地球観測用小型赤外カメラ(CIRC)の進捗報告(Progress Report of Compact Infrared Camera (CIRC) for Earth Observation)

ご所属

宇宙航空研究開発機構(Japan Aerospace Exploration Agency)

ご執筆者名

加藤恵理（Eri Kato）

１．概要
我々は、非冷却のマイクロボロメータを利用した宇宙用熱赤外イメージャ－の実証センサとして地球観測用小型赤外カメラ(CIRC)を開発してきた 1,2,3,4)。マイクロボ
ロメータは民生品や軍事用途で一般的に広く使われている赤外センサである。検出感度は冷却型の赤外センサに比べて劣るが、マイクロボロメータは冷却機構を必要としない分、検出器の小型軽量化、消費電力の低減が可能であり、小型衛星やリソースの限られたシステムへの搭載に適している。
CIRC の主要目的は、東南アジア諸国やシベリアなど

図 1 ALOS-2 の概略図と CIRC の設置場所で頻発する森林火災の検知である。火災発生時には早期ALOS-2 が右観測を観測する際に CIRC が直下を向検知、および正確な位置情報把握が望まれる。早期検知

くように、30 度傾けて設置されている。CIRC はには観測頻度を向上させることが有効な手段であり、PALSAR-2 が右観測(CIRC が直下)または非観測

CIRC の小型軽量、低消費電力を活かし、複数衛星に(CIRC が 30 度ポインティング)時に主に観測を行う。

CIRC を搭載することで高頻度な観測を行う。また、火山やヒートアイランド現象の観測も CIRC のミッションである。
CIRC は陸域観測技術衛星 2 号(ALOS-2)5)に搭載されているほか、国際宇宙ステーション(ISS)のきぼう船外実験プラットフォーム(JEM-EF)に設置されるカロリメータ型宇宙電子戦望遠鏡(CALET)6)にも搭載されており、更なる観測頻度の向上が期待される。CIRC の ALOS-2
及び CALET への搭載位置を図 1、2 に示す。
２．CIRC の主要諸元

図 2 CALET の概念図と CIRC の設置場所
アサーマル光学系、(2)シャッターレス方式を採用していCIRC の特徴は、冷却機構を用いないことで、小型(110る。CIRC の光学系はゲルマニウムとカルコゲナイドガ

mm×180 mm×230 mm)・低消費電力(< 20 W)を実現しラスの 2 種類の赤外硝材を組み合わせて温度変化に対している点にある。また小型軽量を実現するために、(1)て光学系の性能劣化が少ない設計となっている 4)。このため、ヒータ等による光学系の温度制御を必要とせず、方向(4 バーを横方向に配置)の MTF は低温環境下での小型で低消費電力を実現している。また、シャッタを使MTF が低くなっている。しかしながら、画像取得の観用しないことで駆動系をなくし、さらなる小型軽量化を点では MTF の数値として問題はなく、また CIRC のア実現した。もう一つの大きな特徴として、民生品赤外カ

サーマル性が確認された。

メラをベースとした設計であることが挙げられる。民生表1品を利用することで短期間、低コストの開発を実現しパラメータ仕様

ALOS-2 及び CALET に搭載することが可能となった。

検出器

非冷却赤外検出器

ALOS-2 搭載及び CALET 搭載用 CIRC プロトフライト

ピクセル数

640×480

波長8－12 m

大きさ

110 mm×180 mm×230 mm

質量3 kg

消費電力< 20 W

空間分解能

約 210 m @628 km (ALOS-2)

モデルを図 3 に示す。
CIRC の観測諸元を表 1 に示す。CIRC は地球観測用として最大フォーマット(640×480)の非冷却検出器を採用している。森林火災検知に重要なパラメータである空間分解能については、628 km 高度(ALOS-2)において約210 m、400 km の高度(CALET)において約 130 m であ

CIRC 観測緒元< 130 m @400 km (CALET)る。

図3(< 0.33 mrad)
視野12 ﾟ×9 ﾟ

露光時間

33 ms

ダイナミックレンジ

180 K－400 K

NEdT

0.2 K @300 K

FPN

0.3 K @300 K

温度精度

4K (goal : 2 K @300 K)

ALOS-2 搭載（左）及び CALET 搭載(右)用 CIRC

プロトフライトモデル
３．PFM を用いた地上校正試験
打ち上げに先立ち、PFM を用いた地上校正試験を行った。校正試験の目的は、結像性能・ラジオメトリック性能の確認、軌道上補正用データの取得と補正アルゴリズムの構築である。
3.1

結像性能

結像性能は変調伝達関数(MTF)を用いて評価した。なお、MTF の仕様はどの画角においても 0.3 以上となっている。測定は真空環境下で行い、CIRC をシュラウドで囲みシュラウドの温度を-15 度から 50 度まで変化させることで様々な温度環境での MTF 測定を行った。
ナイキスト周波数(20 lp/mm)での MTF の計測結果を
図 4、5 に示す。CT 方向(4 バーを縦方向に配置)の MTFは温度によらずほぼ一定の値を取っているのに対し、AT

図4

MTF 測定結果（ALOS-2 搭載 CIRC）

色の違いは測定箇所を表している。(上図)CT 方向
MTF、(下図)AT 方向 MTF。

出した結果を表 2 に示す。NEdT、FPN ともに仕様を満たしていることが分かった。
表2NEdT，FPN の結果
NEdT [K]FPN [K]

ALOS-2/CIRC

0.190.27

CALET/CIRC

0.180.21

図 6 にはラジオメトリック補正前、補正後の画像例を示した。補正前画像には輝度ムラが生じているが、補正後はフラットな画像が得られている。また校正精度については、ターゲットである黒体温度と補正後の画像の温度 差 が 2K 以 内 (ALOS-2/CIRC) 、 0.5 ～ 2.8 K(CALET/CIRC)となっており、仕様である 4K を満たしていることが分かった。

図5

MTF 測定結果（CALET 搭載 CIRC）

色の違いは測定箇所を表している。(上図)CT 方向
MTF、(下図)AT 方向 MTF。
3.2

ラジオメトリック性能

等価雑音温度差(NEdT)、固定パターンノイズ(FPN)、

図6

黒体画像. (上図)ラジオメトリック補正前、(下図)

ラジオメトリック補正後の画像。

及び校正 精度 の確認 を 行った。 それ ぞれの 仕 様は、NEdT：0.2 K 以下、FPN：0.3 K 以下、校正精度：4 K

４．ALOS-2 搭載 CIRC の初期評価結果以下である。測定は真空環境下で行い、CIRC をシュラ

ALOS-2 搭載 CIRC の初期評価（初期チェックアウト）

ウドに収納し、検出器前面に平面黒体を設置して測定をは、2014 年 7 月 4 日から 7 月 14 日にかけて行われた。

行った。黒体温度を-10 度から 50 度、シュラウド温度を初期チェックアウトでは,-15 度から 50 度まで変化させて、それぞれの温度環境下

1. CIRC の基本機能評価での黒体画像の取得を行った。

2. CIRC の運用シーケンスでの機能・性能評価（取得画

CIRC はシャッタを持たず暗時画像が取得できないた像の品質評価等含）め、迷光成分(ターゲット以外の放射性分)を補正によっ3. 指向決定精度の確認て取り除く必要がある。我々は迷光成分が CIRC のレンを行った。基本機能の評価では軌道上で CIRC を ON しズ温度とパッケージ温度の関数で表せると仮定し、黒体て撮像まで行いテレメトリ等が正常値の範囲内であるこ

温度、CIRC の温度を変化させた画像データから、補正とを評価した。運用シーケンスでの機能・性能評価では、用データベースの作成及び補正アルゴリズムを構築した。 実際の運用シーケンスに従ったコマンドを送信し、撮像取得画像と、校正データから算出した迷光補正係数及びを含めて CIRC が正しく機能することを評価した。またゲインデータを用いて、badpixel 補正、ダミー補正、迷光補正、ゲイン補正を行う 4)。

画像から指向決定精度の確認も行っている 7)。
図 7 は初期チェックアウト期間中に撮像した中四国地取得画像を補正した上で、性能評価を行った。NEdT、方の画像を示す。撮像時間は日本時間の深夜 23 時 44 分

FPN については、ダミー画素補正済みデータを用いて算であるが、夜間でも撮像できる熱赤外線の特徴を良く表している。またシャッタレスの補正方式が正しく機能しサイトは必ず観測を行う。ていることも分かる。図 8 に図 7 の領域 A の拡大を示す。

図 9 には 1 月と 7 月の CIRC の基本観測計画の比較を

赤外線の画像は対象の温度を反映しており、大山を代表示す。森林火災は乾季に発生しやすいため地域や気候帯とする中国山地の山々は温度が低いため主に青で表示さによって月ごとに異なる領域を観測する。

れている。また宍道湖、中海も見えており、日本海と温度が違っていることが分かる。

図 10 に 9 月の基本観測計画と、基本観測計画を基に 1回帰分（14 日間）の観測を立案した結果を示す。観測可

一連の初期チェックアウトの結果として、CIRC は当

能地域は PALSAR-2 の観測計画により影響を受けるが、初の予定通りの機能・性能を軌道上でも発揮しているこ

一回帰でおおむね観測領域の半分程度はカバーできる。とが確認され、8 月 20 日の ALOS-2 定常運用移行に伴また場所によっては 2 回以上観測できる地域もある。

い CIRC も定常運用へ移行した。

図 9 CIRC の 1 月と 7 月の基本観測計画

図 7 CIRC によって撮像された夜間の中四国地方の画像

図 8 図 3 の領域 A の拡大

図 10 CIRC の 9 月の基本観測計画（緑枠）と基本観測計画に基づき 1 回帰分の観測を立案した結果（白枠）

５．ALOS-2 搭載 CIRC の運用と基本観測計画
定常運用段階の観測は、CIRC 基本観測計画に基づい以降では、CIRC 基本観測計画に基づき観測された森ており、森林火災、火山、ヒートアイランドのミッショ林火災の観測例を示す。

ンに応じた観測地域を設定し、それらを観測する。森林（a）森林火災

火災は Terra/Aqua 衛星搭載の MODIS センサの過去 10

CIRC は初期チェックアウト開始から 2014 年 9 月 1 日

年のホットスポット検知数の月平均の上位 10%の地域

現在までで 100 件以上の森林火災を検知している。図 11を観測対象とし、月ごとに異なる火災多発地域を観測すには 2014 年 8 月 31 日 UT10 時 30 分（現地時刻 11 時る。火山は国内外の活動の活発な火山 30 程度を通年で30 分）ごろに CIRC により撮影されたアンゴラの森林火観測する。またヒートアイランドに関しては、日本およ災の様子を示す。図 11 右は MODIS により同日に撮影

びアジア域の大都市を観測することとしている。この他された可視画像と、MODIS の赤外波長を用いて検出さに日本の離島を含む陸域や、定常モニターに必要な校正れた火災地域を赤枠で示す。CIRC 画像で高温を示す黄色の地域は MODIS の火災検知結果と良く一致すること

参考文献が分かる。

1) H. Katayama, M. Naitoh, M. Suganuma, M. Harada,

初期校正運用ではこのように他の衛星の検知結果と比Y. Okamura, Y. Tange, and K. Nakau,: Development of較しながら、火災検知アルゴリズムの検証を行っていく

the Compact Infrared Camera (CIRC) for Wildfire

予定である。

Detection,Proc.

SPIE,

vol7458,2009,pp.

745806-1-745806-82) E. Kato, H. Katayama, M. Naitoh, M. Harada, R.
Nakamura, and R. Sato. “Development of theCompact

InfraredCamera(CIRC)

forearthobservation”, Proc. SPIE 8353, 2012, 8353J1
3) R. Nakamura, H. Katayama, M. Naitoh, M. Harada,E. Kato, K. Nakau, and R. Sato. “Ground Calibration
図 11 2014 年 8 月 31 日に観測したアンゴラの森林火災

of Compact Infrared Camera (CIRC) for Earthの画像。（左）CIRC で撮影された熱赤外画像。（右）左Observation”, Proceedings of 2013 IEEE International

図白枠部分の MODIS 可視センサの画像。
赤枠は MODIS

Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2013, pp.

赤外センサで検出された火災の位置を示す 8)。

4435-4438
4) E. Kato, H. Katayama, M. Naitoh, M. Harada,

６．CIRC データ一般公開
温度精 度等 の校正 検 証を行う 初期 校正運 用 段階が

Ryoko Nakamura, K. Nakau, Y. Tange and R. Sato.
“RadiometricCalibrationofCompact

Infrared2014 年 12 月で終了し、2015 年 1 月に CIRC データのCamera (CIRC) for Earth Observation”, Sensors and一般公開を開始した。CIRC 観測データは CIRC データ

Materials, 26, No.4, 2014, pp. 199-214

公開サーバより web 上に公開している 9)。表 3 は公開す

5) S. Suzuki, Y. Osawa, Y. Hatooka, Y. Kankaku, and T.

るデータリストを、図 12 は CIRC データ公開サーバ画

Watanabe,: “Overview of Japan’s Advanced Land面を示す。

Observing Satellite-2 Mission”, Proc. SPIE, vol 7474,
表 3 CIRC データ種別

2009, pp. 7474Q-1-10

データ種別詳細6) S. Torii, et al,: CALET mission on ISS, Proc. SPIE,

L1 データ

輝度補正及び幾何補正処理が施された

vol 7021, 2008, pp. 702114-11

画像データ（GeoTiff 形式）7) 片山晴善、酒井理人、加藤恵理、中島康裕、木村俊義,”

L2 データ

火災検知情報（火災位置、火災燃焼温

地球観測用小型赤外カメラ（CIRC）の初期評価結果”,度等）を含むデータ（csv 形式）

宇宙科学技術連合講演会講演集, 58, 5p, 20148) Wildfire Database
http://fire.cris.hokudai.ac.jp
9) CIRC データ公開ページ
http://circgs.tksc.jaxa.jp/index.html

図 12 CIRC データ公開サーバ画面