JP2016532101A - 固定的投射面積、固定的ｇｓｄ、固定的な空間的分解能のライン走査器のためのシステム構造 - Google Patents

Abstract

ライン走査器は、軌道交差方向において走査を行うと共に、プラットフォーム上で軌道沿い方向に前進する。上記ライン走査器は、左側配列を形成する複数の検出器と、右側配列を形成する複数の検出器とを含む。上記左側配列及び上記右側配列は、上記軌道沿い方向において形成されたラインから離間して傾斜される。上記左側配列は、上記軌道沿い方向において形成された上記ラインの右側にて当該ライン走査器が対象物の表面を走査しているときに、上記表面から状景放射輝度を検出すべく構成される。上記右側配列は、上記軌道沿い方向において形成された上記ラインの左側にて当該ライン走査器が上記対象物の上記表面を走査しているときに、上記表面から状景放射輝度を検出すべく構成される。各々の配列における検出器は、上記状景放射輝度を同時に検出すべく構成される。【選択図】図１Ａ

Description

関連出願に関する相互参照：
本出願は、2013年7月8日に出願された通常出願第13／936,638号、“固定的投射面積、固定的GSD、固定的な空間的分解能のライン走査器のためのシステム構造”の優先権を主張するものであり、該出願の開示内容は言及したことによりその全体が本明細書中に援用される。
連邦政府により支援された研究に関する陳述：
本明細書中に記述される本発明は、USAF契約第FA8803-13-C-0006号に基づく研究を実施する際に行われた。政府は、本出願において一定の権利を有している。
発明の分野：
本発明は概略的に、撮像システムにおけるライン走査器(line scanner)に関する。更に詳細には、本発明は、当該ライン走査器が対象物の大寸で非平坦な表面を走査するときに、固定的投射面積、固定的な地面サンプル距離(GSD)、及び、固定的な空間的分解能を提供すべく構成されたライン走査器に関する。

図１Ａには、ライン走査器の収集幾何学形態の例が描かれている。示された如く、撮像システム10は撮像されるべき表面を踏破して移動し、例えば、該撮像器は、地球の上方にて航空機搭載もしくは衛星搭載された撮像器である。走査機構は、上記撮像システムの運動の方向と直交的に、上記表面を踏破する上記撮像システムの限られた視野(FOV)を走査する。上記撮像システムが軌道方向12に沿って移動するにつれ、上記走査器は、軌道交差方向における複数の走査ライン13により表された如く、上記表面を踏破してFOVを掃引し続ける。走査運動及び機器運動の組み合わせによれば、上記撮像システムは、上記撮像器のFOVよりも相当に大きい地面軌道回りの領域を観測及び測定することが許容される。各走査ラインは、上記表面の広大な画像を獲得するために、相互に継ぎ合わされ得る。

図１Ｂには、習用的なライン走査器の検出器配列が示される。示された如く、上記走査器は、12個の検出器要素を有する2×6検出器配列を含んでいる。各検出器要素は、15と表される。上記１２個の検出器要素は、６行及び２列を形成する矩形状に配置される。上記ライン走査器を含むプラットフォームは、軌道方向に沿って移動する一方、FOVは軌道交差方向において走査される。

図２には、習用のライン走査式撮像システムの構造が描かれている。撮像システム10は、走査器21、撮像用光学機器22、検出器配列23、電子機器モジュール24及びデータ処理モジュール25を含んでいる。走査器21は、撮像用光学機器22のFOVを左右に掃引する。検出器配列23は、上記撮像用光学機器の焦点面にて、該配列における各検出器に対し、状景放射輝度に比例する電気信号を生成する。電子機器モジュール24は検出器信号をデジタル・カウント値へと変換し、それらは次に、機上データ処理モジュール25により処理され得る。上記データは次に、28と表される通信回線を介し、概略的に29と表された地上システムへと送信され得、そこで上記データは、別のデータ処理システム26による付加的処理に委ねられ得る。最終処理の後、画像27は、モニタもしくはプリンタでの表示のために形成され得るか、または、視認者による後時の読み出しのために記憶装置内に保存され得る。

ライン走査器により使用されてきた多くの異なる走査器構造が在る。図３に示された如く、(所定の入射瞳サイズに対する)単純でコンパクトなライン走査器は、単一ミラーの単軸走査器である。例示された走査器30は、回転シャフト32上に取付けられたミラー31を含む。回転シャフトまたは走査器シャフト32は、移動体の名目的速度ベクトル及び望遠鏡の光軸の両方と共直線的であり、後者は33と表される。走査器シャフト32と、ミラー31の表面に対する法線との間の角度は、45°である。上記走査器シャフトは、固定的速度にて回転し、該走査器シャフトの回りの(後時にθ_SCANと定義される)回転角度を形成する。上記走査器はまた、軌道交差方向において地球の表面を踏破して、望遠鏡の光学機器のFOV34も走査する。軌道交差方向において走査し乍ら、上記走査器は、天底及び最大走査角度を通して移動し、後者は走査限界(EOS)にて形成される。概略的に、地球表面データは、後時に説明される理由により、天底の56°以内の走査角度に対してのみ収集される。

習用の画像走査器は、３つの主たる欠点、すなわち、(a)上記走査器シャフトが回転するにつれて、軸心外光線に対して変化するミラー表面上の入射角に起因する、走査の間における不都合な画像回転、(b)(地上への、検出器の瞬間的FOVの投射物である)大きな結果的投射面積、及び、増大する走査角度に対応して低下した空間的分解能、及び、(c)増大する走査角度により更に大寸となる地面サンプル距離(GSD)、に遭遇する。これらは、以下に説明される。

第1の欠点は、その焦点面上で画像を回転させるという単一ミラー走査器の幾何学配置に起因する。固定された検出器配列に対する画像回転は、固定された地球に対する該検出器配列の回転に等しい。VIIRSの様な幾つかの習用システムは、この回転を排除すべく、付加的な運動ミラーを使用している。該付加的な運動ミラーは、障害に対する更なる可能性を以て、上記システムに対して質量、複雑さ、及び、移動部材を加える。AVHRR及びGOESの様な他のシステムは、必要な事実として、上記回転を受け入れている。AVHRRシステムは、チャネル当たり１個の検出器のみを有することから、画像回転の効果を最小限としている。しかし、GOESシステムは、チャネル当たり２個または８個の検出器を有すると共に、上記回転により引き起こされるエラーを考慮せねばならない。GOESシステムに対する唯一の救いは、上記回転が走査軸心に対して数度のみであることである。しかし、概略的に、画像の一切の回転は、線形の検出器配列を相当に複雑化する。

図４に示された如く、ライン走査器により収集された画像の品質は、収集幾何学形態によっても影響される。該幾何学形態は、地球の中心までの有効距離の関数として示される。航空機搭載及び衛星搭載の画像分解能の両方が問題に遭遇する、と言うのも、地球までの有効距離は走査角度により変化するからである。図４において理解され得る如く、地球の表面までの有効距離(R)、及び、地面に対するLOS天頂角θ_zの両方とも、軌道交差方向における走査角度θと共に増大する。影響の大きさは、地球の上方における撮像器の高度hに依存する。衛星搭載の撮像器に対しては更に悪化する、と言うのも、h及びRは、航空機搭載の撮像器に対する同様のパラメータよりも相当に大きくなるからである。

投射面積増大の問題は、走査ミラーの天底及び走査限界(EOS)の両方にて、AVHRRシステムの瞬間的FOV(IFOV)を地球の地面上にマッピングすることにより、最適に例証され得る。これは、図５に示される。示された如く、収集幾何学形態はIFOVを歪曲させることから、天底において１×１ｋｍの正方形は、EOSにては約８×３ｋｍの菱形になる。空間的分解能は強くIFOVに依存することから、結果的な空間的分解能は、EOSにては相当に低下する。AVHRRシステムに対し、空間的分解能は56°より大きい走査角度にて、データが任意のユーザに対する使用の役に立たないので収集さえされない様に、不十分となる。殆どのユーザは、天底にて獲得し得るのと同一の高分解能をEOSにて獲得することを好む。

習用のシステムの付加的な欠点は、天底とEOSとの間における不均一な地面サンプル距離(GSD)である。設計の複雑さを低減するために、殆どのライン走査器は、固定的な走査速度及び固定的な検出器サンプリング速度を使用する。これらの固定的速度は、地面上のサンプル同士の間における変化距離に帰着する。例えば、AVHRRシステムのGSDは、天底からEOSまでのIFOV増大に比例して、天底からEOSまで増大する。対照的に、殆どのユーザは、地面上で等しい間隔にてサンプリングされることから等しいGSDに帰着する画像を獲得することを好む。

説明される様に、本発明は、固定的投射面積、固定的GSD及び固定的な空間的分解能にてデータを収集するシステムを作製することにより、上述の欠点を克服する。本発明は、地球、または、他の任意の広大な対象物を走査するときに、これらの全てを達成する。

本発明は、この要望及び他の要望を満足するために、且つ、その目的に鑑みて、対象物を走査する走査器の検出器配列を提供する。該検出器配列は、各検出器の半分は左側配列として線形に配置され、且つ、各検出器の別の半分は右側配列として線形に配置されるという複数の検出器を含み、且つ、上記左右の配列は、２つの等しい底角Ψ_maxと、交差頂点とを有する二等辺三角形を形成すべく幾何学的に配置される。上記角度Ψ_maxは、当該検出器配列が上記対象物を走査するときに上記走査器の幾何学形態により引き起こされる画像回転の最大量として定義される。

上記複数の検出器は、航空機搭載または衛星搭載のプラットフォーム内に配設される。上記プラットフォームは、軌道沿い方向に移動すべく構成されると共に、上記検出器配列の走査角度は、上記軌道沿い方向に直交する軌道交差方向において走査を行う走査ラインにおいて形成される。上記検出器配列の上記走査角度は、上記軌道交差方向において定義される走査限界(EOS)角度を含む。Ψ_maxにおける画像回転の最大量は、上記EOS角度に等しいものであり得る。

上記左側配列における複数の検出器の各々は、上記対象物の状景放射輝度に比例する電気信号を同時的に生成すべく構成され、且つ、上記右側配列における複数の検出器の各々は、上記対象物の状景放射輝度に比例する別の電気信号を同時的に生成すべく構成される。上記左側配列は、少なくとも２つの線形に配置された検出器を含み、且つ、上記右側配列は、少なくとも２つの線形に配置された検出器を含む。

上記走査器は、シャフトの回りに回転するミラーと、上記ミラーと交差する望遠鏡光軸とを含み、上記ミラーの上記シャフトは、上記望遠鏡光軸に対して平行に構成される。上記検出器配列の走査角度は、(a)上記二等辺三角形の底辺の中央から延伸して上記頂点と交差するラインに対応する天底と、(b)上記底辺の上記中央から延伸して上記天底を形成する上記ラインと、上記対象物上に投射される最大走査角度と、の間の最大角度に対応する走査限界(EOS)と、の間で変化する。上記角度Ψ_maxにおける画像回転の最大量は、上記EOSにおける当該検出器配列の走査角度に等しい。最大角度Ψ_maxは、56°より大きくされ得る。

上記右側配列は、最大角度Ψ_maxに等しい量だけ傾斜され、且つ、上記左側配列は、上記最大角度Ψ_maxに等しい量だけ逆方向に傾斜される。

上記最大角度Ψ_maxは、プラットフォームの進行の方向に直交する方向における上記検出器配列の最大走査角度に対応する。

上記検出器配列は、上記対象物の左側走査及び右側走査を提供すべく構成され、上記左側走査及び上記右側走査の間の分割ラインは、上記二等辺三角形の底辺の中央から上記交差頂点まで延伸するラインにより形成される。上記左側配列は、上記右側走査の間において画像を収集すべく構成され、且つ、上記右側配列は、上記左側走査の間において画像を収集すべく構成される。

本発明の別実施例は、軌道沿い方向に前進するプラットフォーム上で、軌道交差方向に走査を行うライン走査器を含む。該ライン走査器は、左側配列を形成する複数の検出器と、右側配列を形成する複数の検出器とを備え、
上記左側配列及び上記右側配列は、上記軌道沿い方向において形成されたラインから離間して傾斜され、
上記左側配列は、上記軌道沿い方向において形成された上記ラインの右側にて当該ライン走査器が対象物の表面を走査しているときに、上記表面から状景放射輝度を検出すべく構成され、且つ、
上記右側配列は、上記軌道沿い方向において形成された上記ラインの左側にて当該ライン走査器が上記対象物の上記表面を走査しているときに、上記表面から状景放射輝度を検出すべく構成される。

上記左側及び右側の配列は各々、夫々の配列において線形に配置された２個より多い検出器を含み、且つ、各々の配列における検出器は、上記状景放射輝度を同時に検出すべく構成される。

上記左側及び右側の配列は、上記ライン走査器が天底と走査限界(EOS)との間で走査を行うときに、上記状景放射輝度を同時に検出し、且つ、信号サンプルを出力すべく構成され、且つ、上記出力された各信号サンプルは、上記走査沿い方向及び上記軌道交差方向において統合される。

上記出力された各信号サンプルは、第1に上記軌道沿い方向において統合され、且つ、第2に上記軌道交差方向において統合され、且つ、上記第1及び第2の統合は、１本の走査ラインを形成する。

本発明の更なる別実施例は、地球の表面を同時的にサンプリングするために、航空機搭載または衛星搭載のプラットフォーム内に複数の検出器が線形に整列されるという、地球の表面を走査する方法である。該方法は、
上記複数の検出器を、
上記各検出器の第1の半分は、軌道沿い方向に形成されたラインから左方向に離間して傾斜され、且つ、
上記各検出器の第2の半分は、上記軌道沿い方向に形成された上記ラインから右方向に離間して傾斜される、
ように再構成する段階と、
ライン走査器が上記ラインの右側を走査しているときに、上記各検出器の上記第1の半分を用いて上記表面から放射輝度をサンプリングする段階と、
上記ライン走査器が上記ラインの左側を走査しているときに、上記各検出器の上記第2の半分を用いて上記表面から放射輝度をサンプリングする段階と、
を含む。

上記方法は、ビーズウィング幾何学形態を形成することにより上記複数の検出器を再構成し、且つ、上記ビーズウィング幾何学形態は、上記各検出器の上記第1及び第2の半分により形成される二等辺三角形であって、該二等辺三角形の２つの等しい側辺は、上記各検出器が上記表面を走査するときに上記走査器の幾何学形態により引き起こされる画像回転の量として定義されるΨであるという２つの等しい底角Ψを有する、という二等辺三角形として定義される。

上記二等辺三角形は、該二等辺三角形の上記２つの等しい側辺と、上記軌道沿い方向において形成される上記ラインとにより交差される頂点を含む。上記角度Ψは、上記軌道沿い方向に直交する軌道交差方向における最大走査角度に依存する最大角度を含む。

上述の概略的な説明及び以下の詳細な説明は例示的であり、本発明を制限するものでないことは理解される。

当該撮像システムが地面軌道方向に沿って移動するにつれて視野(FOV)に沿い画像を収集するという撮像システムのライン走査器の一例である。 矩形状に配置された２×６検出器配列を有すると共に、プラットフォームが軌道沿い方向に移動する間において軌道交差方向にライン走査を行う習用のライン走査器の検出器配列の一例である。 一実施例に従い本発明により構成され得る、ライン走査器構造の一例である。 図２に示された撮像システム内に配設された走査ミラーを使用することにより走査角度が変更されるときの走査器の幾何学形態の一例である。 地球の表面を走査するときのライン走査器の幾何学形態の一例であり、走査角度が増大するときに有効距離及び天頂角が如何にして増大するかを示している。 習用の走査器から帰着する検出器の投射面積の一例であり、正方形は天底における投射面積であり、且つ、更に大寸の菱形は走査限界(EOS)における投射面積である。 本発明の実施例に係る、天底にて地面上に投射して示されたビーズウィング検出器配列の幾何学形態を表している。 本発明の実施例に係る、天底にて地面上に投射して示されたビーズウィング検出器配列の幾何学形態を表している。 本発明の実施例に係る、走査限界(EOS)にて地面上に投射して示されたビーズウィング検出器配列の幾何学形態であり、左側の図は左側EOSにおける投射面積であり、且つ、右側の図は右側EOSにおける投射面積である。 本発明の実施例に係る、本発明により提供された検出器信号処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施例に係る、ビーズウィング配列の６個の検出器要素の地面軌道の一例であり、配列が光軸上に中心合わせされたときの前方運動により引き起こされた傾斜を示している。 本発明の実施例に係る、前方運動が、当該配列を光軸から僅かな量だけオフセットすることにより補償されたという、ビーズウィング配列の６個の検出器要素の地面軌道の別の例である。 本発明の実施例に係る、走査沿い方向及び走査交差方向において統合された天底における投射面積であって、単一検出器要素に対するEOSにおける投射面積と比較されたという投射面積の一例である。 時計が天底に位置されたときにおける焦点面上における時計面の画像であって、該画像は未だ回転されていないことからゼロの画像回転角Ψを有するという画像を示している。 時計が走査限界(EOS)に位置されたときにおける焦点面上における図１１Ａの時計面の別の画像であって、該画像はゼロより大きいΨの量だけ回転されているという画像を示している。 単一ミラー走査器のシャフトに沿う任意の回転軸心の回りにて、図１１Ｂに示されたΨの回転角だけ回転することによりΨの画像回転を生成するという走査器の幾何学形態を示している。 本発明の２つの実施例に係る、食い違い配置されないビーズウィング幾何学形態及び食い違い配置されたビーズウィング幾何学形態を示している。

本発明は、図１Ａに示され乍らも図２に例示されたシステム内に配設されたという収集幾何学形態を使用する。従って、本発明の撮像システムは、望遠鏡の光軸33を走査ライン13に沿って移動させる走査ミラー31であって、例えば地球の表面などの広大な対象物の表面を線形に走査するという走査ミラー31を取入れたライン走査器21を含んでいる。ライン走査器21は、地面軌道方向に沿い移動する航空機搭載プラットフォームまたは衛星搭載プラットフォーム内に配設されて、図１Ａに示された各走査ライン13を提供し得る。

但し、本発明は、検出器配列の幾何学形態及び信号処理の組み合わせを使用することにより、習用システムの欠点を有さず、且つ、上述の困難性を克服する。説明される如く、上記検出器配列の幾何学形態は、当該複数の矩形要素が走査限界(EOS)にて走査方向と整列される様に、天底にて回転されるという複数の矩形要素を使用している。要素サイズは、(例えば)地球の表面上で、EOSにて形成される投射面積が略々正方形である様に選択される。各検出器要素は、説明される如く、全ての小さな走査角度にて(例えば正方形などの)等しい投射面積サイズを生成するために次続的に統合される投射面積を形成する。

地球表面までの有効距離、及び、地球表面における視線(LOS)天頂角は、走査角度により相当に変化するが、両者に対し、単軸走査器の幾何学形態と投射面積の統合とに対する上記配列の組み合わせは、相当に非感応的である。このことは、図４を吟味することにより視覚化され得る。説明される如く、本発明は、低い地球軌道(LEO)及び航空機撮像における執拗な問題に対する洗練された解決策を提供する。

図５に関して先に記述された如く、習用のシステムの走査器の幾何学形態は、検出器配列上の画像を回転させる。図３に描かれた走査器の場合、画像は、走査器シャフトの回転角に等しい角度だけ回転される。画像回転を負担とするのではなく、本発明は、略々固定的な投射面積を獲得するために、回転を利用するのである。

上記検出器配列の幾何学形態は、走査器の画像回転を利用して、３つの目的を達成する。第1に、走査限界(EOS)における検出器の投射面積は正方形であり、各辺は走査沿い方向及び走査交差方向と整列される。第2に、上記配列からの各サンプルを統合することにより得られる有効投射面積は、全ての走査角度に対して略々同一である。第3に、有効投射面積及び地面軌道は、いずれも、天底に関して対称的である。

習用の走査器においては移動体の進行の軌道沿い方向に沿い(例えば、図１Ｂに示された如く矩形の形態の)線形であるという検出器配列は、本発明により再構成される。本発明の矩形要素すなわち検出器63は、図６Ａに示された如く、ビーズウィング(bees-wing)形態で配置される。(本明細書中では左側配列61及び右側配列62とも称される)上記配列の各半体は、本明細書中ではΨ_maxと定義される最大画像回転角(すなわち、走査限界における画像回転角)に等しい量だけ傾斜される。

図３に例示されたライン走査器において、走査器シャフト32は、望遠鏡の光軸33と平行である。その故に、最大画像回転角Ψ_maxは、軌道交差方向におけるライン走査器の走査限界(EOS)にて形成される走査角度θに等しく、それはまた、EOSにおけるミラー・シャフトの走査角度θ_SCANとも等しい。一例として、上記ライン走査器の最大走査角度は56°であり得るが、配列の各要素のサイズ及び個数に対して為された適切な調節と共に使用されたとき、本発明に依れば他の角度限界値が企図される。

これに加え、本発明は、図３に示された以外の走査構造に対して適用され得ることは理解される。これらの他の走査器構造は、EOSにおいて、ライン走査器の走査角度θに等しくない量だけ画像を回転させ得る。斯かる走査構造の一つが、図１２に示される。示された如く、走査ミラー31は、光軸33と、ミラーのシャフトに関する回転軸心120とを含む。この形態において、望遠鏡の光軸33は回転軸心120と平行でなく、且つ、鏡面化された表面とミラー回転シャフトとの間の角度は45°でない。図１２の例において、検出器配列の各半体は、EOSにて形成される最大画像回転Ψ_maxに等しい量で逆方向に傾斜され得る。図１２の例において、Ψ_maxは、ミラー回転角θ_SCANに等しくない。このことは、図１１Ａ及び図１１Ｂに関して更に記述される。

図６Ａを参照すると、上記配列は、光軸上に中心合わせされなくても良く、示された如く僅かな量だけオフセットされ得る。例えば、オフセット量は、64と示された軌道沿いベクトルから離間されて、軌道交差方向に115マイクロラジアンであり得る。このオフセット量によれば、画像回転はプラットフォームの前方運動を補償することで、天底に関して対称的な走査パターンを生成する。

図６Ａに示されたビーズウィング形態により形成される幾何学形態は、図６Ｂに示された二等辺三角形によっても記述され得る。二等辺三角形は、底辺から延伸する２つの等しい側辺により形成される。各側辺は、左右の配列61、62で構成される。本明細書においては最大画像回転角Ψ_maxと称される傾斜角度は、三角形の底辺と各側辺との間に形成される。三角形の両方の側辺は、図６Ａに示された軌道沿い方向を表すライン64により結合される頂点にて、交差する。図６Ａに示されたビーズウィング幾何学形態は、天底にて地上に投射された配列幾何学形態であることは理解される。

各検出器63の要素サイズは、所望の投射面積が71と表される図７に示された如く、EOSにおける要素投射面積が所望の投射面積サイズに等しい様に選択され得る。該図は、左側EOS72及び右側EOS73に対するビーズウィング検出器配列の投射面積を別個に示している。該図は、833ｋｍの高度を飛行している撮像器に対する、画像回転、増大有効距離、及び、地球曲率の組み合わせ効果を例示している。上記配列の各側に示された６個の検出器要素は、６個の正方形の投射面積71を提供すると共に、それらの側辺を、走査沿い方向及び走査交差方向に整列させている。

但し、任意の一つの時点においては上記配列の片方の半体(例えば、左側配列または右側配列)のみが整列される一方、上記配列の他方の半体(例えば、夫々、右側配列または左側配列)の幾何学形状は相当に歪曲されることは理解される。故に、データは、一度に、上記配列の片側のみから収集される。上記配列の左半体は走査の右半分の間において画像を収集すべく使用され、且つ、上記配列の右半体は走査の左半分の間に使用される。この様にして、本発明は、上記配列の一側から他側へと切換えるときに、天底における隙間のない捕捉範囲を確実とする。

次に、図８を参照することにより、本発明が信号データを処理する様式が記述される。機能的なフローチャートに示された如く、検出器信号の処理は概略的に80と表される。ステップ81にてはミラー位置を追尾し、ステップ82にては航空機もしくは宇宙船のロール角を考慮し、且つ、ステップ83にてはミラー角度を所定量だけ段増することにより、上記プロセッサは、各検出器要素が(例えば地球などの)対象物の表面から受信した放射輝度をサンプリングするにつれて、各検出器要素の視線を追尾し得る。上記配列の片側の全ての検出器もしくは要素は、地面放射輝度を同時にサンプリングする。故に、例えば、上記配列の左側の６個の検出器により、上記システムは、１回の時点にて、左側配列における６個の検出器に対する６個の同時的サンプルを受信する。

上記配列における所定の検出器からの複数の未処理サンプルは、先ず、ステップ84により、走査沿い方向において統合される。統合される個数は、天底からの走査角度の関数である。各統合係数に対する角度範囲は、統合が、全ての走査角度に対して同様のシステムMTFを生成する様に選択され得る。故に、本発明により実施される走査沿い方向統合は、３つの目的に対して有用である：
１．それは、結果的な各サンプルのSNRを増大させる。
２．それは、結果的な各サンプルのMTFを規則化することにより、統合処理に続く再サンプリング・アルゴリズムの複雑さを低減する。
３．それは、上記プロセッサにより取り扱われるべきデータの量を減少する。

図８に示された処理を続けると、走査沿い方向統合ステップ84は、走査沿い方向再サンプリング・ステップ85により追随される。このステップは、全ての検出器要素からの再サンプリング値を、同一の走査沿い格子上に載置する。別様に述べると、上記再サンプリングは、サンプリングの時点における１次元格子(第1格子)を、再サンプリング処理の時点における別の１次元格子(第2格子)へと変更する。名目的には、上記第2格子は、天底から開始すると共に、地面上にて等しい間隔を有する一方、上記第1格子は、走査角度においては等しく離間されるが、地面上では等しくなく離間される。ユーザにより、任意の原点及び間隔が指定され得る。このステップは、走査ラインの全体にわたり、均一なGSDを生成する。

本発明は、次にステップ86に入り、個々の検出器要素から再サンプリングされた値であって、同一の走査沿い方向箇所を有するという値を統合する。ステップ86における走査交差方向統合に先立ち、ステップ85における再サンプリングにより、本発明は、統合するときに、走査沿いの空間的分解能の不利益を蒙らない。走査沿い方向再サンプリング・ステップ85は、記憶装置88内に記憶されたルックアップ・テーブル(LUT)にアクセスし得る。

ステップ86における走査交差方向統合は、２つの目的に対して有用である：
１．それは、単一の要素の投射面積から帰着する各ピクセルのそれを、最終的な所望値まで増大する。
２．それは、各ピクセルのSNRを向上させる。

この時点における走査交差処理は、統合の後に実施されるステップ87における再サンプリングの代わりに、ステップ86における統合であることは理解される。上記走査交差方向統合によれば、後時に実施されるべき一切の較正が簡素化される。各ピクセルは典型的に、統合された空間及びICTデータから導出された係数を用いて較正される。もし、この時点において、統合の代わりに再サンプリングが実施されるなら、較正アルゴリズムは、較正において使用される再サンプリング係数の取入れを要するであろう。このことは、固定的な再サンプリング・カーネルが使用されるならば複雑でないが、変化するカーネルが必要とされるなら、それは較正に対して相当の複雑さを加えるであろう。

以下に記述される如く、走査ミラー及びFPAの幾何学形態によれば、各ピクセルの走査交差方向箇所は走査角度により変化せしめられることは理解される。故に、直交格子上の画像を獲得するためには、ステップ87において実施される最終的な走査交差方向再サンプリングが必要とされる。

図９Ａ及び図９Ｂには、833ｋｍの高度におけるプラットフォームに対し、図６Ａに示された左右の配列において使用された１２個の要素もしくは１２個の検出器の単一の走査ラインに対する地面軌道がプロットされている。各図における両方の軸上の単位はｋｍであるが、２つの軸上の縮尺は非常に異なる。図９Ａは、ビーズウィング配列における１２個の検出器の地面軌道を示し、その場合、各地面軌道は、走査の間におけるセンサの前方運動の故に、傾斜されている。他方、図９Ｂは、同一のビーズウィング配列における１２個の検出器の地面軌道を示し、その場合、各地面軌道は、前方運動補償の故に、傾斜されていない。上記前方運動補償は、本発明によれば、上記配列を、例えば図６Ａに示された如く115マイクロラジアンだけ光軸からオフセットすることにより提供されることは理解される。

図９Ａ及び図９Ｂに示された如く、走査ミラーの画像回転によれば、上記配列における要素の走査交差方向位置に依存して、EOSにおける投射面積は、天底における投射面積の背後に約0.5〜1.2ｋｍだけ遅延する。天底における急激な方向の変化は、上記撮像器が、左側配列側から右側配列側へと、または、その逆に切換えるときに生ずる。図７を吟味することにより予期される如く、各要素は全て、EOSにて収束する。これにより、本発明は、EOSにて走査交差方向の空間的分解能の喪失を蒙らずに、走査交差方向統合を実施することが許容される。統合された各要素の有効投射面積は、EOSにて決定することが容易である。全ての６個の要素の中心は同一の走査交差方向箇所を有し、且つ、走査沿い方向再サンプリングは、それらに対して同一の走査沿い方向箇所を与える。故に、上記有効投射面積は、個々の要素の投射面積に等しい。このことは、図１０における1.1kmの正方形として示される。天底における、要素の投射面積の回転及び走査交差方向分離によれば、上記有効投射面積の鮮明度に幾分かの曖昧性が導入される。任意の方法により獲得される正確な値が重要なことの全てであるかは不明である、と言うのも、空間的分解能またはGSDはいずれも投射面積の鮮明度に依存せず、データ品質を推進するのは、投射面積ではなく、空間的な量だからである。但し、図１０においては、天底にて統合された個々の要素の投射面積に対する、EOSにおける単一の検出器の投射面積の比較が示される。故に、示された如く、天底及びEOSにおける有効なまたは統合された各投射面積は、等しい。天底における有効投射面積及びEOSにおける有効投射面積は、これらの極限にて有効投射面積がそれほど変化しない様に、類似している。

次に図１１Ａ及び図１１Ｂに移ると、夫々が110及び111と表された時計の面の２つの画像が示される。時計面の画像110は、時計が天底に位置されたときに、焦点面上に形成される。時計面の画像111は、時計がEOSに位置されたときに焦点面上に形成される。上記焦点面上の画像は、図３の走査器の幾何学形態に対しては、図４の軌道交差方向の走査角度θに等しいという角度Ψだけ回転される。上記ミラーのシャフトの回転が、光軸を大きな走査角度へと指向させたとき、上記時計面の画像は、増大された有効距離及び天頂角により歪曲される。最大画像回転角Ψは、図１１Ｂに示されたビーズウィング形態における傾斜角度、すなわち、角度Ψ_maxを形成することは理解される。

図３に示された例示的な走査形態において、焦点面上の画像は、軌道交差方向の走査角度θだけ回転することから、Ψは、EOSにおける検出器配列の軌道交差方向の走査角度θに等しい。但し、上記傾斜角度を決定する上で重要なパラメータは、EOSにおける軌道交差方向の走査角度ではなく、上記ライン走査器により引き起こされる画像回転の量である。この量は、走査器の幾何学形態に依存して、上記軌道交差方向の走査角度に等しいこともあり、等しくないこともある。

次に図１２に移ると、走査ミラー31が、概略的に120として表されるそのミラー回転軸心上で回転するときの、その別の例示的な幾何学形態が示される。
画像回転角Ψと、(以下においてはθ_Sと表される)ミラーの走査角度θ_SCANとの間の関係は、以下の式により与えられる：

φは、走査ミラーの回転軸心と、ミラーの表面との間の角度であり、且つ、
ξは、走査ミラーの回転軸心と、望遠鏡の光軸との間の角度である。

本発明により使用される各角度の定義において、以下の内容は簡潔な概要を提供する：
θ_SCANは、ミラー・シャフトの回転角である。
θは、軌道交差方向平面内における光軸の回転角である。
Ψは、焦点面上の画像回転角である。

画像がΨだけ回転したとき、地上での検出器領域の投射物は−Ψだけ回転する。

図３に描かれた走査器に対し、Ψ＝θ＝θ_SCANである。

次に図１３を参照すると、２つの異なるビーズウィング形態、すなわち、食い違い配置されないビーズウィング形態131及び食い違い配置されたビーズウィング形態132が示される。食い違い配置されないビーズウィング形態131は、図６Ａに示された形態と同様である。食い違い配置されたビーズウィング形態132の各検出器は、食い違い配置されない形態の各検出器と同一角度だけ傾斜される。故に、示された如く、各検出器は、軌道沿い方向134から離間傾斜されて、軌道交差方向133に関して角度Ψ_maxを形成する。

上記配列における各検出器の食い違い配置によれば、望遠鏡の軌道交差方向の性能を低下させずに、または、その視野(FOV)を増大せずに、上記配列の軌道沿い方向の空間的な応答及び寸法が増大され得る。実際、望遠鏡のFOVは、食い違い配置された幾何学形態に対し、更に小寸とされ得る。上記図は、上記FOVを、検出器配列に外接する円として示している。同一の個数及びサイズの要素によれば、軌道沿い方向において増大された広がりも有する更にコンパクトな配列が達成される。軌道交差方向の性能は、両方ともが変更されないという要素サイズ及び回転角のみに依存する。故に、軌道交差方向の性能は、配列の各要素を食い違い配置することによっても変化されない。

本発明は、例えば、
１．衛星搭載の遠隔的検知システム、
２．航空機搭載の遠隔的検知システム、及び、
３．移動するコンベア・ベルト上の対象物を視認すべライン走査器を使用する工業的検査システム、
などの多くの用途を包含する。

本発明は本明細書において特定実施例に関して図示かつ記述されたが、本発明は、示された詳細に限定されることは意図されない。寧ろ、各請求項の均等物の概念及び範囲内において、本発明から逸脱せずに、詳細においては種々の改変が為され得る。

Claims (20)

1. 対象物を走査する走査器の検出器配列であって、
   該検出器配列は、各検出器の半分は左側配列として線形に配置され、且つ、各検出器の別の半分は右側配列として線形に配置されるという複数の検出器を備え、
   前記左右の配列は、２つの等しい底角Ψ_maxと、交差頂点とを有する二等辺三角形を形成すべく幾何学的に配置され、
   前記角度Ψ_maxは、当該検出器配列が前記対象物を走査するときに前記走査器の幾何学形態により引き起こされる画像回転の最大量として定義される、
   検出器配列。
2. 前記複数の検出器は、航空機搭載または衛星搭載のプラットフォーム内に配設され、
   前記プラットフォームは、軌道沿い方向に移動すべく構成されると共に、当該検出器配列の走査角度は、前記軌道沿い方向に直交する軌道交差方向において走査を行う走査ラインにおいて形成される、請求項１に記載の検出器配列。
3. 当該検出器配列の前記走査角度は、前記軌道交差方向において定義される走査限界(EOS)角度を含み、
   Ψ_maxにおける画像回転の最大量は前記EOS角度に等しい、請求項２に記載の検出器配列。
4. 当該検出器配列の前記走査角度は、前記対象物の表面から光を受ける走査ミラーにより変化せしめられる、請求項３に記載の検出器配列。
5. 前記左側配列における複数の検出器の各々は、前記対象物の状景放射輝度に比例する電気信号を同時的に生成すべく構成され、
   前記右側配列における複数の検出器の各々は、前記対象物の状景放射輝度に比例する別の電気信号を同時的に生成すべく構成される、請求項１に記載の検出器配列。
6. 前記左側配列は、少なくとも２つの線形に配置された検出器を含み、
   前記右側配列は、少なくとも２つの線形に配置された検出器を含む、請求項５に記載の検出器配列。
7. 前記走査器は、シャフトの回りに回転するミラーと、前記ミラーと交差する望遠鏡光軸とを含み、
   前記ミラーの前記シャフトは、前記望遠鏡光軸に対して平行に構成され、
   当該検出器配列の走査角度は、(a)前記二等辺三角形の底辺の中央から延伸して前記頂点と交差するラインに対応する天底と、(b)前記底辺の前記中央から延伸して前記天底を形成する前記ラインと、前記対象物上に投射される最大走査角度と、の間の最大角度に対応する走査限界(EOS)と、の間で変化し、
   前記角度Ψ_maxにおける画像回転の最大量は、前記EOSにおける当該検出器配列の走査角度に等しい、請求項１に記載の検出器配列。
8. 最大角度Ψ_maxは56°より大きい、請求項７に記載の検出器配列。
9. 前記右側配列は、最大角度Ψ_maxに等しい量だけ傾斜され、
   前記左側配列は、前記最大角度Ψ_maxに等しい量だけ逆方向に傾斜され、
   前記走査器はプラットフォーム内に配設され、
   前記最大角度Ψ_maxは、前記プラットフォームの進行の方向に直交する方向における当該検出器配列の最大走査角度に対応する、請求項１に記載の検出器配列。
10. 当該検出器配列は、前記対象物の左側走査及び右側走査を提供すべく構成され、前記左側走査及び前記右側走査の間の分割ラインは、前記二等辺三角形の底辺の中央から前記交差頂点まで延伸するラインにより形成され、
    前記左側配列は、前記右側走査の間において画像を収集すべく構成され、
    前記右側配列は、前記左側走査の間において画像を収集すべく構成される、請求項１に記載の検出器配列。
11. 軌道沿い方向に前進するプラットフォーム上で、軌道交差方向に走査を行うライン走査器であって、
    該ライン走査器は、左側配列を形成する複数の検出器と、右側配列を形成する複数の検出器とを備え、
    前記左側配列及び前記右側配列は、前記軌道沿い方向において形成されたラインから離間して傾斜され、
    前記左側配列は、前記軌道沿い方向において形成された前記ラインの右側にて当該ライン走査器が対象物の表面を走査しているときに、前記表面から状景放射輝度を検出すべく構成され、
    前記右側配列は、前記軌道沿い方向において形成された前記ラインの左側にて当該ライン走査器が前記対象物の前記表面を走査しているときに、前記表面から状景放射輝度を検出すべく構成される、
    ライン走査器。
12. 前記左側及び右側の配列は各々、夫々の配列において線形に配置された２個より多い検出器を含み、
    各々の配列における検出器は、前記状景放射輝度を同時に検出すべく構成される、請求項１１に記載のライン走査器。
13. 前記対象物の前記表面は地球の表面である、請求項１１に記載のライン走査器。
14. 前記左側及び右側の配列は、当該ライン走査器が天底と走査限界(EOS)との間で走査を行うときに、前記状景放射輝度を同時に検出し、且つ、信号サンプルを出力すべく構成され、
    前記出力された各信号サンプルは、前記走査沿い方向及び前記軌道交差方向において統合される、請求項１１に記載のライン走査器。
15. 前記出力された各信号サンプルは、第1に前記軌道沿い方向において統合され、且つ、第2に前記軌道交差方向において統合され、
    前記第1及び第2の統合は、１本の走査ラインを形成する、請求項１４に記載のライン走査器。
16. 当該ライン走査器は、シャフト軸心の回りに当該ミラーを回転させるためのシャフトに対して連結されたミラーを含み、
    前記左側配列及び前記右側配列は、前記シャフトの回りにおける前記ミラーの最大回転角に基づく角度量だけ、前記軌道沿い方向において形成された前記ラインから離間して傾斜される、請求項１１に記載のライン走査器。
17. 地球の表面を同時的にサンプリングするために、航空機搭載または衛星搭載のプラットフォーム内に複数の検出器が線形に整列されるという、地球の表面を走査する方法であって、
    前記複数の検出器を、
    前記各検出器の第1の半分は、軌道沿い方向に形成されたラインから左方向に離間して傾斜され、
    前記各検出器の第2の半分は、前記軌道沿い方向に形成された前記ラインから右方向に離間して傾斜される、
    ように再構成する段階と、
    ライン走査器が前記ラインの右側を走査しているときに、前記各検出器の前記第1の半分を用いて前記表面から放射輝度をサンプリングする段階と、
    前記ライン走査器が前記ラインの左側を走査しているときに、前記各検出器の前記第2の半分を用いて前記表面から放射輝度をサンプリングする段階と、
    を有する、方法。
18. 前記複数の検出器を再構成する段階は、ビーズウィング幾何学形態を形成する段階を含み、
    前記ビーズウィング幾何学形態は、前記各検出器の前記第1及び第2の半分により形成される二等辺三角形であって、該二等辺三角形の２つの等しい側辺は、前記各検出器が前記表面を走査するときに前記走査器の幾何学形態により引き起こされる画像回転の量として定義されるΨであるという２つの等しい底角Ψを有する、という二等辺三角形として定義される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記二等辺三角形は、該二等辺三角形の前記２つの等しい側辺と、前記軌道沿い方向において形成される前記ラインとにより交差される頂点を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記角度Ψは、前記軌道沿い方向に直交する軌道交差方向における最大走査角度に依存する最大角度を含む、請求項１９に記載の方法。

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