光波測距儀

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この LIDAR スキャナは建物や岩場等の3Dモデルの生成に使用される。LIDARはレーザー光を広範囲に照射する。: 頭部が水平方向に回転して内部の鏡が垂直方向に回転する。

光波測距儀(こうはそっきょぎ、: electro-optical distance measuring instrument)とは、光波を用いて距離を測定する装置を言う[1]。 光波測距儀は光(可視光)を用いることから、天候障害の影響を受けやすいという弱点があるが、比較的近距離の対象に対しては電波測距儀よりも顕著に高い精度での測定ができる[2]

光波測距儀の考え方は、アルマン・フィゾーの光速測定実験に始まると言える[3]

概要[編集]

光波測距儀の動作原理は、測距儀から測点に設置した反射プリズム(ミラーとも呼ばれる)に向けて発振した光波を発射し、反射プリズムで反射した光波を測距儀が感知するまでに発振した回数から距離を得る、というものである[4]

一定の周期で明滅する光を外部のプリズムからの反射光と参照した内部の信号との位相のずれを検出する。但し、位相のずれは360°毎に0になるので明滅周波数を対象の測定距離に応じて切り替える必要がある。明滅周期が高い程、精度は上がるものの、前述の理由により位相のずれが0になるので通常は複数の周波数を切り替える。内部の信号は分周期で分周し、外部からの信号は電気信号に変換してから増幅してスーパーヘテロダインと同様にダブルバランスドモジュレーターで内部の基準信号と重ねて中間周波数(唸り)[5]を出力する。これには位相成分が残されているので分周した信号と比較して位相のずれを検出する。中間周波数を利用するのは周波数が低い方が高増幅率のトランジスタが使用でき信号/雑音比を大きくすることができるため、信号として扱いやすいからである。

距離を計測するだけでなく水平角度、垂直角度を計測する経緯儀としての能力を持った測距儀が主に利用されることからトータルステーションとも呼ばれる。光波の他に電波を利用した電波測距儀がある。こちらは、測定距離が十数キロメートルと長い場合に利用する。ただし、光波測距儀に比べて測定精度は落ちる。光波測距儀でも計測できないほど測定距離が長い、精度が欲しい、若しくは測点との目視ができない場合はGPS測量機を利用した測距を行う。

光源として発光ダイオードを用いる物とレーザー光を用いるものがある。後者は直進性に優れる為月面までの距離を測定する等、長距離、高精度の測定に用いられる。また、射撃照準にも用いられる。近年は普及型の測距計にもレーザー式が一般化している。

光波測距儀の光の変調にはケルセルが使用されていたが耐久性等に問題があるため、現在では直接光源を変調する。

トータルステーションシステム[編集]

光波測距儀やGPS測量機の中にはマイコンオペレーティングシステムを搭載し遠隔操作による無人計測や計測した測点を記憶して様々な測量計算を行ったり、PC等に転送する機能を持つものがある。これらはトータルステーションシステムと呼ばれ従来の路線測量アリダードを用いた平板測量、土量計算の効率化に貢献している。

測定可能距離[編集]

理論的には見渡せる距離で反射光が戻ってくる距離であれば月レーザー測距実験のような他天体や地球周回軌道を周回する測地衛星のような超長距離でも可能であるが、地上では光束は収束しているにもかかわらず大気の揺らぎや空気中の微粒子によってレーザー光でも長距離で拡散するため、地球の丸みによって測定可能な距離のおよそ半分とされる。

計算[編集]

AとB間の距離Dは以下の式で与えられる

D=\frac{ct}{2}

cは大気中の光の速度でtはA と Bの間の飛行時間

t=\frac{\varphi}{\omega}

φ は到達までの時間による位相の遅れで ω は光波の角速度である。

以下の方程式が成り立つ

D=\frac{1}{2} ct = \frac{1}{2} \frac{c \varphi}{\omega} = \frac{c}{4 \pi f}  (N \pi + \Delta \varphi) = \frac{\lambda}{4}(N+ \Delta N)

これは λ は波長で c/f; Δφ は完全に重ならない位相の遅れ π (φπの余り); N は到達時間の半周期の整数で ΔN は残りの小数部である。

技術[編集]

光速度 - これは対象まで到達して戻ってくるまでの時間を測定する事で得られる。光の速度は既知で正確に測定する事により距離を算出可能である。多くのパルスは矩形波で一般的に使用される。この技術はナノ秒規模の高精度の検出回路を必要とする。

複数周波数位相シフト - これは複数の周波数で反射して戻ってきた反射光と同じ光源からの参照光を比較して位相のずれを測定する事で距離を算出する。

干渉計 - 絶対的な距離よりも変位を測定する技術として最も高精度で最も使いやすい。

用途[編集]

軍用[編集]

GVS-5 レーザー距離計を装備したアメリカ軍の兵士
スホイ Su-27に装備されたレーザー距離計を備えるOLS-27 IRST
オランダのISAFの狙撃手のチームのAccuracy International AWSM .338 Lapua Magnum ライフルとLeica/Vectronix VECTOR IV レーザー測距双眼鏡

携帯型軍用測距儀の運用距離は2 km から25 kmまでで双眼鏡や単眼鏡に組みこまれている。デジタル式方位磁針(DMC)を備えた距離計によって標的の磁気角度、方位、高さ(距離)を得られる。いくつかの距離計は同様に標的の速度を計測して観測者と連携する。いくつかの距離計は有線や無線のインターフェースで測定データを火器管制コンピュータのような他の装置へ転送できる。いくつかの機種は暗視装置を追加できるものもある。大半の携帯型距離計は標準または充電式の電池を使用する。

より高性能の距離計は25 kmまで測定でき、通常は三脚や射場の銃座に備えられる。また距離計モジュールを車載の赤外線や暗視装置と日中の観測機材と統合したりする事例もある。大半の先進的な距離計はコンピュータと統合が可能である。

レーザー距離計とレーザー誘導兵器から使用を困難にする目的で多様な軍隊はレーザー減衰(低反射)塗装を機体に施すかもしれない。いくつかの物体はレーザー光の反射が殆どないのでそれらに対してレーザー距離計を使用する事は困難である。

レーザー測定器[編集]

レーザー距離計: ボッシュ PLR 25

レーザー距離計は製造業や不動産業等のいくつかの産業で使用され、従来の巻尺を代替しつつある。広い距離や間に凸凹のある場所で巻尺で測定しようとすると巻尺では困難な場合があるがレーザー距離計であれば比較的容易に計測できる。短距離の場合であれば反射材を必要としない機種もある。レーザー測定器には簡易な面積体積の計算機能を備える機種もある。

安全性[編集]

一般向けのレーザー距離計はクラス1で目には安全だと考えられる。いくつかの軍用レーザー距離計はクラス1を上回る。

関連項目[編集]

脚注[編集]

  1. ^ すなわち、電磁波として光波を用いる電磁波測距儀である。
  2. ^ 丸安(1991) p.167
  3. ^ ただし、フィゾー等が用いた装置は実験室用のものであり、一般測量には用いることができないものであると言われる。須田(1976) p.2
  4. ^ 計測可能距離は測距儀や反射プリズムの性能に左右されるが、大略 1 - 2 キロメートルが限界である(なかには 5 - 6 キロメートル計測可能な測距儀も存在する)。また、照射する光に拡散符号を用いることにより高精度で短時間に測定する機種もある。
  5. ^ 二本の音叉を並べて鳴らした時のうなりに相当する

参考文献[編集]

外部リンク[編集]