JP4066814B2

JP4066814B2 - 人工衛星搭載環境観測装置

Info

Publication number: JP4066814B2
Application number: JP2003004021A
Authority: JP
Inventors: 信一上野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2023-01-10
Also published as: JP2004219129A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
人工衛星に光学センサを搭載し地球の画像を取得し、地球表面の短期的、長期的環境変動を検出する環境観測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星搭載光学センサを用いた地球の環境観測に関しては、全地球的規模という広域の観測が可能であること、衛星が地球を周回することにより周期性のある観測が可能であること、人工衛星に搭載された同一センサにより均一かつ継続性のある観測が可能であること、などから既に多くの人工衛星搭載光学センサが打ち上げられ観測データが取得されていることは周知のところである。
【０００３】
地表上にある土壌・岩石・植生・水などの物質毎に異なる太陽光の反射・吸収・透過特性を示す。この特性を得るため、人工衛星搭載光学センサでは光を複数の波長帯域に分けるすなわち分光を行い、それぞれの波長帯での光の強度を観測している。このような光学センサの分光方法として、可視近赤外波長領域を連続かつ狭波長領域の超多バンドに分光して観測するいわゆるハイパースペクトルセンサがある（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】
Thomas M. Lillesand and Ralph W. Kiefer著「REMOTE SENSING AND IMAGE INTERPRETATION」，third edition，John Wiley & Sons, Inc, p.413-422
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来までのハイパースペクトル型環境観測装置においては、太陽光の地表での反射光を測定するため、地表輝度が測定できないため、定量的に測定できないという問題があった。
【０００６】
また、従来までのハイパースペクトル型環境観測装置においては、太陽光の地表での反射光を測定するため、地表が太陽光に照らされていない夜間は測定できないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ハイパースペクトル型地球観測装置における絶対量測定の精度向上を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる環境観測装置は、地表からの観測光を集光する集光光学系と、前記集光光学系から導かれた観測光を可視近赤外領域において複数の狭波長領域に分光し、かつ前記分光された複数の波長領域が略連続である分光光学系と、前記分光光学系から導かれた光を光電変換する検出部と、前記検出部から出力された電気信号を処理する信号処理回路からなる光学センサと、パルスレーザ光を出射するレーザ送信部と、前記パルスレーザ光の出射方向を調整するレーザ送信光学系と、前記レーザ送信光学系から出射されたレーザ光の後方散乱光を観測するレーザ受信光学系と、前記レーザ受信光学系から導かれたレーザ光を光電変換するレーザ光検出部と、からなるレーザレーダ装置を、同一の人工衛星に搭載し、レーザレーダのレーザ送信視野及び受信視野と光学センサの集光光学受信視野を地球上で重ねる構成とした。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１による環境観測装置の構成を示すものである。
光学センサ１０とレーザレーダ装置２０は同一の人工衛星３０に搭載されている。光学センサ１０は地球５０から放射光または反射光を集光する光学センサ集光光学系１、光学センサ集光光学系１で集光された光を複数の狭波長帯域のバンドにかつバンドがほぼ連続した光に分光する光学センサ分光光学系２、光学センサ分光光学系１で分光された光を光電変換する光学センサ検出部３、光学センサ検出部３の出力電気信号を処理する光学センサ信号処理回路４から構成されている。光学センサ信号処理部４の出力電気信号は人工衛星３０を経由して地球５０に設置された受信局に伝送される。レーザレーダ装置１５は、送信レーザ光を発生させ、かつその強度をモニタする機能を持ったレーザ送信部１１、レーザ送信部１１で発生した光を所望の方向に出射させるレーザ送信光学系１２、レーザ送信部１２から出射されたレーザ光の後方散乱光及び反射光を集光するレーザ受信光学系１３、レーザ受信光学系１３で集光された光のうち出射したレーザ光付近の光を透過させるレーザレーダ分光光学系１４、レーザレーダ分光光学系１４で分光された光を光電変換するレーザレーダ検出部１５、レーザレーダ検出部１５の出力電気信号を処理するレーザレーダ信号処理部１６から構成されている。レーザレーダ信号処理部１６からの出力電気信号は人工衛星３０を経由して地球５０に設置された受信局に伝送される。また光学センサ１０の光学センサ観測光受信視野２１及び、レーザレーダ装置２０の送信視野２２及び受信視野２３を地球５０上で重ねることで、ほぼ同一の地球５０上の場所を観測する構成となっている。
【００１０】
次に、動作について説明する。
レーザレーダ装置２０が送信するレーザ光は地球上の観測対象の吸収波長帯域とほぼ同一の波長（例えば光合成I系クロロフィルの二量体を観測するのであれば波長７００ｎｍ付近、光合成II系クロロフィルaを観測するのであれば、波長６８０ｎｍ付近）に設定してある。そのためレーザレーダ装置を出射したレーザ光が地球５０に照射されると、地上に観測物がある場合はレーザ光の一部が吸収される。観測対象に吸収された光は一定時間後に、蛍光と呼ばれる光を放出する。この蛍光は空間を伝搬し、光学センサ１０の光学センサ集光光学系１により集光され、光学センサ分光光学系２を経由し光学センサ検出部３により電気信号として検出される。このとき光学センサ分光光学系２を経由するため、観測対象の蛍光のスペクトル分布を各波長帯毎の電気信号強度として観測する。
【００１１】
図２で示すように、蛍光は吸収光の波長より一般的に長波長（クロロフィルａであれば６８５ｎｍ付近）にピークを持つスペクトル分布を持つ光となる。蛍光量は吸収により変化するが、本実施例１ではレーザ送信部１２にて出射レーザ光強度が測定されているため、レーザ光強度と蛍光強度を定量的に観測することができる。このため、観測対象の状態（たとえば観測対象が植物に含まれるためクロロフィルａであれば、植物の生育状況）を定量的に知ることができる。
【００１２】
前述したように、レーザ光の波長は観測物に応じて変更する必要がある。観測対象が複数の場合は、レーザ発振波長の異なる複数のレーザ送信部をレーザレーダ装置２０に搭載してもよいし、またＴｉ:サファイアレーザに代表される可視波長領域波長帯で連続的に波長を変更できる波長可変レーザを搭載しても構わない。
【００１３】
また、蛍光強度スペクトル分布を得るためには、分光方式として狭帯域かつ連続的に分光できる方法が必要である。このような分光方式として、プリズム分光方式、回折格子分光方式、楔ガラス分光方式などがある。
【００１４】
本実施の形態によれば、太陽光吸収による蛍光測定のように太陽光強度が不明ではなく、出射強度が明確なレーザ光強度および観測対象の蛍光強度を観測することにより、観測対象の状態を高精度かつ定量的に観測することが可能である。
【００１５】
また、実施の形態１によれば、太陽光の反射光ではなく、自ら出射するレーザ光を用いて観測するため、夜間でも観測可能という利点もある。
【００１６】
また、昼間時に置いてはレーザレーダ装置２０が持つエアロゾル観測、測距機能及び光学センサの持つ地表観測機能を有することはいうまでもない。
【００１７】
また、レーザレーダ装置２０の出射レーザ強度と受信レーザ強度の測定が可能である。レーザ光と蛍光の波長はほぼ同じであるため、蛍光の大気中での減衰を高精度に算出できるという利点もある。
【００１８】
実施の形態２．
図３は実施の形態２による環境観測装置の構成を示すものである。なお、実施の形態１と同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００１９】
実施の形態１では光学センサ１０とレーザレーダ装置２０は同一の人工衛星３０に搭載されていたが、図３の実施の形態２では光学センサ１０及びレーザレーダ装置２０がそれぞれ別個の人工衛星３０ａ, 人工衛星３０ｂに搭載されている。
【００２０】
観測対象の蛍光は等方的に放射されるため、光学センサ１０とレーザレーダ装置２０を別個の人工衛星３０ａ, 人工衛星３０ｂに搭載し、別個の方向から観測しても地表のほぼ同一点を観測するかぎり、実施の形態１と同様な効果が期待できる。加えて、レーザレーダ装置２０のレーザ光送信視野２２と光学センサ観測光受信視野２１の光軸方向を変えることにより、光学センサ１０に入射するレーザレーダ装置２０の出射レーザ光の地表面での正反射成分の寄与が低減でき、光学センサ１０で観測する蛍光強度の精度を上げることが可能となる。
【００２１】
実施の形態３．
図４は実施の形態３による環境観測装置の構成を示すものである。なお、実施の形態１と同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００２２】
実施の形態１では光学センサ１０とレーザレーダ装置２０は単一の人工衛星３０に搭載されていたが、実施の形態３では光学センサ１０とレーザレーダ装置２０を同一の人工衛星３０に搭載した複数の人工衛星３０ａ, 人工衛星３０ｂに搭載されている。
【００２３】
実施の形態３によれば、実施の形態１及び２と同様な効果が得られることは言うまでもない。加えて、一方人工衛星３０に搭載された光学センサ１０またはレーザレーダ装置２０が故障しても、他方の人工衛星が健全であれば、実施の形態２の効果が得られるという利点がある。
【００２４】
【発明の効果】
この発明による環境観測装置では、以上で述べたように、自ら出射するレーザ光を用いて観測するため、夜間でも観測可能であるとともに、太陽光吸収による蛍光測定のように太陽光強度が不明ではなく、出射強度が明確なレーザ光強度および観測対象の蛍光強度を観測することにより、観測対象の状態を高精度かつ定量的に観測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示す図である。
【図２】観測対象の吸収光及ぶ蛍光の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態３を示す図である。
【符号の説明】
１光学センサ集光光学系、２光学センサ分光光学系、３光学センサ検出部、４光学センサ信号処理部、１０光学センサ、１１レーザ送信部、１２レーザ送信光学系、１３レーザ受信光学系、１４レーザレーダ分光光学系、１５レーザレーダ検出部、１６レーザレーダ信号処理部、２０レーザレーダ装置、２１光学センサ観測光受信視野、２２レーザレーダ装置送信視野、２３レーザレーダ装置受信視野、３０人工衛星、５０地球

Claims

地球上の観測対象の吸収波長帯域とほぼ同一の波長のレーザ光を発生させかつ前記レーザ光強度をモニタする機能を持ったレーザ送信部、前記レーザ送信部で発生した光を所望の方向に出射させる送信光学系、前記送信光学系から出射されたレーザ光の後方散乱光及び反射光を集光する受信光学系、前記受信光学系で集光された光のうち出射したレーザ光付近の光を透過させるレーザ分光光学系、前記分光光学系で分光された光を光電変換する検出部、前記検出部の出力電気信号を処理する信号処理部から構成される前記レーザレーダ装置を搭載した人工衛星と、
前記レーザ光の一部を吸収した前記観測対象が放出する蛍光を集光する集光光学系、前記集光光学系で集光された光を複数の狭波長帯域のバンドに分光しかつ前記バンドがほぼ波長領域で連続した分光光学系、前記分光光学系で分光された光を光電変換する検出部、前記検出部の出力電気信号を処理する信号処理回路から構成されている光学センサを搭載した人工衛星と、
から構成され、
前記光学センサの観測光受信視野の光軸方向は、前記レーザレーダ装置のレーザ光送信視野と異なる光軸方向にあって、前記光学センサの観測光受信視野、及び前記レーザレーダ装置の送信視野及び受信視野を地球上でほぼ重ね、ほぼ同一の地球上の場所を観測することを特徴とする人工衛星搭載環境観測装置。
前記レーザ送信部のレーザ発振波長が複数であり、かつ発振波長の切り替えが可能であることを特徴とする請求項１記載の人工衛星搭載環境観測装置。
前記レーザ送信部のレーザ発振波長として６８０ｎｍを含むことを特徴とする請求項１、２いずれか記載の人工衛星搭載環境観測装置。
前記レーザ送信部のレーザ発振波長として７００ｎｍを含むことを特徴とする請求項１、２いずれか記載の人工衛星搭載環境観測装置。
前記光学センサの分光光学系としてプリズム分光方式を用いたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の人工衛星搭載環境観測装置。
前記光学センサの分光光学系として回折格子分光方式を用いたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の人工衛星搭載環境観測装置。
前記光学センサの分光光学系として楔ガラス分光方式を用いたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の人工衛星搭載環境観測装置。