JP2004219129A - Satellite-loaded environment observation system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
人工衛星に光学センサを搭載し地球の画像を取得し、地球表面の短期的、長期的環境変動を検出する環境観測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
人工衛星搭載光学センサを用いた地球の環境観測に関しては、全地球的規模という広域の観測が可能であること、衛星が地球を周回することにより周期性のある観測が可能であること、人工衛星に搭載された同一センサにより均一かつ継続性のある観測が可能であること、などから既に多くの人工衛星搭載光学センサが打ち上げられ観測データが取得されていることは周知のところである。
【0003】
地表上にある土壌・岩石・植生・水などの物質毎に異なる太陽光の反射・吸収・透過特性を示す。この特性を得るため、人工衛星搭載光学センサでは光を複数の波長帯域に分けるすなわち分光を行い、それぞれの波長帯での光の強度を観測している。このような光学センサの分光方法として、可視近赤外波長領域を連続かつ狭波長領域の超多バンドに分光して観測するいわゆるハイパースペクトルセンサがある(例えば、非特許文献1参照。)。
【0004】
【非特許文献1】
Thomas M. Lillesand and Ralph W. Kiefer著「REMOTE SENSING AND IMAGE INTERPRETATION」,third edition,John Wiley & Sons, Inc, p.413−422
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来までのハイパースペクトル型環境観測装置においては、太陽光の地表での反射光を測定するため、地表輝度が測定できないため、定量的に測定できないという問題があった。
【0006】
また、従来までのハイパースペクトル型環境観測装置においては、太陽光の地表での反射光を測定するため、地表が太陽光に照らされていない夜間は測定できないという問題があった。
【0007】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ハイパースペクトル型地球観測装置における絶対量測定の精度向上を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる環境観測装置は、地表からの観測光を集光する集光光学系と、前記集光光学系から導かれた観測光を可視近赤外領域において複数の狭波長領域に分光し、かつ前記分光された複数の波長領域が略連続である分光光学系と、前記分光光学系から導かれた光を光電変換する検出部と、前記検出部から出力された電気信号を処理する信号処理回路からなる光学センサと、パルスレーザ光を出射するレーザ送信部と、前記パルスレーザ光の出射方向を調整するレーザ送信光学系と、前記レーザ送信光学系から出射されたレーザ光の後方散乱光を観測するレーザ受信光学系と、前記レーザ受信光学系から導かれたレーザ光を光電変換するレーザ光検出部と、からなるレーザレーダ装置を、同一の人工衛星に搭載し、レーザレーダのレーザ送信視野及び受信視野と光学センサの集光光学受信視野を地球上で重ねる構成とした。
【0009】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は実施の形態1による環境観測装置の構成を示すものである。
光学センサ10とレーザレーダ装置20は同一の人工衛星30に搭載されている。光学センサ10は地球50から放射光または反射光を集光する光学センサ集光光学系1、光学センサ集光光学系1で集光された光を複数の狭波長帯域のバンドにかつバンドがほぼ連続した光に分光する光学センサ分光光学系2、光学センサ分光光学系1で分光された光を光電変換する光学センサ検出部3、光学センサ検出部3の出力電気信号を処理する光学センサ信号処理回路4から構成されている。光学センサ信号処理部4の出力電気信号は人工衛星30を経由して地球50に設置された受信局に伝送される。レーザレーダ装置15は、送信レーザ光を発生させ、かつその強度をモニタする機能を持ったレーザ送信部11、レーザ送信部11で発生した光を所望の方向に出射させるレーザ送信光学系12、レーザ送信部12から出射されたレーザ光の後方散乱光及び反射光を集光するレーザ受信光学系13、レーザ受信光学系13で集光された光のうち出射したレーザ光付近の光を透過させるレーザレーダ分光光学系14、レーザレーダ分光光学系14で分光された光を光電変換するレーザレーダ検出部15、レーザレーダ検出部15の出力電気信号を処理するレーザレーダ信号処理部16から構成されている。レーザレーダ信号処理部16からの出力電気信号は人工衛星30を経由して地球50に設置された受信局に伝送される。また光学センサ10の光学センサ観測光受信視野21及び、レーザレーダ装置20の送信視野22及び受信視野23を地球50上で重ねることで、ほぼ同一の地球50上の場所を観測する構成となっている。
【0010】
次に、動作について説明する。
レーザレーダ装置20が送信するレーザ光は地球上の観測対象の吸収波長帯域とほぼ同一の波長(例えば光合成I系クロロフィルの二量体を観測するのであれば波長700nm付近、光合成II系クロロフィルaを観測するのであれば、波長680nm付近)に設定してある。そのためレーザレーダ装置を出射したレーザ光が地球50に照射されると、地上に観測物がある場合はレーザ光の一部が吸収される。観測対象に吸収された光は一定時間後に、蛍光と呼ばれる光を放出する。この蛍光は空間を伝搬し、光学センサ10の光学センサ集光光学系1により集光され、光学センサ分光光学系2を経由し光学センサ検出部3により電気信号として検出される。このとき光学センサ分光光学系2を経由するため、観測対象の蛍光のスペクトル分布を各波長帯毎の電気信号強度として観測する。
【0011】
図2で示すように、蛍光は吸収光の波長より一般的に長波長(クロロフィルaであれば685nm付近)にピークを持つスペクトル分布を持つ光となる。蛍光量は吸収により変化するが、本実施例1ではレーザ送信部12にて出射レーザ光強度が測定されているため、レーザ光強度と蛍光強度を定量的に観測することができる。このため、観測対象の状態(たとえば観測対象が植物に含まれるためクロロフィルaであれば、植物の生育状況)を定量的に知ることができる。
【0012】
前述したように、レーザ光の波長は観測物に応じて変更する必要がある。観測対象が複数の場合は、レーザ発振波長の異なる複数のレーザ送信部をレーザレーダ装置20に搭載してもよいし、またTi:サファイアレーザに代表される可視波長領域波長帯で連続的に波長を変更できる波長可変レーザを搭載しても構わない。
【0013】
また、蛍光強度スペクトル分布を得るためには、分光方式として狭帯域かつ連続的に分光できる方法が必要である。このような分光方式として、プリズム分光方式、回折格子分光方式、楔ガラス分光方式などがある。
【0014】
本実施の形態によれば、太陽光吸収による蛍光測定のように太陽光強度が不明ではなく、出射強度が明確なレーザ光強度および観測対象の蛍光強度を観測することにより、観測対象の状態を高精度かつ定量的に観測することが可能である。
【0015】
また、実施の形態1によれば、太陽光の反射光ではなく、自ら出射するレーザ光を用いて観測するため、夜間でも観測可能という利点もある。
【0016】
また、昼間時に置いてはレーザレーダ装置20が持つエアロゾル観測、測距機能及び光学センサの持つ地表観測機能を有することはいうまでもない。
【0017】
また、レーザレーダ装置20の出射レーザ強度と受信レーザ強度の測定が可能である。レーザ光と蛍光の波長はほぼ同じであるため、蛍光の大気中での減衰を高精度に算出できるという利点もある。
【0018】
実施の形態2.
図3は実施の形態2による環境観測装置の構成を示すものである。なお、実施の形態1と同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【0019】
実施の形態1では光学センサ10とレーザレーダ装置20は同一の人工衛星30に搭載されていたが、図3の実施の形態2では光学センサ10及びレーザレーダ装置20がそれぞれ別個の人工衛星30a, 人工衛星30bに搭載されている。
【0020】
観測対象の蛍光は等方的に放射されるため、光学センサ10とレーザレーダ装置20を別個の人工衛星30a, 人工衛星30bに搭載し、別個の方向から観測しても地表のほぼ同一点を観測するかぎり、実施の形態1と同様な効果が期待できる。加えて、レーザレーダ装置20のレーザ光送信視野22と光学センサ観測光受信視野21の光軸方向を変えることにより、光学センサ10に入射するレーザレーダ装置20の出射レーザ光の地表面での正反射成分の寄与が低減でき、光学センサ10で観測する蛍光強度の精度を上げることが可能となる。
【0021】
実施の形態3.
図4は実施の形態3による環境観測装置の構成を示すものである。なお、実施の形態1と同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【0022】
実施の形態1では光学センサ10とレーザレーダ装置20は単一の人工衛星30に搭載されていたが、実施の形態3では光学センサ10とレーザレーダ装置20を同一の人工衛星30に搭載した複数の人工衛星30a, 人工衛星30bに搭載されている。
【0023】
実施の形態3によれば、実施の形態1及び2と同様な効果が得られることは言うまでもない。加えて、一方人工衛星30に搭載された光学センサ10またはレーザレーダ装置20が故障しても、他方の人工衛星が健全であれば、実施の形態2の効果が得られるという利点がある。
【0024】
【発明の効果】
この発明による環境観測装置では、以上で述べたように、自ら出射するレーザ光を用いて観測するため、夜間でも観測可能であるとともに、太陽光吸収による蛍光測定のように太陽光強度が不明ではなく、出射強度が明確なレーザ光強度および観測対象の蛍光強度を観測することにより、観測対象の状態を高精度かつ定量的に観測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図2】観測対象の吸収光及ぶ蛍光の関係を示す図である。
【図3】本発明の実施の形態2を示す図である。
【図4】本発明の実施の形態3を示す図である。
【符号の説明】
1 光学センサ集光光学系、 2 光学センサ分光光学系、 3 光学センサ検出部、 4 光学センサ信号処理部、 10 光学センサ、 11 レーザ送信部、 12 レーザ送信光学系、 13 レーザ受信光学系、 14 レーザレーダ分光光学系、 15 レーザレーダ検出部、 16 レーザレーダ信号処理部、 20 レーザレーダ装置、 21 光学センサ観測光受信視野、 22レーザレーダ装置送信視野、 23 レーザレーダ装置受信視野、 30 人工衛星、 50 地球[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an environment observation device that mounts an optical sensor on an artificial satellite, acquires an image of the earth, and detects short-term and long-term environmental changes on the earth's surface.
[0002]
[Prior art]
Regarding environmental observations of the earth using optical sensors mounted on satellites, it is necessary to be able to observe a wide area on a global scale, to be able to perform periodic observations by orbiting the satellite, It is well known that many artificial satellite-mounted optical sensors have already been launched and observation data has been obtained because of the fact that uniform and continuous observation is possible with the same sensor mounted on the satellite.
[0003]
It shows different reflection, absorption, and transmission characteristics of sunlight for each substance such as soil, rock, vegetation, and water on the ground surface. In order to obtain this characteristic, the optical sensor mounted on the artificial satellite divides the light into a plurality of wavelength bands, that is, performs spectroscopy, and observes the light intensity in each wavelength band. As a spectroscopic method of such an optical sensor, there is a so-called hyper-spectral sensor that spectroscopically observes a visible and near-infrared wavelength region into a super-multiband in a continuous and narrow wavelength region and observes it (for example, see Non-Patent Document 1).
[0004]
[Non-patent document 1]
Thomas M.S. Lillesand and Ralph W.C. Kiefer, "REMOTE SENSING AND IMAGE INTERPRETRATION", third edition, John Wiley & Sons, Inc., p. 413-422
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional hyperspectral environment observation device has a problem in that it cannot measure the ground surface luminance because it measures the reflected light of sunlight on the ground surface, and thus cannot quantitatively measure it.
[0006]
In addition, in the conventional hyperspectral environment observation device, since the reflected light of the sunlight on the ground surface is measured, there is a problem that the measurement cannot be performed at night when the ground surface is not illuminated by the sunlight.
[0007]
The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to improve the accuracy of absolute amount measurement in a hyperspectral earth observation device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An environment observation apparatus according to the present invention includes a condensing optical system that condenses observation light from the surface of the earth, and splits observation light guided from the condensing optical system into a plurality of narrow wavelength regions in a visible and near-infrared region. And a spectroscopic optical system in which the plurality of wavelength regions that have been split are substantially continuous; a detection unit that photoelectrically converts light guided from the spectroscopic optical system; and a signal that processes an electric signal output from the detection unit. An optical sensor including a processing circuit, a laser transmission unit that emits pulsed laser light, a laser transmission optical system that adjusts the emission direction of the pulsed laser light, and backscattered light of the laser light emitted from the laser transmission optical system A laser radar device comprising: a laser receiving optical system for observing a laser beam; and a laser light detecting unit for photoelectrically converting a laser beam guided from the laser receiving optical system, are mounted on the same artificial satellite, The transmission field and the reception field converging optical receiver field of view of the optical sensor and configured to overlap on earth.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows the configuration of the environment observation device according to the first embodiment.
The
[0010]
Next, the operation will be described.
The laser beam transmitted by the
[0011]
As shown in FIG. 2, the fluorescence is light having a spectral distribution having a peak generally at a longer wavelength than that of the absorbed light (in the case of chlorophyll a, around 685 nm). Although the amount of fluorescent light changes due to absorption, in the first embodiment, the
[0012]
As described above, the wavelength of the laser light needs to be changed according to the observation object. When there are a plurality of observation targets, a plurality of laser transmitters having different laser oscillation wavelengths may be mounted on the
[0013]
Further, in order to obtain a fluorescence intensity spectrum distribution, a method capable of narrow-band and continuous spectrum is required as a spectral method. Such a spectral method includes a prism spectral method, a diffraction grating spectral method, a wedge glass spectral method, and the like.
[0014]
According to the present embodiment, the state of the observation target is observed by observing the laser light intensity and the fluorescence intensity of the observation target in which the sunlight intensity is not unknown and the emission intensity is clear as in the fluorescence measurement by sunlight absorption. High-precision and quantitative observation is possible.
[0015]
In addition, according to the first embodiment, since observation is performed using laser light emitted by itself instead of reflected light of sunlight, there is an advantage that observation is possible even at night.
[0016]
It is needless to say that the
[0017]
Further, it is possible to measure the emission laser intensity and the reception laser intensity of the
[0018]
FIG. 3 shows the configuration of the environment observation device according to the second embodiment. The same elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0019]
In the first embodiment, the
[0020]
Since the fluorescence of the observation target is radiated isotropically, the
[0021]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 shows the configuration of the environment observation device according to the third embodiment. The same elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0022]
In the first embodiment, the
[0023]
According to the third embodiment, it goes without saying that effects similar to those of the first and second embodiments can be obtained. In addition, even if the
[0024]
【The invention's effect】
In the environment observation device according to the present invention, as described above, since observation is performed using laser light emitted by itself, observation is possible even at night, and sunlight intensity is unknown as in fluorescence measurement by sunlight absorption. In addition, by observing the laser beam intensity and the fluorescence intensity of the observation target whose emission intensity is clear, it is possible to observe the state of the observation target with high precision and quantitatively.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between absorption light and fluorescence of an observation target.
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Claims (9)
レーザ光を発生させかつ前記レーザ光強度をモニタする機能を持ったレーザ送信部、前記レーザ送信部で発生した光を所望の方向に出射させる送信光学系、前記送信光学系から出射されたレーザ光の後方散乱光及び反射光を集光する受信光学系、前記受信光学系で集光された光のうち出射したレーザ光付近の光を透過させるレーザ分光光学系、前記分光光学系で分光された光を光電変換する検出部、前記検出部の出力電気信号を処理する信号処理部から構成されるレーザレーダ装置とを、同一の人工衛星に搭載し、
かつ、前記光学センサの観測光受信視野、及び前記レーザレーダ装置の送信視野及び受信視野を地球上で重ね、ほぼ同一の地球上の場所を観測することを特徴とする人工衛星搭載環境観測装置。A condensing optical system for condensing light emitted from the earth's surface, a spectroscopic optical system for dispersing the light condensed by the condensing optical system into a plurality of narrow wavelength band bands, and the band is continuous in a substantially wavelength region. A detection unit that photoelectrically converts the light separated by the spectral optical system, an optical sensor including a signal processing circuit that processes an output electric signal of the detection unit,
A laser transmission unit having a function of generating laser light and monitoring the intensity of the laser light, a transmission optical system for emitting light generated by the laser transmission unit in a desired direction, and a laser light emitted from the transmission optical system A receiving optical system for condensing the backscattered light and the reflected light, a laser spectral optical system for transmitting light near the emitted laser light among the light condensed by the receiving optical system, A detection unit for photoelectrically converting light, a laser radar device including a signal processing unit for processing an output electric signal of the detection unit, mounted on the same artificial satellite,
In addition, an observation environment of a satellite mounted environment is characterized in that an observation light reception field of view of the optical sensor and a transmission field of view and a reception field of view of the laser radar device are superimposed on the earth to observe almost the same place on the earth.
レーザ光を発生させかつ前記レーザ光強度をモニタする機能を持ったレーザ送信部、前記レーザ送信部で発生した光を所望の方向に出射させる送信光学系、前記送信光学系から出射されたレーザ光の後方散乱光及び反射光を集光する受信光学系、前記受信光学系で集光された光のうち出射したレーザ光付近の光を透過させるレーザ分光光学系、前記分光光学系で分光された光を光電変換する検出部、前記検出部の出力電気信号を処理する信号処理部から構成される前記レーザレーダ装置を搭載した人工衛星と、から構成され、
前記人工衛星搭載光学センサの観測光受信視野、及び前記人工衛星搭載レーザレーダ装置の送信視野及び受信視野を地球上でほぼ重ね、ほぼ同一の地球上の場所を観測することを特徴とする人工衛星搭載環境観測装置。A condensing optical system for condensing light emitted from the earth's surface, a spectroscopic optical system for dispersing the light condensed by the condensing optical system into a plurality of narrow wavelength band bands, and the bands are continuous in a substantially wavelength region. System, a detection unit that photoelectrically converts the light separated by the spectral optical system, an artificial satellite equipped with an optical sensor including a signal processing circuit that processes an output electric signal of the detection unit,
A laser transmission unit having a function of generating laser light and monitoring the intensity of the laser light, a transmission optical system for emitting light generated by the laser transmission unit in a desired direction, and a laser light emitted from the transmission optical system A receiving optical system for condensing the backscattered light and the reflected light, a laser spectral optical system for transmitting light near the emitted laser light among the light condensed by the receiving optical system, A detection unit for photoelectrically converting light, and an artificial satellite equipped with the laser radar device including a signal processing unit for processing an output electric signal of the detection unit,
An artificial satellite characterized in that the observation light reception field of view of the artificial satellite-mounted optical sensor, and the transmission field of view and the reception field of view of the artificial satellite-mounted laser radar device are almost superimposed on the earth, thereby observing almost the same place on the earth. On-board environment observation device.
レーザ光を発生させかつその強度をモニタする機能を持ったレーザ送信部、前記レーザ送信部で発生した光を所望の方向に出射させる送信光学系、前記送信光学系から出射されたレーザ光の後方散乱光及び反射光を集光する受信光学系、前記受信光学系で集光された光のうち出射したレーザ光付近の光を透過させるレーザ分光光学系、前記分光光学系で分光された光を光電変換する検出部、前記検出部の出力電気信号を処理する信号処理部から構成されるレーザレーダ装置とを、同一の人工衛星に搭載した複数の人工衛星から構成され、
かつ、少なくとも1つの人工衛星に搭載された前記光学センサの観測光受信視野、及び前記レーザレーダ装置の送信視野及び受信視野を地球上で重ね、ほぼ同一の地球上の場所を観測することを特徴とする人工衛星搭載環境観測装置。A condensing optical system for condensing light emitted from the earth's surface, a spectroscopic optical system for dispersing the light condensed by the condensing optical system into a plurality of narrow wavelength band bands, and the bands are continuous in a substantially wavelength region. System, a detection unit that photoelectrically converts light split by the spectral optical system, an optical sensor including a signal processing circuit that processes an output electric signal of the detection unit,
A laser transmitting unit having a function of generating laser light and monitoring the intensity thereof, a transmitting optical system for emitting light generated by the laser transmitting unit in a desired direction, and a rear side of the laser light emitted from the transmitting optical system. A receiving optical system that collects scattered light and reflected light, a laser spectral optical system that transmits light near the emitted laser light among the light collected by the receiving optical system, and a light that is spectrally separated by the spectral optical system. A detection unit that performs photoelectric conversion, and a laser radar device that includes a signal processing unit that processes an output electric signal of the detection unit, include a plurality of artificial satellites mounted on the same artificial satellite,
In addition, the observation light reception field of view of the optical sensor mounted on at least one artificial satellite and the transmission field of view and the reception field of view of the laser radar device are superimposed on the earth, and substantially the same location on the earth is observed. Environmental observation equipment onboard artificial satellites.
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