2F04

ALOS-2 搭載地球観測用小型赤外カメラ(CIRC)の開発○中村良子，片山晴善，内藤聖貴，原田昌朋，加藤恵理，佐藤亮太（宇宙航空研究開発機構）
中右浩二（北海道大学）
Development of the Compact Infrared Camera (CIRC) on board ALOS-2
Ryoko Nakamura, Haruyoshi Katayama, Masataka Naitoh, Masatomo Harada,
Eri Kato, Ryota Sato (Japan Aerospace Exploration Agency) , andKoji Nakau (Hokkaido University)
Key Words: Remote Sensing, Uncooled Infrared Detector, Wildfire Detection, ALOS-2
Abstract
The compact infrared camera (CIRC) is an uncooed infrared array detector (microbolometer) with the main aim ofdetecting wildfires, which are major and chronic disasters affecting many countries in the Asia-Pacific region.
Eliminating the cooling system reduces the size, cost, and electrical power of the sensor. The CIRC also achieves small
size and light weight by employing athermal optics and shutter-less system.The CIRC is mouted on ALOS-2 and will belaunched in FY2013.
We have finished the ground calibration test of the CIRC Proto Flight Model (PFM) on board ALOS-2. Imaging quality
and radiometoric quality have been confirmed. We obtained the data for image correction and created the data correction
algorithm. In this paper, we show the results of calibration test and the observational simulation.

概要
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．赤外線が入射すると，素子の温度が上昇しその温度変化を電気信号に変換，検知することで赤外線の検出を行う．
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，コスト削減，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．
我々は，ボロメータを利用した宇宙用熱赤外イメージャーの実証センサとして CIRC を開発している 1,2)．
CIRC の主要目的は，東南アジア諸国やシベリアなどで頻発する森林火災の検知である．火災発生時には早期検知，および正確な位置情報把握が望まれる．
早期検知には観測頻度を向上させることが有効な手段であり，我々は CIRC の小型軽量，低消費電力を活かし，将来的には複数の衛星に CIRC を搭載することで高頻度な観測を行いたいと考えている．また，火山やヒートアイランド現象も CIRC の観測ターゲッ
トとしている．
CIRC は ALOS-2 衛星 3)に搭載され，2013 年度に打ち上げ予定である．CIRC の ALOS-2 への搭載位置を
図 1 に示す．CIRC は衛星直下から 30 度傾いた向きに設置され，基本的に SAR がオフナディア角右 30度を向いている間に直下のターゲットを撮像する．
1.

図 1：ALOS-2 概略図と CIRC の設置場所
CIRC は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線望遠鏡(CALET)4) にも搭載される予定であり，更なる観測頻度向上が期待されている．
2.

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を実証することである．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１つであり，地球温暖化や気候変動に悪影響を及ぼすと考えられている．世界的にも東南

また冷却機構を用いないことで，小型(110 mm×180

アジア地域において，リアルタイムで災害情報を分mm×230 mm)・低消費電力(< 20 W)を実現していかち合うセンチネルアジア計画(Sentinel Asia Project)る．

があり，森林火災検知は重要な活動として採択されている．
CIRCの特徴は，(i)アサーマル光学系，(ii) シャッタレス方式である．CIRC の光学系はゲルマニウ
ムとカルコゲナイドガラスの2 種類の赤外硝材を組み合わせたアサーマルな設計となっている．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，小型で省電力を実現している．また，シャッタ

表１：CIRC 観測緒元
パラメータ
大きさ
質量検出器
波長
ピクセル数
1 シーンの観測エリア
空間分解能を使用しないことで駆動系をなくし，さらなる小型軽量化を実現している．もう一つの大きな特徴として，CIRC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・低コストの開発を実現している．ALOS-2搭載用CIRC PFMを図2に示す．

視野
露光時間
ダイナミックレンジ
NEdT
消費電力

4.

仕様
110 mm×180 mm×230 mm
3 kg
非冷却赤外検出器
8－12 m
640×480
128(CT) x 96(AT)km (ALOS-2)
85(CT) x 64(AT)km (CALET)< 200 m @600 km (ALOS-2)< 130 m @400 km (CALET)(< 0.33 mrad)
12 ﾟ×9 ﾟ
33 ms
180 K－400 K
0.2 K @300 K< 20 W

観測シミュレーション
ALOS-2 に CIRC を搭載した場合の観測頻度についてシミュレーションを行った．CIRC はノミナル観測で 16 シーンを連続して撮像する．図 4 に日本上空を 16 シーン撮像した場合の観測領域を示す．衛星進
行方向に約 1500km の観測が可能である．
図2：ALOS-2搭載用PFM
CIRC の主要緒元

3.

CIRC の観測緒元を表１に示す．CIRC は地球観測用として最大フォーマット(640×480)の非冷却検出器である．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 ， 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．図 3 に LANDSAT/ETM，
図 4；日本上空での 16 シーンの観測領域

Terra/ASTER の 1 シーンの観測エリアの比較を示す．

CIRC の基本観測計画は，各観測対象に対して下記の地域を対象に立案する予定である．
森林火災

MODIS の過去の火災検知結果から月毎に火災検知の多いエリアを抽出し観測を行う．
火山

国内外の活動が活発な火山を中心に観測を行う．

図 3：観測エリアの比較．青：LANDSAT/ETM，赤：ALOS-2/CIRC，黄色：Terra/ASTER．

ヒートアイランド国内都市部を観測する．

図 5：CIRC 観測 1 か月分のシミュレーション結果
図 5 に CIRC 観測 1 か月分のシミュレーション結果を黒体から放射された赤外線は図 7 に示す４バーター

示す．１日の観測シーン数は平均約 420 シーン程度

ゲットを通り，CIRC で検出される．となった．また，火山等のポイントに着目した場合，平均観測頻度は週１回程度となる．
5.

PFM を用いた地上校正試験
打上げに先立ち， 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．
5.1 結像性能

AT

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．

CT

5.1.1 試験セットアップ
図 6 に試験セットアップの概略図を示す．測定は4-bar area

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．

図 7：(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 ターゲットのイメージ
測定は図 8 に示す検出器面上の９か所で行った．

図 6：MTF 測定セットアップ概略図

5.2.1 測定セットアップ
図 9 に測定セットアップを示す．測定は真空環境下で行い，CIRC をシュラウドに収納し，検出器前面に平面黒体を設置して測定を行った．黒体温度を-10 度から 50 度，シュラウド温度を-15 度から 50 度まで変化させて，それぞれの温度環境下での黒体画像の取得を行った．
shroudblackbody

図 8：CIRC 検出器面上での MTF 計測位置
5.1.2 試験結果
ナイキスト周波数(20 lp/mm)での MTF の計測結果
を図 9 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 方向(4 バーを横方向に配置)の MTF は低温環境下での MTF が低くなっている．しかしながら，画像取

図 9：ラジオメトリック補正用測定セットアップ
概略図

得の観点では MTF の数値として問題はなく，またCIRC のアサーマル性が確認された．

5.2.2 ラジオメトリック補正
CIRC はシャッタを持たず暗時画像が取得できないため，迷光成分(ターゲット以外の放射成分)を補正によって取り除く必要がある．我々は迷光成分がCIRC のレンズ温度とパッケージ温度の関数で表せると仮定し，黒体温度，CIRC の温度を変化させた
画像データから，補正用データベースの作成および補正アルゴリズムを構築した．補正の手順を図 10 に示す．
校正データ
取得画像
(生画像)

+

・迷光補正係数 (BETA)
・ゲインデータ

badpixel 補正
ダミー補正
迷光補正ゲイン補正

図 9：MTF 測定結果．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．
補正後画像

5.2 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)，および校正精度の確認を行った．それぞれの仕様は，NEdT：0.3K 以下，FPN：0.2K 以下，校正精度：4K 以下である．

図 10：ラジオメトリック補正手順
取得画像と，校正データから算出した迷光補正係数および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．各補正の詳細は下記である．
A)

bad pixel 補正

まわりの画素に比べて輝度が高く，もしくは低く出る画素を bad pixel とし，周辺の正常な輝度値の平均を代入することで補正を行う．
B)

ダミー補正

図 8 の検出器面左端に示した 19×480 ピクセルの領域は，検出器内部の回路等に起因するノイズ成分をモニタするためのダミーとして出力している．ダ
ミー画素領域を用い，回路起因のノイズを補正する．
C)

迷光補正校正データを用いて算出した迷光補正係数(BETA)による迷光補正を行う．
D)

ゲイン補正

上記３つの補正を行った上で，輝度値を放射輝度，および温度に変換するための補正を行う．
図 11：黒体画像．(上図)ラジオメトリック補正前．
5.2.3 試験結果

(下図)ラジオメトリック補正後．

取得画像を補正した上で，性能評価を行った．
NEdT，FPN については，ダミー補正済みデータを用いて算出した結果，NEdT は 0.19K，FPN は今後は地上系の整備を進め，打上げ後のデータ取得，0.27K と仕様を満たしていることがわかった．

処理，配信環境を整え打上げに向けた準備を進め

図 11 にはラジオメトリック補正前，補正後の画像る．

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

参考文献

精度については，ターゲットである黒体温度と補正

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

後の画像の温度の差が 2K 以内に収まっており，仕Okamura, Y. Tange, and K. Nakau,: Development of様である 4K を満たしていることがわかった．

the Compact Infrared Camera (CIRC) for Wildfire
Detection,

6. まとめProc.

SPIE,

vol7458,2009,pp.

745806-1-745806-8

CIRC は森林火災検知を主目的とした非冷却型の2) E. Kato, H. Katayama, M. Naitoh, M. Harada, R.

小型赤外カメラであり，ALOS-2 に搭載され 2013 年

Nakamura, and R. Sato. “Development of the度打上げ予定である．1 日の観測シーンは平均 420

Compactシーンとなり，火山等のポイントにターゲットを絞

observation”, Proc. SPIE 8353, 8353J1

ると週 1 回程度の観測が可能である．

InfraredCamera(CIRC)

forearth3) S. Suzuki, Y. Osawa, Y. Hatooka, Y. Kankaku, and T.

CIRC の性能確認，および軌道上でのデータ補正

Watanabe,: “Overview of Japan’s Advanced Landを目的とした地上試験を行った．結像性能について

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

は画像取得に問題ないこと，およびアサーマル性を2009, pp. 7474Q-1-10確認した．ラジオメトリック性能については，

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

NEdT は 0.19K，FPN は 0.27K，校正精度は 2K とそvol 7021, 2008, pp. 702114-11

れぞれ仕様を満たしていることを確認した．また軌.

道上補正に必要なデータ取得およびアルゴリズム構築を行った．