JP3922520B2

JP3922520B2 - 天球上で既知の運動をする対象物の検出方法

Info

Publication number: JP3922520B2
Application number: JP2001018431A
Authority: JP
Inventors: 俊夫磯部; 厚中島; 武雄木村; 俊史柳沢
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: JP2002220098A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、恒星追尾モード等の駆動方式で駆動される光学望遠鏡を用いて撮影された画像データから、通常ではノイズに埋もれて検出できない静止軌道上のスペースデブリ等、その運動が推測できる物体を検出可能にするためのデータ処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学望遠鏡を用いて、例えば静止軌道デブリを検出するための望遠鏡の駆動方式としては、（１）望遠鏡を一定の観測方向に固定する固定モード
（２）望遠鏡を恒星追尾で駆動する恒星追尾モード
の二つの方法が一般に用いられている。それほど長くない観測時間内においては、静止軌道上のデブリは天球面上に固定されていると考えてもよい。したがって、固定モードでは、デブリは点像、恒星は線状の像として観測される。恒星追尾モードはこの関係は逆になり、デブリは線状の像、恒星は点像として観測される。
【０００３】
固定モードでは、デブリが点像となるため、デブリからの光子は露出時間中、同一の点に到達する。したがって、長時間露光で観測することにより暗いデブリを検出できる利点がある。しかし、望遠鏡を長時間同一方向に向けたままになっているため、ある領域をサーチするような観測では、多くの時間を必要とするという欠点がある。また、後述するように、ＣＣＤカメラを用いるときは、天空自体のバックグラウンド・ノイズだけでなく、電荷の蓄積に伴うＣＣＤ自体でのノイズの発生のため、長時間露光には限界を生じる。
一方、恒星追尾モードでは、望遠鏡は恒星を追尾することによって赤経方向に対して一時間あたり１５°の範囲を走査することとなるため、広い領域のデブリ検出には有利な方法である。しかし、デブリが線状の像として観測され、暗いデブリの検出が難しいという欠点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、上記のように暗いデブリを検出しようとすると観測に長い時間を必要とし、また、広い領域内のデブリを検出しようとすると、暗いデブリが検出できないという問題があった。
本発明の目的は、暗いデブリ、とくに広範囲の観測に適した恒星追尾モードにおいて、暗いデブリを検出できるデータ処理方法と装置を実現することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の天球上で特定の運動をする対象物、例えば静止軌道上のデブリ等の検出方法は、観測用望遠鏡を所定の駆動法で駆動し、ある時刻ｔ₀から時刻ｔ_Tの間露出して得られる画像データから、特定の運動をする対象物を検出する方法であって、画像の任意のある点Ｐ_xについて、露出開始時刻ｔ₀に観測対象物が点Ｐ_xに結像すると仮定したとき、画像データ上で時刻ｔ₀から時刻ｔ_Tまでの間の対象物の運動軌跡を計算し、求められた軌跡上の画像データを加算することを特徴とする。連続し、あるいは異なる露出開始時刻ｔ _a ，ｔ _b ，‥‥を有するようにし、ある時刻ｔaから観測した画像データＤa上の点Ｐaに観測対象物が結像すると仮定したとき、時刻ｔaから時刻ｔbまでの間の対象物の運動軌跡を計算し、時刻ｔ b から観測した画像データＤb上で、その観測対象物の位置Ｐbを求め、それぞれの画像上での点Ｐa及び点Ｐbから始まる軌跡上の画素データを加算する。
【０００６】
上記の天球上で特定の運動をする対象物が静止軌道上のスペース・デブリである場合、望遠鏡を恒星追尾モードで駆動して得られる画像データにおいて、画像の任意の点Ｐ0について、デブリが時刻ｔ0に存在するとしたとき、時刻ｔ1にそのデブリが移動するであろう点Ｐ1を計算で求め、画像データ上で点Ｐ0と点Ｐlを結ぶ線近傍の画素データを加算する。
【０００７】
上記の検出方法において、上記点Ｐ0と点Ｐlを結ぶ線上の画像データを加算するに先立ち、画像の処理範囲からバックグラウンド・ノイズのレベルを決定し、処理範囲中の高い輝度をもつ天体の像を決定されたノイズのレベルと置き換えることが望ましい。このとき、上記ノイズのレベルの決定は、画像の処理範囲のデータのヒストグラムのピークとなる値を求めることによって行うことが出来る。
【０００８】
上記の観測に用いる天体観測装置において、画像検出装置としてＣＣＤカメラを用いる場合には、上記画像データの点Ｐ₀と点Ｐ_lは上記ＣＣＤの対応位置の画素であり、点Ｐ₀と点Ｐ_lを結ぶ軌跡近傍の画素のデータを加算することによって検出する。
【０００９】
観測に使用される観測装置は、複数のＣＣＤカメラおよび受光するＣＣＤカメラを切り替えるための光路分割装置を備え、１のＣＣＤカメラが外部にデータを転送しているとき、他のＣＣＤカメラが受光するように制御されていることが望ましい。
【００１０】
一般に望遠鏡による天体観測では、ある程度の露出時間をかけて写真撮影を行い、画像データを得る。多くの天体の像は点であるが、天体は運動しているため、露出時間の間に天球上でその位置を変える。そこで望遠鏡も恒星の運動に同期して駆動すると、恒星は画像データ上では、静止した点の像として得られる。これが恒星追尾モードと呼ばれる望遠鏡の駆動方式である。
静止衛星軌道上の物体は、静止衛星も含めほぼ地球の自転と同じ運動をしているため、地上から観測すると短い時間内ではほぼ天球上に固定されている。従って、恒星追尾モードで駆動されている望遠鏡により得られる画像上では、デブリは望遠鏡の駆動運動に従った軌跡を描く。その軌跡は望遠鏡の駆動方式から計算できる。
【００１１】
一般に検出対象物の運動と望遠鏡の運動が同期していないとき、検出対象物の観測画像上での軌跡は、望遠鏡の運動と対象物の運動の相対的なものとなる。両者の運動が判れば、観測画像上での軌跡を計算で求めることが出来る。
検出対象物からの光子は、その軌跡上に分布する。従って、軌跡上のデータを加算すれば、軌跡上に分散していた検出対象物からの光子を集めることが出来、高感度の検出が可能となる。
望遠鏡の駆動が恒星追尾モードであり、検出対象物が静止軌道上のデブリのとき、デブリの軌跡はほぼ直線になる。以下、説明を明確にするため、１例として望遠鏡の駆動を恒星追跡モード、検出対象物を静止軌道上のデブリとして説明する。
【００１２】
デブリ観測において、デブリが検出されるためには、デブリからの光の量Ｓと画像データのバックグラウンド・ノイズＮの比であるＳ／Ｎがある程度大きくなければならない。
そのＳ／Ｎを大きくするためのひとつの方法が固定モードの長時間露光である。固定モードでは、デブリは点像として撮影されるが、この点像をつくるための光子数は、デブリからやってくる毎秒当たりの光子数×露出時間となる。従って、長時間露光すると光の量Ｓが時間と共に増加し、Ｓ／Ｎが高くなり、より暗いデブリも検出可能となる。バックグラウンド・ノイズは観測システム、観測場所に依存する。
【００１３】
デブリの軌跡上にある画素の総数をｎとすると、これを加算すると光量はｎに比例する。一方、バックグラウンド・ノイズもｎ画素分が加算されるが、一般にノイズはランダムの成分を持ち、一般的な理論として総数ｎの加算によりＳ／Ｎはルートｎ倍改善されることが知られている。仮に１００画素のデータを加算するとＳ／Ｎは１０倍改善され、検出不可能なデブリも検出されることになる。
【００１４】
撮像装置としてＣＣＤカメラを用いた場合、概念的には、露出時間に対する対称物からの光子数とバックグラウンド・ノイズの関係は図２のようになる。このバックグラウンド・ノイズには、天空自体からのノイズと、蓄積電荷に由来するＣＣＤにおいて発生するノイズとが重畳されるが、後者のノイズは時間と共に急激に増加する。このため、恒星追尾モードではもちろん、固定モードでも露出時間ｔ2以上ではデブリは検出出来ないこととなる。このため、ＣＣＤの特性に応じ、露出時間はｔ1〜ｔ2の間に設定されなければならない。このような条件下でＳ／Ｎの改善のため実質的に露出時間を大きくするためには、ｔ1〜ｔ2の間の露出時間によって得られた複数の画像データを重畳することが必要となる。固定モードの場合は画像データを加算すれば良いが、恒星追尾モードの場合は、撮影時間の異なる画像データ間において、対象物の運動軌跡の計算から、前の画像データ上の軌跡の延長線上にある対象物の位置を求め、その位置からの画素データを加算しなければならない。
【００１５】
得られた画像データから、デブリの画像データを取り出すには、恒星などの画像データを消去しておくことが望ましい。一般に星像の出力は大きく、殊にもデブリの像が星像の近辺を通過する場合は、その影響が大きくなるので、これを上記のデブリの画像データの加算前に消去しておくことが望ましい。すなわち、予め強い点像の出力をバックグラウンド・ノイズの平均レベルに置き換えておくことが望ましい。しかし、星像からの信号強度は高く、撮影領域内の強度平均によってノイズ平均値を求めることは出来ない。しかし、撮影領域内で星像が占める割合は極めて小さく、ヒストグラムのピークとなる値からノイズレベルを求めることが出来る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明をＣＣＤカメラとデータ処理用のコンピュータで実施する場合のプログラムによる処理手順を示すフローチャートである。
観測光学系とＣＣＤカメラの受光面積とＣＣＤのピクセル数、大きさ、光学系へのマウント方向および露出時間が決まれば、恒星追尾モードで撮影したときの撮影画像上での移動方向とその長さｌ、すなわちベクトルｖとして決定できる。もし、静止軌道上の衛星もしくはスペース・デブリが撮影されていれば、その像は上記の移動方向へ長さｌの線となる。
【００１７】
処理は、まずＣＣＤカメラにより撮影された画像データの処理範囲と処理した結果を格納する領域Ａを確保する。そして、処理範囲内の画像データのヒストグラムを作成する。ヒストグラムは、バックグラウンド・ノイズの平均値付近がピーク値となる。この値を基準にして、星像の領域を抽出する。星像を抽出後、この領域のデータをヒストグラムのピークとなる値に書き換える。この処理までが、前処理となる。
【００１８】
前処理が終わった後、まず、処理範囲内の一画素を選択する。選択された画素を始点として、画像上に上記ｔ₁〜ｔ₂の間の適当な露出時間ｔに対応するベクトルｖを引く。そして、このベクトルｖが引かれた画素の出力データの加算値を求める。もし、このベクトルｖの下にスペース・デブリの像が撮影されていれば、この加算値はバックグラウンド・ノイズの加算値よりも大きくなる。この加算値は、選択した観測画像の画素に対応する確保領域Ａの場所に格納する。この処理は処理範囲内のすべての画素で行う。すべての画素での処理が終了すると、領域Ａは、新たな画像データとなる。
もし、処理範囲内に静止軌道帯のスペース・デブリがあれば、ベクトルｖと同じ方向の線状の画像となる。この線状の画像の特徴は、線状のほぼ中央に値のピークが現れる。このピークの点が撮影開始時のスペース・デブリの存在した位置となる。
【００１９】
観測用光学望遠鏡の構成例の１つを図４に示す。▲１▼ＣＣＤカメラを用いた場合、上述のように或る露出時間を越えると急激にノイズが増えるという特性をも持つため、露出時間をあまり長くすることが出来ない。▲２▼露出時間が長いとデブリの軌跡も長くなり、同一画素に別のデブリがオーバーラップして撮影される可能性が高くなる。と云う２つの理由によって、観測は撮影−画像データ転送のサイクルの繰返しで行われる。一般に天体観測用のＣＣＤカメラでは、データ転送中はＣＣＤカメラのシャッターを閉じ、外部からの光が入らないようにしておく必要があり、転送中は観測が出来ない。
このため、図４のように、望遠鏡に複数、例えば２台のＣＣＤカメラを配設するとともに、望遠鏡からの光路に、光路切り換え用の可動平面鏡、あるいは半透明鏡などの光路の分割装置を設け、１のＣＣＤカメラが外部にデータを転送しているとき、他のＣＣＤカメラが受光するようにするのが有利である。これによって、恒星追尾モード、固定モードを問わず、観測時間にロスがなくなり、デブリからの到達光子を有効に集めることが出来る。
【００２０】
【発明の効果】
通信衛星、気象衛星など静止衛星軌道帯の利用が盛んに行われており、それに伴いデブリも指数関数的に増加し、運用衛星とデブリの衝突の確率が増大している。今後の宇宙開発にとって、常時、静止衛星軌道帯のデブリ観測が必要になる。本発明により効率のよいデブリ観測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の観測装置の全体構成の１例を示すブロック図である。
【図２】露出時間とバックグラウンドおよび天体からの光子数の関係を示す概念図である。
【図３】本発明の観測装置の制御プログラムの１例を示すフローチャートである。
【図４】複数のＣＣＤカメラを備えた観測装置の構成の１例を示す概念図である。

Claims

天体観測において、望遠鏡を所定の駆動法で駆動し、ある時刻ｔ₀から時刻ｔ_Tの間露出して得られる画像データから、特定の運動をする対象物を検出する方法であって、露出開始時刻ｔ₀に観測対象物が画像上の任意のＰxに結像すると仮定したとき、時刻ｔ₀から時刻ｔ_Tまでの間の対象物の画像データ上での運動軌跡を計算し、該軌跡上の画素データを加算することにより、ノイズに埋もれている対象物を抽出することを特徴とする天球上で特定の運動をする対象物の検出方法。
請求項１の方法において、異なる露出開始時刻ｔ _a ，ｔ _b ，‥‥を有するようにし、ある時刻ｔaから観測した画像データＤa上の点Ｐaに観測対象物が結像すると仮定したとき、時刻ｔaから時刻ｔbまでの間の対象物の運動軌跡を計算し、時刻ｔ b から観測した画像データＤb上で、その観測対象物の位置Ｐbを求め、それぞれの画像上での点Ｐa及び点Ｐbから始まる軌跡上の画素データを加算することを特徴とする天球上で特定の運動をする対象物の検出方法。
運動軌跡の始点Ｐ_０と運動軌跡の終点Ｐ_１を結ぶ線上の画素データを加算するに先立ち、画像の処理範囲からノイズのレベルを決定するステップと、高い輝度をもつ天体の像の出力レベルを前記ノイズのレベルと置き換えるステップとを含む前処理を施すことを特徴とする請求項１ないし請求項２の何れかに記載の天球上で特定の運動をする対象物の検出方法。
ノイズのレベルの決定は、画像の処理範囲のデータのヒストグラムのピークとなる値を求めることによって行われることを特徴とする請求項３に記載の天球上で特定の運動をする対象物の検出方法。
画像検出装置としてＣＣＤカメラを用いる天体観測装置において、時刻ｔ₀から時刻ｔ_Tの間の露出時間はバックグランドノイズとの関係でＳ／Ｎのよい時間に設定するものである請求項１乃至４のいずれかに記載の天球上で特定の運動をする対象物の検出方法。