(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのストリップまたはマトリックスからなる電荷結合デバイス型の検出器を用いて地表の衛星観察画像を捕捉および処理する方法であって、前記検出器は観察区域上を走行し、所定のサンプリングにおいて複数のピクセルを捕捉する方法において、前記サンプリングの配列がシャノン条件を満たすサンプリングに対応する「ｎ」個の部分配列（ここで、「ｎ」は１より大きい整数）を含み、かつ、最初に捕捉された画像ピクセルに基づいて、サンプリング部分配列の解像度に対応する解像度で、ノイズ低減された画像を補間する処理を行い、
前記ストリップまたはマトリックスからなる検出器は該検出器を含む焦点面内において、衛星の走行方向の投影に対して角度α（ここでαはarctan（１／ｎ））をなすように配向され、前記走行方向におけるサンプリングピッチは
【数１】
0004342611.tif 000015
（ここで、ｐはストリップまたはマトリックスにおける２つの要素検出器の間のピッチ）に等しいことを特徴とする方法。
【請求項２】
画像が焦点面上での衛星の移動方向の投影に対して角度α（ここで、α＝arctan（１／ｎ））に配向された２つのストリップまたはマトリックスによって捕捉され、前記２つのストリップまたはマトリックスは、その延在方向において相互にｐ／２だけ片寄るとともに、この方向に対する垂直方向においてｐ／２ｎ＋Ｋｐ／ｎ（ここで、Ｋは整数、ｐは前記各ストリップにおける２つの要素検出器間のピッチ）だけ片寄り、前記走行方向におけるサンプリングピッチは
【数２】
0004342611.tif 000016
に等しいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ノイズ低減された画像を補間するため、サンプリング部分配列のピクセルを相互に加算することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記補間処理は次式を決定するものであり、
【数３】
0004342611.tif 000017
ここで、Ｉは補間された画像に対応する関数、Ｉbは初期画像に対応する関数であり、
また、Ｅは初期画像の配列、Ｅ０は補間された画像の部分配列であり、
さらに、
【数４】
0004342611.tif 000018
はＥ０の相反配列としてのＲ０の関数特性の逆フーリエ変換であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
部分配列のサンプリングが平方型である場合、前記補間処理は次式を決定するものであり、
【数５】
0004342611.tif 000019
ここで、Ｉbは初期画像に対応する関数、Ｅは初期画像の配列であり、
また、（ｎ1，ｍ1）は補間された配列中の座標に対応する一対のダミー変数であり、
さらに、ｐ１およびｐ２はストリップが延在する方向およびこの方向に対して垂直な方向における配列Ｅ中の要素サンプリングピッチであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の方法を実施するためのカメラ計器において、焦点内にて、衛星の走行方向の投影に対して角度α＝arctan（１／ｎ）に配向されたストリップまたはマトリックスからなる検出器（ここで、ｎは整数）を含み、前記走行方向におけるサンプリングピッチは
【数６】
0004342611.tif 000020
（ここで、ｐはストリップまたはマトリックスにおける２つの要素検出器の間のピッチ）に等しいことを特徴とするカメラ計器。
【請求項７】
相互に平行に延在する少なくとも１列のストリップまたはマトリックスを含むことを特徴とする請求項６に記載の計器。
【請求項８】
請求項２に記載の方法を実施するための請求項６または７に記載の計器において、焦点面上での衛星の移動方向の投影に対して角度α（ここで、α＝arctan（１／ｎ））に配向された２つのストリップまたはマトリックスを有し、前記２つのストリップまたはマトリックスはその延在方向において相互にｐ／２だけ片寄るとともに、この方向に対する垂直方向においてｐ／２ｎ＋Ｋｐ／ｎ（ここで、Ｋは整数、ｐは前記各ストリップにおける２つの要素検出器間のピッチ）だけ片寄ることを特徴とする計器。
【発明の詳細な説明】
本発明は、観察区域上を走行する、１つまたは複数のストリップ（またはマトリックス）からなる電荷結合デバイス（ＣＣＤ）型の検出器を用いて、プッシュ・ブルーム走査（push-broom scanning）によって地表の衛星観察画像を捕捉する技術に関するものである。
発明の分野
検出器が単一のストリップ１からなる場合について、プッシュ・ブルーム走査の原理を第１図に示す。
ストリップ１を搬送する衛星の走行に伴って、ストリップ１は走行方向（矢印Ｄ）に対して垂直な線Ｌ１，Ｌ２，．．．Ｌｎを順次観察する。各瞬間において、計器の光学システム２は検出器の線上に地表の線の画像を形成する。ストリップ１は衛星の速度ベクトルに対して垂直方向に向けて、光学システム２の焦点面上に配置されている。地表が各検出器上で走査される。検出器は一定の露出時間にわたって光束を積分し、これを比例電荷に変換する。
第２図はこのようにして撮像された画像の通常の処理システムを示す。
この処理システムは概略的に、ストリップ１からなる検出器からの出力を処理および増幅するユニット３と、ユニット３からの信号出力を受け取るアナログ−デジタルエンコーダ４と、このようにして得られたデジタル画像を衛星から地上へ伝送するためのトランスミッター手段５と、これらの画像を再構成するための地表のユニット６とを備えている。
さらに詳しくは、ユニット３はシフトレジスタを含み、ストリップ１からなる各検出器内に電荷の形で集積および記憶された情報が露出時間の最後に前記シフトレジスタ内へ転送される。その後、このシフトレジスタは電荷を電子の形で転送し、次いで、この電荷が、受信および積分された光束に比例する電圧列の形に変換される。
地表のユニット６は、計器の欠陥を保証するための逆畳込み処理（deconvolution processing）を実行し、またこの場合、画像中の一部のピクセルを再構成するために適当な補間処理を行って画像を再構成する。
先行技術と本発明の目的
画像の解像度が微細になるにつれて、特に光束の欠損によって信号−ノイズ比（ＳＮＲ）が減少し、画像が識別不能となることが知られている。
不幸にして現在、このような問題点を解決する公知の方法は満足できるものではない。
さらに詳しくは、１つの可能な方法は、計器のサイズ、特に望遠鏡のひとみの直径を増大するものである。しかし、この方法はコストがかかる。
他の方法は、衛星の走査速度を低下させるように衛星の姿勢を制御するものである。この技術によれば、光束をより長時間集積させることができる。しかし、これは衛星軌道の連続性が損失することを意味し、従ってデータの損失を生じる。
第３の方法は、特殊な時間遅れ集積（ＴＤＩ）検出器を用いるものである。これらの検出器はマトリックス状に構成され、その列が衛星の速度を補償するように電子的にシフトする。しかし、このようなシステムはその製作および操作が複雑となる。さらに、このシステムは、スペクトルの折り畳み（spectrum folding）が無視できる程度となりまた捕捉データ率が最適となるよう、変調転送関数に適合したサンプリングを行うことができない。
従って本発明の目的は、計器のノイズを低減するとともに、上述した各方法の問題点を有しない種類の画像捕捉方法を提供することにある。
理論的背景
プッシュ・ブルーム走査による画像捕捉は、次式によってモデル化されることが知られている。
Ｉb＝Πp（ｈ▲×▼Ｏ＋ｂ）
ここで、
▲×▼は畳込み操作を示し、
Ｏは画像が捕捉される地表であり、
ｈは計器のパルス応答、
ｂはフィルタ処理された地表の画像上に重ね合されるノイズ、
Ｉｂは生画像、
Πｐは連続画像が離散的に形成されることを意味する二次元ディラック演算子（Dirac comb）である。
画像はデジタルであって、限定された数のビットにエンコーディングされる。
スペクトル表示がしばしば好ましい。これは生画像のフーリエ変換（ＦＴ）によって表示される。すなわち、
0004342611.tif 000002
ここで、ハット記号はこれらがフーリエ変換であることを示し、また略号ＭＴＦは変調転送関数を示し、この関数はパルス応答のフーリエ変換である。スペクトル表示においては、畳込み操作は乗法操作に等しい。
主として、上述した方程式に含まれるパラメータを以下に詳細に説明する。
（変調転送関数すなわちＭＴＦ）
ＭＴＦは空間周波数の減衰率である。周波数が高いほど、ＭＴＦが低くなる。ＭＴＦが０となる幾何学的位置が計器のカットオフ境界である。計器のスペクトル領域（spectral medium）は計器のカットオフ境界によって制限された低周波数ドメインである。計器のＭＴＦは、光学システムのＭＴＦに検出器のＭＴＦと走行方向における変位のＭＴＦとを乗じた積である。
（ノイズ）
計器のノイズは常に存在する。これに対する簡単なアプローチは、ノイズは（一般に衛星の目的が決定された時点で知られている）平均ＳＮＲによって特徴づけられており、また中程度の輝度においては他のノイズと比較してポアソン型の光子ノイズが支配的であることを考慮することにある。このような分布により、ノイズの標準偏差は検出器によって得られた光子数Ｎの平方根とともに変動する。従って、
0004342611.tif 000003
となる。
（サンプリング配列）
衛星は正方直交配列を発生する（速度とストリップが直交方向にある）。地表の速度方向のサンプリングステップサイズはΔτ＝ｖ・ｔeであり（ここでｖは衛星の速度、ｔeはサンプリング時間）。また、ストリップ方向におけるサンプリングステップサイズは２つの隣接する要素電荷結合デバイス（ＣＣＤ）の間隔に等しい。従って、衛星において作成される配列を用いる場合には、２つのピッチは等しく、また地表のピクセルの投影は重なり合わない（地表が１度だけ走査される）。
しかし、現在の衛星によって行われている捕捉においては、サンプリング周波数がカットオフ周波数に等しいので、シャノンの条件が満たされない（ｔe＜1/2ｆc（ここでｆcはカットオフ周波数）。その結果、高レベルのスペクトルの折り畳みが生じ、これは人工的な影響を生じさせ、逆畳込みや補間を困難にする。
このような問題点を解決するため、最近、特に本出願人によるフランス特許FR 2 678 460号において、スペクトルの折り畳みを制限するよう、２つのオフセットしたストリップを用いてオーバサンプリング（oversampling）を行う技術を用いることが提案されている。
本出願人は、また、特許出願WO 97/05451号において、スペクトルの折り畳みの量を最小限度にしながらデータ捕捉率を最適化するよう、計器の変調転送関数に適合した食い違い型のオーバサンプリング（staggered oversampling）を行う技術を提案している。
発明の概要
本発明は、第１にはスペクトルの折り畳みを制限し、第２にはノイズを最小限にして、画像を得ることを可能とする計器測定方法を提供するにある。
さらに詳しくは、本発明は、少なくとも１つのストリップまたはマトリックスからなる電荷結合デバイス型の検出器を用いて、地表の衛星観察画像を捕捉および処理する方法であって、前記検出器は観察区域上を走行し、所定のサンプリングにおいて複数のピクセルを捕捉する方法において、前記サンプリングの配列がシャノン条件を満たすサンプリングに対応する「ｅ」個の部分配列（ここで、「ｅ」は１より大きい整数または有理数）を含み、かつ、最初に捕捉された画像ピクセルに基づいて、サンプリング部分配列の解像度に対応する解像度で、ノイズ低減された画像を補間する処理を行うことを特徴とする方法に関するものである。
言い換えれば、初期画像はシャノンの条件を満たすサンプリングに対応する「ｅ」個の画像と等しく、これにより同一解像度の新規な画像が再構成される。新規な画像の各ピクセルについて、通常の捕捉の場合の「ｅ」倍の光束が得られるので、新規な画像中の平均ノイズは同一解像度の画像について通常得られるノイズと比較して
0004342611.tif 000004
で割られた値となる。
また、本発明は、上述した方法を実施するためのカメラ計器を提供する。
【図面の簡単な説明】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明はこれらの実施の形態によって限定されるものではない。図面において、
第１図はプッシュ・ブルーム走査の捕捉原理を示す図である。
第２図はプッシュ・ブルーム走査によって捕捉された画像の処理システムを示す図である。
第３図および第４図は単一のストリップからなる検出器を用いる、本発明の実施の形態を示す図である。
第５図は２つのストリップからなる検出器を用いる、本発明の実施の形態を示す図ある。
第６図はマトリクス状の検出器を用いる、本発明の実施の形態を示す図である。
第７図および第８図は視野を増大するために複数の検出器ストリップを用いる場合における、これらのストリップの２つの配置法を示す図である。
本発明の実施の形態の説明
第３図および第４図はそれぞれ、衛星観察計器の焦点面に配置された線形ストリップ１１、およびストリップ１１を搬送する衛星の走行方向Ｄの前記焦点面における投影を示す。
ストリップ１１は前記焦点面内において、方向Ｄに対して角度αをなすように配向される。ここで、αはarctan（１／３）とする。
走行方向ＤにおけるサンプリングピッチΔτはｐ １０／６に等しい。ここで、ｐはストリップ１１の２つの要素検出器間のピッチである。
このようなサンプリングはシャノンの条件と一致した食い違い型のサンプリングにより３個の画像を捕捉する場合と同様のものである。すなわち、例えば、本出願人の特許出願ＷＯ 97/05451号に記載された種類のサンプリングにより３個の画像を捕捉する場合と同様である。
従って、第３図および第４図に示す種類のサンプリングを用いれば、例えば食い違い型のサンプリングに対応する前記３個の画像を累加することにより、または下記に詳細に説明するような種類の処理を行うことにより、補間後に新規な画像を得ることができ、この新規な画像は食い違い型のサンプリングによって得られる解像度に対応する解像度を有するが、そのノイズはこのようなサンプリングによって通常得られる画像のノイズと比較して
0004342611.tif 000005
で割られた値を有する。
さらに一般的に、方向Ｄに対して角度α（α＝arctan（１／ｎ）、ここでｎは整数）に配向されたストリップ１１についてサンプリングを行い、前記方向Ｄにおいて
0004342611.tif 000006
に等しいサンプリングピッチを用いることは、シャノンの条件に従って食い違い型のサンプリングによってｎ個の画像を得る場合に等しく、このような補間により、食い違い型のサンプリングに対応する解像度を有するが該解像度において通常得られるノイズを
0004342611.tif 000007
によって割られたノイズを有する画像を得ることが可能となる。
もちろん他の変形例も考慮される。さらに詳しくは、第５図に示されているように、カメラ計器内に２つの線形ストリップ２１，２２を設け、それぞれのストリップが要素検出器間で同一ピッチｐを有するようにすることができる。
これらの２つのストリップ２１，２２は方向Ｄに対して角度αに配向される。ここで、α＝arctan（１／ｎ）である。
これらのストリップは、カメラ計器内において、それらの延在方向（ｘ方向）にｐ／２だけ片寄り、またこの方向に対して垂直方向（ｙ方向）においてｐ／２ｎ＋Ｋｐ／ｎだけ片寄るような相対配置に配置される。この場合、Ｋは計器の焦点面において得られる空間に適合した任意の整数である。
サンプリングピッチが
0004342611.tif 000008
に等しい場合には、シャノンの条件に従ってｎ個の食い違い画像を捕捉する場合と同様の捕捉が行われる。従って、これらの個々のサブ画像を補間することにより、同一解像度を有するが前記解像度において通常得られるノイズを
0004342611.tif 000009
で割ったノイズを有する画像を得ることができる。
同様に、第６図に示されているように、線形ストリップに関する上述した方法を、走行方向Ｄに対して角度αに配向された例を有するマトリックスに一般化することができる。ここで、α＝arctan（１／ｎ）とする。１つのマトリックスのみが用いられる場合には、
0004342611.tif 000010
に等しい走行方向のサンプリングピッチが用いられる。また、相互に片寄った２つのマトリックスを用い、走行方向のサンプリングピッチを
0004342611.tif 000011
とすることもできる。
線形ストリップに適用された第３図乃至第５図について述べた実施の形態と比較して、さらに、使用された単数または複数のマトリックスの列の数の平方根によって割られたノイズの画像が得られる。
マトリックスまたはストリップのいずれの形態でも、補間は地上または機上で行うことができる。機上での補間には、伝送される画像を倍率ｎで圧縮できるという利点がある。
特に、アンダーサンプリングが平方型である場合には、補間された画像は次式によって与えられる。
0004342611.tif 000012
ここで、Ｅはオーバサンプリングされた配列、Ｉbはその配列によって得られたノイズ画像である。
また、（ｎ1，ｍ1）は補間された配列中の座標に対応する一対のダミー変数である。
さらに、ｐ１およびｐ２はストリップが延在する方向およびこの方向に対して垂直な方向における配列Ｅ中の要素サンプリングピッチである（これは、これらの値が次式を満たすことを意味し、
ｐ１・ｐ２／ｐ2＝ｅ
ここで、ｅは第１図乃至第５図について記載された全ての場合においてｎに等しいものとする）。
さらに一般的には、任意の規則的なサンプリングに対応する個々のサブ画像については、下記の補間を行うことが望ましい。
0004342611.tif 000013
ここで、Ｉは補間された画像に対応する関数、Ｉbはオーバサンプリング画像に対応する関数である。
また、ｚ′はオーバサンプリングされた配列Ｅに属し、またｚは部分配列Ｅ０に属する。
さらに、
0004342611.tif 000014
はＥ０の相反配列（reciprocal cell）としてのＲ０の関数特性の逆フーリエ変換である。
変形例においては、補間はさらに簡単に（ピクセルを一致させるように各画像を補間した後に）、サンプリング部分配列のピクセルを相互に加算することにより行われる。
また、以下の説明から明かなように、第３図乃至第６図について述べた技術は各ピクセルに対してより多量の光束を得ることができる（すなわち、より低いノイズの画像を得る事ができる）が、しかしこの技術は視野について相応の損失を与える。
このような掃引幅の損失は焦点面内にストリップを追加することによって補償することができる。
そのため、第７図に示すように、焦点面内に複数のストリップ４１からなる列を配置することができる。この場合、各ストリップは方向Ｄに対して同一角度αに傾斜するようにすることができる。
また、第８図に示すように、複数の重ね合されたストリップ列４１を用いることもできる。
【図１】
0004342611.tif 000021
【図２】
0004342611.tif 000022
【図３】
0004342611.tif 000023
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004342611.tif 000027
【図８】
0004342611.tif 000028