(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準赤外線発生源（１）と、校正時に前記基準赤外線発生源（１）を離れた場所から撮像して校正時画像（ＣＧ）を得ると共に実測時にターゲット（ＴＧ）を撮像して実測時画像（ＭＧ）を得る赤外線ＴＶカメラ（２）と、前記校正時画像（ＣＧ）中の基準赤外線発生源像（１ｇ）から基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓを算出すると共に前記実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）からターゲット像信号強度Ｐt とターゲット面積Ｓt とを算出する画像処理装置（３）と、前記赤外線ＴＶカメラ（２）から前記基準赤外線発生源（１）までの距離Ｒｓと前記基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓとに基づいて大気減衰項σを算出するσ計算部（４）と、前記大気減衰項σと前記ターゲット像信号強度Ｐt と前記ターゲット面積Ｓt とを基にターゲット（ＴＧ）までの距離ＲP を算出する計算処理部（９）とを具備することを特徴とする赤外線画像処理方式測距システム（１００）。
【請求項２】
ターゲット（ＴＧ）を撮像して実測時画像（ＭＧ）を得る赤外線ＴＶカメラ（２）と、前記実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）からターゲット像信号強度Ｐt とターゲット面積Ｓt とを算出する画像処理装置（３）と、大気減衰項σと前記ターゲット像信号強度Ｐt と前記ターゲット面積Ｓt とを基にターゲット（ＴＧ）までの距離ＲP を算出する計算処理部（９）とを具備することを特徴とする赤外線画像処理方式測距システム（１００）。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の赤外線画像処理方式測距システム（１００）において、前記赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚを出力する旋回角度センサ（６）と、赤外線ＴＶカメラ俯仰角度ＥL を出力する俯仰角度センサ（７）とをさらに具備し、前記画像処理装置（３）は、実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）からターゲット相対旋回角度ΔＡｚとターゲット相対俯仰角度ΔＥL とを算出し、前記計算処理部（９）は、前記距離ＲP と前記ターゲット面積Ｓt と前記赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚと前記赤外線ＴＶカメラ俯仰角度ＥL と前記ターゲット相対旋回角度ΔＡｚと前記ターゲット相対俯仰角度ΔＥL とを基にターゲット（ＴＧ）の速度Ｖｔを算出することを特徴とする赤外線画像処理方式測距システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線画像処理方式測距システムに関し、さらに詳しくは、パッシブな測距システムであって１台の赤外線ＴＶカメラで得た画像を処理してターゲットまでの距離を測定する赤外線画像処理方式測距システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パッシブな測距システムであって、赤外線ＴＶカメラを用いてターゲットまでの距離を測定する従来技術としては、２台の赤外線ＴＶカメラを用いて三角測量の原理により距離を測定する測距システムが知られている。
しかし、１台の赤外線ＴＶカメラで得た画像を処理してターゲットまでの距離を測定する測距システムは知られていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
２台の赤外線ＴＶカメラを用いて三角測量の原理により距離を測定する測距システムでは、２台の赤外線ＴＶカメラが必要であったり、離れた場所に設置した赤外線ＴＶカメラから映像信号を伝送する伝送設備が必要になるなど、設備が大掛かりになる問題点がある。また、設備が大掛かりになるため、車両や船舶や航空機などの移動体に搭載しにくい問題点がある。
そこで、本発明の目的は、パッシブな測距システムであって１台の赤外線ＴＶカメラで得た画像を処理してターゲットまでの距離を測定する赤外線画像処理方式測距システムを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第１の観点では、本発明は、基準赤外線発生源（１）と、校正時に前記基準赤外線発生源（１）を離れた場所から撮像して校正時画像（ＣＧ）を得ると共に実測時にターゲット（ＴＧ）を撮像して実測時画像（ＭＧ）を得る赤外線ＴＶカメラ（２）と、前記校正時画像（ＣＧ）中の基準赤外線発生源像（１ｇ）から基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓを算出すると共に前記実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）からターゲット像信号強度Ｐt とターゲット面積Ｓt とを算出する画像処理装置（３）と、前記赤外線ＴＶカメラ（２）から前記基準赤外線発生源（１）までの距離Ｒｓと前記基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓとに基づいて大気減衰項σを算出するσ計算部（４）と、前記大気減衰項σと前記ターゲット像信号強度Ｐt と前記ターゲット面積Ｓt とを基にターゲット（ＴＧ）までの距離ＲP を算出する計算処理部（９）とを具備することを特徴とする赤外線画像処理方式測距システム（１００）を提供する。
【０００５】
赤外線ＴＶカメラ（２）で得られた赤外線発生源像信号強度Ｐは、
0003733498.tif 000002
で表される。ここで、ξは赤外線ＴＶカメラ（２）の変換効率などによる定数項であり、Ｊは赤外線発生源の赤外線放射エネルギーであり、τo は赤外線ＴＶカメラ（２）の光学系に起因する定数項であり、これらの積（ξ・Ｊ・τo ）を特性値Ｋ2 で表す。また、Ｒは赤外線ＴＶカメラ（２）から赤外線発生源までの距離であり、σは大気減衰項である。なお、exp｛｝ は、指数関数を表す。
上記（式１）の自然対数をとってから変形すれば、
σ＝(１／Ｒ)・ln｛Ｐ・Ｒ2／Ｋ2｝                             …(式２)
となる。なお、ln｛｝は、自然対数関数を表す。
ここで、赤外線発生源が基準赤外線発生源（１）であるなら、距離Ｒは、既知の距離Ｒｓである。また、赤外線発生源像信号強度Ｐは、校正時画像（ＣＧ）中の基準赤外線発生源像（１ｇ）を形成する画素の信号値から画像処理装置（３）で算出される基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓである。従って、
σ＝(１／Ｒｓ)・ln｛Ｐｓ・Ｒｓ2／Ｋ2｝                      …(式２')
となり、この（式２’）により、σ計算部（４）は大気減衰項σを算出する。
【０００６】
なお、赤外線放射エネルギーの等しい２台の基準赤外線発生源（１）を既知の距離Ｒs1の位置と既知の距離Ｒs2の位置とに置き、それぞれの基準赤外線発生源像信号強度Ｐs1およびＰs2を画像処理装置（３）で算出し、σ計算部（４）で次式により大気減衰項σを算出してもよい。
σ＝（１／(Ｒs2−Ｒs1)）・ln｛Ｐs1・Ｒs12／Ｐs2・Ｒs22｝    …(式２")
上記（式２”）は前記（式２’）から導かれるものであり、これによれば特性値Ｋ2 を知る必要がなくなる。
【０００７】
次に、赤外線ＴＶカメラ（２）で得られた赤外線発生源像面積Ｓは、
Ｓ＝Ｋ1・Ｓｏ／Ｒ2                                           …(式３)
で表される。ここで、Ｋ1 は、赤外線ＴＶカメラ（２）の光学系のパラメータであり、既知である。Ｓｏは、赤外線発生源像の実際の面積である。
上記（式３）の自然対数をとると、
ln｛Ｓ｝＝ln｛Ｋ1｝＋ln｛Ｓｏ｝−２・ln｛Ｒ｝                …(式４)
となる。さらに、この（式４）を微分すると、
(１／Ｓ)・d/dt｛Ｓ｝＝−２（１／Ｒ）・d/dt｛Ｒ｝             …(式５)
となる。
次に、前記（式１）を微分すると、次式が導出される。
(１／Ｐ)・d/dt｛Ｐ｝＝−（σ＋２／Ｒ）・d/dt｛Ｒ｝           …(式６)
前記（式５）と（式６）とによりd/dt｛Ｒ｝を消去し、変形すると、
Ｒ＝(２／σ)［（d/dt｛Ｐ｝／Ｐ）／（d/dt｛Ｓ｝／Ｓ）−１］   …(式７)
となる。ここで、前記（式２’）または（式２”）によりσ計算部（４）で大気減衰項σは算出されている。そして、赤外線発生源がターゲット（ＴＧ）であるなら、距離Ｒは、ターゲットまでの距離ＲP である。また、赤外線発生源像信号強度Ｐは、実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）を形成する画素の信号値から画像処理装置（３）で算出されるターゲット像信号強度Ｐt である。また、赤外線発生源像面積Ｓは、実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）を形成する画素数から画像処理装置（３）で算出されるターゲット像面積Ｓt である。従って、
ＲP＝(２／σ)［（d/dt｛Ｐt｝／Ｐt）／（d/dt｛Ｓt｝／Ｓt）−１］ …(式７')
となり、この（式７’）により、計算処理部（９）はターゲット（ＴＧ）までの距離ＲP を算出する。なお、上記（式７’）では、d/dt｛Ｐt｝やd/dt｛Ｓt｝が“０”であってはならないから、赤外線ＴＶカメラ（２）とターゲット（ＴＧ）とが相対移動している必要がある。
【０００８】
上記（式７’）を離散値で表現すれば次のようになる。ここで、ｎは時間間隔Δｔ毎の値を表す。
ＲPn＝(２／σ)[（ΔＰPn／(Δｔ・ＰPn)）／（ΔＳPn／(Δｔ・ＳPn)）−１]  …(式７")
ＰPn＝η・ＰPn-1＋（１−η）・Ｐtn
ΔＰPn＝η・ΔＰPn-1＋（１−η）・ΔＰtn
ΔＰtn＝Ｐtn−Ｐtn-1
ＳPn＝η・ＳPn-1＋（１−η）・Ｓtn
ΔＳPn＝η・ΔＳPn-1＋（１−η）・ΔＳtn
ΔＳtn＝Ｓtn−Ｓtn-1
ηは、リカーシブフィルタ（recursive filter）のフィルタ長を変化させるための係数であり、η＝０の場合がフィルタ長が最も短く、η＝１に近付くにつれてフィルタ長が長くなる。
【０００９】
第２の観点では、本発明は、ターゲット（ＴＧ）を撮像して実測時画像（ＭＧ）を得る赤外線ＴＶカメラ（２）と、前記実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）からターゲット像信号強度Ｐt とターゲット面積Ｓt とを算出する画像処理装置（３）と、大気減衰項σと前記ターゲット像信号強度Ｐt と前記ターゲット面積Ｓt とを基にターゲット（ＴＧ）までの距離ＲP を算出する計算処理部（９）とを具備することを特徴とする赤外線画像処理方式測距システム（１００）を提供する。
他の装置で計測した大気減衰項σを通信装置を介して受信したり、入力装置を介して受け取るようにすれば、大気減衰項σを測距システム（１００）が自ら計測する必要はない。そこで、大気減衰項σを計測するための構成を前記第１の観点の測距システム（１００）から省略した上記第２の観点の測距システム（１００）でも、ターゲット（ＴＧ）までの距離ＲP を算出することが出来る。そして、上記第２の観点の測距システム（１００）は、携帯可能な程度まで小型化することが出来る。
【００１０】
第３の観点では、本発明は、上記構成の赤外線画像処理方式測距システム（１００）において、前記赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚを出力する旋回角度センサ（６）と、赤外線ＴＶカメラ俯仰角度ＥL を出力する俯仰角度センサ（７）とをさらに具備し、前記画像処理装置（３）は、実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）からターゲット相対旋回角度ΔＡｚとターゲット相対俯仰角度ΔＥL とを算出し、前記計算処理部（９）は、前記距離ＲP と前記ターゲット面積Ｓt と前記赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚと前記赤外線ＴＶカメラ俯仰角度ＥL と前記ターゲット相対旋回角度ΔＡｚと前記ターゲット相対俯仰角度ΔＥL とを基にターゲット（ＴＧ）の速度Ｖｔを算出することを特徴とする赤外線画像処理方式測距システム（１００）を提供する。
実施態様において詳細に説明するが、赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚと赤外線ＴＶカメラ俯仰角度ＥL とターゲット相対旋回角度ΔＡｚとターゲット相対俯仰角度ΔＥL とが判れば、赤外線ＴＶカメラ（２）からターゲット（ＴＧ）へのベクトルの、直交する３つの空間座標軸への方向余弦λ，μ，νが判る。そして、これら方向余弦λ，μ，νと距離ＲP とターゲット面積Ｓt とを基に、後述する（式13）から、ターゲット（ＴＧ）の速度Ｖｔを算出することが出来る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態にかかる赤外線画像処理方式測距システム（１００）の構成図である。
この赤外線画像処理方式測距システム（１００）は、基準赤外線発生源（１）と、赤外線ＴＶカメラ（２）と、画像処理装置（３）と、σ計算部（４）と、２軸プラットホーム（５）と、旋回角度センサ（６）と、俯仰角度センサ（７）と、変換部（８）と、計算処理部（９）とを具備している。
【００１３】
前記基準赤外線発生源（１）は、前記赤外線ＴＶカメラ（２）から既知の距離Ｒｓの位置に設置されている。
前記赤外線ＴＶカメラ（２）は、校正時に前記基準赤外線発生源（１）を撮像して図２に示すごとき校正時画像（ＣＧ）を得ると共に、実測時にターゲット（ＴＧ）を撮像して図３に示すごとき実測時画像（ＭＧ）を得る。
前記画像処理装置（３）は、校正時画像（ＣＧ）中の基準赤外線発生源像（１ｇ）を形成する画素の信号値を積算して基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓを算出する。また、フレーム毎に実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）を形成する画素の信号値を積算してターゲット像信号強度Ｐtnを算出する。また、フレーム毎に実測時画像（ＭＧ）中のターゲット像（ＴＧｇ）を形成する画素数を計数してターゲット面積Ｓtnを算出する。また、フレーム毎に実測時画像（ＭＧ）のセンターからのターゲット像（ＴＧｇ）の重心のずれを検出してターゲット相対旋回角度ΔＡznとターゲット相対俯仰角度ΔＥLnとを算出する。
【００１４】
前記σ計算部（４）は、前記基準赤外線発生源（１）および前記赤外線ＴＶカメラ（２）の特性で決まる特性値Ｋ2 および両者間の距離Ｒｓと前記基準赤外線発生源像信号強度Ｐｓとから前記（式２’）により大気減衰項σを算出する。すなわち、
σ＝(１／Ｒｓ)・ln｛Ｐｓ・Ｒｓ2／Ｋ2｝                      …(式２')
である。
【００１５】
前記２軸プラットホーム（５）は、水平面および垂直面内で向きを変えられるように赤外線ＴＶカメラ（２）を支持する。
前記旋回角度センサ（６）は、赤外線ＴＶカメラ（２）の水平面内での向きである赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚを出力する。
前記俯仰角度センサ（７）は、赤外線ＴＶカメラ（２）の垂直面内での向きである赤外線ＴＶカメラ俯仰角度ＥL を出力する。
【００１６】
前記変換部（８）は、前記赤外線ＴＶカメラ旋回角度Ａｚと前記ターゲット相対旋回角度ΔＡznの和（Ａｚ＋ΔＡzn）を入力される。この和（Ａｚ＋ΔＡzn）は、図４に示すように、ターゲット旋回角度を意味する。また、変換部（８）は、前記赤外線ＴＶカメラ俯仰角度ＥL と前記ターゲット相対俯仰角度ΔＥLnの和（ＥL ＋ΔＥLn）を入力される。この和（ＥL ＋ΔＥLn）は、図４に示すように、ターゲット俯仰角度を意味する。そして、前記変換部（８）は、入力されたターゲット旋回角度（Ａｚ＋ΔＡzn）およびターゲット俯仰角度（ＥL ＋ΔＥLn）を、図５に示す幾何学的関係に基づき、赤外線ＴＶカメラ（２）からターゲット（ＴＧ）へのベクトルΨの、直交する３つの空間座標軸ｘ，ｙ，ｚへの方向余弦λn，μn，νn に変換する。
【００１７】
前記計算処理部（９）は、前記大気減衰項σと前記ターゲット像信号強度Ｐtnと前記ターゲット面積Ｓtnとを基に前記（式７”）によりターゲット（ＴＧ）までの距離ＲPnを算出する。すなわち、
0003733498.tif 000003
である。
【００１８】
また、計算処理部（９）は、ターゲット（ＴＧ）が赤外線ＴＶカメラ（２）に向かってくる接近速度ＶｃPnを次式により算出する。すなわち、
ＶｃPn＝[（ΔＳPn／(Δｔ・ＳPn)）−（ΔＰPn／(Δｔ・ＰPn)）]／σ
…(式８)上記（式８）は、次の一般式を離散的に表現した式である。
Ｖｃ＝d/dt｛Ｒ｝＝（d/dt｛Ｓ｝／Ｓ−d/dt｛Ｐ｝／Ｐ）／σ    …(式８')上記（式８’）は、前記（式５），（式６）からＲを消去して導かれる。
【００１９】
また、計算処理部（９）は、ターゲット（ＴＧ）の速度ＶｔPnを次式により算出する。
0003733498.tif 000004
なお、sqrt｛｝は、平方根関数を表す。
【００２０】
また、計算処理部（９）は、ターゲット（ＴＧ）の速度ベクトルの、直交する３つの空間座標軸ｘ，ｙ，ｚへの方向余弦λｖPn，μｖPn，νｖPnを、
λｖPn＝ＡPn・sqrt｛ＡPn2＋ＢPn2＋ＣPn2｝
μｖPn＝ＢPn・sqrt｛ＡPn2＋ＢPn2＋ＣPn2｝
νｖPn＝ＣPn・sqrt｛ＡPn2＋ＢPn2＋ＣPn2｝                    …(式10)
により算出する。
【００２１】
上記（式９），（式10）は、次のようにして導かれる。
図６に示すように、直交する３つの空間座標軸ｘ，ｙ，ｚ上の単位ベクトルをｉ，ｊ，ｋとするとき、赤外線ＴＶカメラ（２）からターゲット（ＴＧ）への前記ベクトルΨは、
Ψ＝ｉ・ＲP・λ＋ｊ・ＲP・μ＋ｋ・ＲP・ν                    …(式11)
である。
速度ベクトルは、（式11）を微分したものであり、
0003733498.tif 000005
となる。前記（式５）でＳ＝Ｓt，Ｒ＝ＲPとし、それを用いて上記（式12）からd/dt｛ＲP｝を消去すると、
Ａ＝d/dt｛λ｝−(１／２Ｓt)・d/dt｛Ｓt｝
Ｂ＝d/dt｛μ｝−(１／２Ｓt)・d/dt｛Ｓt｝
Ｃ＝d/dt｛ν｝−(１／２Ｓt)・d/dt｛Ｓt｝
d/dt｛Ψ｝＝ｉ・ＲP・Ａ＋ｊ・ＲP・Ｂ＋ｋ・ＲP・Ｃ
Ｖｔ＝｜d/dt｛Ψ｝｜＝ＲP・sqrt｛Ａ2＋Ｂ2＋Ｃ2｝             …(式13)
が得られる。上記（式９）は、上記（式13）を離散的に表現した式である。
また、速度ベクトル d/dt｛Ψ｝の方向余弦λｖ，μｖ ，νｖは、次式で与えられる。
λｖ＝Ａ／sqrt｛Ａ2＋Ｂ2＋Ｃ2｝
μｖ＝Ｂ／sqrt｛Ａ2＋Ｂ2＋Ｃ2｝
νｖ＝Ｃ／sqrt｛Ａ2＋Ｂ2＋Ｃ2｝                               …(式14)
上記（式10）は、上記（式14）を離散的に表現した式である。
【００２２】
以上の赤外線画像処理方式測距システム（１００）によれば、１台の赤外線ＴＶカメラ（２）で得た画像を処理して、ターゲット（ＴＧ）までの距離Ｒpn、赤外線ＴＶカメラ（２）に向かってくる接近速度ＶｃPn、ターゲット（ＴＧ）の速度ＶｔPnおよびターゲット（ＴＧ）の速度ベクトルの方向余弦λｖPn，μｖPn，νｖPnを測定することが出来る。
【００２３】
なお、前記（式６）において、σは例えば０．１くらいであるから、Ｒ＞１０００メートルならば、σ》２／Ｒとなり、
(１／Ｐ)・d/dt｛Ｐ｝≒−σ・d/dt｛Ｒ｝                      …(式６')
となる。（式６）の代りに（式６’）を用いれば、近距離では精度が低下するが、演算は簡単になる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の赤外線画像処理方式測距システム（１００）によれば、１台の赤外線ＴＶカメラ（２）で得た画像（ＭＧ）を処理してターゲット（ＴＧ）までの距離Ｒp をパッシブに測定することが出来る。また、複数台の赤外線ＴＶカメラを必要としないから、設備を小型化できる。従って、移動体に搭載したり、人が携帯することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる赤外線画像処理方式測距システムを示す構成図である。
【図２】校正時画像の例示図である。
【図３】実測時画像の例示図である。
【図４】ターゲット旋回角度とターゲット俯仰角度の説明図である。
【図５】赤外線ＴＶカメラからターゲットへのベクトルの方向余弦の説明図である。
【図６】空間座標上の単位ベクトルの説明図である。
【符号の説明】
１００      赤外線画像処理方式測距システム
１          基準赤外線発生源
２          赤外線ＴＶカメラ
３          画像処理装置
４          σ計算部
５          ２軸プラットホーム
６          旋回角度センサ
７          俯仰角度センサ
８          変換部
９          計算処理部
【図１】
0003733498.tif 000006
【図２】
0003733498.tif 000007
【図３】
0003733498.tif 000008
【図４】
0003733498.tif 000009
【図５】
0003733498.tif 000010
【図６】
0003733498.tif 000011