JPH0683405B2 - 広域高分解能撮像方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は人工衛星等から広範囲の地域の高分解能画像観
測を行う際の撮像及び撮像信号の処理方式に関するもの
である。

〔従来の技術〕 人工衛星等から地表面の諸現象を高分解能にて撮像し、
地上へ伝送する高分解能観測システムはその重要性が認
識されると共に、益々、高分解能化への要求が増大して
いる。また高分解能観測システムに於ける受光素子とし
て、最近では多素子のCCD（電荷結合デバイス）が使用
されることが多くなってきている。

この様な観測システムの従来の一般的な例を第12図に示
す。第12図において、人工衛星１は地表面に対し速度Ｖ
にて進行する。地表の画像２は光学系３によって、結像
面に置かれた受光デバイス５に結像される。受光デバイ
ス５としてはCCD（電荷結合デバイス）等の光電変換素
子が使用され、これにより地表の画像信号は電気信号に
変換され信号処理されて地上へ伝送される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

受光デバイス５の中に収容される受光素子の数は有限で
あるため、一つのCCDにて撮像を行う場合には高分解能
化が進む撮像を行える範囲が狭くなり問題が生じてく
る。これを解決する一つの方法として第13図に示すよう
に光学系の前面に反射ミラー29を配置し、この角度を変
化させることにより撮像する地域選択を行う方法があ
る。但し、高分解能化が進むと光学系入射部の口径Ｄを
大きくする必要があるため、その前面に配置される可動
反射ミラーも必然的に大型化する。

この様な大型の可動光学構造物を光学系前面に配置して
宇宙空間にて動作させることはミラーの否による分解能
劣化の他に撮像位置設定の精度、信頼度、寿命等の問題
がある。また、この方式に於いては特定部分の撮像は可
能となるが広範囲の地域を同時に撮像することは不可能
である。

また他の方式例として第14図に示すように複数の受光デ
バイスを結像平面内に配置して撮像範囲の増加を図る方
法もある。しかし、この方法においては図に示すように
光学系の球面収差のために結像内の端の部分では焦点ぼ
けが起こり解像度が劣化する問題があり、広い範囲に於
ける高分解能撮像は不可能である。そこで本発明は広範
囲の撮像を行いながら同時に特定部分の高分解能撮像を
も行う撮像方式を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

これら従来技術の問題点を解決し、上記目的を達成する
ために本発明が講じた主な手段は以下の通りである。

光学系の結像を光学系の焦点面に合わせた曲面と
し、この曲面に沿って複数個の受光デバイスを配列させ
る。

この複数個の受光デバイスの各々の電気信号出力を
受光デバイスの一画素単位にて遅延させ、この出力を画
素単位にて通過または遮断するゲート回路に供給し、こ
れらの信号出力を加算合成することにより、特定部分の
隣接画素間積分を行わせ、更に積分期間に対応する画素
単位のサンプリングを行わせる。

更にこの合成及びサンプリングされた信号出力を走
査線期間単位にて通過または遮断するゲート回路に供給
し、これらの出力を加算合成することにより、特定部分
の隣接走査間の積分を行わせ、更に積分期間に対応する
走査線単位のサンプリングを行わせる。

この出力信号をメモリ回路に加え、等間隔にて読み
だしを行なわせ、出力パルスを伝送に適した形式に再配
列させる。

〔実施例〕

以下に本発明について具体的に図面を参照して説明す
る。

第１図（ａ）及び（ｂ）に本発明による広域高分解能撮
像方式の一実施例を示す。図において１は人工衛星、２
は地表画像、３は光学系、４は結像面、５は受光デバイ
ス、６は信号選択合成回路、７は信号処理回路、８は送
信器、９は地上局受信機、10は受信信号処理回路、11は
画像処理回路、12は画像出力である。

図に示すごとく、地表の画像は人工衛星内の光学系３に
より結像面４に配置された受光デバイス５に結像されて
電気信号に変換され、信号選択合成回路６を経て信号処
理回路７、送信器８に供給され地上局受信機９へ送出さ
れる。地上局受信機９の出力は受信信号処理回路10を経
て画像処理回路11に供給され、画像出力12として出力さ
れる。

本発明の特徴の一つは複数個の検出器５を図に示すよう
に湾曲した結像面４に沿って配列させることである。こ
の部分の具体的な構成を第２図〜第５図により説明す
る。光学系の理想的な焦点面は第２図の結像面４に示す
ごとく、湾曲した形状となる。この形状は光学系の収差
の計算結果から正確に求められる。従って、結像面をこ
の理想的な焦点面の形状に一致させて製作し、複数の受
光デバイス５−１〜５−５を図に示すごとく湾曲した結
像面４に沿わせて取り付けることにより図に示すごとく
各受光デバイスを光学系の理想的な焦点面の位置に配列
させることが出来る。

各々の受光デバイスはパッケージに収容されているた
め、第３図に示すごとく隣接する受光デバイスを衛星の
進行方向にわずかずらせて配置させることにより、隣接
する地表画像を隙間なく撮像することが出来る。

光学系の焦点面は第３図の４に点線で示すごとく一般に
は円形となるが実際の結像面の形状は第４図（ａ）に示
すごとく、このうちの一部を切り取った形状でよい。結
像面４は入射光に対し不透明な金属等にて製作すること
が可能であり、受光デバイスは第４図（ｂ）及（ｃ）に
示すように結像面に窓をあけて第４図（ｂ）に示すよう
にその内側、或は（ｃ）に示すようにその外側に取り付
けることが出来る。或は、第５図（ａ）において断面
図、（ｂ）において斜視図で示すごとく結像面４を光学
的なハーフプリズムの形に構成し、受光デバイスを図の
ごとく配置させることによっても地表画像を隙間なく撮
像することが出来る。

次にこのように配列された複数の受光デバイスから得ら
れる信号出力を選択及び合成し、高分解能及び広域撮像
を行わせる方法について第６図により具体的に説明す
る。

第６図は第１図に於ける信号選択合成回路６の詳細図例
である。図の５−１から21−１の経路と５−２から21−
２の経路、５−３から21−３の経路、５−４から21−４
の経路、及び５−５から21−５の経路とは原理的に各々
同一である。図において受光デバイス５−１〜５の電気
信号出力は前置信号処理回路12−１〜５に加えられる。
前置信号処理回路12−１〜５において受光デバイス出力
の信号は増幅され、また後続する回路の単純化を図る場
合等にはA/D変換が行われディジタル信号に変換され
る。13−１〜５及び17−１〜５は遅延回路、14−１〜５
及び18−１〜５はゲート回路である。

第６図の回路の動作の一例を第７図の波形図を使用しな
がら説明する。第７図の横軸は時間軸であり、縦軸はパ
ルスのレベルを表す。第７図に於いては図を簡略化する
ため各々の受光デバイスの素子数を12個として示してい
る。また図中Ｔは各受光素子に於ける一ラインの走査線
期間を表す。第７図において、２ライン分の走査線期間
（2T）の動作を実線で表しており、それ以前の期間に対
応する動作を点線により表している。

第７図は第６図においてゲート14−1,4,5及びゲート18
−1,4,5がONの状態にあり、ゲート14−2,3については図
に示すようにそれぞれ、ｎ（Ｔ＋T1）及びｎ（Ｔ＋T2）
の時刻に於いてゲートのON−OFF状態が切り替わる場合
の例を示す。

第６図においてゲート回路14−１〜５及び18−１〜５が
OFFの状態（高分解能撮像モード）においては前置信号
処理回路12−１〜５の出力はそのまま各々の合成回路15
−１〜５に加えられ、この出力は更にそのまま各々の合
成回路19−１〜５に供給される。この場合には16−１〜
５及び20−１〜５のサンプリング回路はそれぞれ一画素
及び一ライン毎にサンプリングするので、受光デバイス
に於ける一画素が地表の一画素に対応する高分解能撮像
が行われる。

この状態が第７図の波形図の例に於いては図に示すごと
くゲート回路14−2,18−２に於けるｎ（Ｔ＋T1）≦ｔ＜
（ｎ＋１）Ｔの期間及びゲート回路14−3,18−３におけ
るnT≦ｔ＜ｎ（Ｔ＋T2）の期間に相当し、この期間に於
いてはサンプリング回路20−2,20−３の出力は図に示す
ように地表の一画素に対応したパルス列となって出力さ
れる。実際の信号処理はディジタル変換された信号にて
行われる場合が多いが第７図に於いては分かりやすく表
現するために振幅が入力光レベルにより変化するアナロ
グ信号（PAM）の形式にて表している。

次に、ゲート回路14−１〜５及び18−１〜５がONの状態
（広域撮像モード）の動作について説明する。ゲート回
路14−１がONの状態に於いて信号処理回路12−１の出力
は遅延回路13−１を通して一画素分遅延された信号と遅
延を受けない信号とが15−１の合成回路に供給され隣接
画素との加算が行われる。即ち隣接画素間にて積分動作
が行われる。従って加算された後のデータは２画素毎の
情報がまとめられているためサンプリング回路16−１〜
５にて一画素置きにデータをサンプリングして出力す
る。

サンプリング回路16−１〜５の出力は更に相隣る走査線
期間の画素間の加算を行うため、−ライン遅延回路17−
１〜５に供給された後前述と同様に合成回路19−１〜５
にて加算が行われる。この場合は隣接するライン間にて
積分動作が行われるため、合成回路出力はサンプリング
回路20−１〜５にて一ライン置きにサンプリング動作を
行う。

従って、出力パルスは第７図の20−2OUTのnT≦ｔ＜ｎ
（Ｔ＋T1）、20−3OUTのｎ（Ｔ＋T2）≦ｔ＜（ｎ＋１）
Ｔ及び20−1,20−4,20−5OUTにて示されるように一画素
置きのサンプリング及一ライン置きのサンプリング動作
が行なわれた状態にて出力される。このサンプリング動
作により伝送するデータの量が節減され、節減されたデ
ータ量に相当する広範囲の地域のデータを取り込むこと
が可能となる。

サンプリング回路20−１〜５の出力は更に出力部のゲー
ト回路21−１〜５を通してメモリ回路22に供給され、20
−１のデータから20−５のデータが順に書き込まれる。
読み出される場合には等間隔にて読み出すことにより第
７図の22OUTに示すようにデータレートが一定の高速パ
ルス列として地上局へ送り出すことが出来る。出力のゲ
ート回路21−１〜５は地上へ伝送するデータ量が大きす
ぎる場合に於て、出力するデータの量を制限するための
ゲート回路であり、例えば２個の受光デバイスの出力を
高分解能撮像モードにて伝送することが可能な場合に
は、21−１及び21−4,5のゲート回路をOFFにすることに
より受光デバイス５−２及び５−３の出力をすべて高分
解能撮像モードにて伝送することが可能となる。

次に、このようにして送出されたパルス列を受信側にて
信号処理する方法の一例について説明する。

第８図は受信信号処理回路の構成方法の一例であり、第
９図、第10図は第８図の動作を説明する波形図である。
第９図、第10図の横軸、縦軸は送信側の第７図と同様で
あり、２ライン分（2T）期間の動作を表している。ま
た、送信側の説明と同様に波形図に於いては分かりやす
いようにアナログ形式（PAM）にて表示している。受信
信号処理回路の入力に於けるパルス列の構成は第９図の
INに示すように第７図における送信側の出力パルス列の
構成と同一である。

本パルス列は先ずゲート回路23−１〜５により各受光デ
バイスに対応するパルス列に分離される。人工衛星に於
いて送信側のパルス列の構成方法は通常は地上局からの
指令により定められるため、受信側にてこのパルス列の
構成順序等は既知であり、第９図に示すごとくゲート回
路23−１〜５により各デバイス出力に対応したパルス列
に分離することが出来る。尚、分離するための別な方法
として送信パルス列を構成する際に、20−１〜５の出力
パルスに受光デバイス１〜５に対応した識別符号を挿入
し、この符号を受信側に於いて検出することによって各
デバイスに対応するパルス列に分離することも可能であ
る。

ゲート回路23−１〜５により分離されたパルス列はそれ
ぞれメモリ回路24−１〜５に書き込まれる。メモリ回路
の読み出し動作は送信側のパルス列構成時と同様にして
行われる。即ち、メモリ回路24−1,4,5においては読み
出し速度は送信側に対応して高分解能撮像時の速度の1/
2の遅い速度にて読みだされ、且つ、一ライン読みだし
を行った後の次の一ラインにおいては前ラインのデータ
をそのままそのラインのデータとして使用する。この動
作は図に示すように、24−２におけるnT≦ｔ＜ｎ（Ｔ＋
T1）及び24−３におけるｎ（Ｔ＋T2）≦ｔ＜（ｎ＋１）
Ｔの期間においても同様である。

次に、24−２におけるｎ（Ｔ＋T1）≦ｔ＜（ｎ＋１）Ｔ
及び24−３におけるnT≦ｔ＜ｎ（Ｔ＋T2）の期間におい
ては正常の高速読み出し速度にてデータ読み出しを行
う。即ち、この場合には２ラインのデータはそれぞれ異
なった情報を有するデータが読み出される。メモリ回路
24−１〜５の出力は遅延回路25,26及び27−１〜５を経
て多重回路28へ供給され回路内のメモリへ書き込まれ
る。多重回路28からのデータの読み出しは第10図の28OU
Tに示されるように一ライン毎に24−１〜５のデータが
書き込みの速度に対応して、順に読み出され、図のごと
く全ラインのデータが時系列的に出力される。従って送
信側にて高分解能撮像を行った部分においてはパルスの
密度が高く、その他の部分では積分を行った期間に対応
してサンプリングされた形で出力される。

第８図の遅延回路25,26及び27−１〜５は送信側に於け
る配置上からの各受光デバイスの撮像時間のずれを補正
するための回路である。25及び26の遅延回路は送信側に
於ける受光デバイスの配置が第３図及び第４図のごとく
奇数偶数毎にずらせて配置された場合に対応する回路で
あり相互の時間差を補正するため数ライン以上の大きな
遅延時間の補正を行うものである。これに対し、27−１
〜５の遅延回路は配置上のわずかな時間ずれを補正する
ための回路であり、数画素程度の小さな遅延時間の補正
が行われる。

このようにして出力された簡単な画像パターンの一例を
第11図に示す。図は白黒の格子状の傾いたパターンを撮
像した状況を二次元的に表したものである。横軸は走査
線上に配列された画素の位置に対応し縦軸の方向に人工
衛星が飛行して撮像が行われる状態を示す。横軸の下に
示した目盛りは受光デバイスの接続点を示す。図に示す
ように第２の受光デバイスと第３の受光デバイスの一部
分において高分解能撮像が行われ他の部分はそれぞれ２
画素毎の積分動作が行われる状態が示されている。

本発明に於て、送信側の出力部のメモリ回路22の容量を
数ライン以上に増加させることにより、或る数ラインは
広い範囲において高分解能撮像を行い、他の数ラインは
広域撮像モードに切り替えて数ラインの全体のデータレ
ートを一定に保たせて伝送することにより、広い地域の
中から特定の二次元状の地域を高分解能撮像させること
も可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたごとく本発明は機械的な可動機構を一切使用
せずに広い範囲の地域の任意の特定部分について優れた
結像特性を有する高分解能撮像を行うことが出来、且つ
撮像するモードを電子的に切り替えることにより、広範
囲の地域を撮像可能であり、更に一部に地域を高分解能
撮像し、他の地域をこれと異なる分解能にて撮像するこ
とが可能である等の非常に汎用性の広い高性能撮像装置
を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の広域高分
解能撮像方式の概要を示すブロック図、第２図は第１図
の広域高分解能撮像方式の光学部及び結像部の断面図、
第３図は第１図の広域高分解能撮像方式の結像部の正面
図、第４図（ａ），（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ本発明
の広域高分解能撮像方式の結像部の斜視図、横断面図及
び他の横断面図、第５図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本
発明の広域高撮像方式の結像部の他の実施例を示す断面
図及び斜視図、第６図は第１図の広域高分解能撮像方式
の信号選択合成回路を示すブロック図、第７図は第６図
の信号選択合成回路の出力波形図、第８図は本発明の広
域高分解能撮像方式の受信信号処理回路の実施例を示す
ブロック図、第９図及び第10図はともに第８図の受信信
号処理回路の入力波形図、第11図は本発明の広域高分解
能撮像方式による取得画像パターン例、第12図は従来の
撮像方式を示すブロック図、第13図は可動反射ミラーの
概略図、第14図は従来の撮像方式による光学部及び結像
部の断面図である。 １……人工衛星、２……地表画像、３……光学系、４…
…結像面、５……受光デバイス、６……信号選択合成回
路、７……信号処理回路、８……送信機、９……地上局
受信機、10……受信信号処理回路、11……画像処理回
路、12……画像出力、13−１〜5,17−１〜５……遅延回
路、14−１〜5,18−１〜５……ゲート回路、15−１〜5,
19−１〜５……合成回路、16−１〜5,20−１〜５……サ
ンプリング回路、21−１〜５……ゲート回路、22……メ
モリ回路、23……ゲート回路、24……メモリ回路、25,2
6……遅延回路、27……遅延回路、28……多重回路、29
……可動反射ミラー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多素子の受光素子から構成される受光デバ
   イスを撮像用光学系の結像面に配置して光電変換を行う
   撮像方式において、人工衛星局が結像面を光学系の焦点
   面と一致する曲面の構造とし、この曲面に沿って配置さ
   れた複数個の受光デバイスと、前記複数個の受光デバイ
   スの各々の電気信号出力を受光デバイスの一画素単位に
   遅延させる第１の遅延回路と、前記第１の遅延回路の出
   力信号を画素単位にて通過または遮断する第１のゲート
   回路と、前記第１のゲート回路の出力と前記電気信号と
   を加算合成する第１の合成回路と、前記第１の合成回路
   の出力を画素単位にサンプリングする第１のサンプリン
   グ回路と、前記第１のサンプリング回路でサンプリング
   された出力を走査線期間単位に遅延させる第２の遅延回
   路と、前記第２の遅延回路の出力を走査線期間単位にて
   通過または遮断する第２のゲート回路と、前記第１の合
   成回路と第１のサンプリング回路の出力とを加算合成す
   る第２の合成回路と、前記第２の合成回路の出力をサン
   プリングする第２のサンプリング回路と、前記第２のサ
   ンプリング回路からの出力パルス列を一時的に記録しこ
   れを等間隔に再配列するメモリ回路とを有し、前記第１
   及び第２のゲート回路の開閉動作により、広範囲の撮像
   又は任意の特定部分の高分解能撮像を行なうことを特徴
   とする広域高分解能撮像方式。