JP6771697B2 - 移動体観測装置及び移動体観測方法 - Google Patents

Description

この発明は、移動体の輝度分布を推定する移動体観測装置及び移動体観測方法に関するものである。

天体又は飛翔体などの移動体を観測する移動体観測装置は、移動体に反射された光束又は移動体から送信された光束を地上で受信することで、移動体を観測する。
移動体からの光束は、大気の屈折率分布のゆらぎが原因で、光の位相が乱されてしまうために、広がってしまうことがある。
したがって、移動体観測装置は、移動体の観測精度を高めるには、光の位相の等しい面である波面を取得する必要がある。
以下の特許文献１には、波面を計測する波面センサが開示されている。

以下の特許文献１に開示されている波面センサは、望遠鏡を用いて、高速に移動する物体を観察する際、波面のチルト及び焦点のそれぞれを制御することで、物体から送信された光束を追いかけながら、大気断層を撮影するようにしている。
波面センサは、波面のチルト及び焦点のそれぞれを制御するための機構として、高速ステアリングミラー、結像レンズ及びレンズレットアレイにおけるそれぞれの高速移動を実現する制御機構を備えている。

特開２０１６−１１８５４７号公報

波面センサによる波面の計測精度は、高速ステアリングミラー、結像レンズ及びレンズレットアレイにおけるそれぞれの高速移動を実現する制御機構の制御精度に依存している。
したがって、従来の移動体観測装置は、制御機構の制御精度によっては、波面センサにおける波面の計測精度が劣化してしまうことがあるため、波面センサを実装していても、移動体の観測精度が劣化してしまうことがあるという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、レンズレットアレイなどの高速移動を実現する制御機構を実装することなく、移動体の輝度分布を推定することができる移動体観測装置及び移動体観測方法を得ることを目的とする。

この発明に係る移動体観測装置は、移動体に反射された光束又は移動体から送信された光束を集光する結像光学系と、結像光学系により集光された光束を複数の空間領域の光束に分割し、複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する空間分割部と、空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、移動体の像として、集光スポット像を検出する光検出器と、光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、結像光学系の開口における光束の波面を推定する波面推定部と、移動体に反射されたレーダ波を受信し、レーダ波に基づいて移動体までの距離を示す距離画像を生成するレーダ装置と、レーダ装置により生成された距離画像から、移動体が存在している領域を検出し、光検出器により検出された複数の集光スポット像のうち、移動体が存在している領域内の集光スポット像と、波面推定部により推定された波面とから、移動体の輝度分布を推定する移動体復元部とを備えるようにしたものである。

この発明によれば、移動体復元部が、レーダ装置により生成された距離画像から、移動体が存在している領域を検出し、光検出器により検出された複数の集光スポット像のうち、移動体が存在している領域内の集光スポット像と、波面推定部により推定された波面とから、移動体の輝度分布を推定するように、移動体観測装置を構成した。したがって、この発明に係る移動体観測装置は、レンズレットアレイなどの高速移動を実現する制御機構を実装することなく、移動体の輝度分布を推定することができる。

実施の形態１による移動体観測装置を示す構成図である。 実施の形態１による移動体観測装置の波面計測部１５を示す構成図である。 実施の形態１による移動体観測装置の外観を示す斜視図である。 望遠鏡装置１０及びレーダ装置３０のそれぞれが移動体１を観測している様子を示す説明図である。 図１に示す移動体観測装置の処理手順である移動体観測方法を示すフローチャートである。 光検出器２５により検出される移動体１の像を示す説明図である。 波面が伝搬経路によって異なる場合の光検出器２５により検出される移動体１の像を示す説明図である。 光検出器２５により検出される移動体１の像と波面の関係を示す説明図である。 光検出器２５により検出される移動体１の像と波面の関係を示す説明図である。 波面推定部２６の処理手順を示すフローチャートである。 移動体１が望遠鏡装置１０と相対的に移動している場合において、結像光学系１１の開口と、複数の空間領域におけるそれぞれの開口と、移動体１の像１０５との関係を示す説明図である。 移動体復元部４２の処理手順を示すフローチャートである。 移動体復元部４２による移動体１の輝度分布推定処理を示す説明図である。 実施の形態２による移動体観測装置を示す構成図である。 移動体１の軌道を示す説明図である。 移動体復元部７０による移動体１の輝度分布推定処理を示す説明図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による移動体観測装置を示す構成図である。
図２は、実施の形態１による移動体観測装置の波面計測部１５を示す構成図である。
図１及び図２において、移動体１は、大気の外、あるいは、大気中に存在している天体などの物体である。
移動体１に反射された光束又は移動体１から送信された光束は、大気の屈折率分布のゆらぎが原因で、広がってしまった光束２であり、光束２は、望遠鏡装置１０に入射される。

望遠鏡装置１０は、結像光学系１１の開口における光束２の波面を計測するとともに、移動体１の像を示す強度画像を取得する装置である。
望遠鏡装置１０は、結像光学系１１、光束分割部１２、強度画像取得部１３、リレー光学系１４、波面計測部１５及び指向装置１６を備えている。
結像光学系１１は、入射された光束２を集光する光学系である。
光束分割部１２は、例えば、ビームスプリッタによって実現される。
光束分割部１２は、結像光学系１１により集光された光束２の光量又は波長を２つに分割することで、光束２を２つに分割する。
光束分割部１２は、分割後の一方の光束２を強度画像取得部１３に出力し、分割後の他方の光束２をリレー光学系１４に出力する。

強度画像取得部１３は、例えば、イメージセンサによって実現される。
強度画像取得部１３は、光束分割部１２から出力された光束２から、移動体１の像を検出し、移動体１の像を示す強度画像を画像変形部４１に出力する。
リレー光学系１４は、波面計測部１５のレンズアレイ２３において、光束分割部１２から出力された光束２のピントが合うように、レンズアレイ２３を結像光学系１１の瞳と光学的に等価とする光学系である。

波面計測部１５は、空間分割部２１、シャッタ２４、光検出器２５及び波面推定部２６を備えている。
空間分割部２１は、遮光部２２及びレンズアレイ２３を備えている。
空間分割部２１は、リレー光学系１４から出力された光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割し、複数の空間領域の光束２ａを光検出器２５の受光面２５ａ（図８又は図９を参照）に集光する。
遮光部２２は、リレー光学系１４から出力された光束２を部分的に遮光することで、光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割する。
レンズアレイ２３は、複数のレンズ２３ａ（図６から図９を参照）を含んでおり、それぞれのレンズ２３ａがそれぞれの空間領域の光束２ａを光検出器２５の受光面２５ａに集光する。

シャッタ２４は、光検出器２５により受光される光束２ａの光量を調整するために、レンズアレイ２３から出力された光束２ａの通過を時間的に制限する。
光検出器２５は、例えば、イメージセンサによって実現される。
光検出器２５は、シャッタ２４を通過してきた複数の空間領域の光束２ａのそれぞれを受光する受光面２５ａを有している。
光検出器２５は、受光面２５ａで受光されるそれぞれの光束２ａから、移動体１の像として、集光スポット像を検出し、それぞれの集光スポット像を示す強度画像を波面推定部２６及び移動体復元部４２に出力する。

波面推定部２６は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、波面推定回路などによって実現される。
波面推定部２６は、光検出器２５から出力された強度画像が示す複数の集光スポット像の位置から、結像光学系１１の開口における光束の波面を推定する処理を実施する。
即ち、波面推定部２６は、複数の集光スポット像の位置から、結像光学系１１の開口における光束２の波面の概算値を算出する。
指向装置１６は、制御装置４９から出力された制御信号に従って結像光学系１１の指向方向を変更する装置である。

レーダ装置３０は、例えば、逆合成開口レーダ（ＩＳＡＲ：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐａｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）によって実現される。
レーダ装置３０は、送受信部３１、距離画像取得部３２及び指向装置３３を備えている。
送受信部３１は、アンテナ、変調器、復調器及び無線機などによって実現される。
送受信部３１は、マイクロ波又はミリ波などのレーダ波を移動体１に向けて送信する一方、移動体１に反射されたレーダ波を反射波として受信する。
距離画像取得部３２は、送受信部３１からレーダ波が送信されてから、反射波を受信するまでの時間に基づいて、移動体１までの距離を示す距離画像を生成し、距離画像を画像変形部４１に出力する処理を実施する。
指向装置３３は、制御装置４９から出力された制御信号に従って送受信部３１の指向方向を変更する装置である。

運用装置４０は、画像変形部４１、移動体復元部４２、記録装置４３、時刻校正部４４、カウンタ４５、軌道情報記録部４６、軌道計算部４７、計画装置４８及び制御装置４９を備えている。
画像変形部４１は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、画像変形回路などによって実現される。
画像変形部４１は、距離画像取得部３２から出力された距離画像が、強度画像取得部１３から出力された強度画像と整合するように、距離画像を変形し、変形後の距離画像を移動体復元部４２に出力する処理を実施する。

移動体復元部４２は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、移動体復元回路などによって実現される。
移動体復元部４２は、画像変形部４１から出力された変形後の距離画像から、移動体１が存在している領域を検出する処理を実施する。
移動体復元部４２は、強度画像取得部１３から出力された強度画像のうち、移動体１が存在している領域内の画像と、光検出器２５から出力された強度画像が示す複数の集光スポット像あるいは波面推定部２６により推定された波面とから、移動体１の輝度分布を推定する処理を実施する。
記録装置４３は、例えば、記録処理回路によって実現される。
記録装置４３は、波面推定部２６により推定された波面及び移動体復元部４２により推定された移動体１の輝度分布などを記録する装置である。

時刻校正部４４は、クロックを内蔵しており、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星から発信されるＧＰＳ信号又はＮＴＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）を用いて、クロックの時刻を校正する。
カウンタ４５は、時刻校正部４４により校正されたクロックの時刻が或る時刻になると、或る時刻からの経過時間を計測する。

軌道情報記録部４６は、例えば、記録処理回路によって実現される。
軌道情報記録部４６は、移動体１の軌道を示す軌道情報などを記録している。
軌道計算部４７は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、軌道計算回路などによって実現される。
軌道計算部４７は、軌道情報記録部４６に記録されている軌道情報に基づいて、移動体１が存在している将来の時刻の位置を予測する処理を実施する。

計画装置４８は、パーソナルコンピュータなどの計算機によって実現される。
計画装置４８は、軌道計算部４７により予測された位置に基づいて、将来の時刻における結像光学系１１の指向方向及び送受信部３１の指向方向などを計算する装置である。
制御装置４９は、パーソナルコンピュータなどの計算機によって実現される。
制御装置４９は、カウンタ４５により計測された経過時間及び計画装置４８の計算結果に基づいて、結像光学系１１の指向方向を示す制御信号を指向装置１６に出力するとともに、送受信部３１の指向方向を示す制御信号を指向装置３３に出力する。
また、制御装置４９は、カウンタ４５により計測された経過時間に基づいて、強度画像取得部１３、波面計測部１５、距離画像取得部３２及び画像変形部４１のそれぞれを制御する装置である。

ここで、波面推定回路、画像変形回路、移動体復元回路及び軌道計算回路のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
また、記録処理回路は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒy）などの不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、あるいは、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）が該当する。

図３は、実施の形態１による移動体観測装置の外観を示す斜視図である。
図３において、図１及び図２と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
筐体５１は、結像光学系１１、光束分割部１２、強度画像取得部１３、リレー光学系１４、空間分割部２１、シャッタ２４及び光検出器２５を実装している。
筐体５２は、波面推定部２６、距離画像取得部３２、画像変形部４１、移動体復元部４２、記録装置４３、時刻校正部４４、カウンタ４５、軌道情報記録部４６、軌道計算部４７、計画装置４８及び制御装置４９を実装している。

レンズなどの光学部品及び人間の瞳などは、光が透過する。また、鏡などの光学部品は、光を反射させる。光が光学部品等を透過することで、光の位相分布が変化し、光が光学部品に反射されることで、光の位相分布が変化する。
地球の大気は、酸素、窒素及び水蒸気などの媒質によって構成されており、レンズなどの光学部品と同様に、光が透過する。
酸素等の媒質は、温度の変化及び気圧の変化に伴って屈折率が変動するため、地球の大気を透過する光の位相分布は、温度の変化及び気圧の変化に伴って変化する。光は、電磁波であるため、光の位相分布は、波面として捉えることが可能である。

図１に示す望遠鏡装置１０は、大気の外、あるいは、大気中に存在している移動体１に反射された光束２又は移動体１から送信された光束２を受信することで、波面を推定する装置であり、望遠鏡装置１０により推定される波面は、酸素等の媒質の屈折率が変化することで変化する。
媒質の屈折率の変化自体は小さいが、光が伝搬される光路が長くなると、屈折率の変化は、光の波長と比較して、無視できない大きさとなるため、波面の推定においては、大気のゆらぎの影響を強く受ける。
また、地上の大気は、太陽からの輻射の影響及び熱輸送の影響を受けるとともに、地球の自転の影響を受けるため、地上と上空の間には、大気の層が形成される。大気の層を透過してくる光の波面は、複雑に乱れる。
一方、レーダ装置３０により送受信されるレーダ波は、大気ゆらぎの影響をほとんど受けない。

図４は、望遠鏡装置１０及びレーダ装置３０のそれぞれが移動体１を観測している様子を示す説明図である。
図４において、図１及び図３と同一符号は同一又は相当部分を示している。
図４では、移動体１は、照明光源６０である太陽からの光が照射されている。
移動体１により反射された太陽光である波長λ_１の反射光は、地上と上空の間の大気層を透過して、望遠鏡装置１０に到達する。図４は、地上と上空の間に２つの大気層がある例を示しており、１０１は第１の大気層、１０２は第２の大気層である。
結像光学系１１が、入射された波長λ_１の光束２を光検出器２５の受光面２５ａに集光することで、光検出器２５の受光面２５ａには、移動体１の像が形成される。
光束２が第１の大気層１０１及び第２の大気層１０２を透過する際に波面が乱されるため、移動体１の像は、仮に移動体１が点とみなせる物体であっても、広がってしまう。
したがって、結像光学系１１の収差を要因とする移動体１の像の広がり及び光検出器２５の分解能を要因とする移動体１の像の広がりを除外すれば、移動体１の像の広がりの要因は、大気ゆらぎである。移動体１が、広がりを有する物体である場合、結像光学系１１の収差及び光検出器２５の分解能を要因とする広がりを除外すれば、移動体１の像の広がりは、物体自体の広がりと、大気ゆらぎによる広がりで表される。数学的には物体自体の広がりが、波面が等しいとみなせる角度範囲及びアイソプラナテック角を満たす場合、像１の広がりは物体自体の広がりと大気揺らぎによる広がりの畳み込みで表される。
以上より、光検出器２５により検出された複数の集光スポット像のそれぞれは、大気ゆらぎによって広がっており、複数の集光スポット像を示す強度画像は、図４に示すような強度画像６２となる。
図４において、６１は、望遠鏡装置１０及びレーダ装置３０から、移動体１を見たときの移動体１の形状を示している。

レーダ装置３０は、波長λ_２のレーダ波を送信してから、移動体１に反射されたレーダ波である反射波を受信するまでの時間から、移動体１までの距離を算出することができる。
図４において、Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３のそれぞれは、移動体１におけるそれぞれの部位までの距離を示している。
レーダ装置３０は、移動体１におけるそれぞれの部位までの距離を算出することで、図４に示すような距離画像６３を得ることができる。
波長λ_２のレーダ波は、大気ゆらぎの影響をほとんど受けないため、距離画像６３は、大気ゆらぎによる像の広がりが生じていない画像となっている。

次に、図１に示す移動体観測装置について説明する。
図５は、図１に示す移動体観測装置の処理手順である移動体観測方法を示すフローチャートである。
指向装置１６は、移動体１が望遠鏡装置１０と相対的に移動している場合でも、結像光学系１１が、移動体１に反射された光束２又は移動体１から送信された光束２を集光することができるようにするため、結像光学系１１の指向方向を変更する。
指向装置３３は、移動体１がレーダ装置３０と相対的に移動している場合でも、送受信部３１が、移動体１からの反射波を受信することができるようにするため、送受信部３１の指向方向を変更する。
例えば、移動体１が恒星である場合、移動体１は、日周運動によって、１秒間に１５秒角（＝１５／３６００度）ほど、移動する。したがって、移動体１の追尾を可能にするには、指向装置１６及び指向装置３３のそれぞれが、指向方向を秒角精度で制御できる必要がある。

時刻校正部４４は、指向装置１６及び指向装置３３のそれぞれが、指向方向を秒角精度で制御できるようにするため、ＧＰＳ衛星から発信されるＧＰＳ信号又はＮＴＰを用いて、内蔵のクロックの時刻を校正する。
カウンタ４５は、時刻校正部４４により校正されたクロックの時刻が或る時刻になると、或る時刻からの経過時間を計測する。

軌道計算部４７は、軌道情報記録部４６に記録されている軌道情報に基づいて、移動体１が存在している将来の時刻の位置を予測する。軌道情報が示す移動体１の軌道から、移動体１が存在している将来の時刻の位置を予測する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
計画装置４８は、軌道計算部４７により予測された位置に基づいて、将来の時刻における結像光学系１１の指向方向及び送受信部３１の指向方向などを計算する。
移動体１の予測位置から指向方向を計算する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

制御装置４９は、カウンタ４５により計測された経過時間と、計画装置４８により計算された将来の時刻における結像光学系１１の指向方向とに基づいて、結像光学系１１の指向方向を示す制御信号を指向装置１６に出力する。
また、制御装置４９は、カウンタ４５により計測された経過時間と、計画装置４８により計算された将来の時刻における送受信部３１の指向方向とに基づいて、送受信部３１の指向方向を示す制御信号を指向装置３３に出力する。
指向装置１６は、制御装置４９から出力された制御信号に従って結像光学系１１の指向方向を変更する。
指向装置３３は、制御装置４９から出力された制御信号に従って送受信部３１の指向方向を変更する。

結像光学系１１は、移動体１に反射された光束２又は移動体１から送信された光束２が入射されると、光束２を集光する（図５のステップＳＴ１）。
光束分割部１２は、結像光学系１１により集光された光束２の光量等を２つに分割することで、光束２を２つに分割する。
光束分割部１２は、分割後の一方の光束２を強度画像取得部１３に出力し、分割後の他方の光束２をリレー光学系１４に出力する。

強度画像取得部１３は、光束分割部１２から光束２を受けると、光束２から移動体１の像を検出し、移動体１の像を示す強度画像を画像変形部４１に出力する（図５のステップＳＴ９）。
強度画像取得部１３から画像変形部４１に出力される強度画像には、移動体１の像の検出時刻を示す時刻情報が付加されている。
リレー光学系１４は、空間分割部２１のレンズアレイ２３を結像光学系１１の瞳と光学的に等価とする光学系であり、光束分割部１２から光束２を受けると、光束２を空間分割部２１の遮光部２２に出力する。

空間分割部２１は、リレー光学系１４から光束２を受けると、光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割し、複数の空間領域の光束２ａをシャッタ２４に出力する（図５のステップＳＴ２）。
即ち、遮光部２２は、リレー光学系１４から光束２を受けると、光束２を部分的に遮光することで、光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割する。
遮光部２２は、複数の空間領域の光束２ａをレンズアレイ２３に出力する。
レンズアレイ２３に含まれているそれぞれのレンズ２３ａは、遮光部２２からそれぞれの空間領域の光束２ａを受けると、それぞれの空間領域の光束２ａを光検出器２５の受光面２５ａに集光する。

シャッタ２４は、光検出器２５により受光される光束２ａの光量を調整するために、制御装置４９から出力される制御信号に従ってレンズアレイ２３から出力された光束２ａの通過を時間的に制限する。
光検出器２５での光束２ａの露光時間がコヒーレンス時間よりも長くなると、大気の状態が変わるため、光検出器２５により検出される移動体１の像の広がりが大きくなる。コヒーレンス時間は一般に１〜１０ｍｓ程度である。
移動体１が高速で移動している場合、制御装置４９は、光検出器２５での光束２ａの露光時間がコヒーレンス時間よりも短くなるように、シャッタ２４における光束２ａの通過時間を制御する。
制御装置４９が、上記のように、シャッタ２４における光束２ａの通過時間を制御する場合、光検出器２５により受光される光束２ａの光量が少なくなってしまうことがある。光束２ａの光量が少なくなってしまう場合、制御装置４９が、シャッタ２４において、光束２ａの通過と遮光が複数回繰り返されるように制御することで、光検出器２５が、複数回、移動体１の像を検出できるようにする。

光検出器２５は、シャッタ２４を通過してきたそれぞれの光束２から、移動体１の像として、集光スポット像を検出し、複数の集光スポット像を示す強度画像を波面推定部２６に出力する（図５のステップＳＴ３）。
ここで、図６は、光検出器２５により検出される移動体１の像を示す説明図である。
図６は、地上と上空の間に３つの大気層がある例を示しており、１０１は第１の大気層、１０２は第２の大気層、１０３は第３の大気層である。
図６では、結像光学系１１及びリレー光学系１４による光束の変化を省略している。
レンズアレイ２３に含まれているそれぞれのレンズ２３ａが、それぞれの空間領域の光束２ａを光検出器２５の受光面２５ａに集光することで、光検出器２５の受光面２５ａには、空間領域の個数分だけ、移動体１の像１０４が形成される。
光検出器２５の受光面２５ａに形成される複数の像１０４は、大気のゆらぎを要因とする広がりを持っており、波面の推定に用いることができる。

移動体１が望遠鏡装置１０と相対的に移動している場合、地上から移動体１を見る方向が異なると、光束２の伝搬経路が等しくなくなり、波面が、伝搬経路によって異なるようになる。

図７は、波面が伝搬経路によって異なる場合の光検出器２５により検出される移動体１の像を示す説明図である。図７において、図６と同一符号は同一又は相当部分を示している。
光束４、光束５及び光束６のそれぞれは、移動体１に反射された光束又は移動体１から送信された光束である。光束４、光束５及び光束６は、途中の大気層の揺らぎの寄与が互いに異なっており、光束４の伝搬経路、光束５の伝搬経路及び光束６の伝搬経路は、互いに異なっている。
レンズアレイ２３によって、光検出器２５の受光面２５ａに集光される複数の空間領域の光束２ａが、光束４、光束５及び光束６のそれぞれであるとみなすと、受光面２５ａには、光束４、光束５及び光束６のそれぞれによって移動体１の像１０５が形成される。
光検出器２５の受光面２５ａに形成される複数の像１０５は、大気のゆらぎを要因とする広がりを持っており、波面の推定に用いることができる。

図８及び図９は、光検出器２５により検出される移動体１の像と波面の関係を示す説明図である。
図８は、光束２が進行方向に対して広がらずに伝搬されている例を示し、図９は、光束２が進行方向に対して広がりながら伝搬されている例を示している。
図８及び図９において、１０５ａは、光束２が進行方向に対して広がらずに伝搬されている場合の移動体１の像であり、１０５ｂは、光束２が進行方向に対して広がりながら伝搬されている場合の移動体１の像である。
光束２が進行方向に対して広がらずに伝搬されている場合、図８に示すように、レンズアレイ２３のそれぞれのレンズ２３ａにより集光される移動体１の像１０５ａの位置は、遮光部２２により分割された複数の空間領域のそれぞれの位置と一致している。
光束２が進行方向に対して広がりながら伝搬されている場合、図９に示すように、レンズアレイ２３のそれぞれのレンズ２３ａにより集光される移動体１の像１０５ｂの位置は、遮光部２２により分割された複数の空間領域のそれぞれの位置とずれている。
波面１０６ａは、移動体１の複数の像１０５ａの位置から求められ、波面１０６ｂは、移動体１の複数の像１０５ｂの位置から求められる。

図８及び図９では、遮光部２２により分割された複数の空間領域が格子状に配置されている例を示している。しかし、これに限るものではなく、例えば、複数の空間領域の配置がハニカム配置であってもよい。
図８及び図９では、遮光部２２において、光束２が遮光される遮光領域、即ち、光束２が透過する透過領域以外の領域が、黒く塗られている例を示している。しかし、遮光部２２において、遮光領域は、不要な光を透過させなければよく、黒以外の色が塗られていてもよい。
また、遮光部２２において、遮光領域は、不要な光を吸収する着色又は加工が施されていてもよいし、不要な光を散乱する着色又は加工が施されていてもよい。

波面推定部２６は、光検出器２５から複数の集光スポット像を示す強度画像を受けると、強度画像が示す複数の集光スポット像の位置から、結像光学系１１の開口における光束２の波面を推定する（図５のステップＳＴ４）。
図１０は、波面推定部２６の処理手順を示すフローチャートである。
以下、図１０を参照しながら、波面推定部２６の処理内容を具体的に説明する。

まず、波面推定部２６は、光検出器２５から複数の集光スポット像を示す強度画像を受けると、強度画像が示す複数の集光スポット像の位置から、結像光学系１１の開口における光束２の波面の概算値を算出する（図１０のステップＳＴ１１）。
複数の集光スポット像の位置から、波面の概算値を算出する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
複数の集光スポット像の位置から波面を推定する方法は、例えば、以下の非特許文献１に開示されている。
［非特許文献１］国立天文台報 vol.2 No.2

ここでは、制御装置４９が、シャッタ２４において、光束２ａの通過と遮光が複数回繰り返されるように制御することで、光検出器２５からＮ枚の強度画像が波面推定部２６に出力されているものとする。
そして、波面推定部２６は、Ｎ枚の強度画像のうち、ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）枚目の強度画像が示す複数の集光スポット像の位置から、波面の概算値を算出しているものとする。
なお、移動体１が点像である場合、あるいは、移動体１が点像と近似できる場合、集光スポット像の位置として、点像の重心の位置を求める態様が考えられる。
また、移動体１が広がりのある物体である場合、波面は、複数の集光スポット像の間隔又は複数の集光スポット像の相対位置から求めることができる。したがって、集光スポット像の位置として、複数の集光スポット像の相互相関又は複数の集光スポット像の特徴的な位置の間隔を求める態様が考えられる。

波面推定部２６は、ｎ枚目の強度画像が示す複数の集光スポット像の位置から算出した概算値である波面の位相をΦ_０，ｎとする。
波面推定部２６は、以下の式（１）に示すように、結像光学系１１の開口における光束２の波面の位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）の初期値として、位相Φ_０，ｎを用いることで、概算値よりも高精度な波面を推定する。（ｕ，ｖ）は、瞳空間の座標である。

以下、高精度な波面の推定処理を説明する前に、高精度な波面の推定処理の原理及び移動体１の輝度分布推定処理の原理を説明する。

図１１は、移動体１が望遠鏡装置１０と相対的に移動している場合において、結像光学系１１の開口と、複数の空間領域におけるそれぞれの開口と、移動体１の像１０５との関係を示す説明図である。
Ｍ_０（ｕ，ｖ）は、結像光学系１１の開口である。
Ｍ_１（ｕ，ｖ）、Ｍ_２（ｕ，ｖ）、・・・、Ｍ_Ｍ（ｕ，ｖ）のそれぞれは、複数の空間領域におけるそれぞれの開口である。Ｍ_Ｍ（ｕ，ｖ）における添え字のＭは、２以上の整数であり、例えば、ｍ＝１，２，・・・，Ｍである。
波面収差と瞳上の振幅分布で表される瞳関数Ｇ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、以下の式（２）に示すように、ｎ枚目の強度画像に対応する、結像光学系１１の開口における光束２の波面の位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）と、開口Ｍ_ｍ（ｕ，ｖ）とで表される。

開口Ｍ_ｍ（ｕ，ｖ）は、既知であり、位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）の初期値は、概算値である波面の位相Φ_０，ｎであるため、瞳関数Ｇ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）と開口Ｍ_ｍ（ｕ，ｖ）から算出される。

また、位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）と、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）との関係は、以下の式（３）で表される。

式（３）において、λは、波長である。

振幅広がり関数ａ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、以下の式（４）に示すように、瞳関数Ｇ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）が逆フーリエ変換されることで得られる。

式（４）において、Ｆ^−１は、逆フーリエ変換を表す記号である。
点像強度分布を示す点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）は、以下の式（５）に示すように、振幅広がり関数ａ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）と、振幅広がり関数ａ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）の複素共役との積で表される。（ｘ，ｙ）は、実空間の座標である。

移動体１の輝度分布がｏ（ｐ，ｑ）、光検出器２５で生じるノイズがｅ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）で表されるとすると、ｍ番目の空間領域の開口Ｍ_ｍ（ｕ，ｖ）に対応する移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）は、以下の式（６）で表される。（ｐ，ｑ）は、移動体１が存在している位置を示す実空間の座標である。
移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）は、移動体１に反射される光束２の強度又は移動体１から送信される光束２の強度である。

式（６）における畳み込み積分を“＊”の記号で表記すると、式（６）は、以下の式（７）で表される。

一般的には、移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）は、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）と、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）との畳み込み積分で得られるが、式（６）及び式（７）には、光検出器２５で生じるノイズｅ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）が付加されている。

以下の式（８）は、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）と点像強度分布を示す点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）とから得られる移動体１の像であるｏ（ｐ，ｑ）＊ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）と、移動体１の実測の像であるｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）との差分の二乗和ｅを示している。

式（８）において、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）は、式（２）、式（４）及び式（５）から得られる。したがって、式（８）において、未知の値は、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）のみである。
移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）は、差分の二乗和ｅが最小になるｏ（ｐ，ｑ）を探索することで求まる。

移動体１は、望遠鏡装置１０に対して相対的に運動しており、指向装置１６が結像光学系１１の指向方向を変更しても、移動体１と望遠鏡装置１０の相対運動は、完全にはキャンセルできないものとする。
したがって、時刻ｔが変わることで、移動体１の相対位置が変わる。
時刻ｔが変わる回数と、波面推定部２６が得る強度画像の枚数であるフレーム数とは、同じである必要はないが、フレーム数が例えば１０であれば、１０点の時刻の強度画像が得られることになるため、フレームの番号は、時刻の番号と対応する。
ここでは、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）は、フレームに依存しておらず、変化していないものとする。ただし、波面は、フレーム毎に、変化しているものとする。

移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を探索する際、差分の二乗和は、位相空間で考えることができる。
以下の式（９）は、式（８）がフーリエ変換されたものであり、式（８）に示す差分の二乗和ｅが、位相空間での差分の二乗和Ｅになっている。

式（９）において、Ｉ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）のスペクトルであり、以下の式（１０）のように表される。

式（１０）において、Ｆは、フーリエ変換を表す記号である。
式（９）において、Ｏ（ｕ，ｖ）は、ｏ（ｐ，ｑ）のスペクトルであり、以下の式（１１）のように表される。

光検出器２５で生じるノイズｅ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）があるために、Ｏ（ｕ，ｖ）＝ｉ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）／Ｋ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）のように表現することができないので、式（１１）のように、表されている。
式（１１）において、γは、解の安定化のために導入している係数である。
Ｋ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、瞳関数Ｇ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）の自己相関であり、以下の式（１２）で表される。Ｋ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、規格化されていないが、光学伝達関数である。

式（１１）を式（９）に代入すると、以下の式（１３）が得られる。

式（１３）に示す差分の二乗和Ｅは、開口Ｍ_ｍ（ｐ，ｑ）と、位相Φ_ｎ（ｐ，ｑ）と、移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）のスペクトルＩ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）とで表されており、未知である移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）のスペクトルＯ（ｕ，ｖ）に依存していない。
波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）は、以下の式（１４）に示す差分の二乗和Ｅｒｒが最小になる位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を求めれば、式（２）よって推定することができる。

差分の二乗和Ｅｒｒが最小になる位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を求めることで、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を推定する場合でも、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を求めることが可能であるが、式（１４）は、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）に依存していない。したがって、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）が実空間で０よりも大きい実数であるという、計算上の強い制約を与えられない。
移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）が実空間で０よりも大きい実数であるという制約を与えるには、実空間における差分の二乗和ｅを示す式（８）に対して、さらに制約を与えればよい。
以下の式（１５）は、実空間における差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を示している。

光検出器２５が、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）又はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などのイメージセンサである場合、主なノイズは、ショットノイズと読み出しノイズである。
読み出しノイズは、正規分布に従い、中央値が０で、標準偏差がσであるとする。ショットノイズは、取得したフレームの輝度分布に比例する。
したがって、式（１５）をノイズで規格化すると、式（１６）のようになる。

ノイズに対する実空間における差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）の比が、１よりも大きければ、ずれが大きく、１であれば、ずれがなく、１よりも小さければ、ずれが小さいことを意味する。

式（８）の代わりに、以下の式（１７）に示す尤度関数を導入する。

式（１７）において、ｄ_ｍ（ｘ，ｙ）は、差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）に与える重みであり、例えば、ずれが大きいフレームは、信頼度が低いので、小さい重みが与えられる。
また、実空間上において、計算する領域の重みを１、計算を省略する領域の重みを０として、計算量を減らすことが可能である。
以上が、波面の推定処理の原理及び移動体１の輝度分布推定処理の原理である。

波面推定部２６は、概算値である波面の位相をΦ_０，ｎとすると、Φ_０，ｎを、式（２）に示すΦ_ｎ（ｕ，ｖ）の初期値に設定する。
波面推定部２６は、式（２）、式（４）及び式（５）を算出することで、点像強度分布を示す点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を算出する（図１０のステップＳＴ１２）。
波面推定部２６は、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）及び移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）のそれぞれをフーリエ変換することで、光学伝達関数Ｋ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）及び移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）のスペクトルＩ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）を得る（図１０のステップＳＴ１３）。

波面推定部２６は、光学伝達関数Ｋ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）及びスペクトルＩ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）を式（１４）に代入し、差分の二乗和Ｅｒｒを算出する（図１０のステップＳＴ１４）。
波面推定部２６は、差分の二乗和Ｅｒｒを算出すると、位相の探索処理が収束しているか否かを判定する（図１０のステップＳＴ１５）。
位相の探索処理の収束判定として、例えば、算出した差分の二乗和Ｅｒｒが事前に設定されている第１の許容誤差以下であれば、収束していると判定する方法がある。収束していると判定したときの算出した差分の二乗和Ｅｒｒは、最小の二乗和Ｅｒｒである。第１の許容誤差は、例えば、波面推定部２６の内部メモリ又は記録装置４３に格納されているものとする。
また、位相の探索処理の収束判定として、例えば、位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を変更しながら、事前に設定された回数だけ差分の二乗和Ｅｒｒを算出し、算出した二乗和Ｅｒｒの中で、最小の二乗和Ｅｒｒを特定したら、収束していると判定する方法がある。

波面推定部２６は、位相の探索処理が収束していなければ（図１０のステップＳＴ１５：ＮＯの場合）、式（２）に示す位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を変更し（図１０のステップＳＴ１６）、変更後の位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を式（２）に設定する。
波面推定部２６は、ステップＳＴ１２〜ＳＴ１５の処理を再度実施する。
変更後の位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）は、未だ式（２）に設定していない位相であれば、どのような位相でもよいが、差分の二乗和Ｅｒｒが小さくなるような位相であることが望ましい。
波面推定部２６は、位相の探索処理が収束していれば（図１０のステップＳＴ１５：ＹＥＳの場合）、位相の探索処理を終了する。

波面推定部２６は、位相の探索処理が終了すると、最小の二乗和Ｅｒｒが算出された位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を式（３）に代入することで、結像光学系１１の開口における光束２の波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を推定する（図１０のステップＳＴ１７）。
推定された波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）は、ステップＳＴ１１で算出された概算値としての波面よりも高精度な波面である。
波面推定部２６は、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を記録装置４３に出力する。波面推定部２６から記録装置４３に出力される波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）には、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）の算出時刻を示す時刻情報が付加されている。
また、波面推定部２６は、最小の二乗和Ｅｒｒが算出された位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）に対応する点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を移動体復元部４２に出力する。波面推定部２６から移動体復元部４２に出力される点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）には、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）の算出時刻を示す時刻情報が付加されている。
ここでは、波面推定部２６が、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を移動体復元部４２に出力しているが、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を移動体復元部４２に出力するようにしてもよい。

レーダ装置３０は、移動体１に反射されたレーダ波を受信し、レーダ波に基づいて移動体１までの距離を示す距離画像を生成する（図５のステップＳＴ５）。
以下、レーダ装置３０による距離画像の生成処理を具体的に説明する。
送受信部３１は、マイクロ波又はミリ波などのレーダ波を移動体１に向けて送信するとともに、レーダ波を距離画像取得部３２に出力する。
送受信部３１は、移動体１に反射されたレーダ波を反射波として受信し、反射波を距離画像取得部３２に出力する。
レーダ装置３０から移動体１までの距離は、レーダ装置３０がレーダ波を送信してから、反射波を受信するまでの時間に正比例する。

距離画像取得部３２は、送受信部３１からレーダ波が送信されてから、反射波を受信するまでの時間を計測する。
距離画像取得部３２は、計測した時間に基づいて、移動体１までの距離を示す距離画像を生成し、距離画像を画像変形部４１に出力する。
計測時間に基づいて距離画像を生成する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
距離画像取得部３２から画像変形部４１に出力される距離画像には、距離画像の生成時刻を示す時刻情報が付加されている。

画像変形部４１は、距離画像取得部３２から出力された距離画像が、強度画像取得部１３から出力された強度画像と整合するように、距離画像を変形し、変形後の距離画像を移動体復元部４２に出力する（図５のステップＳＴ６）。
以下、画像変形部４１による距離画像の変形処理を具体的に説明する。
まず、画像変形部４１は、強度画像取得部１３から異なる時刻の強度画像を順次取得し、距離画像取得部３２から異なる時刻の距離画像を順次取得する。
画像変形部４１は、例えば、生成時刻ｔ_ｃの距離画像の変形処理を行う場合、取得した複数の強度画像の中から、検出時刻ｔ_ｄが生成時刻ｔ_ｃと最も近い強度画像を選択する。

次に、画像変形部４１は、制御装置４９から、望遠鏡装置１０のステータス情報を取得するとともに、レーダ装置３０のステータス情報を取得する。
望遠鏡装置１０のステータス情報は、結像光学系１１の指向方向及び強度画像の縮尺などを示す情報である。
レーダ装置３０のステータス情報は、送受信部３１の指向方向及び距離画像の縮尺などを示す情報である。
画像変形部４１は、結像光学系１１の指向方向を参照して、強度画像の向きを確認し、送受信部３１の指向方向を参照して、距離画像の向きを確認する。
画像変形部４１は、生成時刻ｔ_ｃの距離画像の向きが、選択した強度画像の向きと一致するように、距離画像を回転等させるアフィン変換処理などを実施する。
また、画像変形部４１は、アフィン変換処理などを実施した距離画像の縮尺が、選択した強度画像の縮尺と一致するように、当該距離画像の拡大処理又は当該距離画像の縮小処理を実施する。

ここでは、画像変形部４１が、距離画像を変形させる処理として、アフィン変換処理と拡大処理又は縮小処理とを実施している。しかし、これは一例に過ぎず、画像変形部４１が、距離画像を距離画像と整合させるために、距離画像を変形させる処理であれば、どのような処理でもよい。
また、画像変形部４１が、距離画像取得部３２から出力された距離画像が、強度画像取得部１３から出力された強度画像と整合するように、距離画像を変形している。しかし、これは一例に過ぎず、画像変形部４１が、距離画像取得部３２から出力された距離画像が、光検出器２５から出力された強度画像と整合するように、距離画像を変形するものであってもよい。

移動体復元部４２は、画像変形部４１から出力された距離画像と、強度画像取得部１３から出力された強度画像と、光検出器２５により検出された複数の集光スポット像あるいは波面推定部２６から出力された点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）とから、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を推定する（図５のステップＳＴ７）。
ここでは、移動体復元部４２が、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を用いて、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を推定しているが、波面推定部２６から出力された波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を用いて、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を推定するようにしてもよい。

移動体復元部４２は、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を用いて、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を推定する場合、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を式（３）に代入することで、位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を算出する。そして、移動体復元部４２は、位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を式（２）に代入し、式（２）、式（４）及び式（５）を算出することで、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を算出する。
移動体復元部４２は、距離画像と、強度画像と、複数の集光スポット像あるいは算出した点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）とから、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を推定する。

以下、移動体復元部４２による移動体１の輝度分布の推定処理を具体的に説明する。
図１２は、移動体復元部４２の処理手順を示すフローチャートである。
図１３は、移動体復元部４２による移動体１の輝度分布推定処理を示す説明図である。
図１３において、距離画像１１１は、画像変形部４１から出力された変形後の距離画像である。
強度画像１１２は、強度画像取得部１３から出力された強度画像である。

まず、移動体復元部４２は、画像変形部４１から距離画像１１１を受けると、距離画像１１１から、移動体１が存在している領域を検出する（図１２のステップＳＴ２１）。
即ち、移動体復元部４２は、距離画像１１１から、移動体１の輪郭を抽出する輪郭抽出処理を実施する。輪郭抽出処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
移動体復元部４２は、抽出した輪郭の内側の領域を移動体１が存在している領域とし、輪郭の外側の領域を移動体１が存在していない領域とする。

次に、移動体復元部４２は、図１３に示すように、移動体１が存在している領域を包含する領域のみが、移動体１の輝度分布推定処理に用いる処理対象領域である旨を示すマスク画像１１３を生成する（図１２のステップＳＴ２２）。
処理対象領域は、移動体１が存在している領域を包含する領域であり、処理対象領域は、移動体１が存在している領域と一致する領域であってもよいし、移動体１が存在している領域も大きい領域であってもよい。移動体１が存在している領域も大きい領域としては、移動体１の影に対応するマージンだけ、抽出した移動体１の輪郭よりも大きい領域などが考えられる。マージンとしては、例えば、移動体１が存在している領域の約１０％の大きさが考えられる。

移動体復元部４２は、強度画像１１２から、マスク画像１１３における処理対象領域内の移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を抽出する（図１２のステップＳＴ２３）。図１３に示す強度画像１１４は、強度画像１１２から抽出された処理対象領域内の移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を示す強度画像である。
移動体復元部４２は、処理対象領域に含まれている１つ以上の移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）の中から、１つの移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を選択する。
移動体復元部４２は、選択した移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）と、選択した移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）に対応する点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）とを式（１６）に代入して、差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を算出する。
移動体復元部４２は、処理対象領域に含まれている１以上の移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）をすべて選択して、差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）の算出が終了するまで、上記の処理を繰り返し実施する。
また、移動体復元部４２は、算出した全ての差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を式（１７）に代入して、差分の二乗和ｅを算出する（図１２のステップＳＴ２４）。
移動体復元部４２は、式（１７）において、処理対象領域内の差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）に対応する重みｄ_ｍ（ｘ，ｙ）を１とし、処理対象領域外の差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）に対応する重みｄ_ｍ（ｘ，ｙ）を０とする。

移動体復元部４２は、差分の二乗和ｅを算出すると、移動体１の輝度分布推定処理が収束しているか否かを判定する（図１２のステップＳＴ２５）。
移動体１の輝度分布推定処理の収束判定として、例えば、算出した差分の二乗和ｅが事前に設定されている第２の許容誤差以下であれば、収束していると判定する方法がある。収束していると判定したときの算出した差分の二乗和ｅは、最小の二乗和ｅである。第２の許容誤差は、例えば、移動体復元部４２の内部メモリ又は記録装置４３に格納されているものとする。
また、移動体１の輝度分布推定処理の収束判定として、例えば、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を変更しながら、事前に設定された回数だけ差分の二乗和ｅを算出し、算出した二乗和ｅの中で、最小の二乗和ｅを特定したら、収束していると判定する方法がある。

移動体復元部４２は、移動体１の輝度分布推定処理が収束していなければ（図１２のステップＳＴ２５：ＮＯの場合）、式（１６）に示す移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を変更し（図１２のステップＳＴ２６）、ステップＳＴ２４〜ＳＴ２５の処理を再度実施する。
変更後の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）は、未だ式（１６）に設定していない輝度分布であれば、どのような輝度分布でもよいが、差分の二乗和ｅが小さくなるような輝度分布であることが望ましい。
移動体復元部４２は、移動体１の輝度分布推定処理が収束していれば（図１２のステップＳＴ２５：ＹＥＳの場合）、移動体１の輝度分布推定処理結果として、最小の二乗和ｅが算出された移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を記録装置４３に出力する（図１２のステップＳＴ２７）。

以上の実施の形態１は、移動体復元部４２が、レーダ装置３０により生成された距離画像から、移動体１が存在している領域を検出し、光検出器２５により検出された複数の集光スポット像のうち、移動体１が存在している領域内の集光スポット像と、波面推定部２６により推定された波面とから、移動体１の輝度分布を推定するように、移動体観測装置を構成した。したがって、移動体観測装置は、レンズレットアレイなどの高速移動を実現する制御機構を実装することなく、移動体１の輝度分布を推定することができる。

実施の形態２．
実施の形態１の移動体観測装置では、移動体復元部４２が、距離画像１１１から、移動体１の輪郭を抽出し、輪郭の内側の領域を移動体１が存在している領域としている。
実施の形態２では、移動体復元部７０が、距離画像１１１に含まれている複数の画素の中で、第１の閾値よりも大きく、かつ、第２の閾値よりも小さい距離値を有する画素が集まっている領域を移動体１が存在している領域として検出する移動体観測装置を説明する。

図１４は、実施の形態２による移動体観測装置を示す構成図である。
図１４において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
移動体復元部７０は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、移動体復元回路などによって実現される。
移動体復元部７０は、軌道情報記録部４６から軌道情報を取得し、軌道情報に基づいて、距離の下限を示す第１の閾値Ｌ_ｒｅｆ１及び距離の上限を示す第２の閾値Ｌ_ｒｅｆ２をそれぞれ決定する処理を実施する。
移動体復元部７０は、距離画像１１１に含まれている複数の画素の中で、第１の閾値Ｌ_ｒｅｆ１よりも大きく、かつ、第２の閾値Ｌ_ｒｅｆ２よりも小さい距離値を有する画素が集まっている領域を移動体１が存在している領域として検出する処理を実施する。
移動体復元部７０は、光検出器２５により検出された複数の集光スポット像のうち、移動体１が存在している領域内の集光スポット像と、波面推定部２６により推定された波面とから、移動体１の輝度分布を推定する処理を実施する。

次に、図１４に示す移動体観測装置について説明する。ただし、移動体復元部７０以外は、図１に示す移動体観測装置と同様であるため、ここでは、移動体復元部７０の処理内容だけを説明する。
まず、移動体復元部７０は、軌道情報記録部４６から軌道情報を取得する。
移動体１が、地球の軌道を周回している隕石、宇宙ゴミ、人工衛星などである場合、移動体１に対する重力は、主に地球による重力である。
移動体１と地球の２対問題であると仮定すると、移動体１の運動の軌跡は、図１５に示すように、二次曲線で表される。移動体１の運動の軌跡は、軌道に相当する。二次曲線は、例えば、法物線、双曲線又は楕円のいずれかである。
図１５は、移動体１の軌道を示す説明図である。
ここで、恒星及び彗星などの天体の軌道を示す軌道情報は、既知とする。また、人工衛星及び国際宇宙ステーションなどの移動体の軌道を示す軌道情報も、ここでは既知とする。

図１６は、移動体復元部７０による移動体１の輝度分布推定処理を示す説明図である。
図１６において、図１３と同一符号は同一又は相当部分を示している。
距離画像１１１において、Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３のそれぞれは、図４に示すように、レーダ装置３０から移動体１におけるそれぞれの部位までの距離を示している。Ｌ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３である。

移動体復元部７０は、軌道情報を参照して、移動体１の位置を特定する。
移動体復元部７０は、レーダ装置３０の位置と移動体１の位置とから、レーダ装置３０から移動体１までの距離の概算値を算出する。
移動体復元部７０は、移動体１における外形寸法の最大値の１．０〜２．５倍などをαとして、（距離の概算値−α）を第１の閾値Ｌ_ｒｅｆ１に設定し、（距離の概算値＋α）を第２の閾値Ｌ_ｒｅｆ２に設定する。この設定は、一例に過ぎず、第１の閾値Ｌ_ｒｅｆ１及び第２の閾値Ｌ_ｒｅｆ２は、他の方法で設定してもよいことは言うまでもない。
移動体１における外形寸法の最大値は、例えば、移動体１が横長の物体であれば、移動体１の横寸法であり、例えば、移動体１が縦長の物体であれば、移動体１の縦寸法である。
ここでは、説明の便宜上、Ｌ_ｒｅｆ１＜Ｌ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３＜Ｌ_ｒｅｆ２であるものとする。

移動体復元部７０は、図１６に示すように、距離画像１１１に含まれている複数の画素の中で、第１の閾値Ｌ_ｒｅｆ１よりも大きく、かつ、第２の閾値Ｌ_ｒｅｆ２よりも小さい距離値を有する画素が集まっている領域を特定する。
移動体復元部７０は、特定した領域の内側の領域を移動体１が存在している領域とし、特定した領域の外側の領域を移動体１が存在していない領域とする。

次に、移動体復元部７０は、図１６に示すように、移動体１が存在している領域を包含する領域のみが、移動体１の輝度分布推定処理に用いる処理対象領域である旨を示すマスク画像１１３を生成する。
処理対象領域は、移動体１が存在している領域を包含する領域であり、処理対象領域は、移動体１が存在している領域と一致する領域であってもよいし、移動体１が存在している領域も大きい領域であってもよい。移動体１が存在している領域も大きい領域としては、移動体１の影に対応するマージンだけ、抽出した移動体１の輪郭よりも大きい領域などが考えられる。

以下、移動体復元部７０は、図１に示す移動体復元部４２と同様に、移動体１が存在している領域内の集光スポット像と、波面推定部２６から出力された点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）とから、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を推定する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明は、移動体の輝度分布を推定する移動体観測装置及び移動体観測方法に適している。

１ 移動体、２，２ａ，４，５，６ 光束、１０ 望遠鏡装置、１１ 結像光学系、１２ 光束分割部、１３ 強度画像取得部、１４ リレー光学系、１５ 波面計測部、１６ 指向装置、２１ 空間分割部、２２ 遮光部、２３ レンズアレイ、２３ａ レンズ、２４ シャッタ、２５ 光検出器、２５ａ 光検出器の受光面、２６ 波面推定部、３０ レーダ装置、３１ 送受信部、３２ 距離画像取得部、３３ 指向装置、４０ 運用装置、４１ 画像変形部、４２ 移動体復元部、４３ 記録装置、４４ 時刻校正部、４５ カウンタ、４６ 軌道情報記録部、４７ 軌道計算部、４８ 計画装置、４９ 制御装置、５１，５２ 筐体、６０ 照明光源、６１ 移動体１の形状、６２ 強度画像、６３ 距離画像、７０ 移動体復元部、１０１ 第１の大気層、１０２ 第２の大気層、１０３ 第３の大気層、１０４，１０５，１０５ａ，１０５ｂ 移動体の像、１０６ａ，１０６ｂ 波面、１１１ 距離画像、１１２，１１４ 強度画像、１１３ マスク画像。

Claims (7)

1. 移動体に反射された光束又は前記移動体から送信された光束を集光する結像光学系と、
   前記結像光学系により集光された光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する空間分割部と、
   前記空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出する光検出器と、
   前記光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、前記結像光学系の開口における光束の波面を推定する波面推定部と、
   前記移動体に反射されたレーダ波を受信し、前記レーダ波に基づいて前記移動体までの距離を示す距離画像を生成するレーダ装置と、
   前記レーダ装置により生成された距離画像から、前記移動体が存在している領域を検出し、前記光検出器により検出された複数の集光スポット像のうち、前記移動体が存在している領域内の集光スポット像と、前記波面推定部により推定された波面とから、前記移動体の輝度分布を推定する移動体復元部と
   を備えた移動体観測装置。
2. 前記結像光学系により集光された光束から、前記移動体の像を検出し、前記移動体の像を示す強度画像を出力する強度画像取得部を備え、
   前記レーダ装置により生成された距離画像が前記強度画像と整合するように、前記距離画像を変形し、変形後の距離画像を前記移動体復元部に出力する画像変形部を備えたことを特徴とする請求項１記載の移動体観測装置。
3. 前記レーダ装置により生成された距離画像が前記光検出器により検出された複数の集光スポット像を示す強度画像と整合するように、前記距離画像を変形し、変形後の距離画像を前記移動体復元部に出力する画像変形部を備えたことを特徴とする請求項１記載の移動体観測装置。
4. 前記移動体復元部は、前記レーダ装置により生成された距離画像から、前記移動体の輪郭を抽出し、前記輪郭の内側の領域を前記移動体が存在している領域として検出することを特徴とする請求項１記載の移動体観測装置。
5. 前記移動体復元部は、
   前記移動体の軌道を示す軌道情報に基づいて、距離の下限を示す第１の閾値及び距離の上限を示す第２の閾値をそれぞれ決定し、
   前記距離画像に含まれている複数の画素の中で、前記第１の閾値よりも大きく、かつ、前記第２の閾値よりも小さい距離値を有する画素が集まっている領域を前記移動体が存在している領域として検出することを特徴とする請求項１記載の移動体観測装置。
6. 前記波面推定部は、前記光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、前記結像光学系の開口における光束の波面の概算値を算出し、前記概算値を用いて、前記複数の集光スポット像の点像強度分布を算出し、前記点像強度分布と前記複数の集光スポット像とから、前記波面を推定することを特徴とする請求項１記載の移動体観測装置。
7. 結像光学系が、移動体に反射された光束又は前記移動体から送信された光束を集光し、
   空間分割部が、前記結像光学系により集光された光束を複数の空間領域の光束に分割して、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光し、
   光検出器が、前記空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出し、
   波面推定部が、前記光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、前記結像光学系の開口における光束の波面を推定し、
   レーダ装置が、前記移動体に反射されたレーダ波を受信し、前記レーダ波に基づいて前記移動体までの距離を示す距離画像を生成し、
   移動体復元部が、前記レーダ装置により生成された距離画像から、前記移動体が存在している領域を検出し、前記光検出器により検出された複数の集光スポット像のうち、前記移動体が存在している領域内の集光スポット像と、前記波面推定部により推定された波面とから、前記移動体の輝度分布を推定する
   移動体観測方法。

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