JP2615904B2 - 電子光学機器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、飛来してくる目標を赤外線画像により検
出する電子光学機器における目標との距離検出手段に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来からこの種の検出のためには電波を利用したレー
ダが存在しているが，レーダにおいては目標探知のため
には電波を放射しなければならず逆に相手に探知されて
しまう危険性が高いことに加え，レーダでは相手側より
の妨害を受け易いという問題があった。

そのため，電波に代わって目標の放射する赤外線エネ
ルギーを用いてパッシブに目標を検出する電子光学機器
が検討されている。第３図はこの種装置の基本的な構成
を示す図である。第３図において（11）は赤外線検出
器，（12）はレーザ測距装置，（13）はサーボ架台，
（14）は信号処理器，（15）は表示器である。赤外線検
出器（11）は，基本的に入射赤外光を集光，結像する光
学レンズと光検出素子アレーとより構成されている。

レーザ測距装置（12）は，基本的にレーザ光学系，レ
ーザ送受信器，レーザ電源及びレーザ信号処理器とより
構成され，また，赤外線検出器（11）と軸合せされ，赤
外線検出器（11）で検出した目標との距離を測定できる
ように構成されている。

サーボ架台（13）は，赤外線検出器（11）及びレーザ
測距装置（12）を搭載しそれらの視軸及びレーザ軸を信
号処理器（14）の追尾信号等により指定の方向に設定で
きるよう構成されている。

信号処理器（14）は，赤外線検出器（11）のいわゆる
パラレル走査型信号を走査変換し，信号処理及び表示に
適したシリアルビデオ信号に変換すると共に，探知目標
の自動検出並びに追尾信号の発生を行う。

表示器（15）は，人員に対し画像の表示，目標の距離
情報の表示及びその他必要な情報の表示を行う。

また、電子光学機器による従来の測距方法としては、
上記レーザを使用する他に、画像上における目標の大き
さと、想定される目標の大きさと、画角度とから距離を
算出する方法、及び、目標内の温度差の異なる部分を異
なる波長帯で観測し、各部に対する各波長での検出信号
の差の比を各波長の大気伝搬計数で補正して距離を算出
する方法等がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

第３図の装置においては目標との距離を測定するため
のレーザ測距装置が不可欠であるが，遠距離目標の測距
を行うためには非常に高出力のレーザ測距装置が必要と
なり，装置の小型，軽量化が計れないという問題があっ
た。

また、観測された目標を大きさ、又は、目標内の温度
差を異なる波長帯で観測した結果を使用して距離を算出
する方法では、十分な画素数が確保できない遠距離の小
目標には対処できないという問題があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされた
ものであり、レーザ等の特殊な測距手段を保有せず小型
・軽量で、かつ、例えば、遠距離の航空機のように、検
出画面上で十分な画素数の確保が困難な目標に対しても
測距が可能な電子光学機器を供給しようとするものであ
る。

〔課題を解決するための手段〕 この発明の電子光学機器は、異なる波長帯に感度を有
する複数の光検出素子と、上記複数の光検出素子が、空
間的及び時間的に同一方向に指向できるように構成する
手段と、上記光検出素子が検出した信号内から目標を抽
出し、目標方向に対する上記複数の波長帯各々が各種距
離における大気透過率を算出する手段と、上記複数の光
検出素子各々が検出した目標の光エネルギーと検出波長
帯に対応する前記大気透過率算出結果とより、各検出波
長帯での各種距離における目標の放射エネルギーを算出
する手段と、各種距離における複数の検出波長帯での目
標の放射エネルギーを設定値と比較演算し目標の距離を
判定する手段とを具備したものである。

［作用］ この発明は複数の異なった波長帯に感度を有する光検
出素子を用い目標からの放射エネルギーを検出し、加え
て、各波長帯での各種距離での大気透過率を算出し、各
種距離における各波長帯からの目標放射エネルギー及び
その比を算出し、その結果を設定値と比較することで、
レーザ等の特別な測距装置を用いることなく、かつ、検
出画像内で目標の大きさや目標内の温度分布の計測が不
可能な微小目標に対しても、測距が可能となる。

〔実施例〕

第１図は，この発明による１実施例の関連部分のみを
示すもので、赤外線検出器（11）及び信号処理器（14）
の内部構成を示すブロック図である。

尚，第１図においてはサーボ架台（13）及び表示器
（15）は省略している。

第１図で（1a）は３〜５μｍ帯の光線、（1b）は８〜
12μｍ帯の光線，（２）は光学レンズ，（3a）は第１の
光検出素子であり３〜５μｍ帯に感度を有している。
（3b）は第２の光検出素子であり８〜12μｍ帯に感度を
有している，（４）は光検出素子（３）の各信号を増幅
するアンプ部，（５）はパラレルビデオ信号をシリアル
ビデオ信号に変換する走査変換手段，（６）は大気条
件，自己の高度，姿勢及び目標の方位により各波長帯に
対する目標の距離と大気透過率との関連を算出する透過
率算出手段，（7a）は透過率算出手段（６）により算出
した３〜５μｍ帯の大気透過率，（7b）は透過率算出手
段（６）により算出した８〜12μｍ帯の大気透過率，
（８）は目標の距離算出手段である。

距離算出手段（８）においては，検出した光エネルギ
ー及び透過率信号（７）より目標との距離を仮定した場
合の，各波長における目標の放射強度を放射強度算出手
段（９）により算出し，目標の各周波数の放射強度比が
設定した値と等しいかどうかを比較判定部（10）で比較
し等しくなった場合の距離を目標との距離として求める
ことが可能である。

第２図（ａ）は目標の距離と大気透過率との関係を赤
外線の波長領域における大気透過窓と呼ばれる３〜５μ
ｍ帯及び８〜12μｍ帯の２つの波長帯について示したも
のである。

第２図（ａ）に示すように、２つの波長帯は異なった
大気透過特性を示す。大気透過率は上記距離及び波長帯
の他に大気温度、大気湿度、高度などの大気条件の影響
を受けるが、大気温度、大気湿度及び高度等については
計測可能である。また、目標の波長帯ごとの放射エネル
ギーについては予め実目標によるデータを取得しておく
ことが可能である。

第２図（ｂ）は航空目標を正面方向から観測した場合
の、特定の外気温度条件における目標からの３〜５μｍ
帯と８〜12μｍ帯の放射エネルギー及びその比を示す図
である。

第２図（ｂ）においては、航空機を正面方向から観測
した場合の一例を示しておりこの場合、放射エネルギー
は、機体表面からの放射が支配的となる。

ここで、機体表面からの放射エネルギーは、機体の表
面温度、放射率及び放射投影面積から算出させるが、こ
のうち、放射率及び放射投影面積は既知であり、結論と
して、機体表面からの放射エネルギーは、機体の表面温
度のパラメータとなる。

さらに、機体の表面温度（T_S）は、空力加熱が支配的
であり、空力加熱による機体表面温度は、既知の、次に
示す式等で算出することができる。

T_S＝T_amb（１＋αM²） T_S:機体表面温度（Ｋ） T_amb:外気温度（Ｋ） α：係数 M:飛行速度（マッハ数） そのため、計測可能な外気温度（T_amb）を固定とした
場合、目標となる航空機正面からの赤外線放射エネルギ
ー量及び各波長帯でのその比は、第２図（ｂ）に示すと
おり、目標の飛行速度の関数として表わされる。

一方、実運用に当たっては、目標の速度は不明であ
り、検出できるのは目標に対する受信エネルギーだけで
ある。そのため、１波長帯の検出信号のみを使用した場
合、第２図（ｃ）に示すように、受信信号強度を満足す
る目標条件は、目標の距離及び飛行速度の組合せで無限
に存在し、距離を特定することはできない。

なお第２図（ｃ）は１つの波長帯で検出した信号及び
大気透過率の計算結果を用い、想定される目標の距離及
び速度を算出した結果を用いる。

そこで、次に目標の特徴量として保有している、各波
長帯での放射エネルギー量比データを使用し距離の特定
を行う。第２図（ｃ）の各仮想距離においては、第１の
波長帯の検出信号条件を満足する目標速度が一意に決ま
っているため、その速度条件での、第２の波長帯の目標
からの放射エネルギーは、保有している放射エネルギー
量比のデータから、一意に定まる。

一方、各仮想距離も与えられるため、第２の光検出素
子で検出した信号を各仮想距離における大気透過率と仮
想距離とで補正し、第２の波長帯の目標からの放射エネ
ルギーを算出することも可能である。

ここで、観測目標に対する距離の仮定が正しければ、
上記２つの方法で算出した目標の放射エネルギーは等し
くならなければならない。

そのため、、各仮想距離において、上記２つの方法で
算出した目標の放射エネルギーが一致、又は、所定の誤
差範囲内に収まるかを判定することで、目標との距離を
一意、又は、所定の誤差範囲で測定することが可能とな
る。

以上説明したように、複数の波長帯で目標からの放射
エネルギーを検出し、その検出結果を各波長帯における
大気透過率で補正することで、各仮想距離における各波
長帯での放射エネルギー及びその比を算出する。一方、
各種条件における目標の特徴量として各波長の放射エネ
ルギー比を設定値として与えておき、各種仮想距離の仮
想目標条件に対し、両結果が一致、又は、許容誤差範囲
内であるかを判定することで目標との距離を求めること
が可能となる。

なお、上記説明は、３〜５μｍ帯と８〜12μｍ帯と呼
ばれる波長領域を使用して実施したが、これは、両波長
帯が赤外線領域における大気窓を呼ばれるように、大気
透過に優れた波長帯だからである。

但し、両波長帯以外及び両波長帯の一部の波長帯を使
用しても、上記に示す測定能力を付与することは可能で
あり、赤外線の波長帯を規定するものではない。

また、説明においては、２つの波長帯を使用した場合
を示したが、これは、最低限２つの波長帯を使用すれ
ば、本特許で請求する測距能力を付与できるからであ
る。計測及び演算に誤差が含まれることは避けられない
ので、３つ以上の波長帯を使用し、信頼性の向上を図る
ことも、もちろん可能である。

このように、複数の異なった波長帯に感度を有する光
検出素子を用い目標からの放射エネルギーを検出し、加
えて、各波長帯での各種距離での大気透過率を算出し、
各種距離における各波長帯からの目標放射エネルギー及
びその比を算出し、その結果を設定値と比較すること
で、レーザ等の特別な測距装置を用いることなく、か
つ、検出画像内で目標の大きさや目標内の温度分布の計
測が不可能な微小目標に対しても、測距が可能となる。

尚、第１図においては２波長それぞれに光学レンズを
設けたが，光学レンズは２波長共用でも良く，また，走
査手段としては第１図に示したサーボ架台によるものの
他，鏡等による走査手段によっても良い。

〔発明の効果〕

この発明は、以上説明したとおり、レーザ等の特殊な
測距装置が不要な小型・軽量で、かつ、画面上で目標の
大きさや目標内の温度分布を計測することが期待できな
い、例えば、遠距離の航空目標等に対しても測距可能な
電子光学機器を提供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は，この発明の一実施例の関連部分を示すブロッ
ク図，第２図（ａ）は、各波長ごとの大気透過特性を示
す図、第２図（ｂ）は、目標の特徴量データの一例とし
て、航空目標を正面方向から観測した場合の、特定の外
気温度条件における目標からの３〜５μｍ帯と８〜12μ
ｍ帯の放射エネルギー及びその比を示す図、第２図
（ｃ）は、１つの波長帯で検出した信号及び大気透過率
の計算結果を用い、想定される目標の距離及び速度を算
出した結果を示す図、第３図は，基本的な赤外線探知装
置の構成図である。 図において，（１）は光線，（２）は光学レンズ，
（３）は光検出素子，（４）はアンプ部，（５）は走査
変換手段，（６）は透過率算出手段，（７）は透過率信
号，（８）は距離算出手段，（９）は放射強度算出手
段，（10）は比較判定部，（11）は赤外線検出器，（1
2）はレーザ測距装置，（13）はサーボ架台，（14）は
信号処理器，（15）は表示器である。 尚，図中同一又は相当部分には同一符号を付してある。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射赤外光を集光し結像するための光学系
   と、結像した光の像を光電変換するための光検出素子と
   を備えた電子光学機器において、上記光検出素子として
   異なる波長帯に感度を有する複数の光検出素子と、上記
   複数の光検出素子が、空間的及び時間的に同一方向に指
   向できるように構成する手段と、上記光検出素子が検出
   した信号内から目標を抽出し、目標方向に対する上記複
   数の波長帯各々が各種距離における大気透過率を大気状
   態の観測結果等に基づき予め定められた方法で算出する
   大気透過率算出手段と、上記複数の光検出素子各々が検
   出した目標の光エネルギーと検出波長帯に対応する前記
   大気透過率算出結果とより、各検出波長帯での各種距離
   における目標の放射エネルギーを算出する手段と、各種
   距離における複数の検出波長帯での目標の放射エネルギ
   ーを設定値と比較演算し目標の距離を判定する手段とを
   具備したことを特徴とする電子光学機器。
2. 【請求項２】光検出素子として、３〜５μｍ帯と呼ばれ
   る大気透過窓の波長帯に感度を有する第１の光検出素子
   及び８〜12μｍ帯と呼ばれる大気透過窓の波長帯に感度
   を有する第２の光検出素子を使用したことを特徴とす
   る、請求項１記載の電子光学機器。