JP2004525367A

JP2004525367A - 測定の分散効果を検出する方法及び装置

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Publication number: JP2004525367A
Application number: JP2002572347A
Authority: JP
Inventors: ヒンダーリング、ユルグ
Original assignee: Leica Geosystems AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2002-03-09
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2022-03-09
Also published as: JP4184801B2; EP1370832B1; DE50213616D1; EP1241443A1; US7268880B2; US20040090627A1; WO2002073130A2; EP1370832A2; WO2002073130A3

Abstract

本発明は、位相変調又はパルス変調の原理による視線に沿った測定上の分散効果を検出する方法および装置に関する。少なくとも2つの異なった搬送波長の電磁放射の伝播時間が信号路に沿って測定される。大気ガス（４）の分子吸収または原子吸収のない波長領域の第1の搬送波長が選択され、大気ガス（４）の分子吸収または原子吸収のある波長領域、好ましくは、実効スペクトル線のあるスペクトル領域にある第2の搬送波長が選択される。分散効果は、電磁放射の少なくとも2つの測定された伝播時間から計算される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部による視線に沿った測定の分散効果を検出する方法、請求項７の前提部による分散を測定する装置、請求項６の前提部による距離測定測定の分散距離補正の方法の利用、及び請求項１７に記載されている、分散から生じる距離測定上の効果を補正する装置の利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
１００メートル乃至数キロメートルの距離範囲にある電気光学的距離測定において、その測定は、空気の屈折率によって決定的に影響される。電気光学的距離測定において出射された光パルスの伝播速度又は、任意の所望の態様で変調された信号路の伝播速度は、群屈折率ｎによって決定される。これは、位相原理に基づく電気光学的距離測定装置、伝播時間測定原理の両方にあてはまる。
【０００３】
屈折率及び群屈折率は、一定ではないが、主に、波長、温度、大気圧、ガス混合物、及び各場合に存在する大気の湿気量に依存する。
【０００４】
実際上、電気光学距離測定用の全ての装置（EDM装置）において、大気パラメータの効果が、実際の距離測定の終了後の更なる計算ステップにおける距離補正として加えられる。臨界的な大気パラメータは、各場合において、距離測定装置ではなく、温度計、気圧計、湿度計などの別個の装置で測定される。
【０００５】
電子的距離測定装置（EDM）によって直接測定され、表示された距離D₀（原測定）は、特定の群屈折率n₀に関するものである。温度T、大気圧ｐ及び相対湿度RHなどの更に測定される気象学上のパラメータを基礎として、真の群屈折率ｎ＝ｎ（T, ｐ、RH、、、、）が測定可能である。いわゆる、大気補正、すなわち
【０００６】
【数１】

によって、真の距離Dが測定可能となる。
【０００７】
【数２】

【０００８】
この大気の「後処理」方法によって、原則として、１ppmの領域における距離測定の精度が達成される。一方、温度T及び大気圧ｐが光学路全体に亘って未知であるか表現できない場合は、測定された原距離D₀は、真の値から３０ppm以上容易に逸れることがある。
【０００９】
一般的には、不規則な地形を通過する長距離の場合は、気象学上のデータから実効的な群屈折率を信頼性をもって確定することは、距離の端部では、問題がある。目的とするビームに沿ってこれらのデータを決定しようとする試みは、今日まで成功しなかった。
【００１０】
基本概念の一つは、2つの異なった波長の光または電磁気放射で距離を測定することによってスペクトルの広帯域分散を用いることである。この２または、多色測定法は、１９７５年以来公知になっている。光学的に、またはマイクロ波領域で、少なくとも2つの異なった電磁波長で同時に距離を測定する場合において、最も重要は大気擾乱パラメータを、大気に関する公知のスペクトル広帯域分散によって順に検出して、最後に、正確には判っていない群屈折率の効果に対する距離測定を補正することが可能である。
【００１１】
これらの対応する原理は、Edlen and Barrel & Searsのスペクトル広帯域原理（文献：Elektronische Entferungs- and Richtungsmessung 「電子的距離及び方向測定」Verlag Konrad Wittwer）を基礎としている。
【００１２】
2つの搬送波長の距離測定の結果は、D_r およびD_bであり、対応する屈折率は、n_rおよびn_bである。真の距離は、距離補正の次の公式によって得られる。
【００１３】
【数３】

【００１４】
スペクトルの広帯域公式のモデルに基づいたこの2色法の実際の問題は、距離間の差（D_b- D_r）を検出しなければならない距離分解能の精度にある。2つの搬送波長が離れるにつれて、モデルのパラメータ：
【００１５】
【数４】

は、小さく、かつ有利になる。
【００１６】
分解能の精度は、距離とは関係がないから、これらの型の2色装置は、２キロメータを越える比較的長い距離の場合のみ、1色装置よりも優れているにすぎない。
【００１７】
公知の２色装置は、例えば、λ_b =458 nm とλ_b = 514 nm 及び大きなQ = 57
を持ったNational Physical Laboratory (Teddington, UK)が提案したGoran Iである。１mmの距離誤差の場合は、距離分解能の所要の精度は、0.02 mm である。この値は、実現するのが非常に不便を伴うので、今日まで全く、確立されていなかった。
【００１８】
米国特許第5233176号は、個々の参照ビーム路から異なった波長の2本のレーザビームの偏差を評価することによって測定上の大気効果を補償する2色法を用いた装置を開示している。ここで、レーザ光は、短パルスの2つの異なった搬送波長で放射される。分散効果は、2つのビーム路の直線からの移動から推測され、測定が補正される。
【００１９】
２または３搬送波長を利用する今日までの全ての装置の大きな欠点は、わずかに可変の広帯域光学分散を利用することである。手法は、常に、Barrel & Sears の広帯域モデル、又はEdlenの公式を基礎としている。また、マイクロ波領域においても、広帯域法が今日まで用いられてきた。主要な欠点は、弱い測定効果であって、気象学上のパラメータT、P及びRHの決定を基礎とした古典的な大気補正の精度以下である不正確な距離補正のみが許される。
【特許文献１】
米国特許第5233176号公報
【非特許文献１】
「エレクトロニシェエントヘルングスウントリヒツングスメスング」（Elektronische Entferungs- and Richtungsmessung）「電子的距離及び方向測定」フェアラークコンラッドヴィットベア（Verlag Konrad Wittwer）社発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の目的は、吸収特性（仮想屈折率）および分散特性（真の屈折率）をもつスペクトル狭帯域の大気構造を利用し、視線に沿った分散を測定する方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この目的は、請求項１および７の特徴部によって達成される。方法及び装置の利用は、請求項６及び１７から明らかである。装置及び方法の利点、代替実施例及び更なる展開は、従属項の特徴から明らかである。
【００２２】
より正確な考察によって、大気透過率、すなわち一定の波長での屈折率は、Edlen の公式からその作用において逸脱するスペクトル構造を有している。従って、Eldenの公式を適用できない領域があり、効果は今日まで知られたよりも増強される。
【００２３】
2色吸収法において有力な、Barrel & Searsの公式における気象学上の大気パラメータは、空気分子の粒子密度であって、理想気体が仮定される。従って、追加的な測定（第2の搬送波）によって検出可能な未知のものが存在する。
【００２４】
原理的には、一型式の分子の全体的粒子密度は、透過率測定によってレーザを用いて測定できる。測定された分子は、全体の大気組成を表すためには、いわゆる均一に混合された気体に属していなければならない。これらの気体は、
特に、NO₂, O₃, CH₄, NO 及びNH₃を含む。加えて、分子は、商業的、経済的半導体レーザ及び検出器の波長領域において特別の組織を有していなければならない。さらに、光学的効果もまた、測定可能なものであるべきで、高分圧又は強い吸収をもつ気体のみが適当である。
【００２５】
酸素O₂が特に適当であると思われる。20.95 %という高密度で、酸素O₂は、759 nm 乃至778 nmの可視のスペクトル領域の長波端で最も強い吸収帯を有している。この領域のレーザダイオード及び高感度半導体検出器が市販されているので、経済的な解決法も実現できる。
【００２６】
電子的距離測定装置（EDM）での測定信号は、785 nm と760 nm （2色）で測定される。1 ppmまで距離測定が補正可能であるためには、その相対的信号が0.1 %まで正確に測定されなければならない。10 ppmまでの正確な距離補正のためには、1 % までEDM信号測定が要求される。
【００２７】
理論的に吸収の可能な直接測定は、伝播時間測定では達成できるが、現在では、その解決法は得られていない。
【００２８】
科学関係の刊行物から、光学的信号の測定の現在の精度の限界は、1 %で、信号測定の偏差に影響を与える主要素は、大気の乱気流である。従って、距離測定は、本発明の方法および装置によって最低でも 10 ppmまで正確になされる。
【００２９】
理論的に可能な純粋な吸収測定に比較して、より正確な距離補正は、特に、伝播時間の高分解能のために、吸収線の領域における分散効果を用いることによって達成できる。
【００３０】
分光的に活性の酸素帯の構造は、スペクトル的に狭帯の単一モードレーザを用いて最適に用いることが可能である。該レーザは、過度に高い屈折率の領域に同調され、その結果、分散効果は、より増強され、距離補正はより高い精度で行われる。
【００３１】
Edlen 公式からの −390 ppm までの逸脱がある好適なスペクトル領域は、強い吸収線によって遮断される。十分に高い透過率を持った最高の群屈折率の変位は、＋48 ppmである。赤外線領域の測定dmeas, ir及び赤色領域の測定dmeas, redに対しては、距離補正は、
【００３２】
【数５】

【００３３】
この補正は、Edlen 又はBarrel & Searsによる古典的な２色法の場合よりも３倍だけ良好である。
【００３４】
しかし、この方法では、レーザの波長は、O₂線に安定化しなければならず、レーザダイオード及びその動作方法は、この目的では公知である。
【００３５】
別の方法は、マルチモードレーザダイオードを用いた2色分散法である。この第3の方法は、いわば、古典的2色法の補完である。古典的方法は、大気の広帯域分散領域で動作する、狭帯域レーザを用いる。この場合、広帯域光源は、狭帯域構造を有する空気混合物の吸収領域で作用する。
【００３６】
760 nmの付近の領域で、酸素は、2つの強い吸収帯を有する。一つは、759.58 nm と761.8246 nmとの間であり、もう一つは、762.1802 nm と778.37 nm との間である。第1の帯域は、115本の線を有し、内28本の強い線がある（全体の強度＞ 10^-25cm²・cm^-1/分子）。第2の長波長の帯域は、171本の線を有し、内27本の強い線がある。第1の帯域の線は、中央で殆どお互いに接触し、かなりの程度まで、光学的な分散効果が累積する。
【００３７】
Edlen又は、Barrel & Searsの公式からの偏位は、この第3の方法にとって重大である。吸収帯内でのスペクトル的に平均化され、重畳された群屈折率は、該吸収帯の直ぐ近くの値（古典的なEdlenモデルに対応する）よりも平均して、13ppm高い。新規の距離補正の結果は、
【００３８】
【数６】

【００３９】
この場合、補正は、Edlenによる古典的な２色法と同様に良好である。しかし、新規の方法では、短波長レーザは用いられないという利点がある。短波長レーザは、通常、サイズが大きく、高価であり、タコメータのような電池で動作する装置には利用できない大きなエネルギ消費がある。短波長レーザダイオードは、今日まで、寿命と信頼性は十分でない。
【００４０】
与えられたデータは、または、不規則な地勢にわたる斜めの測定の場合、または大きな温度差がある場合、30 ppm 以上となる場合がある典型的な大気スケーリングエラーの観点から再査しなければならない。
【００４１】
距離測定は、短距離の場合においても、±3 mmの絶対的な誤差がある。従って、量（dmeas,ir − dmeas, red）は、少なくとも、0.5 mm 程度の統計上の誤差がある。２色距離補正Q・(d_{meas, ir} − d_{meas, red}) の場合の誤差は、従って、Q・(0.5 mm)となる。
【００４２】
さらに、酸素の吸収帯にある送信器を、狭帯域のLED、又は狭帯域フィルタ（例えば、干渉フィルタ）と組合せたLEDによって置き換えることが可能で、それによって変則的な分散効果が測定可能で、波長の安定化をしなくても済む。
【発明の効果】
【００４３】
構造的な観点から、さらに、本発明の装置の利点がある。小さなサイズの安価なレーザダイオードは、今日の測地学上の距離測定装置における光源として用いられる。本発明によれば、安価なレーザダイオード又はLEDは、第2の光源（特に、距離測定装置の第1の光源と同じコンパクトさと動作を有するもの）として用いることができる。従って、2色法を技術的に簡単に実現するには、伝播ビーム路および電子的な作動を2重にするだけでよい。
【００４４】
他の利点は、受信側にある。2つのレーザダイオードの搬送波長は、近接して選択可能である。距離が、5 nm乃至10 nm として検出される場合は、通常の単純な光学帯域フィルタで背景をブロックするだけ十分である。
【００４５】
受信側の最も重要な利点の一つは、2つの搬送波長のスペクトル的に近接しているために、通常の降伏光ダイオード（APD）のような通常の受信ダイオードで間に合う。従来の２色法の場合は、分散効果を増強するために、光搬送波長はお互いからできるだけ分離されているが、受信ダイオードは、この光学スペクトル領域をカバーしないという不利益がある。
【００４６】
従来の２色法を実現する場合は、2つの搬送波長の一方は、一般に、青のスペクトル領域にある。しかし、800 nm領域の場合、この領域で、感度が高く、経済的な降伏ダイオードは存在しない。
【００４７】
青色光の広帯域法を用いることの更なる不利は、大気の分散指数である。空気の分散率は、波長が短くになるにつれて４倍まで増加する。この効果は、レイリー（Rayleigh）分散過程によって引き起こされる。先行技術の方法において、短波放射の場合の信号力損は、約800 nmの波長を用いる本発明の方法の約１６倍である。400 nm の青色波長は本発明の方法の場合より２倍短く、そして、その原因は、Rayleigh 分散が10⁴ の関数に依存することにある。
【００４８】
2つの搬送波長がスペクトル的に近接していることは、さらに利点がある。2色両方に対して、全体の光学受信チャネルをそれほどの努力もなしに、利用できる。他の主要な色彩上光学像の収差は存在しない。搬送波長が離れている従来の２色法では、先行技術の装置において、複雑な光学補正レンズを用いなければならない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本発明による装置および方法は、図面を参照した実施例の説明によってより明らかになるだろう。
【００５０】
図１は、可視スペクトル領域及び正常分散の領域にある気体を検査するに用いる2つの搬送波長λ₁、λ₂を利用することによって、従来の２色法の通常分散の利用を示している。波長λが、水平軸に沿ってプロットされ、屈折率nが垂直軸に沿ってプロットされている。分散補正の精度を上げるためには、測定された屈折率間の間にできるだけ大きな差が必要で、屈折率が波長に依存するから、大きく離れた2つの搬送波長を選択することが必要である、すなわち、2つの搬送波長λ₁、λ₂ の差Δλを最大化することが必要である。
【００５１】
図２は、デオドライト（経緯儀）望遠鏡における本発明の実施例の概略図である。異なった搬送波長の電磁放射を発する放射源２は、送信機１によって作動される。2つの搬送波長は、ビームスプリッタ３を介して、組合され、反射器５上で検査する大気ガス４を通過する。反射後、上記電磁放射は、レシーバ６によってピックアップされ、受信機７によって電子的に処理される。下方の距離測定器８において、測定距離が計算され、分散効果を考慮して補正がなされる。望遠鏡９は前記経緯儀を調整するために用いることができる。
【００５２】
図３は、単一モードレーザとともに狭帯域分散を用いる、本発明による方法を説明するものである。波長λが、水平軸に沿ってプロットされ、群屈折率n_gは垂直軸に沿ってプロットされている。屈折率曲線は、精査される大気ガス（本実施例では、酸素O2）の2つの共振 aを示している。当該方法は、異なっているが、先行技術に対しては、比較的近接している搬送波長λ₁, λ₁' 及びλ₂の2つのレーザモード１０を利用する。正常分散の領域は、搬送波長λ₁又はλ₁'で探査され、搬送波長λ₁又はλ₁'は、共振aの短波長側または長波長側に存在すること可能である。十分に長い距離の場合は、通常分散の領域を共振aの間に置くことが可能である。搬送波長λ₂は、実際の共振aの近傍において過度に高い屈折率を有する領域に位置する。この過度に高い屈折率を利用することによって、屈折率間の十分に大きな差を、近接したλ₁, λ₁' 及びλ₂で達成できる。
【００５３】
別の実施例は、図４に示されている。波長λが、水平軸に沿ってプロットされ、群屈折率n_gは垂直軸に沿ってプロットされている。2つのマルチモードレーザ１１には、通常分散の領域と回転振動の領域が存在する。搬送波長λ₂付近の狭帯域レーザモードは、酸素O₂の回転振動のR−ブランチを探査する。他のマルチモードレーザ１１は、本実施例の場合は、例えば、スペクトルの長波長領域にある、他の搬送波長λ₁付近のモードを放射する。
【００５４】
図５は、本発明の第3の実施例を説明するもので、搬送波長λ₂の付近にある発光ダイオード（LED）１２の狭帯域放射が酸素O₂の回転振動のRブランチRとPブランチPの領域と重なり、それを決定する。通常分散の領域は、例えば、単一モードレーザ１０として実現可能な第2の搬送波長λ₁に及ぶ。評価においては、RブランチR及びPブランチPの設定領域の種々の波長依存屈折率を考慮しなければならない。過度に高い屈折率の部分を有するこの領域を用いることによって、屈折率間の十分に大きい差を、LED及びマルチモードまたはシングルモードのレーザでも実現可能である。
【００５５】
第6図は大気ガスの吸収帯における群屈折率の微細な狭帯域曲線を示す。この曲線は、定性的にのみ示され、何ら量的な情報を与えていない。
【００５６】
もちろん、示された図面は、数多くの実施例の一つを表すもので、当業者は、他の大気ガス、電磁放射の送波、受波のための他の手段、さらに信号ピックアップ又は信号処理のための他の手段を用いて他の形式で本発明を実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】先行技術の２色法に対して通常の分散の利用を示す図である。
【図２】経緯儀望遠鏡における本発明を利用の概略図である。
【図３】単一モードレーザでの狭帯域分散の利用を示す図である。
【図４】マルチモードレーザでの狭帯域分散の利用を示す図である。
【図５】発光ダイオードでの狭帯域分散の利用を示す図である。
【図６】群屈折率の微細構造曲線の示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１、２電磁放射の送波手段
３ビームスプリッタ
４大気ガス
５反射器
６、７電磁放射の受波手段
８伝播時間決定手段
９望遠鏡

Claims

位相変調又はパルス変調の原理による視線に沿った測定の分散効果を判定する方法であって、
少なくとも２つの搬送波長を有する電磁放射の送波手段（１、２）と、
少なくとも２つの搬送波長を有する電磁放射の受波手段（６、７）と、
該電磁放射の伝播時間を決定する手段（８）を利用し、
前記視線に沿った電磁放射の走行時間を測定すること、
前記電磁放射の少なくとも2つの測定された伝播時間から分散効果を計算すること、を実行し、
大気ガス（４）の分子吸収または原子吸収のない波長領域の第1の搬送波長が選択され、大気ガス（４）の分子吸収または電子吸収のある波長領域、好ましくは、実効スペクトル線のあるスペクトル領域にある第2の搬送波長が選択される、ことを特徴とする前記方法。
前記2つの搬送波長の少なくとも一つは、可視光用の大気透過窓の波長領域又は赤外線領域において出射されることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記第2の搬送波長は、大気ガス（４）、特に酸素分子O₂の分子吸収または原子吸収のある波長領域において選択される、ことを特徴とする先行する請求項の何れかに記載の方法。
前記電磁放射の伝播時間の測定の間に、
大気ガス（４）の吸収帯において大きく増大した屈折率をもつ領域を、スペクトル単一モード放射を用いて測定すること、
大気ガス（４）の吸収帯を、波長を前記吸収帯の領域に渡って該波長を光学的に移動することによって、スペクトル多モード放射を用いて測定すること、及び
例えば、スペクトル幅が前記吸収帯の桁に対応する、表面または端発光LEDの放射を用いて、大気ガス（４）の吸収帯を測定すること、の少なくとも一つを実行することを特徴とする先行する請求項の何れかに記載の方法。
電磁放射の送波手段（１、２）は、第3の搬送波長を送波し、
大気蒸気の吸収帯は、この搬送波長を用いて測定され、かつ
水蒸気の分散効果は除去される、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
距離測定装置の分散的距離補正のために、先行する請求項のいずれかに記載の方法を利用すること。
位相変調又はパルス変調の原理による請求項1乃至5の何れかに記載の方法によって視線に沿った測定の分散効果を判定する装置であって、
少なくとも２つの搬送波長を有する電磁放射の送波手段（１、２）と、
少なくとも２つの搬送波長を有する電磁放射の受波手段（６、７）と、
該少なくとも２つの搬送波長を有する電磁放射に対して前記視線に沿って該電磁放射の伝播時間を決定する手段（８）と、
前記電磁放射の少なくとも2つの測定された伝播時間から測定上の分散効果を判定する手段とを備え、
前記送波手段（１，２）は、
大気ガス（４）の分子吸収または電子吸収のない波長領域の第1の搬送波長を送波し、
大気ガス（４）の分子吸収または電子吸収のある波長領域、好ましくは、実効スペクトル線のあるスペクトル領域にある第2の搬送波長を送波するように形成される、ことを特徴とする前記装置。
分散効果の補正の計算のために手段、例えば距離測定の手段
が存在することを特徴とする請求項７に記載の装置。
前記送波手段は、可視光用の大気透過窓の波長領域にある2つの搬送波長の少なくとも一つを送波することを特徴とする請求項７又は８記載の装置。
前記送波手段（１，２）は、大気ガス（４）、特に酸素分子O₂の分子吸収または原子吸収のある波長領域において選択される第2の搬送波長を送波するように形成されることを特徴とする請求項７及び９の何れかに記載の装置。
前記送波手段（１，２）は、685 nm 乃至690 nm の領域又は755 nm乃至
780 nm の領域にある第2の搬送波長を送波するように形成されていることを特徴とする請求項７乃至１０の何れかに記載の装置。
前記電磁放射の送波手段（１、２）は、
スペクトル単一モード放射の送波用のレーザダイオード、
スペクトル多モード放射の送波用のレーザダイオード、
スペクトル幅が吸収帯の桁に対応する放射の送波用のレーザダイオード、
スペクトル幅が吸収帯の桁に対応する放射の送波用のLED、及び
スペクトル幅が吸収帯の桁に対応する放射の送波用のLED−フィルタ結合
の少なくとも一つを備えていることを特徴とする請求項７乃至１０の何れかに記載の装置。
前記送波手段（１，２）は、前記電磁放射の少なくとも一つの搬送波長が変化できるように形成されていることを特徴とする請求項７乃至１２に記載の装置。
分散型フィードバック（DFB）、
分散型ブラッグ反射器 (DBR)、及び
ファブリー・ペロット・エタロンロッキング
のような少なくとも一つの搬送波長の安定化手段が請求項７乃至１３の何れかに記載の装置。
前記装置又はその構成要素の少なくとも一つはモジュール化されていることを特徴とする請求項７乃至１４の何れかに記載の装置。
電磁放射の送波手段（１、２）は、第3の搬送波長を出射するように形成されており、
この搬送波長は、大気蒸気の吸収帯にあり、蒸気の分散効果が伝播時間測定によって除去される、ことを特徴とする請求項７乃至１５に記載の装置。
距離測定における分散効果を補正するために請求項７乃至１６の何れかに記載の装置を利用すること。
請求項７乃至１６の何れかに記載の分散効果を判定する装置を含む、セオドライト。