(57)【要約】  静止軌道衛星用の画像センサおよび方法が開示されている。１つの画像センサは、静止軌道衛星上に取り付けられたときに惑星の視野と実質的に同じ視野を有する複数の共視準望遠鏡と、複数の焦点面アレイとを含む。複数の共視準望遠鏡の各々は、その画像を焦点面アレイのそれぞれ１つに向けるように配置されている。焦点面アレイは、各共視準望遠鏡の焦点面上に疎らに配置され、組み合わされて、惑星表面の概して全体的な目に見える半球の画像を提供するように構成されている。
2019512989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止軌道衛星用の画像センサであって、
前記静止軌道衛星に取り付けられたときに、実質的に同じ惑星の視野を有する複数の共視準望遠鏡と、
前記複数の共視準望遠鏡の各々がその画像を焦点面アレイのそれぞれ１つに向けるように配置されている複数の焦点面アレイであって、前記焦点面アレイは、前記共視準望遠鏡の各々の焦点面上に疎らに配置され、組み合わされて、前記惑星の表面の概して全体的な目に見える画像を提供するように構成されている、複数の焦点面アレイと
を含む画像センサ。
【請求項２】
前記焦点面アレイは、視野の不連続な撮像範囲をある時点で各々別々に提供し、組み合わされて前記視野の実質的に連続した撮像範囲を前記時点で提供するように構成されている、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項３】
前記各焦点面アレイは、複数の疎らに配置された有効撮像領域を備え、１つの焦点面アレイの少なくとも１つの選択された有効撮像領域が、１つ以上の他の焦点面アレイの有効撮像領域に隣接する撮像範囲を提供する、請求項２に記載の画像センサ。
【請求項４】
前記１つの焦点面アレイの少なくとも１つの選択された有効撮像領域が、前記１つ以上の他の焦点面アレイの有効撮像領域の撮像範囲と重なる撮像範囲を提供する、請求項３に記載の画像センサ。
【請求項５】
始動センサを含む、請求項１、２、３または４に記載の画像センサ。
【請求項６】
前記複数の焦点面アレイの各々が、フィールドプログラマブルゲートアレイまたは特定用途向け集積回路に接続される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項７】
前記複数の焦点面アレイの各々は、センサ画像制御要素に接続され、
前記センサ画像制御要素の各々は、関連する前記焦点面アレイの光積分時間を１ミリ秒から１０秒に制限するように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項８】
前記複数のセンサ画像制御要素の各々は、前記複数の焦点面アレイから複数のデータで送達される１秒当たりのフレーム数を１０秒毎に１フレームから１秒当たり２０フレームに設定するように構成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項９】
センサ画像読み出し要素をさらに含み、
前記センサ画像読み出し要素が前記複数の焦点面アレイの各々から前記画像を並行して読み出すように構成されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項１０】
前記センサ画像読み出し要素が、前記複数の焦点面アレイの各々の最大光レベルを前記センサ画像制御要素に送信するように構成されている、
請求項８に従属する請求項９に記載の画像センサ。
【請求項１１】
画像処理要素をさらに備え、
前記画像処理要素は複数のソフトウェア制御電子処理要素を含み、
前記ソフトウェア制御電子処理要素は、前記複数の焦点面アレイから生のレベルの複数のデータを受信するように構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項１２】
電気反応性高屈折率材料プレートと、
センサ画像制御要素と
をさらに備え、
前記センサ画像制御要素は電圧制御要素を含み、
前記電圧制御要素は、前記電気反応性高屈折率材料プレートに亘って複数の異なる電圧を印加するように構成され、
前記電気反応性高屈折率材料プレートは、前記複数の焦点面アレイの各々を照らす複数の光線の方向を変更する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項１３】
複数の画像が、一般に地球上で観測されている事象の３０秒以内に地球上の遠隔地で見るために提供される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項１４】
望遠鏡を含み、前記望遠鏡は静止軌道衛星に取り付けられたときに惑星の視野の画像を生成するように構成され、
画像センサは焦点面を含み、
前記焦点面は焦点面アレイを含み、
前記焦点面アレイは、前記望遠鏡の視野から実質的に同時に複数の画像を生成するように構成され、
前記複数の画像を組み合わせて前記惑星の表面の概して目に見える半球の少なくとも一部の永続的な画像を提供し、
前記複数の画像の各々は、少なくとも１００メートルの解像度を有する天底の画像に対応する解像度を有する、静止軌道衛星用の画像センサ。
【請求項１５】
前記画像センサが始動センサである、請求項１４に記載の画像センサ。
【請求項１６】
前記焦点面アレイは、フィールドプログラマブルゲートアレイまたは特定用途向け集積回路に接続される、請求項１４または１５に記載の画像センサ。
【請求項１７】
前記焦点面アレイはセンサ画像制御要素に接続され、
前記センサ画像制御要素は、関連する前記焦点面アレイの光積分時間を１マイクロ秒から１０秒に制限するように構成されている、請求項１４、１５または１６に記載の画像センサ。
【請求項１８】
前記センサ画像制御要素は、前記焦点面アレイから複数の画像で送達される１秒当たりのフレーム数を１０秒毎に１フレームから１秒当たり２０フレームに設定するように構成される、請求項１７に記載の画像センサ。
【請求項１９】
センサ画像読み出し要素をさらに含み、
前記センサ画像読み出し要素は、前記焦点面アレイから画像データを読み出すように構成されている、請求項に記載の画像センサ。
【請求項２０】
前記センサ画像読み出し要素は、前記焦点面アレイの最大光レベルを前記センサ画像制御要素に送信するように構成されている、請求項１９に記載の画像センサ。
【請求項２１】
画像処理要素をさらに備え、
前記画像処理要素は、ソフトウェア制御電子処理要素を含み、
前記ソフトウェア制御電子処理要素は、前記複数の焦点面アレイから生のレベルの前記複数の画像を受信するように構成されている、請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項２２】
前記惑星は地球であり、前記複数の画像は、一般に地球上で観測されている事象の３０秒以内に地球上の遠隔地で見るために提供される、請求項１４〜２１のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項２３】
前記望遠鏡によって撮像された視野を１つ以上の次元で前記焦点面アレイを越えて制御可能にシフトするように構成されたシフト装置をさらに備え、前記焦点面アレイが前記複数の画像を生成する、請求項１４〜２２のいずれか一項に記載の画像センサ。
【請求項２４】
衛星撮像を提供するための方法であって、
静止軌道に配置される衛星に取り付けるための複数の共視準望遠鏡を提供するステップであって、前記衛星が前記静止軌道にあるときに前記共視準望遠鏡が実質的に同じ惑星の視野を有する、ステップと、
前記複数の共視準望遠鏡の各々からの画像をそれぞれの焦点面アレイに向けるステップであって、前記焦点面アレイが前記各々の共視準望遠鏡の焦点面上に疎らに配置されている、ステップと、
前記それぞれの焦点面アレイにおける前記それぞれの画像の少なくとも一部を表すデータを生成するステップと、
前記惑星の表面の概して全体的な目に見える半球の画像を形成するために前記生成されたデータを組み合わせるステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静止軌道衛星用の画像センサおよび撮像システムに関する。実施形態は、例えば天気予報に使用するために、地球の半球を撮像する際に特に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
現在利用可能な衛星ベースの撮像センサは、地球の半球全体の画像を提供するが、これらの画像は数分、または数十分遅れる。現在の衛星は、中〜低解像度、具体的には１画素当たり５００ｍ〜４ｋｍの半球全体の画像を生成する。場合によっては、従来の衛星は、小さな領域の画像を高解像度で提供することができるが、画像を生成する処理のために、ユーザへの送達は数十分、または数日遅れることがある。過去４５年に亘り、最初の気象観測衛星が静止軌道（ＧＳＯ：ＧｅｏＳｔａｔｉｏｎａｒｙ  Ｏｒｂｉｔ）に設置されて以来、地球上および地球大気中の地形を観測するために様々な衛星システムが使用されてきた。
【０００３】
現在の商業衛星は、従来の設計によって課せられた制限のため、地球の半球全体のリアルタイム画像を生成することができない。
【０００４】
図１は、軌道の衛星上の走査ミラーＳＭを含む従来技術のシステムの概略図である。走査ミラーＳＭは、地表ＥＳからの光Ｌを集め、撮像光学系ＩＯに向ける。撮像光学系ＩＯからの出力は、従来の焦点面ＦＰを照らし、焦点面ＦＰは、画像を形成するために使用される電子信号を生成する。
【０００５】
図２は、従来技術のシステムの別の概略図である。従来の衛星は、図２に示すように、観察可能な地球ディスクＥＤを走査することができる。多くの走査ＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３からＳＣＮは、南から北へ順番に生成され、半球全体の画像を生成する。非スピン衛星走査は、走査帰線ＳＲを含まなければならない。
【０００６】
従来の衛星撮像システムは、走査センサを使用し、図２に示す方法に従って画像を生成する。歴史的に、この走査処理には１時間ほどかかり、最新のシステムでは観察可能な半球全体の画像を５分で構築することができる。この方法には物理的な制限があり、数秒以内に観察可能な半球全体の画像を作成することは不可能である。
【０００７】
既知の最速の衛星撮像システムは、米国のＧＯＥＳ−Ｒ気象衛星であり、２０１７年に操業予定である。ＧＯＥＳ−Ｒは走査センサを使用し、走査を描くために最低５分間を要し、次にそれを利用して半球全体の画像を生成する。
【０００８】
ＧＯＥＳ−Ｒの半球全体の画像はダウンリンクされ、ＮＡＳＡのゴダード宇宙センターのデータ処理センターに転送され、そこで数分間処理される。次に、処理画像はＧＯＥＳ−Ｒ衛星に送り返され、ＧＯＥＳ−Ｒ衛星は、観察可能な半球（主に北米および南米）内のユーザに画像を中継する。このプロセス全体には約１０分かかる。
【０００９】
地球の従来の観測を提供する３つの以前の衛星システムが、米国特許証第６，２７１，８７７号、第６，３３１，８７０号および第６，５０４，５７０号に開示されている。これらの３つの米国特許付与において、ＬｅＣｏｍｐｔｅは、静止したプラットフォームに取り付けられたマルチメガピクセル２次元電荷結合素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）アレイに基づく電気光学センサを含む、静止軌道から地球のリアルタイムの高解像度画像を収集し配信する方法および装置を開示している。静止軌道上の少なくとも４つの三軸安定衛星は、極を除いて世界規模の範囲を提供する。データは、約１フレーム／秒で収集され、サブキロメートルの解像度で地球をリアルタイムでグローバルにカバーする大容量の通信リンクを介して、エンドユーザに直接ブロードキャストされる。
【００１０】
地球の半球全体の画像を生成することができる衛星は、永続的な撮像を提供する。これらの画像は、特に気象観測および／または予測の分野で非常に有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，２７１，８７７号
【特許文献２】米国特許第６，３３１，８７０号
【特許文献３】米国特許第６，５０４，５７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
既知の従来の商業衛星は、現在、観察可能な半球全体の３０秒に１回またはより頻回として定義される永続的な撮像を提供していない。既知の現在の衛星は、リアルタイムで画素解像度当たり１００メートルの高解像度を提供しない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の態様によれば、
静止軌道衛星に取り付けられたときに、実質的に同じ惑星の視野を有する複数の共視準（ｃｏ−ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）望遠鏡と、
複数の共視準望遠鏡の各々がその画像を焦点面アレイのそれぞれ１つに向けるように配置されている複数の焦点面アレイであって、共視準望遠鏡の各々の焦点面上に疎らに配置され、組み合わされて、惑星表面の概して全体的な目に見える半球の画像を提供するように構成されている、複数の焦点面アレイと
を含む静止軌道衛星用の画像センサが提供される。
【００１４】
好ましくは、焦点面アレイは、視野の不連続な撮像範囲をある時点で各々別々に提供し、組み合わされて視野の実質的に連続した撮像範囲をその時点で提供するように構成されている。
【００１５】
各焦点面アレイは、複数の疎らに配置された有効撮像領域を備え、１つの焦点面アレイの少なくとも１つの選択された有効撮像領域は、１つ以上の他の焦点面アレイの有効撮像領域に隣接する撮像範囲を提供することができる。
【００１６】
１つの焦点面アレイの少なくとも１つの選択された有効撮像領域は、１つ以上の他の焦点面アレイの有効撮像領域の撮像範囲と重複する撮像範囲を提供することができる。
【００１７】
画像センサは、好ましくは、始動センサである。
【００１８】
複数の焦点面アレイの各々は、フィールドプログラマブルゲートアレイまたは特定用途向け集積回路に接続されてもよい。
【００１９】
複数の焦点面アレイの各々は、センサ画像制御要素に接続されてもよく、センサ画像制御要素の各々は、関連する焦点面アレイの光積分時間を１ミリ秒から１０秒に制限するように構成されている。
【００２０】
複数のセンサ画像制御要素の各々は、複数の焦点面アレイから複数のデータで送達される１秒当たりのフレーム数を、１０秒当たり１フレームから１秒当たり２０フレームに設定するように構成されてもよい。
【００２１】
前記画像センサは、
センサ画像読み出し要素
をさらに含んでいてもよく、
センサ画像読み出し要素は複数の焦点面アレイの各々から画像を並行して読み出すように構成されている。
【００２２】
センサ画像読み出し要素は、複数の焦点面アレイの各々の最大光レベルをセンサ画像制御要素に送信するように構成されていてもよい。
【００２３】
画像センサは、画像処理要素をさらに備えていてもよく、
画像処理要素は複数のソフトウェア制御電子処理要素を含み、ソフトウェア制御電子処理要素は複数の焦点面アレイから複数の生のレベルのデータを受信するように構成されている。
【００２４】
画像センサは、
電気反応性高屈折率材料プレートと、
センサ画像制御要素と
をさらに備えていてもよく、
センサ画像制御要素は電圧制御要素を含み、
電圧制御要素は、電気反応性高屈折率材料プレートに亘って複数の異なる電圧を印加するように構成され、
電気反応性高屈折率材料プレートは、複数の焦点面アレイの各々を照らす複数の光線の方向を変更する。
【００２５】
複数の画像は、一般に地球上で観察される事象の３０秒以内に、地球上の離れた場所で見るために提供されてもよい。
【００２６】
本発明の別の態様によれば、
望遠鏡を含み、望遠鏡は静止軌道衛星に取り付けられたときに惑星の視野の画像を生成するように構成され、
画像センサは焦点面を含み、
焦点面は焦点面アレイを含み、
焦点面アレイは、望遠鏡の視野から実質的に同時に複数の画像を生成するように構成され、
複数の画像を組み合わせて惑星表面の概して目に見える半球の少なくとも一部の永続的な画像を提供し、
複数の画像の各々は、少なくとも１００メートルの解像度を有する天底の画像に対応する解像度を有する、
静止軌道衛星用の画像センサが提供される。
【００２７】
好ましくは、画像センサは、始動センサである。
【００２８】
焦点面アレイは、フィールドプログラマブルゲートアレイまたはＡＳＩＣに接続されてもよい。
【００２９】
焦点面アレイは、センサ画像制御要素に接続されてもよく、
センサ画像制御要素は、関連する焦点面アレイの光積分時間を１マイクロ秒から１０秒に制限するように構成されている。
【００３０】
センサ画像制御要素は、焦点面アレイから複数の画像で送達される１秒当たりのフレーム数を、１０秒毎に１フレームから１秒当たり２０フレームに設定するように構成されてもよい。
【００３１】
画像センサは、
センサ画像読み出し要素
をさらに備えていてもよく、
センサ画像読み出し要素は焦点面アレイから画像データを読み出すように構成されている。
【００３２】
センサ画像読み出し要素は、焦点面アレイの最大光レベルをセンサ画像制御要素に送信するように構成されていてもよい。
【００３３】
画像センサは、
画像処理要素
をさらに備えていてもよく、
画像処理要素はソフトウェア制御電子処理要素を含み、
ソフトウェア制御電子処理要素は複数の焦点面アレイから複数の生のレベルの画像を受信するように構成されている。
【００３４】
惑星は地球であってもよく、複数の画像は、一般に地球上で観察される事象の３０秒以内に、地球上の離れた場所で見るために提供されてもよい。
【００３５】
画像センサは、望遠鏡によって撮像された視野を１つ以上の次元で焦点面アレイを越えて制御可能にシフトするように構成されたシフト装置をさらに備え、焦点面アレイは複数の画像を生成する。
【００３６】
本発明の別の態様によれば、衛星撮像を提供する方法は、
静止軌道に配置される衛星に取り付けるための複数の共視準望遠鏡を提供するステップであって、衛星が静止軌道にあるときに、共視準望遠鏡が実質的に同じ惑星の視野を有する、ステップと、
複数の共視準望遠鏡の各々からの画像をそれぞれの焦点面アレイに向けるステップであって、焦点面アレイが各々の共視準望遠鏡の焦点面上に疎らに配置されている、ステップと、
それぞれの焦点面アレイにおけるそれぞれの画像の少なくとも一部を表すデータを生成するステップと、
生成されたデータを組み合わせて惑星表面の概して全体的な目に見える半球の画像を形成するステップと
を含む。
【００３７】
軌道は地表の同じ地域に静止衛星を保持しているため、静止衛星は軌道上で静止しているように見える。静止軌道（ＧＳＯ）は地球の赤道面に含まれており、軌道上の衛星の回転速度は地球の回転速度と同じである。このようにして、地球と衛星の動きは打ち消される。
【００３８】
ＧＳＯは、対地同期地球軌道（ＧＥＯ：Ｇｅｏｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｅａｒｔｈ  Ｏｒｂｉｔ）の明確で特殊なサブセットである。ＧＥＯ軌道は１日１回地表上の正確に同じ地点にいるだけでよいが（すなわち、衛星の軌道は地球の回転と同期している）、ＧＳＯ軌道は衛星が地球の赤道上の特定の地点の上空で連続的に静止しているように見えるようになる。したがって、ＧＳＯ衛星によって見ることができる地球の半球内、すなわち、通常「衛星のフットプリント」と呼ばれる観察可能な半球にある地表および大気の一部分の一貫性のある画像を撮影することができる。ＧＳＯは、地球の極端な極域、すなわち、緯度約＋８１．３度を超えるかまたは緯度−８１．３度未満を見るには地球に接近しすぎているため、観察可能な半球は、地理学的半球全体、すなわち、地球の５０％ではない。
【００３９】
本発明の実施形態は、要素の組み合わせを使用して、３０秒以内に中〜高解像度で実質的に半球全体の画像を生成することを目指す。好ましくは、本発明の実施形態は、１０秒毎におよそ１フレームから１秒当たりおよそ数枚の画像レートを有する。
【００４０】
本発明の実施形態は、半球画像を一度に撮るために「分画センサ」を使用する。好ましい実施形態では、観察可能な半球全体の画像を撮るための最小時間は約１／５秒である。実施形態は、以下に説明するように、複数の望遠鏡、焦点面、および焦点面アレイの組み合わせを用いてこれを達成することを目指す。
【００４１】
実施形態では、走査センサを使用して半球全体の画像を「ビルドアップ」または蓄積する必要はない。代わりに、本発明の実施形態によって生成される画像は、実質的に同時に並行して視野を取り込む２次元焦点面アレイから供給される複数の撮像から同時に組み立てられる。
【００４２】
好ましい実施形態では、事象が発生したときに開始され、ユーザに送達されるまでのプロセス全体は、１０秒未満を要する。
【００４３】
好ましい実施形態では、観察可能な半球全体の画像をわずか数ミリ秒で撮影することができ、衛星処理および地上への送信にかかる時間は１秒よりも十分に短い。オンボード処理を含む場合、露出がより長い（理論的には１０秒の長さ）夜間であっても、実施形態は１０秒以下で完全な半球画像を可能にする。物理学のみの限界から理解されるように、このような速度は走査システムでは達成できない。
【００４４】
本発明の実施形態は、地表の概して全体的な目に見える半球の永続的な撮像を可能にすることを目指す。
好ましくは、望遠鏡によって取り込まれた各画像は、少なくとも１００メートルの解像度を有する天底の画像に対応する解像度を有する。
【００４５】
実施形態は、実質的に半球全体を、今日知られている他のシステムよりも少なくとも３０倍頻繁に（および６００倍も頻繁に）取り込むことを可能にする。
【００４６】
本発明の一実施形態は、１つ以上の共視準望遠鏡を有する静止衛星上の撮像センサを含む。望遠鏡は、焦点面アレイが疎らに配置されている焦点面を照らす。焦点面アレイは、観察可能な地球半球全体を一度に、少なくとも１秒に１回またはそれ以上頻繁に記録することができる。次に画像は地球上のユーザに送信され、記録された事象が地表上で発生してから１０秒以内に画像を観察することができる。この方法は、地球の永続的な撮像を提供することを目指している。
【００４７】
本発明の一実施形態では、事象が地球上で発生してから１０秒以内に画像が生成される。本発明の一実施形態では、リアルタイムで天底１００ｍスケール以上の空間解像度で地球の全体的な観測を行うことができる。本発明の特定の一実施態様では、１つ以上の共視準望遠鏡を備えた静止衛星上の撮像センサが含まれる。望遠鏡は、焦点面アレイが疎らに配置されている焦点面を照らす。焦点面アレイは、少なくとも１０秒またはそれ以上の頻度で、一度に観察可能な地球半球全体を記録することができる。次に画像は地球上のユーザに送信され、記録された事象が地表上で発生してから１０秒以内に画像を観察することができる。この方法は、地球の目に見える半球全体の永続的な撮像を提供する。
【００４８】
本発明の一実施形態は、対地同期軌道上の衛星から地球の高品質のリアルタイム画像を生成するための方法および装置に関する。より詳細には、本発明の一実施形態は、リアルタイムで地球の目に見える半球全体の高解像度画像の記録、配信および表示を生成する衛星撮像センサおよび方法に関する。
【００４９】
本発明の実施形態は、地球の周りで実質的にリアルタイムで画像を収集するための様々な領域と、収集した画像のその後のデータ配信とを含むことができ、
リアルタイム画像とモーションイメージを作成し収集すること、
惑星の大部分を真のリアルタイムでシームレスな方法で、高解像度と中解像度で同時に撮影する撮像インフラストラクチャ、
１つ以上の選択可能な高解像度モーションイメージ画像を、観察可能な地球半球全体のより大きな高解像度モーション画像内に作成すると同時に、観察可能な半球全体の中解像度のモーションイメージを作成すること、
ダイレクトダウンリンクを通じて、他の衛星を介して、またはインターネットを通じて真のリアルタイム画像をエンドユーザに配信すること、
ユーザが要求したイメージのセットをダウンリンクされたデータから提供することができるイメージおよびデータを地上処理することであって、これらのデータセットは、ネイティブシステムよりも低い解像度のイメージおよびデータ、または低い更新率であってもよく、さらに、この装置、システムおよび方法は、ネイティブシステムによって生成されたものよりも高い空間解像度のイメージを提供する技術を実装することができること、および
観察者が他の要素によって生成および配信されたイメージまたはモーションイメージを見ることを可能にする、イメージを表示する一連のディスプレイ（例えば、内部または外部投影イメージを有する球体または高画素数のフラットパネルディスプレイ）の１つ
を含む。
【００５０】
本発明の他の目標および目的の理解、および本発明のより完全で包括的な理解は、好ましい実施形態の以下の説明を検討し、添付の図面を参照することによって得ることができる。
【００５１】
本発明の実施形態を、添付の図面を参照して、単なる例として以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】地表から収集した光を撮像光学系に、次に焦点面上に向けるために走査ミラーを用いる従来技術のシステムの図である。
【図２】観察可能な地球ディスクを走査する従来技術のデバイスである。
【図３ａ】画像センサのアレイと送信機とを備えた衛星を含む、本発明の一実施形態の概略図である。
【図３ｂ】一実施形態による画像センサの概略図である。
【図４】撮像センサを含む本発明の一実施形態の概略図である。
【図５】単一の共視準望遠鏡を含む、本発明の一実施形態の一部分の概略図である。
【図６】単一の共視準望遠鏡の別の実施形態の概略図である。
【図７】４つの焦点面の概略図である。
【図８】画像センサとその対応する焦点面との間のデータおよび制御フローの機能ブロック図である。
【図９】各焦点面アレイの制御デバイスの機能ブロック図である。
【図１０】各焦点面アレイの読み出しの機能ブロック図である。
【図１１】画像処理要素によって読み出されたセンサ画像からの画像およびデータを処理する方法の機能ブロック図である。
【図１２】電気反応性高屈折率で作られたプレートである。
【図１３Ａ】一対の電気反応性高屈折率材料プレートの一実施形態の概略図である。
【図１３Ｂ】一対の電気反応性高屈折率材料プレートの一実施形態の概略図である。
【図１４】望遠鏡および光学要素を示す撮像センサの一実施形態の概略図である。
【図１５】画像センサとソフトウェア制御焦点面アレイとの間のデータおよび制御フローの機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図３ａは、本発明の一実施形態による撮像システム１０の概略図である。図３ｂは、図３ａの撮像システム１０での使用に適した画像センサ１４の概略図である。
【００５４】
撮像システム１０は、衛星１２上に搭載され、静止軌道に配置される。これは、複数の共視準望遠鏡１８を含む。
【００５５】
使用の際、共視準望遠鏡１８は、実質的に同じ点（例えば、地球上の同じ点）に向けられ、集束される。共視準望遠鏡１８は各々、視野の別々の画像を生成し、これを焦点面アレイ２４に渡す。
【００５６】
画像センサ１４は、共視準望遠鏡１４を使用して、各々が焦点面アレイ２４を有する対応する焦点面２２に視野の画像を向ける。焦点面アレイ（ＦＰＡ：Ｆｏｃａｌ  Ｐｌａｎｅ  Ａｒｒａｙｓ）２４は各々、焦点面に疎らに配置され、それぞれの共視準望遠鏡１４から画像の部分を取り込む。焦点面アレイ２４は、組み合わされて、望遠鏡１４によって撮像される惑星表面の概して全体的な目に見える半球の画像を取り込むように、以下に説明するように構成されている。焦点面アレイ２４は、取り込んだ画像をセンサ読み出しシステム３６を介してプロセッサ４０に供給し、最終画像を組み立てる。プロセッサ４０は、送信機１６を介して最終画像を出力するように配置されている。
【００５７】
好ましくは、撮像システム１０は実質的にリアルタイムで動作する。
【００５８】
各望遠鏡の光学特性は、好ましくは地上ベースの望遠鏡と同様である。中程度のｆ＃システムからｆ＃が１．０未満の「光収集」システムに及ぶ可能性がある。望遠鏡は純粋に屈折性の要素、純粋に反射性の要素、またはこれら２つの組み合わせ（カタディオプトリック系の要素と呼ばれる）を有することができる。
【００５９】
図４は、画像センサ１４の一実施形態の概略図１７である。この実施形態は、４つの共視準望遠鏡１８を含み、各々は、各共視準望遠鏡１８に対して１つずつ、４つの焦点面２２に焦点を合わせる屈折要素２０を含む。図４は、焦点面アレイ２４を示す。
【００６０】
本発明の代替的な実施形態には、任意の数の望遠鏡、焦点面および焦点面アレイが含まれてもよく、各々２つ以上含まれる。
【００６１】
図５は、画像センサ１４で使用され得る単一の共視準望遠鏡１８の一実施形態の概略図２５である。望遠鏡は、焦点面アレイ２４を含む焦点面２２上に焦点を結ぶ反射要素２６および屈折要素２０の両方を含む。
【００６２】
図６は、画像センサ１４において使用され得る単一の共視準望遠鏡１８の１つの代替実施形態の概略図３０である。望遠鏡は、焦点面２２上に焦点を結ぶ反射要素２６と屈折要素２８とを含み、焦点面２２は、焦点面アレイ２４を含む。望遠鏡の端部には、焦点面アレイ２４を含む端部の反対側に２つの折り畳み式ミラー３２が示されている。
【００６３】
図７は、図３ａのシステムで使用されるものなどの焦点面アレイを示す概略図３４である。４つの焦点面２２の焦点面アレイが示され、図４に示す４つの共視準望遠鏡１８に起因する横方向の焦点面アレイ２４の疎なレイアウトが例示されている。複数の望遠鏡で同じ領域（観察可能な半球）を観察することによって、実質的に同じ画像が各望遠鏡の焦点面上に生成される。焦点面アレイチップの一部だけが実際に画像を取り込む有効領域２４である。この有効領域の周りの領域は、支持構造、サポートエレクトロニクスなどである。
【００６４】
実質的に同じ画像が、同じ領域を観察する複数の独立した望遠鏡から複数の独立した焦点面に取り込まれる。各焦点面アレイの有効領域は、実装中に考慮され、全体的な撮像システム１０は、組み合わせられた焦点アレイが、それらの間の全視野をカバーする有効領域を有するように設計される。画像は、共視準望遠鏡からそれぞれの焦点面アレイを介して並行して取り込まれ、これらの画像はその後、走査などの必要なしに実質的に全視野をカバーする画像になるようにステッチされる。好ましくは、有効領域は、プロセッサ４０が重なりを使用して全画像のステッチングをガイドすることができるように重なり合う。
【００６５】
最終画像が後処理で組み立てられると、画像は、あたかも単一の焦点面アレイであるかのように、複数の焦点面アレイ２４の有効領域から構成される。
【００６６】
上述の手法は、少なくとも２つの共視準望遠鏡の望遠鏡を必要とする。好ましくは、４つの共視準望遠鏡が使用されるが、共視準望遠鏡の他の数（奇数または偶数）が焦点面アレイの適切な設計のもとで使用され、それらの間の視野全体を実質的に取り込むことができる。実際には、焦点面アレイのチップ支持構造が非常に大きい場合（有効領域がチップ全体の総面積の１０％と小さい特殊焦点面アレイで起こり得るような場合）、４つ以上の望遠鏡が必要となり得る。
【００６７】
図７に示す配置は、複数の望遠鏡に亘って焦点面アレイを配置する１つの可能な方法である。しかし、これは唯一可能な配置ではないことが理解されよう。
【００６８】
望遠鏡は、設置時および／または動作前または動作中に共視準されてもよい。例えば、アライメントおよび合焦は、ＦＰＡからの読み出しイメージおよびデータを使用して衛星およびセンサが軌道上にある間に実行され、ＦＰＧＡを介して処理される。これは、ピエゾ電気結晶または磁気／電子インデューサ（このようなものは今日変形可能な光学系で行われており、これはその別の実施態様であろう）を用いて連続的または定位置手順として行うことができる。しかし、実施態様により、センサ全体がはるかに複雑になるであろう。
【００６９】
撮像システムは静止軌道で利用されるため、打ち上げ前に地上で試験機器を利用して、望遠鏡、焦点面および焦点面アレイを適切に整列させ、共視準させることが好ましい。
【００７０】
図８は、画像センサ１４と様々な電子部品との間のデータ１３および制御フローの機能ブロック図３５である。画像センサ１４は各々、多数の焦点面２２を含む。各焦点面２２は、多数の焦点面アレイ２４を含む。焦点面アレイ２４は、センサ画像コントローラ２８に全て接続され、センサ画像コントローラ２８によって制御される。センサ画像コントローラ２８は、ソフトウェア制御エレクトロニクス３１を使用して、各焦点面アレイ２４の動作を制御する。焦点面アレイ２４は、ソフトウェア制御読み出し電子要素３８を含むセンサ画像読み出し部３６によって読み出される。焦点面アレイ２４からの画像およびデータは、ソフトウェア制御処理電子要素４２を含む画像プロセッサ４０に転送される。ソフトウェア制御読み出し電子要素３８は、制御機能を最適化するためにセンサ画像コントローラ３４のソフトウェア制御エレクトロニクス３１にデータを転送する。画像プロセッサ４０のソフトウェア制御処理電子要素４２は、処理画像１５を送信機１６に転送する。
【００７１】
最も単純な構成では、全てのＦＰＡは同一であるが、そうである必要はない。１つの可能な実施態様（図に示されているよりもはるかに複雑）では、図３〜図７に示された各ＦＰＡがビームスプリッタスタックに置き換えられる。このようなスタックは、入射光を様々な波長成分（紫外、青、緑、赤、近赤外、中波、赤外など）に分割する光学要素の長い列である。次に、各々が波長グループに調整された特定のＦＰＡのセットは、図７に示すＦＰＡの各々に関連付けられたイメージのサブセットを受信するように構成することができる。
【００７２】
図９は、各焦点面アレイ２４の制御方法を例示する機能ブロック図４６である。各焦点面アレイ２４は、焦点面アレイサブ要素４８を含む。各焦点面アレイ２４はセンサ画像コントローラ５０内のＦＰＧＡ要素５２によって制御され、ＦＰＡ４８のサブ要素はＦＰＧＡ５６のサブ要素によって制御され、ＦＰＧＡサブ要素５４および５８はフルＦＰＡを制御し、
ＦＰＡ５４毎の積分時間を制御する、
ＦＰＡ５６の積分時間セグメントを制御する、および
ＦＰＡ５８のフレームレートを制御する
機能をセットで実行する。
【００７３】
図１０は、センサ画像読み出し部３６による各焦点面アレイ２４の読み出しを示す機能ブロック図６０である。データはソフトウェア制御読み出しエレクトロニクス３８によって読み出され、ソフトウェア制御読み出しエレクトロニクス３８は、多数のフィールドプログラマブルゲートアレイ５２を含む。各フィールドプログラマブルゲートアレイ５２は、最大光レベル６１を感知するセンサ画像読み出し部と、最大光レベル６２をセンサ画像制御部５０に転送して画像キャプチャを最適化するセンサ読み出し部とを含む。センサ画像読み出し部３６は、焦点面アレイ２４から画像処理要素４０に画像およびデータを転送する。
【００７４】
最大光の感知および使用は、視野内の最も明るい物体が最も明るい地点を観察している撮像画素を飽和させるように画像を取り込むように、センサの制御を可能にする任意のステップである。そうすれば、画像は「吹き飛ばされ」ない。読み出しエレクトロニクスから制御エレクトロニクスへのフィードバックループにより、センサはこの最適な構成を維持することができる。図１１は、画像プロセッサ４０によってセンサ画像読み出し部３６からの画像およびデータを処理するために使用される方法の機能ブロック図６６である。画像プロセッサ４０は、ソフトウェア制御電子処理要素４４を含む。ソフトウェア制御電子処理要素４４は、センサ画像処理圧縮部７０とセンサ画像処理データフォーマット部７２とを含むイメージおよびデータ処理用のいくつかのモジュールを含む。センサ画像処理データフォーマット部７２の出力は、送信機１６に伝達される。
【００７５】
図１２は、プレート７６の図７４である。この実施形態では、プレート７６は、電気反応性高屈折率材料から形成される。入射光ビーム７８はプレート７６を照らす。入射光７８はプレート７６を通って移動し、複数の経路８０のいずれかに沿って伝播し、電圧制御要素８４によってプレート７６に亘って設けられた電圧のレベルに応じて、出射光線８２を生成する。
【００７６】
画像を２次元でシフトすることにより、後処理はシフトされた画像のシーケンスを取得し、ＦＰＡ内の画素が物理的大きさよりも小さいかのように最終画像を作成することができる。システムが画像を水平方向にシフトし、次に垂直方向にシフトすると、画素が１／４のサイズ（半分の半分）であるかのようになる。したがって、物理的画素を有する物理的センサは、二重シフトされたシステムで１００メートルのネイティブ解像度をもたらし、イメージは事実上５０メートルであり、１／４の物理的面積（１０，０００平方メートルに対して２，５００平方メートル）をもたらす。
【００７７】
シフトはより小さなステップでも起こり得る。画素サイズが４分の１シフトされている８枚の画像が構築されると、解像度は１００メートルではなく２５メートルとなる（１画素当たり１０，０００平方メートルではなく、１画素当たり６２５平方メートル）。
【００７８】
図１３Ａおよび図１３Ｂは、一対の電気反応性高屈折率材料プレート７６の一実施形態の概略図８６および８８である。プレート７６は、２つの異なる方向に配向されて示されており、入射光線７８が、電気反応性高屈折率材料プレート７６を介する２つのシフトを通して二次元で出射光線８４のシフトを変化させることを可能にし、各々を８０で示し、第１のシフトを８２で示し、二重シフトを８４で示す。各寸法は、電気反応性高屈折率材料プレート７６の１つに対応し、各焦点面アレイ２４上に形成された結果としての画像を能動的に２次元にシフトさせる。
【００７９】
図１４は、屈折要素２０を含む望遠鏡１８と、焦点面アレイ２４上に画像を生成する一対の電気反応性高屈折率材料プレート７６とを示す撮像センサ１４の一実施形態の概略図９０である。
【００８０】
図１５は、画像センサ１４、センサ画像コントローラ２８、センサ画像読み出し部３６、画像プロセッサ４０および送信機１６の間のデータおよび制御フローの機能ブロック図９２である。画像センサ１４は焦点面２２を含み、焦点面２２は、焦点面アレイ２４をさらに含む。画像センサ１４はまた、電気反応性高屈折率材料プレート７６を含む。画像センサ１４は、センサ画像コントローラ２８に接続され、センサ画像コントローラ２８によって制御される。センサ画像コントローラ２８は、電圧制御要素８４とソフトウェア制御エレクトロニクス３１とを含む。センサ画像コントローラ２８はまた、センサ画像読み出し部３６に接続されており、センサ画像読み出し部３６は、ソフトウェアコントローラ読み出しエレクトロニクス３８を含み、データ１３を読み出す。センサ画像読み出し部１６の出力は、ソフトウェア制御処理要素４２を含む画像プロセッサ４０に転送され、ソフトウェア制御処理要素４２は、処理したイメージおよびデータ１５を送信機１６に転送する。
【００８１】
本発明の一実施形態は、表１に列挙するように、一連の事象として説明することができる。
【００８２】
表１
事象が起こる
事象から衛星センサに光が移動する
光はセンサによって取り込まれ、電圧として記憶される
電圧は、センサ焦点面アレイから読み出され、送信用に衛星上で処理される
データが地上に送信される
地上局は、データストリームを受信し、データを「アンパック」し、地上処理サイトに送る
地上処理サイトは生データを取り込んで画像に変換する
並行して、地上処理サイトは画像から選択されたデータを抽出する
合成された画像は記憶装置（将来の使用のため）および配信システムに転送される
配信システム（インターネット、他の通信衛星など）がライブ画像をユーザに送達する
【００８３】
本発明は、多種多様な実施形態で実施することができる。実施形態の特徴は、限定するものではないが、
電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイから構成される焦点面アレイを含む画像センサを有する撮像衛星、
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）アレイから構成される焦点面アレイを含む画像センサを有する撮像衛星、
科学ＣＭＯＳ（ＳＣＭＯＳ）アレイから構成される焦点面アレイを含む画像センサを有する撮像衛星、
マイクロボロメータ（μボロメータ）アレイから構成される焦点面アレイを含む画像センサを有する撮像衛星、
フルカラーイメージの作成を可能にする異なるフィルタを備えた２×２、２×３、２×４、３×３、３×４、または４×４の画素アレイを使用する焦点面アレイを有する撮像センサ、
例えばＦＯＶＥＯＮアレイなど、個々の画素に色を記録することができるように、スタックされたセンサを使用する焦点面アレイを有する撮像センサ、
焦点面アレイを照らす光学トレインを含む、一次画像センサを有する撮像センサ、
各スプリットが異なる周波数用であり各スプリットの周波数が焦点面アレイを照らすように、光ビームスプリッタを直接照らす単一の光学トレインを含む一次画像センサを有する撮像センサ、
各々の異なる周波数が焦点面アレイを照らすように、回折格子を直接照らす単一の光学トレインを含む撮像センサ、
焦点面アレイのマトリクスの一部として焦点面アレイを各々直接照らす複数の共視準光学トレインを含む撮像センサ、
各スプリットが異なる周波数用であり各スプリットの周波数が焦点面アレイを照らすように、一連の１つ以上の光ビームスプリッタを各々直接照らす複数の共視準光学トレインを含む撮像センサ、
協調対象のイメージやデータをリアルタイムで観察し記録する撮像センサ、
地球上の対象のイメージとデータを観察して記録する撮像センサ、
地球の大気中の対象のイメージとデータを観察し記録する撮像センサ、
協調対象が衛星の主要な地上局にリンクされたデータである撮像センサ、
協調対象が衛星にリンクされたデータである撮像センサ、
地球の軌道上の対象のイメージとデータを観察し記録する撮像センサ、
地球の軌道外の宇宙空間にある対象のイメージとデータを観察し記録する撮像センサ、
協調対象が衛星の主要な地上局にリンクされたデータである撮像センサ、
協調対象が衛星にリンクされたデータである撮像センサ、
イメージおよびデータが非協調対象の特性の決定を可能にする撮像センサ、
追加の画像センサを有する衛星、
画像センサがデータまたは一連の画像を生成するときに地表の異なる部分を知覚するように、狭視野画像センサの位置を地表に関して変化させるように構成されたポインティングシステムを備えた撮像衛星、
ジンバルセットを含むポインティングシステムを備えた撮像衛星であって、衛星本体に対する望遠鏡の角度を調整することによって狭視野画像センサの光学望遠鏡を向ける、撮像衛星、
地球に対する衛星の相対回転を与え、地球上の所定の地点に対する画像センサの光学経路を変化させるように、衛星の運動量またはリアクションホイールによって与えられる回転量を制御するように構成された制御機構を含むポインティングシステムを備えた撮像衛星、
センサを半自律的に制御し、いずれかの固定解像度を生成するように構成されたセンサ制御およびデータ処理システムを備えた撮像衛星、
センサを半自律的に制御し、いずれかの可変解像度を生成するように構成されたセンサ制御およびデータ処理システムを備えた撮像衛星、
センサを半自律的に制御し、いずれかの固定フレームレートを生成するように構成されたセンサ制御およびデータ処理システムを備えた撮像衛星、
センサを半自律的に制御し、いずれかの可変フレームレートを生成するように構成されたセンサ制御およびデータ処理システムを備えた撮像衛星、
センサの焦点面アレイ（ＦＰＡ）の飽和および画素受信エネルギーレベルを監視し、ＦＰＡの関連する動作パラメータを変更して、生成されたイメージの信号対雑音比を最大にするセンサ制御およびデータ処理システム、
各ＦＰＡの画素の所定のサブセットを監視するセンサ制御システム、
各ＦＰＡの全ての画素を監視するセンサ制御システム、
ＦＰＡのフレームレートを変化させて、地上への転送用にイメージを最適化するセンサ制御およびデータ処理システム、
ＦＰＡのフレームレートを変化させて、低輝度条件下の地上および大気中の物体および事象の最適な低輝度撮像を可能にするセンサ制御およびデータ処理システム、
複数のＦＰＡのフレームレートを変化させて、高輝度条件および低輝度条件の両方で地上および大気中の物体および事象の最適かつ同時の高輝度撮像および低輝度撮像を可能にするセンサ制御およびデータ処理システム、
ＦＰＡのサブセクションのフレームレートを変化させて、高輝度条件および低輝度条件の両方で地上および大気中の物体および事象の最適かつ同時の高輝度撮像および低輝度撮像を可能にするセンサ制御およびデータ処理システム、
観察可能な半球全体のフル解像度のイメージを生成するセンサ制御およびデータ処理システム、
追加の画像センサの視野のフル解像度でイメージを生成するセンサ制御およびデータ処理システム、
狭視野画像からのイメージとフル解像度およびそれよりも低い解像度の画像のイメージとを組み合わせて、データ融合画像を提供するデータ処理システム、
地上制御システムからの通信リンクを介していつでもプログラムされ、固定解像度の画像を生成するセンサ制御およびデータ処理システムを備えた撮像衛星、
地上制御システムからの通信リンクを介していつでもプログラムされ、可変解像度の画像を生成するセンサ制御およびデータ処理システムを備えた撮像衛星、
地上制御システムからの通信リンクを介していつでもプログラムされ、可変の固定フレームレートの画像を生成するセンサ制御およびデータ処理システムを備えた撮像衛星、
地上制御システムからの通信リンクを介していつでもプログラムされ、可変フレームレートの画像を生成するセンサ制御およびデータ処理システムを備えた撮像衛星、
ＦＰＡの飽和および画素受信エネルギーレベルを監視し、ＦＰＡの関連する動作パラメータを変更する地上制御システムを備えたセンサ制御およびデータ処理システム、
様々な解像度でイメージを生成するように地上制御システムから命令されるセンサ制御およびデータ処理システム、
地上制御システムから命令されると、観察可能な半球全体のフル解像度のイメージを生成するデータ処理システム、
地上制御システムから命令されると、観察可能な半球の選択領域のフル解像度のイメージと、残りの観察可能な半球の低解像度のイメージとを生成する処理システム、
フル解像度およびそれよりも低い解像度の画像のイメージを異なるフレームレートで処理して、地上に送信するためのイメージを最適化するデータ処理システム、
フル解像度およびそれよりも低い解像度の画像のイメージを異なる解像度で処理して、地上に送信するためのイメージを最適化するデータ処理システム、
より低い解像度のイメージおよびフル解像度のイメージが、将来の想起のために選択的に記憶されるデータ処理システム、
狭視野画像からのイメージとフル解像度およびそれよりも低い解像度の画像のイメージとを組み合わせて、データ融合画像を提供することができるデータ処理システム、
データを遠隔地に送信する前にデータを圧縮するように構成されたデータ圧縮機構を含むセンサ制御およびデータ処理システムを備えた撮像衛星、
可逆圧縮を行うデータ処理システム、
可変ビットレート圧縮を行うデータ処理システム、
画像中の各画素の下位（最下位）ビットにおいて非可逆である非可逆圧縮を行うデータ処理システム、
業界標準のモーションイメージ非可逆圧縮アルゴリズムを実行するデータ処理システム、
データを地上局に直接送信するように構成されている送信機を備えた撮像衛星、
データをユーザの遠隔地に直接送信するように構成されている送信機を備えた撮像衛星、
データを別の撮像衛星に直接送信して、イメージおよびデータを遠隔地に中継するように構成されている送信機を備えた撮像衛星、
イメージおよびデータを別の衛星を介して遠隔地に中継するように構成されたネットワークノードにデータを直接送信するように構成されている送信機を備えた撮像衛星、
イメージおよびデータをインターネットを介して遠隔地に中継するように構成されたネットワークノードにデータを直接送信するように構成されている送信機を備えた撮像衛星、
撮像衛星がＧＳＯにおける少なくとも３つの同様の衛星のコンステレーションのうちの１つの衛星である撮像衛星、
コンステレーションが、コンステレーションの複数の衛星から地球上の同じポイントを撮像することをサポートする撮像衛星コンステレーション、
イメージおよびデータの画像およびモーションイメージを作成するように構成された地上処理システムを備えた撮像衛星システム、
画像およびフルモーションイメージをリアルタイムで作成するように構成された地上処理システム、
ライブで画像およびフルモーションイメージを作成するように構成された地上処理システム、
イメージのデータ累積処理を実行して、生のイメージよりも優れた品質のイメージを生成する地上処理システム、
超解像度処理技術を実行する地上処理システム、
イメージおよびデータから関心の傾向またはパターンを導出する地上処理システム、
コンステレーションの複数の衛星からのイメージを組み合わせる地上処理システム、
複数の衛星からのイメージを組み合わせて、衛星から送信されるよりも高解像度のイメージを生成する地上データ処理システム、
複数の衛星からのイメージを組み合わせて、立体イメージを生成する地上データ処理システム、
イメージから関心のある署名を抽出するように構成された地上処理システムを有する撮像衛星システム、
外部ソースからのイメージを組み合わせて、関心のある事象を抽出する地上処理システム、
外部ソースからのイメージを組み合わせて、関心のあるパターンを抽出する地上処理システム、
球の表面である高解像度ディスプレイを備える撮像衛星システム、
球の内部からその球の内面に投影される高解像度ディスプレイ、
球の内部に投影するために球の中心にまたはその近傍に配置された複数のプロジェクタのセットである高解像度ディスプレイシステム、
人間のインタラクションとイメージおよびデータの表示方法の指示とを可能にするために、球の表面上にタッチインターフェースを含む高解像度ディスプレイシステム、および
１つ以上のプロジェクタを使用して球の外面からその球の外面に投影される高解像度ディスプレイ
を含む。
【００８４】
発明の追加の実施態様
本発明の実施形態はまた、１つ以上のセンサを使用して、完全な「正午」の太陽光、斜めの太陽光、月明かりや星明かり、さらには地球の夜側の人工照明条件や自然光源に及ぶ幅広い照明条件下で、地球の大気および大気上１００ｋｍまでを含む、地表上の関連する領域および地表上の２００＋ｋｍの領域の真にリアルタイムの観察を提供することを可能にする。
【００８５】
本発明の実施形態はさらに、半球全体の視野内から選択可能な領域の非常に高い空間的および時間的解像度に基づいて、天底１００メートルの解像度以上の完全な観察可能な半球の静止観察からの地球物理現象のライブカバレッジを可能にし、高解像度の高周波数イメージ専用の別個の追加のカメラの必要性を排除する。
【００８６】
本発明の実施形態は、天底５００ｋｍ×５００ｋｍの大きな領域の非常に高い空間的および時間的解像度に基づいて、天底で２５ｍ以上の解像度で地球物理現象および人工現象の真のリアルタイムカバレッジを可能にする。
【００８７】
本発明の実施形態は、観察可能な半球全体に亘って事象を一度にシームレスに観察する能力を可能にし、少なくとも３つであるが最大解像度のために所望されるだけ多くの静止プラットフォームを用いて、遠い極域を除く地球の全領域で事象のシームレスな観測を提供する。
【００８８】
さらに、本発明の実施形態は、本明細書で説明されるような２つ以上の衛星が、所与の場面の立体イメージが実行可能であるように配置される場合、上述のセンサから立体撮像を可能にする。これらの立体画像からのイメージを処理して、観察領域の３Ｄイメージを作成することができる。
【００８９】
さらに、本発明の実施形態は、昼夜間の分割線である地球上の領域である明暗境界線の昼光側および夜側の両方の最適な撮像を可能にする。完全な観察可能な半球を撮像するために半球状センサ画像領域内に複数の焦点面アレイ（ＦＰＡ）を使用することにより、各ＦＰＡを、その特定のＦＰＡによって撮像された地球の特定の領域における一般照明条件について個々に独立して最適化することができる。
【００９０】
本発明の実施形態はまた、フルフレーム、ローリングシャッタ、グローバルシャッタ、インターライン転送、または同様のＦＰＡのいずれかを任意の数で使用して、観察可能な半球全体を最悪の場合の積分および読み出しで一度に撮像することを可能にし、複数のローリングシャッタＦＰＡの場合、単一のＦＰＡの積分および読み出しよりも悪くない。これにより、単一の非常に大きなＦＰＡが使用される場合、または走査システムが使用される場合よりもはるかに短い時間で画像を取り込むことができ、最悪の場合の積分および読み出しは単一の大きなローリングシャッタＦＰＡと同等である。しかしこの重要部分は、昼と夜の両方を同時に最適に撮像できることが本発明の主要な差別化であるため、本発明の主たる説明セクションを読まれたい。
【００９１】
本発明の実施形態はまた、地球上または宇宙空間内で協調対象を位置決めすることを可能にする。これにより、システムは、ミラー、レーザまたは高輝度ストロボによって増強された衛星撮像システムによる撮像を容易にするために、対象の放射輝度向上機構を識別することができる。
【００９２】
このデータは、各衛星から宇宙および地上通信リンクのシステムを介してグローバルに配信されてもよい。この情報は、ダウンリンク送信機３５０（例えば、無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ  Ｒｒｅｑｕｅｎｃｙ）または光／レーザ、「自由空間光学（ＦＳＯ：Ｆｒｅｅ  Ｓｐａｃｅ  Ｏｐｔｉｃｓ）」通信としても知られる）を介して、１つ以上の地上局、すなわち「ダウンリンク」に送信されてもよい。各衛星は、命令のアップリンクおよび衛星健全性情報のダウンリンクに対して少なくとも１つのＲＦ通信トランスポンダ（例えば、Ｓバンド、Ｘバンド、Ｋａバンド、Ｖバンド、Ｑバンド、ＥバンドまたはＷバンドの１つ以上）またはＦＳＯトランスポンダを含むことができる。さらに、各衛星は、衛星の見通し線内のどこにいてもエンドユーザにデータを直接ブロードキャストすることを可能にする地上のフットプリントを照らす１つ以上のＲＦまたはＦＳＯ送信機（Ｓバンド、Ｘバンド、Ｋａバンド、Ｖバンド、Ｑバンド、ＥバンドまたはＷバンドの１つ以上）を含む。
【００９３】
ＲＦを実施する場合、アンテナは、パラボラディッシュアンテナ、ホーンアンテナ、および単一ビームまたはマルチビームカバレッジを提供するフェーズドアレイアンテナのいずれかを含むことができる。ＦＳＯを実施する場合、望遠鏡を受信者の地上サイトに向けるか、またはＦＳＯの光学システム内のステアリングミラーによってＦＳＯビームを受信者の地上サイトに向けることができる。
【００９４】
ダウンリンク帯域幅は可変であり、送信されるイメージおよびデータに基づいてもよい。ＲＦダウンリンクを実施する場合、占有されるＲＦ帯域幅は、８０ＭＨｚほどに小さいか、または１．５ＧＨｚ以上の大きさであり得る。ダウンリンクデータレートは、１００Ｍｂｐｓから５００Ｇｂｐｓ以上で実行されてもよい。情報は、１つ以上の多重化されたデータストリームにおいてダウンリンクされてもよい。情報は、第１の地上局によって受信されてもよいし、第１の地上局と並置されていないエンドユーザによって直接受信されてもよい。エンドユーザは、完全なデータストリーム、または多重化されたデータの一部を受信してもよく、エンドユーザは全半球範囲または特定の地域範囲を取得できる。
【００９５】
リアルタイムデータは、少なくとも１つ（しかし、合計で６つまで可能）の商用通信衛星、地上ベースのデータルーティングネットワーク、または宇宙ベースの通信資産と地上ベースの通信資産とのハイブリッドのネットワーク上のリースされたトランスポンダ帯域幅を使用して、最初の撮像衛星の「見通し線」を超えて配信されてもよい。リアルタイムデータは、これらのシステムおよび方法の任意の組み合わせを使用して、最初の撮像衛星の「見通し線」を超えて配信される。
【００９６】
イメージが地上サイトで受信されると、データは生データとして配信され、モーションイメージに処理されるか（例えば、モーションイメージストリーム、指定された時間長のモーションイメージループ、いずれも使用可能な全てのイメージフレームに基づくもの、またはスキップされたあらかじめ定義された数のフレームでデシメートされるか、またはいくつかの連続したフレームに亘って時間平均されたフレームを用いてデシメートされる）、あるいは宇宙、空中、または地上の収集ポイントにおける他のセンサからのデータまたはイメージと組み合わされる。イメージは、リアルタイムで組み合わされてもよく、またはリアルタイムイメージまたはデータは、アーカイブされたデータまたはイメージと組み合わされてもよい。イメージは、リアルタイムで外部ソースからのイメージまたはデータと組み合わされてもよく、またはリアルタイムイメージおよびデータは、外部ソースからのアーカイブされたデータまたはイメージと組み合わされてもよい。さらに、ダウンリンクされたリアルタイムイメージから記憶されたイメージが、他のソースからの他のイメージまたはデータと組み合わされてもよい。
【００９７】
処理されたイメージおよびデータには、重要な事象の通知が含まれている場合がある。事象は、限定するものではないが雷事象、ハリケーン、竜巻、野火、氷床陥没、火山噴火およびプルーム、浮遊植物大増殖および洪水などの自然現象を含み得る。いくつかの実施形態では、事象は、限定するものではないがロケット／ミサイル発射、爆発、油流出、熱帯雨林火災、大型船舶の航跡、航空機の移動および人工火災を含む人為的事象であってもよい。これらの現象に関連するデータおよびそれに関連するイメージは、イメージおよびデータストリームの一部として、または別個の情報のセットとしてユーザに配信されてもよい。処理されたイメージは、イメージ自体からの特徴または署名抽出データをもたらし、人工品などの特定の品目の特徴のリアルタイムまたはほぼリアルタイムの（例えばリアルタイム）通知を提供し得る。処理されたイメージは、撮像され得るものよりも小さい物体の目標指示を動かすが、視野を通して顕著に動く物体を示す結果になる可能性がある。
【００９８】
イメージおよびデータは、標準の２次元平面または湾曲したスクリーンまたは投影システムを利用して、ユーザが見るために表示することができる。上記の１つ以上のセンサからのイメージまたはデータを地球儀に表示することができる。全体の観察可能な地球儀では、センサの生のイメージのフルセットがおよそ７００億画素以上であるため、標準的なＨＤＴＶ（２００万画素）、デジタルシネマ２Ｋ（２２０万画素）、ＵＨＤＴＶ（８３０万画素）、デジタルシネマ４Ｋ（８８０万画素）、スーパーハイビジョン「８Ｋ」（３３２０万画素）、デジタルシネマ８Ｋ（３５４０万画素）またはより高い解像度で表示するためにイメージを低解像度処理して、フルモーションイメージのサブセットを表示してもよい。センサのフルモーションイメージのより完全なサブセットを表示するために、これらのディスプレイまたはプロジェクタのセットをタイル状に並べることができる。例えば、個々のデジタルシネマ８Ｋ相当のプロジェクタによって生成された画像を、約１２億画素の画像を提供するために４×９アレイ（３６台のプロジェクタを利用する）でタイル状に並べてもよい。
【００９９】
イメージは、球体または地球儀の表面上または表面内に表示されてもよい。上記の１つ以上のセンサからのイメージまたはデータを地球儀に表示してもよい。地球儀に表示されるイメージは、複数の衛星からのイメージとデータの継ぎ目で「ステッチする」ことができ、地球儀の周りに単一の連続した画像が現れるようにすることができる。表示システムは、投影された画像が重なるところのステッチングおよびブライトバンドの除去を実行することができる。
【０１００】
いくつかの実施形態では、球体または地球儀は、垂直方向に約１，０００画素、地球儀の赤道付近で３，６００画素の比較的低い解像度で、典型的な地球儀の取り付け、ポイント取り付け、またはベース上または２つの磁石の間に磁気的に吊り下げてデスクトップ上に設置できるほど十分に小さくてもよい。いくつかの実施形態では、地球儀は、直径が数フィートであり、人がその周囲、その下、またはその上を歩くことができるように取り付けられ、モーションイメージは、垂直方向に約１４，０００画素、地球儀の赤道付近で約５０，０００画素、またはそれ以上の解像度で、表示されてもよい。地球儀はまた、それらの２つの限度の間の任意の実用的な大きさまたは投影解像度であってもよい。
【０１０１】
地球儀の全体のイメージを表示する１つの方法は、内部から照らされた半透明またはほぼ透明な球体を用いることである。球体の中心またはその近くの一連にあるプロジェクタは、球体の内面にイメージを投影することができる。投影画像は、リアルタイムストリームからのものであってもよく、上述したタイプのモーションイメージループの１つ、またはイメージまたはアニメーションのシミュレーションされたセットであってもよい。スクリーンの内面に投影される画像は、地球儀全体または地球儀の限られた領域のものであってもよい。
【０１０２】
内部投影イメージを有する地球儀の表面は、地球儀の表面に触れることによって視聴者が重要な事象、詳細なイメージまたは要求されたデータを地球儀で見ることを可能にする、「タッチスクリーン」インターフェースを含むことができる。いくつかの実施形態では、インターフェースは、スタイラス、マウスまたは他のポインティングデバイスであってもよい。視聴者は、地球儀自体の上でタッチジェスチャを介して、地球儀上のイメージの１つ以上の部分を拡大することができる。拡大イメージは、選択領域のより高い解像度のイメージ、重要な事象のイメージまたはモーションイメージ、またはその２つの組み合わせであってもよい。加えて、拡大イメージ内の情報は、内部撮像システムによって地球儀上に提示されたメニューおよびアイコンによって選択されてもよい。さらに、拡大イメージ内の情報は、地球儀自体とは別の代替スクリーン上のメニューおよびアイコンによって選択されてもよい。さらに、拡大イメージまたはデータは、地球儀自体とは別の代替スクリーン上に表示されてもよい。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、イメージを表示する方法は、球体の外側から一連の外部投影物を介して球体の反射表面上に投影することであってもよい。表面は、上述したように、内部投影球体のようにタッチインターフェースを有してもよく、またはスタイラスまたはマウスによって駆動されてもよい。表面は、内部投影球体に関して上述したように、全て同じイメージ、イメージループおよびデータを示すことができる。
【０１０４】
コンステレーション内の複数の衛星からのイメージおよびデータを組み合わせて、３Ｄ画像およびデータセットを生成することができる。これらの画像およびデータセットは、３Ｄデータ表示をサポートするモニタで見ることができる。得られた３Ｄデータセットは、リアルタイムイメージおよびデータ、またはリアルタイムイメージおよびデータとアーカイブデータおよびイメージとの組み合わせ、またはリアルタイムイメージ、またはリアルタイムイメージおよびデータとアーカイブデータおよびイメージとの組み合わせのいずれかのデータ融合／組み合わせに少なくとも部分的に基づいていてもよい。３Ｄイメージおよびデータセットは、外部ソースからのイメージまたはデータセットと組み合わせた場合、単一の衛星からのイメージおよびデータから生成されてもよい。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、撮像システムは、視認可能な地球上で約５００メートル以上の解像度のリアルタイムカバレッジを提供する、少なくとも３つのそのようなＧＳＯシステム（すなわち、衛星）のコンステレーションを含むことができる。各衛星は真のリアルタイムの記録を提供し、各衛星の見通し線内で主要な地上局またはエンドユーザにイメージをダウンリンクする能力を有することができる。いくつかの実施形態では、各感知衛星の配信能力を増強するために、リースされた商用通信衛星トランスポンダを使用して、ユーザが画像を見ることに興味を持っているセンサを有する特定の衛星に対して、直接見通し線内にいないエンドユーザに見通し線を越える通信を提供することができる。いくつかの実施形態では、各地球観測衛星は、広帯域のダウンリンク通信チャネルおよびクロスリンクされた衛星間通信コンジットを使用して、追加の通信パイプラインを使用せずに配信機能を達成することができる。いくつかの実施形態では、各地球観測衛星は、インターネットを介してエンドユーザに直接配信される広帯域のダウンリンク通信チャネルを使用することができる。
【０１０６】
以下に説明するような本発明の特定の実施形態は、ファームウェアおよび／またはコンピュータプロセッサを有するコンピュータシステム上で実行を可能にするための制御ロジックを有するコンピュータ使用可能媒体上に存在するコード（例えば、ソフトウェアアルゴリズムまたはプログラム）として組み込むことができることを理解されたい。このようなコンピュータシステムは、典型的には、実行に従ってプロセッサを構成するコードの実行から出力を提供するように構成されたメモリ記憶装置を含む。このコードは、ファームウェアまたはソフトウェアとして配置することができ、離散コードモジュール、関数呼び出し、プロシージャ呼び出し、またはオブジェクト指向プログラミング環境におけるオブジェクトなどのモジュールのセットとして編成することができる。モジュールを使用して実施する場合、コードは、単一のモジュールまたは互いに協働して動作する複数のモジュールを含むことができる。
【０１０７】
本発明のオプションの実施形態は、２つ以上の部分、要素または特徴の任意のまたは全ての組み合わせにおいて、個々にまたは集合的に、本明細書で参照または指示した部分、要素および特徴を含むと理解することができ、本明細書で言及した具体的な整数は、本発明が関係する分野の既知の均等物であり、このような既知の均等物は、個々に記載されているかのように本明細書に組み込まれるものとみなされる。
【０１０８】
Ｖ．用語集
ＡＳＩＣ、特定用途向け集積回路
汎用用途を意図した一般的に設計されたＩＣではなく、特定用途向けに設計、カスタマイズ、実装された集積回路（ＩＣ）。
【０１０９】
ＣＣＤ、電荷結合素子アレイ
センサの表面上に落下した光から生じる電荷が、読み出しのためにデバイスの別の領域に移動する画像センサ。
【０１１０】
ＣＭＯＳアレイ、相補型金属酸化膜半導体アレイ
典型的な集積回路（ＩＣ）チップを作成するために使用されるものと同じ技術を使用して作成された画像センサ。
【０１１１】
共視準望遠鏡
セット内の全ての望遠鏡が、正確に同じポイント（例えば、領域または物体）に連続的に向けられ、集束される２つ以上の望遠鏡のセット。
【０１１２】
データ累積
結果の画像の信号対雑音比を高めるために、複数の画像からのデータを組み合わせる方法。
【０１１３】
ＤＳＢ−Ｓ２ｘ、デジタルビデオ放送−衛星、第２世代拡張
スペクトル効率が高く、非常に高いデータおよび情報レートの通信を実装する業界標準の無線周波数（ＲＦ）波形変調。
【０１１４】
電子制御可能な高屈折率材料
屈折率を変化させる材料であり、これにより光の経路は、材料に亘って設けられた電圧レベルに基づいて材料を通過する。
【０１１５】
ＦＰＧＡ、フィールドプログラマブルゲートアレイ
製造後に顧客または設計者によって構成されるように設計された集積回路であり、したがって「フィールドプログラマブル」である。ＦＰＧＡの構成は、一般にハードウェア記述言語（ＨＤＬ）を使用して指定される。ＦＰＧＡは既に軌道上にある衛星などの運用システムに入った後でも「プログラミング」を変更することができる。
【０１１６】
焦点面
望遠鏡などの光学系がその上に置かれる表面であり、画像を集束する。焦点面は、３次元空間内の仮想面であってもよく、またはその表面は、１つ以上のＦＰＡから構成されてもよい。
【０１１７】
焦点面アレイ（ＦＰＡ）
排他的ではないが一般的に、単一の集積回路チップ内で、光を受け取り、その光を電荷に変換して読み出すことができるように設計された要素のアレイ。
【０１１８】
フレームレート
画像センサによって毎秒記録され読み出される画像（フレーム）の数。一例として、米国における「フルＨＤＴＶ」の標準フレームレートは３０フレーム／秒である。
【０１１９】
静止軌道（ＧＳＯ）
その軌道上の物体が、地球がその軸上で回転するのと全く同じ速度で地球の周りを回転する、地球の赤道と同じ平面上の軌道。静止軌道は赤道の地表から約３５，７８６ｋｍ上にある。静止軌道は、対地同期軌道の特殊な場合である。
【０１２０】
対地同期軌道（ＧＥＯ）
衛星などの物体が地球を周回するのに２４時間かかる軌道。この軌道は、物体が毎日同じ時間に全てのデータについて地表上の同じポイントを通過するようにする。
【０１２１】
画像
単一のＦＰＡ、単一のＦＰＡの一部分からのピクチャまたは表現、または複数のＦＰＡからのピクチャまたは表現の合成から得られる電子的に記録されたピクチャまたは表現。このような画像は、時間的にまたは空間的レイアウトにおいて連続的であってもなくてもよい。
【０１２２】
モーションイメージ
イメージ内の事象または変化の一続き、連続、または進行を経時的に示すために時間的に順序付けられた、本明細書で定義される画像のシーケンス。時間の順序付けは、単一のステップサイズ、または連続する画像間の時間間隔、または一連の画像に亘って変化する複数のステップサイズで順序付けられてもよい。
【０１２３】
リアルタイム
本特許出願の目的のために、リアルタイムは、事象発生後３０秒未満でエンドユーザが事象を見ることができると定義され、
事象からセンサに至る光、
光を取り込んで電子画像を生成するセンサ、
センサ読み出し、
読み出しデータ処理、
地上処理サイトへの送信、
地上処理、
エンドユーザへの配信、および
エンドユーザディスプレイ
の持続時間の総計を含む。
【０１２４】
結論
本発明を１つ以上の好ましい実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明が属する技術分野の当業者であれば、以下の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更および改良を行うことができることを理解するであろう。上記に開示した様々な代替案は、本発明の好ましい実施形態について読者に教示することを意図しており、本発明の限界または請求の範囲を限定することを意図するものではない。
【０１２５】
上述の様々な実施形態は、所望の実装形態に応じて様々な方法で任意に組み合わせることができる特徴を開示する。記載された特徴はモジュール式であるため、異なる特徴の組み合わせに基づく他の実施形態も可能である。
【０１２６】
記載された特徴のいずれも互いに排他的ではなく、上述の機能を達成するために任意の組み合わせを使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
上記の説明は、地球の目に見える半球全体のリアルタイム画像を提供するための方法および装置を提供することを目指し、天気予報のための画像を必要とする産業に貴重なシステムを提供することを目指している。
【符号の説明】
【０１２８】
ＥＤ  地球ディスク（Ｅａｒｔｈ’ｓ  Ｄｉｓｃ）
ＥＳ  地表（Ｅａｒｔｈ’ｓ  Ｓｕｒｆａｃｅ）
ＦＰ  焦点面（Ｆｏｃａｌ  Ｐｏｉｎｔ）
ＩＯ  撮像光学系（Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃｓ）
Ｌ  光線
ＳＣ１  第１の走査
ＳＣ２  第２の走査
ＳＣ３  第３の走査
ＳＣ４  第４の走査
ＳＭ  走査ミラー（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｍｉｒｒｏｒ）
ＳＲ  走査帰線（Ｓｃａｎ  Ｒｅｔｒａｃｅ）
１０  リアルタイム衛星撮像システム
１２  衛星
１３  イメージデータ
１４  画像センサ
１５  処理画像
１６  送信機
１７  画像センサの図
１８  共視準望遠鏡
２０  屈折要素
２２  焦点面
２４  焦点面アレイ
２５  単一の望遠鏡の図
２６  反射要素
２８  画像センサコントローラ
３０  折り畳み式望遠鏡の図
３１  ソフトウェア制御エレクトロニクスコントローラ
３２  折り畳み式ミラー
３４  ４つの焦点面の図
３５  機能ブロック図
３６  画像センサ読み出し部
３８  ソフトウェア制御読み出しエレクトロニクス
４０  画像プロセッサ
４２  ソフトウェア制御処理エレクトロニクス
４４  ソフトウェア制御電子処理要素
４６  コントローラの機能ブロック図
４８  焦点面アレイサブ要素
５０  センサ画像コントローラ
５２  ＦＰＧＡ
５４  ＦＰＡ当たりの積分時間
５６  ＦＰＡの積分時間セグメント
５８  ＦＰＡのフレームレート
６０  読み出し部の機能ブロック図
６１  感知最大光レベル
６２  センサ画像制御部に最大光レベルを送信
６６  画像処理の機能ブロック図
７０  センサ画像処理圧縮部
７２  送信用のセンサ画像処理データフォーマット部
７４  プレートの図
７６  プレート
７８  入射光
８０  複数の内部経路
８２  出射光線
８４  電圧制御要素
８６  ２つのプレートの概略図の左図
８８  ２つのプレートの概略図の右図
９０  ２つのプレートを有する望遠鏡の概略図
９２  プレートを有する光学系のブロック図
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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2019512989.tif 000021
2019512989.tif 000022
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