(57)【要約】【課題】目標までの距離が不明であり、また大気減衰率が大きく変動している波長帯を用いても、２波長赤外線カメラの出力値から目標の温度と目標までの距離を正確に求めることができる赤外線２波長処理方法を提供する。【解決手段】測定された温度、湿度及び視程から、大気透過率算出ソフトＭＯＤＴＲＡＮ等を用いて、大気減衰率を算出し、２波長赤外線カメラ３の出力値Ｓ１，Ｓ２と目標の温度及び距離の間の関係式を導出する。測定された２波長赤外線カメラ３の出力値をこの関係式に代入し、２元非線形連立方程式を解くことにより、目標の温度及び距離を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの波長帯の赤外線について２波長赤外線カメラで撮像した目標画像の画素又は画素群毎の出力値に２波長演算処理を行うことにより、目標までの距離が不明でも目標の温度分布を算出する赤外線２波長処理方法であって、
前記２つの波長帯での大気減衰率を算出し、前記２波長赤外線カメラの前記２つの波長帯での出力値と目標の温度及び距離との間の関係式を導出し、測定された前記２波長赤外線カメラの出力値を前記関係式に代入し、２元非線形連立方程式を解くことにより、目標の温度を演算することを特徴とする赤外線２波長処理方法。
【請求項２】
前記２波長演算処理を実施するために、前記２波長赤外線カメラの前記２つの波長帯に対応した感度帯域内において波長の違いによって大気透過率が一定でなくても温度、湿度及び視程から求められた波長毎の大気透過率を既知の値とする請求項１記載の赤外線２波長処理方法。
【請求項３】
前記２波長演算処理において、目標の温度決定後又は目標の温度決定前に、目標までの距離を算出する請求項１又は２記載の赤外線２波長処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離が不明な目標から放射され、大気を伝搬して減衰した２波長赤外線を２波長赤外線カメラで撮像し、赤外線２波長処理を行うことで、１波長では不可能な、目標の正確な温度分布を求めることが可能な赤外線２波長処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、赤外線画像センサを用いて赤外線放射率が既知の目標の温度分布を測定するためには、目標からの赤外線を赤外線センサで捉え、センサの各画素が捉えた目標の赤外線放射量を測定するとともに、大気の減衰率及び目標までの距離から赤外線の減衰量を算出し、測定した赤外線放射量にその減衰量を加算して、目標の放出する正確な赤外線放射量から目標の温度分布を求めなければならない。つまり、大気の赤外線減衰率及び目標までの距離が既知でなければ、目標の温度分布を正確に測定することができない。
【０００３】
しかしながら、野外測定においては、目標までの距離を正確に求めることが困難な場合が多く、その場合には、目標までの距離を任意に設定することで、目標の温度を測定していた。しかし、この方法では誤差が大きく目標の温度を正確に求めることは困難であった。
【０００４】
なお、２波長赤外線画像を取得する装置としては、下記特許文献１等が知られているが、距離が不明な目標から放射された２波長赤外線の画像処理により、目標の正確な温度分布を求めることを目的としたものは見当たらない。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１６６４００号公報「２波長分離光学系による２波長赤外線画像ホーミング装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、異なった２波長帯域の赤外線を用いることで、目標までの距離が不明であっても、波長毎の大気透過率データ（例えば大気の温度、湿度及び視程で決定できる）から、目標の温度を正確に求めることのできる赤外線２波長処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、この時、大気透過率が２波長赤外線カメラの感度帯域において一定でなく、波長毎に大きく変動していても適用可能な赤外線２波長処理方法を提供する。
【０００８】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の赤外線２波長処理方法は、２つの波長帯の赤外線について２波長赤外線カメラで撮像した目標画像の画素又は画素群毎の出力値に２波長演算処理を行うことにより、目標までの距離が不明でも目標の温度分布を算出する方法であって、
前記２つの波長帯での大気減衰率を算出し、前記２波長赤外線カメラの前記２つの波長帯での出力値と目標の温度及び距離との間の関係式を導出し、測定された前記２波長赤外線カメラの出力値を前記関係式に代入し、２元非線形連立方程式を解くことにより、目標の温度を演算することを特徴としている。
【００１０】
前記赤外線２波長処理方法において、前記２波長演算処理を実施するために、前記２波長赤外線カメラの前記２つの波長帯に対応した感度帯域内において波長の違いによって大気透過率が一定でなくても温度、湿度及び視程から求められた波長毎の大気透過率を既知の値としてもよい。
【００１１】
また、前記２波長演算処理において、目標の温度決定後又は目標の温度決定前に、目標までの距離を算出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る赤外線２波長処理方法によれば、目標までの距離が不明であっても、２波長赤外線カメラで撮像した２波長赤外線画像から目標の温度分布を正確に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、赤外線２波長処理方法の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１４】
図１乃至図４を用いて本発明に係る実施の形態について説明する。なお、説明を簡略化するために目標の赤外線放射率を１（黒体）と仮定する。また、２波長赤外線カメラ３は２つの波長帯域の赤外線画像を同一画角、同一画素数で取得するものである。また以下の処理は、２波長赤外線カメラ３のそれぞれの波長帯域における対応画素毎に行われるものとする。
【００１５】
図１において、目標１から波長λ1及び波長λ2の赤外線が放射されているものとする。それぞれの赤外線は、大気２中を伝搬距離Ｌだけ伝搬し、２波長赤外線カメラ３で検出するものとする。Ａ１を目標１から放射された直後の波長λ1の赤外線放射強度、Ａ２を目標１から放射された直後の波長λ2の赤外線放射強度、Ｓ１を大気伝搬後の減衰した２波長赤外線カメラ３に入射する直前の波長λ1の赤外線放射強度、Ｓ２を大気伝搬後の減衰した２波長赤外線カメラ３に入射する直前の波長λ2の赤外線放射強度とする。なお、λ1を波長λ1-からλ1+の帯域の波長帯、λ2を波長λ2−からλ2＋の帯域の波長帯とすれば、カメラ３の感度帯域は、例えば図２の様な形状と仮定できる。図２のｗ(λ)は赤外線カメラ３の感度である。
【００１６】
大気が同一温度、湿度及び視程で均一と仮定すれば、単位距離あたりの大気減衰率ｋ(λ)は、市販ソフトウェアのＭＯＤＴＲＡＮ等を用いて計算された単位距離あたりの大気透過率τ(λ)から求めることができる。ここで、大気透過率τは波長λの関数であり、例えばλ1-からλ1+まで図３の様に変動すると仮定する。λ2の帯域についても同様である。ここでｋ(λ)をτ(λ)を用いて表すと、
【数１】
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(1)式により、単位距離あたりの大気減衰率ｋ(λ)は既知となる。
【００１７】
次に図４に示す様に、目標までの距離Ｌ及び目標の温度Ｔoを２波長赤外線カメラ３を用いて測定した出力値Ｓ１及びＳ２から求める手法を説明する。
【００１８】
まず、図１の赤外線放射強度Ａ１を温度Ｔ（絶対温度）で表すことを考える。Δλを大気減衰率がほぼ一定と仮定できる微小な波長範囲とすれば、λ〜λ＋Δλの波長範囲において、黒体が放出する放射強度をＡ１(λ)とおけば、赤外線カメラ３の感度を図２のｗ(λ)として、Ａ１(λ)はプランクの式を用いて
【数２】
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ここで、Ｃ１＝２πｈｃ２、Ｃ２＝ｃｈ、ｃ：光速度、ｈ：プランク定数である。
【００１９】
(2)式を計算の簡略化のためＴのm1次（m1：正整数）の多項式で近似すると、
【数３】
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ここでａi(λ)は波長に依存する多項式係数である。
【００２０】
次に図１において赤外線放射強度Ａ１(λ)が距離ｘだけ伝搬した後の減衰後の放射強度Ｓ１(λ)をＡ１(λ)とｘ及び(1)式の大気減衰率ｋ(λ)を用いて表すと、
【数４】
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(4)式は赤外線放射強度が大気中を指数関数的に減少することを示している。波長帯全体の放射強度Ｓ１は、λ＝λ1-からλ＝λ1+の波長帯まで、Ｓ１(λ)を加え合わせたものであるから、
【数５】
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ここで(3)式を(4)式に代入するとともに、(4)式の指数関数をｘのn1次（n1：正整数）の多項式で展開し、多項式展開された(4)式を(5)式に代入すると、(5)式の形は、
【数６】
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ここでＣ１ｉｊはＴ及びｘの多項式の係数であり、またm1及びn1は、それぞれＴ及びｘの多項式近似次数である。またＳ２に関しても同様な議論が成立するため、同様に以下の式が成立する。
【数７】
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ここで、Ｃ２ｉｊはＴ及びｘの多項式の係数であり、またm2及びn2は、それぞれＴ及びｘの多項式近似次数である。
【００２１】
次に(6)式において、(m1＋１)(n1＋１)個の Ｃ１ｉｊの決定法であるが、これは計算機シミュレーションにより行う。つまりある温度Ｔ及び距離ｘに対して、(2)式のプランクの式の積分により発生させた微小な波長範囲の赤外線放射強度を用いて、(4)式により大気減衰後の赤外線放射強度を計算する。この時、(2)式の赤外線カメラ３のｗ(λ)は、赤外線光源、可変フィルタ及び分光放射計測装置等を用いて実測し、正確に求めておく必要がある。また、距離ｘにおける大気減衰率ｋ(λ,ｘ)は、前述したＭＯＤＴＲＡＮ等を用いて決定される。Ｓ１は、(5)式を用いてカメラの検出波長範囲において、計算される。温度Ｔに関してＭ個、距離ｘに関してＮ個のパラメータを用いれば、ＭＮ個のＳ１が求められる。(m1＋１)(n1＋１)≦ＭＮであれば、最小２乗法を用いて、Ｃ１ｉｊを決定することができる。以上の手法はλ2に関しても適用され、同様にＣ２ｉｊも決定することができる。以上の様に、赤外線２波長処理方法は、２波長赤外線カメラ３で得た赤外線放射強度Ｓ１及びＳ２と、計測された温度、湿度及び視程とから、Ｃ１ｉｊ及びＣ２ｉｊを決定する機能を持つ。
【００２２】
以上で、目標から発せられた赤外線を２波長赤外線カメラ３を用いて検出し、温度及び距離を求めるための準備が終了した。目標の温度Ｔ及び距離ｘの算出は、２波長赤外線カメラ３で計測したＳ１及びＳ２から、(6)式及び(7)式を連立させて、Ｔ及びｘを変数とする２元非線形連立方程式を解くことにより行う。単純に解こうとすると、非常に時間がかかってしまうが、Ｔが増加すれば、Ｓ１及びＳ２は単調に増加し、ｘが増加すれば、Ｓ１及びＳ２は単調に減少するという性質を使えば、この２元非線形連立方程式を高速で解くことができる。最終的に、ｘは距離の真値Ｌに、Ｔは温度の真値Ｔoに収束する。
【００２３】
以上説明した赤外線２波長処理方法は、目標までの距離が不明であっても、２波長赤外線カメラで撮像した目標の各画素毎の２波長赤外線データから画素毎の温度を求めることにより、目標の温度分布を正確に求めることができる。また同時に目標までの距離を求めることも可能である。前記目標までの距離は目標の温度決定後に求めてもよいし、又は目標の温度決定前に求めてもよい。
【００２４】
なお、１画素毎に目標温度Ｔを演算する代わりに、隣接する複数画素を１つの画素群と考えて、画素群毎に目標温度Ｔを演算するようにしてもよい。
【００２５】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る赤外線２波長処理方法の実施の形態であって、目標から放射された２波長帯域の赤外線が、大気により減衰を受け、２波長赤外線カメラに入射される場合の説明図である。
【図２】実施の形態で用いる２波長赤外線カメラのλ1波長帯及びλ2波長帯におけるセンサの感度線を表すグラフである。
【図３】赤外線大気透過率が一定でなく、波長に対して連続的に変化することを表すグラフである。
【図４】実施の形態において、温度Ｔoの目標から２波長赤外線が放出され、距離Ｌを伝搬し、２波長赤外線カメラに入射される場合の説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  目標
２  大気
３  ２波長赤外線カメラ
Ａ１：波長λ1の放射強度
Ａ２：波長λ2の放射強度
Ｓ１：波長λ1の減衰後の放射強度
Ｓ２：波長λ2の減衰後の放射強度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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