JP6677431B2 - 大気微量ガスのファブリ・ペロー干渉計に基づく衛星検出 - Google Patents

Description

本発明は、衛星に用いるための光学システムに関する。より具体的には、本発明は、特定の目標位置からの大気微量ガス排出物をそれらの目標位置の上空を飛ぶ観測プラットフォームによって検出する際に用いるための光学システムに関する。

過去５０年における環境問題の意識の高まりが環境により優しいシステムおよびデバイスの必要性の増大につながった。この意識の高まりは、潜在的に環境に有害な産業設備からの大気排出物のより良好なモニタリングの必要性にもつながった。

現在、有害な大気排出物は、とりわけ、産業設備に据え付けられた連続排出物モニタリング・システムを用いてモニタできる。そのうえ、大気微量ガスを測定するためにいくつかの大型科学衛星システムが開発されてきた。これらの衛星システムは、欧州のエンビサット（Ｅｎｖｉｓａｔ）、米国の軌道上炭素観測衛星（Ｏｒｂｉｔｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ Ｏｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ）、および日本の温室効果ガス観測衛星（Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ Ｇａｓ Ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）を含む。

現在の衛星による解決法の１つの欠点は、それらのスワス・サイズが空間分解能とトレードオフの関係にあることである。惑星全体にわたって測定結果を得るために、現在の衛星は、軌道経路ごとに数百、または数千キロメートルまでものスワスを測定する。それゆえに、最高空間分解能は、現在、１桁のキロメートル・オーダーである。これは、個別の産業設備からの大気排出物を識別することを困難にする。

現在の衛星による解決法に伴う別の欠点は、個別の産業設備からの大気微量ガスの測定を可能にするために十分な光を各経路において所望の波長で集光できないことである。いくつかの要因、例えば、衛星が特定の区域の上方を通過する速度、各径路で撮られるその特定の区域の画像の数、およびそれらの衛星の光学システムのスループットがこれらの欠点をもたらす。

それゆえに、産業設備からの環境に有害な大気排出物を測定するための先行技術の欠点を克服しないまでも軽減するシステム、方法およびデバイスが必要である。

本発明は、衛星から大気微量ガス排出物に係るデータを収集するための光学イメージングシステムに関係するシステム、方法、およびデバイスを提供する。衛星への配備のための光学システムは、適切な望遠鏡に結合されたファブリ・ペロー干渉計を有する。望遠鏡から受光された画像は、イメージングシステムによって受光される前に干渉計を通過する。干渉計は、広角ファブリ・ペロー干渉計である。この干渉計は、同心円状リングのフリンジング・パターンを生み出し、各フリンジ（縞模様）は、イメージングシステム上の異なる波長にある。干渉計は、光スループットを最大にするための大口径および高スペクトル分解能を提供するための高フィネスも有し、これらがイメージングシステム中の各画素における精密な波長での測定を可能にする。選択されたスペクトル範囲における複数の隣接するモードが干渉計を通ってイメージングシステムへ通過することが許容されるように、光学システムとともにフィルタが用いられる。各画像では、イメージングシステム中の各画素が、選択されたスペクトル範囲内の複数の波長における光を集光する。加えて、衛星が目標区域の上方を通過する間に、目標区域が光学システムの視野を辿り、それによって、光学システムが目標区域の複数の画像を収集することを許容する。視野内の目標区域の位置は、画像ごとに変化するので、複数の波長における光が目標区域における各地上画素から集光される。このように、種々の大気微量ガスに関する種々の吸収データを目標区域の上方の一回の衛星の通過で収集することができる。

第１の態様において、本発明は、観測プラットフォームから特定の目標位置における大気微量ガス排出物を検出するための方法であって、方法は、
ａ）前記プラットフォームに画像収集デバイスを設けるステップであって、前記プラットフォームは、前記特定の目標位置の上空を飛ぶ、ステップと、
ｂ）前記特定の目標位置から収集された光が前記画像収集デバイスによって受光される前に広角ファブリ・ペロー干渉計を通過するように、前記プラットフォームに前記干渉計を設けるステップであって、前記干渉計は、目標区域に関する前記大気微量ガス排出物が複数の波長における光を用いて測定されることを許容する、ステップと、
ｃ）前記干渉計に対する横断角に基づいて、前記特定の目標位置から収集された前記光に対する前記画像収集デバイス上の複数の画素のスペクトル応答を決定するステップと、
ｄ）前記特定の目標位置における前記大気微量ガスの垂直柱密度を決定するために、所定のモデルのパラメータを再帰的に調整して、前記画像収集デバイスからの前記スペクトル応答を前記モデルからの結果と再帰的に比較するステップであって、前記垂直柱密度は、関連する大気分光法および前記プラットフォーム上のデバイスからの全機器応答を考慮した値である、ステップと
を備える、方法を提供する。

第２の態様において、本発明は、特定の目標位置における大気微量ガス排出物を検出するための方法であって、方法は、
ａ）観測プラットフォーム上に画像収集デバイスを設けるステップであって、前記プラットフォームは、前記特定の目標位置の上空を飛ぶために用いられる、ステップと、
ｂ）前記特定の目標位置で収集された複数の波長における光が前記画像収集デバイスによって受光される前にファブリ・ペロー干渉計を通過するように、前記プラットフォームに前記干渉計を設けるステップであって、前記干渉計は、光スループットを最大にする大口径および高スペクトル分解能を提供する高フィネスも有し、前記大口径および高フィネスは、前記画像収集デバイス中の各画素における精密な波長での測定を可能にする、ステップと、
ｃ）選択されたスペクトル範囲における複数のモードがフィルタを通過することを前記フィルタが許容するように、前記フィルタを前記干渉計に適用するステップであって、通過することを許容された前記複数のモードは、相互に隣接するモードである、ステップと、
ｄ）前記画像収集デバイスからの信号を用いて、前記特定の目標位置における前記大気微量ガスの垂直柱密度を決定するステップと
を備える、方法を提供する。

第３の態様において、本発明は、特定の目標位置からの大気微量ガス排出物を検出するための方法であって、方法は、
ａ）観測プラットフォームに画像収集デバイスを設けるステップであって、前記プラットフォームは、前記特定の目標位置の上空を飛ぶために用いられる、ステップと、
ｂ）特定の目標位置から集光された光が前記画像収集デバイスによって受光される前に広角高フィネス・ファブリ・ペロー干渉計を通過するように、前記衛星に前記干渉計を設けるステップと、
ｃ）複数の大気微量ガス排出物に関するデータをそれによって同時に収集するために、前記プラットフォームが前記特定の目標位置の上方を通過するにつれて前記特定の目標位置に対する複数の画像を収集するステップと、
ｄ）選択されたスペクトル範囲における複数のモードがフィルタを通過することを前記フィルタが許容するように前記フィルタを前記干渉計に適用するステップであって、通過することを許容された前記複数のモードは、相互に隣接するモードである、ステップと、
ｅ）前記複数の画像において前記光によって生じたスペクトルから前記大気微量ガス排出物の垂直柱・スペクトル密度を決定するステップと
を備える、方法を提供する。

第４の態様において、本発明は、衛星から惑星上の大気微量ガス排出物を検出するための方法であって、方法は、
ａ）前記衛星に画像収集デバイスを設けるステップであって、前記衛星は、前記惑星の回りの軌道上にある、ステップと、
ｂ）前記惑星上の前記特定の目標位置から収集された光が前記画像収集デバイスによって受光される前に広角高フィネス・ファブリ・ペロー干渉計を通過するように、前記衛星に前記干渉計を設けるステップと、
ｃ）前記衛星が前記特定の目標位置の上方を通過するにつれて前記特定の目標位置に対する複数の画像を収集するステップと、
ｄ）選択されたスペクトル範囲における複数のモードがフィルタを通って前記画像収集デバイスへ通過することを前記フィルタが許容するように、前記フィルタを前記干渉計に適用するステップと、
ｅ）前記干渉計に対する横断角に基づいて、前記特定の目標位置から収集された前記光に対する前記画像収集デバイス上の複数の画素のスペクトル応答を決定するステップと、
ｆ）前記特定の目標位置における前記大気微量ガスの垂直柱密度を決定するために、所定のモデルのパラメータを再帰的に調整して、前記画像収集デバイスからの前記スペクトル応答を前記モデルからの結果と再帰的に比較するステップであって、前記垂直柱密度は、関連する大気分光法および前記プラットフォーム上のデバイスからの全機器応答を考慮した値である、ステップと
を備える、方法を提供する。

第５の様態において、本発明は、観測プラットフォームによって特定の目標位置からの大気微量ガス排出物を検出するためのシステムであって、システムは、
‐前記プラットフォームに位置する画像収集デバイスであって、前記プラットフォームは、前記特定の目標位置の上空を飛ぶためであり、前記画像収集デバイスは、前記プラットフォームが前記特定の目標位置の上空を飛ぶにつれて前記特定の目標位置の複数の画像を収集するためである、前記画像収集デバイスと、
‐広角高フィネス・ファブリ・ペロー干渉計であって、前記干渉計は、前記プラットフォームに位置して、前記特定の目標位置から収集された光が前記画像収集デバイスによって受光される前に前記干渉計を通過するように構成された、干渉計と、
‐前記特定の目標位置からの光を前記干渉計によって受光される前にフィルタするためのフィルタであって、前記フィルタは、選択されたスぺクトル範囲における複数のモードが前記フィルタを通って前記画像収集デバイスへ通過することを許容するためである、フィルタと
を備える、システムを提供する。

次に、異なる図中の同一の参照数字が同一の要素を示す、以下の図を参照して本発明の実施形態が記載される。

衛星ペイロードとしての本発明の光学システムの一実施形態を示す。 図１における光学システムの様々な構成部品を示す。 図１における光学システムの様々な構成部品を示す。 ファブリ・ペロー干渉計組立品の斜視図である。 図３の干渉計組立品の分解組立図である。 ファブリ・ペロー干渉計の伝達関数を示すプロットである。 本発明の一実施形態によるオーダーソーティングフィルタのプロットである。 画像検出器上の位置ごとに、その位置に向かう２つ以上の波長を示す。 所定の検出器位置に向かう低い方の波長を異なるｙ位置に対して示す。 所定の検出器位置に向かう高い方の波長を異なるｙ位置に対して示す。 光学システムが何を画像化しているかを示すために目標区域およびその周辺区域を示す。 収集される複数の画像に対する衛星の経路の略図である。 衛星が目標位置の上空を飛ぶにつれて光学システムによって収集される画像がどのようにシフトするかを示す。 目標位置の上方の衛星の経路からもたらされる画像を示す。 光学システムが一定のアルベド・バックグラウンド上で大気上端放射輝度スペクトルをどのように画像化することになるかを示す。 図１１からの様々なリングによってもたらされた衛星画像である。 本発明の一実装に関する２つの用途例を説明する際に用いるためのプロットである。 広角ファブリ・ペロー干渉計測定に用いたときに１６４５ｎｍと１６７０ｎｍとの間の領域をカバーするプロットである。 １６４５ｎｍから１６７０ｎｍの範囲を０から１１度までの干渉計受光角に対してプロットする。 図１５に用いられた投影を用いた、検出器の５００画素上に画像化された図１４におけるスペクトルのプロットを示す。 １６４５ｎｍから１６６５ｎｍの波長範囲についてプロットされた図１４からのスペクトルを示す。 最大干渉計透過を受光角の関数としてプロットし、透過は、１６４０ｎｍから１６６５ｎｍであり、受光角は０から１１度である。 図１８における波長範囲に対するフリンジ（縞模様）・プロットである。

一実施形態において、本発明は、目標位置から大気微量ガス排出物に係るデータを収集すべく衛星に基づく用途に用いるためのシステムおよびデバイスを提供する。本発明は、大気微量ガス排出物を決定すべく画像データを収集する際にファブリ・ペロー干渉計の使用を伴う。干渉計は、広角干渉計であり、イメージングシステム上にフリンジング・パターンを作り出し、各画像における複数の波長の測定を可能にする。干渉計は、光スループットを最大にするための大口径および高スペクトル分解能を提供するための高フィネスも有し、これらがイメージングシステム中の各画素における精密な波長での測定を可能にする。選択されたスペクトル範囲における複数の隣接するモードが干渉計を通ってイメージングシステムへ通過することを許容するように、光学システムとともにフィルタが用いられる。それゆえに、各画像では、イメージングシステム中の各画素が選択されたスペクトル範囲内の複数の波長における光を集光する。加えて、衛星が目標区域の上方を通過する間に、目標区域が光学システムの視野を辿り、それによって、光学システムが目標区域の複数の画像を収集することを許容する。視野内の目標区域の位置は、画像ごとに変化するので、複数の波長における光が目標領域における各地上画素から集光される。このように、種々の大気微量ガスに関する種々の吸収データを目標区域の上方の一回の衛星の通過で収集することができる。

以下に示される例は、衛星への搭載による本発明の実施形態に関係するが、明らかなのは他のプラットフォームが可能なことである。本発明は、有人および無人空中ビークルならびにすべての形態の衛星を含むがそれらには限定されない任意の空中プラットフォーム上に実装されてもよい。

図１を参照すると、衛星ペイロードとしての光学システム１０の一実施形態の説明図が示される。図２Ａおよび２Ｂを参照すると、光学システムの様々な構成部品が示される。雲およびエアロゾル望遠鏡２０ならびに雲およびエアロゾル分光計３０が光学システム１０とともに並ぶ。

図２Ｂを参照すると、バッフル４０が光学システム１０の一端で第１の望遠レンズ５０に隣接する。他端では、第１のビーム折り畳みミラー６０が第２のビーム折り畳みミラー７０に隣接する。２つのコリメーティング・レンズ８０は、ビーム折り畳みミラー７０から入力を受光する。コリメーティング・レンズ８０の出力は、次にオーダーソーティングフィルタ９０によってフィルタされて、その後、さらなるコリメーティング・レンズ１００によって受光される。コリメーティング・レンズ１００から、光は、次にファブリ・ペロー干渉計１１０を通過する。干渉計１１０を通過した光は、次にイメージング・レンズ１２０によって受光される。最終的に、イメージング・レンズ１２０を通過したものがＳＷＩＲ（短波長赤外線：ｓｈｏｒｔ−ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ）カメラ１３０によって受光されて、記録される。

一実施形態において、ペイロードを載せた衛星は、用いられたランチャに応じて、６５０および７５０ｋｍの高度間の太陽同期軌道上にあるであろう。

図３を参照すると、ファブリ・ペロー干渉計組立品の斜視図が示される。図４を参照すると、干渉計組立品２００の分解組立図が示される。干渉計組立品２００は、カバー２１０およびフレキシャ２２０を有する。プッシャ２３０は、干渉計が打ち上げの振動によりよく耐えることを可能にするために予荷重を各フレキシャ２２０から光学構成部品２４０へ伝達する。断熱ブランケット２５０は、これらの構成部品を断熱のために取り囲み、一方で光学構成部品２４０を最適動作温度に維持するためにヒータ２６０が設けられる。温度センサ２７０も組立品２００の温度を測定するために設けられる。ヒータ２６０は、組立品２００の様々な構成部品を収納した筺体２８０の外側に配置される。

本発明を理解する助けとなるように、ファブリ・ペロー干渉計の説明が与えられる。

ファブリ・ペロー干渉計は、複数のフィルタの中心波長が一定量（ＦＳＲ：ｆｒｅｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅまたは自由スペクトル範囲）で分離された複数の狭バンドパス・フィルタの組み合わせと見做すことができる。図５におけるプロットは、ファブリ・ペロー干渉計の伝達関数を示す。各ピークは、モードと称される。当業者によく知られるように、ファブリ・ペロー干渉計の１つの特性は、フィネス、干渉計のミラー反射率および表面品質に関係する量である。

Ｆ‐Ｐ干渉計の伝達関数は、次式で与えられる、すなわち、

ここでＲは、ミラー反射率（およそ０．９８）であり、θは、入射角であり、ｄは、ミラー間隔であり、ｎ_ｓは、ギャップ屈折率であり（この用途では、これが真空に対して１の値を有するであろう）、λは、注目波長であり、Ｔ（λ）は、波長値λにおけるスペクトル透過率である。言い換えれば、平均スペクトル放射輝度がα（［Ｗ／ｍ^２／ｓｒ／ｎｍ］単位で表される）であるλ_１からλ_２の箱型スペクトルを有する信号が与えられたならば、出力は、α×Ｔ（λ）（同様に［Ｗ／ｍ^２／ｓｒ／ｎｍ］単位で表される）のスペクトル放射輝度を有するであろう。その関数のピークは、λ＝ｄｎ_ｓｃｏｓθ／ｋにあり、ここで

は、モード指数である。

本発明とともに用いられるフィルタについては、Ｆ‐Ｐ干渉計に利用可能なモードのサブセットを選択するためにオーダーソーティングフィルタが用いられる。本発明の一実施形態では、２つのモードが選択される。図６を参照すると、オーダーソーティングフィルタ特性のプロットが示される。留意すべきは、オーダーソーティングフィルタが指数ｋをもつ単一のＦ‐Ｐモードに対応する波長範囲のみを透過するのであれば、角度θではピーク波長がλ_０＝ｄｎ_ｓｃｏｓθ／ｋになるであろうということである。上式は、（吸収損失がゼロで完全に平坦かつ滑らかな表面をもつ）理想的なミラーの場合に関連する。ミラー欠陥を考慮するための直接的な一般化が存在する。

ファブリ・ペロー干渉計の透過関数は、それを通過する光路の関数である。入射角を変化させると、実効ミラー間隔のシフトを生じ、波長におけるシフト、ならびにＦＳＲおよびＦＷＨＭ（半値全幅：ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）の両方の狭小化をもたらす。干渉計がコリメート・ビーム上で動作しているときに、視野の異なる地点は、異なる実効間隔で画像化（イメージング）されるであろう。オーダーソーティングフィルタが単一モードのみを入れるならば、効果は、あたかも、中心波長が光軸からの半径の関数である異なる狭帯域フィルタが画素ごとにあるかのようであろう。この効果は、通常、同心円状リングのフリンジング・パターンと呼ばれ、各フリンジが異なる波長にある。

一実施形態において、検出器は、そのアクティブエリアが１６ｍｍ×１２．８ｍｍであるように２５μｍの画素ピッチを有する。コーナのうちの１つをデカルト座標系の原点に取ると、図７は、検出器位置ごとに、その位置に向かう２つの波長（λ_１（ｘ，ｙ）およびλ_２（ｘ，ｙ））を示す。システムの光軸は、座標（ｘ_０，ｙ_０）＝（８，６．４）にあるＦＰＡ（焦点面アレイ：ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ）のアクティブ領域の中心に向かう。検出器の寸法および特性は、例示のために示されるに過ぎず、本発明の範囲を限定すると解釈すべきではないことに留意すべきである。

概念をさらによく説明するために図８Ａおよび８Ｂが示される。見て分かるように、図８Ａは、所定の（ｘ，ｙ）検出器位置に向かう低い方の波長を異なるｙ位置に対して示す。図８Ｂは、所定の（ｘ，ｙ）検出器位置に向かう高い方の波長を異なるｙ位置に対して示す。留意すべきは、検出器位置ごとに複数の波長（すなわち、２つより多い波長）も可能なことである。各検出器位置は、オーダーソーティングフィルタによって通されるのと同じ数の波長を有することができる。

システムの光学系は、検出器の中心からそのコーナのうちの１つまでコリメート・ビーム角が０°から指定されたコーナ角θ_{ｃｏｒｎｅｒ}へ変化するように設計される。一実施形態において、θ_{ｃｏｒｎｅｒ}は、およそ７．５°であるが他の値も可能である。近軸（小角）近似では、検出器の位置（ｘ，ｙ）に向かう光は、Ｆ‐Ｐ干渉計を角度
Θ（ｘ，ｙ）＝θ_{ｃｏｒｎｅｒ}ｒ（ｘ，ｙ）／ｄ_ｅｄｇｅ
で横切るコリメート・ビームをフォーカスすることによって得られ、ここでｄ_ｅｄｇｅは、対角線の半分であり、光軸への距離は、

によって与えられ、ここで（ｘ_０，ｙ_０）は、ファブリ・ペローをゼロ度で横切る光線が収束する検出器点の座標である。

一実装では、ファブリ・ペロー干渉計が１６４３．６ｎｍから１６５６ｎｍ（モード１）および１６５６ｎｍから１６７０ｎｍ（モード２）の波長領域をカバーする２つの隣接するモードを有するように構成できる。この場合、スペクトル選択は、角度波長シフトおよび１６４３．６ｎｍと１６７０ｎｍとの間のすべての波長を通すオーダーソーティングフィルタの結果として達成される。

システムに対するスペクトル選択が空間選択に結び付けられる。地上点が視野をスクロールする間に複数の画像を撮ると、複数のスペクトル点を取得できるであろう。衛星が目標区域の上方を通過する間に、目標区域が光学システムの視野を辿り、目標区域における地上点ごとに複数の波長に関するデータが集められる。

一実装において、検出器の視野は、１．６９２°および１．３５４°の角度を有し、６５０ｋｍの高度から１９．２×１５．３６ｋｍ^２の面積に及ぶであろう。視野は、衛星進行方向が視野の長辺にほぼ平行であるように配置される。

目標区域は、既知の目標位置に中心をおいた１９．２×１５．３６ｋｍ^２の矩形として定義される。一般性を失うことなく、地上が視野を、上から下まで、垂直方向にスクロールすることが仮定される。図９Ａは、目標区域およびその周辺を示す。目標区域内において地点例が選択された。

目標区域の下縁が検知器フレームの最上部に現われたときに取得が始まるであろう。その後、目標区域の上縁がフレームの底部に至るまでフレームが絶え間なく画像化されるであろう。

一実装において、システムは、２００個の画像を、それぞれ１００ｍｓの露出時間で、撮ることができて、各目標位置が少なくとも１００個の画像に現われることを許容するように設計される。図９Ｂは、衛星および目標位置のこれらの様々な画像間の重なりを概略的に示す。

１００ｍｓの露出時間に対して、軌道運動に起因するモーションブラーおよび理想的なパンニングが衛星進行方向の空間分解能を１４０ｍに低下させることが予想されるが、衛星進行直交方向の空間分解能は、公称３０ｍのままであろう。ポインティング・ジッターについては、ポインティング・ジッターが１００秒角／ｓより著しく少ないであろうと推定され、これが意味するのは、ポインティング・ジッターがサブ画素レベルであろうということである。

ＦＰＡ（ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ）（焦点面アレイ）内の各目標領域地点の複数の画像にわたる軌跡は、取得時間の分布ならびに衛星姿勢決定および制御システムの関数であろう。ポインティング・ジッターが他の効果と比較して無視できることになるので、このレベルでは等間隔地点を用いた単純な直線軌跡モデルで十分である。

図１０Ａは、異なる画像に目標区域がどのように現われるかを示す。目標区域は、赤い矩形でフレーム付けされ、一方で取得区域は、ハイライト表示される。取得区域が下方へ移動して、シーンを取得画像中で上方へスクロールさせる。処理の各段階で取得された画像が図１０Ｂに一連の画像で示される。

図１０Ａおよび１０Ｂの画像１では、目標区域の最上部の小さい部分のみが取得区域に含まれる。画像４および５は、目標区域の大部分を取り込み、画像８では目標区域の底部の小さい部分のみが取得区域の最上部に現われる。

地点例は、それゆえに、視野内に直線状の垂直軌跡を有する。地点例は、視野の中心から異なる距離に現われ、従って、波長の異なる対に現われる。

画像３では、地点例は、ファブリ・ペロー干渉計が１６５７±０．１ｎｍの波長と、１６６０±０．１ｎｍの波長とをもつ光を入れる画素に収まる。画像４では、干渉計が１６５９±０．１ｎｍの波長をもつ光と１６７２±０．１ｎｍの波長をもつ光とを入れる、などである（図１０Ｂを参照）。

図１０Ａおよび１０Ｂから分かるように、衛星が目標区域を辿るにつれてイメージングシステムによって複数の画像が収集される。画像の圧縮を助けるために、様々な画像が配列されることができる。知られるように、ＳＷＩＲにおける大気最上部スペクトル放射輝度ハイパーキューブで最も大きく変動するのは、アルベド（ａｌｂｅｄｏ）また地上位置の分光反射率である。この量は、低スペクトル依存性を有する。

複数の画像を収集するときに、衛星の運動（パンニングおよびジッターと組み合わされた自然な運動）の結果として視野のスクローリングが互いにわずかにずれた多数の画像を生成する。画像のこのようなシーケンスを配列すると、画素ごとの変動を大きく低減して、結果として圧縮を助ける。この配列（アラインメント）は、そのいくつかがＦＰＧＡの実装を有する、任意の数の追跡または光学的安定化アルゴリズムを用いてオフラインで行うことができる。実際、このアラインメントは、ハイパーキューブの傾斜サンプリングを補正して、従来型ハイパースペクトル圧縮アルゴリズム、例えば、ＣＣＳＤＳ‐１２３がずっとより高い効率で機能することを許容する。

複数の画像を一回の通過で収集することに伴う別の潜在的な課題は、モーションブラーである。長露光時間に起因するモーションブラーは、フレームレートを増加させることによって、および画像群をビニングする前にそれらを配列することによって部分的に補償できる。これは、画像センサによってサポートされる最大フレームレートおよび前記センサの読み出しおよび量子化雑音によって制限されるであろう。記憶容量および速度が制限要因になるので、いくつかの環境ではオンライン・アルゴリズムが好ましいことがありうる。幸いにも、小さい画像セットに取り組むことが高精度のための必要条件を軽減し、ＦＰＧＡ上に実装可能な、より簡単なアルゴリズムで十分である。

地球の表面の分光反射率における変動が機器の狭いスペクトル範囲にわたって非常に小さいので、その範囲にわたる平均反射率、またはアルベドは、地上画素ごとに単一のパラメータとして読み出されることになり、測定結果に著しく干渉することは予想されない。本発明の光学システムは、広角ファブリ・ペロー干渉計を含むので、吸収線は、同心円状リングのフリンジング・パターンの外観を生じるであろう。図１１は、システムが一定のアルベド・バックグラウンド上で大気上端放射輝度スペクトルをどのように画像化することになるかを示す。スペクトルは、４００ｐｐｍのＣＯ_２混合比に関してＭＯＤＴＲＡＮ ５計算を用いて作り出された。図１１において、各リングは、大気吸収線である。円形エッジは、オーダーソーティングフィルタに関してより正確な伝達関数の代わりに理想的なボックスカー・モデルを用いたことに起因する。これらのリングは、図１１では約１５％のコントラストを有する。

図１２は、図１１に示された様々なリングによってもたらされた衛星画像を示す。図１２では、リングが非常に微弱であり、ソフトウェアで実装された画像登録方法には干渉しないであろう。アルベドは、画像に対してより小さい変調効果を有し、それによって、リングのコントラストがアルベドに比較してより大きくなりうることに留意すべきである。リングは、例えば、誤ったフィーチャを生じることによってこれらのリングが画像アラインメント・アルゴリズムに干渉することになるような、高い相対コントラストであってはならない。エアギャップ・ファブリ・ペロー干渉計の設計は、非常に小さい熱ドリフトを有するように選択され、従って、リング位置は、画像全体にわたって非常に安定であろう。リング・パターンがそれゆえによく知られることになり、既知のリングに向かうフィーチャを除去することによって、または画像処理技術を用いてリングを消去することによって画像アラインメント処理との潜在的な干渉を軽減できる。

広角干渉計は、干渉計がある１つの範囲の波長を透過するように、入力光学系および干渉計が広受光角を有する測定概念を用いて作動する。中心波長が検知器アレイの中心に画像化されて、波長は、円の中心から外側へ減少する。この配置を用いた地球の表面上の大気微量ガス・ソースの測定は、（例えば、検出器画素の飽和レベル、利得などによって決定された間隔の）いくつかの画像を用い、各画像内では任意の選択された地上点がイメージングシステムの視野においてわずかに異なる位置を有する。選択された地上点がイメージングシステムの視野を横切るスクローリング移動は、各目標区域から撮られる画像の数を最適にすべく衛星姿勢決定および制御システムによって調整された、衛星の軌道運動の結果である。この概念は、表面上の参照地点（例えば、アルベドの急速な変化）を用い、これらの参照地点は、高信号対雑音比（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）をもつ１つの測定結果を選択された地上点ごとに形成する、種々の画像を共に登録（ｃｏ−ｒｅｓｉｓｔｅｒ）するための後処理に用いることができる。この配置は、２つ以上の大気微量ガス測定結果を同時に読み出すためにも用いることができる。

以下に示される２つの例は、単一のポイントソース（または目標位置）からのＣＯ_２およびＣＨ_４排出物の両方を広角ファブリ・ペロー干渉計を用いて同時に測定する概念を説明する。

関連する分光波長領域に係るバックグラウンド情報が図１３に示される。スペクトルを示すこの図およびすべての以下の図では、縦軸は、Ｗ／ｍ^２／ｎｍ／ｓｒ単位の放射輝度であり、横軸は、ｎｍ単位の波長である。図１３において、赤、青および緑の点は、それぞれ、ＣＯ_２、Ｈ_２ＯおよびＣＨ_４吸収の波長および強度を示す。茶色の曲線は、この位置および期日において予想されるスペクトルのＭＯＤＴＲＡＮ ５計算であり、点線は、これらの分子が存在しなかった場合の大気上端（ＴｏＡ：ｔｏｐ‐ｏｆ‐ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ）放射輝度の非常に粗い推定である。２つの計算に関して線幅および混合比が厳密に同じではなかったため、ＭＯＤＴＲＡＮ ５の線強度および計算されたスペクトルは、厳密には一致しない。このプロットは、しかしながら、現在の目的には十分である。当業者に知られるように、ＭＯＤＴＲＡＮは、０．２から１００μｍのスペクトル範囲に対して電磁放射の大気伝搬をモデリングするために用いられるコンピュータプログラムである。

第１の例では、広角干渉計がＣＯ_２およびＣＨ_４排出物を同時に測定するために用いられる。用いられうる１つの可能な範囲は、約１６３５ｎｍと１６４５ｎｍとの間の帯域であり、この帯域ではＣＯ_２ Ｒブランチが注目されるであろう。この波長範囲は、４つの強いＣＨ_４多重線も含むが、この領域は、ＣＨ_４の測定に最良の領域ではない。ＣＨ_４排出物を測定するには約１６４５および１６７０ｎｍの間の範囲の方がずっと良好な範囲である。このより良好な選択範囲は、前に考慮されたＲブランチに対応するＣＯ_２ Ｐブランチも含む。この１６４５〜１６７０ｎｍの領域ではＣＯ_２およびＣＨ_４ならびにＨ_２Ｏ線間のより多くの干渉があり、従って、この領域は、過去に選択されなかったが、ＣＨ_４線のうちの多く‐最も重要な干渉‐は弱く、ＣＨ_４それ自体が読み出されるという事実ゆえに、読み出しの際におそらく考慮できるであろう。

このことを念頭において、図１４における広角ファブリ・ペロー（ＷＡＦ‐Ｐ：ｗｉｄｅ ａｎｇｌｅ Ｆａｂｒｙ‐Ｐｅｒｏｔ）測定のための候補として１６４５および１６７０ｎｍの間の領域が用いられる。ここで、赤い曲線は、（Ｖｏｉｇｔ吸収線プロファイルを用いて計算された）目標波長範囲に収まるすべてのＣＯ_２およびＣＨ_４遷移のスペクトルである。点線による曲線は、図１３に示された同じＭＯＤＴＲＡＮ計算である。青い点は、Ｈ_２Ｏ遷移である。これは、両方の分子の（比較的）高いおよび低い回転遷移の両方がこのスペクトル中に存在するという事実を示す。温度測定が行われることになる場合にはこれが必要とされる。１６６５ｎｍ付近の線の強いクラスターは、２ｖ_３Ｑブランチである。このフィーチャの左の７つの強い線は、対応するＲブランチの最低回転遷移である。両方の場合にこれらの線が微細な構造を示す（それらが遷移ごとにますます多くのサブレベルを有する）が、この分光は、よく知られている。

本発明の一実装において、１６４５および１６７０ｎｍの間の波長領域全体がＷＡＦ‐Ｐ技術によって測定されることになる場合、受光角の範囲は、０から約１１度まででなければならない。このことが図１５に示され、同図では縦軸が波長（ｎｍ）であり、横軸がＦ‐Ｐ干渉計の受光角（度単位）である。青い曲線は、図１４に示されたスペクトルである。赤い曲線は、示された角度で入射する光に対する干渉計透過の最大値である。濃い黒ドットは、スペクトル線の波長とこの曲線との交点を示す。ＦＳＲ_ｌｉｍは、（仮定された）中心波長１６７０ｎｍで始まる、１／２ ＦＳＲ（自由スペクトル範囲）の波長範囲を示す。図１５にはこのシミュレーションのために選ばれた干渉計パラメータが示される。これらの干渉計パラメータは、もちろん、任意であるが、２つの判定基準を満たさなければならない、すなわち、干渉計のＦＷＨＭ（半値全幅）は、所定の分解能限界を達成するために十分狭くなければならない。この状況では、所定の分解能限界は、約０．１ｎｍ（以下を参照）であると仮定され、ＦＳＲは、所望の波長範囲の透過を許容するために十分広くなければならない。

ＷＡＦ‐Ｐ測定におけるスペクトル分解能は、２つのこと、すなわち、干渉計のＦＷＨＭ（半値全幅）およびアレイ検出器の画素ピッチによって制限される。このことが図１６に示される。ここでは、図１５に示された投影を用いて、図１４に示されたスペクトルが検出器の５００個の画素上へ画像化される。中心画素は、１６４５ｎｍにあり、一方で最も外側の画素は、１６７０ｎｍにある。各円は、スペクトルにおける線のうちの１つの中心に位置する。例えば、約２００および２２５画素の間の半径をもつ円のグループは、ＣＨ_４Ｑブランチにおける遷移である。およそ１７５および１５０画素にある円の２つのグループは、それぞれＣＨ_４Ｒ_０およびＲ_１遷移であるなどである。２５ｎｍの波長範囲が５１２の１／２の画素検出器上へ画像化され、従って、波長分解能は、０．１ｎｍ／画素である。これは、干渉計のＦＷＨＭによって設定された波長限界におおよそ対応する。

本発明の空間分解能は、イメージングシステムおよびカメラのパラメータによって決定される。１つのカメラ画素に対応する地上の距離は、地上サンプリング距離（ＧＳＤ：ｇｒｏｕｎｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ）と呼ばれ、一実施形態では、その値が３０メートルである。空間分解能は、基本的に回折によって制限される（この制限は、入力開口サイズ、光波長、および機器の物体面からの距離によって決定される）。実際には、しかしながら、収差のような効果が、典型的に、空間分解能を回折限界以上に増加させる。空間分解能がＧＳＤより小さければ、地上の近接した間隔の物体を解像する能力を後者の量が最終的に決定する。これは、微量ガス濃度の空間的な変動（言い換えれば、排出物プルームの詳細な形状）を特徴付けるための装置の能力にも関係する。

第２の例では、図１７が図１４からのスペクトルのわずかにより狭い波長範囲（１６４５ｎｍから１６６５ｎｍ）を示す。この２０ｎｍの範囲は、室温において占有されるＣＯ_２Ｐブランチのすべてをカバーし、ＣＨ_４Ｒブランチにおける最初の７つの遷移もカバーする。図１８には対応するＦ‐Ｐ干渉計パラメータおよび受光角の範囲が示される。図１８における赤い曲線は、受光角の関数としての最大Ｆ‐Ｐ干渉計透過を示し、一方で黒ドットは、スペクトルにおける強い線の波長を示す。この波長範囲に対するフリンジ・プロットが図１９に示される。この場合、ＣＯ_２Ｐブランチ線は、中心点から始まるフリンジである。直径が増加するフリンジは、回転量子数が増加するＰブランチ線である。画素数２２５および１７５付近にある２つの孤立した多重線は、ＣＨ_４Ｒブランチの２つの最低回転状態である。

留意すべきは、図１９における赤い矩形が３００×６００ｍの物体のサイズを示すことである。これが意図するのは、単一のポイントソースからのプルームの濃い部分によって覆われたおよその区域を表すことである。破線は、衛星通過の継続時間にわたってイメージングシステムの視野を横切る、かかる目標区域の可能なスクローリングを表す。この例では軌跡が視野の中心を通過してすべてのフリンジを横切る‐ソースまたは目標に関してサンプリングされるスペクトル線の数を最大にする理想的な条件である。本発明の一実装において、５秒のオーバーパスの間に２５個の２００ｍｓの測定結果が記録されるならば、これらの画像は、空間的におよそ３００ｍ分離されて、ソース排出物のほぼ連続した空間的な記録を形成するであろう。

衛星によって収集された画像のデータ処理を助けるために、衛星上でいくつかの処理が行われてもよい。超小型衛星プラットフォームに利用可能な通信帯域幅は、典型的な値が１日当たり数１０メガバイトと厳しく制限されがちなため、かつ、ハイパースペクトルイメージングは、目標当たり数百メガバイトの高データ量を生成するため、これらのデータを処理のために地上局へ送信するのは賢明でないであろう。

本発明の一実施形態においては、生成された高データ量を濃度マップのようなずっとより小さい最終的なデータプロダクトに削減するために、衛星上に位置する低電力エンベデッド・プロセッサが用いられる。（ＦＰＧＡまたはフィールドプログラマブルゲートアレイの形態の）リコンフィギュラブル・ロジックが随意的に賦与された、これらのプロセッサは、衛星上に配備されたときに、大量のデータを処理のために地上局へ送信しなければならないことへの代替手段を提供する。代わりとして、オンボード処理を行うことができて、ずっとより小さいデータセットを地上局へ送信できる。

上記のマップ上の各地点におけるスペクトル応答を読み出すために、地上座標（ｕ_Ｇ，ｖ_Ｇ）を有する各地上画素Ｇおよび各フレームｋに対して、フレームｋにＧが現れる検出器位置（ｘ_Ｇ，ｋ，ｙ_Ｇ，ｋ）、従って光軸からの半径、延いては校正された波長に対応するファブリ・ペロー（ＦＰ）横断角を決定するために、ソフトウェアで実装された画像レジストレーション方法が用いられる。フレームｋにおいて、ｚ_Ｇ，ｋは、検出器位置（ｘ_Ｇ，ｋ，ｙ_Ｇ，ｋ）における画素の値であるとしよう。視野の運動における不規則さ、または検出器上の障害物、例えば、暗電流を測定するために用いられる減光マスクの存在に起因して、地上画素がある一定のフレーム中に現れないことがありうる。Ｏ_Ｇは、地上画素Ｇがアクティブな検出器画素に現われるフレームの数であるとし、

は、有効なフレームの指数であるとしよう。留意すべきは、検出器画素（ｘ_Ｇ，ｋ，ｙ_Ｇ，ｋ）のスペクトル応答がファブリ・ペローの横断の角度θ_Ｇ，ｋ＝θ（ｘ_Ｇ，ｋ，ｙ_Ｇ，ｋ）のみに依存することであり、ここでθは、先に定義されたようにΘ（ｘ，ｙ）＝θ_{ｃｏｒｎｅｒ}ｒ（ｘ，ｙ）／ｄ_ｅｄｇｅである。従って、地上画素Ｇについてのスペクトル情報は、１＜＝ｈ＜＝Ｏ_Ｇに対して、クアドラプレット

のセットによって与えられ、ここで（ｕ_Ｇ，ｖ_Ｇ）は、地上座標であり、

は、（単一モード機器の場合にはその絶対値がピーク波長と１対１の関係にある）符号付きファブリ・ペロー角の形態の分光パラメータであり、

は、地上画素Ｇがフレームｋ_ｈに現われる検出器画素に対して測定された積分放射輝度値である。本発明者らは、このセットを地上画素Ｇに対する検出器の応答と称する。

すべての目標地上点Ｇに対して、応答Ｒ_Ｇの和集合を取ると、マルチモード・スペクトル・ハイパーキューブＲの非一様なサンプリングをもたらす。これは、マルチモード・スペクトル応答ハイパーキューブである関数Ｒ（ｕ，ｖ，θ）−ｚへ（例として）線形補間を用いて補間されてもよいクアドラプレット（ｕ，ｖ，θ，ｚ）の収集である。単一モードの場合、これは、ハイパーキューブの古典的な概念と同一である。ｎモードの場合には、これを各ハイパーキューブの波長座標が１ ＦＳＲシフトしたｎ個のハイパーキューブの和と見ることができる。もちろん、マルチモード応答ハイパーキューブに到達するために他の補間方法および方式が用いられてもよい。

大気微量ガスの垂直柱密度を決定するために、所定の順モデルのパラメータが再帰的に調整されて、調整されたパラメータからのモデルの結果が測定された応答と比較される。次に、モデルからの結果と測定された応答との間の差が最小であるときに、モデル結果に到達するために用いられたパラメータが様々な大気微量ガスに関する垂直柱密度であると判断される。この処理の詳細が以下に示される。

所定のシーン内において、地球大気状態が既知であると仮定されて、局所的な大気状態がＰパラメータ、例えば、２つの分光反射率パラメータ（平均および傾き）、異なるガス（ＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｏ）に関する垂直柱密度を用いてモデリングされる。画素地上画素（ｕ、ｖ）ごとに、大気パラメータのタプル（ｐ_１，．．．，ｐ_Ｐ）が推測されて、予想される大気上端スペクトル放射輝度（ＴＯＡＳＲ：ｔｏｐ‐ｏｆ‐ｔｈｅ−ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｄｉａｎｃｅ）λがＭＯＤＴＲＡＮ ５のような順モデルを用いて計算される。地上画素（ｕ，ｖ）が取得されたＦＰ角（θ_ｉ）のセットは、既知である。かかる角度ごとに、その角度におけるＦＰ透過率にＴＯＡＳＲ λを乗じて、予想される応答ｅ_ｉに到達するために、オーダーソーティングフィルタ応答、光学系のスペクトル応答およびセンサの量子効率曲線を考慮に入れて結果が積分される。予想される応答（ｅ_ｉ）のコレクションが、測定雑音を含む測定された応答（ｚ_ｉ）のコレクションと比較される。予想される応答と測定された応答との間の食い違いが最小になるまでパラメータが調整される。これは、確立された技術によって対処できる数値最適化問題を形成する。

プルームは、多くの画素において識別可能であろう。これらの画素からは、ソース濃度にバックグラウンド濃度を加えることによって得られる全濃度が得られるであろう。ソース領域外の画素からは、対応するバックグラウンド・カラムによる吸収が得られるであろう。測定結果に対するアルベドにおける局所的な変動の影響は、各円の外周上の見かけの吸収の変動に反映されるであろう。視野内の他の位置におけるアルベド変動も、シーンのレジストレーションを助けうる表面フィーチャの位置特定などに有用であろう。

上述のようなプルームの濃度をどのように決定するべきかについてさらに明確にするために、留意すべきこととして、本発明の目標の１つは、ソース・フラックス（ｓｏｕｒｃｅ ｆｌｕｘｅｓ）を測定することである。フラックスは、プルーム（ｐｌｕｍｅｓ）として、またはプルームの組み合わせとして現れる。これらは、低空間変動性ではあるが未知のバックグラウンド・スペクトル上の高空間変動性の過剰なＶＣＤ（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｌｕｍｎ ｄｅｎｓｉｔｙ）パターンである。

バックグラウンド・スペクトルをシーンそれ自体から測定できるならば、バックグラウンド・スペクトルをバックグラウンド大気パラメータの知識からモデリングするは必要ない。そして、プルームは局在化しており（それらは視野の小部分を占めると予想されるに過ぎず）、排出ソースの地上位置の予備知識を仮定できるので、それらの起源を知ることができる。これは、ＳＷＩＲ画像のジオリファレンス（ｇｅｏ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）が可能になるためである。ソースが視野全体の垂直柱密度（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｌｕｍｎ ｄｅｎｓｉｔｙ）（ＶＣＤ）レベルに著しく影響するほど十分に大きいことは何も予想されない。

対象のガスの１つ以上の遷移線に中心をおいた簡単なスペクトル吸収マップが視認可能なプルーム形状のマップを提供するであろう。これを局所的な風向履歴の知識と組み合わせると、さらなるモデリングなしに、取得画像の地上画素を手動または自動のいずれかで２つのサブセット、すなわち、バックグラウンドおよびフォアグラウンドに区分することが可能になる。

大気状態は、バックグラウンド位置として分類された位置間で一定であるか、またはゆっくり変化すると仮定されるので、位置固有のアルベドによって生じる乗法的因子を勘案すれば、これらのバックグラウンド地点から発するスペクトル放射輝度は等しいであろう。それゆえに、これらのサンプルの最小二乗適合によってこれらの地点に対してバックグラウンド・スペクトルを組み立てることができ、次に、それをシーン全体へ外挿することができる。これは、フォアグラウンド画素に対してバックグラウンド・スペクトルを提供する。

排出されたプルームのスペクトル効果は、バックグラウンド・スペクトル上の独立した乗法的効果としてモデリングできる。従って、単一モードの場合、観測されたフォアグラウンド・スペクトルをフォアグラウンド画素の外挿されたバックグラウンド・スペクトルで除することによって、分光反射率を乗じた目標ガスのある１つの層の吸収スペクトルを得る。

所定のフォアグラウンド位置に関する過剰なＶＣＤは、それゆえに、目標ガスの層を観測された吸収スペクトルに適合するようにフォワード・スペクトル・モデリングを行うことによって読み出すことができ、それによって、大気モデリングの複雑さを回避する。

地上局へ送信されることになるデータの量をさらに削減するために、選択的ビニングを用いることができる。検出器チャネル（例えば、画素）のビニングは、スペクトル的に等価な画素のみがビニングされない限りスペクトル分解能の劣化をもたらすであろう。本発明のシステムでは、スペクトル同値類は、検出器のヌル点（すなわち、光軸が向かう点）を中心とする複数の円である。データ量を削減するために、ペイロードによってスペクトル的にコヒーレントなビニングを行うことができる。

データのより小さい空間への投影は、削減されたデータがその後の適合を行うために十分でありうるので、典型的に、多大なデータ削減をもたらす標準的な数値解析操作である。リダクション演算子は、通常、線形であり、目標データセットには依存せず、スペクトルカーネルのセット、またはウェーブレットの基底とすることができる。それゆえに、リダクションカーネルを予めプログラムできて、衛星に搭載された処理モジュールがデータリダクションオペレーションを行うことができる。

データが一旦削減されると、削減されたベクトルのみがダウンリンクされるか、または地上局へ送信される。地上ではアルゴリズム的に複雑な非線形適用オペレーションを行うことができる。

正しい目標区域が画像化されていることを保証するために、目標区域のフル分解能画像を送信する前に、得られた画像の「サムネイル」またはより小さいバージョンを地上局へ送信できる。課題は、超小型衛星プラットフォームのターゲッティング誤差が視野のかなりの割合に達しかねず、それによって、クリップなしの最大目標サイズを制限することである。目標サイトも様々な形状およびサイズで入り、かくして、再び組み立てられた視野の一部分のみが目標サイトを含むことになる。しかしながら、ダウンリンクされるデータ（または地上局へ送信されるデータ）を有用な部分に制限するには、取得画像内の目標位置の知識が必要である。これは、取得画像を既知のジオリファレンスされた画像と比較する演算子によって半自動式に最も良好に決定される。それゆえに、この目的のために取得画像の制限バージョンを最初に送信できる。この「プレビュー」バージョンでは空間もしくはスペクトル分解能またはダイナミックレンジを制限できる。理想的には、データ量が単一パスに収まらなければならない。その場合には演算子がプレビュー・バージョンを既知の画像と関連付け、目標を備える注目領域を選択して、その注目領域のディスクリプションを衛星データ処理アセットへ送信できる。衛星搭載データ・プロセッサは、次にその注目領域に基づいてクロップ（ｃｒｏｐ）されたデータセットを生成し、その後、このクロップされたデータセットを地上局へ送信できる。

代わりとして、目標区域の小さい視覚的ディスクリプタのセットを既存の画像に基づいて生成することも可能である。これらの視覚的ディスクリプタを衛星データ・プロセッサへアップリンクできて、注目領域を自動的に選択してクロップするためにこのディスクリプタを用いることができる。さらなる代わりとして、アップリンクされたディスクリプタが一旦検出されると、特定の領域の取得を自動的にトリガするように搭載プロセッサをプログラムできる。

ファブリ・ペロー干渉計に関して、大口径および高フィネスを得るために、多くの技術が用いられた。

上述の通り、本発明は、スペクトル情報を得るためにイメージングシステムとともにファブリ・ペロー干渉計（ＦＰ）を用いる。大部分の高フィネス・ファブリ・ペロー干渉計は、２つの曲面ミラーからなる。これら２つのミラーは、共振キャビティとして用いられる。

本発明のイメージングシステムでは、光がＦＰ干渉計に入る角度がキャビティの共振周波数を変化させる。これは、大気のスペクトル情報を先に説明されたように検出器上のリングの形態で得ることを可能にする。曲面ミラーを用いると、ＦＰ干渉計が離散的な空間モードに対してのみ共振し、その結果、干渉計を通して画像化することがもはや可能でなくなる。このため、高フィネスを得ることがたとえ難しくなりうるとしても、平行平面キャビティが用いられる。そのうえ、画像からスペクトル情報を読み出すために十分な信号を得るには、ＦＰ干渉計のクリアアパーチャがかなり大きくなければならない（一実装ではクリアアパーチャが２２ｍｍである）。高フィネスと広いクリアアパーチャとの組み合わせによって、本発明のＦＰ干渉計はユニークである。

ＦＰ干渉計のフィネスは、反射率フィネスおよび欠陥フィネスの組み合わせである。反射率フィネスは、ミラーの反射率によって支配される。本発明の一実装において、ＦＰ干渉計は、反射率が９７．７％の２つのミラーを用い、これが反射率フィネス１３５を与える。欠陥フィネスは、２つのミラーの表面粗さおよび表面曲率ならびにミラー間の表面傾斜によって支配される。この実装において予想される欠陥フィネスは、（１６５２．５ｎｍにおいて）１９７．５である。この欠陥フィネスは、クリアアパーチャ全体にわたって極めて高い。

好ましくは、ほぼ完全な表面粗さ（１ｎｍ ｒｍｓ未満）、表面曲率（２ｎｍ未満）および表面傾斜（２ｎｍ未満）を有するために２つのミラー間の表面整合が制御される。本発明のファブリ・ペロー干渉計の高フィネスは、以下に説明されるような技術の組み合わせを用いて得られる。

１つの技術は、２つのミラー間で極めて良好な表面整合を得るために流体ジェット研磨を用いる。この技術のために、溶融シリカ基板がλ／２０の表面品質を有するように最初に研磨される。それが一旦得られると、ＦＰ干渉計が組み立てられて、２つの表面間のギャップ間隔を得ることができるように光の透過が測定される。ギャップ間隔が一旦得られると、２つの表面間でほぼ完全な整合を得るために、２つの表面のうちの１つが流体ジェット研磨技術を用いて研磨される。２つのミラー間で約λ／６００の表面整合が得られるまでその処理が反復して繰り返される。この技術を用いると、表面粗さおよび表面曲率を所望の値に制御できる。

用いられる別の技術は、ミラーコーティングによって生じる予測された機械的応力を予め補償する技術である。この技術では、ミラーコーティング工程より前に、基板は、平坦であったかもしれないが、コーティングによって生成された機械的応力が基板をナノメートル・レベルで湾曲させる可能性がある。その湾曲を補正するために、所望のミラーコーティングと同じ厚さおよび材料が２つの基板にコーティングされた。湾曲の値が次に測定された。この値を用いて、次に、ＦＰ干渉計のための基板がコーティング工程に先立って逆の湾曲を有するように研磨される。この技術を用いると、１桁のナノメートルの曲率を得ることができる。

さらなる技術は、ＦＰ干渉計のための機械的取付台を用いた微細傾斜調整を伴う。この技術では、流体ジェット研磨および予備補償が達成されたときに、２つのミラー間の傾斜がまだ補正されないままである。そのような理由で取付台が設計される。ミラー間の傾斜が、本発明の一実装では、口径全体にわたって２ｎｍより小さくなるように、３つのフレキシャがＦＰ干渉計組立品に相対的な量で圧力を加える。

上述のように、本発明の様々な態様は、ある１つのシステムとして、またはより大きいシステムの部分として実装されてもよい。本発明のいくつかの態様は、空中プラットフォーム（例えば、有人もしくは無人空中ビークル）または衛星を伴うより大きいモニタリング・システムの一部として実装されてもよい。上記の例は、本発明の様々な態様が衛星に搭載された実施形態を示すが、これらの態様は、適切な空中プラットフォームにも搭載されてもよい。かかる実施形態は、用いられる望遠鏡のタイプ／能力が衛星の実装とは異なってもよい。

上記の例は、本発明を特定のスペクトル範囲に用いることを開示するが、上述された以外のスペクトル範囲も可能なことにも留意すべきである。別の例として、本発明は、３５０〜４５０ｎｍの範囲ならびに２００ｎｍから２０ミクロンの範囲に用いられてもよい。これらの範囲は、例として示されるに過ぎず、本発明の範囲を限定すると理解されるべきではない。

本発明の実施形態は、コンピュータ・プロセッサもしくは方法ステップの仕方でプログラムされた同様のデバイスによって実行されてもよく、またはこれらのステップを実施するための手段が設けられた電子システムによって実行されてもよい。同様に、電子メモリ手段、例えば、コンピュータ・ディスケット、ＣＤ‐ＲＯＭ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ：Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ：Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）または当技術分野で知られた同様のコンピュータソフトウェア記憶媒体がかかる方法ステップを実行するようにプログラムされてもよい。同様に、これらの方法ステップを表す電子信号が通信ネットワーク経由でさらに送信されてもよい。

本発明の実施形態は、任意の従来型コンピュータプログラム言語で実装されてもよい。例えば、好ましい実施形態は、手続き型プログラミング言語（例えば、「Ｃ」）またはオブジェクト指向言語（例えば、「Ｃ＋＋」、「ｊａｖａ（登録商標）」、「ＰＨＰ」、「ＰＹＴＨＯＮ」、もしくは「Ｃ＃」）で実装されてもよい。本発明の代わりの実施形態は、予めプログラムされたハードウェア要素、他の関連するコンポーネントとして、またはハードウェアおよびソフトウェア・コンポーネントの組み合わせとして実装されてもよい。

実施形態は、コンピュータシステムとともに用いるためのコンピュータプログラム製品として実装できる。かかる実装は、コンピュータ可読媒体（例えば、ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、もしくは固定ディスク）のような有形の媒体上に固定されるか、または、モデムもしくは他のインターフェース・デバイス、例えば、媒体を介してネットワークに接続された通信アダプタ経由でコンピュータシステムへ送信できる、一連のコンピュータ命令を含んでもよい。媒体は、有形の媒体（例えば、光もしくは電気通信回線）またはワイヤレス技術（例えば、マイクロ波、赤外線もしくは他の送信技術）を用いて実装された媒体のいずれかであってもよい。一連のコンピュータ命令は、本明細書に前述された機能性のすべてまたは一部を具現する。当業者は、多くのコンピュータアーキテクチャもしくはオペレーティングシステムとともに用いるためにかかるコンピュータ命令をいくつかのプログラム言語で書くことができることを理解すべきである。そのうえ、かかる命令は、任意のメモリデバイス、例えば、半導体、磁気、光、または他のメモリデバイスに記憶されてもよく、任意の通信技術、例えば、光、赤外線、マイクロ波、または他の送信技術を用いて送信されてもよい。予想されるのは、かかるコンピュータプログラム製品が付随する印刷または電子文書（例えば、市販ソフトウェア）を伴うリムーバブル媒体として配布されてもよく、コンピュータシステムを用いて（例えば、システムＲＯＭもしくは固定ディスク上に）予め読み込まれてもよく、またはネットワーク（例えば、インターネットもしくはワールド・ワイド・ウェブ）を介してサーバから配布されてもよいことである。もちろん、本発明のいくつかの実施形態は、ソフトウェア（例えば、コンピュータプログラム製品）およびハードウェアの両方の組み合わせとして実装されてもよい。本発明のさらに他の実施形態は、完全にハードウェア、または完全にソフトウェア（例えば、コンピュータプログラム製品）として実装されてもよい。

本発明を理解した当業者であれば、添付の特許請求の範囲において規定されるような本発明の範囲内にあることが意図された代わりの構造および実施形態もしくは上記のすべての変形形態を今や想起することができる。

Claims (28)

1. 観測プラットフォームから特定の目標位置における大気微量ガス排出物を検出するための方法であって、前記方法は、
   ａ）前記プラットフォームに画像収集デバイスを設けるステップであって、前記プラットフォームは、前記特定の目標位置の上空を飛ぶ、ステップと、
   ｂ）前記特定の目標位置から収集された光が前記画像収集デバイスによって受光される前に広角ファブリ・ペロー干渉計を通過するように、前記プラットフォームに前記干渉計を設けるステップであって、前記干渉計は、目標区域に対する前記大気微量ガス排出物が複数の波長における光を用いて測定されることを許容する、ステップと、
   ｃ）前記干渉計に対する横断角に基づいて、前記特定の目標位置から収集された前記光に対する前記画像収集デバイス上の複数の画素のスペクトル応答を決定するステップと、
   ｄ）前記特定の目標位置における大気微量ガスの垂直柱密度を決定するために、所定のモデルのパラメータを再帰的に調整し、前記画像収集デバイスからの前記スペクトル応答を前記モデルからの結果と再帰的に比較するステップであって、前記垂直柱密度は、関連する大気分光法および前記プラットフォーム上のデバイスからの全機器応答を考慮した値である、ステップと
   を備える、方法。
2. 前記干渉計は、高フィネスを有する、請求項１に記載の方法。
3. 選択されたスペクトル範囲における複数のモードがフィルタを通過することを前記フィルタが許容するように、前記フィルタを前記干渉計に適用するステップをさらに含み、通過することを許容された前記複数のモードは、相互に隣接するモードである、請求項１に記載の方法。
4. 衛星が前記特定の目標位置の上方を進むにつれて前記目標区域の複数の画像を収集するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 特定の目標位置における大気微量ガス排出物を検出するための方法であって、前記方法は、
   ａ）観測プラットフォーム上に画像収集デバイスを設けるステップであって、前記プラットフォームは、前記特定の目標位置の上空を飛ぶために用いられる、ステップと
   ｂ）前記特定の目標位置で収集された複数の波長における光が前記画像収集デバイスによって受光される前にファブリ・ペロー干渉計を通過するように、前記プラットフォームに前記干渉計を設けるステップであって、前記干渉計は、光スループットを最大にする大口径および高スペクトル分解能を提供する高フィネスも有し、前記大口径および前記高フィネスは、前記画像収集デバイス中の各画素における精密な波長での測定を可能にする、ステップと、
   ｃ）選択されたスペクトル範囲における複数のモードがフィルタを通過することを前記フィルタが許容するように、前記フィルタを前記干渉計に適用するステップであって、通過することを許容された前記複数のモードは、相互に隣接するモードである、ステップと、
   ｄ）前記画像収集デバイスからの信号を用いて、前記特定の目標位置における大気微量ガスの垂直柱密度を決定するステップと
   を備える、方法。
6. 前記スペクトルは、衛星が前記特定の目標位置の上方を進むにつれて前記画像収集デバイスによって収集された複数の画像から収集される、請求項５に記載の方法。
7. 前記干渉計に対する横断角に基づいて、前記特定の目標位置から収集された前記光に対する前記画像収集デバイス上の複数の画素のスペクトル応答を決定するステップをさらに含み、前記ステップｄ）は、前記特定の目標位置における前記大気微量ガスの垂直柱密度を決定するために、所定のモデルのパラメータを再帰的に調整し、前記画像収集デバイスからの前記スペクトル応答を前記モデルからの結果と再帰的に比較することによって達成され、前記垂直柱密度は、関連する大気分光法および前記プラットフォーム上のデバイスからの全機器応答を考慮した値である、請求項５に記載の方法。
8. 特定の目標位置からの大気微量ガス排出物を検出するための方法であって、前記方法は、
   ａ）観測プラットフォームに画像収集デバイスを設けるステップであって、前記プラットフォームは、前記特定の目標位置の上空を飛ぶために用いられる、ステップと
   ｂ）特定の目標位置から収集された光が前記画像収集デバイスによって受光される前に広角高フィネス・ファブリ・ペロー干渉計を通過するように、衛星に前記干渉計を設けるステップと、
   ｃ）複数の大気微量ガス排出物に関するデータをそれによって同時に収集するために、前記プラットフォームが前記特定の目標位置の上方を通過するにつれて前記特定の目標位置に対する複数の画像を収集するステップと、
   ｄ）選択されたスペクトル範囲における複数のモードがフィルタを通過することを前記フィルタが許容するように、前記フィルタを前記干渉計に適用するステップであって、通過することを許容された前記複数のモードは、相互に隣接するモードである、ステップと、
   ｅ）前記干渉計に対する横断角に基づいて、前記特定の目標位置から収集された前記光に対する前記画像収集デバイス上の複数の画素のスペクトル応答を決定するステップと、
   ｆ）前記特定の目標位置における大気微量ガスの垂直柱密度を決定するために、前記複数の画像において前記光によって生じたスペクトルから前記大気微量ガス排出物の垂直柱スペクトル密度を決定するステップであって、所定のモデルのパラメータを再帰的に調整し、前記画像収集デバイスからの前記スペクトル応答を前記モデルからの結果と再帰的に比較することによって達成される、ステップと、を備え、
   前記垂直柱密度は、関連する大気分光法および前記プラットフォーム上のデバイスからの全機器応答を考慮した値である、方法。
9. 前記複数の画像の地上画素をフォアグラウンド画素およびバックグラウンド画素に区分するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記フォアグラウンド画素に対してバックグラウンド・スペクトルを決定するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記フォアグラウンド画素のスペクトルを前記バックグラウンド・スペクトルで除することによって、前記大気微量ガス排出物の吸収スペクトルを決定するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 地上局へ送信されることになるデータを削減するためにスペクトル的にコヒーレントな画素をビニングするステップをさらに備える、請求項８に記載の方法。
13. 前記複数の画像から解像度を下げた画像を地上局へ送信し、応答として前記地上局から目標データを受信するステップをさらに含み、前記目標データは、前記画像収集デバイスによって画像化されることになる前記特定の目標位置を示す、請求項８に記載の方法。
14. 前記目標データは、前記複数の画像のうちのどの画像のどの部分が前記地上局へ送信されることになるかを決定するために前記プラットフォーム上のデータ処理デバイスによって用いられる、請求項１３に記載の方法。
15. 前記複数の画像のうちの少なくとも２つは、前記複数の画像を圧縮する前に互いに配列される、請求項８に記載の方法。
16. 前記複数の画像は、濃度マップを生成するために前記プラットフォーム上のデータ処理デバイスによって処理される、請求項８に記載の方法。
17. 前記ファブリ・ペロー干渉計は、
    ‐前記干渉計で用いられるミラーの２つの表面間の適切な整合を得るための流体ジェット研磨技術と、
    ‐前記ミラー上のコーティングに起因した予測される湾曲を予め補償するステップと、
    ‐傾斜を低減するために相対的な量で圧力を加える複数のフレキシャを用いることによって前記ミラー間の前記傾斜を調整するステップと
    のうちの少なくとも１つを用いて製造される、請求項８に記載の方法。
18. 前記ファブリ・ペロー干渉計は、平行平面キャビティを用いる、請求項８に記載の方法。
19. 衛星から惑星上の大気微量ガス排出物を検出するための方法であって、前記方法は、
    ａ）前記衛星に画像収集デバイスを設けるステップであって、前記衛星は、前記惑星の回りの軌道上にある、ステップと、
    ｂ）前記惑星上の特定の目標位置から収集された光が前記画像収集デバイスによって受光される前に広角高フィネス・ファブリ・ペロー干渉計を通過するように、前記衛星に前記干渉計を設けるステップと、
    ｃ）前記衛星が前記特定の目標位置の上方を通過するにつれて前記特定の目標位置に対する複数の画像を収集するステップと、
    ｄ）選択されたスペクトル範囲における複数のモードがフィルタを通って前記画像収集デバイスへ通過することを前記フィルタが許容するように、前記フィルタを前記干渉計に適用するステップと、
    ｅ）前記干渉計に対する横断角に基づいて、前記特定の目標位置から収集された前記光に対する前記画像収集デバイス上の複数の画素のスペクトル応答を決定するステップと、
    ｆ）前記特定の目標位置における大気微量ガスの垂直柱密度を決定するために、所定のモデルのパラメータを再帰的に調整し、前記画像収集デバイスからのスペクトル応答を前記モデルからの結果と再帰的に比較するステップであって、前記垂直柱密度は、関連する大気分光法および前記プラットフォーム上のデバイスからの全機器応答を考慮した値である、ステップと
    を備える、方法。
20. 観測プラットフォームによって特定の目標位置からの大気微量ガス排出物を検出するためのシステムであって、前記システムは、
    ‐前記プラットフォームに位置する画像収集デバイスであって、前記プラットフォームは、前記特定の目標位置の上空を飛ぶためであり、前記画像収集デバイスは、前記プラットフォームが前記特定の目標位置の上空を飛ぶにつれて前記特定の目標位置の複数の画像を収集するためである、画像収集デバイスと、
    ‐広角高フィネス・ファブリ・ペロー干渉計であって、前記干渉計は、前記プラットフォームに位置して、前記特定の目標位置から収集された光が前記画像収集デバイスによって受光される前に前記干渉計を通過するように構成された、干渉計と、
    ‐前記特定の目標位置からの光を前記干渉計によって受光される前にフィルタするためのフィルタであって、前記フィルタは、選択されたスぺクトル範囲における複数のモードが前記フィルタを通って前記画像収集デバイスへ通過することを許容するためである、フィルタと
    を備え、前記システムは、
    前記干渉計に対する横断角に基づいて、前記特定の目標位置から収集された前記光に対する前記画像収集デバイス上の複数の画素のスペクトル応答を決定し、
    前記特定の目標位置における大気微量ガスの垂直柱密度を決定するために、所定のモデルのパラメータを再帰的に調整し、前記画像収集デバイスからの前記スペクトル応答を前記モデルからの結果と再帰的に比較することによって前記大気微量ガスの前記垂直柱密度を決定する、システムであって、
    前記垂直柱密度は関連する大気分光法および前記プラットフォーム上のデバイスからの全機器応答を考慮した値である、システム。
21. 通過することが前記フィルタによって許容された前記複数のモードは、相互に隣接するモードである、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記衛星に搭載されたデータ処理モジュールをさらに含み、前記データ処理モジュールは、前記複数の画像を画像処理するためであり、前記複数の画像は、地上局へ送信される前に処理される、請求項２０に記載のシステム。
23. 前記データ処理モジュールは、前記複数の画像から解像度を下げた画像をそれによって地上局へ送信し、応答として前記地上局から目標データをそれによって受信するために前記複数の画像を処理し、前記目標データは、前記画像収集デバイスによって画像化されることになる前記特定の目標位置を示す、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記目標データは、前記複数の画像のうちのどの画像のどの部分が前記地上局へ送信されることになるかを決定するために前記データ処理モジュールによって用いられる、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記複数の画像のうちの少なくとも２つは、前記複数の画像を圧縮する前に前記画像をそれによって互いに配列するために前記データ処理モジュールによって処理される、請求項２２に記載のシステム。
26. 前記複数の画像は、濃度マップを生成するためにデータ処理モジュールによって処理される、請求項２２に記載のシステム。
27. 前記ファブリ・ペロー干渉計は、
    ‐前記干渉計で用いられるミラーの２つの表面間の適切な整合を得るための流体ジェット研磨技術と、
    ‐前記ミラー上のコーティングに起因した予測される湾曲を予め補償することと、
    ‐傾斜を低減するために相対的な量で圧力を加える複数のフレキシャを用いることによって前記ミラー間の前記傾斜を調整することと
    のうちの少なくとも１つを用いて製造される、請求項２０に記載のシステム。
28. 前記ファブリ・ペロー干渉計は、平行平面キャビティを用いる、請求項２０に記載のシステム。

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