JP5029417B2

JP5029417B2 - 観測装置

Info

Publication number: JP5029417B2
Application number: JP2008044751A
Authority: JP
Inventors: 孝典西川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP2009205279A

Description

この発明は、時間遅延積分（ＴＤＩ：Time Delay and Integration）型検出器を具備した空間航行体により、地表面の観測を行う観測装置に関するものである。

空間航行体による地表面の観測は高分解能化が進んでおり、それに伴い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の向上が課題となっている。そこで、複数の１次元ＣＣＤによる光検出器をの出力を加算し、信号を合成する時間遅延積分（ＴＤＩ）方式を採用することにより、光学系の口径を増加させずにＳ／Ｎを向上させることが可能であることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。

徳田武朋他、"ＴＤＩ手法を用いたＣＣＤカメラのＳ／Ｎ向上の実験と解析"、電子情報通信学会技術研究報告.EID、電子ディスプレイ、Vol.104,No.329 pp37-40（図2）

空間航行体にＴＤＩ型検出器を設けて地上観測を行う場合、ＴＤＩ型検出器の信号レベルはＴＤＩ段数によって調整される。一方、空間航行体の姿勢変更に伴う地表面分解能の変化により、ＴＤＩ型検出器の積分時間が変化し、信号レベルが変わってしまうという問題があった。この場合、空間航行体におけるＴＤＩ段数の設定は離散的であるため、ＴＤＩ段数のみの調整では信号レベル変化を精度良く補償することができない。このため、取得した画像性能が空間航行体の姿勢や要求される分解能などの撮影条件によって変化してしまうという問題があった。なお、この現象は、ＴＤＩ段数の切替え前後において特に顕著となる。

この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、空間航行体の姿勢変更時やＴＤＩ段数に依らず、ＴＤＩ型検出器において受光される信号量を目標とする一定レベルに維持することを目的とする。

この発明による観測装置は、複数の１次元ＣＣＤが複数段配列されて構成される時間遅延積分型検出器を具備した空間航行体を、当該時間遅延積分型検出器の視線角度を変化させながら１次元ＣＣＤの配列方向に航行させて、地上観測を行う観測装置であって、上記時間遅延積分型検出器の視線角度に基づいて、地表面における観測対象の撮像に要する分解能を求める分解能算出部、上記時間遅延積分型検出器の視線角度に基づいて、時間遅延積分型検出器における１次元ＣＣＤの使用段数を選択する段数選択部、および上記分解能算出部で求められた分解能、および上記段数選択部で選択された使用段数に基づいて、積分時間が一定となるように観測対象の地表面における所望の移動速度を決定する地表面移動速度算出部、から構成された観測立案装置と、上記空間航行体の時間遅延積分型検出器にて、観測対象を撮像するときの地表面の移動速度が上記観測立案装置にて決定された所望の移動速度となるように、当該所望の移動速度および１次元ＣＣＤの使用段数を空間航行体に対して送信する送信装置とを備えたものである。

この発明によれば、空間航行体の姿勢条件やＴＤＩ型検出器のＴＤＩ段数に依らず、ＴＤＩの積分時間を一定にした観測が可能であり、ＴＤＩ型検出器にて受光される信号量を目標とする一定レベルに維持し、所望の画像性能を維持することが可能となる。

実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。
図１は実施の形態１による観測装置の構成を示す図である。図において、観測装置は、地上に設置された観測立案装置１と送信装置５を備えて構成される。また、観測装置は、地上の送信装置５と通信することが可能で、宇宙空間を航行する人工衛星やスペースプレーンのような空間航行体６を備えている。空間航行体６は、受信装置７と、姿勢制御装置８と、ＴＤＩ型検出器９を備える。観測立案装置１は、分解能算出装置２と、ＴＤＩ段数選択装置３と、移動速度算出装置４を備えている。ＴＤＩ型検出器９は、光検出器アレイを１次元方向に並べて構成される１次元ＣＣＤ（リニアアレイセンサ）を、複数段具備して成る時間遅延積分型検出器である。姿勢制御装置８は、スターセンサやジャイロなどの姿勢角検出センサ（図示せず）で検出される姿勢角度に基づいて、空間航行体６の姿勢を慣性空間に対する所望方向に精度良く指向させるように、リアクションホールやモーメンタムホイールなどのアクチュエータ（図示せず）を制御する。ＴＤＩ型検出器９は、光検出器アレイのアレイ方向に垂直な方向に、１次元ＣＣＤを所定の間隔で複数段配列して構成される。ＴＤＩ型検出器９は、空間航行体６の航行により、その視線角度を１次元ＣＣＤの配列方向に変化させながら撮像を行う。なお、ＴＤＩ型検出器９の素子構造については、例えば特開２００３−１７９２２１に開示されているので、ここでは説明を省く。

分解能算出装置２は、ＴＤＩ型検出器９の視線角度に基づいて、地表面における観測対象の撮像に必要なＴＤＩ型検出器９の分解能を求める。ＴＤＩ段数選択装置３は、ＴＤＩ型検出器９の視線角度に基づいて、ＴＤＩ型検出器９における１次元ＣＣＤの使用段数（ＴＤＩ段数）を選択する。移動速度算出装置４は、ＴＤＩ段数選択装置３で選択されたＴＤＩ段数および分解能算出装置２で求められたＴＤＩ型検出器９の分解能に基づいて、空間航行体のＴＤＩ型検出器９から観測対象を撮像する際に必要となる、地表面の移動速度を求める。送信装置５は、観測立案装置１における、地表面の移動速度を含む計算結果を空間航行体に伝送する。空間航行体６に搭載された受信手段７は、送信装置が送信するデータを受信する。また、姿勢制御装置８は、受信手段７で受信したＴＤＩ段数、地表面の移動速度に基づいて、ＴＤＩ型検出器９の視線方向を、観測対象における地表面の所望速度で移動させるように姿勢制御を行う。

次に、観測装置の動作について説明する。
まず、観測立案装置１について説明する。図２は、実施の形態１による観測立案装置における処理フローを説明するための図である。
図において、観測立案装置1では、移動速度算出装置４にて、空間航行体６が観測するために必要なＴＤＩ段数１７及び空間航行体６の地表面の移動速度１９を算出する。この際、分解能算出装置２では、ユーザにより予め設定される観測対象位置１２と、空間航行体６の軌道計画に基づいて求められユーザにより設定入力される観測時の空間航行体位置１３とから、観測時におけるＴＤＩ型検出器９の視線角度が求まり、この視線角度を与えるための空間航行体６の姿勢条件として観測時姿勢角１４が決まる。また、ＴＤＩ段数選択装置３では、この観測対象位置１２および空間航行体位置１３により決まる観測距離と観測時姿勢角１４によりＴＤＩ段数テーブル１５を参照し、観測時姿勢角に対応して予め設定されたＴＤＩ段数を得て、必要なＴＤＩ段数を得る。さらに、分解能算出装置２では、得られたこの空間航行体位置１３および観測対象位置１２により決まる観測距離と観測時姿勢角１４とＴＤＩ段数とから、ＴＤＩ型検出器９に要求される地表面の分解能１６を算出する。

地表面を撮像することでＴＤＩ型検出器９により受光される信号レベルは、ＴＤＩの積分時間により決まる。この積分時間をＴ、ＴＤＩ段数をＮ、ＴＤＩ型検出器９の地表面分解能をＲ、空間航行体６の地表面の移動速度をＶとすると、次式（１）に示す関係が成立する。

ここで、空間航行体６の姿勢変更時は、ＴＤＩ型検出器９の地表面分解能Ｒが増加することによる積分時間の増加を抑えるため、ＴＤＩ段数Nを低い段数に設定する。なお、地表面分解能Ｒは、観測時姿勢角１４により求まるＴＤＩ型検出器９の視線角度θと、ＣＣＤ視野角φから決まる、予め設定された関数となる。

例えば、ＴＤＩ型検出器９の視線角度θが基準角度（例えばピッチ角０°）から増加すると、視線範囲内における地表面での分解能が増加し、これに伴い積分時間が少しずつ増加するように変化する。また、増加した積分時間が所定の閾値に達すると、積分時間の増加を抑えるためにＴＤＩ段数Ｎを低い段数に切替えるが、この切替えに応じて積分時間が急激に立ち下がるように変化する。

このように、ＴＤＩ段数の設定は離散的であるため、ＴＤＩ段数のみでは積分時間を目標とする値に設定することができない。そこで、ＴＤＩ段数設定に加えて、ＴＤＩ型検出器９における視線角度θの変化に応じた積分時間の増加を打ち消す（補償する）ように、空間航行体の地表面の移動速度Ｖを調整することで、積分時間Ｔが目標の値に一定になるように空間航行体６およびＴＤＩ型検出器９の制御を行う。

具体的には、図２に示す通り、目標とするＴＤＩ型検出器９の信号レベルを得るために必要な一定の積分時間Ｔ１８が決まれば、ＴＤＩ段数テーブル１５に予め観測時姿勢角１４により選択するＴＤＩ段数１５を設定しておくことで、移動速度算出装置４が、設定したＴＤＩ段数１５および求められた地表面分解能１６と式（１）とに基づいて、必要な空間航行体の地表面の移動速度１９を算出する。その後、算出されたＴＤＩ段数Ｎと空間航行体の地表面の移動速度Ｖは、観測立案装置１の移動速度算出装置４から送信装置５へ送出される。

送信装置５では、観測立案装置１により送出されたＴＤＩ段数、空間航行体６における地表面の移動速度のデータを、空間航行体６に送信する。

次に、空間航行体６の動作について説明する。
空間航行体では、送信装置５から送信されたＴＤＩ段数、および空間航行体６における地表面の移動速度のデータを、受信装置７にて受信する。その後、ＴＤＩ型検出器９による観測時まで、空間航行体６の有する内蔵メモリ（図示せず）にデータを保存し、蓄積する。このようにして、地上の送信装置５から送信されたＴＤＩ段数、地表面の移動速度に基づいて、空間航行体６がＴＤＩ型検出器９による観測を行う。

その際、空間航行体６は送信装置５から送信された地表面の移動速度に応じて自己の姿勢制御を行う。このとき、空間航行体６は、観測対象の中心位置を含む観測対象範囲内で、地表面の移動速度が所望の速度となるように、空間航行体６の姿勢角や角速度を変化させる姿勢制御を行う。かくして、空間航行体６の姿勢条件やＴＤＩ段数に依らず、ＴＤＩ型検出器９のＴＤＩ積分時間を一定にした観測が可能であり、ＴＤＩ型検出器９の撮像画像について、所望の画像性能を維持することが可能となる。

なお、この実施の形態１によれば、空間航行体６の姿勢条件だけに限らず、空間航行体６の地表面の移動速度を調整することで、積分時間を任意に決めることが可能であり、それにより、観測対象の種類、季節等に応じて積分時間を使い分けることも可能となる。

以上説明した通り、この実施の形態１による観測装置は、複数の１次元ＣＣＤが複数段配列されて構成されるＴＤＩ型検出器９を具備した空間航行体６を、当該ＴＤＩ型検出器９の視線角度を変化させながら１次元ＣＣＤの配列方向に航行させて、地上観測を行う観測装置であって、ＴＤＩ型検出器９の視線角度を基に地表面における観測対象の撮像に要する分解能を求める分解能算出装置２、ＴＤＩ型検出器９の視線角度に基づいて、ＴＤＩ型検出器９における１次元ＣＣＤの使用段数であるＴＤＩ段数を選択するＴＤＩ段数選択装置３および分解能算出装置２で求められた分解能、およびＴＤＩ段数選択装置３で選択されたＴＤＩ段数に基づいて、積分時間が一定となるように観測対象の地表面における所望の移動速度を決定する地表面移動速度算出装置４とから観測立案装置を構成し、空間航行体６に搭載されたＴＤＩ型検出器にて、観測対象を撮像するときの地表面の移動速度が観測立案装置１にて決定された所望の地表面の移動速度となるように、当該所望の地表面の移動速度およびＴＤＩ段数を空間航行体６に対して送信する送信装置５を備えたことを特徴とする。

また、空間航行体６は、送信装置５から送信されたデータを受信装置７にて受信し、メモリにデータを蓄積する機能を備え、送信されたＴＤＩ段数および地表面の移動速度に応じてＴＤＩ観測を実施し、その際、空間航行体６は送信装置から送信された地表面の移動速度に応じて自己の姿勢を制御することを特徴とする。

このように観測立案装置１では、観測対象に応じた分解能を算出する機能とＴＤＩ段数の設定と積分時間を算出する機能を有することにより、空間航行体６の姿勢条件やＴＤＩ段数による分解能の変化に対し、要求される積分時間に合わせた地表面の移動速度を算出することで、ＴＤＩ積分時間を一定に維持し、受光する信号量を安定化させて観測を行うことが可能となり、ＴＤＩ型検出器における所望の画像性能を維持することができる。

この発明に係る実施の形態１による観測装置の構成を説明するための図である。この発明に係る実施の形態１による観測立案装置におけるデータ処理フローを説明するための図である。

符号の説明

１観測立案装置、２分解能算出装置、３ＴＤＩ段数選択装置、４（空間航行体の地表面の）移動速度算出装置、５送信装置、６空間航行体、７受信装置、８姿勢制御装置、９ＴＤＩ型検出器、１０観測対象、１１送信データ、１２観測地点、１３空間航行体位置、１４観測時姿勢角、1５ＴＤＩ段数テーブル、１６地表面分解能、１7 ＴＤＩ段数、1８積分時間、1９空間航行体の地表面の移動速度。

Claims

複数の１次元ＣＣＤが複数段配列されて構成される時間遅延積分型検出器を具備した空間航行体を、当該時間遅延積分型検出器の視線角度を変化させながら１次元ＣＣＤの配列方向に航行させて、地上観測を行う観測装置であって、
上記時間遅延積分型検出器の視線角度に基づいて、地表面における観測対象の撮像に要する分解能を求める分解能算出部、
上記時間遅延積分型検出器の視線角度に基づいて、時間遅延積分型検出器における１次元ＣＣＤの使用段数を選択する段数選択部、
および上記分解能算出部で求められた分解能、および上記段数選択部で選択された使用段数に基づいて、積分時間が一定となるように観測対象の地表面における所望の移動速度を決定する地表面移動速度算出部、
から構成された観測立案装置と、
上記空間航行体の時間遅延積分型検出器にて、観測対象を撮像するときの地表面の移動速度が上記観測立案装置にて決定された所望の移動速度となるように、当該所望の移動速度および１次元ＣＣＤの使用段数を空間航行体に対して送信する送信装置と、
を備えた観測装置。