JP4912866B2

JP4912866B2 - 赤外線検出装置

Info

Publication number: JP4912866B2
Application number: JP2006355609A
Authority: JP
Inventors: 雄彦浜田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP2008164242A

Description

目標のロケットプルームから放射される赤外線を、背景となる地上の地物や雲からの赤外線放射光あるいは反射光から弁別することにより、目標を検出する赤外線検出装置に関する。

目標のロケットプルームが放射する赤外線分光強度を分析することにより、目標の空力加熱、排気口、排気ガスの分光特性がどの程度含まれているかを調べ、そのアスペクト角を判定する赤外線捜索追尾装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１６２９４２号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
対象となる広域波長帯での積分的強度による従来の検出方法では、目標のロケットプルームが放射する赤外線は、背景となる地上の地物や雲からの赤外線放射光または反射光の積分的強度との差異、あるいは赤外線像の形状での差異が小さい。従って、発射直後の地上や背景からの赤外線放射光と、本来検出すべき目標のロケットプルームが放射する赤外線との弁別が困難であった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、目標のロケットプルームからの赤外線放射と背景からの赤外線放射との弁別を容易にして目標の検出精度の向上を図る赤外線検出装置を得ることを目的とする。

本発明に係る赤外線検出装置は、目標のロケットプルームが放射する特徴的な分光赤外線放射特性に合致した透過特性を有する狭帯域赤外線透過フィルタと、ロケットプルームの高温ガスの赤外線放射を透過する広帯域赤外線透過フィルタとを有し、目標のロケットプルームから放射される赤外線に基づいて、狭帯域赤外線透過フィルタを通過した後の狭帯域通過電気信号と、広帯域赤外線透過フィルタを通過した後の広帯域通過電気信号とを分離生成する検出信号生成回路と、検出信号生成回路で分離生成された狭帯域通過電気信号と広帯域通過電気信号との差信号または積信号から目標抽出画像を生成することで、目標のロケットプルームの燃焼が開始した後に、目標のロケットプルームが放射する赤外線と、背景となる地上の地物や雲からの赤外線放射光または反射光の積分的強度との差異が小さい場合には、ロケットプルームを弁別することで目標を識別し、目標のロケットプルームの燃焼が終了した後に、高温ガスによる赤外線放射特性が消失した場合には、低温度の背景に対する目標の赤外線信号強度を弁別することで目標を識別する目標抽出演算回路とを備えたものである。

本発明によれば、目標のロケットプルームが放射する特徴的な分光赤外線放射特性を、狭帯域赤外線透過フィルタを利用して抽出することにより、目標のロケットプルームからの赤外線放射と背景からの赤外線放射との弁別を容易にして目標の検出精度の向上を図る赤外線検出装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における赤外線検出装置の構成図である。この赤外線検出装置は、検出信号生成回路１０および目標抽出演算回路２０で構成される。さらに、検出信号生成回路１０は、広帯域赤外線透過フィルタ１１ａと狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂとを装着したフィルタ板１１と、光学系１２と、赤外線検知器１３と、信号分離回路１４とで構成される。

このような構成を有する赤外線検出装置の具体的な動作について、次に説明する。
図２は、本発明の実施の形態１における赤外線検出装置に取り込まれる撮像画像３１を示した図である。図２に示した撮像画像３１には、目標であるロケットが含まれている。さらに、この図２では、ロケットプルーム３２が燃焼中の状態を示している。

図３は、本発明の実施の形態１における図２の撮像画像３１に対応する分光放射特性３３を示した図である。そして、この分光放射特性３３には、上空の太陽光を反射した背景から放射される赤外線の分光放射特性３３ａ、および目標のロケットプルーム３２から放射される赤外線の分光放射特性３３ｂが含まれている。

図４は、本発明の実施の形態１における２つの分光放射特性３３ａ、３３ｂを個別に示したものである。目標のロケットプルーム３２から放射される赤外線の分光放射特性３３ｂには、４．０〜４．５μｍの波長帯での高温の二酸化炭素あるいは窒素酸化物の放射が含まれている。

従って、分光放射特性３３の中から、目標のロケットプルーム３２から放射される赤外線の分光放射特性３３ｂを抽出し、その後の電気信号を利用して撮像画像を生成すれば、目標のロケットプルーム３２を弁別した所望の画像を得ることができることになる。本発明では、このような所望の画像を得るために、２種類の分光透過特性を有するフィルタを活用しており、その詳細について、次に説明する。

図５は、本発明の実施の形態１における広帯域赤外線透過フィルタ１１ａおよび狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂの分光透過特性を示した図である。図５（ａ）は、広帯域赤外線透過フィルタ１１ａの分光透過特性を示しており、３〜５μｍの波長域の赤外線を透過する。

このような広帯域赤外線透過フィルタ１１ａとしては、例えば、ＳｉあるいはＧｅのような１〜２μｍより長く６〜７μｍより短い波長域で透過特性を持つ基板材料に、誘電体薄膜加工を施すことにより、３〜５μｍの波長域の透過率を向上させたフィルタを適用することができる。

一方、図５（ｂ）は、狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂの分光透過特性を示しており、４〜４．５μｍの波長域の赤外線を選択的に透過する。このような狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂとしては、例えば、同じくＳｉあるいはＧｅのような１〜２μｍより長く６〜７μｍより短い波長域で透過特性を持つ基板材料の表面に、高屈折率誘電体材料薄膜と低屈折率誘電体材料薄膜とを交互に多層成膜させることにより、４〜４．５μｍの波長域のみ高い透過率で透過させるようにしたフィルタを適用することができる。

図６は、本発明の実施の形態１における広帯域赤外線透過フィルタ１１ａおよび狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂのそれぞれを通過した赤外線分光特性を示した図である。図６（ａ）は、広帯域赤外線透過フィルタ１１ａを通過した目標および背景からの赤外線分光特性を示している。

３〜５μｍの波長域の透過率を向上させた広帯域赤外線透過フィルタ１１ａは、ロケットプルーム３２の高温ガスの赤外線放射を透過することができ、目標および背景からの赤外線分光特性を得ることができる。しかしながら、目標からの赤外線放射は、背景からの放射に埋もれ、目標からの赤外線放射との弁別を困難にしている。

一方、図６（ｂ）は、狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂを通過した目標および背景からの赤外線分光特性を示している。４〜４．５μｍの波長域のみ高い透過率で透過させる狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂは、目標のロケットプルームが放射する特徴的な分光放射特性に合致した透過特性を有している。

具体的には、この狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂは、先の図４（ｂ）に示したように、目標のロケットプルームからの赤外線放射の特徴である４．０〜４．５μｍの波長帯での高温の二酸化炭素あるいは窒素酸化物の放射のみを通過させる。この結果、背景からの赤外線放射を抑圧し、背景からの目標のロケットプルームの弁別を容易にしている。

先の図１に示したように、このような広帯域赤外線透過フィルタ１１ａおよび狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂは、フィルタ板１１に装着されている。そして、赤外線検出装置内で、このフィルタ板１１を定速回転させることにより、光学系１２は、広帯域赤外線透過フィルタ１１ａおよび狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂを透過する赤外線を、赤外線検知器１３上に交互に集光結合することができる。そして、赤外線検知器１３は、入力した赤外線信号を光電変換して出力する。

さらに、信号分離回路１４は、フィルタ板１１の回転同期信号を元に、赤外線検知器１３からの出力信号を、広帯域赤外線透過フィルタ１１ａを通過する広帯域通過赤外線信号と、狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂを通過する狭帯域通過赤外線信号に分離する信号分離回路である。

このような一連の動作により、検出信号生成回路１０は、最終的に、広帯域赤外線透過フィルタ１１ａを通過した後の広帯域通過電気信号と、狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂを通過した後の狭帯域通過電気信号とを分離生成することができる。

次に、目標抽出演算回路２０は、検出信号生成回路１０で分離生成された狭帯域通過電気信号と広帯域通過電気信号との差信号または積信号から目標抽出画像を生成する。図７は、本発明の実施の形態１における目標抽出演算回路２０により処理される画像を示した図である。

より具体的には、図７（ａ）は、広帯域赤外線透過フィルタ１１ａを通過した後の広帯域通過電気信号による撮像画像である。また、図７（ｂ）は、狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂを通過した後の狭帯域通過電気信号による撮像画像である。さらに、図７（ｃ）は、図７（ａ）の画像に対応する広帯域通過電気信号と、図７（ｂ）の画像に対応する狭帯域通過電気信号との差信号または積信号により生成された目標抽出画像である。

このようにして、目標抽出演算回路２０で生成された目標抽出画像は、図７（ａ）では背景データの中に埋もれて弁別が困難であったロケットプルームを弁別表示することが可能となり、目標のロケットプルームが燃焼中である場合を早期に探知することができる。

さらに、目標のロケットプルームの燃焼が終了した後は、高温ガスによる赤外線放射特性は消失し、図７（ｄ）に示すとおり、狭帯域通過電気信号による撮像画像から目標像は消失し、目標のロケットプルームを検出できない。しかしながら、この段階では、目標は、高高度に達しており、背景が低温度の天空となるため、広帯域赤外線透過フィルタ１１ａを通過した信号は、低温背景に対して際立った信号強度を有する状態になるため、図７（ｅ）に示すとおり、目標抽出画像から目標のロケットを弁別維持することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、目標のロケットプルームが放射する特徴的な分光赤外線放射特性を抽出可能な狭帯域赤外線透過フィルタを使用することにより、目標のロケットプルームの燃焼中において、背景からの赤外線放射との弁別を可能とし、目標を早期に探知できる赤外線検出装置を得ることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２においては、検出信号生成回路１０の構成が先の実施の形態１とは異なる赤外線検出装置について説明する。図８は、本発明の実施の形態２における赤外線検出装置の構成図である。この赤外線検出装置は、検出信号生成回路１０および目標抽出演算回路２０で構成される。

さらに、検出信号生成回路１０は、光学系１２と、光路分離器１５と、広帯域赤外線透過フィルタ１１ａと、狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂと、広帯域用赤外線検知器１３ａと、狭帯域用赤外線検知器１３ｂとで構成される。

先の実施の形態１では、フィルタ板１１の定速回転と同期した信号分離回路１４の働きにより広帯域通過電気信号と狭帯域通過電気信号とを分離生成していた。これに対して、本実施の形態２では、光路分離器１５を用いて広帯域通過電気信号と狭帯域通過電気信号とを分離生成している。

本実施の形態２における光学系１２は、目標から放射される赤外線を光路分離器１５上に集光結像する。そして、光路分離器１５は、光学系１２により集光結像された赤外線を２系統の光路（すなわち、広帯域処理用の光路および狭帯域処理用の光路）に分割する。

広帯域処理用の光路には、広帯域赤外線透過フィルタ１１ａおよび広帯域用赤外線検知器１３ａが設けられている。先の実施の形態１で説明したように、３〜５μｍの波長域の透過率を向上させた広帯域赤外線透過フィルタ１１ａは、ロケットプルーム３２の高温ガスの赤外線放射を透過することができ、目標および背景からの赤外線分光特性を得ることができる。

さらに、広帯域用赤外線検知器１３ａは、広帯域赤外線透過フィルタ１１ａを通過した赤外線放射を検知して光電変換することにより広帯域通過電気信号を生成する。

一方、狭帯域処理用の光路には、狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂおよび狭帯域用赤外線検知器１３ｂが設けられている。先の実施の形態１で説明したように、４〜４．５μｍの波長域のみ高い透過率で透過させる狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂは、目標のロケットプルームが放射する特徴的な分光放射特性に合致した透過特性を有している。

さらに、狭帯域用赤外線検知器１３ｂは、狭帯域赤外線透過フィルタ１１ｂを通過した赤外線放射を検知して光電変換することにより狭帯域通過電気信号を生成する。

検出信号生成回路１０の後段である目標抽出演算回路２０の動作は、先の実施の形態１と同様である。

以上のように、実施の形態２によれば、先の実施の形態１と異なる構成の検出信号生成回路によっても、目標のロケットプルームが放射する特徴的な分光赤外線放射特性を抽出可能な狭帯域赤外線透過フィルタを使用することにより、目標のロケットプルームの燃焼中において、背景からの赤外線放射との弁別を可能とし、目標を早期に探知できる赤外線検出装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１における赤外線検出装置の構成図である。本発明の実施の形態１における赤外線検出装置に取り込まれる撮像画像を示した図である。本発明の実施の形態１における図２の撮像画像に対応する分光放射特性を示した図である。本発明の実施の形態１における２つの分光放射特性を個別に示したものである。本発明の実施の形態１における広帯域赤外線透過フィルタおよび狭帯域赤外線透過フィルタの分光透過特性を示した図である。本発明の実施の形態１における広帯域赤外線透過フィルタおよび狭帯域赤外線透過フィルタのそれぞれを通過した赤外線分光特性を示した図である。本発明の実施の形態１における目標抽出演算回路により処理される画像を示した図である。本発明の実施の形態２における赤外線検出装置の構成図である。

符号の説明

１０検出信号生成回路、１１フィルタ板、１１ａ広帯域赤外線透過フィルタ、１１ｂ狭帯域赤外線透過フィルタ、１２光学系、１３赤外線検知器、１３ａ広帯域用赤外線検知器、１３ｂ狭帯域用赤外線検知器、１４信号分離回路、１５光路分離器、２０目標抽出演算回路、３１撮像画像、３２ロケットプルーム。

Claims

目標のロケットプルームが放射する特徴的な分光赤外線放射特性に合致した透過特性を有する狭帯域赤外線透過フィルタと、前記ロケットプルームの高温ガスの赤外線放射を透過する広帯域赤外線透過フィルタとを有し、前記目標のロケットプルームから放射される赤外線に基づいて、前記狭帯域赤外線透過フィルタを通過した後の狭帯域通過電気信号と、前記広帯域赤外線透過フィルタを通過した後の広帯域通過電気信号とを分離生成する検出信号生成回路と、
前記検出信号生成回路で分離生成された前記狭帯域通過電気信号と前記広帯域通過電気信号との差信号または積信号から目標抽出画像を生成することで、前記目標のロケットプルームの燃焼が開始した後に、前記目標のロケットプルームが放射する赤外線と、背景となる地上の地物や雲からの赤外線放射光または反射光の積分的強度との差異が小さい場合には、前記ロケットプルームを弁別することで前記目標を識別し、前記目標のロケットプルームの燃焼が終了した後に、高温ガスによる赤外線放射特性が消失した場合には、低温度の前記背景に対する前記目標の赤外線信号強度を弁別することで前記目標を識別する目標抽出演算回路と
を備えたことを特徴とする赤外線検出装置。
請求項１に記載の赤外線検出装置において、
前記検出信号生成回路は、
前記狭帯域赤外線透過フィルタと前記広帯域赤外線透過フィルタとを装着したフィルタ板と、
前記フィルタ板を介して得られる前記目標からの赤外線放射を集光結像する光学系と、
前記光学系を通過した赤外線放射を検知して光電変換後の電気信号を出力する赤外線検知器と、
前記狭帯域赤外線透過フィルタおよび前記光学系を介して前記赤外線検知器で光電変換された狭帯域通過電気信号と、前記広帯域赤外線透過フィルタおよび前記光学系を介して前記赤外線検知器で光電変換された広帯域通過電気信号とを分離生成する信号分離回路と
を備えたことを特徴とする赤外線検出装置。
請求項１に記載の赤外線検出装置において、
前記検出信号生成回路は、
前記目標のロケットプルームから放射される赤外線を集光結像する光学系と、
前記光学系により集光結像された赤外線を２系統の光路に分割する光路分離器と、
前記光路分離器で分割された一方の光路から、前記狭帯域赤外線透過フィルタを通過した赤外線放射を検知して光電変換することにより前記狭帯域通過電気信号を生成する狭帯域用赤外線検知器と、
前記光路分離器で分割された他方の光路から、前記広帯域赤外線透過フィルタを通過した赤外線放射を検知して光電変換することにより前記広帯域通過電気信号を生成する広帯域用赤外線検知器と
を備えたことを特徴とする赤外線検出装置。