JP4184801B2 - 測定の分散効果を検出する方法及び装置 - Google Patents
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Description
項7の前提部による分散を測定する装置、距離測定装置の分散距離補正の方法の利用、及び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。
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。
び各場合に存在する大気の湿気量に依存する。
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。
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
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。
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。
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、19
75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。
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。
nb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。
b- Dr)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:
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。
を持ったNational Physical Laboratory (Teddington, UK)が提案したGoran Iである。1
mm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。
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。
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。
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。
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における分散あるいは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)とを利用した方法において、
前記視線に沿った電磁放射の走行時間を測定する行程と、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行程と、が実行され、かつ
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、
そして大気ガス(4)の分子吸収または原子吸収のある波長領域にある第2の搬送波が選択される、
ことを特徴とする前記方法に存する。
前記大気ガス(4)の分子吸収または原子吸収のある波長領域内の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請求項1に記載の方法に存する。
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又は2に記載の方法に存する。
前記第2の搬送波長は、大気ガス(4)の酸素分子O 2 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1、2、又は3に記載の方法に存する。
位相変調又はパルス変調の原理による請求項1ないし4のいずれか記載の方法によって視線に沿った測定におけるスペクトル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、そして
前記送波手段(1,2)は、
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の搬送波長を送波し、
大気ガス(4)の分子吸収または原子吸収のある波長領域にある第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に存する。
前記大気ガス(4)の分子吸収または原子吸収のある波長領域内の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請求項5に記載の装置に存する。
分散効果の補正の計算のために手段が存在することを特徴とする請求項5又は6に記載の装置に存する。
分散効果の補正の計算のために手段としての距離測定の手段が存在することを特徴とする請求項7に記載の装置に存する。
前記送波手段は、可視光の波長領域にある2つの搬送波長の中の少なくとも一つを送波することを特徴とする請求項5ないし8のいずれか1に記載の装置に存する。
前記送波手段(1,2)は、大気ガス(4)の酸素分子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5又は9に記載の装置に存する。
前記送波手段(1,2)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5ないし10のいずれか1に記載の装置に存する。
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概略値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概略値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概略値に対応する放射の送波用のLED−フィルタ結合
の中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5ないし11のいずれか1に記載の装置に存する。
分散型フィードバック(DFB)、
分散型ブラッグ反射器 (DBR)、あるいは
ファブリー・ペロット・エタロン ロッキング
のような搬送波長の安定化手段が少なくとも一つ備えられたことを特徴とする請求項5ないし12のいずれか1に記載の装置に存する。
請求項5ないし13のいずれか記載の分散効果を判定する装置を含む、セオドライトに存する。
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。
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。
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。
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。
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。
決法は得られていない。
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。
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。
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。
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
、
好である。
オード及びその動作方法は、この目的では公知である。
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。
.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。
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。第一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のこの偏位を測定するために、スペクトル幅が第一吸収帯の概略値と対応するLEDの狭帯域放射、例えばおよそΔλ= 759.5 nm - 762 nm = 2.5 nmが、例えば正常分散の範囲をカバーするシングルモードレーザーと併用することができる。新規の距離補正の結果は、
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。
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。
eas,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・(dmeas, ir − dmeas, red) の場合の誤差は、従って、Q・(0.5 mm)となる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
るだろう。
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
。
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
。
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ng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。
率ng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。
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。
定性的にのみ示され、何ら量的な情報を与えていない。
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。
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 (14)
- 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における分散あるいは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)とを利用した方法において、
前記視線に沿った電磁放射の走行時間を測定する行程と、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行程と、が実行され、かつ
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、
そして大気ガス(4)の分子吸収または原子吸収のある波長領域にある第2の搬送波が選択される、
ことを特徴とする前記方法。 - 前記大気ガス(4)の分子吸収または原子吸収のある波長領域内の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請求項1に記載の方法。
- 前記2つの搬送波長の少なくとも一つは、可視光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又は2に記載の方法。
- 前記第2の搬送波長は、大気ガス(4)の酸素分子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1、2、又は3に記載の方法。
- 位相変調又はパルス変調の原理による請求項1ないし4のいずれか記載の方法によって視線に沿った測定におけるスペクトル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、そして
前記送波手段(1,2)は、
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の搬送波長を送波し、
大気ガス(4)の分子吸収または原子吸収のある波長領域にある第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。 - 前記大気ガス(4)の分子吸収または原子吸収のある波長領域内の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請求項5に記載の装置。
- 分散効果の補正の計算のために手段が存在することを特徴とする請求項5又は6に記載の装置。
- 分散効果の補正の計算のために手段としての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、可視光の波長領域にある2つの搬送波長の中の少なくとも一つを送波することを特徴とする請求項5ないし8のいずれか1に記載の装置。
- 前記送波手段(1,2)は、大気ガス(4)の酸素分子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5又は9に記載の装置。
- 前記送波手段(1,2)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5ないし10のいずれか1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概略値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概略値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概略値に対応する放射の送波用のLED−フィルタ結合
の中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5ないし11のいずれか1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)、あるいは
ファブリー・ペロット・エタロン ロッキング
のような搬送波長の安定化手段が少なくとも一つ備えられたことを特徴とする請求項5ないし12のいずれか1に記載の装置。 - 請求項5ないし13のいずれか記載の分散効果を判定する装置を含む、セオドライト。
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