V
p= GSD
（5）一方、図 3.2.3-5、および（4）、(5)式より、ステアリング撮像での光学センサ視線対 地速度VSは以下の(６)式となる。
n V n t
GSD t
V GSD
Pp S
S
=
= ×
=
(6)(5)、（6）式より、ステアリング撮像での視線対地速度 VSはプッシュブルーム撮像の
視線対地速度VPの1/nになる。
次に、プッシュブルーム撮像、ステアリング撮像にて同一の1画素検出器積算時間ｔ を採用した場合、時刻t間における、プッシュブルーム撮像、ステアリング撮像における 衛星のセンサ視線移動量(GSDに相当)は(5)、(6)式より、以下の(7)、(8)式となる。
GSDP =VP ×t (7) (プッシュブルーム撮像GSD)
n t GSD n
t V V
GSDS = S × = P × = P (8) （ステアリング撮像GSD）
(7)、(8)式より1画素検出器積算時間が同一の場合、GSDSはGSDＰの1/nとなり、ステ アリング撮像ではプッシュブルーム撮像より、高分解能化が可能である。この時、光学セ ンサは設定軌道高度、観測波長において（1）式のレーリー分解能が(8)式の GSDSを満た す様に開口径を設定する。
以上を踏まえ、本検討では、ステアリング撮像について表 3.2.3-1 に示す2項目を検討 した。
表3.2.3-1 ステアリング撮像における検討項目
項目 内容
１ ステアリング撮像により非冷却検出器時定数に達する積算時間を確保し つつ、NETDの向上。
2 ステアリング撮像により非冷却検出器時定数に達する積算時間、及び一定 のNETDを確保しつつ、GSDの向上。
なお、ステアリング撮像で連続領域撮像する際、ステアリング 1画素積算時間に対し検
100
出器のAT方向の画素数が十分ないと図 3.2.3-6 示す様に観測エリア間で観測できない隙 間が発生する場合があり、この場合は図 3.2.3-7 に示す様にAT方向の画素数を増加させ ることが必要となる。
101
図 3.2.3-6 検出器画素数が足りず連続領域撮像不可の場合 図 3.2.3-7 検出器AT方向画素数を増やし観測幅を広げ連 続領域撮像を実現
AT
Staring 1画素積算時間：ts
GSD 観測幅 地表面
：IFOV
：FOV
Staring 1画素積算時間：ts
GSD 隙間 観測幅
AT
Staring 1画素積算時間：ts
GSD 観測幅
Staring 1画素積算時間：ts
GSD 観測幅 地表面
：IFOV
：FOV
Staring 1画素積算時間：ts
GSD 観測幅
Staring 1画素積算時間：ts
GSD 隙間 観測幅
AT
Staring 1画素積算時間：ts
GSD GSD
Staring 1画素積算時間：ts
観測幅 観測幅
地表面
：IFOV
：FOV
AT
Staring 1画素積算時間：ts
GSD GSD
Staring 1画素積算時間：ts
観測幅 観測幅
地表面
：IFOV
：FOV
102 3.2.3.1 赤外センサの検討
第２章での調査検討結果及び技術委員会での検討を踏まえ、ステアリング撮像を前提 とした非冷却赤外センサ素子搭載単一バンド、マルチスペクトル赤外センサの 2 タイプを 検討した。表 3.2.3.1-1 に搭載を想定した非冷却赤外センサ素子の仕様を示す。
表 3.2.3.1-1 非冷却赤外センサ素子の仕様(※)39)
(※)出展：小笹山,杉野,et.al.：“高感度SOIダイオード方式非冷却赤外線FPA ”、 日本赤外線学会第４９回定例研究会
衛星搭載赤外センサを検討するに当たり前提とした条件を表 3.2.3.1-2 に示す。
表 3.2.3.1-2 検討にて前提とした条件
JAROS殿提示 50～100m程度
ＧＳＤ
小型衛星搭載の上限として設定 φ300mm以下
望遠鏡開口
表3.2.3.5-1のpixel サイズ、およびレイリー分解能 を決定する（3）式より
Fナンバー 2.05
100～800km 軌道高度
マルチ
単一バンド 8～12μm （中心波長:10μm） JAROS殿提示
上限4はStaring撮像時の姿勢安定度によるMTF劣 化を考慮し設定。
Staring型
（Staring×4を上限）
撮像方式
対象温度：300K NETD：JAROS殿提示 0.3～0.5K
NETD
JAROS殿提示 単一バンド域にて2ch以上
帯域
備考 内容
項目
JAROS殿提示 50～100m程度
ＧＳＤ
小型衛星搭載の上限として設定 φ300mm以下
望遠鏡開口
表3.2.3.5-1のpixel サイズ、およびレイリー分解能 を決定する（3）式より
Fナンバー 2.05
100～800km 軌道高度
マルチ
単一バンド 8～12μm （中心波長:10μm） JAROS殿提示
上限4はStaring撮像時の姿勢安定度によるMTF劣 化を考慮し設定。
Staring型
（Staring×4を上限）
撮像方式
対象温度：300K NETD：JAROS殿提示 0.3～0.5K
NETD
JAROS殿提示 単一バンド域にて2ch以上
帯域
備考 内容
項目
Array size 640 x 480
Pixel size 25 µm x 25 µm
Die size 20 mm x 19 mm
Responsivity (F/1.0) 6.6 mV/K
RMS noise 140 µVrms
NETD (F/1.0, 30Hz) 21 mK
Thermal time constant 16 msec
103 3.2.3.2 単一バンド赤外センサ検討
表 3.2.3-1 の項目1に基づき、ステアリング撮影により非冷却検出器時定数に達する 積算時間を確保しつつ、NETDの向上させるケースを検討した。表 3.2.3.5-2 より、赤外 センサのFナンバーは 2.05、GSDは 50～100m程度より、ここではGSD を 90m、60m を設定した場合、軌道高度とNETDの結果を図 3.2.3.2-1 に示す。
図 3.2.3.2-1 より、プッシュブルーム（stairing×1 に相当）ではNETD 0.5K以下 は達成できず、また積算時間は非冷却素子時定数に達してないため現実的には撮像自体が 困難といえる。一方、ステアリング撮像ではGSD 90mでは×2 以上、GSD 60mでは×3 以上で非冷却赤外センサ素子の時定数に達する積算時間を確保しつつ、表 3.2.3.1-2 記載 のNETD 0.5K以下を達成可能である。
104
N E T D と 軌 道 高 度の 関 係 ( 単 一 バ ン ド F2 . 0 5 G S D 6 0 m )
0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8
0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 00 1 0 0 0
軌 道 高 度 [ k m ]
NETD
p u s h b r o o m S t a r i n g × 2 S t a r i n g × 3 S t a r i n g × 4 NETD と 軌 道 高 度 の 関 係
(単 一 バ ン ド F 2.0 5 GS D 90 m)
0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8
0 2 00 4 00 6 00 8 00 100 0
軌 道 高 度 [k m]
NETD
p u s h b r o o m S t a r i n g × 2 S t a r i n g × 3 S t a r i n g × 4
GSD 90m GSD 60m
（※）
（※）
低軌道になると対地速度が増加、
積算時間短くなりNETD悪化 低軌道になると対地速度が増加、
積算時間短くなりNETD悪化
低軌道になると対地速度が増加、
積算時間短くなりNETD悪化
図 3.2.3.2-1 F2.05、GSD90、60mでの軌道高度とNETDの関係
（※）プッシュブルームでは1画素当り積算時間が検出器時定数 16msに達していない。
105
次に、表 3.2.3-1 の項目 2 に基づき、ステアリング撮像により非冷却検出器時定数に 達する積算時間、及び一定のNETDを確保しつつGSDの向上するケースを検討した。図 3.2.3-9 に赤外センサFナンバー2.05､NETD 0.5Kと設定した場合のステアリング撮像撮 影で達成可能なGSDと軌道高度の関係を示す。
図 3.2.3.2-2 F2.05、NETD 0.5Kにおいて達成可能なGSDと軌道高度の関係
図 3.2.3.2-2 より、軌道高度は高いほど対地速度の影響は減少し、高度 700km では stairing×2、3、4に対しGSDは34、46、68ｍとなり、ステアリング撮像によりプッシ ュブルーム撮像では達成できない分解能も可能になる。
GSDと 軌 道 高 度 の 関 係 (単 一 バ ン ド F2 .05 NETD:0.5K)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0 1 00 20 0 300 400 500 600 700 8 00 90 0 1000 軌 道 高 度 [km]
GSD [m]
p u s h b r o o m S t a r i n g × 2 S t a r i n g × 3 S t a r i n g × 4
低軌道ほど対地速度が増加し、NETD0.5Kを得る積算時間内での衛星移動量が増えGSDが増大
GSD：68m GSD：46m GSD：34m
106
次に図 3.2.3.2-2 の結果より、軌道高度 700km にてステアリング撮像で実現可能な GSD34、46、68ｍにおいて必要となる望遠鏡開口を GSD と望遠鏡開口サイズの関係を表す
（1）式より求めた結果を図 3.2.3.2-3 に示す。
図 3.2.3.2-3 GSDと望遠鏡開口の関係
図 3.2.3.3-3 より、軌道高度 700kmにて必要な望遠鏡開口はGSD 34ｍ→Φ250mm、
GSD 46m→Φ190mm 、GSD 68m→Φ125mmとなり、表 3.2.3-3 記載の望遠鏡開口最大 径Φ300mmを下回っており、本検討にて設定した小型衛星への搭載条件を満足する。
Ｇ Ｓ Ｄ と 望 遠 鏡 開 口
（ 軌 道 高 度 7 0 0 k m、 F2 . 0 5 、 波 長 1 0 μ m ）
0 50 1 00 1 50 2 00 2 50 3 00
2 0 3 0 40 50 6 0 7 0 8 0
G S D [ m]
望遠鏡開口 [mm]
107
以上より、単一バンド赤外センサの検討結果を表 3.2.3.2-2 に示す。
表 3.2.3.2-2 単一バンドセンサ予測性能
タイプ タイプ2 タイプ3 備考
34m 46m 68m
512mm 383mm 255mm
250mm 187mm 125mm F2.05
34m 46m 68m
21.8×16.3km 29.4×22.1km 43.8×32.6km
×4 ×3 ×2
AT CT
観測対象300K 0.5K以下
ＧＳＤ
700km 8～12μm
0.2以上 0.2以上 Staring数
観測波長領域 分解能 観測幅
MTF NETD
項目
焦点距離 開口 高度
108
表 3.2.3-3 記載の要求GSDは 50m～100mである事から、表 3.2.3.2-2 記載のタイプ 3
（stairing×2 GSD 68m）赤外センサについて光学設計を行いその事例を以下に示す。
図 3.2.3.2-4 光学配置
図 3.2.3.3-5 MTF
335mm
Φ 125m m
硝材:Ge
335mm
Φ 125m m
硝材:Ge
非冷却素子 ナイキスト周波数
非冷却素子 ナイキスト周波数
109 3.2.3.3 マルチスペクトル赤外センサ検討
表 3.2.3-3 により、観測波長域 8～12μmを等間隔の帯域幅で 2～5 バンドに分割した 場合を設定し、表 3.2.3.3-1 に各バンドの波長域を示す。
表 3.2.3.3-1 マルチスペクトル赤外センサ検討における設定バンドと波長域
バンド数 バンド名 波長域
T1 8.0-10.0μm T2 10.0-12.0μm T1 8.0-9.3μm T2 9.3-10.7μm T3 10.7-12.0μm T1 8.0-9.0μm T2 9.0-10.0μm T3 10.0-11.0μm T4 11.0-12.0μm T1 8.0-8.8μm T2 8.8-9.6μm T3 9.6-10.4μm T4 10.4-11.2μm T5 11.2-12.0μm 5
2
3
4
表 3.2.3.2-2 記載した 3 タイプの単一バンド赤外センサのそのまま表 3.2.3.3-1 設定バ ンドで使用した際のバンド分割数とＮＥＴDの関係を図 3.2.3.3-1 に示す。
110
表 3.2.3.2-3 記載 タイプ 1 表 3.2.3.2-3 記載 タイプ 2 表 3.2.3.3-3 記載 タイプ3 ( stairing×4 GSD 34m) (stairing×3 GSD 46m) (stairing×2 GSD 68m)
図 3.2.3.3-1 単一バンド赤外センサをマルチスペクトルセンサに使用した場合のバンド分割数とNETDの関係
バ ン ド 数 と NETD
軌 道 高 度 700km、 F2.05、 Staring× 4、 分 解 能 34m
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0 1 2 3 4 5 6
バ ン ド 数
NETD [K]
T2 T1
T3 T2 T1
T4 T3 T2 T1
T5 T4 T3 T2 T1 バ ン ド 数 と NETD
軌 道 高 度 700km、 F2.05、 Staring× 4、 分 解 能 34m
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0 1 2 3 4 5 6
バ ン ド 数
NETD [K]
T2 T1
T3 T2 T1
T4 T3 T2 T1
T5 T4 T3 T2 T1
バンド数とNETD
軌道高度700km、F2.05、Staring×3、分解能46m
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0 1 2 3 4 5 6
バンド数
NETD [K]
T2 T1
T3 T2 T1
T4 T3 T2 T1
T5 T4 T3 T2 T1 バンド数とNETD
軌道高度700km、F2.05、Staring×3、分解能46m
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0 1 2 3 4 5 6
バンド数
NETD [K]
T2 T1
T3 T2 T1
T4 T3 T2 T1
T5 T4 T3 T2 T1
バンド数とNETD
軌道高度700km、F2.05、Staring×2、分解能78m
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0 1 2 3 4 5 6
バンド数
NETD [K]
T2 T1
T3 T2 T1
T4 T3 T2 T1
T5 T4 T3 T2 T1 バンド数とNETD
軌道高度700km、F2.05、Staring×2、分解能78m
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0 1 2 3 4 5 6
バンド数
NETD [K]
T2 T1
T3 T2 T1
T4 T3 T2 T1
T5 T4 T3 T2 T1
111
図 3.2.3.3-1 より、単一バンド赤外センサ光学系をそのまま使用した場合は、帯域分割 により検出素子への入射光量が低下しNETD 0.5K以下を達成するには難しく、マルチ用 光学系としてステアリング撮像による積算時間の増加とGSD の拡大によりNETD 0.5K を達成する必要がある。
図 3.2.3.3-1 の結果を踏まえ、赤外センサFナンバー2.05 にて、ステアリング数を最大 の×4 とし、赤外センサの焦点距離を変え、図 3.2.3.3-1 にて最もNETDが大きかった長 波長側バンドにてNETD 0.5Kを得るGSDとバンド数の関係を図 3.2.3.3-2 に示す。
図 3.2.3.3-2 マルチスペクトルセンサにてNETD 0.5KとなるGSDとバンド数の関係
図 3.2.3.3-2 より、表 3.2.3-3 記載の要求GSD 50～100m程度を達成するにはバンド数 は 2 が上限となる。
バ ン ド 数 と GSD
軌 道 高 度 700km、 F2.05 、 Sta ring× 4、 NE TD 0.5K
0 50 100 150 200 250
0 1 2 3 4 5 6
バ ン ド 数
GSD [m]
112
マルチスペクトル赤外センサに非冷却素子を用いた場合の検討結果を以下に示す。
表 3.2.3.3-2 マルチスペクトル赤外センサ予測性能
表 3.2.3.3-2 記載のマルチスペクトル赤外センサの光学設計事例を以下に示す。
光学配置図を図 3.2.3.3-3 に、T1 バンドの MTF を図 3.2.3.3-4 に及びT2 バンドの MTFを図 3.2.3.3-5 に示す。
数値 備考
229mm
112mm F2.05 700km
T1 8.0～10.0μm T2 10.0～12.0μm
76m 48.6×36.5km
AT 0.2以上
CT 0.2以上
×4
0.5K以下 観測対象300K MTF
NETD
観測波長領域 高度
分解能 観測幅
Staring数 項目 焦点距離 開口
113
図 3.2.3.3-3 光学配置図
図 3.2.3.3-4 T1 バンドMTF 図 3.2.3.3-5 T2 バンドMTF
非冷却素子 ナイキスト周波数
非冷却素子
ナイキスト周波数 非冷却素子
ナイキスト周波数 非冷却素子 ナイキスト周波数
114 3.3 開発課題の検討
衛星搭載熱赤外センサの小型・軽量化の検討を行い、冷却型赤外センサ素子を用いた 場合と非冷却赤外センサ素子を用いた場合の現時点で実現可能な目標仕様及び実施例につ いて検討・考察した。それぞれ特徴のある衛星搭載センサシステムが構築可能であるが、
以下のような開発課題が残っている。
(1) 赤外センサ素子
冷却型赤外センサ素子は、MCT が依然として主流であり、製造方法の改良もなされて いるが画素欠陥が避けられないという課題がある。一方、量子井戸型の QWIP センサは MCT に比べ量子効率は落ちるが、再現性、均一性に優れた大規模、低コストセンサを実 現できる可能性がある。量子効率の向上が必要である。Type II Superlattice（SLS）は MCTセンサを超える高い潜在性能が期待されているが、2次元画素数が小さく、画素数の 拡大が望まれる。また、冷却型赤外センサ素子では冷凍機が必要で、それに伴う振動対策 が場合によっては必要である。
非冷却赤外センサ素子を用いた場合、プッシュブルーム撮像では非冷却赤外センサ素子 の時定数により GSD、NEDT が制限されるが、ステアリング撮像により積分時間を延ば すことでプッシュブルーム撮像では達成できない GSD、NEDT の向上が可能である。し かしステアリング撮像により衛星に対して高機動性能および高姿勢安定度を要求すること になり、衛星への要求を緩和するためには多画素化や時定数の削減が必要である。また、
多画素化はマルチ波長化する場合にも有効な方策である。
(2) 校正
イメージャーでは校正機能は不要だが、放射計では校正機能が必要となる。軌道上では 低温、高温の 2 点校正とし、低温側は深宇宙観測にて校正可能である。高温側はヒーター 制御されたカバーを搭載黒体としての使用や月校正が考えられるが、小型衛星用として最 適な校正手段を検討する必要がある。
(3) 衛星
非冷却赤外センサ素子を用いた赤外センサで、ステアリング撮像を行う際、本検討にお けるステアリング×4 でもその積算時間は 0.1[sec]以下、衛星のステアリング角は高度
700kmで数分角程度である。これを実現する為の衛星の高姿勢安定性能、高機動性が課題
となる。