地球観測用小型赤外カメラ (CIRC)の開発○加藤恵理，片山晴善、内藤聖貴、原田昌朋、中村良子、佐藤亮太、中右浩二 (宇宙航空研究開発機構)
Development of the Compact Infrared Camera (CIRC)
Eri Kato, Haruyoshi Katayama, Masataka Naitoh, Masatomo Harada, Ryoko Nakamura,
Ryota Sato, and Koji Nakau (Japan Aerospace Exploration Agency)
Key Words: Remote Sensing, Uncooled Infrared Detector, Wildfire Detection
Abstract
We have developed the compact infrared camera (CIRC) to especially detect wildfires, which are major and chronic
disasters affecting many countries in the Asia-Pacific region. The CIRC is an infrared camera equipped with an uncooled
infrared array detector (microbolometer), and also achives small size, light weight and low electrical power by employing
athermal optics and shutter-less system. In addition, another purpose of CIRC is the low-cost and early development of athermal infrared imager. The CIRC is designed based on a commercial infrared camera and is employing
commercial-off-the-shelf (COTS) parts to reduce cost and time for development. In oder to demonstrate the potential of
microbolometers to thermal infrared imaging from space, the CIRC will be carried as a technology demonstration payloadof ALOS-2 and JEM/CALET, which will be launched in 2013. We will conduct experiments for calibration with theCIRC PFM in January 2012. In this paper, we show the current status of the CIRC development, and the calibration
results of the CIRC ground test model which was made to establish a prelaunch calibration method.

1.

概要

域観測技術衛星 2 号(ALOS-2)と，国際宇宙ステーシ

地 球 観 測 用 小 型 赤 外 カ メ ラ (CIRC:Compacatョ ン (ISS) の き ぼ う 船 外 実 験 プ ラ ッ ト フ ォ ー ム

Infrared Camera)では，非冷却赤外検出器(ボロメータ)(JEM-EF)設置されるカロリメータ型宇宙電子線望遠を採用している．ボロメータは民生品や軍事用途で鏡(CALET)に搭載され，2013 年に打上げ予定である．

一般的に広く使用されているものである．ボロメータの利点は冷却機構を必要としないことであり，そ2.

ALOS-2 と CALETのためセンサの小型軽量，低消費電力を達成するこ

2.1

ALOS-2とができる．感度については，冷却を必要とする

ALOS-2 2) は，陸域観測技術衛星(ALOS)の後継機でHgCdTe 赤外検出器と比べて低いが，冷却機構を必要ある．ALOS は 2006 年の打ち上げ以降，地図作成・とせず小型軽量であることは，リソースの限られた地域観測・災害状況把握・資源探査の幅広い分野で小型衛星や副ミッションに適している．

利用されている．JAXA では，ALOS の広域観測と高我々はボロメータを利用した宇宙用熱赤外イメージ

空間分解能観測の技術を発展させ，社会的ニーズにャの実証センサとして CIRC を開発している 1)．
CIRC答えるために研究開発を進めている．これらの社会の主要目的は，森林火災の検知である．森林火災は的ニーズは，1) 広域かつ詳細な被災地の災害状況把

東南アジア諸国やシベリアなどで深刻な問題となっ握，2) 国土と基幹施設の情報の継続的な更新，3) 農ており，早期検知が重要な課題となっている．早期作地の効果的な把握，4) CO2 吸収量を特定する熱帯検知には，観測頻度を向上させることが有効な手段

雨林の地球規模の把握である．ALOS-2 は 2013 年打であり，我々は CIRC の小型軽量・低消費電力のメリち上げ予定である．

ットを活かし，将来的に複数の衛星に CIRC を搭載す

ALOS-2 は，ALOS のレーダセンサ(PALSOR)を高ることで高頻度の観測を狙っている．さらに，CIRC性能化した L バンド合成開口レーダ(SAR)を搭載しの他のミッションとして火山やヒートアイランド現ている．Table 1 は ALOS-2 の主要諸元を示す．CIRC

象についても観測を目指している．なお，CIRC は陸は図 1 の通り設置される．CIRC は SAR がオフナデ

表 2 CALET の主要諸元
パラメータ
仕様
大きさ
9.9 m×16.5 m×3.4 m< 2000 kg
質量> 5200 W
バス電力< 800 Mbps
通信量628 km軌道

ィア角右 30 度を向いている間にターゲット領域を撮像する．
表 1 ALOS-2 の主要諸元
パラメータ
仕様
サイズ
9.9 m×16.5 m×3.4 m< 2000 kg
質量> 5200 W
バス電力<800 Mbps
通信量628 km軌道

図23.

CALET の概念図と CIRC の設置場所

CIRC ミッション
CIRC の主要ミッションは，ボロメータを使用した森林火災検出の実証を行うことである．森林火災は，東南アジア諸国やシベリアなどで影響を与えている深刻な災害の一つであり(図 3 参照)，地球温暖化や気図1

ALOS-2 の概略図と CIRC の設置場所

候変動に悪影響を及ぼすと考えられている．世界的にも東南アジア地域においてリアルタイムで災害情報を分かち合うセンチネルアジア計画(Sentinel Asia

2.2CALETproject)があり，森林火災検知は重要な活動として採3)CALET は ISS の国際的なプログラムである．ISS択されている．また火山や都市部のヒートアイランは，暗黒物質の痕跡や高エネルギー宇宙線の直接観ド現象も CIRC のミッションである．熱赤外イメージ

測から，銀河の局所的領域における高エネルギー粒ャを用いたこれらの観測は，火山のモニタリングや，子の加速機構を解明することを目指している．

またヒートアイランド問題を解決するための観測に

CALET では，高エネルギー電子やγ 線に加えて，陽おいて有効な手段である．

子，原子核成分や太陽変調を受けた電子の観測もあCIRC の特徴として，アサーマル光学系とシャッタわせて実施する．これらの多岐にわたる観測を行うレス方式がある．CIRC の光学系はゲルマニウムとカことにより，未解決な重要課題である(1) 宇宙線源のルコゲナイドガラスの 2 種類の赤外硝材を組み合わ同定，(2) 宇宙線源の加速機構及び伝播機構の解明，せたアサーマルな設計となっている．このため，ヒ(3) 各種のγ 線放射源における生成過程の研究，(4)ータ等による光学系の温度制御を必要とせず，小型暗黒物質の探索，(5) 太陽磁気圏に関する研究を実施で省電力を実現している．また，シャッタを使用しする．CALET は 2013 年の打ち上げを予定している．

ないことで駆動系をなくし，さらなる小型軽量化をCALET の主要諸元を表 2 に示す．CIRC は CALET実現している．もう一つの大きな特徴として，CIRCの底面に取り付けられる(図 2)．

は民生品赤外カメラをベースとした設計であることが挙げられる．民生品を利用することで，短期間・低コストの開発を目指している．
以上のような CIRC の小型軽量・低消費電力の特徴を活かして様々な衛星に搭載し，森林火災の観測頻度を増やすことを目標としている．CIRC を ALOS-2と ISS/CALET に搭載したとき，平均観測間隔はロシア，東京，ブルネイにおいてそれぞれ 39 (h)，97(h)，196 (h)となる(図 4 参照)．将来的にはさらに複数の衛星で観測することで，観測頻度の向上を目指している．

表3
パラメータ
大きさ
質量検出器
波長ピクセル数
空間分解能

CIRC の主要諸元仕様
110 mm×180 mm×230 mm
3 kg
非冷却赤外検出器
8－12 µm
640×480< 200 m @600 km (ALOS-2)< 130 m @400 km (CALET)(< 0.33 mrad)
視野
12 ﾟ×9 ﾟ
33 ms
露光時間
ダイナミックレンジ
180 K－400 K
NEdT
0.2 K @300 K< 20 W
消費電力

5.

図 3 森林火災の一例

CIRC 地上検証用モデル
地上検証用モデルのモデルの校正
図 5 は CIRC 地上検証用モデルの写真である．我々カリフォルニア森林火災の衛生画像(ASTER)
は JAXA 筑波宇宙センターにおいて，CIRC 地上検証用モデルの真空中校正試験を進めている．本章では、頻度

観測頻度観測待ち
観測待 ち時間
9876543210

センサ系の結像性能を示す変調伝達関数(MTF)につRussia
BruneiTokyo072144216

いて報告する．

288360観測間隔 (h)図 4 観測間隔

4.

CIRC の主要諸元

206 mmCIRC の主要諸元を表 3 に示す．CIRC の主要諸元は森林火災検知の要求を満たすように設定されてい図5

CIRC 地上検証用モデル

る．検出器は，地球観測用として最大フォーマット(640×480)の非冷却検出器である．森林火災検知に重5.1 セットアップ
要なパラメータである空間分解能については，それぞれ 600 km の高度(ALOS-2)において 200 m，400 kmの高度(CALET)において 130 m である．また冷却機構を用いないことで，小型(110 mm×180 mm×230mm)・低消費電力(< 20 W)を実現している．

試験のセットアップの概略図とコンフィグレーシ
ョンを図 6，7 に示す．
CIRC は実験室の真空チャンバ内に設置され，かつ，ヒータやクーラーにより温度コントロールされている シ ュ ラ ウ ド に よ っ て 囲 わ れ て い る ． 黒 体 (CISystems SR800)から放射された赤外線は，反射コリメータシステム(CI Systems ILET-5-1.1)により平行光となり，ゲルマニウム(Ge)窓を通して真空チャンバ内のCIRC に入射する．コリメータに取り付けられた 4 バーターゲットの取得画像から，CIRC の MTF を測定した(図 8)．スリット間隔の異なる 4 種の 4 バーターゲットを用意し，1, 1/2, 1/4, 1/6 ナイキスト周波数における MTF を求めた．また，シュラウド直下の回転ステージにより，光軸調整ならびに入射角の調整を行った．

ATCT4-bar area
図8(上図)コリメータシステムに設置されている 4バーターゲット．それぞれ 1/6，1/4，1/2，1 ナイキス
ト周波数に対応している．(下図)CIRC で撮った 4 bar
図 6 試験のセットアップの概略図

ターゲットのイメージ．

5.2 測定データ
測定データ
我々は真空下において MTF を測定した．図 9 に示

真空チャンバ
真空チャンバ
Ge窓
窓

すように，測定した画角位置は中心，クロストラック(CT)方向の±5 deg，アロングトラック(AT)方向のコリメート赤外光
コリメート赤外光±3.5 deg である．また，それぞれの画角位置において 4 バーターゲットを 90 度回転させ，スリット方向が CT/AT 方向それぞれの MTF を測定した．測定環境は表 4 に示している．なおシュラウドの温度は，CIRCの温度許容範囲に合わせて，-10 から 50℃まで変化さ黒体(CI Systems SR800)コリメータせた．

図 7 試験コンフィグレーション

図9CIRC 取得画像における MTF 測定の画角位置

表 4 測定環境℃
画角0 deg±5 deg±3.5 deg

5.3-100224050○○○○○－○○○○○－○○○

MTF 測定結果

5 つの画素位置において CT/AT 方向の MTF を測定した．図 10 は画角中心の MTF 測定結果を示す．色は温度の違いを表す．図 10 上下の図は，それぞれCT，AT 方向の結果である．実線と破線は異なるコンフィグレーション(CIRC をシュラウド底面，側面に設置)の MTF を示す．CT 方向の MTF は，異なる温度やコンフィグレーションにおいても似た傾向をもち，-5 deg 低温の MTF 以外は誤差の範囲内で等しい．
一方，AT 方向の MTF は温度や画角位置によって変化する．また低温環境におけるナイキスト周波数のの MTF は，CT/AT 方向かつすべての画角で，常温や高温の MTF よりも低い．
図 11 は 1 ナイキスト周波数のアサーマル光学系の温度特性を示す．色の違いは画角位置の違いを表す．
上，下図は，それぞれ CT，AT 方向の結果を示す．
例外(CT 0deg，AT -5 deg)を除き常温付近にピークがきており，CT/AT 方向ともに低温側ほど MTF が悪くなっている．
図 10

画角中心の MTF 測定結果．(上図) CT 方向，(下図) AT 方向の MTF 結果．常温，低温，高温環境での測定結果はそれぞれ黒，青，赤である．実線と破線は異なるコンフィグレーション(CIRC をシュラウド
底面，側面に設置)での MTF を示す．

参考文献

CT1) H. Katayama, M. Naitoh, M. Suganuma, M. Harada, Y.
Okamura, Y. Tange, and K. Nakau,: Development of0.40

MTF

0.30

0 deg

the Compact Infrared Camera (CIRC) for Wildfire+5 deg

Detection,-5 deg

Proc.

SPIE,

vol7458,

2009,

pp.

745806-1-745806-82) S. Suzuki, Y. Osawa, Y. Hatooka, Y. Kankaku, and T.

0.20

Watanabe,: “Overview of Japan’s Advanced Land

0.10Observing Satellite-2 Misiin”, Proc. SPIE, vol 7474,0.00

3) S. Torii, et al,: CALET mission on ISS, Proc. SPIE,

2009, pp. 7474Q-1-10-20

020 40温度 [℃]

60

AT
0.40

MTF

0.30
0.200 deg
+5 deg0.10-5 deg

0.00-20

図 11020 40
温度 [℃]

60１ナイキストのアサーマル特性．CT, AT 方向における異なる画角位置(0，±5 deg)での MTF 温度特性を示す．

6.

議論と議論と結論
我々は CIRC の MTF 特性を測定し，CIRC のアサーマル特性を測定した．特に低温環境において，常温時より MTF の低下している．これは，レンズ設計を若干見直すことにより，PFM では改善される見込みである．
また CIRC 地上検証用モデルを用いてシャッタを使用しないラジオメトリック校正も進めている．現
在我々は，CIRC の PFM の製作を進めており，地上検証用モデルの校正試験結果をもとに，2012 年 1 月
より PFM の真空中校正試験を実施する予定である．

vol 7021, 2008, pp. 702114-11