(57)【要約】【課題】  人工衛星に搭載される光学ラインセンサのゲイン、オフセット補正係数の校正を実施するときに、撮像対象物の輝度頻度分布を各画素同じにすることが困難で高い精度を得ることが困難であった。【解決手段】  ラインセンサ方式の衛星搭載光学センサ２を搭載した衛星が、ゲイン及びオフセットの補正係数の校正を実施するときにおいて、光学センサ２の各画素５の撮像対象におけるフットプリント７の画素５並びの方向と、人工衛星１の移動方向とを概ね一致させて撮像することで、ゲイン及びオフセットの補正係数の校正を実施するようにした。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラインセンサ方式の光学センサを搭載した衛星が、ラインセンサの各画素におけるゲイン及びオフセットの補正係数の校正を実施するときに、
ラインセンサの走査線に対応した撮像対象方向と人工衛星の移動方向とを概ね一致させて、
異なる時間でラインセンサの検出した各画素の出力レベルの取得データに基づき、ゲイン及びオフセットの校正を実施することを特徴とする衛星搭載光学センサの校正方法。
【請求項２】
ゲイン及びオフセットの補正係数の校正において、上記ラインセンサの各画素が、時間経過を経て、概ね同一場所を撮像した時の画素単位のレベル値から、
上記ラインセンサの各画素の校正係数を算出することを特徴とする請求項１記載の衛星搭載光学センサの校正方法。
【請求項３】
ゲイン及びオフセットの補正係数の校正において、上記ラインセンサの任意の複数画素が、時間経過を経て、同一エリアを撮像した時の任意の複数画素の平均レベル値から、
上記ラインセンサの各画素の校正係数を算出することを特徴とする請求項１記載の衛星搭載光学センサの校正方法。
【請求項４】
フットプリントの画素並びの方向と、人工衛星移動方向とを概ね一致させるために、人工衛星の姿勢を概ね９０度回転制御して、
飛翔することを特徴とする請求項１〜請求項３のいづれか１項に記載の衛星搭載光学センサの校正方法。
【請求項５】
フットプリントの画素並びの方向と、人工衛星移動方向とを概ね一致させるために、光学センサを概ね９０度回転させて、
飛翔することを特徴とする請求項１〜請求項３のいづれか１項に記載の衛星搭載光学センサの校正方法。
【請求項６】
上記光学センサがＴＤＩ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙ  ＆  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）型センサを使用することを特徴とする請求項１〜請求項５のいづれか１項に記載の衛星搭載光学センサの校正方法。
【請求項７】
人工衛星に搭載して地表の画像を撮影する光学センサと、
上記光学センサの光軸が常に地球方向を向くようにその姿勢を制御する駆動部を有するジンバル機構と、
校正時に上記光学センサの姿勢を地球方向の軸のまわりに回転させる回転機構と、
上記光学センサを搭載した衛星が、ラインセンサの各画素におけるゲイン及びオフセットの補正係数の校正を実施するときに、
ラインセンサの走査線に対応した撮像対象方向と人工衛星の移動方向とを概ね一致させて、
異なる時間でラインセンサの検出した各画素の出力レベルの取得データに基づき、ゲイン及びオフセットの校正を実施するデータ解析装置と、
を具備したことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人工衛星に搭載される光学センサのゲイン、オフセット等の校正方法及びそれを使用した撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
衛星に搭載され画像を取得する光学センサの方式としてラインセンサが知られている。ラインセンサは多数の画素からなるリニア検出器を有し、観測対象物へ投影された画素の並びが衛星移動方向と概ね直交するように設置されている。
ラインセンサは１つの走査線に含まれる全画素の観測時刻が一致しているものであり、衛星が移動することを利用して２次元画像データを取得するものである。
【０００３】
各画素のゲインやオフセットが画素ごとに異なるため、取得した画像データには走査方向（移動方向）に縞状の雑音が現れる。通常、光学センサの開発時に積分球などの均一光源を用いて各画素のゲイン及びオフセットのデータベースを作成しておき、画像取得時にこれを用いて縞状雑音を除去する補正処理が行われる。
【０００４】
しかし、センサの環境条件や経年変化等によりゲイン、オフセットが変化することがあり、予め取得したデータベースでは十分な補正ができず、縞状雑音が発生することがある。この場合、取得画像データを用いて各画素の出力平均値、標準偏差、累積ヒストグラム等をもとめ、これら統計値が等しくなるようにゲイン、オフセット等の出力補正係数の校正が実施されることは開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】高木幹雄、下田陽久監修「画像解析ハンドブック」（財）東京大学出版会、１９９５年１１月１０日、第６刷、（ｐ４４８〜ｐ４５０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の校正方法においては、撮像対象地域の輝度頻度分布が各画素とも同じであるということが前提条件となる。
ラインセンサは各画素が対象物の異なる位置を走査するので例えば１シーンといった少ないデータ数では各画素の輝度頻度分布は一般に異なることになる。
しかし、無数の画像データを用いれば輝度の頻度分布がどの画素も同じになると仮定できるため、ラインセンサについても前記校正が実施されているが、実際には使用できる画像数には限りがあるため、高い校正精度が得られないという課題があった。
【０００７】
この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、リニアＣＣＤの方向を変えることにより、少ない画像数で高い精度を得る校正方法を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の衛星搭載光学センサの校正方法は、ラインセンサ方式の光学センサを搭載した衛星が、ラインセンサの各画素におけるゲイン及びオフセットの補正係数の校正を実施するときに、ラインセンサの走査線に対応した撮像対象方向と人工衛星の移動方向とを概ね一致させて、異なる時間でラインセンサの検出した各画素の出力レベルの取得データに基づき、ゲイン及びオフセットの校正を実施するものである。
【０００９】
この発明の撮像装置は、人工衛星に搭載して地表の画像を撮影する光学センサと、上記光学センサの光軸が常に地球方向を向くようにその姿勢を制御する駆動部を有するジンバル機構と、校正時に上記光学センサの姿勢を地球方向の軸のまわりに回転させる回転機構と、上記光学センサを搭載した衛星が、ラインセンサの各画素におけるゲイン及びオフセットの補正係数の校正を実施するときに、ラインセンサの走査線に対応した撮像対象方向と人工衛星の移動方向とを概ね一致させて、異なる時間でラインセンサの検出した各画素の出力レベルの取得データに基づき、ゲイン及びオフセットの校正を実施するデータ解析装置とを具備したものである。
【発明の効果】
【００１０】
ラインセンサの校正時には、撮像時のラインセンサの方向を９０度変えることにより、少ない画像数のデータに基づいて、高い精度で、ラインセンサの感度及びオフセットの校正が実現出来るという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施形態１による撮像状態を説明するための図であり、１は人工衛星、２は光学センサ、３は撮像対象、４は光学系、５は画素、６はラインセンサ、７はラインセンサの各画素の撮像対象を表すフットプリントである。
【００１２】
人工衛星１に搭載された光学センサ２は撮像対象３の像を生成する光学系４を有する。光学系４の像面に複数の画素５を有するラインセンサ６が設置されている。
人工衛星１の移動に伴うフットプリント７の移動方向を矢印で示す。
ラインセンサ６の出力は撮像周期に従って順次読み出され、人工衛星１を経由して地上に伝送され、画像処理が施される。（詳細は図６で後述する。）
【００１３】
通常の観測を実施するときは、撮像対象におけるラインセンサ６のフットプリント７の画素並びの方向は人工衛星１の移動方向に対して概ね直交する方向に設定される。
【００１４】
図２はこの発明の実施形態１による校正方法を説明するための図であり、４〜７は図１の説明と同じものである。校正時のフットプリント７の画素並びの方向とその移動方向の関係を斜視図で示している。
【００１５】
実施の形態１に係る校正方法を実施するときは、人工衛星１の姿勢を回転制御するか、光学センサ２を回転させて、図２に示すように、フットプリント７の画素並びの方向と人工衛星１の移動方向とを一致させる。
【００１６】
矢印は人工衛星１の移動にともなうフットプリント７の移動方向である。
図２から明らかなように、フットプリント７の移動により各画素５は撮像対象の同一箇所を観測することになるため、撮像対象の輝度頻度分布は各画素同じとなる。
従って、少ない画像データで高い補正精度を達成することができる。
【００１７】
なお、フットプリント７の画素５に対応した並びの方向と人工衛星１の移動方向とが完全に一致しなくてもよい。誤差が生じると各画素５は同一箇所を観測することはできないが、近隣箇所を観測することはできる。
観測対象となる自然界の情景は空間的冗長性が高く一般に近隣の輝度値は近い値をとるので、従来例に比べて少ない画像データで各画素５は同様な輝度頻度分布を得ることができる。
【００１８】
図３はこの発明の実施形態１による撮像時の光学センサ２が撮影する地表画像の状態を示す図である。
【００１９】
人工衛星１が矢印の方向へ移動した際に、ラインセンサ６による同時に撮像されるフットプリント７が、時間の経過につれ人工衛星１が移動した場合にできる、軌跡とフットプリント７の方向を表現したものである。
【００２０】
人工衛星１の移動方向とラインセンサ６のフットプリント７が直角であるため、人工衛星１の移動につれ、２次元の画像が容易に得られることになる。
【００２１】
図４はこの発明の実施形態１による校正時の光学センサ２が撮影する地表画像の状態を示す図である。
【００２２】
人工衛星１が矢印の方向へ移動した際に、ラインセンサ６による同時に撮像されるフットプリント７が、時間の経過につれ人工衛星１が移動した場合にできる、軌跡とフットプリント７の方向を表現したものである。
【００２３】
人工衛星１の移動方向とラインセンサ６のフットプリント７が同一方向を向いているため、人工衛星１の移動につれ、フットプリント７の一画素に注目すると、何度も同じ画素の場所を、人工衛星の移動後も通過することが容易に分かる。
この特性を利用して、ラインセンサ６の各画素毎の出力補正係数の校正が容易に可能であることは明白である。
【００２４】
図５は校正用に使用する画素の関係を説明するための図であり、Ｌ１〜Ｌ４はラインセンサ６の各周期でのフットプリント７を表し、実際は図４のように同一ライン上を撮像しているが、分かり易くするために、時間の経過にともない下方へずらして記述している。
【００２５】
ここで、ｎは各周期間で人工衛星１が移動した移動量に相当する画素数を表現している。また、ｉは任意の場所を対象とする任意の画素５を表しており、その１個となりの画素５がｉ−１であり、順次ｉ−２、ｉ−３と続いていることを示している。
【００２６】
ゲイン及びオフセットの補正係数の校正するには、ラインセンサ６の各画素５毎のビデオレベルの値のデータを採取し、ラインセンサ６の周期の整数倍以上の時間経過を経て、人工衛星１が移動して、同一場所を撮像した時の、ラインセンサ６の他の画素５のビデオレベルの値のデータを採取し、ラインセンサ６の各画素５の校正係数を算出することができる。
【００２７】
１つの画素５への入力Ｌ（輝度）と出力Ｘに線形性を仮定すると、出力Ｘは入力Ｌで式（１）のような関係で表すことができる。
【００２８】
【数１】
2006148205.tif 000003
【００２９】
ｉ番目の画素５での各値をＸｉ、ａｉ、ｂｉ、Ｌｉで表現するものとする。
図５のＬ１〜Ｌ４の各ラインでｉ番目の場所を撮像した時の出力Ｘと入力Ｌの関係を表したのが式（２）で表せ、Ｌ１〜Ｌ３の各ラインでｉ−１番目の場所を撮像した時が式（３）であり、同様に、式（４）、式（５）が成立する。
【００３０】
【数２】
2006148205.tif 000004
【００３１】
また、ｉ番目〜ｉ−３番目の場所は非常に近い場所であるので、ほぼ等しいと仮定すると式（６）が成立する。
ここで、式（２）〜式（６）を計算することにより、各画素５のオフセットａｉ及びゲインｂｉが算出することが可能である。
【００３２】
ゲイン及びオフセットの補正係数の校正するには、ラインセンサ６の任意の複数の画素５のビデオレベルの値のデータを採取し、時間経過を経て、同一場所を撮像した時の、ラインセンサ６の他の複数の画素５のビデオレベルの平均値のデータを採取し、ラインセンサの各画素５の校正係数を算出することができる。
【００３３】
また、取得画像データを用いて各画素５の出力平均値、標準偏差、累積ヒストグラム等をもとめ、これら統計値が等しくなるようにゲイン、オフセット等の出力補正係数の校正が実施することも可能である。
【００３４】
なお、ラインセンサ６はＴＤＩ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙ  ＆  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）型センサであっても同様の効果を得ることができる。
【００３５】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施形態２によるブロック図を説明するための図であり、８はジンバル機構、９は回転機構、１０はデータ処理装置、１１はデータ記録装置、１２はデータ解析装置であり、２は図１の説明と同じものである。
【００３６】
光学センサ２はラインセンサ６によるカメラで、地表の画像を撮影して得られた地上画像データを、デジタルデータに変換してデータ処理装置１０に転送する。
【００３７】
ジンバル機構８を光学センサ２と同一の筐体に設置して一体化することにより、撮影時の光学センサ２の姿勢を３軸の傾き（ω，φ，ｕ：ロール角・ピッチ角・ヨー角）で計測し、光学センサ２の校正時には回転機構９をヨー角方向で９０度回転させる。
【００３８】
本発明では機体に設置したＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）等により、ジンバル８を人工衛星１の機体に設置して、撮影時の光学センサ２の位置を３次元空間の位置情報として求める。
【００３９】
データ処理装置１０はジンバル機構８と回転機構９へ駆動信号を送って制御し、光学センサ２からの画像データをデータ記録装置１１へ送る。
データ記録装置１１は地上設備であるデータ解析装置１２へ画像データを転送し、そこで詳細な解析を行うものである。
【００４０】
図７はこの発明の実施形態２による撮像装置の制御機構を説明するための図であり、２は図１の説明と同じもの、８は図６の説明と同じものである。
【００４１】
本発明に係る校正を実施する際に、人工衛星１の姿勢を回転制御し、人工衛星の姿勢を制御する代わりに、回転機構９を用いて光学センサ２による撮像対象の像を回転させるものである。
【００４２】
光学センサ２とジンバル機構８を一体的に取り付け、ジンバル機構８の角度センサで計測したジンバル８に対する光学センサ２の姿勢データ（ロール角・ピッチ角・ヨー角）に基づいて、角度センサの計測するロール角、ピッチ角、ヨー角が目標角に一致するように、ジンバル８に設けられセンサ２を回転駆動する。３軸の姿勢制御機構のモータ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）をコントロールする電圧を出力して、光学センサ２の向きを地球方向に一致させる制御を行う。
【００４３】
光学センサ２を搭載した人工衛星１が理想的なコース（一定高度・一定方位）で飛行する場合は、光学センサ２は常に地球方向を向き、データの飛びや歪みのない地表画像が得られる。
【００４４】
しかし、人工衛星１が理想的なコースで飛行するのは不可能であるので、撮影時には光学センサ２が常に地球方向を向き、人工衛星１の移動方向に対して、光学センサ２が直交するように、３軸方向で制御することにより、光学センサ２の姿勢をリアルタイムに制御する必要がある。
【００４５】
この制御をせずに、画像データと一緒にこの時の姿勢データを記録しておくだけでは、一定のコースを人工衛星１が飛行するために機体を傾けた時に、目的の地上エリアから外れてしまい、撮影できなかったエリアは後でコンピュータのプログラムで画像を補正することはできない。
【００４６】
以上に述べたように、光学センサ２が実施の形態１のように、ラインセンサの走査線に対応した撮像対象方向と人工衛星の移動方向とを概ね一致させて、異なる時間でラインセンサの検出した各画素の出力レベルの取得データに基づき、校正を行った後、撮像をおこなうことと、撮像装置の制御機構を利用して安定した撮像が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明の実施形態１による撮像状態を説明するための図である。
【図２】この発明の実施形態１による校正方法を説明するための図である。
【図３】撮像時の光学センサが撮影する地表画像の状態を示す図である。
【図４】校正時の光学センサが撮影する地表画像の状態を示す図である。
【図５】校正用に使用する画素の関係を説明するための図である。
【図６】この発明の実施形態２による撮像装置のブロック図を説明するための図である。
【図７】この発明の実施形態２による撮像装置の制御機構を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  人工衛星、  ２  光学センサ、  ３  撮像対象、  ４  光学系、  ５  画素、  ６  ラインセンサ、  ７  ラインセンサのフットプリント、  ８  ジンバル機構、  ９  回転機構、  １０  データ処理装置、  １１  データ記録装置、  １２  データ解析装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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