JP4016113B2

JP4016113B2 - ２波長赤外線画像処理方法

Info

Publication number: JP4016113B2
Application number: JP2004352501A
Authority: JP
Inventors: 壽洋岡村; 満宏長嶋
Original assignee: 防衛省技術研究本部長
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2024-12-06
Also published as: JP2006162369A

Description

本発明は、距離が不明な目標から放射され、大気を伝搬して減衰した２波長赤外線を２波長赤外線カメラで撮像し、２波長赤外線画像処理を行うことで、１波長では不可能な、目標の正確な温度分布を求めることが可能な２波長赤外線画像処理方法に関するものである。

一般的に、赤外線画像センサを用いて赤外線放射率が既知の目標の温度分布を測定するためには、目標からの赤外線を赤外線センサで捉え、センサの各画素が捉えた目標の赤外線放射量を測定するとともに、大気の減衰率及び目標までの距離から赤外線の減衰量を算出し、測定した赤外線放射量にその減衰量を加算して、目標の放出する正確な赤外線放射量から目標の温度分布を求めなければならない。つまり、大気の赤外線減衰率及び目標までの距離が既知でなければ、目標の温度分布を正確に測定することができない。

しかしながら、野外測定においては、大気の赤外線減衰率及び目標までの距離を正確に求めることが困難な場合が多く、その場合には、赤外線減衰率及び目標までの距離を概略値に設定することで、目標の温度を測定していた。しかしながら、この方法では誤差が大きく目標の温度並びに温度分布を正確に求めることは困難であった。

なお、２波長赤外線画像を取得する装置としては、下記特許文献１などが知られているが、距離が不明な目標から放射された２波長赤外線の画像処理により、目標の正確な温度分布を求めることを目的としたものは見当たらない。

特開平９−１６６４００号公報「２波長分離光学系による２波長赤外線画像ホーミング装置」

本発明は、上記の様な課題を解決するためになされたものであり、異なった２波長帯域の赤外線を用いることで、大気の赤外線減衰率及び目標までの距離が不明であっても、２波長赤外線帯域の減衰率の比が既知であれば、目標の温度、さらには温度分布を正確に求めることが可能な２波長赤外線画像処理方法を提供することを目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本発明に係る２波長赤外線画像処理方法は、２波長赤外線カメラで撮像する目標までの大気が同一温湿度で均一で、赤外線放射強度が大気中を指数関数的に減少し、かつ２波長それぞれの赤外線大気減衰率が異なるとともに、それぞれの赤外線大気減衰率の比が一定の既知の値であると仮定して下記(1)式、(2)式、(3)式を導き、
Ｓ_１＝Ａ_１exp（−ｋ_１Ｌ） (1)
Ｓ_２＝Ａ_２exp（−ｋ_２Ｌ） (2)
ａ＝ｋ_１／ｋ_２ (3)
｛但し、Ａ_１：目標から放射された直後の第１の波長の赤外線放射強度、Ａ_２：目標から放射された直後の第２の波長の赤外線放射強度、Ｓ_１：大気伝搬後の減衰した２波長赤外線カメラに入射する直前の前記第１の波長の赤外線放射強度、Ｓ_２：大気伝搬後の減衰した２波長赤外線カメラに入射する直前の前記第２の波長の赤外線放射強度、Ｌ：伝搬距離、ｋ_１：前記第１の波長の赤外線大気減衰率、ｋ_２：前記第２の波長の赤外線大気減衰率（ｋ _１ ≠ｋ _２）｝
上記(1)式、(2)式、(3)式から伝搬距離Ｌ、減衰率ｋ_１、ｋ_２を消去して
Ａ_１／(Ａ_２)^ａ＝Ｓ_１／(Ｓ_２)^ａ (4)
を導き、
前記２波長赤外線カメラで撮像した目標画像の画素又は画素群毎に得た上記(4)式の右辺の観測値と、前記赤外線放射強度Ａ_１及びＡ_２についての目標温度Ｔ（絶対温度）を含むプランクの式から、前記目標温度Ｔを算出する２波長演算処理を行うことにより、前記目標の温度分布を算出することを特徴としている。

また、前記２波長演算処理において、前記２波長のうちの少なくとも一方の赤外線大気減衰率に基づいて、前記目標までの距離を算出する構成とすることも可能である。

本発明に係る２波長赤外線画像処理方法によれば、目標までの距離が不明で、かつ大気の赤外線減衰率が不明であっても２波長の赤外線帯域のそれぞれの大気の減衰率の比が既知であれば、２波長赤外線カメラで撮像した目標の各画素毎（又は各画素群毎）に温度を求めることにより、目標の温度分布を正確に求めることができる。また大気の減衰率が既知の場合は、目標までの距離を求めることも可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、２波長赤外線画像処理方法の実施の形態を図面に従って説明する。

図１及び図２は本発明に係る２波長赤外線画像処理方法の実施の形態であって、図１は目標１から放射された２波長帯域の赤外線４，５が、大気２により減衰を受け、２波長赤外線カメラ３に入射されるときの説明図、図２は目標１から放射された直後と赤外線カメラ３に入射する直前の２波長の赤外線４，５の放射強度を示す説明図である。なお、説明を簡略化するために目標１の赤外線放射率を１（黒体）と仮定する。また、２波長赤外線カメラ３は２波長帯域の赤外線画像を同一画角、同一画素数で取得するものである。２波長赤外線カメラ３の後段には、該カメラ３からの出力画像を取り込んで、２波長赤外線カメラのそれぞれの帯域における対応画素毎に（２波長出力画像のそれぞれの対応画素毎に）それぞれの出力値と２波長赤外線の大気減衰率の比から、目標の温度分布（画素に対応した目標部分の温度）を求める２波長演算処理手段６が設けられている。

図１において目標１から波長λ01の赤外線４及び波長λ23の赤外線５が放射されているものとする。それぞれの赤外線は、伝搬距離Ｌだけ伝搬し、２波長赤外線カメラ３で検出するものとする。大気２を伝搬中に、それぞれの大気減衰率ｋ_１及びｋ_２により、赤外線が減衰するものとする。

図２に減衰前後の赤外線放射強度を示す。Ａ_１を目標１から放射された直後の波長λ01の赤外線放射強度、Ａ_２を目標１から放射された直後の波長λ23の赤外線放射強度、Ｓ_１を大気伝搬後の減衰した２波長赤外線カメラ３に入射する直前の波長λ01の赤外線放射強度、Ｓ_２を大気伝搬後の減衰した２波長赤外線カメラ３に入射する直前の波長λ23の赤外線放射強度とする。

大気が同一温湿度で均一と仮定すれば、減衰率ｋ_１及びｋ_２は一定であり、赤外線が距離Ｌだけ伝搬したとすると、(1)式及び(2)式が成立する。

(1)式及び(2)式は赤外線放射強度が大気中を指数関数的に減少することを示している。

(1)式及び(2)式における減衰率ｋ_１とｋ_２の比をａとおくと

(1)式、(2)式、(3)式から伝搬距離Ｌ、減衰率ｋ_１、ｋ_２を消去すると

(4)式において、２波長赤外線カメラに入射する直前の赤外線放射強度Ｓ_１、Ｓ_２は２波長赤外線カメラを用いて測定可能な値である。また(3)式の減衰率ｋ_１及びｋ_２は大気の状態（温度・湿度等）で変動する値であるが、それぞれの変動率は経験的に等しいと考えられるため、その比ａは一定の既知の値と考えられる。そこで

Ｓを(5)式のように定義するとＳは観測値であり、既知である。そこで(4)式は

とおくことができる。

次に２波長赤外線カメラ３の感度を図３の様に仮定する。２波長赤外線カメラにおいて、短波長側の感度は波長λ0〜λ1の範囲にある。また長波長側の感度は波長λ2〜λ3の範囲にある。この波長範囲において、それぞれの赤外線大気減衰率ｋ_１、ｋ_２は一定とする（変動する場合は、平均をとる）。また波長λに対する赤外線カメラの感度をｗ(λ)とする。目標温度をＴ（絶対温度）とおくと、大気減衰が無い場合（Ｌ＝０）の２波長赤外線カメラが測定する赤外線放射強度は、それぞれＡ_１及びＡ_２と一致するので、プランクの式から、

(7)式及び(8)式を計算の簡略化のためＴの多項式で近似すると、

ここで、Ａ_１及びＡ_２はそれぞれm1次数（m1：正整数）、m2次数（m2：正整数）のＴの多項式関数となるが、(9)式及び(10)式の係数ａ_ｉ及びｂ_ｊは、実験室内（Ｌ＝０と見なすことができる）で温度Ｔを変えながら目標を２波長赤外線カメラで撮像し、その時の温度に対応するＡ_１及びＡ_２を測定し、最小二乗法から決定することができる。またm1及びm2は十分満足な近似が可能な値として設定するものとする。

(9)式及び(10)式を(6)式に代入すると

(11)式において、ａ_ｉ、ｂ_ｊ、ａ、Ｓは既知であるから、(11)式は非線形方程式を解くためのアルゴリズムとして知られるニュートン法または二分法を用いて目標温度Ｔに関して解くことができる。つまり、目標を撮像した２波長赤外線カメラの２波長出力画像における対応する画素同士の出力値を処理することにより、目標の正確な温度分布（各画素に対応した目標部分の温度）を求めることができる。

なお、目標の赤外線放射率εが既知であり１より小さい場合は、プランクの式等を用いて黒体の温度から目標の温度に容易に換算することができる。

図１及び図２の実施の形態においては、２波長演算処理手段６が２波長赤外線カメラ３の観測値Ｓ_１、Ｓ_２を取り込み、(5),(6),(11)式を演算することで、目標画像の画素毎に目標温度Ｔを求めることができる。なお、１画素毎に目標温度Ｔを演算する代わりに、隣接する複数画素を１つの画素群と考えて、画素群毎に目標温度Ｔを演算するようにしてもよい。

以上の方法で目標温度Ｔを求めることができるが、(9)式からＡ_１が求まり、ｋ_１が大気伝搬中一定で既知であれば、(1)式を変形して、

(12)式から目標までの距離Ｌを求めることができる。本実施の形態においては、２波長演算処理手段６で減衰率ｋ_１を既知として(12)式を演算することで距離Ｌを得ることができる。なお、減衰率ｋ_２が既知であれば、Ａ_１，Ｓ_１，ｋ_１の代わりにＡ_２，Ｓ_２，ｋ_２を用いて距離Ｌを求めることができる。

この実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) ２波長赤外線カメラ３で撮像した目標画像の画素又は画素群毎に、２波長演算処理手段６によって２波長演算処理（観測値Ｓ_１、Ｓ_２を用いた(5),(6),(11)式の演算）を行うことにより、目標１までの距離Ｌ及び２波長それぞれの赤外線大気減衰率ｋ_１，ｋ_２が不明でも、前記２波長の赤外線大気減衰率の比ａを一定の既知の値として、目標１の温度分布を算出することが可能である。

(2) 前記２波長演算処理において、前記２波長のうちの少なくとも一方の赤外線大気減衰率ｋ_１又はｋ_２が既知である場合、目標１までの距離Ｌを算出することが可能である。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る２波長赤外線画像処理方法の実施の形態であって、目標から放射された２波長帯域の赤外線が、大気により減衰を受け、２波長赤外線カメラに入射される場合の説明図である。本実施の形態において、目標から放射された直後と赤外線カメラに入射する直前の２波長の赤外線の放射強度を示す説明図である。２波長赤外線カメラのそれぞれの波長帯域における感度曲線を示すグラフである。

符号の説明

１目標
２大気
３２波長赤外線カメラ
４，５赤外線
６２波長演算処理手段
Ｌ伝搬距離

Claims

２波長赤外線カメラで撮像する目標までの大気が同一温湿度で均一で、赤外線放射強度が大気中を指数関数的に減少し、かつ２波長それぞれの赤外線大気減衰率が異なるとともに、それぞれの赤外線大気減衰率の比が一定の既知の値であると仮定して下記(1)式、(2)式、(3)式を導き、
Ｓ_１＝Ａ_１exp（−ｋ_１Ｌ） (1)
Ｓ_２＝Ａ_２exp（−ｋ_２Ｌ） (2)
ａ＝ｋ_１／ｋ_２ (3)
｛但し、Ａ_１：目標から放射された直後の第１の波長の赤外線放射強度、Ａ_２：目標から放射された直後の第２の波長の赤外線放射強度、Ｓ_１：大気伝搬後の減衰した２波長赤外線カメラに入射する直前の前記第１の波長の赤外線放射強度、Ｓ_２：大気伝搬後の減衰した２波長赤外線カメラに入射する直前の前記第２の波長の赤外線放射強度、Ｌ：伝搬距離、ｋ_１：前記第１の波長の赤外線大気減衰率、ｋ_２：前記第２の波長の赤外線大気減衰率（ｋ _１ ≠ｋ _２）｝
上記(1)式、(2)式、(3)式から伝搬距離Ｌ、減衰率ｋ_１、ｋ_２を消去して
Ａ_１／(Ａ_２)^ａ＝Ｓ_１／(Ｓ_２)^ａ (4)
を導き、
前記２波長赤外線カメラで撮像した目標画像の画素又は画素群毎に得た上記(4)式の右辺の観測値と、前記赤外線放射強度Ａ_１及びＡ_２についての目標温度Ｔ（絶対温度）を含むプランクの式から、前記目標温度Ｔを算出する２波長演算処理を行うことにより、前記目標の温度分布を算出することを特徴とする２波長赤外線画像処理方法。
前記２波長演算処理において、前記２波長のうちの少なくとも一方の赤外線大気減衰率に基づいて、前記目標までの距離を算出する請求項１記載の２波長赤外線画像処理方法。