JP3459673B2 - 多スペクトル信号抽出方法及び装置 - Google Patents

多スペクトル信号抽出方法及び装置

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    • G—PHYSICS
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電気−光学信号を検出
するための方法及び装置に係り、より詳細には、クラッ
タ状のバックグランドから多スペクトルの対象電気−光
学信号を抽出する方法及び装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】可視光線、紫外線及び赤外線ソースの遠
隔感知には、現在、電気−光学検出システムが使用され
ている。図１ないし４に示すように、この検出システム
は、サテライト１、航空機３、船舶４及び陸上乗物７に
支持されたプラットホームに取り付けられる。この検出
システムは、ターゲットを表す光子を収集するための通
常は望遠鏡である電気−光学式又は光学式のセンサと、
これらの収集した光子を電子、ひいては、電子の流れに
変換するための検出器とを備えている。これにより、タ
ーゲットに関する情報を収集することができる。
【０００３】ターゲットからの赤外放射線を感知する情
報収集用の公知の電気−光学遠隔検出システムが、例え
ば、１９９２年５月２４日ないし２７日のＡＩＡＡスペ
ースプログラムズ及びテクノロジーズ・コンファレンス
に提出されたキッド氏等著の「ディフェンスサポートプ
ログラム：変化する世界をサポートする(Defense Suppo
rt Program: Support to a Changing World)」と題する
論文、及び１９８９年米国海軍のＥＲＩＭにより出版さ
れたインフラレッド・ハンドブックに開示されている。
一般に、このようなシステムは、不可避なバックグラン
ド信号が存在する中でターゲット信号を探索する。例え
ば、これらのシステムは、地上に対して下方に向けられ
たサテライトからミサイルを検出するように試み、これ
は、ミサイルの排気物を走査するように単一の帯域をカ
バーするサテライトセンサを用いて行われる。このよう
な単一帯域の検出システムを図５について説明する。図
５は、バックグランド信号１０と、バックグランド及び
ターゲットの複合信号１１とに対して相対的な信号電力
即ち強度と波長をプロットしたものである。バックグラ
ンド信号は、対象帯域においてほとんど常時存在する。
典型的に、バックグランド信号は、例えば、コントラス
トの強いエリアが隣接するために、不所望な「クラッ
タ」障害を有する。又、例えば、サテライトが太陽光線
の当たる地球を背後にしてターゲットを走査するときに
は、太陽光線が「ぎらぎら」と反射するために、過酷な
検出上の問題がしばしば生じる。
【０００４】図５において、バックグランド信号１０
は、２．０ないし５．０ミクロンの赤外線（ＩＲ）スペ
クトルにわたって複合信号１１にほぼ近いものとなり、
約２．６ないし３．２ミクロンの間に最も大きな相違が
生じる。約４．１ないし４．８ミクロンの間には別の顕
著な相違が生じる。バックグランドからターゲットを確
認するか又は抽出する検出システムでは、約２．７ミク
ロンないし３．０ミクロンの範囲の検出帯域１２が典型
的に選択されている（例えば、上記インフラレッド・ハ
ンドブックの第２ないし７６ページを参照されたい）。
これは、ミサイルの排気物において顕著な水分帯域符牒
に対応している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の検出は、帯域１
２内のミサイル排気物を含む複合信号の強度がスレッシ
ュホールド１３を越えたときに生じる。この解決策の制
約は、複合信号１１の検出強度が検出帯域内においてバ
ックグランド１０よりも大きくなければならないことで
あり、さもなくば、バックグランドの変化によって偽警
報が生じることになる。この分野の文献では（例えば、
１９７０年、Ｍ．スコルニック編集のレーダー・ハンド
ブックの第１５章を参照されたい）、ノイズ中のターゲ
ットの統計学的な分析に基づく従来解決策における偽警
報の問題が認識されている。この問題を解決する１つの
試みは、検出器のスレッシュホールドレベル１３を上げ
て、ターゲットの偽警報が頻繁に生じないようにするこ
とを含む。しかしながら、図示されたように、複合信号
１１に含まれるターゲット信号は実際には弱いものであ
って、検出帯域１２の一部分にわたってスレッシュホー
ルド１３よりも小さいものである。それ故、スレッシュ
ホールドレベル１３があまりに高く上げられると、多く
の実際のターゲット信号は検出されないままとなる。移
動ターゲットインジケータ（ＭＴＩ）システムは、像デ
ータのフレーム間でのターゲット位置の変化に基づいて
動作する。これらのシステムも、ターゲット検出の信頼
性の問題が悩にとなっている。
【０００６】ディフェンス・サポート・プログラム（Ｄ
ＳＰ）に使用される別の公知解決策においては、２つの
個別の放射計を用いて２つの検出帯域がカバーされ、こ
れらが独立して処理される。しかしながら、この解決策
は、２つの比較的狭い検出帯域内でターゲットに近いか
又はそれを越える強いバックグランド信号により無効に
されてしまう。従って、これも、検出スレッシュホール
ドレベルがバックグランドのクラッタにあまりに近いと
きには多数の偽警報指示を生じ、又、スレッシュホール
ドがあまり高く上げられたときには検出率が不所望に低
くなる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、クラッ
タ状のバックグランドから多スペクトルの対象電気−光
学信号を抽出するための方法及び装置が提供される。バ
ックグランド及び対象信号の多スペクトルの電気−光学
スペクトルが得られ、これは入力スペクトルとして作用
する。この入力スペクトルを実質的に排他的に処理する
ことによりバックグランドから多スペクトルの対象信号
を分離する構成にされる。
【０００８】本発明の効果は、偽警報率を低くすること
である。これは、高レベルの信号が抽出される一方、バ
ックグランドのクラッタが減少されることにより、実効
信号対雑音比が増大するために達せられる。従って、強
力な潜在的に障害となる偽のターゲット、例えば、太陽
光線を検出して除去することができる。
【０００９】又、本発明は、高い感度を与えるという別
の効果も奏する。全対象スペクトルを組み込むことによ
り、非常に弱いターゲットを検出することができる。
【００１０】以上の説明から、本発明は、電気−光学検
出システムの分野に著しい進歩をもたらすことが明らか
であろう。特に、本発明は、電気−光学検出器の設計者
に長年課せられていた多数の問題に首尾よく向けられ
る。先ず第１に、多数のスペクトル帯域を使用すること
により、対象ターゲットの放射強度とクラッタ状のバッ
クグランドとの間の差で、対象ターゲットを検出するた
めの情報を与えることができる。更に、同じ入力スペク
トルから２つ以上の対象ターゲットを実質的に同時に検
出することができる。又、検出は、所定の狭い検出帯域
においてターゲットの強度がバックグランドよりも著し
く大きい状態に限定されない。
【００１１】
【実施例】本発明の他の特徴及び効果は、本発明の原理
を一例として示した添付図面を参照した以下の詳細な説
明から明らかとなろう。図６には、本発明の電気−光学
検出システム１５がブロック図で示されている。このシ
ステム１５は、光学センサ１６と、分光計１８と、電気
−光学プロセッサ２０とを備えている。センサ１６は、
対象ターゲットから光子を収集するように働く。好まし
い実施例では、センサ１６は望遠鏡を含む。
【００１２】分光計１８は、光学系１６からの光学スペ
クトルを多スペクトルの入力スペクトルに分解する。本
発明の説明上、多スペクトルのスペクトルとは、複数の
放射線帯域を有する信号を意味する。帯域とは、２つの
限界間における波長の連続をいう。更に、本発明に関連
して使用する電気−光学信号という用語は、０．２ミク
ロンないし３０ミクロンの波長を有する放射線を意味す
る。地球から発射されたミサイルを検出することが所望
される場合には、光学系１６は、約２．０ミクロンない
し５．５ミクロンの近赤外線レンジを一般にカバーす
る。
【００１３】図７は、分光計１８によって行われる動作
を一般的に示している。光学系１６からの光学スペクト
ルはスペクトル分割器８０へ送られ、該分割器は、光学
スペクトルをライン８２によって表された種々の波長帯
域に分離する。スペクトル分割器８０の機能は、カラー
フィルタホイールの使用やフーリエ変換型分光計（マイ
ケルスン型干渉計により機能的に達成できる）の使用を
含む多数の方法で実行することができる。或いは又、こ
の機能は二色性ビームスプリッタの組立体又はプリズム
や格子を用いた分散構成体によって実行することができ
る。
【００１４】好ましい実施例では、セレクタ８４を用い
て、各選択された帯域の収集された光子が検出器８５に
直列に接続され、この検出器は光子をアナログ電気信号
に変換する。アナログ−デジタルコンバータ８８は、ア
ナログ信号をそれに比例するデジタル値に変換し、これ
はメモリ８７に一時的に記憶される。選択された全ての
帯域に対する値が記憶されると、メモリ８７を適当にア
ドレスして帯域値を並列に読み出し更に処理をすること
ができる。複数の選択された、ひいては、形成された帯
域値は、多スペクトルの電気−光学入力スペクトルＶを
形成し、これはプロセッサ２０に送られる。
【００１５】帯域は、波長を識別するためのバックグラ
ンド及びターゲット符牒のスペクトル形状の知識を使用
することにより選択されるのが好ましく、これらを組み
合わせたときには、独特の異なる多スペクトル信号を与
えることによりバックグランドからのターゲットの多ス
ペクトル分離及び互いの多スペクトル分離を改善するこ
とができる。処理のための多スペクトルの入力スペクト
ルを構成する帯域の選択には、種々の異なる方法を使用
できることが理解されよう。最低２つの帯域が選択され
るが、使用目的に応じて、約６ないし７の帯域又は１２
程度までの帯域が使用されるのが好ましい。
【００１６】プロセッサ２０は、実質的に多スペクトル
の入力スペクトルのみに作用して、入力スペクトルＶに
最初に含まれている対象信号とバックグランドを分離す
る。本発明の技術を実施するのに多数の形式のプロセッ
サアーキテクチャを使用できることが考えられるが、図
８を参照して無限インパルス応答プロセッサについて説
明する。本発明の説明上、「無限インパルス応答プロセ
ッサ」という用語は、負のフィードバックを用いて動作
を繰り返してその次の解法に繰り返し影響を及ぼしてい
くようなプロセッサを意味する。
【００１７】以下で詳細に述べるように、プロセッサ
は、１つ以上の多スペクトルの電気−光学ターゲットを
入力スペクトルＶから抽出即ち分離する。プロセッサ
は、スペクトルテンプレートを用いた整合フィルタを各
々含むＮ個の並列チャンネルを備えている。Ｎ−１個の
チャンネルは、Ｎ−１個のターゲットの各々の既知のス
ペクトルテンプレートを含み、そしてＮ番目のチャンネ
ルはバックグランドの既知のスペクトルテンプレートを
含む。他の実施例では、バックグランドについての多数
のチャンネルを設けることができる。Ｎ−１個のチャン
ネルは対象ターゲット各々に作用し、そしてＮ番目のチ
ャンネルはバックグランドに作用する。プロセッサは、
この作用を受けた信号を組み合わせそして繰り返し打ち
消し、その場面の入力スペクトルから不整合信号の残留
スペクトルＲがもしあればそれを発生する。
【００１８】この残留スペクトルは、対象ターゲットの
整合フィルタ又はテンプレートに対するターゲットの適
合性の尺度である。残留スペクトルと整合フィルタのス
ペクトルとの間の差は、予想されるターゲット符牒に対
するターゲットの分類精度の尺度である。ターゲットの
特徴付けも行われる。種々の対象ターゲットの整合フィ
ルタを使用しそしてこのような整合フィルタを変えてい
くことにより、ターゲットの特徴を露呈させ、弁別する
ことができる。プロセッサは、ターゲットの定量化の尺
度を与える。既知の量のターゲットの符牒の大きさを測
定することにより、整合フィルタを定量化することがで
きる。システムの光学的量子効率、ノイズ及び他の不確
定性を測定することにより、信号の不確定性及び信号の
強度の尺度が与えられる。これらを信号測定強度と共に
含ませることによりターゲット実質カラム密度の定量化
測定値が与えられる。上記説明から、プロセッサは、図
３において、物体又はターゲット検出、分類、特徴付
け、及び定量化測定値として示された出力を有するもの
として示されている。
【００１９】図８には、無限インパルス応答（ＩＩＲ）
アーキテクチャを有する電気−光学プロセッサ２０の概
略図が示されている。電気−光学プロセッサ２０は、入
力２２と、第１チャンネル２４と、第２チャンネル２６
と、第３チャンネル２８と、フィードバック路３０とを
備えている。
【００２０】前記したように、光学センサ１６は、対象
場面を表す光学信号を分光計１８に供給する。分光計１
８は、光学信号を、多スペクトルの電気−光学入力スペ
クトルＶに分解する。数学的には、これはベクトルとし
て処理される。分光計１８はこの多スペクトルの電気−
光学スペクトルＶを導体３４を経て入力２２に供給す
る。
【００２１】入力２２は、フィードバック加算器アレイ
であり、負のフィードバック形式である（図４にかっこ
内の負の符号で示す）フィードバック路３０のフィード
バックスペクトルの帯域を、導体３４上のスペクトルＶ
の対応する帯域と帯域ごとに合成し、導体３６に残留ス
ペクトルＲを形成するように働く。
【００２２】第１チャンネル２４は、参照番号４０でも
示されたスペクトル検出器Ｆ１と、参照番号４１でも示
されたスペクトル重み付け装置Ｆ１とを備えている。こ
のチャンネル２４は、整合スペクトルフィルタとして働
く。簡単に述べると、スペクトル検出器Ｆ１は、最初は
入力スペクトルに作用し、次いで、残留スペクトルＲに
作用し、そしてそのスペクトル成分即ち帯域を、スペク
トルテンプレート４３によってそこに内部供給されるも
のと相関させ積分する。スペクトル検出器４０は、テン
プレート４３に対する重み付け係数α１である出力をラ
イン４２に供給する。この出力α１はスカラー信号であ
って、その大きさはスペクトルテンプレート４３とそこ
に送られたスペクトルとの相関の程度に比例する。換言
すれば、α１は、入力スペクトルにターゲットが含まれ
ているかどうかの指示を与える。係数α１の極性は、放
射性スペクトルが分析されているか吸収性スペクトルが
分析されているかを指示する。
【００２３】より詳細には、スペクトル検出器４０は、
スペクトルテンプレート４３と、乗算器のアレイ４４
と、加算器４５と、積分器４６とを備えている。スペク
トルテンプレート４３は、入力スペクトルＶの電気−光
学帯域にある対象多スペクトル信号の多スペクトル出力
即ち符牒を記述するデータベースである。既知の対象タ
ーゲットからの電磁スペクトルの放射を測定することに
より、基準又はソース符牒又はソースプロファイルとし
ても知られているテンプレートがこれまでに得られてい
る。ターゲットは前もって分かっていると仮定する。
【００２４】又、スペクトルテンプレートは、実験デー
タから得ることもできるし、或いは種々の対象ターゲッ
トからの放射線を表す理論的なモデルから導出された式
から計算することもできる。スペクトルテンプレート
は、ミサイルが排気又は排出する有機及び無機分子に対
して構成することができる。スペクトルテンプレートは
無単位であり、以下に述べるように、識別されるべきス
ペクトルと同じ形状を有する。又、入力スペクトルＶに
含まれたものと同じ帯域数を有する。
【００２５】乗算器４４は、残留スペクトルＲの各スペ
クトル帯域をスペクトルテンプレート４３の対応する帯
域で乗算するように働く。ベクトル乗算によって形成さ
れた積は、次いで、加算器４５によって加えられる。そ
れにより得た和は、２つのベクトルの相関積分（ＣＩ）
を形成し、２つのベクトルが同じときにピーク応答をも
つ。積分器４６はこの相関積分を積分し、そしてある時
間にわたる相関の大きさを表す重み付け係数α１をライ
ン４２に供給する。前記したように、この信号はスカラ
ーであり、双極性である
【００２６】相関積分（ＣＩ）は、スペクトルテンプレ
ートと残留スペクトルとの間の類似性の程度である。こ
の積分の値が０であるときには、相関即ち類似性の程度
は全くなしである。この値が正であるときには、ある程
度の類似性がある。この値が負であるときには、認識が
逆転される。従って、大きさが０の信号が積分器４６に
加えられたときには、積分器が積分を停止することを理
解されたい。正の信号が加えられたときには、積分器は
不定に増加を開始し、そして負の信号が加えられたとき
には、積分器は不定に減少する出力を発生する。換言す
れば、積分器４６は、スペクトルテンプレート４３と残
留スペクトル３６との間の相関を累積しそして単一のス
カラーの重み付け係数α１を発生する。これは、スペク
トル３４のターゲットとスペクトルテンプレート４３と
の一致の大きさの推定値を表す。α１が０であるときに
は、ターゲット信号の成分は存在しない。
【００２７】スペクトル重み付け装置４１は、乗算器４
７のアレイと、スペクトルテンプレート４８とを備えて
いる。スペクトルテンプレート４８は、スペクトルテン
プレート４３と同一である。乗算器４７は、スペクトル
テンプレート４８の各帯域を重み付け係数α１で乗算す
る。加算器４９のアレイにより加算されるとき、重み付
けされたスペクトルテンプレート信号は調整され、入力
スペクトルＶにおける対応するターゲット成分に等しく
なるよう試みられている。スペクトル重み付け装置４１
は、スペクトル検出器４０により形成されたのと同様
に、大きさα１をもつ対象スペクトルテンプレートＦ１
を形成する。スペクトル検出器からの積分器出力４２
は、スペクトルテンプレートの大きさの現在推定値を表
す。値α１を用いてフィードバック成分をそのスペクト
ルテンプレートに対して調整するときには、積分器は、
各チャンネルのテンプレートに相関するように残留スペ
クトルＲの電力を打ち消す値を与える。
【００２８】又、本発明では、Ｆ２及びＦ３とは独特に
異なるＦ１の値のみを組み込むようにスペクトルテンプ
レート４３を変更することができる。この場合に、帯域
を選択するのに用いた同じ知識を用いてテンプレート４
３を変更することができる。他のチャンネルの残りの部
分にも同様の論理が適用される。
【００２９】チャンネル２６及び２８は、チャンネル２
４と同様の整合フィルタチャンネルであり、上記したチ
ャンネル２４の同様の要素と同じ構造の要素を備えてい
る。従って、チャンネル２６の各要素には、チャンネル
２４の同様の要素に適用された一連の参照番号４０ない
し４９に対応する一連の参照番号５０ないし５９が適用
されており、そしてチャンネル２８の同様の要素には、
一連の参照番号６０ないし６９が適用されている。
【００３０】動作を説明するために、バックグランド及
びターゲットの複合信号を含むスペクトル内で２つの異
なる電気−光学ターゲットを検出することが所望される
と仮定する。チャンネル１は、予想されるターゲットの
１つを処理する整合フィルタであり、チャンネル２は、
予想される他のターゲットを処理する整合フィルタであ
り、そしてチャンネル３は、既知のバックグランドを処
理する整合フィルタである。従って、スペクトルテンプ
レート４３及び４８は、同一であり、第１の対象ターゲ
ットの既知の符牒から構成される。スペクトルテンプレ
ート５３及び５８は、同一であり、第２の対象ターゲッ
トの既知の符牒から構成される。スペクトルテンプレー
ト６３及び６８は、同一であり、ターゲットが存在しな
い状態で場面のバックグランドから前以って測定され
る。場面は光学装置１６によって走査され、該装置は光
子を収集してそれらを分光計１８へ送る。この説明にお
いては、探索されている２つのターゲットが走査中に存
在したと仮定する。従って、分光計１８は、走査中に存
在する２つのターゲットとバックグランドとを含む多ス
ペクトルの電気−光学信号入力スペクトルＶを発生す
る。
【００３１】スペクトルＶの帯域は入力２２に送られ、
そして導体３６を経てスペクトル検出器４０、５０及び
６０各々の乗算器４４、５４及び６４のアレイに同時に
送られる。これら乗算器は、スペクトルＶの各スペクト
ル帯域をスペクトルテンプレートの対応する帯域で乗算
する。ベクトル乗算により形成された積は、次いで、加
算器４５、５５及び６５によって加算され、ターゲット
及びバックグランドの各相関積分を発生する。積分器４
６、５６及び６６は、この相関積分を積分し、スカラー
の重み付け係数α１、α２及びα３を出力４２、５２及
び６２に各々発生する。これは、入力スペクトルＶに対
するスペクトルテンプレートの相関の大きさを表す。こ
の相関を調整するために、重み付け係数は、スペクトル
重み付け装置４１、５１及び６１の乗算器アレイ４７、
５７及び６７に各々送られる。乗算器は、それに関連し
たスペクトルテンプレート４８、５８及び６８の各帯域
をスカラーの重み付け係数α１、α２及びα３で各々乗
算し、入力スペクトルＶにおいて見つかった対象多スペ
クトル信号を各チャンネルに再形成する。
【００３２】加算器アレイ５９は、スペクトル重み付け
装置５１及び６１によりこのように発生されたベクトル
を加算し、そして加算器４９は、それにより得られるベ
クトルをスペクトル重み付け装置４１からのベクトルと
加算して、フィードバック路３０にフィードバックスペ
クトルを供給する。この負のフィードバックは、入力ア
レイ２２の入力スペクトルと帯域ごとに実質的に同時に
合成されて、入力スペクトルＶを繰り返し打ち消しそし
て残留スペクトルＲを発生する。フィードバックスペク
トルは、スペクトルＶに一致するように収斂し、従っ
て、ターゲットが存在する場合に入力スペクトルを打ち
消す。この打ち消しは、最初は厳密ではなく、それによ
り生じる残留スペクトルにプロセッサ２０が繰り返し作
用して、その残留スペクトルを、最小平均平方値のよう
な所定の大きさに減少する。２つのターゲットの検出
は、それらの各々の係数α１及びα２が所与のスレッシ
ュホールドレベルより増加したときに実質的に同時に生
じる。予想されるターゲットが存在しなかった場合に
は、重み付け係数αがゼロに向かう傾向となることに注
意されたい。これは、そのターゲット符牒成分が全く場
面に存在しないことを指示する。出力αは、１つ以上の
ターゲットの検出を指示するように種々の仕方で使用す
ることができる。例えば、ライン４２、５２は、図４に
おいて、既知の一定偽警報率装置６８に接続されて示さ
れており、アラーム信号αの特性が既知のやり方で更に
分析されそして適宜警報信号を発生して地上ステーショ
ンへ送信するようになっている。
【００３３】３つ以上のターゲット形式の検出も同様に
行われる。各々の予想されるターゲットに対して整合フ
ィルタが使用され、そのスペクトルテンプレートを個別
のチャンネルに記憶することができる。例えば、９つの
異なるターゲットを探索するときには、電気−光学プロ
セッサは、９つのターゲットを抽出するために９つとそ
してバックグランドのスペクトルを整合するために１つ
の合計１０個のチャンネルを備えている。同様に、多数
のバックグランド成分が存在する中でのターゲットの検
出も同様に行われる。各々の予想されるターゲット及び
バックグランド成分に対して整合フィルタが使用されそ
してそれに対応するスペクトルテンプレートが別々のチ
ャンネルに記憶される。例えば、多数のバックグランド
成分は、日中及び夜間照明状態に対して存在する。
【００３４】又、ある検出及び定量化の分野ではテンプ
レートの選択を改善するために残留スペクトルＲもしく
はエラー信号が使用される。予め記録されたスペクトル
符牒のライブラリーを、残留スペクトルに最も適合する
ようにサーチしてもよい。複合信号に含まれる別のター
ゲットのスペクトル符牒テンプレートの選択は、残留ス
ペクトルを次々の繰り返しにおいて減少する。更に別の
特徴として、分光計１８と電気−光学プロセッサ２０と
の間に接続されたメモリを含むことができる。メモリは
入力スペクトルを記憶し、そしてそれを後で電気−光学
プロセッサに供給することができる。又、予め処理され
た信号をメモリに記憶して後で完成させることもでき
る。更に、光学的に検出された信号を同時に処理するこ
とは本来要求されない。
【００３５】本発明は、入力スペクトルＶをその構成多
スペクトル成分即ち２つのターゲットとバックグランド
とに効果的に分解又は分離することが明らかであろう。
チャンネル１の出力は、ターゲットが存在するならばそ
の第１ターゲットの多スペクトル符牒と本質的に同じで
ある。スペクトルテンプレート４３と入力スペクトルと
の間に僅かな程度の相関もしくは一致しかない場合に
は、重み付け係数α１が比較的低いレベルに安定し、そ
の予め選択された検出スレッシュホールド値に到達しな
いことにより偽警報を回避する。その結果、乗算器４７
は、スペクトルテンプレート４８を、フィードバックス
ペクトルの一部分に使用されるチャンネル１の出力とし
て増幅する必要がない。一方、多スペクトルテンプレー
トの帯域のほとんどが入力スペクトル内に見つかった場
合には、重み付け係数α１が累積して、テンプレート４
８をチャンネル１の出力として増幅する。これは、入力
スペクトルにおける第１ターゲットのこの成分即ち符牒
を効果的に打ち消し、残留スペクトルＲを０に向かって
駆動する。
【００３６】本発明は、所与の帯域においてバックグラ
ンドとターゲット信号との間に著しい信号弁別がなされ
なくとも効果的に作用する。というのは、ターゲット及
びバックグランド符牒が複数の異なる帯域で構成される
多スペクトル検出手法によるためである。従って、ター
ゲット及びバックグランド符牒が１つの帯域において実
質的に等しい値のものであっても、複数の帯域に対する
差によってターゲットを正確に検出することができる。
【００３７】数学的には、電気−光学信号処理システム
は、以下の式４ないし８、又は適当にプログラムされた
汎用コンピュータにより解くことのできる閉じた形態の
解法（式９ないし１１）に関連し無限インパルス応答
（ＩＩＲ）解決策（上記した）を参照して表すことがで
きる。
【００３８】ＩＩＲ解決策に対し、入力スペクトルＶが
Ｎ個の構成スペクトルＦ1 、Ｆ2 、・・・、Ｆn に分解
されるような一般化されたＮスペクトルシステムを考え
る。残留スペクトルＲは、ループ式として次の数４で書
き表すことができる。
【００３９】
【数４】 Ｒ＝Ｖ−α1 Ｆ1 −α2 Ｆ2 −・・・−αn Ｆn 但し、α1 ＝Ｆ1 重み付け係数 α2 ＝Ｆ2 重み付け係数 ・ ・ ・ αn ＝Ｆn 重み付け係数
【００４０】ＩＩＲの電気−光学信号プロセッサは、構
成スペクトルＦ1 、Ｆ2 、・・・、Ｆn の全ての考えら
れる重み付けに対し残留スペクトルベクトルＲの標準を
最小にする。
【００４１】残留スペクトルのユークリッド標準を取り
上げると、次の数５が得られる。
【００４２】
【数５】 但し、Ｔはベクトルの置換を示している。各重み付け係
数に対し部分導関数を取り上げると、次の数６が得られ
る。
【００４３】
【数６】
【００４４】残留ベクトルの標準は、このような全ての
部分導関数が消滅するときに最小になる。従って、上記
数６をゼロに等しくセットし、そしてαi について解く
と、次の数７又は数８が得られる。
【００４５】
【数７】 又は
【００４６】
【数８】 閉じた形態の解法は、リニアな代数技術又は次の数９で
表されるマトリクス表示を用いて解くことができる。
【００４７】
【数９】Ｍａ＝ｂ 但し、Ｍは次の数１０のようにｉ行ｊ列要素をもつＮｘ
Ｎマトリクスであり、
【００４８】
【数１０】 そしてａ及びｂは、次の数１１のようなＮ次元ベクトル
である。
【００４９】
【数１１】
【００５０】リニアなシステム方程式９を定義する際に
は、全部で２Ｎ＋（Ｎ2 −Ｎ）／２のドット積が必要に
なることを注意されたい。これらドット積各々の長さ
（即ち項の数）は、分析されている各スペクトルにおけ
る帯域の数である。リニアなシステムがいったん定義さ
れると、従来のガウスの除去技術を用いて解くことがで
きる。これにより生じたベクトル「ａ」の値は、最小平
均平方の意味で残留エラーを最小にする重み付け係数α
を表す。
【００５１】図９、１０は、、２つの特定の非限定例に
関して本発明の使用を示している。図９において、ガラ
ス端をもつアルミニウム管より成る従来のガスセルに対
し、その一端を通して１２００°Ｋの黒体放射を照射し
た。マトソン社のモデル４０２０で構成された分光計
で、その反対端を通過する光子を測定した。モデル４０
２０分光計は、受けた光子の振幅を１ｃｍ-1に対応する
波長の波の数に対してプロットしたグラフを形成し、３
２００個の個別の点を指示するものである。８００ない
し４０００ｃｍ-1の波長に対する空のセルのグラフは、
バックグランドを表す黒体波長スペクトルを形成した。
次いで、セルに１Ｔｏｒｒのメタンを充填し、メタンの
スペクトル特性の測定値が８００ないし４０００ｃｍ-1
の波長に対して得られた（図１０）。メタンを除去し
た。同様に、セルに１Ｔｏｒｒのアセトンを充填し、そ
のスペクトルを測定した。最後に、１Ｔｏｒｒのメタン
と、１Ｔｏｒｒのアセトンをセルに入れ、複合非反応ガ
スのスペクトルを得た。これは２つの対象ターゲットと
バックグランドの複合信号を表している。
【００５２】コンパック(Compaq)３８６パーソナルコン
ピュータが上記の数式８及び９に示したアルゴリズムで
プログラムされた。メタン及びアセトンの２つのターゲ
ットがあることに注意されたい。従って、２つのスペク
トル重み付け係数α１及びα２の各々を決定することに
なる。又、バックグランドスペクトルの重み付け係数は
α３である。数式９から、ドット積の数は９であり、例
えば、Ｎ＝３そして２（３）＋（３2 −８）＝９とな
る。
【００５３】図９、１０は、プロセスを若干絵画的に示
している。スペクトル１はアセトンの放射スペクトルで
あり、チャンネル１のテンプレートＦ１として使用され
る。スペクトル２はメタンの放射スペクトルであり、チ
ャンネル２のテンプレートＦ２として使用される。スペ
クトル３は、バックグランドスペクトルに対する放射バ
ックグランドテンプレートである。入力スペクトル７０
は、放射及び吸収の多スペクトル特性の組み合わせを含
む。入力スペクトルのバックグランド成分は放射性であ
るが、入力スペクトルのアセトン及びメタン成分は吸収
性である。チャンネル１のテンプレートＦ１は放射性で
あるから、重み付け係数α１は負の極性となる。又、係
数α１はスレッシュホールドレベルを越える。というの
は、テンプレートＦ１と、入力へフィードバックされる
残留スペクトルＲとの帯域間の相関の程度が高いからで
ある。ボックス７３は、チャンネル１の多スペクトル出
力を表しており、これは重み付け係数α１が負極性であ
ることにより反転されている。この出力スペクトル７３
をスペクトル１と比較すると、高度の相関が指示され、
従って、入力スペクトルにアセトンが存在したことが絵
画的に示される。チャンネル２は、メタンに対し同様に
機能する。重み付け係数α２は反転され、スレッシュホ
ールドレベルを越えて、メタンテンプレートとの高度の
相関を示す。ボックス７４におけるチャンネル２の出力
は、テンプレートＦ２に実質的に対応するが、反転され
ている。しかしながら、チャンネル３の出力７５は、反
転されていない。というのは、放射性のバックグランド
テンプレート（スペクトル３）が使用されそして入力ス
ペクトル７０がメタン及びアセトンとは異なりバックグ
ランドの放射性のスペクトル特性を含んでいるからであ
る。
【００５４】図１０は、入力スペクトル７０’がメタン
もアセトンも含まない例を示している。従って、ボック
ス７３’及び７４’に示したチャンネル１及び２の出力
は、相関がほとんど検出されないためにα１及びα２が
ほぼゼロとなるので、ゼロへと駆動される。
【００５５】
【発明の効果】以上の説明から、本発明は、放射性を有
すると特徴付けられる物体、例えば、ミサイルや高温ガ
ス、又は吸収性を有すると特徴付けられる物体、例え
ば、化学薬品及びガス、そして燐光物質を検出できるこ
とが明らかであろう。更に、スペクトル及び波長につい
て説明したが、本発明は、時間又は周波数の領域にも適
用できることが当業者に明らかであろう。
【００５６】本発明の１つの実施例について詳細に説明
したが、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに種々の変
更がなされ得ることが明らかであろう。従って、本発明
は、特許請求の範囲のみによって限定されるものとす
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】遠隔センサプラットホームを示す電気−光学検
出システムの概略図である。
【図２】遠隔センサプラットホームを示す電気−光学検
出システムの概略図である。
【図３】遠隔センサプラットホームを示す電気−光学検
出システムの概略図である。
【図４】遠隔センサプラットホームを示す電気−光学検
出システムの概略図である。
【図５】単一の検出帯域を使用した公知の電気−光学検
出システムを説明するためのグラフである。
【図６】本発明による電気−光学検出システムを示すブ
ロック図である。
【図７】本発明に使用する１つの分光計実施例の概略図
である。
【図８】本発明の好ましい実施例による電気−光学検出
システムの概略図である。
【図９】アセトン及びメタンガスのターゲットを検出す
るのに使用される本発明の電気−光学検出システムの一
実施例を示す概略ブロック図である。
【図１０】アセトン及びメタンガスのターゲットを検出
するのに使用される本発明の電気−光学検出システムの
一実施例を示す概略ブロック図である。
【符号の説明】
１５ 電気−光学検出システム １６ 光学センサ １８ 分光計 ２０ 電気−光学プロセッサ ２２ 入力 ２４ 第１チャンネル ２６ 第２チャンネル ２８ 第３チャンネル ３０ フィードバック路 ３６ 残留スペクトル ４０ スペクトル検出器 ４１ スペクトル重み付け装置 ４３ スペクトルテンプレート ４４ 乗算器 ４５ 加算器 ４６ 積分器 ４８ スペクトルテンプレート ８０ スペクトル分割器 ８４ セレクタ ８５ 検出器 ８７ メモリ
フロントページの続き (72)発明者 エリック ローレンス アプトン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90278 レドンド ビーチ カーティス １−2516 (56)参考文献 国際公開92／5502（ＷＯ，Ａ１) ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ Ｖｏ ｌ．27 Ｎｏ．７（1988）Ｐ．1255〜 1261 Ｒ．ＢＥＥＲ ｅｔ ａｌ“Ａｎａｌ ｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｐｅｃｔｒａ ｕｓ ｉｎｇ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｆｕ ｎｃｔｉｏｎｓ"

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 バックグラウンドを含む場面から検出さ
    れた多スペクトル放射線から発生した入力スペクトルに
    対象信号が存在するかどうかを判断する方法であって、ａ） 前記対象信号に関する既知の情報から多スペクトル
    テンプレートを生成させ、ｂ） バックグラウンドに関する既知の情報から第２の多
    スペクトルテンプレートを生成させ、ｃ） 当該信号に対するスペクトルテンプレートと入力ス
    ペクトルとの対応する帯域を相関して、その相関の程度
    を表す相関信号を生成させ、ｄ） 上記相関信号を用いて、重み付けされた多スペクト
    ル信号を生成させ、ｅ） バックグランドに対する重み付けされた多スペクト
    ル信号を同様に生成させ、ｆ） これらの重み付けされた多スペクトル信号を加算し
    てフィードバックスペクトルを生成させ、ｇ） 上記フィードバックスペクトルを上記入力スペクト
    ルから実質的に同時に帯域ごとのベースで減算して、残
    留スペクトルを生成させ、そしてｈ） 上記相関信号を使用して、当該信号が入力スペクト
    ルに存在したかどうかを決定する、 という段階を備えたことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 プロセッサを備え、該プロセッサは、入
    力と、バックグランドの既知のスペクトルテンプレート
    を有する第１チャンネルと、ターゲットの既知のスペク
    トルテンプレートを有する第２チャンネルと、これらの
    第１及び第２チャンネルを上記入力に接続するフィード
    バック路とを備え、上記多スペクトルの電気−光学入力
    スペクトルは上記入力に送られ、上記段階ｅ）が、 １）上記入力スペクトルを上記第１チャンネルに供給
    し、上記バックグランドの上記スペクトルテンプレート
    を上記入力スペクトルに相関させそして重み付けされた
    バックグラウンドスペクトル信号出力を発生する段階を
    更に有し、 上記段階ｃ）及びｄ）が、 ２）上記入力スペクトルを上記第２チャンネルに供給
    し、上記ターゲットの上記スペクトルテンプレートを上
    記入力スペクトルに相関させそして重み付けされたター
    ゲットスペクトル信号出力を発生する段階を更に有す
    る、 という段階を含む請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 上記バックグランドの相関段階は、上記
    バックグランドのスペクトルテンプレートと上記入力ス
    ペクトルとの対応する帯域を乗算して、乗算されたバッ
    クグランド信号を形成し、上記乗算されたバックグラン
    ド信号の積を加算しそしてその和を積分して第１の相関
    積分出力を形成し、そしてこの第１の相関積分出力をバ
    ックグランドの第２のスペクトルテンプレートに付与す
    るという段階を含み、そして上記ターゲットの相関段階
    は、上記ターゲットのスペクトルテンプレートと上記入
    力スペクトルとの対応する帯域を乗算して、乗算された
    ターゲット信号を形成し、この乗算されたターゲット信
    号の積を加算して第２の相関積分出力を形成し、そして
    この第２の相関積分出力を上記ターゲットの第２のスペ
    クトルテンプレートに付与するという段階を含む請求項
    ２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 上記入力スペクトルは、約２．０ないし
    ５．５ミクロンの波長を含む請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 上記入力スペクトルはサテライトに取り
    付けられた光学センサから導出され、地表面及び対象タ
    ーゲットの像を形成する請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 対象信号の複数のスペクトルテンプレー
    ト及びバックグランドＦ1 、Ｆ2 ・・・Ｆn に対し、次
    の式を解くことにより重み付け係数α1 、α2 ・・・α
    n を各々発生する段階を更に含み、この式はマトリクス
    表示で次の数１のように表され、 【数１】Ｍａ＝ｂ 但し、Ｍはｉ行ｊ列の要素をもつＮｘＮマトリクスであ
    って、次の数２で表されるものであり、 【数２】 そしてａ及びｂはＮ次元ベクトルであって、次の数３で
    表される、 【数３】 請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 バックグランドから多スペクトルの電気
    −光学ターゲットを分離する装置において、 ターゲット及びバックグランドを含む多スペクトルの電
    気−光学入力スペクトルを受け取る入力と、 上記バックグランドを処理する第１チャンネルと、 上記ターゲットを処理する第２チャンネルと、 上記第１及び第２チャンネルの出力を上記入力に相互接
    続するフィードバック路とを備え、上記第１チャネルは、上記バックグラウンドのスペクト
    ルテンプレートと、上記バックグランドのこのスペクト
    ルテンプレート及び入力スペクトルに応答して第１の相
    関信号を発生する第１手段と、この第１の相関信号に応
    答して重み付けされたバックグランド出力を上記フィー
    ドバック路に供給する手段とを備え、そして 上記第２チ
    ャンネルは、上記ターゲットのスペクトルテンプレート
    と、上記タ ーゲットのスペクトルテンプレート及び入力
    スペクトルに応答して第２の相関ターゲット信号を発生
    する第２手段と、この第２の相関ターゲット信号に応答
    して重み付けされたターゲット出力を上記フィードバッ
    ク路に供給する手段とを備え 、その多スペクトルシグネ
    チャをバックグランドから分離することを特徴とする装
    置。
  8. 【請求項８】 上記第１及び第２チャンネルの出力を合
    成する手段と、上記入力に接続されていて、上記合成さ
    れたチャンネル出力を入力スペクトルに繰り返し付与
    し、残留スペクトルを発生するためのフィードバック路
    とを更に備えた請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 上記重み付けされたターゲット出力と、
    上記重み付けされたバックグランド出力とを加算し、そ
    してその和を上記フィードバック路に供給する手段を更
    に備えた請求項７に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 上記第２の相関ターゲット信号を使用
    して、ターゲットが入力スペクトルに存在するかどうか
    を決定する手段を更に備えた請求項９に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 複数の多スペクトルの電気−光学ター
    ゲットが抽出されるものであって、その複数のターゲッ
    トの１つの各々作用する同数の複数の第２チャンネルを
    更に備えた請求項１０に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 上記多スペクトルの電気−光学入力ス
    ペクトルは複数の帯域を有し、各帯域は約２．０ないし
    ５．５ミクロンの範囲である請求項７に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 バックグランド及びターゲットに対す
    るスペクトルテンプレートは、入力スペクトルの場合と
    同数の帯域を含み、そして第１及び第２チャンネルは入
    力スペクトルの帯域に同時に作用する請求項１２に記載
    の装置。
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