JP5624266B2 - 赤外線撮像装置および赤外線撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、監視領域内の物体を検知し、その画像を生成する赤外線撮像装置および赤外線撮像方法に関する。

監視領域内の物体を検知するための装置としては、物体から放出される赤外線を受光し、その赤外線の解析によって画像データを生成する赤外線検知器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この赤外線検知器は、物体から放出される可視光線や近赤外線が僅かであっても、これを増幅して明瞭な画像が得られるので、夜間利用も可能な利点がある。

また、監視領域内にレーザ光（赤外光など）を照射し、その反射光を受光して監視領域における対象物の有無、対象物までの距離、および対象物の画像データを生成するレーザレーダ装置が知られている（例えば特許文献２参照）。このレーザレーダ装置は、雨天、濃霧、夜間などの悪条件下でも遠距離にある物体の画像監視が可能な利点がある。
特開２００１−２６８４４０号公報 特開２００４−２８６０２号公報

しかしながら、赤外線検知器は、夜間利用可能であるが、対象物までの距離が不明であるため、複雑な背景下での利用に制約がある。一方、レーザレーダ装置では、指定距離の画像のみが取得されるため、監視領域内の全体像を把握することが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は、従来技術の問題に鑑み、監視領域内の全体像を把握でき、かつ、所望の距離に存在する対象物の画像を選択的に撮像可能な赤外線撮像装置および赤外線撮像方法を提供することを目的とする。

本発明に係る赤外線撮像装置は、監視領域内に存在する複数の物体から発せられる波長λ _１ の赤外線を外表面上に配置された複数の第１の検知素子により所定の周期で選択的に受光し、前記複数の物体に係る電気信号を出力する第１の赤外線検知器と、この第１の赤外線検知器から出力された電気信号を変換し、前記監視領域の全体像に対応する赤外線受光画像用信号を生成する第１の信号処理器と、前記第１の赤外線検知器の受光対象となる赤外線とは異なる赤外線波長帯域の波長λ _２ の赤外パルスレーザ光を生成し、前記監視領域内へ照射するレーザ照射器と、前記複数の第１の検知素子と同一面上において前記第１の検知素子に対して直交する２軸の各方向で交互に配置された複数の第２の検知素子により、前記複数の物体から前記赤外パルスレーザ光の反射光を前記第１の赤外線検知器と同期して選択的に受光し、前記複数の物体の内、前記赤外パルスレーザ光の照射地点から前記反射光の到達時間および受光時間の長さに基づいて算出した距離範囲に設定された距離ゲート内に存在する対象物に係る電気信号を出力する第２の赤外線検知器と、この第２の赤外線検知器から出力された電気信号を変換し、前記対象物の抽出像に対応する赤外線反射画像用信号を生成する第２の信号処理器と、前記第１および第２の信号処理器に接続され、前記赤外線受光画像用信号および前記赤外線反射画像用信号を処理し、外部入力情報に基づいて前記全体像または前記距離ゲートにおける前記抽出像を切り替えて画面表示する画像表示器と、を備え、前記レーザ照射器のレーザ照射口、前記第１の検知素子および前記第２の検知素子は、同一平面上に配置され、前記赤外パルスレーザ光の照射方向と前記第１の検知素子および前記第２の検知素子の受光方向は平行に設定されることを特徴とする。

本発明に係る赤外線撮像方法は、監視領域内に存在する複数の物体から発せられる波長λ _１ の赤外線を第１の検知素子により所定の周期で選択的に受光し、前記複数の物体に係る電気信号を出力する第１の赤外線受光ステップと、この第１の赤外線受光ステップにおいて出力された電気信号を変換し、前記監視領域の全体像に対応する赤外線受光画像用信号を生成する第１の信号処理ステップと、前記第１の赤外線受光ステップにおいて受光対象となる赤外線とは異なる赤外線波長帯域の波長λ _２ の赤外パルスレーザ光を生成し、前記監視領域内へ前記赤外パルスレーザ光を照射する赤外レーザ照射ステップと、前記複数の第１の検知素子と同一面上において前記第１の検知素子に対して直交する２軸の各方向で交互に配置された複数の第２の検知素子により、前記複数の物体から前記赤外パルスレーザ光の反射光を前記第１の赤外線受光ステップにおける受光と同期して選択的に受光し、前記複数の物体の内、前記赤外パルスレーザ光の照射地点から前記反射光の到達時間および受光時間の長さに基づいて算出した距離範囲に設定された距離ゲート内に存在する対象物に係る電気信号を出力する第２の赤外線受光ステップと、この第２の赤外線受光ステップにおいて出力された電気信号を変換し、前記対象物の抽出像に対応する赤外線反射画像用信号を生成する第２の信号処理ステップと、前記赤外線受光画像用信号および前記赤外線反射画像用信号を処理し、外部入力情報に基づいて前記全体像または前記距離ゲートにおける前記抽出像を切り替えて画面表示する画像表示ステップと、を有し、前記赤外レーザ照射ステップにおいて前記赤外パルスレーザ光は、前記第１および第２の検知素子と同一平面上から照射され、前記赤外パルスレーザ光の照射方向と前記第１の検知素子および前記第２の検知素子の受光方向は平行に設定されることを特徴とする。

本発明によれば、監視領域内の全体像を把握でき、かつ、所望の距離に存在する対象物の画像を選択的に撮像可能な赤外線撮像装置および赤外線撮像方法が提供される。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る赤外線撮像装置１の全体構成例を示す図である。同図に示されるように、赤外線撮像装置１は、制御器１１、レーザ照射器１２、第１の赤外線検知器１３、第２の赤外線検知器１４、信号処理器１５、および画像表示器１６から構成されている。

制御器１１は、赤外線撮像装置１を構成する各機器を制御する中央処理装置である。レーザ照射器１２は、レーザ発生器１２Ａ、照射方向制御器１２Ｂ、および冷却器１２Ｃから構成され、レーザ光を所望の方向へ照射する装置である。レーザ発生器１２Ａは、制御器１１からの制御情報に基づいてレーザ光を生成し、照射方向制御器１２Ｂで定められた方向へ照射する。

ここでは、媒質としてＹＡＧを用い、約１μｍの波長の近赤外線をレーザ光として用い、これを短パルスあるいは超短パルスの赤外パルスレーザ光として照射する。レーザ発生タイミングは、取得画像のフレーム間隔以上とするため、６０Hz以上若しくは１２０Hz以上とすることが好ましい。

照射方向制御器１２Ｂは、ジンバル機構（図示省略する）を回転駆動させることにより、レーザ発生器１２Ａで生成される赤外パルスレーザ光の照射方向を変更する装置である。冷却器１２Ｃは、レーザ発生器１２Ａにおいて赤外パルスレーザ光の生成の際に生じる熱を冷却する装置である。

第１の赤外線検知器１３は、内設された高速シャッター（図示省略する）の開閉動作と複数の検知素子１３１によって監視領域内に存在する物体から発せられる中波長（波長λ_１）の赤外線を所定の周期で受光し、この赤外線を光電変換して監視領域の全体像に係る電気信号を出力する。高速シャッターを連続的に開閉することによって監視領域の全体像の時間変化を把握できる。尚、受光する赤外線の波長λ_１の帯域は、後述する第２の赤外線検知器１４の受光対象となる波長λ_２とは異なっている。波長λ_１としては、赤外線の透過率の高い大気の窓を利用するものとし、（１）中波長帯の３〜５μmと（２）長波長帯８〜１２μｍのいずれかとする。

第２の赤外線検知器１４は、監視領域内の対象物に対してレーザ発生器１２Ａから照射された赤外パルスレーザ光の反射光（波長λ_２）を内設された高速シャッター（図示省略する）の開閉動作と複数の検知素子１４１によって所定の周期で受光し、この反射光を光電変換して対象物に係る電気信号を出力する。高速シャッターを連続的に開閉することによって反射光到達時間から対象物までの距離が測定可能である。また、高速シャッターの開閉周期は、後述する生成画像の取得時間に関連するので、第１の赤外線検知器１３と同期させると好適である。尚、第１の赤外線検知器１３と検知対象の波長が重複するのを避けるため、使用波長としては、例えば約１μｍとし、大気の透過率が不足する場合は、照射側で補うことができる。

信号処理器１５は、第１の信号処理部１５Ａおよび第２の信号処理部１５Ｂから構成され、各赤外線検知器から出力される電気信号の変換処理によって画像用信号を生成し、出力する。第１の信号処理部１５Ａは第１の赤外線検知器１３から出力された電気信号を処理し、受光した赤外線（波長λ_１）に係る画像（以下、「赤外線受光画像」という。）用信号を生成する。また、第２の信号処理部１５Ｂは第２の赤外線検知器１４から出力された電気信号を処理し、赤外パルスレーザ光の反射光（波長λ_２）に係る画像（以下、「赤外線反射画像」という。）用信号をそれぞれ生成し、出力する。

画像表示器１６は、信号処理器１５から出力された画像用信号を制御器１１の制御に基づいて処理し、赤外線受光画像および赤外線反射画像を切り替えて、あるいは並べて表示する装置である。

図２は、赤外線撮像装置１の具体例を示す概観図である。ここでは、赤外線撮像装置１の中央部には第１の赤外線検知器１３の単位センサである検知素子１３１および第２の赤外線検知器１４の検知素子１４１が同一の平面においてＸ軸およびＹ軸で交互に位置するように複数組み合わせ、市松状に一体化した受光領域が設けられている。また、第１のレーザ発生器１２Ａおよび第２のレーザ発生器１２Ｂのレーザ照射口は、受光領域の外周部において対角線上で向かい合うように各々設けられている。受光領域において検知素子１３１、１４１を市松状に配置した理由は、異なる波長の赤外線の受光条件を同等とするためであるが、配置方法はこれに限られない。例えば、行単位あるいは列単位で同種の検知素子を配置してもよい。

また、第１のレーザ発生器１２Ａおよび第２のレーザ発生器１２Ｂのレーザ照射口は、レーザ照射方向が２種の検知素子の受光方向と平行であるように同一面上に配置されている。したがって、照射方向制御器１２Ｂのジンバル機構（図示省略する）を監視領域に向けて回転駆動させ、赤外パルスレーザの照射方向を変更した場合には、受光領域の傾斜角度も連動して変更される。すなわち、受光領域で反射光を受光し易い構成となっている。また、第１のレーザ発生器１２Ａおよび第２のレーザ発生器１２Ｂのレーザ照射口は四隅ではなく、四辺の中間にそれぞれ配置しても良く、個数も特に限定しない。

図３は、赤外線撮像装置１により撮像が行われる監視領域の具体例を示す図である。ここでは、赤外パルスレーザ光の照射が行われる領域が監視領域である。この監視領域には、境界面２Ａと境界面２Ｂに囲まれた距離ゲート内を飛翔する飛翔体３の他に、山４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、および樹木５Ａ、５Ｂ、５Ｃが存在している。そして、上空を通過する飛翔体３に対して赤外線撮像装置１のレーザ照射器１２から赤外パルスレーザ光が照射され、その反射光を受光する様子が示されている。尚、距離ゲートの幅は高速シャッターの開放時間を変化させることで、例えば１ｋｍ、２ｋｍ、５ｋｍなど任意に設定可能である。また、距離ゲートの数は高速シャッターを開放した回数と等しい。

図４は、赤外線撮像装置１における撮像処理の具体例を示すフローチャートである。

Ｓ４０１において、制御器１１はユーザインターフェース（図示省略する）を介してユーザから入力された情報に基づいてレーザ照射器１２の照射方向制御器１２Ｂを動作させ、監視領域に照射方向を合わせる。

Ｓ４０２において、第１の赤外線画像検知器１３は、監視領域内に存在する対象物から放出される波長λ_１の赤外線を受光し、信号処理器１５が赤外線画像用信号を生成する。

Ｓ４０３において、レーザ照射器１２から赤外パルスレーザ光を照射すると共に、第２の赤外線画像検知器１４が波長λ_２の反射光を距離ゲート内に存在する物体から受光し、信号処理器１５が赤外線反射画像用信号を生成する。ここでは、Ｓ４０２およびＳ４０３は並列的に行われる。

Ｓ４０４において、制御器１１は、ユーザインターフェース（図示省略する）を介してユーザから入力された情報が赤外線受光画像の表示要求か否かを判定する。ここで、赤外線受光画像の表示が要求された場合には、制御器１１は画像表示器１６に赤外線受光画像用信号に基づいて赤外線受光画像を表示させ（Ｓ４０５）、処理を終了する。図５は、図３の監視領域について画像表示器１６に表示される画像の具体例を示す図である。図５（ａ）は、第１の赤外線検知器１３から出力された電気信号を信号処理した赤外線受光画像であり、監視領域内の全体像が表示されている。

これに対し、赤外線反射画像（レーザレーダ画像）の表示が要求された場合には、制御器１１は画像表示器１６に赤外線反射画像用信号に基づいて赤外線反射画像を表示させ（Ｓ４０６）、処理を終了する。図５（ｂ）は、第２の赤外線検知器１４から距離ゲート内の対象物について出力された電気信号を変換処理した赤外線反射画像（レーザレーダ画像）であり、距離ゲート内に存在する飛翔体３および樹木５Ａ、５Ｂの画像が表示されている。

図６は、赤外線受光画像生成処理（Ｓ４０２）の具体例を示すフローチャートである。

Ｓ６０１において、第１の赤外線検知器１３は、高速シャッターを開き、検知素子１３１において受光準備を行う。Ｓ６０２において、第１の赤外線検知器１３は、監視領域内の物体が発する中波長（波長λ_１）の赤外線を検知素子１３１において受光する。

Ｓ６０３において、第１の赤外線検知器１３は、所定の時間の経過後に高速シャッターを閉じ、受光を終える。Ｓ６０４において、第１の赤外線検知器１３は、受光した赤外線の光電変換により生成した電気信号を信号処理器１５（第１の信号処理部１５Ａ）へ出力する。

Ｓ６０５において、信号処理器１５（第１の信号処理部１５Ａ）は、第１の赤外線検知器１３から出力された電気信号の信号処理を行い、赤外線受光画像用信号を生成して処理を終了する。

図７は、赤外線反射画像生成処理（Ｓ４０３）の具体例を示すフローチャートである。

Ｓ７０１において、レーザ発生器１２Ａは、制御器１１からの制御情報に基づいて赤外パルスレーザ光を生成し、照射方向制御器１２Ｂで定められた方向へ照射する。尚、赤外パルスレーザ光を赤外線受光画像の全範囲について照射するのに長時間を要する場合は、所定の条件で照射領域を狭めることが好ましい。例えば、照射方向を中心部のみに限定する方法、ユーザが範囲を指定する方法、あるいは、赤外線受光画像を解析し時間経過により移動が認められる物体を検知し、その範囲のみ照射対象とする方法など任意に設定できる。

Ｓ７０３において、第２の赤外線検知器１４は、レーザ発生器１２Ａから照射された赤外パルスレーザ光の反射光（波長λ_２の近赤外線）を検知素子１４１において受光する。Ｓ７０４において、第２の赤外線検知器１４は、所定の時間の経過後に高速シャッターを閉じ、受光を終える。

尚、高速シャッターの開放時間（受光時間）に基づいて画像の取得範囲である距離ゲートの長さが決定される。図８は、高速シャッターの開閉と反射光到達時間の関係を説明する図である。同図において、縦軸は反射光の光量、横軸は反射光到達時間であり、受光対象となる反射光を斜線で示している。受光時間の長さは距離ゲートの幅に比例し、反射光到達時間は被照射体からの距離に比例するので、ｔ_１で高速シャッターを開いてからｔ_２で閉じるまでに受光した反射光がｄ_１〜ｄ_２のゲート内に存在する被照射体に係る反射光として受光される。すなわち、高速シャッターの開閉によって連続的に撮像することで、特定波長の反射光の受光タイミングの相違に基づいて被照射体がどの距離ゲートに含まれるのかを判別でき、高速で移動する対象物（例えば飛翔体）も追跡できる。

Ｓ７０５において、第２の赤外線検知器１４は、受光した反射光を光電変換し、生成した電気信号を信号処理器１５（第２の信号処理部１５Ｂ）へ出力する。

Ｓ７０６において、信号処理器１５（第２の信号処理部１５Ｂ）は、出力された電気信号の信号処理を行い、赤外線反射画像用信号を生成して処理を終了する。

このように、異なる波長の赤外線を別々に処理することによって、監視領域全体の赤外線画像と共に、所望の距離にある物体の画像のみを抽出して表示可能であるので、背景が複雑な場合にも有効な赤外線撮像装置を構築できる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に係る赤外線撮像装置１の全体構成例を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係る赤外線撮像装置１の具体例を示す概観図。 本発明の一実施形態に係る赤外線撮像装置１により撮像が行われる監視領域の具体例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る赤外線撮像装置１における撮像処理の具体例を示すフローチャート。 図３の監視領域について画像表示器１６に表示される画像の具体例を示す図。 赤外線受光画像生成処理の具体例を示すフローチャート。 赤外線反射画像生成処理の具体例を示すフローチャート。 高速シャッターの開閉と反射光到達時間の関係を説明する図。

符号の説明

１…赤外線撮像装置、
２Ａ〜Ｂ…境界面、
３…飛翔体、
４Ａ〜Ｃ…山、
５Ａ〜Ｃ…樹木、
１１…制御器、
１２…レーザ照射器、
１２Ａ…レーザ発生器、
１２Ｂ…照射方向制御器、
１２Ｃ…冷却器、
１３…第１の赤外線検知器、
１４…第２の赤外線検知器、
１５…信号処理器、
１５Ａ…第１の信号処理部、
１５Ｂ…第２の信号処理部、
１６…画像表示器。

Claims (5)

1. 監視領域内に存在する複数の物体から発せられる波長λ _１ の赤外線を外表面上に配置された複数の第１の検知素子により所定の周期で選択的に受光し、前記複数の物体に係る電気信号を出力する第１の赤外線検知器と、
   この第１の赤外線検知器から出力された電気信号を変換し、前記監視領域の全体像に対応する赤外線受光画像用信号を生成する第１の信号処理器と、
   前記第１の赤外線検知器の受光対象となる赤外線とは異なる赤外線波長帯域の波長λ _２ の赤外パルスレーザ光を生成し、前記監視領域内へ照射するレーザ照射器と、
   前記複数の第１の検知素子と同一面上において前記第１の検知素子に対して直交する２軸の各方向で交互に配置された複数の第２の検知素子により、前記複数の物体から前記赤外パルスレーザ光の反射光を前記第１の赤外線検知器と同期して選択的に受光し、前記複数の物体の内、前記赤外パルスレーザ光の照射地点から前記反射光の到達時間および受光時間の長さに基づいて算出した距離範囲に設定された距離ゲート内に存在する対象物に係る電気信号を出力する第２の赤外線検知器と、
   この第２の赤外線検知器から出力された電気信号を変換し、前記対象物の抽出像に対応する赤外線反射画像用信号を生成する第２の信号処理器と、
   前記第１および第２の信号処理器に接続され、前記赤外線受光画像用信号および前記赤外線反射画像用信号を処理し、外部入力情報に基づいて前記全体像または前記距離ゲートにおける前記抽出像を切り替えて画面表示する画像表示器と、
   を備え、
   前記レーザ照射器のレーザ照射口、前記第１の検知素子および前記第２の検知素子は、同一平面上に配置され、前記赤外パルスレーザ光の照射方向と前記第１の検知素子および前記第２の検知素子の受光方向は平行に設定されることを特徴とする赤外線撮像装置。
2. 前記第１の赤外線検知器において受光対象となる赤外線の前記波長λ _１ および前記レーザ照射器が照射する前記赤外パルスレーザ光の前記波長λ _２ は、大気の窓に対応してそれぞれ設定されることを特徴とする請求項１記載の赤外線撮像装置。
3. 前記第１および第２の検知素子は、同一面上において直交する２軸の各方向で交互に配置された受光領域を形成し、かつ、前記レーザ照射器のレーザ照射口は、受光領域の外周部に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線撮像装置。
4. 監視領域内に存在する複数の物体から発せられる波長λ _１ の赤外線を第１の検知素子により所定の周期で選択的に受光し、前記複数の物体に係る電気信号を出力する第１の赤外線受光ステップと、
   この第１の赤外線受光ステップにおいて出力された電気信号を変換し、前記監視領域の全体像に対応する赤外線受光画像用信号を生成する第１の信号処理ステップと、
   前記第１の赤外線受光ステップにおいて受光対象となる赤外線とは異なる赤外線波長帯域の波長λ _２ の赤外パルスレーザ光を生成し、前記監視領域内へ前記赤外パルスレーザ光を照射する赤外レーザ照射ステップと、
   前記複数の第１の検知素子と同一面上において前記第１の検知素子に対して直交する２軸の各方向で交互に配置された複数の第２の検知素子により、前記複数の物体から前記赤外パルスレーザ光の反射光を前記第１の赤外線受光ステップにおける受光と同期して選択的に受光し、前記複数の物体の内、前記赤外パルスレーザ光の照射地点から前記反射光の到達時間および受光時間の長さに基づいて算出した距離範囲に設定された距離ゲート内に存在する対象物に係る電気信号を出力する第２の赤外線受光ステップと、
   この第２の赤外線受光ステップにおいて出力された電気信号を変換し、前記対象物の抽出像に対応する赤外線反射画像用信号を生成する第２の信号処理ステップと、
   前記赤外線受光画像用信号および前記赤外線反射画像用信号を処理し、外部入力情報に基づいて前記全体像または前記距離ゲートにおける前記抽出像を切り替えて画面表示する画像表示ステップと、
   を有し、
   前記赤外レーザ照射ステップにおいて前記赤外パルスレーザ光は、前記第１および第２の検知素子と同一平面上から照射され、前記赤外パルスレーザ光の照射方向と前記第１の検知素子および前記第２の検知素子の受光方向は平行に設定されることを特徴とする赤外線撮像方法。
5. 前記第１の赤外線受光ステップにおいて受光対象となる赤外線の前記波長λ _１ および前記赤外レーザ照射ステップにおいて照射される前記赤外パルスレーザ光の前記波長λ _２ は、大気の窓に対応していることを特徴とする請求項４記載の赤外線撮像方法。