JP7494099B2 - Radar device and radar signal processing method - Google Patents
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Description
本実施形態は、レーダ装置及びレーダ信号処理方法に関する。 This embodiment relates to a radar device and a radar signal processing method.
従来のレーダ装置では、STFT(Short-Time Fourier transform:短時間フーリエ変換)によるスペクトログラムを用いて、slow-time軸の時系列のドップラ変化を観測することで、目標の識別を行う手法がよく用いられる。しかしながら、この手法は、観測時間が短い(ヒット数が少ない)場合には、ドップラ分解能が低く、識別能力が低下する問題があった。 Conventional radar equipment often uses a spectrogram generated by STFT (Short-Time Fourier transform) to observe the time series Doppler changes on the slow-time axis to identify targets. However, this method has the problem that when the observation time is short (the number of hits is small), the Doppler resolution is low and the identification ability is reduced.
以上述べたように、従来のレーダ装置では、STFTによるスペクトログラムを用いて目標の識別を行った場合、観測時間が短いまたはヒット数が少ないと、ドップラ分解能が低く、識別能力が低下する問題があった。 As mentioned above, when conventional radar devices used STFT spectrograms to identify targets, if the observation time was short or the number of hits was small, the Doppler resolution was low and the identification ability was reduced.
本実施形態の課題は、観測時間が短いまたはヒット数が少ない場合の目標識別能力を向上させることのできるレーダ装置及びレーダ信号処理方法を提供することにある。 The objective of this embodiment is to provide a radar device and a radar signal processing method that can improve target identification capabilities when the observation time is short or the number of hits is small.
上記の課題を解決するために、実施形態によれば、単パルスまたは変調したN(N≧1)パルスを用いて、fast-time軸で必要に応じてパルス圧縮し、slow-time軸でコヒーレント積分処理してレンジ・ドップラデータ(以下、RDデータ)を取得するレーダ装置であって、前記RDデータからCFAR(Constant False Alarm Rate: 定誤警報率)処理によって複数の目標を検出し、検出された目標毎にslow-time軸のポイントをL(M≧L≧1)ヒットずつスライディングさせながら抽出して拡張し、前記目標毎に抽出したM(M≧2)ポイントそれぞれの時間-ドップラ軸のデータを時系列短時間処理し、前記時系列短時間処理された結果をCNN(Convolutional Neural Network:畳み込みニューラルネットワ-ク)で学習して、前記目標の真偽を識別する。 In order to solve the above problem, according to an embodiment, a radar device uses a single pulse or modulated N (N≧1) pulses, performs pulse compression on the fast-time axis as necessary, and performs coherent integration processing on the slow-time axis to obtain range-Doppler data (hereinafter, RD data), detects multiple targets from the RD data using CFAR (Constant False Alarm Rate) processing, extracts and expands points on the slow-time axis for each detected target while sliding L (M≧L≧1) hits at a time, performs short-time time-series processing on the time-Doppler axis data for each of the M (M≧2) points extracted for each target, and learns the results of the short-time time-series processing using a CNN (Convolutional Neural Network) to identify whether the target is genuine or false.
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。 The following describes the embodiment with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
以下、図1乃至図7を参照して、第1の実施形態に係るレーダ装置を説明する。
図1及び図2は、それぞれ第1の実施形態に係るレーダ装置の送信系統、受信系統の構成を示すブロック図、図3は、図2に示す受信系統の処理の流れを示すフローチャートである。
First Embodiment
A radar device according to a first embodiment will be described below with reference to FIGS. 1 to 7. FIG.
1 and 2 are block diagrams showing the configurations of a transmission system and a reception system of a radar device according to a first embodiment, respectively, and FIG. 3 is a flowchart showing the flow of processing of the reception system shown in FIG.
図1に示す送信系統において、信号生成器1は送信種信号を生成し、変調器2は送信種信号から変調信号を生成し、周波数変換器3は変調信号を高周波信号に変換し、パルス変調器4は高周波信号をパルス変調(パルス圧縮)してN(N≧2)ヒットの送信パルスを生成し、送信アンテナ5は送信パルスを送信する。
In the transmission system shown in Figure 1, the
図2に示す受信系統において、受信アンテナ11は送信パルスの反射信号を受信する。周波数変換器12は受信信号を中間周波数に周波数変換し、AD変換器13は周波数変換された信号をディジタル信号に変換する。パルス圧縮器14はディジタル信号に変換された信号をパルス圧縮し(非特許文献1参照)、slow-time FFT処理器15はパルス圧縮された受信信号にslow-time軸のFFT処理を施して、レンジ-ドップラデータ(RDデータ)を取得する。CFAR検出器16は、RDデータを用いて、CFAR(非特許文献2参照)処理によって目標を検出する。目標レンジ抽出器17はCFAR処理によって検出された目標それぞれのレンジセルを取得する。時系列短時間KR積処理器18はslow-time軸を抽出し、L(M≧L1)ヒットずつスライディングさせながらM(M≧2)ポイントを抽出し、抽出したポイントのK(K≧2)個の時系列時間-ドップラ軸のデータを抽出し、このデータに対して、拡張アレイ処理としてKR(Khatri-Rao)積処理(非特許文献3参照)を行う。時系列短時間処理器19はKR積処理されたslow-time軸の時系列の信号を短時間に分割してFFT処理する。CNN識別器20は短時間FFT処理された信号をCNNによる学習処理によって目標の真偽を識別する。識別結果出力器21は、CNN識別結果から真の目標のみを抽出して出力する。
In the receiving system shown in Figure 2, the receiving
すなわち、受信系統では、受信アンテナ11で受信した信号は、周波数変換器12で周波数変換され、AD変換器13でディジタル信号に変換される。次に、図3に示すように、ディジタル化された受信データが入力されると(ステップS11)、パルス圧縮(非特許文献1参照)信号の場合は、パルス圧縮器14でパルス圧縮され(ステップS12)、slow-time FFT処理器15でslow-time軸のFFT処理が施されて(ステップS13)、レンジ・ドップラデータ(RDデータ)を得る。このRDデータを用いて、CFAR処理器16でCFAR処理を行って目標を検出し(ステップS14)、レンジ抽出器17で検出目標それぞれのレンジセルを抽出する(ステップS15)。
That is, in the receiving system, the signal received by the receiving
次に、検出目標毎のレンジセルに対して、slow-time時間のドップラ変化を抽出することを考える。これは、短時間フーリエ変換を用いる場合はスペクトログラムと言われるものである。この際、slow-time軸の時系列の信号を短時間に分割してFFTするために、各々のフーリエ変換結果のドップラ分解能が低下する問題がある。この対策のために、拡張アレイ処理としてKR積処理(非特許文献3参照)を用いることを考える。 Next, consider extracting the slow-time Doppler change for each range cell of the detected target. This is called a spectrogram when a short-time Fourier transform is used. In this case, there is a problem that the Doppler resolution of each Fourier transform result decreases because the time series signal on the slow-time axis is divided into short periods and then FFT is performed. To address this issue, consider using KR product processing (see non-patent document 3) as an extended array processing.
まず、時系列短時間KR積処理器18で、パルス圧縮14後のslow-time軸を抽出し、L(M≧L1)ヒットずつスライディングさせながら抽出したM(M≧2)ポイントのK(K≧2)個の時系列時間-ドップラ軸のデータを抽出する。この様子を図4(a)に示す。このデータに対して、KR積処理(非特許文献3参照)を適用する(ステップS16)。定式化すると、次の通りである。まず、抽出したslow-time軸の信号列を次式で表現する。
First, the time series short-time
次にこの信号Xを用いて、KR積処理を行う。まず、相関行列は次式で表現できる。 Next, we perform KR multiplication using this signal X. First, the correlation matrix can be expressed as follows:
ここで、レーダ反射波では、反射点間に相関があり、(2)式の相関成分には反射点間のクロスタームが発生する問題がある。この相関を抑圧するために、図5に示すように、相関行列を部分行列に分離し、平均化する部分相関行列平均化手法を適用する(非特許文献4参照)。 In radar reflected waves, there is a correlation between reflection points, and the correlation component of equation (2) has the problem of cross-terms occurring between reflection points. In order to suppress this correlation, a partial correlation matrix averaging method is applied, which separates the correlation matrix into submatrices and averages them, as shown in Figure 5 (see Non-Patent Document 4).
これは、相関行列Rxxの相関成分を抑圧するために、X(M次元)の信号長のうち、部分列であるPセルずつ、slow-time軸でスライディングしながら抽出し、そのたびに部分相関行列の演算を行い、部分相関行列の平均値を算出するものである。ここで、2P-1>Mと選定することにより、KR積処理後にドップラ軸で高分解能化できるようにする。この処理により、相関行列の成分のクロスタームが抑圧され、複数反射点間の相関が抑圧される。 To suppress the correlation components of the correlation matrix Rxx, partial sequences of P cells are extracted from the signal length of X (M dimensions) while sliding on the slow-time axis, and each time a partial correlation matrix is calculated and the average value of the partial correlation matrix is calculated. Here, by selecting 2P-1>M, high resolution can be achieved on the Doppler axis after KR product processing. This process suppresses cross terms in the components of the correlation matrix, and suppresses correlation between multiple reflection points.
この部分相関行列の平均値であるRxxpを用いて、KR積処理器18により、左端と上端の要素をベクトル化すると、2P-1次元の列ベクトルとなる。
Using Rxxp, the average value of this partial correlation matrix, the leftmost and uppermost elements are vectorized by the
このKR積処理後の信号Xkrは、図4(b)に示すように、1つのレンジセルのslow-time軸で重複する部分が生じる。これについては、重複部分は、重複した信号の中の1つの信号で代表する処置とすればよい。次に、このKR積処理後の信号を用いて、時系列短時間処理器19で時系列短時間処理を行う(ステップS17)。 As shown in FIG. 4(b), the signal Xkr after the KR product processing has overlapping portions on the slow-time axis of one range cell. In this case, the overlapping portions can be represented by one of the overlapping signals. Next, the signal after the KR product processing is used to perform time series short-time processing in the time series short-time processor 19 (step S17).
これにより、検出したレンジセル毎に、図4(c)に示すような、時間に対するドップラの変化を表す時間-ドップラデータ(以下、TDデータと称する)を描くことができる。この2次元のTDデータをCNN(畳み込みニューラルネットワーク、非特許文献8参照)を用いたCNN識別処理器20に入力して、目標の真偽を識別する(ステップS18)。上記ステップS14からステップS18の処理は、CFAR検出処理の目標の検出数に達するまで、検出レンジを変更して繰り返される(ステップS19,S20)。CNNによる識別手法(非特許文献9参照)としては、識別クラス毎に、TDデータによる学習データを準備して、識別クラスを教師として学習させておき、その学習結果をCNN識別器20に設定しておく。実測データが入力され、CNN識別器20に、検出レンジセル毎のTDデータが入力される毎に識別結果出力器21により、識別結果が出力される(ステップS21)。このCNN識別処理のモデル設定手法は、一般的な手法であり、細部は参考文献(非特許文献9)等に記述がある。識別手法としては、CNNを用いない方式でもよいのは言うまでもない。入力データとしては、検出レンジセル毎に2次元TDデータであるが、2次元TDデータを1次元に並べ替えてから、入力する識別手法でもよい。
As a result, time-Doppler data (hereinafter referred to as TD data) showing the change in Doppler over time can be drawn for each detected range cell, as shown in FIG. 4(c). This two-dimensional TD data is input to a
以上のように、本実施形態によれば、ドップラ軸で低分解能となる時系列短時間処理の前処理として、KR積処理をするようにしているので、ドップラ軸高分解能化を図ることができ、これによって観測時間が短い(ヒット数が少ない)場合でも、目標識別能力を向上させることができる。 As described above, according to this embodiment, KR integration processing is performed as a pre-processing step for time series short-time processing, which results in low resolution on the Doppler axis, so it is possible to achieve high resolution on the Doppler axis, thereby improving target identification capabilities even when the observation time is short (the number of hits is small).
(第2の実施形態)
第2の実施形態では、第1実施形態で述べた時系列短時間処理として、FFT処理(非特許文献5参照)を用いる手法について述べる。
Second Embodiment
In the second embodiment, a method using FFT processing (see Non-Patent Document 5) as the time-series short-time processing described in the first embodiment will be described.
図6は第2の実施形態に係るレーダ装置の受信系統の構成を示すブロック図、図7は、図6に示す受信系統の処理の流れを示すフローチャートである。送信系統については、第1の実施形態と同様であるので、ここでは説明を割愛する。また、図6及び図7において、同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。 Figure 6 is a block diagram showing the configuration of the receiving system of the radar device according to the second embodiment, and Figure 7 is a flowchart showing the processing flow of the receiving system shown in Figure 6. The transmitting system is the same as in the first embodiment, so a description thereof will be omitted here. Also, in Figures 6 and 7, the same parts are denoted by the same reference numerals, and duplicate descriptions will be omitted here.
図6に示す受信系統、図7に示す処理の流れにおいて、第1の実施形態に示した時系列短時間処理器19として、時系列短時間FFT処理器19aを用い、時系列短時間処理(ステップS17)として、時系列短時間FFT処理(ステップS17a)を行う点に特徴がある。 すなわち、時系列短時間処理として、代表的なものに短時間FFT処理(非特許文献5参照)がある。本実施形態では、短時間FFT処理が採用されている場合に、ドップラ軸で低分解能となる時系列短時間FFT処理の前処理として、KR積処理をするようにすることで、ドップラ軸高分解能化を図り、これによって観測時間が短い(ヒット数が少ない)場合でも、目標識別能力を向上させることを可能としている。
In the reception system shown in FIG. 6 and the process flow shown in FIG. 7, a time series short-
(第3の実施形態)
第2の実施形態では、第1実施形態で述べた時系列短時間処理として、CS処理(圧縮センシング、非特許文献6参照)を用いる手法について述べる。
Third Embodiment
In the second embodiment, a method will be described in which CS processing (compressed sensing, see Non-Patent Document 6) is used as the time-series short-time processing described in the first embodiment.
図8は第3の実施形態に係るレーダ装置の受信系統の構成を示すブロック図、図9は、図8に示す受信系統の処理の流れを示すフローチャートである。送信系統については、第1の実施形態と同様であるので、ここでは説明を割愛する。 Figure 8 is a block diagram showing the configuration of the reception system of the radar device according to the third embodiment, and Figure 9 is a flowchart showing the processing flow of the reception system shown in Figure 8. The transmission system is the same as in the first embodiment, so a description thereof will be omitted here.
図8に示す受信系統、図9に示す処理の流れにおいて、第1の実施形態に示した時系列短時間処理器19として、時系列短時間CS処理器19bを用い、時系列短時間処理(ステップS17)として、時系列短時間CS処理(ステップS17b)を行う点に特徴がある。他の部分は、図2及び図3と同様であるので、同一部分に同一符号を付して示し、ここでは説明を省略する。
The receiving system shown in Figure 8 and the processing flow shown in Figure 9 are characterized in that a time series short-
本実施形態で適用するCS処理は、定式化すると以下のようになる。入力信号は、時系列短時間KR積処理器18でKR積処理(ステップS16)をした後の信号であり、(4)式と同様である。この信号を、slow-time軸でFFTした信号を入力信号Ysとする。
The CS processing applied in this embodiment can be formulated as follows. The input signal is the signal after KR integration processing (step S16) in the time-series short-time
Asのq番目の縦列の要素は、波源がドップラxqに存在するときのドップラ軸の信号ベクトルである。 The element in the qth column of As is the signal vector on the Doppler axis when the source is at Doppler xq.
ここで、(6)式を用いて、Xsがスパースであることを用いると、次式を最小化するXsを算出することができる(非特許文献6参照)。 Here, by using equation (6) and taking advantage of the fact that Xs is sparse, it is possible to calculate Xs that minimizes the following equation (see non-patent document 6).
このXsが、検出レンジセル毎のドップラ軸の信号に相当し、短時間FFT処理と同様に、TDデータを得ることができる。この検出レンジセル毎のTDデータを用いて識別するCNN処理器20によるCNN識別処理(ステップS18)は、第1の実施形態と同様である。
This Xs corresponds to the signal of the Doppler axis for each detection range cell, and TD data can be obtained in the same way as with short-time FFT processing. The CNN identification process (step S18) by the
以上のように、本実施形態によっても、ドップラ軸で低分解能となる時系列短時間CS処理の前処理として、KR積処理をするようにしているので、ドップラ軸高分解能化を図ることができ、これによって観測時間が短い(ヒット数が少ない)場合でも、目標識別能力を向上させることができる。 As described above, in this embodiment, KR integration processing is performed as preprocessing for time-series short-time CS processing, which results in low resolution on the Doppler axis, so it is possible to achieve high resolution on the Doppler axis, thereby improving target identification capabilities even when the observation time is short (the number of hits is low).
(第4の実施形態)
第4の実施形態では、時系列短時間処理として、MUSIC(Multiple Signal Classification)処理(非特許文献7参照)を用いる手法について述べる。
Fourth Embodiment
In the fourth embodiment, a method using MUSIC (Multiple Signal Classification) processing (see Non-Patent Document 7) as time-series short-time processing will be described.
図10は第4の実施形態に係るレーダ装置の受信系統の構成を示すブロック図、図11は、図10に示す受信系統の処理の流れを示すフローチャートである。送信系統については、第1の実施形態と同様であるので、ここでは説明を割愛する。 Figure 10 is a block diagram showing the configuration of the reception system of a radar device according to the fourth embodiment, and Figure 11 is a flowchart showing the processing flow of the reception system shown in Figure 10. The transmission system is the same as in the first embodiment, so a description thereof will be omitted here.
図10に示す受信系統、図11に示す処理の流れにおいて、第1の実施形態に示した時系列短時間処理器19として、時系列短時間MUSIC処理器19cを用い、時系列短時間処理(ステップS17)として、時系列短時間MUSIC処理(ステップS17c)を行う点に特徴がある。他の部分は、図2及び図3と同様であるので、同一部分に同一符号を付して示し、ここでは説明を省略する。
The receiving system shown in FIG. 10 and the processing flow shown in FIG. 11 are characterized in that a time series short-
本実施形態で適用するMUSIC処理は、定式化すると以下のようになる。入力信号は、時系列短時間KR積処理18をした後の信号であり、(4)式と同様である。第2の実施形態では、この信号をslow-time軸でFFT処理した結果をYsとしたが、本実施形態では、FFT処理する前の(4)式と同様の信号を入力とする。
The MUSIC processing applied in this embodiment can be formulated as follows. The input signal is a signal after time-series short-time
このRxxを用いて、MUSIC処理し、次式によりMUSICスペクトルを算出する。 This Rxx is used to perform MUSIC processing and calculate the MUSIC spectrum using the following formula.
このSmusicが、ドップラ軸の信号に相当し、短時間FFTと同様に、TDデータを得ることができる。この検出レンジセル毎のTDデータを用いて識別するCNN識別器20のCNN識別処理(ステップS18)は、第1の実施形態と同様である。
This Smusic corresponds to the signal on the Doppler axis, and TD data can be obtained in the same manner as in the short-time FFT. The CNN classification process (step S18) of the
以上のように、本実施形態によっても、ドップラ軸で低分解能となる時系列短時間MUSIC処理の前処理として、KR積処理をするようにしているので、ドップラ軸高分解能化を図ることができ、これによって観測時間が短い(ヒット数が少ない)場合でも、目標識別能力を向上させることができる。 As described above, in this embodiment, KR integration processing is performed as preprocessing for time-series short-time MUSIC processing, which has low resolution on the Doppler axis, so it is possible to achieve high resolution on the Doppler axis, thereby improving target identification capabilities even when the observation time is short (the number of hits is low).
以上、時系列短時間処理の前に、時系列短時間KR積処理を行う実施形態について述べたが、時系列短時間KR積処理を行わずに、他の時系列短時間処理を行う方式でもよい。また、データ拡張を行う方式としては、KR積処理以外の方式でもよい。 The above describes an embodiment in which time-series short-time KR integration processing is performed before time-series short-time processing, but a method of performing other time-series short-time processing without performing time-series short-time KR integration processing may also be used. In addition, a method of data expansion other than KR integration processing may also be used.
なお、本発明は上記実施形態をそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and in the implementation stage, the components can be modified and embodied without departing from the gist of the invention. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining multiple components disclosed in the above-described embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, components from different embodiments may be appropriately combined.
1…信号生成器、2…変調器、3…周波数変換器、4…パルス変調器、5…送信アンテナ、
11…受信アンテナ、12…周波数変換器、13…AD変換器、14…パルス圧縮器、15…slow-time FFT処理器、16…CFAR検出器、17…目標レンジ抽出器、18…時系列短時間KR積処理器、19…時系列短時間処理器、19a…時系列短時間FFT処理器、19b…時系列短時間CS処理器、19c…時系列短時間MUSIC処理器、20…CNN識別器、21…識別結果出力器。
1... signal generator, 2... modulator, 3... frequency converter, 4... pulse modulator, 5... transmitting antenna,
11...receiving antenna, 12...frequency converter, 13...AD converter, 14...pulse compressor, 15...slow-time FFT processor, 16...CFAR detector, 17...target range extractor, 18...time series short-time KR product processor, 19...time series short-time processor, 19a...time series short-time FFT processor, 19b...time series short-time CS processor, 19c...time series short-time MUSIC processor, 20...CNN classifier, 21...classification result output device.
Claims (6)
前記RDデータからCFAR(Constant False Alarm Rate: 定誤警報率)処理によって複数の目標を検出し、
検出された目標毎にslow-time軸のポイントをL(M≧L≧1)ヒットずつスライディングさせながら抽出して拡張し、
前記目標毎に抽出したM(M≧2)ポイントそれぞれの時間-ドップラ軸のデータを時系列短時間処理し、
前記時系列短時間処理された結果をCNN(Convolutional Neural Network:畳み込みニューラルネットワ-ク)で学習して、前記目標の真偽を識別するレーダ装置。 A radar device that uses a single pulse or modulated N (N≧1) pulses, performs pulse compression on a fast-time axis as necessary, and performs coherent integration on a slow-time axis to obtain range-Doppler data (hereinafter, referred to as RD data),
Detect multiple targets from the RD data using CFAR (Constant False Alarm Rate) processing,
For each detected target, the points on the slow-time axis are extracted and expanded by sliding them by L (M ≥ L ≥ 1) hits.
The time-Doppler axis data of each of the M (M≧2) points extracted for each target is subjected to short-time time series processing;
The radar device uses a Convolutional Neural Network (CNN) to learn the results of the short-term time-series processing and identify whether the target is genuine or false.
前記RDデータからCFAR(Constant False Alarm Rate: 定誤警報率)処理によって複数の目標を検出し、
検出された目標毎にslow-time軸のポイントをL(M≧L≧1)ヒットずつスライディングさせながら抽出して拡張し、
前記目標毎に抽出したM(M≧2)ポイントそれぞれの時間-ドップラ軸のデータを時系列短時間処理し、
前記時系列短時間処理された結果をCNN(Convolutional Neural Network:畳み込みニューラルネットワ-ク)で学習して、前記目標の真偽を識別する
レーダ信号処理方法。 It is used in radar equipment that uses a single pulse or modulated N (N ≥ 1) pulses, compresses the pulse as necessary on the fast-time axis, and performs coherent integration on the slow-time axis to obtain range-Doppler data (hereafter referred to as RD data).
Detect multiple targets from the RD data using CFAR (Constant False Alarm Rate) processing,
For each detected target, the points on the slow-time axis are extracted and expanded by sliding them by L (M ≥ L ≥ 1) hits.
The time-Doppler axis data of each of the M (M≧2) points extracted for each target is subjected to short-time time series processing;
A radar signal processing method in which the results of the short-term time-series processing are learned using a Convolutional Neural Network (CNN) to identify whether the target is genuine or false.
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Albert Huizing et al.,"Deep Learning for Classification of Mini-UAVs Using Micro-Doppler Spectrograms in Cognitive Radar",IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,2019年11月,Vol.34, No.11,pp.46-56,DOI: 10.1109/MAES.2019.2933972 |
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