JP2017036995A - レーザ計測システムおよびレーザ計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１ショットで複数の計測領域の座標データ群を取得することができるレーザ計測システムを提供する。【解決手段】レーザ計測システムは、レーザ光源から放出されたレーザビームを、多数のレーザビームに分割して、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域に錐体状に照射する拡散モジュールと、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域に対応して、ｎ×ｎのマトリックス状に配置され、二次元座標値が割り当てられたｎ×ｎのＣＣＤセンサ２２を含み、計測領域から反射されたレーザビーム２０を、レンズ２５を介して、受光するＣＣＤエリアセンサ２１と、コントロールユニットを備え、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ座標値およびＹ座標値を算出し、レーザビームを放出した時間と、ＣＣＤセンサ２２が検出した時間に基づいて、計測領域の各々までの距離を算出して、距離データＺ座標値を算出するように構成されたレーザ測距装置を備えている。【選択図】図４

Description

本発明はレーザ計測システムおよびレーザ計測方法に関するものであり、さらに詳細には、航空機に搭載したレーザ発生器から地上に向けて、レーザを放出し、地上の設備および樹木などの三次元の座標データを計測することを可能としたレーザ計測システムおよびレーザ計測方法ならびにレーザ計測装置に関するものである。

この種のレーザ計測システムにおいては、地物の相対的な離隔を計測するのではなく、すべてのレーザ反射点について測地座標を計測するので、地形図を作成でき、地形の経時変化を計測することができる。

また、地上に標定点を設置する必要がないため、現地への立ち入りが困難な災害箇所の地形測量や積雪量調査などにも応用することができる。とくに、データ収録およびデータ処理が自動化されているので、写真測量法に比べて、結果を得るまでの時間が極端に短く、防災情報収集など緊急を要する業務にも適用することができる。

特開平６−３１３７１５号公報（特許文献１）および特開平７−４３１０９号公報（特許文献２）には、航空機、とくに、ヘリコプターにレーザ測距装置を搭載して、送電線と送電線の下方の樹木との離隔を測定し、管理伐採のための基礎資料を得る方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、使用するレーザ測距装置のレーザパルス周波数が低く、ヘリコプターの移動速度を１０ｋｍ／時間程度とせざるを得ないが、ヘリコプターは、この程度の速度では姿勢維持が極めて困難であり、離隔測定の規準となる機体位置の再現が困難となり、得られる結果が不正確にならざるを得ないという問題があった。また、この程度の移動速度では、作業効率が悪く、実用性の点でも問題があった。

一方、特許文献２においては、ヘリコプターの機軸に直交する方向にレーザをスキャニングして、測定時点における送電線と樹木との相対的な位置関係が測定されるが、レーザパルスの地上における軌跡がジグザグになり、軌跡の折り返し点付近では、レーザパルス同志が重なり合う一方で、折り返し点同志の間隔が開いてしまい、反射点データに粗密が生じ、測定漏れが起きやすく、また、送電線を横断するレーザパルスの軌跡断面で電線と樹木の離隔を測定しているため、レーザパルスの軌跡断面が電線に直交していない場合には、正しい電線との離隔が得ず、レーザパルス軌跡断面が通過していない部分では、接近木の情報が得られないという問題があった。

さらに、特許文献２においては、レーザ出力が小さく、かつ、レーザビーム幅が大きいので、送電線に接近して斜めから測定を行うことになり、レーザパルスの地面への透過性が悪く、接近木の樹高が測定しにくく、樹木転倒時の離隔量を計算することができず、また、管理伐採の作業のためには、接近木の位置が正しく地図上に記載される事が必要であるが、鉄塔からの相対距離をＧＰＳで測定しており、機上で判定した樹木座標と現実の樹木座標との誤差が大きく、正しい接近木の位置が得られないという問題があった。

かかる問題を解決するために、特許第３５１５６７８号明細書（特許文献３）は、航空機に空中レーザ計測装置を設置し、航空機の走行速度に応じて、レーザパルス光の走査面を変更自在で、航空機の走行に伴い、航空機の走行方向に直交する面内で、計測対象を走査するようにレーザパルス光を照射するレーザ走査装置と、レーザ走査装置から出力されたレーザパルス光の計測対象による反射光を受光する受光器と、計測対象からの最初の反射パルス光と最後の反射パルス光を判別する手段を備え、受光器の出力から計測対象までの距離を計測する距離計測器と、航空機の三次元位置および姿勢を計測する飛行位置計測器と、距離計測器および飛行位置計測器の計測データを記録媒体に記録する記録装置とを備えたレーザ計測装置を提案している。

特開平６−３１３７１５号公報 特開平７−４３１０９号公報 特許第３５１５６７８号明細書

しかしながら、特許文献３においては、航空機の走行方向に直交する面内で、レーザビームをスキャンしているため、レーザビームの１ショットで１つの計測点しか計測することができず、計測誤差があると、計測データにしたがって、複数の接近木など計測対象のＸＹＺ座標値を算出し、計測対象相互の距離データを算出するときに、各計測点の計測誤差が重なって増幅され、算出された複数の計測対象物相互の距離データの信頼性が低下するという問題があった。

したがって、本発明は、１ショットで複数の計測領域の座標データ群を取得することができ、計測誤差があっても、算出された計測対象物相互の距離データの信頼性が低下することを防止することができるレーザ計測システムを提供することを目的とするものである。

また、本発明の別の目的は、１ショットで複数の計測領域の座標データ群を取得することができ、計測誤差があっても、算出された計測対象物相互の距離データの信頼性が低下することを防止することができるレーザ計測方法を提供することにある。

本発明のかかる目的は、航空機に搭載されたレーザ計測システムであって、
前記航空機の三次元的位置を検出するＧＮＳＳセンサと、
前記航空機の姿勢を検出するＩＭＵセンサと、
レーザ測距装置を備え、
前記レーザ測距装置が
レーザビームをパルス状に放出するレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザビームを、多数のレーザビームに分割して、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域（ｎは２以上の整数である）に錐体状に照射する拡散モジュールと、
ｎ×ｎのマトリックス状計測領域に対応して、ｎ×ｎのマトリックス状に配置され、二次元座標値が割り当てられたｎ×ｎの単位撮像素子を含み、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域から反射されたレーザビームを、レンズを介して、受光する二次元撮像素子と、
コントロールユニットとを備えており、
前記コントロールユニットが、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを検出した前記二次元撮像素子の単位撮像素子のＸ方向およびＸ方向に直交するＹ方向のＸ座標値およびＹ座標値に基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ座標値およびＹ座標値を算出し、
前記レーザ光源がレーザビームを放出した時間と、前記二次元撮像素子の前記単位撮像素子がｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを検出した時間に基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々までの距離Ｄを算出して、距離データを求め、
ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記Ｘ座標値およびＹ座標値と、前記距離データに基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ方向およびＹ方向と直交するＺ方向のＺ座標値を算出し、
ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記Ｘ座標値、Ｙ座標値およびＸ座標値を、前記ＧＮＳＳセンサと前記ＩＭＵセンサによって検出された地図座標に座標変換するように構成されたことを特徴とするレーザ計測システムによって達成される。

本発明によれば、レーザ計測システムは、レーザ光源から放出されたレーザビームが、拡散モジュールによって多数のレーザビームに分割されて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域（ｎは２以上の整数である）に錐体状に照射され、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを検出することによって、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域のＸ座標値、Ｙ座標値およびＸ座標値が求められるから、計測誤差があっても、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の計測誤差が重なり合って増幅されることはなく、したがって、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域相互の距離データの信頼性が低下することを効果的に防止することが可能になる。

また、本発明によれば、レーザ計測システムは、レーザ光源から放出されたレーザビームが、拡散モジュールによって多数のレーザビームに分割されて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域（ｎは２以上の整数である）に錐体状に照射され、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームが、二次元撮像素子のどの単位撮像素子によって光電検出されたかに基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ方向およびＸ方向に直交するＹ方向のＸ座標値およびＹ座標値を算出し、レーザ光源がレーザビームを放出した時間と、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームが二次元撮像素子の単位撮像素子によって検出された時間に基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々までの距離Ｄを算出して、距離データを算出し、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ座標値およびＹ座標値と、距離データに基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ方向およびＹ方向と直交するＺ方向のＺ座標値を算出し、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ座標値、Ｙ座標値およびＸ座標値を、ＧＮＳＳセンサとＩＭＵセンサによって検出された地図座標に座標変換するように構成されたコントロールユニットを備えているから、１ショットで複数の座標データ群を取得することができ、航空機の走行方向に直交する面内で、レーザビームをスキャンしているため、レーザビームの１ショットで１つの計測領域しか計測することができず、１つの計測領域のＸ座標値、Ｙ座標値およびＺ座標値だけしか得ることができないという従来技術の問題点を解決することが可能になる。

本発明の好ましい実施態様においては、前記コントロールユニットが、前記二次元撮像素子の前記レンズの焦点距離Ｆと、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを検出した前記二次元撮像素子の単位撮像素子のＸ座標値およびＹ座標値とに基づいて、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームの前記二次元撮像素子の前記レンズへの入射角θＸおよびθＹを算出し、前記距離データとレーザビームの前記レンズへの前記入射角θＸおよびθＹとに基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記二次元撮像素子の前記レンズの中心を原点としたＺ座標値を算出するように構成されている。

本発明の好ましい実施態様においては、レーザ計測システムは、さらに、前記レーザ光源から放出されたレーザビームを平行な光に変換するコリメーターレンズを備えている。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記二次元撮像素子が、ｎ×ｎのマトリックス状に配置されたＣＣＤセンサを含むＣＣＤエリアセンサおよびｎ×ｎのマトリックス状に配置されたＣＭＯＳセンサを含むＣＭＯＳエリアセンサよりなる群から選ばれるエリアセンサによって構成されている。

本発明の前記目的はまた、レーザ光源からパルス状に放出されたレーザビームを拡散モジュールによって多数のレーザビームに分割して、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域（ｎは２以上の整数である）に錐体状に照射し、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを、レンズを介して、ｎ×ｎのマトリックス状に配置された単位撮像素子を含む二次元撮像素子に光電検出させ、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを検出した前記二次元撮像素子の単位撮像素子の前記二次元撮像素子の前記レンズの中心を原点としたＸ方向およびＸ方向に直交するＹ方向のＸ座標値およびＹ座標値に基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ座標値およびＹ座標値を算出し、前記レーザ光源からレーザビームが放出された時間と、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームが二次元撮像素子の単位撮像素子によって検出された時間に基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々までの距離Ｄを算出して、距離データを求め、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記Ｘ座標値およびＹ座標値と、前記距離データに基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ方向およびＹ方向と直交するＺ方向のＺ座標値を算出し、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記Ｘ座標値、Ｙ座標値およびＸ座標値を、前記ＧＮＳＳセンサと前記ＩＭＵセンサによって検出された地図座標に座標変換するように構成されたことを特徴とするレーザ計測方法によって達成される。

本発明の好ましい実施態様においては、前記二次元撮像素子の前記レンズの焦点距離Ｆと、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを検出した前記二次元撮像素子の単位撮像素子のＸ座標値およびＹ座標値とに基づいて、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームの前記二次元撮像素子の前記レンズへの入射角θＸおよびθＹを算出し、前記距離データとレーザビームの前記レンズへの前記入射角θＸおよびθＹとに基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記二次元撮像素子の前記レンズの中心を原点としたＺ座標値を算出するように構成されている。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記二次元撮像素子が、ｎ×ｎのマトリックス状に配置されたＣＣＤセンサを含むＣＣＤエリアセンサおよびｎ×ｎのマトリックス状に配置されたＣＭＯＳセンサを含むＣＭＯＳエリアセンサよりなる群から選ばれるエリアセンサによって構成されている。

本発明によれば、１ショットで複数の計測領域の座標データ群を取得することができ、計測誤差があっても、算出された計測対象物相互の距離データの信頼性が低下することを防止することができるレーザ計測システムを提供することが可能になる。

また、本発明によれば、１ショットで複数の計測領域の座標データ群を取得することができ、計測誤差があっても、算出された計測対象物相互の距離データの信頼性が低下することを防止することができるレーザ計測方法を提供することが可能になる。

図１は、本発明の好ましい実施態様にかかるレーザ計測システムに設けられたレーザ測距装置のレーザビーム放出部の略斜視図である。 図２は、本発明の好ましい実施態様にかかるレーザ計測システムに設けられたレーザ測距装置のレーザビーム受光部の略斜視図である。 図３は、拡散モジュールによって拡散されたレーザビームとｎ×ｎのマトリックス状の計測領域との関係を示す略斜視図である。 図４は、ｎ×ｎのマトリックス状の計測領域によって反射されたレーザビームを受光するレーザ測距装置のレーザビーム受光部の略斜視図である。 図５は、レーザビームがＣＣＤセンサの光電検出面に入射する状態をＸ方向から見た図面である。 図６は、レーザビームがＣＣＤセンサの光電検出面に入射する状態をＹ方向から見た図面である。

図１は、本発明の好ましい実施態様にかかるレーザ計測システムの構成要素を示すブロックダイアグラムである。

図１に示されるように、本発明の好ましい実施態様にかかるレーザ計測システムは、ヘリコプターなどの航空機に搭載され、全体の動作を制御するコントロールユニット１と、架空線撮影装置全体の制御プログラムなどを格納するＲＯＭ２と、各種データを格納するＲＡＭ３と、ヘリコプターの三次元的位置、すなわち、緯度・経度・高度を検出するＧＮＳＳセンサ４と、ヘリコプターの姿勢を検出するＩＭＵセンサ５と、レーザ測距装置１０を備えている。

図２は、本発明の好ましい実施態様にかかるレーザ計測システムに設けられたレーザ測距装置のレーザビーム放出部の略斜視図である。

レーザ計測システムに設けられたレーザ測距装置１０は、レーザビーム１２をパルス状に放出するＬＥＤレーザ光源１３を備え、ＬＥＤレーザ光源１３から放出されたレーザビーム１２は、コリメータレンズ１４に入射して、平行なビームに変換される。コリメータレンズ１４によって平行なビームに変換されたレーザビーム１２は拡散モジュール１５に入射し、レーザビーム１２は、拡散モジュール１５によって、多数のレーザビーム１７に分割されて、後述するｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８（ｎは正の整数である）に四角錘状に照射される。

拡散モジュール１５としては、たとえば、Advanced Scientific Concepts, Inc.によって製造販売されている「３Ｄ Flash Lidar」（登録商標）に使われている拡散部材が好ましく使用される。

図３は、拡散モジュール１５によって拡散されたレーザビーム１７とｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８との関係を示す略斜視図である。

図３に示されるように、拡散モジュール１５に入射したレーザビーム１２は、拡散モジュール１５によって、多数のレーザビーム１７に分割されて、ｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８に四角錘状に照射され、各計測領域１８によって反射される。

図４は、ｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８によって反射されたレーザビームを受光するレーザ測距装置１０のレーザビーム受光部の略斜視図である。

図４に示されるように、レーザ測距装置１０のレーザビーム受光部は、ｎ×ｎのマトリックス状に配置されたＣＣＤセンサ２２を含むＣＣＤエリアセンサ２１を備えている。

ｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８に照射されて、反射されたレーザビーム２０はレンズ２５に入射し、対応するＣＣＤセンサ２２の光電検出面２２Ａに入射する。

ここに、レンズ２５は、レンズ２５を含む平面がＣＣＤエリアセンサ２１の受光面と平行になり、レンズ２５とＣＣＤエリアセンサ２１の中心に位置するＣＣＤセンサ２２の距離が焦点距離Ｆに等しくなるように制御されている。

図５は、レーザビーム２０がＣＣＤセンサ２２の光電検出面２２Ａに入射する状態をＸ方向から見た図面であり、図６はＹ方向から見た図面である。

X方向から見ると、図４および図５に示されるように、ｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８によって反射され、レンズ２５を通ったレーザビーム２０は、ＣＣＤエリアセンサ２１の中心から、Ｘ方向にＸｄだけ離れたＣＣＤセンサ２２の光電検出面２２Ａに入射して受光される。

一方、Y方向から見ると、図６に示されるように、ｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８によって反射され、レンズ２５を通ったレーザビーム２０は、ＣＣＤエリアセンサ２１の中心から、Y方向にYｄだけ離れたＣＣＤセンサ２２の光電検出面２２Ａに入射して受光される。

ＣＣＤセンサ２２にレーザビーム２０が入射すると、レーザビーム検出信号がコントロールユニット１に出力され、レーザビーム検出信号が入力されると、コントロールユニット１はレーザビーム検出信号をＲＡＭ３に格納するとともに、レーザビーム検出信号が入力された時間を、受光時間ＴｊとしてＲＡＭ３に記憶させる。

以上のように構成された本実施態様にかかるレーザ計測システムは、以下のようにして、ｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８の座標データ群を取得する。

まず、図示しない電源スイッチがオンされると、コントロールユニット１は、レーザ放出信号をレーザ測距装置１０に出力する。

同時に、コントロールユニット１はレーザ測距装置１０にレーザ放出信号を出力したレーザ放出時間ＴをＲＡＭ３に格納する。

レーザ測距装置１０がレーザ放出信号を受けると、図２に示されるように、レーザ測距装置１０のＬＥＤレーザ光源１３からパルス状にレーザビーム１２が放出され、ＬＥＤレーザ光源１３から放出されたレーザビーム１２は、コリメータレンズ１４に入射して、平行なビームに変換された後に、拡散モジュール１５に入射する。

拡散モジュール１５に入射したレーザビーム１２は、図２および図３に示されるように、拡散モジュール１５によって、ｎ×ｎのマトリックス状に、たとえば、１２８×１２８のマトリックス状のレーザビーム１７に分割され、ｎ×ｎのマトリックス状に分割されたレーザビーム１７は、座標値を計測すべき計測領域１８に向けて照射される。

座標値を計測すべき計測領域１８に向けて照射されたレーザビーム１７は、図３に示されるように、ｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８に入射し、各計測領域１８に入射したレーザビーム１７は、各計測領域１８によって反射される。

各計測領域１８によって反射されたレーザビーム２０は、図４に示されるように、レンズ２５に入射した後に、ｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８に対応するＣＣＤセンサ２２の光電検出面２２Ａに入射する。

各計測領域１８によって反射されたレーザビーム２０がｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８に対応するＣＣＤエリアセンサ２１のＣＣＤセンサ２２の光電検出面２２Ａに入射すると、レーザビーム検出信号がコントロールユニット１に出力される。

レーザビーム検出信号を受けると、コントロールユニット１は、ｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８によって反射されたレーザビーム２０をＣＣＤエリアセンサ２１のＣＣＤセンサ２２が受光した受光時間ＴｊをＲＡＭ３に格納するとともに、ＲＡＭ３に格納されているレーザ測距装置１０にレーザ放出信号を出力したレーザ放出時間Ｔを読み出し、レーザ放出時間Ｔと受光時間Ｔｊとから、ＣＣＤセンサ２２が受光したレーザビーム２０を反射した各計測領域１８とＣＣＤセンサ２２との間の距離Ｄを算出し、ＲＡＭ３に記憶させる。

一方で、図４、図５および図６に示されるように、ｎ×ｎのマトリックス状のある計測領域１８によって反射され、レンズ２５を介して、ＣＣＤエリアセンサ２１に入射するレーザビーム２０はＣＣＤエリアセンサ２１の中心から、Ｘ方向にＸｄ、Ｙ方向にＹｄの距離に位置するＣＣＤセンサ２２によって受光される。したがって、ＣＣＤセンサ２２から入力されたレーザビーム検出信号に基づいて、コントロールユニット１は、ＣＣＤエリアセンサ２１のレンズ２５の中心を原点とするＸ−Ｙ座標系において、ｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８によって反射されたレーザビーム２０がＣＣＤエリアセンサ２２に入射した位置のＸ座標値がＸｄで、Ｙ座標値がＹｄであるとして、ＣＣＤエリアセンサ２１のレンズ２５の中心を原点としたＸ、Ｙ座標値を求めることができる。こうして求められたレーザビーム２０の入射位置のＸ、Ｙ座標値（Ｘｄ、Ｙｄ）はＲＡＭ３に格納される。

コントロールユニット１は、こうして求められたレーザビーム２０のＣＣＤセンサ２２への入射位置のＸ、Ｙ座標値（Ｘｄ、Ｙｄ）と、レンズ２５の焦点距離Ｆとに基づいて、レンズ２５へのレーザビーム２０のＸ方向の入射角θＸおよびＹ方向の入射角θYを算出する。

次いで、コントロールユニット１は、レンズ２５へのレーザビーム２０のＸ方向の入射角θＸおよびＹ方向の入射角θYと、そのレーザビーム２０を反射した計測領域１８とレーザビーム２０を受光したＣＣＤセンサ２２との距離Ｄに基づいて、そのレーザビーム２０を反射した計測領域１８のＣＣＤエリアセンサ２１のレンズ２５の中心を原点とした座標軸のＸ軸方向およびＹ軸方向に直交するＺ軸方向のＺ座標値（Ｚｄ）を算出する。ここに、Ｚ座標値（Ｚｄ）は、計測領域１８とレンズ２５を含む平面との距離を表している。

レーザビーム２０のＣＣＤセンサ２２への入射位置のＸ、Ｙ座標値と、そのレーザビーム２０を反射した計測領域１８のＸ、Ｙ座標値とは互いに対応しているから、レーザビーム２０のＣＣＤセンサ２２の入射位置のＸ、Ｙ座標値に基づいて、そのレーザビーム２０を反射した計測領域１８のＸ、Ｙ座標値を求めることができ、したがって、レーザビーム２０を反射したｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８のＣＣＤエリアセンサ２１のレンズ２５の中心を原点としたＸ座標値、Ｙ座標値およびＺ座標値が求められる。

こうして、対象物１８のｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域のＸ座標値、Ｙ座標値、Ｚ座標値が得られると、コントロールユニット１は、緯度・経度・高度を検出するＧＮＳＳセンサ４とヘリコプターの姿勢を検出するＩＭＵセンサ５とによって検出された地図座標に座標変換する。

以上のようにして、ｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８の座標群を取得することができる。

レーザビームをスキャンして、計測領域のＸ座標値、Ｙ座標値およびＺ座標値を算出する従来のレーザ計測システムにあっては、レーザビームの１ショットで、１つの計測領域のＸ座標値、Ｙ座標値およびＺ座標値しか算出することができず、計測誤差がある場合には、ｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８のＸ座標値、Ｙ座標値およびＺ座標値に誤差が生じ、したがって、ｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８のＸ座標値、Ｙ座標値およびＺ座標値に基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８相互の距離データを算出する場合には、各計測領域１８を計測した際の誤差が重なり合って増幅され、ｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８相互の距離データの信頼性が低下することは避けられなかったが、本実施態様によれば、レーザ光源１３からパルス状に放出されたレーザビーム１２を、拡散モジュール１５によって、多数のレーザビーム１７に分割し、ｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８に四角錘状に照射し、ｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８から反射されたレーザビーム２０を、ＣＣＤエリアセンサ２１によって検出し、ｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８のＸ座標値、Ｙ座標値およびＺ座標値を算出しているから、ｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８相互の距離データの信頼性が低下することを効果的に防止することが可能になる。

また、本実施態様によれば、レーザ光源１３からパルス状に放出されたレーザビーム１２を、拡散モジュール１５によって、多数のレーザビーム１７に分割し、ｎ×ｎのマトリックス状の計測領域１８に四角錘状に照射し、ｎ×ｎのマトリックス状の各計測領域１８から反射されたレーザビーム２０を、ＣＣＤエリアセンサ２１のｎ×ｎのマトリックス状に配置されたＣＣＤセンサ２２の１つによって受光し、受光したＣＣＤセンサ２２のＸ、Ｙ座標値に基づいて、そのレーザビーム２０を反射した計測領域１８のＸ、Ｙ座標値を算出し、その一方で、レーザ光源１３からレーザビーム１２を放出したレーザ放出時間Ｔと、計測領域１８によって反射されたレーザビーム２０をＣＣＤセンサ２１が受光した受光時間Ｔｊとから、ＣＣＤセンサ２２が受光したレーザビーム２０を反射した計測領域１８とＣＣＤセンサ２２との間の距離Ｄを算出して、距離データを生成し、ＣＣＤエリアセンサ２１のレンズ２５の焦点距離Ｆとレーザビーム２０を受光したＣＣＤセンサ２２のＸ、Ｙ座標値から求めたレーザビーム２０のレンズ２５への入射角θＸおよびθＹと、レーザビーム２０を受光したＣＣＤセンサ２２のＸ、Ｙ座標値と、ＣＣＤセンサ２２との間の距離Ｄを示す距離データから複数の計測領域１８のＸ、Ｙ、Ｚ座標値を求めることができ、こうして得られた複数の計測領域１８のＸ、Ｙ、Ｚ座標値をＧＮＳＳセンサ４とＩＭＵセンサ５とによって検出された地図座標に座標変換することによって、１ショットで複数の計測領域１８の座標データ群を取得することが可能になる。

本発明は、以上の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

たとえば、前記実施態様においては、ｎ×ｎのマトリックス状に配置されたＣＣＤセンサ２２を含むＣＣＤエリアセンサ２１が用いられているが、ＣＣＤエリアセンサ２１を用いることは必ずしも必要でなく、ＣＭＯＳエリアセンサなど、他のエリアセンサを用いることもできる。

１ コントロールユニット
２ ＲＯＭ
３ ＲＡＭ
４ ＧＮＳＳセンサ
５ ＩＭＵセンサ
１０ レーザ測距装置
１２ レーザビーム
１３ ＬＥＤレーザ光源
１４ コリメータレンズ
１５ 拡散モジュール
１７ レーザビーム
１８ 計測領域
２０ レーザビーム
２１ ＣＣＤエリアセンサ
２２ ＣＣＤセンサ
２２Ａ ＣＣＤセンサの光電検出面

Claims (6)

1. 航空機に搭載されたレーザ計測システムであって、
   前記航空機の三次元的位置を検出するＧＮＳＳセンサと、
   前記航空機の姿勢を検出するＩＭＵセンサと、
   レーザ測距装置を備え、
   前記レーザ測距装置が、
   レーザビームをパルス状に放出するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から放出されたレーザビームを、多数のレーザビームに分割して、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域（ｎは２以上の整数である）に錐体状に照射する拡散モジュールと、
   ｎ×ｎのマトリックス状計測領域に対応して、ｎ×ｎのマトリックス状に配置され、二次元座標値が割り当てられたｎ×ｎの単位撮像素子を含み、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域から反射されたレーザビームを、レンズを介して、受光する二次元撮像素子と、
   コントロールユニットと
   を備えており、
   前記コントロールユニットが、
   ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを検出した前記二次元撮像素子の単位撮像素子のＸ方向およびＸ方向に直交するＹ方向のＸ座標値およびＹ座標値に基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ座標値およびＹ座標値を算出し、
   前記レーザ光源がレーザビームを放出した時間と、前記二次元撮像素子の前記単位撮像素子がｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを検出した時間に基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々までの距離Ｄを算出して、距離データを求め、
   ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記Ｘ座標値およびＹ座標値と、前記距離データに基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ方向およびＹ方向と直交するＺ方向のＺ座標値を算出し、
   ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記Ｘ座標値、Ｙ座標値およびＸ座標値を、前記ＧＮＳＳセンサと前記ＩＭＵセンサによって検出された地図座標に座標変換するように構成されたことを特徴とするレーザ計測システム。
2. 前記コントロールユニットが、前記二次元撮像素子の前記レンズの焦点距離Ｆと、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを検出した前記二次元撮像素子の単位撮像素子のＸ座標値およびＹ座標値とに基づいて、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームの前記二次元撮像素子の前記レンズへの入射角θＸおよびθＹを算出し、前記距離データとレーザビームの前記レンズへの前記入射角θＸおよびθＹとに基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記二次元撮像素子の前記レンズの中心を原点としたＺ座標値を算出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ計測システム。
3. 前記二次元撮像素子が、ｎ×ｎのマトリックス状に配置されたＣＣＤセンサを含むＣＣＤエリアセンサおよびｎ×ｎのマトリックス状に配置されたＣＭＯＳセンサを含むＣＭＯＳエリアセンサよりなる群から選ばれるエリアセンサによって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ計測システム。
4. レーザ光源からパルス状に放出されたレーザビームを拡散モジュールによって多数のレーザビームに分割して、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域（ｎは２以上の整数である）に錐体状に照射し、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを、レンズを介して、ｎ×ｎのマトリックス状に配置された単位撮像素子を含む二次元撮像素子に光電検出させ、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを検出した前記二次元撮像素子の単位撮像素子の前記二次元撮像素子の前記レンズの中心を原点としたＸ方向およびＸ方向に直交するＹ方向のＸ座標値およびＹ座標値に基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ座標値およびＹ座標値を算出し、前記レーザ光源からレーザビームが放出された時間と、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームが二次元撮像素子の単位撮像素子によって検出された時間に基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々までの距離Ｄを算出して、距離データを求め、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記Ｘ座標値およびＹ座標値と、前記距離データに基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々のＸ方向およびＹ方向と直交するＺ方向のＺ座標値を算出し、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記Ｘ座標値、Ｙ座標値およびＸ座標値を、前記ＧＮＳＳセンサと前記ＩＭＵセンサによって検出された地図座標に座標変換するように構成されたことを特徴とするレーザ計測方法。
5. 前記二次元撮像素子の前記レンズの焦点距離Ｆと、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームを検出した前記二次元撮像素子の単位撮像素子のＸ座標値およびＹ座標値とに基づいて、ｎ×ｎの前記マトリックス状計測領域の各々によって反射されたレーザビームの前記二次元撮像素子の前記レンズへの入射角θＸおよびθＹを算出し、前記距離データとレーザビームの前記レンズへの前記入射角θＸおよびθＹとに基づいて、ｎ×ｎのマトリックス状計測領域の各々の前記二次元撮像素子の前記レンズの中心を原点としたＺ座標値を算出するように構成されたことを特徴とする請求項４に記載のレーザ計測方法。
6. 前記二次元撮像素子が、ｎ×ｎのマトリックス状に配置されたＣＣＤセンサを含むＣＣＤエリアセンサおよびｎ×ｎのマトリックス状に配置されたＣＭＯＳセンサを含むＣＭＯＳエリアセンサよりなる群から選ばれるエリアセンサによって構成されていることを特徴とする請求項４または５に記載のレーザ計測方法。