、光パルス及び無線パルスも可能である。送信機及び受信機は、別々の物理デバイスとすることもできるし、パルスの送信機又は受信機のいずれとしても動作するトランスデューサーとすることもできる。後者の場合、トランスデューサーは、パルスを同時に送信し、次にモードを切り替えてパルスを受信する。
【００１５】
１つの構成では、トランスデューサーは、第１の次元に線形に配列され、第２の次元に沿って第１の次元に対し横方向に移動して、（１つ又は複数の）構成の組を有する２Ｄ仮想アレイを形成する。トランスデューサーは、個々にアクティベートすることができるので、他の構成（Ｑ）及び３Ｄアレイも可能である。さらに、アレイは、規則的にすることも不規則にすることもできる。
【００１６】
再構成方法
図２は、本発明の実施形態による、シーンを再構成する方法を示している。各トランスデューサーによって送信されるパルスは、ナイキストレート、すなわちパルスの帯域幅の２倍における、対応するサンプリング周期（Ｔ）での離散時間サンプルによって表すことができる。これは、デジタルパルス生成及び受信パルスの処理２１０にも有用である。パルス発生器２０５は、受信パルスの処理に有用なパルス情報２０６も提供する。
【００１７】
受信パルスは、サンプリングされ、デジタル化され、アレイにスタックされ、次に線形システム２１１として処理される。線形システムを形成する手順は、関連出願において記載されたとおりである。次に、再構成方法が線形システム２１１に適用され（３００）、再構成されたシーンｘ（バー）３３０が生成される。本方法は、図３を参照して以下でより詳細に説明される。本方法は、当該技術分野において既知のメモリ及び入出力インターフェースに接続されたプロセッサ２００において実行することができる。
【００１８】
問題の定式化
組Ｑ内の各構成ｑ（ただし、ｑ＝１，．．．，Ｑ）は、Ｓｑ個の送信機及びＲｑ個の受信機を含む。各送信機は、パルスｐｓｑ（ｔ）（ｑ＝１，．．．，Ｑ、ｓ＝１，．．．，Ｓｑ）を送出し、これは、周波数領域においてＰｓｑ（Ω）によって表される。
【００１９】
反射パルスは、各受信機において信号ｙｒｑ（ｔ）（ｑ＝１，．．．，Ｑ、ｒ＝１，．．．，Ｒｑ）として受信される。これは、周波数領域においてＹｒｑ（Ω）と表される。
【００２０】
特定の時点において、シーンは、静的であるとみなすことができ、サイズＮに離散化される。シーンは、２次元（２Ｄ）又は３次元（３Ｄ）とすることができる。シーンを離散化することは、シーン内のＮ個のロケーションのグリッドが形成されること、例えば２Ｄシーンの場合、Ｎ＝Ｎｘ×Ｎｙ、又は３Ｄシーンの場合、Ｎ＝Ｎｘ×Ｎｙ×Ｎｚであることを意味する。シーン内の各離散ロケーションｎにおけるパルスは、そのロケーションｎの反射率ｘｎに従って反射される。シーン全体の反射率は、
【００２１】
【数１】
2014122883.tif 000003
【００２２】
を用いて表される。
【００２３】
シーン内の全てのロケーションｎは、シーンロケーションｎから反射されるときの、アレイインスタンスｑの送信機ｓから受信機ｒへのパルスの経路における総距離ｄｎｓｒｑに対して、アレイインスタンスｑの送信機ｓから距離ｄｎｓｑ及びアレイインスタンスｑの受信機ｒから距離ｄｎｒｑにある。
【００２４】
特定のモダリティの場合の各パルスの速度、例えば超音波検知の場合の音波速度、又は無線検知若しくは光検知の場合の光の速度は、ｃである。アレイインスタンスｑの送信機ｓから受信機ｒへの、シーンロケーションｎによって反射されたパルスの総遅延は、τｎｓｒｑ＝ｄｎｓｒｑ／ｃである。
【００２５】
シーン反射率ｘを所与とすると、アレイインスタンスｑの受信信号ｒは、
【００２６】
【数２】
2014122883.tif 000004
【００２７】
であり、これは線形伝達関数である。周波数Ωにおいて離散化することによって、すなわちＦ個の離散周波数ロケーション｛Ω１，．．．，ΩＦ｝において評価することによって、アレイインスタンスｑの線形伝達関数は、アレイインスタンスｑごとに行列式又は線形システムＹｑ＝Ａｑｘとして表すことができる。
【００２８】
関連出願において記載されているように、シーンの再構成は、ｒ＝Ａｘの形式の線形システムを用いる。ここでは、ｒの代わりにＹを用いて、受信パルスに従ってシーン内の反射率の周波数係数のベクトルを表し、Ａは送信演算子を表し、ｘはシーン（の反射率）を表す。復元方法３００は、ｘに対するＡの作用を取り消し、このため、係数Ｙの測定値から、ｘ（バー）で表されるｘの推定値を再構成する。これ以降、バー（例えば、ｘ（バー）又はｘ（バー）ｑ）を用いて、推定値である再構成されたシーンを表し、バーなし（例えば、ｘ）を用いて、データを生成する実際のシーンを表す。
【００２９】
移動可能なトランスデューサーが本発明の実施形態による仮想アレイと同様に用いられるとき、トランスデューサーは、経時的にＱ個のアレイインスタンス（異なる位置）のシーンのスナップショットを検知して取得し、線形システムは、Ｙｑ＝ＡｑＸとなる。ここで、Ｙｑはｑ番目の位置における受信パルスを表し、Ａｑは、ｑ番目の位置におけるトランスデューサーのジオメトリ及びシーンによって導出されるような送信演算子である。このため、以下の１組の線形システムが存在する。
【００３０】
【数３】
2014122883.tif 000005
【００３１】
関連出願は、シーンｘのスパース性を利用し、圧縮センシングを用いてシステムを反転する。本出願では、アレイ位置は、アレイインスタンスと呼ばれる。
【００３２】
「インタンス」という用語は、例えば、アレイが経時的に様々な位置を有することができ、任意の特定の位置において様々なトランスデューサーが任意の時間インスタンスでアクティブとなることができる、より一般的な１組のアレイ構成を包含するように用いられる。
【００３３】
関連出願「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｏｂｊｅｃｔｓ  ｉｎ  ａ  Ｓｃｅｎｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  Ａｒｒａｙｓ  ａｎｄ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｗｉｄｅｂａｎｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｐｕｌｓｅｓ」において取られる手法に伴う課題のうちの１つは、パラメーターの精度の影響を受けやすいことである。特に、上記の定式化は、全てのアレイ素子（送信機及び受信機）の相対的位置が位置決め誤差を受けず、十分に正確であると仮定する。これが必要とされる理由は、再構成が全てのアレイインスタンスにおける全ての信号のコヒーレントな捕捉に依拠するためである。位置決め誤差は、このコヒーレンシの仮定に反し、再構成の精度を低下させる。
【００３４】
不都合なことに、特に、プラットフォームの動きを用いて位置決めを達成する仮想アレイ（例えばプラットフォームが自動車、船舶、飛行機、又は衛星に取り付けられている）の場合に、十分な精度で全ての構成におけるアレイ素子の正確な相対的位置決めを知ることが多くの場合に可能でない。通常、アレイ素子の位置は、送信信号の半波長の僅かな部分まで正確であることが望ましい。例えば、５０ｋＨｚの中心周波数付近で動作する無線超音波アレイでは、波長λは、７ｍｍである。したがって、トランスデューサーの位置は、例えば約３．５ｍｍの僅かな部分の範囲内で知られているべきである。多くの場合に、そのような移動するプラットフォームの動きを取得することは不可能であり、したがって、アレイ位置は、位置決め誤差を受け、精度が不十分である。本発明による再構成方法は、これらの誤差にも関わらずこの問題を解決する。
【００３５】
本出願では、アレイのＱ個の構成のそれぞれを、別個に解かれるべき問題として考察し、各解に関する各情報は、他の解と共有される。「共有」は、表記上の目的で用いられるが、以下で説明するように、共通サポートを求めることを可能にする。別個の問題が存在するが、単一のプロセスによって、１つの包括的な解においてＱ個全ての解を求めることができ、共有は、プロセス内でのみ行われる。換言すれば、複数のプロセスを用いる必要はない。目標は、全ての再構成されたシーンｘ（バー）ｑが共同スパース性パターンを共有することを強制することである。
【００３６】
各問題を別個に処理することによって、モデルは、Ｑ個の構成のそれぞれの中でのデータのコヒーレンシを維持するために、幾つかの他の素子に対するアレイ素子の正確な位置しか必要としない。例えば、第２の（時間）次元におけるトランスデューサー間の距離の正確度に誤差が生じていても、第１の次元におけるトランスデューサー間の距離が正確であれば十分である。
【００３７】
特に、上記の単一の線形システムを用いて単一のｘ（バー）を再構成する代わりに、本方法は、（１）の各インスタンスから１つずつ、Ｑ個のベクトルｘ（バー）ｑを再構成する。換言すれば、Ｑ個の伝達方程式がｘｑのそれぞれ１つを反転する。
Ｙｑ＝ＡｑＸｑ  ，ｑ＝１，．．．，Ｑ
【００３８】
しかしながら、構成インスタンスｑごとに別個に線形システムを単に反転するだけでは不十分である。そのタイプの反転は、インスタンス間のコヒーレンスを必要としないが、インスタンスの解間で一切情報の共有も行わないため、準最適解が導かれる。
【００３９】
代わりに、本発明の実施形態による方法は、シーンが本質的に全てのアレイインスタンスについて同じであるという知識を利用する。特に、本方法は、シーンのスパース性パターンが全てのインスタンスについて同じである、すなわち、ｘ（バー）ｑが全てのｑ＝１，．．．，Ｑについて同じロケーションにおいて非ゼロを有することを利用する。換言すれば、全ての再構成されたシーンｘ（バー）ｑは、共同スパース性パターンを共有する。これは、非ゼロロケーションが全てのｘ（バー）ｑにおいて同じであることを意味する。
【００４０】
図３は、それぞれがアレイ構成ｑに対応する３つの異なる位置におけるアレイ１００について圧縮センシング（ＣＳ）再構成方法３００をより詳細に示している。ＣＳ再構成中、各構成は、他の構成からの再構成と同じロケーションにおいて非ゼロであるシーン再構成を生成する（３１０）。次に、全ての構成からの再構成を結合し（３２０）、再構成されたシーン３３０を生成する。
【００４１】
各再構成プロセス３１０は、他の再構成プロセスと情報３１１を共有し、出力におけるサポートが共通であることを確実にする。概念上、Ｑ個の構成からの再構成は、別個であると考えることができる。しかしながら、実際には、本方法は、各個々のシーンのＱ倍の大きさの拡大されたシーンの再構成問題を解く。
【００４２】
共同スパース性パターンを求めるために、限定ではないが、貪欲スパース復元、マッチング追跡（ＭＰ）、直交マッチング追跡（ＯＭＰ）、反復ハードしきい値処理（ＩＨＴ）、圧縮サンプリングマッチング追跡（ＣｏＳａＭＰ）等の、複数のプロセスを用いることができる。シーンのモデルが知られている場合、モデルベースの圧縮センシング再構成方法を用いることができる。共通の態様として、再構成は、ｎ個の構成のそれぞれの総エネルギーｅを以下のように求める。
【００４３】
【数４】
2014122883.tif 000006
【００４４】
ここで、ｅｎはエネルギーベクトルｅのｎ番目の要素を表す。再構成は、エネルギーベクトルｅｑがスパースのままであることを確実にしながら、
【００４５】
【数５】
2014122883.tif 000007
【００４６】
となるようなｘ（バー）ｑを求める。
【００４７】
例えば、モデルベースのＣｏＳａＭＰ又はＩＨＴを用いることができ、或る予め定義されたスパース性レベルＫについて
【００４８】
【数６】
2014122883.tif 000008
【００４９】
を最適化する。代替的に、以下の凸最適化方法
【００５０】
【数７】
2014122883.tif 000009
【００５１】
若しくは
【００５２】
【数８】
2014122883.tif 000010
【００５３】
等の変形、又は任意の他の共同スパース性定式化若しくはプロセスを用いることができる。最適化によって、アレイ構成ｑごとに解ｘ（バー）ｑが得られる。
【００５４】
次に、融合手順又は統合手順を用いて解を結合して単一の解３３０にする。例えば、平均化によって以下を求め、
【００５５】
【数９】
2014122883.tif 000011
【００５６】
大きさ平均化によって以下を求め、
【００５７】
【数１０】
2014122883.tif 000012
【００５８】
二乗平均平方根（ＲＭＳ）結合によって以下を求める。
【００５９】
【数１１】
2014122883.tif 000013
【００６０】
これはｅと同一である。
【００６１】
個々の解も、共通サポートを特定することによって結合することができる。
【００６２】
【数１２】
2014122883.tif 000014
【００６３】
上記の結合方法は、ｘ（バー）の値に関して、それらの値が非ゼロであること以外のいかなる情報も削除する。換言すれば、結合は、信号の共通サポートのみを特定する。削除される情報が重要であるか否かは、用途に依拠する。例えば、物体検出用途は、多くの場合に物体のロケーション、すなわちｘ（バー）のサポートのみを必要とし、実際の値を必要としない。
【００６４】
本発明の実施形態による共同スパース性再構成は、各アレイ構成内の相対的な位置決めが十分に推定されるが、必ずしも全てのアレイ構成について推定されるわけではないと仮定する。アレイインスタンスのグループの位置決めを精密に推定することができる場合、アレイインスタンスのグループを結合することができ、グループごとに別個の解が解かれ、インスタンス解ごとではなく、全てのグループ解について共同スパース性が強制される。そのようなグループ化は、再構成の精密な位置決めの知識を利用する、すなわちデータのコヒーレンスを利用するので、再構成性能を改善する。
【００６５】
用途
関連出願において記載されているように、本方法は、車両検知用途における運転者の支援、ロボット用途、衛星用途及びセキュリティ用途に用いることができる。
【図１】
2014122883.tif 000015
【図２】
2014122883.tif 000016
【図３】
2014122883.tif 000017
【外国語明細書】
2014122883.tif 000018
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