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技術 レーザ測定方法及びレーザ測定装置

出願人 株式会社トプコン
発明者 大友文夫熊谷薫吉野健一郎
出願日 2017年9月25日 (2年7ヶ月経過) 出願番号 2017-183704
公開日 2019年4月18日 (1年0ヶ月経過) 公開番号 2019-060644
状態 未査定
技術分野 測量一般 光学的距離測定 光レーダ方式及びその細部
主要キーワード 所定円 各反射位置 小型ヘリコプタ 測定作動 レーザ測定装置 調整螺子 スキャン軌跡 発光時間間隔
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年4月18日)のものです。
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図面 (20)

課題

レーザ測定に於いて測定装置を大型化することなく、又レーザダイオード高出力化を図ることなく測距距離の増大を可能としたレーザ測定方法及びレーザ測定装置を提供する。

解決手段

距光パルス発光する発光素子41と、測距光を照射しつつスキャンするスキャン部と、測定点からの反射測距光を受光し、往復時間に基づき距離測定を行う受光信号処理部83と、発光素子の発光タイミングを制御するタイミング信号、反射測距光の検出タイミングを制御するタイミング発生回路81とを具備し、タイミング発生回路は、発光素子を短周期でパルス発光させるタイミング信号と発光休止させるタイミング信号とをドライバに入力し、短周期での発光時間間隔は、パルス光が測定点を通過する時間内に、測定点がパルス光により複数回多重照射される様に設定され、受光信号処理部は複数回多重照射して得られる受光信号を積算し、積算信号に基づき測距を実行する。

概要

背景

距光としてパルスレーザ光線を用いたレーザ測定方法では、パルスレーザ光線を測定対象照射し、反射光受光し、パルスレーザ光線の往復時間を検出して測定対象迄の距離を測定する。更に、測距光を測定対象に対して移動させ(スキャンさせ)、パルス毎の測距を行い点群データを取得することも行われている。

パルス毎の測距を可能とし、又測定精度を確保する為には、所定の受光光量を必要とするが、受光光量は測定対象で反射される際の減衰、或は光束の拡散があり、測距距離の増大に対応して受光光量が減少する。従って、より遠距離の測定を可能にするには対物レンズの大径化、パルスレーザ光線の高出力化が必要となる。

然し乍ら、対物レンズの大径化には、測定装置の大型化、重量化が伴い、又パルスレーザ光線を発光するレーザダイオード放射出力にも限界がある。

近年、無人飛行機発達、普及が著しく、無人飛行機に測定機を搭載して、地上を測定することが行われている。

例えば、小型無人飛行機に測定機としてレーザスキャナを搭載し、上空から地上をスキャンして地形を測定する場合、レーザスキャナの小型化、軽量化が必要となる。更に、レーザスキャナの測距可能な距離が、小型無人飛行機の飛行高度、更にスキャン可能な範囲(測定範囲)を決定する。

従って、現状ではレーザスキャナを無人飛行機に搭載して地形を測定する場合、無人飛行機の飛行高度、スキャン可能な範囲は、レーザスキャナの測定可能な距離の制約を受けている。

概要

レーザ測定に於いて測定装置を大型化することなく、又レーザダイオードの高出力化をることなく測距距離の増大を可能としたレーザ測定方法及びレーザ測定装置を提供する。測距光をパルス発光する発光素子41と、測距光を照射しつつスキャンするスキャン部と、測定点からの反射測距光を受光し、往復時間に基づき距離測定を行う受光信号処理部83と、発光素子の発光タイミングを制御するタイミング信号、反射測距光の検出タイミングを制御するタイミング発生回路81とを具備し、タイミング発生回路は、発光素子を短周期でパルス発光させるタイミング信号と発光休止させるタイミング信号とをドライバに入力し、短周期での発光時間間隔は、パルス光が測定点を通過する時間内に、測定点がパルス光により複数回多重照射される様に設定され、受光信号処理部は複数回多重照射して得られる受光信号を積算し、積算信号に基づき測距を実行する。

目的

本発明は、レーザ測定に於いて測定装置を大型化することなく、又レーザダイオードの高出力化を図ることなく測距距離の増大を可能としたレーザ測定方法及びレーザ測定装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

パルス距光測定点照射しつつスキャンし、該測定点からの反射測距光を受光し、前記測定点について前記パルス測距光のパルス光毎の往復時間を検出し、往復時間に基づき距離測定を行うレーザ測定方法に於いて、パルス光のスキャン速度、発光周期を、パルス光が前記測定点を通過する時間内に、該測定点が複数回多重照射される様に設定し、複数回多重照射して得られる受光信号を積算し、積算した受光信号に基づき測距を実行するレーザ測定方法。

請求項2

1つのパルス光で得られる複数の前記反射測距光について、それぞれ受光信号を求め、複数の受光信号についてそれぞれ測距を行う請求項1に記載のレーザ測定方法。

請求項3

前記発光周期は、測定対象凹凸差に相当する測距時間差以上である請求項1に記載のレーザ測定方法。

請求項4

前記スキャンの態様は、2次元スキャンである請求項1に記載のレーザ測定方法。

請求項5

前記スキャンの態様は、円スキャンである請求項1に記載のレーザ測定方法。

請求項6

測距光をパルス発光する発光素子と、該発光素子を発光させるドライバと、前記測距光を照射しつつスキャンするスキャン部と、測定点からの反射測距光を受光し、前記測定点について前記測距光のパルス光毎の往復時間を検出し、往復時間に基づき距離測定を行う受光信号処理部と、前記発光素子の発光タイミングを制御する為のタイミング信号、前記反射測距光の検出タイミングを制御する為のタイミング信号を発するタイミング発生回路とを具備し、該タイミング発生回路は、前記発光素子を短周期でパルス発光させるタイミング信号と発光休止させるタイミング信号とを前記ドライバに入力し、該ドライバは前記タイミング発生回路からのタイミング信号に従って前記発光素子をパルス発光させ、前記短周期での発光時間間隔は、パルス光が前記測定点を通過する時間内に、該測定点がパルス光により複数回多重照射される様に設定され、前記受光信号処理部は複数回多重照射して得られる受光信号を積算し、積算した受光信号に基づき測距を実行する様構成されたレーザ測定装置

請求項7

前記受光信号処理部は、1つのパルス光で得られる複数の前記反射測距光について、それぞれ受光信号を求め、複数の受光信号についてそれぞれ測距を行う請求項6に記載のレーザ測定装置。

請求項8

前記短周期での発光時間間隔は、測定対象の凹凸差に相当する測距時間差以上である請求項6に記載のレーザ測定装置。

請求項9

前記発光素子からの前記測距光を測定対象に照射する投光レンズと、測定対象から反射された前記反射測距光を受光素子結像させる結像レンズを具備し、前記発光素子は複数設けられ、前記受光素子は前記発光素子に対応した数設けられ、各発光素子、各受光素子は前記投光レンズ、前記結像レンズを有する光学系に関して共役の位置に設けられた請求項6に記載のレーザ測定装置。

請求項10

前記発光素子からの前記測距光を測定対象に照射する投光レンズと、測定対象から反射された前記反射測距光を受光素子に結像させる結像レンズを具備し、前記発光素子は複数設けられ、前記受光素子には前記発光素子に対応し受光端面を有する光ファイバが設けられ、各発光素子、各受光端面は前記投光レンズ、前記結像レンズを有する光学系に関して共役の位置に設けられ、前記光ファイバを介して前記受光素子が複数の前記反射測距光を受光する様構成された請求項6に記載のレーザ測定装置。

請求項11

前記スキャン部は、測距光軸を偏向する光軸偏向部を有し、該光軸偏向部は、重なり合う一対の円板状の光学プリズムで構成され、各光学プリズムは、前記測距光を偏向する様中央に設けられた第1光軸偏向部と、該第1光軸偏向部周囲に設けられ、前記反射測距光を偏向する第2光軸偏向部が構成され、各光学プリズムは、それぞれ独立して回転可能であり、前記スキャン部は、前記光学プリズムを一体に回転させ、前記測距光を円スキャンさせる請求項6に記載のレーザ測定装置。

請求項12

前記スキャン部は、測距光軸を偏向する光軸偏向部を有し、該光軸偏向部は水平回転軸を中心に鉛直方向に回転するスキャンミラーを有し、前記測距光は該スキャンミラーに回転軸心と同心に入射され、前記測距光は前記スキャンミラーによって直角に偏向され、該スキャンミラーによって1次元にスキャンされる請求項6に記載のレーザ測定装置。

請求項13

請求項6のレーザ測定装置は無人飛行体に搭載され、前記レーザ測定装置の光軸が鉛直下方に向けられたレーザ測定装置。

請求項14

請求項6のレーザ測定装置は、設置装置を介して不動体に設置され、前記レーザ測定装置の光軸が水平方向に向けられたレーザ測定装置。

技術分野

0001

本発明は測距光として、パルスレーザ光線を用いたレーザ測定方法及びレーザ測定装置に関するものである。

背景技術

0002

測距光としてパルスレーザ光線を用いたレーザ測定方法では、パルスレーザ光線を測定対象照射し、反射光受光し、パルスレーザ光線の往復時間を検出して測定対象迄の距離を測定する。更に、測距光を測定対象に対して移動させ(スキャンさせ)、パルス毎の測距を行い点群データを取得することも行われている。

0003

パルス毎の測距を可能とし、又測定精度を確保する為には、所定の受光光量を必要とするが、受光光量は測定対象で反射される際の減衰、或は光束の拡散があり、測距距離の増大に対応して受光光量が減少する。従って、より遠距離の測定を可能にするには対物レンズの大径化、パルスレーザ光線の高出力化が必要となる。

0004

然し乍ら、対物レンズの大径化には、測定装置の大型化、重量化が伴い、又パルスレーザ光線を発光するレーザダイオード放射出力にも限界がある。

0005

近年、無人飛行機発達、普及が著しく、無人飛行機に測定機を搭載して、地上を測定することが行われている。

0006

例えば、小型無人飛行機に測定機としてレーザスキャナを搭載し、上空から地上をスキャンして地形を測定する場合、レーザスキャナの小型化、軽量化が必要となる。更に、レーザスキャナの測距可能な距離が、小型無人飛行機の飛行高度、更にスキャン可能な範囲(測定範囲)を決定する。

0007

従って、現状ではレーザスキャナを無人飛行機に搭載して地形を測定する場合、無人飛行機の飛行高度、スキャン可能な範囲は、レーザスキャナの測定可能な距離の制約を受けている。

先行技術

0008

特開2014−62789号公報
特開2016−151423号公報

発明が解決しようとする課題

0009

本発明は、レーザ測定に於いて測定装置を大型化することなく、又レーザダイオードの高出力化を図ることなく測距距離の増大を可能としたレーザ測定方法及びレーザ測定装置を提供するものである。

課題を解決するための手段

0010

本発明は、パルス測距光を測定点に照射しつつスキャンし、該測定点からの反射測距光を受光し、前記測定点について前記パルス測距光のパルス光毎の往復時間を検出し、往復時間に基づき距離測定を行うレーザ測定方法に於いて、パルス光のスキャン速度、発光周期を、パルス光が前記測定点を通過する時間内に、該測定点が複数回多重照射される様に設定し、複数回多重照射して得られる受光信号を積算し、積算した受光信号に基づき測距を実行するレーザ測定方法に係るものである。

0011

又本発明は、1つのパルス光で得られる複数の前記反射測距光について、それぞれ受光信号を求め、複数の受光信号についてそれぞれ測距を行うレーザ測定方法に係るものである。

0012

又本発明は、前記発光周期は、測定対象の凹凸差に相当する測距時間差以上であるレーザ測定方法に係るものである。

0013

又本発明は、前記スキャンの態様は、2次元スキャンであるレーザ測定方法に係るものである。

0014

又本発明は、前記スキャンの態様は、円スキャンであるレーザ測定方法に係るものである。

0015

又本発明は、測距光をパルス発光する発光素子と、該発光素子を発光させるドライバと、前記測距光を照射しつつスキャンするスキャン部と、測定点からの反射測距光を受光し、前記測定点について前記測距光のパルス光毎の往復時間を検出し、往復時間に基づき距離測定を行う受光信号処理部と、前記発光素子の発光タイミングを制御する為のタイミング信号、前記反射測距光の検出タイミングを制御する為のタイミング信号を発するタイミング発生回路とを具備し、該タイミング発生回路は、前記発光素子を短周期でパルス発光させるタイミング信号と発光休止させるタイミング信号とを前記ドライバに入力し、該ドライバは前記タイミング発生回路からのタイミング信号に従って前記発光素子をパルス発光させ、前記短周期での発光時間間隔は、パルス光が前記測定点を通過する時間内に、該測定点がパルス光により複数回多重照射される様に設定され、前記受光信号処理部は複数回多重照射して得られる受光信号を積算し、積算した受光信号に基づき測距を実行する様構成されたレーザ測定装置に係るものである。

0016

又本発明は、前記受光信号処理部は、1つのパルス光で得られる複数の前記反射測距光について、それぞれ受光信号を求め、複数の受光信号についてそれぞれ測距を行うレーザ測定装置に係るものである。

0017

又本発明は、前記短周期での発光時間間隔は、測定対象の凹凸差に相当する測距時間差以上であるレーザ測定装置に係るものである。

0018

又本発明は、前記発光素子からの前記測距光を測定対象に照射する投光レンズと、測定対象から反射された前記反射測距光を受光素子結像させる結像レンズを具備し、前記発光素子は複数設けられ、前記受光素子は前記発光素子に対応した数設けられ、各発光素子、各受光素子は前記投光レンズ、前記結像レンズを有する光学系に関して共役の位置に設けられたレーザ測定装置に係るものである。

0019

又本発明は、前記発光素子からの前記測距光を測定対象に照射する投光レンズと、測定対象から反射された前記反射測距光を受光素子に結像させる結像レンズを具備し、前記発光素子は複数設けられ、前記受光素子には前記発光素子に対応し受光端面を有する光ファイバが設けられ、各発光素子、各受光端面は前記投光レンズ、前記結像レンズを有する光学系に関して共役の位置に設けられ、前記光ファイバを介して前記受光素子が複数の前記反射測距光を受光する様構成されたレーザ測定装置に係るものである。

0020

又本発明は、前記スキャン部は、測距光軸を偏向する光軸偏向部を有し、該光軸偏向部は、重なり合う一対の円板状の光学プリズムで構成され、各光学プリズムは、前記測距光を偏向する様中央に設けられた第1光軸偏向部と、該第1光軸偏向部周囲に設けられ、前記反射測距光を偏向する第2光軸偏向部が構成され、各光学プリズムは、それぞれ独立して回転可能であり、前記スキャン部は、前記光学プリズムを一体に回転させ、前記測距光を円スキャンさせるレーザ測定装置に係るものである。

0021

又本発明は、前記スキャン部は、測距光軸を偏向する光軸偏向部を有し、該光軸偏向部は水平回転軸を中心に鉛直方向に回転するスキャンミラーを有し、前記測距光は該スキャンミラーに回転軸心と同心に入射され、前記測距光は前記スキャンミラーによって直角に偏向され、該スキャンミラーによって1次元にスキャンされるレーザ測定装置に係るものである。

0022

又本発明は、前記レーザ測定装置は無人飛行体に搭載され、前記レーザ測定装置の光軸が鉛直下方に向けられたレーザ測定装置に係るものである。

0023

更に又本発明は、前記レーザ測定装置は、設置装置を介して不動体に設置され、前記レーザ測定装置の光軸が水平方向に向けられたレーザ測定装置に係るものである。

発明の効果

0024

本発明によれば、パルス測距光を測定点に照射しつつスキャンし、該測定点からの反射測距光を受光し、前記測定点について前記パルス測距光のパルス光毎の往復時間を検出し、往復時間に基づき距離測定を行うレーザ測定方法に於いて、パルス光のスキャン速度、発光周期を、パルス光が前記測定点を通過する時間内に、該測定点が複数回多重照射される様に設定し、複数回多重照射して得られる受光信号を積算し、積算した受光信号に基づき測距を実行するので、1パルス光の反射測距光の光量が少ない状況での測距が可能であり、又遠距離測距が可能となり、又発光素子の負荷率を低減でき、製作費の低減、発光素子の長寿命化に寄与することができる。

0025

又本発明によれば、測距光をパルス発光する発光素子と、該発光素子を発光させるドライバと、前記測距光を照射しつつスキャンするスキャン部と、測定点からの反射測距光を受光し、前記測定点について前記測距光のパルス光毎の往復時間を検出し、往復時間に基づき距離測定を行う受光信号処理部と、前記発光素子の発光タイミングを制御する為のタイミング信号、前記反射測距光の検出タイミングを制御する為のタイミング信号を発するタイミング発生回路とを具備し、該タイミング発生回路は、前記発光素子を短周期でパルス発光させるタイミング信号と発光休止させるタイミング信号とを前記ドライバに入力し、該ドライバは前記タイミング発生回路からのタイミング信号に従って前記発光素子をパルス発光させ、前記短周期での発光時間間隔は、パルス光が前記測定点を通過する時間内に、該測定点がパルス光により複数回多重照射される様に設定され、前記受光信号処理部は複数回多重照射して得られる受光信号を積算し、積算した受光信号に基づき測距を実行する様構成されたので、1パルス光の反射測距光の光量が少ない状況での測距が可能であり、又遠距離測距が可能となり、又発光素子の負荷率を低減でき、製作費の低減、発光素子の長寿命化に寄与することができるという優れた効果を発揮する。

図面の簡単な説明

0026

本発明の第1の実施例に係る測定装置が無人飛行体に用いられた場合を示すシステム図である。
該無人飛行体の概略構成図である。
前記測定装置の概略構成図である。
該測定装置に用いられる光軸偏向部の要部説明図である。
(A)〜(C)は、該光軸偏向部の作用説明図である。
図3で示される測距演算部の構成図である。
第1の実施例に於ける測定状態を示す説明図である。
測距光のビーム径を示す説明図である。
測定対象が地表であり、測定地点樹木が存在する場合の測距光と測定点との関係を示す説明図である。
測定地点に樹木が存在する等、凹凸が存在する場合の受光信号を示す説明図である。
測定点を測距光により、多重照射した場合の説明図である。
(A)(B)は、多重照射した場合の受光信号を示す説明図である。
多重照射した受光信号を積算した場合の積算受光信号を示す説明図である。
第2の実施例を示し、レーザスキャナが複数の発光素子を有し、発光素子に対応した同数の受光素子を具備し、複数点を同時に測距する場合の構成図である。
第2の実施例に於けるスキャン軌跡と測定点の関係を示す説明図である。
第2の実施例に於ける受光信号を示す説明図である。
第3の実施例を示し、レーザスキャナが複数の発光素子を有し、1つの受光素子を具備し、複数点を同時に測距する場合の構成図である。
第3の実施例に於けるスキャン軌跡と測定点の関係を示す説明図である。
第3の実施例に於ける受光信号を示す説明図である。
第4の実施例を示すシステム概略図である。
第5の実施例を示すシステム概略図である。
第6の実施例に係るレーザスキャナの概略構成図である。

実施例

0027

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

0028

先ず、第1の実施例として測定装置を無人飛行体に搭載した場合を説明する。又、第1の実施例では、該無人飛行体として、例えば遠隔操作可能な小型ヘリコプタ或は自律飛行可能な小型ヘリコプタが用いられ、測定装置としてレーザスキャナが用いられている。

0029

先ず、図1図2を参照して第1の実施例の概略を説明する。

0030

図1中、1は地上に設置される基地制御装置1であり、該基地制御装置1は、無人飛行体2及びレーザスキャナ3とデータ通信可能であり、前記無人飛行体2の飛行の制御、飛行計画の設定、変更を実行すると共に、前記基地制御装置1は前記レーザスキャナ3が取得した測定結果収集、保存、管理、前記測定結果に基づき地形図の作製等を実行する。

0031

前記無人飛行体2は機体4を有し、該機体4に設けられた所要数プロペラユニット、例えば前後左右、計4組のプロペラユニット5,6,7,8を有し、該プロペラユニット5,6,7,8はそれぞれ個別にモータを具備し、該モータは独立して駆動が制御される様になっている。尚、前記プロペラユニット5,6,7,8及び前記無人飛行体2の姿勢を検出するジャイロユニット(後述)等は、航行手段を構成する。

0032

図2を参照して、前記無人飛行体2の概略構成を説明する。

0033

前記機体4には前記レーザスキャナ3が搭載されると共に、前記機体4には、GNSS装置9、飛行制御装置11、飛行体記憶部12、飛行制御部13、ジャイロユニット14、飛行体通信部15等が設けられる。

0034

前記飛行体記憶部12には、前記無人飛行体2を飛行させる為に必要なプログラム、前記飛行体通信部15により前記基地制御装置1との通信を行う為の通信プログラム飛行ルート等飛行に必要な飛行データが格納されており、前記飛行制御装置11はプログラム、飛行データに基づき、自律飛行を実行し、或は遠隔操作による飛行を制御する。

0035

前記飛行制御部13は、前記飛行制御装置11からの飛行制御指令及び前記ジャイロユニット14が検出する飛行体の姿勢状態に基づき、前記プロペラユニット5,6,7,8を個別に駆動制御し、前記無人飛行体2を所望の姿勢で、所望の方向に飛行させる。

0036

該無人飛行体2は基準位置を有し、前記GNSS装置9は、前記無人飛行体2の前記基準位置を測定する。ここで、基準位置としては、前記無人飛行体2の機械基準点の位置、或は前記レーザスキャナ3の測定基準点の位置がある。尚、前記GNSS装置9によって前記レーザスキャナ3の測定基準点の位置が測定される様になっていることが好ましい。

0037

前記レーザスキャナ3は基準光軸Oを有し、該基準光軸Oは下方に延出し、前記飛行制御装置11は前記基準光軸Oが鉛直、或は略鉛直となる様に前記無人飛行体2の姿勢を制御する。

0038

尚、前記基準光軸Oの鉛直性が、より確実に保証される様、前記機体4の姿勢に拘らず、前記基準光軸Oが鉛直下方を向く様、前記レーザスキャナ3をジンバル機構を介して前記機体4に設けてもよい。尚、ジンバル機構については、特許文献1に開示されている。

0039

前記基地制御装置1から遠隔操作で操縦され、或は前記基地制御装置1から前記無人飛行体2の前記飛行制御装置11に飛行計画が設定され、該飛行制御装置11が航行手段を制御し、飛行計画に従って、前記無人飛行体2を自律飛行させる。

0040

又、前記飛行制御装置11は、前記航行手段を制御し、前記無人飛行体2を所定の速度、所定の高度での飛行に制御すると共に、該無人飛行体2の飛行姿勢を水平(或は、前記基準光軸Oが鉛直)に制御する。

0041

前記レーザスキャナ3は前記基準光軸Oを中心に測距光(パルスレーザ光線)をスキャンする。

0042

ここで、前記無人飛行体2に搭載される前記レーザスキャナ3は、前記無人飛行体2の飛行方向に対して直交する方向に直線的に測距光を往復スキャン(1次元スキャン)するレーザスキャナであってもよく、或は、前記基準光軸Oを中心として、或は該基準光軸Oを原点として測距光を2次元スキャンするレーザスキャナであってもよい。前記レーザスキャナ3のスキャンモードは、測定条件に応じて適宜選択が可能である。

0043

図3図4は前記レーザスキャナ3の一例を示している。図3図4に於いて説明する該レーザスキャナ3は、測距光を2次元にスキャンする構成を有している。

0044

尚、図3に於いて、前記基準光軸Oは水平な状態を示しているが、前記レーザスキャナ3が前記無人飛行体2に搭載された状態では、前記基準光軸Oは鉛直又は略鉛直となる。

0045

次に、前記レーザスキャナ3について、図3を参照して具体的に説明する。

0046

該レーザスキャナ3は、測距光射出部21、受光部22、測距演算部23、撮像部24、射出方向検出部25、モータドライバ26、第1通信部28、演算制御部29、記憶部31、撮像制御部32、画像処理部33、表示部34、光軸偏向部49を具備し、これらは筐体35に収納され、一体化されている。尚、前記測距光射出部21、前記受光部22、前記測距演算部23、前記光軸偏向部49等は、測距部を構成する。

0047

前記測距光射出部21は、射出光軸38を有し、該射出光軸38上に発光素子41、例えばパルスレーザダイオードPLD)が設けられている。又、前記射出光軸38上に投光レンズ42が設けられている。更に、前記射出光軸38上に偏向光学部材としての第1反射鏡43が設けられ、受光光軸44(後述)上に偏向光学部材としての第2反射鏡45が設けられ、前記第1反射鏡43と前記第2反射鏡45とによって、前記射出光軸38は、前記受光光軸44と合致する様に偏向される。前記第1反射鏡43と前記第2反射鏡45は射出光軸偏向部を構成する。

0048

前記発光素子41はパルスレーザ光線を発し、前記測距光射出部21は、前記発光素子41から発せられたパルスレーザ光線を測距光46として射出する。

0049

前記受光部22について説明する。該受光部22には、測定対象からの反射測距光47が入射する。前記受光部22は、前記受光光軸44を有し、該受光光軸44には、前記第1反射鏡43、前記第2反射鏡45によって偏向された前記射出光軸38が合致する。尚、該射出光軸38と前記受光光軸44とが合致した状態を測距光軸48とする。

0050

偏向された前記射出光軸38と前記受光光軸44とが合致した光軸上に、即ち前記測距光軸48上に、前記光軸偏向部49(後述)が配設される。該光軸偏向部49の中心を透過する真直な光軸は、前記基準光軸O(図1参照)となっている。該基準光軸Oは、前記光軸偏向部49によって偏向されなかった時の前記射出光軸38又は前記受光光軸44又は前記測距光軸48と合致する。

0051

前記反射測距光47は前記光軸偏向部49を透過し、前記受光部22へ入射し、入射後の前記反射測距光47の前記受光光軸44上に結像レンズ51が配設される。又、前記受光光軸44上に受光素子52、例えばアバランシェフォトダイオードAPD)が設けられる。前記結像レンズ51は、前記反射測距光47を前記受光素子52に結像する。該受光素子52は、前記反射測距光47を受光し、受光信号を発生する。受光信号は、前記測距演算部23に入力され、該測距演算部23は測距光の発光タイミングと受光信号の受光タイミングに基づき測定対象迄の測距を行う。

0052

図4を参照して、前記光軸偏向部49について説明する。

0053

該光軸偏向部49は、一対の光学プリズム63,64から構成される。該光学プリズム63,64は、それぞれ同径の円板形であり、前記測距光軸48上に該測距光軸48と直交して同心に配置され、所定間隔で平行に配置されている。前記光学プリズム63は、光学ガラスにて成形され、平行に配置された3つの三角プリズム65a,65b,65cを有している。前記光学プリズム64は、前記光学プリズム63と同構造であり、光学ガラスにて成形され、平行に配置された3つの三角プリズム66a,66b,66cを有している。尚、前記三角プリズム65a,65b,65cと前記三角プリズム66a,66b,66cは、全て、透過する光軸を同一偏角で偏向する光学特性を有している。

0054

尚、中心に位置する前記三角プリズム65a,66aの幅は、前記測距光46のビーム径よりも大きくなっており、該測距光46は前記三角プリズム65a,66aのみを透過する様になっている。

0055

前記光軸偏向部49の中央部(前記三角プリズム65a,66a)は、前記測距光46が透過し、射出される第1光軸偏向部である測距光偏向部となっている。前記光軸偏向部49の中央部を除く部分(前記三角プリズム65a,66aの両端部及び前記三角プリズム65b,65c、前記三角プリズム66b,66c)は、前記反射測距光47が透過し、入射する第2光軸偏向部である反射測距光偏向部となっている。

0056

前記光学プリズム63,64は、それぞれ前記測距光軸48を中心に独立して個別に回転可能に配設されている。前記光学プリズム63,64は、回転方向、回転量、回転速度が独立して制御されることで、射出される前記測距光46の前記射出光軸38を任意の方向に偏向し、又受光される前記反射測距光47の前記受光光軸44を前記射出光軸38と平行に偏向する。

0057

前記光学プリズム63,64の外形形状は、それぞれ前記測距光軸48(前記基準光軸O)を中心とする円形であり、前記反射測距光47の広がりを考慮し、必要な光量を取得できる様、前記光学プリズム63,64の直径が設定されている。

0058

前記光学プリズム63の外周にはリングギア67が嵌設され、前記光学プリズム64の外周にはリングギア68が嵌設されている。

0059

前記リングギア67には駆動ギア69が噛合し、該駆動ギア69はモータ71の出力軸に固着されている。同様に、前記リングギア68には駆動ギア72が噛合し、該駆動ギア72はモータ73の出力軸に固着されている。前記モータ71,73は、前記モータドライバ26に電気的に接続されている。

0060

前記モータ71,73は、回転角を検出できるもの、或は駆動入力値に対応した回転をするものが用いられ、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量(回転角)を検出する回転角検出器、例えばエンコーダ等を用いて前記モータ71,73の回転量を検出してもよい。該モータ71,73の回転量がそれぞれ検出され、前記モータドライバ26により前記モータ71,73が個別に制御される。尚、エンコーダを直接リンギア67,68にそれぞれ取付け、エンコーダにより前記リングギア67,68の回転角を直接検出する様にしてもよい。

0061

前記駆動ギア69,72、前記モータ71,73は、前記測距光射出部21と干渉しない位置、例えば前記リングギア67,68の下側に設けられている。

0062

前記投光レンズ42、前記第1反射鏡43、前記第2反射鏡45、前記測距光偏向部等は、投光光学系を構成する。又、前記反射測距光偏向部、前記結像レンズ51等は、受光光学系を構成する。

0063

前記測距演算部23は、前記発光素子41を制御し、前記測距光46としてレーザ光線をパルス発光又はバースト発光断続発光)させる。該測距光46が前記三角プリズム65a,66a(測距光偏向部)により、測定対象に向う様前記射出光軸38が偏向される。前記測距光軸48が、測定対象を視準した状態で測距が行われる。

0064

前記測定対象から反射された前記反射測距光47は、前記三角プリズム65b,65c及び前記三角プリズム66b,66c(反射測距光偏向部)、前記結像レンズ51を介して入射し、前記受光素子52に受光される。該受光素子52は、受光信号を前記測距演算部23に送出し、該測距演算部23は前記受光素子52からの受光信号に基づき、パルスレーザ光線(以下、パルス光と称す)毎に測定点(測距光が照射された点)の測距を行い、測距データは前記記憶部31に格納される。

0065

前記射出方向検出部25は、前記モータ71,73に入力する駆動パルスカウントすることで、前記モータ71,73の回転角を検出する。或は、エンコーダからの信号に基づき、前記モータ71,73の回転角を検出する。又、前記射出方向検出部25は、前記モータ71,73の回転角に基づき、前記光学プリズム63,64の回転位置演算する。更に、前記射出方向検出部25は、前記光学プリズム63,64の光学特性と回転位置とに基づき、各パルス光毎の前記測距光46の偏角、射出方向を演算する。演算結果(測角結果)は、測距結果に関連付けられて前記演算制御部29に入力される。尚、前記測距光46がバースト発光される場合は、断続測距光毎に測距が実行される。

0066

前記演算制御部29は、前記モータ71,73の回転方向、回転速度、該モータ71,73間の回転比を制御することで、前記光軸偏向部49による偏向作用を制御する。又、前記測距光46の偏角、射出方向から、前記測距光軸48に対する測定点の水平角鉛直角を演算する。更に、測定点についての水平角、鉛直角を前記測距データに関連付けることで、測定対象の3次元データを求めることができる。

0067

前記光軸偏向部49の回転を固定した状態とすると、特定の測定点の測距が行える。

0068

更に、前記光軸偏向部49を回転、或は所要パターンで動的に偏向させることで、前記測距光46を所要のパターンでスキャンさせることができ、この場合、前記レーザスキャナ3は点群データを取得するレーザスキャナとして機能する。

0069

レーザスキャナとして機能させる場合、前記光軸偏向部49、前記モータ71、前記モータ73等は、スキャン部を構成する。本実施例では、前記光学プリズム63、前記光学プリズム64を一対使用する例を記したが、前記光学プリズム63、又は、前記光学プリズム64のいずれかを使用する構成としてもよい。

0070

前記撮像部24について説明する。

0071

該撮像部24は、前記レーザスキャナ3の前記基準光軸Oと平行な撮像光軸55と、該撮像光軸55に配置された撮像レンズ56とを有している。前記撮像部24は、前記光学プリズム63,64による最大偏角(例えば±30°)と略等しい、或は最大偏角よりも大きい画角、例えば60°〜65゜の画角を有するカメラであり、前記レーザスキャナ3のスキャン範囲を含む画像データを取得する。前記撮像光軸55と前記射出光軸38及び前記基準光軸Oとの関係は既知であり、前記撮像光軸55と前記基準光軸Oとは平行であり、又各光軸間の距離は既知の値となっている。又、前記撮像部24は、動画像、又は連続画像が取得可能である。

0072

前記撮像制御部32は、前記撮像部24の撮像を制御する。前記撮像制御部32は、前記撮像部24が前記動画像、又は連続画像を撮像する場合に、該動画像、又は連続画像を構成するフレーム画像を取得するタイミングと前記レーザスキャナ3でスキャンするタイミングとの同期を取っている。前記演算制御部29は画像と測定データ(測距データ、測角データ)との関連付けも実行する。

0073

前記撮像部24の撮像素子57は、画素集合体であるCCD、或はCMOSセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、前記撮像光軸55を原点とした座標系での画素座標を有し、該画素座標によって画像素子上での位置が特定される。従って、各画素からの信号に基づき、前記撮像素子57上での受光位置を検出可能となっている。

0074

前記画像処理部33は、前記撮像部24で取得した画像データについて、エッジ抽出処理特徴点の抽出、画像トラッキング処理、画像マッチング等の画像処理を行う。又、画像データから濃淡画像を作成する。

0075

前記表示部34は、前記撮像部24により取得した画像を表示し、測定状況、測定データ等を表示する。尚、前記表示部34はタッチパネルとされ、操作部としても機能する。又、前記基地制御装置1から前記無人飛行体2の遠隔操作を行う場合は、前記表示部34は省略することができる。

0076

前記光軸偏向部49の偏向作用、スキャン作用について、図5(A)〜図5(C)を参照して説明する。

0077

尚、図5(A)では、説明を簡略化する為、前記光学プリズム63,64について、前記三角プリズム65a,66aと、前記三角プリズム65b,65c,66b,66cとを分離して示している。又、図5(A)は、前記三角プリズム65a,66a、前記三角プリズム65b,65c,66b,66cが同方向に位置した状態を示しており、この状態では最大の偏角(例えば、±30°)が得られる。又、最少の偏角は、前記光学プリズム63,64のいずれか一方が180°回転した位置であり、該光学プリズム63,64の相互の光学作用が相殺され、偏角は0°となる。従って、前記光学プリズム63,64を経て射出、受光されるパルスレーザ光線の光軸(前記測距光軸48)は、前記基準光軸Oと合致する。

0078

前記発光素子41から前記測距光46が発せられ、該測距光46は前記投光レンズ42で平行光束とされ、前記測距光偏向部(前記三角プリズム65a,66a)を透過して測定対象に向けて射出される。ここで、前記測距光偏向部を透過することで、前記測距光46は前記三角プリズム65a,66aによって所要の方向に偏向されて射出される(図5(A))。

0079

前記測定対象で反射された前記反射測距光47は、前記反射測距光偏向部を透過して入射され、前記結像レンズ51により前記受光素子52に集光される。

0080

前記反射測距光47が前記反射測距光偏向部を透過することで、前記反射測距光47の光軸は、前記受光光軸44と合致する様に前記三角プリズム65b,65c及び前記三角プリズム66b,66cによって偏向される(図5(A))。

0081

前記光学プリズム63と前記光学プリズム64との回転位置の組合わせにより、射出する前記測距光46の偏向方向、偏角を任意に変更することができる。

0082

又、前記光学プリズム63と前記光学プリズム64との位置関係を固定した状態で(前記光学プリズム63と前記光学プリズム64とで得られる偏角を固定した状態で)、前記モータ71,73により、前記光学プリズム63と前記光学プリズム64とを一体に回転すると、前記測距光偏向部を透過した前記測距光46が描く軌跡は前記基準光軸O(図3参照)を中心とした円となる。

0083

従って、前記発光素子41よりレーザ光線をパルス発光させつつ、前記光軸偏向部49を回転させれば、前記測距光46を円の軌跡でスキャンさせることができる。尚、前記反射測距光偏向部は、前記測距光偏向部と一体に回転していることは言う迄もない。

0084

図5(B)は、前記光学プリズム63と前記光学プリズム64とを相対回転させた場合を示している。前記光学プリズム63により偏向された光軸の偏向方向を偏向Aとし、前記光学プリズム64により偏向された光軸の偏向方向を偏向Bとすると、前記光学プリズム63,64による光軸の偏向は、該光学プリズム63,64間の角度差θとして、合成偏向Cとなる。

0085

従って、前記光学プリズム63と前記光学プリズム64を逆向きに同期して等速度で往復回転させた場合、前記光学プリズム63,64を透過した前記測距光46は、直線状に往復スキャンされる。従って、前記光学プリズム63と前記光学プリズム64とを逆向きに等速度で往復回転させることで、図5(B)に示される様に、前記測距光46を合成偏向C方向に直線の軌跡75で往復スキャンさせることができる。

0086

更に、図5(C)に示される様に、前記光学プリズム63の回転速度に対して遅い回転速度で前記光学プリズム64を回転させれば、角度差θは漸次増大しつつ前記測距光46が回転される。従って、該測距光46のスキャン軌跡はスパイラル状となる。

0087

又、前記光学プリズム63、前記光学プリズム64の回転方向、回転速度を個々に制御することで、前記測距光46のスキャン軌跡を前記基準光軸Oを中心とした照射方向(半径方向のスキャン)とし、或は水平、垂直方向とする等、種々の2次元のスキャンパターンが得られる。

0088

更に又、水平方向のスキャンと垂直方向のスキャンとを合成し、2次元のスキャンを可能とする。更に、中心を有する2次元の閉ループスキャンパターンとすることができ、この場合はスキャンパターンの中心を測定点と合致させる。又、スキャンパターンの中心は前記測距光軸48と合致する。

0089

図6を参照して、前記測距演算部23について説明する。

0090

該測距演算部23は、前記発光素子41、前記受光素子52の発光及び受光を制御し、測距を実行する。

0091

前記測距演算部23は主に、タイミング発生回路81、前記発光素子41を発光させるドライバ82、受光信号処理部83を有し、更に該受光信号処理部83は前記受光素子52からの信号をA/D変換するA/D変換部84、信号検出部85、信号処理部86、バッファ部87、粗測定部88を有する。

0092

前記タイミング発生回路81は、前記ドライバ82、前記A/D変換部84、前記信号検出部85、前記信号処理部86、前記バッファ部87、前記粗測定部88にそれぞれタイミング信号を発する。

0093

前記ドライバ82は、前記タイミング発生回路81からのタイミング信号に従って、前記発光素子41を短周期でのパルス発光と発光休止の組合わせで発光させる。即ち、前記ドライバ82は、短周期で所定時間だけ(所定パルス数だけ)パルス発光(群発光)させ、次に所定時間、発光を休止させる、断続発光を行う。従って、タイミング信号が入力される度に、短周期の発光(群発光)と発光休止とが交互に繰返される。ここで、1組の短周期のパルス発光時間と休止時間を含む周期を長周期と称す。

0094

尚、前記タイミング発生回路81からは、1長周期毎に1つのタイミング信号が発せられ、前記ドライバ82がタイミング信号の入力で1長周期分の発光駆動信号を前記発光素子41に入力する様にしてもよく、或は前記タイミング発生回路81から1長周期分の発光タイミング信号を前記ドライバ82に出力し、該ドライバ82が発光タイミング信号に対応して前記発光素子41を発光させる様にしてもよい。

0095

前記A/D変換部84には、前記タイミング発生回路81から、長周期に対応したタイミング信号が入力され、タイミング信号の入力と同期して前記受光素子52からの受光信号をA/D変換する。

0096

前記信号検出部85には、前記タイミング発生回路81から、長周期に対応したタイミング信号が入力される。前記信号検出部85は、前記A/D変換部84でA/D変換された受光信号の内、前記タイミング信号が入力された時から所定閾値を超える最初の信号を反射測距光の第1受光信号(後述)として検出する。第1受光信号は前記信号処理部86、前記粗測定部88に入力される。

0097

前記タイミング発生回路81から長周期に対応したタイミング信号が、前記バッファ部87にも入力される。該バッファ部87には、前記A/D変換部84で、A/D変換された受光信号が入力され、長周期毎に受光信号が蓄積される。

0098

前記粗測定部88は、前記信号検出部85から入力される受光信号に基づき、測定対象迄の距離を測定する。尚、前記粗測定部88は、長周期毎に1つの前記第1受光信号が入力され、該1つの第1受光信号に基づく距離測定であり、前記受光素子52の受光状態の影響を受けるので、精度は高くなく、概略の距離測定(粗測定)となる。

0099

前記信号処理部86には、前記バッファ部87で蓄積された1長周期毎の受光信号が入力され、前記信号処理部86は蓄積された1長周期の受光信号及び前記信号検出部85からの受光信号に基づき、距離を測定する。

0100

前記信号処理部86で得られる測距結果は、短周期で所定時間だけ発光(所定パルス数だけ群発光)した測距光の複数の受光信号に基づくものであり、受光状態は平均化され、或はノイズ等は相殺されるので、測定精度は高い。従って、前記信号処理部86では精密測定が行われる。

0101

前記粗測定部88からの粗測定結果、前記信号処理部86からの精密測定結果は、前記演算制御部29に入力され、該演算制御部29はこれらの測定結果を前記GNSS装置9で取得した位置情報に関連付けて前記記憶部31に保存する。

0102

以下、図7図10を参照して、本実施例に於ける測定作動について説明する。

0103

図7は、前記レーザスキャナ3が前記無人飛行体2の下面に設けられ、鉛直下方に延出する前記基準光軸Oを中心に円スキャンし、地表の測定を行っている状態を示している。

0104

ここで、1回の円スキャンで1回群発光させた場合、円スキャンの1周が長周期であり、1回の円スキャンで複数回(n回)群発光させた場合、円スキャンの周期の1/nが長周期となる。該円スキャンの円周に沿って所定円弧長所定角度)で短周期のパルス発光(群発光)が行われ、各パルス光毎に測距が行われる。

0105

又、図7では、測距距離が100mを例示しているが、測距距離が100mとなると、測距光のビーム径は、最大で20cmとなる。尚、通常、レーザ光線の光束断面楕円形状であり、図8では、光束断面の長径が20cmとなっていることを示している。

0106

図9は、1つのパルス光(前記測距光46)が地表を照射した状態を示している。又、図9は、照射位置が林であった場合を示している。上記した様に、前記測距光46は所要のビーム径を有しているので、部分的に木々に遮られつつ、一部が地表に到達する。従って、反射測距光としては、木々の葉で反射された反射測距光と、地表で反射された反射測距光とが前記受光素子52に入射する。

0107

図9に於いて、前記測距光46の反射位置a,b,c,dが示されている。従って、前記受光素子52から発せられる受光信号は、図10に示される様に複数の受光信号a,b,c,dとなる。又、受光信号a,b,cが木々の葉で反射された反射測距光によるものであり、受光信号dが地表で反射された反射測距光によるものである。

0108

又、図10に於いて、信号Trは、前記長周期の始点に発せられるタイミング信号(発光のトリガ信号)である。

0109

前記信号検出部85によって、長周期の開始から最初に検出される前記第1受光信号が前記受光信号aとなり、該受光信号aによって反射位置a迄の距離が測定される。尚、地表から反射位置a迄の距離(地表からの高さ)は、前記レーザスキャナ3が測定する反射位置a迄の距離に比べ著しく小さいので、反射位置a迄の測距で、地表迄の概略の距離を知ることができる。而して、単発のパルス光で、地表迄の粗測定が行える。

0110

上記した様に、前記光学プリズム63,64により、前記測距光46(前記測距光軸48)を所要角度に偏向し、前記モータ71、前記モータ73により前記光学プリズム63,64を一体に回転すると、円スキャンが可能である。更に、円スキャンを実行しつつ、前記無人飛行体2が飛行し、円スキャンの過程(円スキャンの軌跡に沿って)でパルス発光され、測定が行われる。

0111

この円スキャンの回転速度に対してパルス発光の周期を充分短くすると、即ち円スキャンの周速度に対して発光間隔時間が充分短い短周期とすると、測定点Pを前記測距光46の光束が通過しきる迄に、複数回のパルス発光が実行される。即ち、前記測定点Pに対してパルス光が短周期で多重照射される。尚、パルス発光の回数については、測定状況が考慮され、最適な回数が選択される。

0112

図11は、測定点Pに前記測距光46を多重照射した時の、該測距光46の前記測定点Pに対する移動状態を示している。

0113

図11では、前記測距光46の光束径が20cm(図8参照)であり、又、図11中、矢印Mは、光束の移動方向(前記測距光46のスキャン方向)を示している。

0114

図3図4に於いて、前記光軸偏向部49の回転速度を毎秒30回転とし、円スキャンの直径が100m(図7参照)とすると、円スキャンの周速度は毎秒約300m×30回転=9000m/secである。又、パルス光の発光間隔を300nsecとすると、スキャン速度によるレーザビーム移動ズレは9000m×300nsec=2.7mmであり、4回のパルス発光で、約1cmの光束のずれとなる。

0115

従って、4回のパルス発光中、前記測定点Pは照射される全てのパルス光の光束に含まれており、各パルス光(パルス測距光)について前記測定点Pからの反射測距光が受光される。更に、1cmの光束のずれは10cm×20cmのビームサイズに対して僅かなずれであり、実質上同一地点を4回測距したのと同等となる。以下の説明では、パルス発光回数を4回と設定した場合を説明する。

0116

図12(A)、図12(B)は、前記測距光46の発光タイミングと前記受光信号a,b,c,d,との関係を示している。

0117

図12(A)は、測距光をパルス発光させる為のトリガ信号Tr1,Tr2,Tr3,Tr4が短周期T1で発せられ、前記測距光46がパルス発光されたことを示している。

0118

図12(B)は、各パルス光の反射測距光を受光して得られる受光信号(図9図10参照)を示しており、受光信号(a〜d)の添字(1〜4)はトリガ信号Trの添字(1〜4)に対応している。

0119

例えば、最初のトリガ信号Tr1で発光されたパルス光について、最初に受光される反射測距光による受光信号a1(第1受光信号)は、図10で示した受光信号aに相当する。トリガ信号Tr1の発光タイミングから前記受光信号a1が発せられる時迄の時間Δtが粗測定に必要な時間となる。又、前記トリガ信号Tr1で発光されたパルス光により受光信号群(受光信号(a1,b1,c1,d1))S1が得られる。

0120

又、前記トリガ信号Tr2,Tr3,Tr4により発光されたパルス光の反射測距光による受光信号が受光されるので、前記トリガ信号Tr2,Tr3,Tr4により発光されたパルス光に対応する受光信号群S2(受光信号(a2,b2,c2,d2))〜受光信号群S4(受光信号(a4,b4,c4,d4))が得られる。又、この受光信号群間時間間隔は、前記トリガ信号Trの発光間隔に等しく、短周期T1となる。

0121

前記受光信号群S1(受光信号(a1,b1,c1,d1))〜受光信号群S4(受光信号(a4,b4,c4,d4))は、前記バッファ部87に保存される。

0122

ここで、短周期T1を設定する場合、前記受光信号群が重ならない様にする必要がある。短周期T1は測定環境に対応して設定すればよいが、測定対象が森、林等であった場合、木々の高さを30m以下と想定した場合、レーザ光線による30mの測距時間は200nsecであるので、前記短周期T1を200nsecに設定すればよい。即ち、前記短周期T1は、測定対象の凹凸差に相当する測距時間差以上に設定される。

0123

而して、短周期で発光したパルス光に対応する受光信号が分離した状態で取得でき、前記信号検出部85は、前記長周期の始点に発せられるトリガ信号Tr1から最初に検出される前記第1受光信号a1を検出する。前記粗測定部88は、前記第1受光信号a1に基づき粗測定を行う。

0124

又、前記バッファ部87に保存されている前記受光信号群S1(受光信号(a1,b1,c1,d1))〜受光信号群S4(受光信号(a4,b4,c4,d4))について、短周期T1分順次繰上げて、重合せ積算した受光信号を取得する。各反射位置a,b,c,d(図9参照)からの反射測距光による受光信号は、積算されることで各反射位置に対応する受光信号は4倍の大きさとなる。又、積算することでノイズ成分が相殺され、S/Nの大きい受光信号が得られる。従って、スキャン測定に於いて、高精度の測定結果が得られる。

0125

更に、積算された、積算受光信号に基づき前記反射位置a,b,c,dそれぞれの測距を行うことができ、1つの測距ビーム(又は1つと見なせる測距ビーム)により、複数位置の測距を同時に実行することができ、複雑な地表の情報を簡便に取得することができる。

0126

図13は、受光信号群S1〜受光信号群S4を積算した状態の受光信号を示している。

0127

図14は第2の実施例を示しており、第2の実施例では、レーザスキャナ3が発光素子41を複数有し、複数のレーザビーム(測距光46)を照射し、複数点を同時測定可能としている。尚、図示では、3個の前記発光素子41を具備しているが、2個或は4個以上でも可能であることは言う迄もない。

0128

以下の実施例では、該発光素子41を3個として説明する。又、図14図中、図3図6と同等のものには、同符号を付しその説明を省略する。

0129

3個の前記発光素子41a,41b,41c及び該発光素子41a,41b,41cに対応して設けられる投光レンズ42a,42b,42cは、射出光軸38を基準に配設される。

0130

前記発光素子41a,41b,41cは、前記射出光軸38を中心に周方向等角度ピッチ、例えば120°ピッチで配設されている。前記発光素子41a,41b,41cの光軸は、前記射出光軸38に対して所定角度、例えば15°傾斜した位置となっている。即ち、前記発光素子41a,41b,41cは、前記射出光軸38を中心とした三角形頂点に配置され、前記発光素子41a,41b,41cは後述する受光素子52a,52b,52cに関して共役となっている。又、前記投光レンズ42a,42b,42cは、前記発光素子41a,41b,41cの光軸上にそれぞれ設けられている。

0131

前記射出光軸38上に設けられた偏向光学部材としての第1反射鏡43と、受光光軸44上に設けられた偏向光学部材としての第2反射鏡45とによって、前記射出光軸38は前記受光光軸44と合致する様に偏向される。前記発光素子41a,41b,41cから発せられたパルスレーザ光線は、前記第1反射鏡43と前記第2反射鏡45によって偏向され、更に光軸偏向部49でそれぞれ偏向され、前記測距光46(46a,46b,46c)として射出される。

0132

次に、受光部22について説明する。該受光部22には、測定対象(即ち測定点)で反射された反射測距光47(47a,47b,47c)が入射する。前記受光部22は、前記受光光軸44を有し、該受光光軸44には、前記第1反射鏡43と前記第2反射鏡45によって偏向された前記射出光軸38が合致する。

0133

前記反射測距光47は前記光軸偏向部49を透過し、前記受光光軸44上に入射する。該受光光軸44上に、即ち基準光軸O上に結像レンズ51が配設されている。又、前記受光光軸44から所定角度、例えば15°傾斜された光軸上で、且つ円周方向に等角度ピッチ、即ち120°ピッチの位置に、3つの前記受光素子52a,52b,52c、例えばアバランシェフォトダイオード(APD)が設けられている。即ち、前記受光素子52a,52b,52cは、前記受光光軸44を中心に正三角形状に配置される。

0134

前記発光素子41aは前記投光レンズ42a、前記結像レンズ51に関して前記受光素子52aと共役な位置となっている。同様に、前記発光素子41b,41cは前記投光レンズ42b,42c及び前記結像レンズ51に関して前記受光素子52b,52cと共役な位置となっている。従って、前記発光素子41aから発せられた前記測距光46aは前記受光素子52aに受光され、前記発光素子41bから発せられた前記測距光46bは前記受光素子52bに受光され、前記発光素子41cから発せられた前記測距光46cは前記受光素子52cに受光される。

0135

前記受光素子52a,52b,52cは、それぞれ受光信号を発生する。各受光信号は、それぞれ受光信号処理部83a,83b,83cに入力される。該受光信号処理部83a,83b,83cは、受光信号に基づきそれぞれ測定点迄の測距を行う。

0136

図15は、前記レーザスキャナ3から照射される各測距光46a,46b,46cのスキャン軌跡と測定点Pa,Pb,Pcとの関係を示している。

0137

第2の実施例では、タイミング発生回路81a,81b,81cから発光用のタイミング信号が同時にドライバ82a,82b,82cに発せられ、該ドライバ82a,82b,82cによって前記発光素子41a,41b,41cが同一タイミングで発光される。

0138

各発光素子41a,41b,41cの発光モードは、上記したと同様、短周期のパルス発光を含む長周期で発光され、且つ短周期のパルス発光では、測定点Pa,Pb,Pcに対してパルス光が多重照射される。尚、多重照射によって得られる受光信号の処理については、上述した実施例と同様であるので説明を省略する。

0139

図16は、各測距光46a,46b,46cの発光タイミングを示している。又、各測距光に於ける矩形波91a,91b,91cは、それぞれ短周期で発光されたパルス光群を示しており、該矩形波91a,91b,91cにはそれぞれ4のパルス光が含まれている。而して、第2の実施例では、前記測定点Pa,Pb,Pcについて同時に測定を実行できる。

0140

図17は、第3の実施例を示しており、第3の実施例では、第2の実施例と同様、レーザスキャナ3が発光素子41を複数有し、複数のレーザビーム(測距光46)を照射し、複数点を同時測定可能としている。尚、図示では、3個の前記発光素子41を具備した場合を示している。

0141

又、図17中、図14中で示したものと同等のものには、同符号を付しその説明を省略する。

0142

3個の前記発光素子41a,41b,41cは、射出光軸38を基準に、第2の実施例と同様に配設される。第3の実施例では受光素子52は1つであり、前記発光素子41a,41b,41cの反射測距光をそれぞれ光ファイバ92a,92b,92cで受光し、該光ファイバ92a,92b,92cによって反射測距光47a,47b,47cを前記受光素子52に導く様に構成される。該受光素子52により前記反射測距光47a,47b,47cを受光する様になっている。

0143

尚、前記光ファイバ92a,92b,92cの受光端面は、投光レンズ42a,42b,42c及び結像レンズ51に関して前記発光素子41a,41b,41cと、それぞれ共役となっている。

0144

又、1つのタイミング発生回路81は、前記発光素子41a,41b,41cのドライバ82a,82b,82cに、前記発光素子41a,41b,41cから射出される前記測距光46a,46b,46cが所定の時間差で発光される様に、発光タイミングを入力する。

0145

尚、各ドライバ82a,82b,82cに入力されるタイミング信号は、各発光素子41a,41b,41cを第2の実施例と同様、短周期のパルス発光を含む長周期で発光させ、且つ短周期のパルス発光では、測定点Pa,Pb,Pcに対してパルス光を多重照射するタイミングとなっている。

0146

図18は、第3の実施例に於ける、各測距光46a,46b,46cのスキャン軌跡と測定点Pa,Pb,Pcとの関係を示している。前記発光素子41a,41b,41cの発光タイミングに時間的なずれがあり、前記レーザスキャナ3が無人飛行体2に搭載され、該無人飛行体2が飛行していることから、各測距光46a,46b,46cが測定する位置は発光タイミングの時間差分変位する。

0147

一方、前記無人飛行体2の飛行速度に対して、前記測距光46a,46b,46cの測定タイミングは極めて速く、又前記発光素子41a,41b,41cの発光タイミングに時間的なずれに対応する前記無人飛行体2の移動量は、極めて小さくなるので、実質上同時測定の効果が得られる。

0148

図19は、第3の実施例に於ける、各測距光46a,46b,46cの発光タイミングを示している。又、各測距光に於ける矩形波91a,91b,91cは、それぞれ短周期で発光されたパルス光群を示しており、該矩形波91a,91b,91cにはそれぞれ4のパルス光が含まれている。第3の実施例では、前記測定点Pa,Pb,Pcからの反射測距光が重複して前記受光素子52に入射しない様に、発光タイミングが時間的にずらされている。

0149

図20は、第4の実施例を示している。第1の実施例では、無人飛行体2の位置をGNSS装置9によって測定したが、第4の実施例では、トータルステーション93によって前記無人飛行体2の基準位置、又はレーザスキャナ3の測定基準点を測定している。

0150

前記トータルステーション93が既知点(3次元座標が既知となっている点)上に方位を与えられつつ設置され、前記無人飛行体2には再帰反射の光学作用を有する反射体(例えば、プリズム)94が設けられる。該反射体94は、前記無人飛行体2の基準位置又は前記レーザスキャナ3の測定基準点に対して既知の位置に設けられる。

0151

前記トータルステーション93は、前記反射体94を追尾しつつ、該反射体94の位置測定を行う。前記トータルステーション93により前記無人飛行体2の位置を測定し、前記レーザスキャナ3で測定した結果と前記トータルステーション93で測定した前記無人飛行体2の位置とを関連付けることで、前記レーザスキャナ3で測定した結果を地上座標系絶対座標)に変換することができる。

0152

図21は第5の実施例を示している。

0153

第5の実施例は、図3図4で説明したレーザスキャナ3が地上、構築物等の不動体に設置された場合を示す。

0154

前記レーザスキャナ3が設置装置95を介して地表の既知点(既知の3次元座標)に設置される。

0155

前記設置装置95は、主に三脚96、該三脚96の上端に設けられた設置台97、該設置台97上に設けられた台座部98、該台座部98上に設けられた托架部99を有し、前記レーザスキャナ3は前記托架部99に設けられる。

0156

前記台座部98は前記設置台97に対して鉛直軸心を中心に回転可能となっており、前記台座部98の前記設置台97に対する回転角は、水平角検出器(図示せず)によって検出可能となっている。

0157

又、前記レーザスキャナ3は前記托架部99に水平軸心を中心に回転可能となっており、前記レーザスキャナ3の前記托架部99に対する鉛直方向の回転角は鉛直角検出器(図示せず)によって検出可能となっている。又、前記台座部98は、該台座部98に内蔵された水平モータ(図示せず)によって水平方向に回転され、前記レーザスキャナ3は鉛直モータ101によって鉛直方向に回転される様になっている。

0158

前記レーザスキャナ3から発せられる測距光46は、基準光軸Oを中心に円スキャンされる。

0159

第5の実施例に於いても、該円スキャンの円周に沿って所定円弧長(所定部位)で短周期のパルス発光が行われ、各パルス光毎に測距が行われる。更に、測定点でパルス光の光束が重複する様に多重照射され、多重照射で得られた受光信号に基づき測距が行われ、測定点の水平角、鉛直角はそれぞれ前記水平角検出器(図示せず)、前記鉛直角検出器(図示せず)によって検出される。更に、前記水平モータ(図示せず)、前記鉛直モータ101によって前記レーザスキャナ3を水平方向に、或は鉛直方向に回転させることで、所要の測定範囲の点群データを取得することができる。

0160

尚、前記レーザスキャナ3に於ける測距光軸48の偏角量が測定範囲に対して充分大きい場合は、前記鉛直モータ101及び前記鉛直角検出器は省略することができる。又、この場合、前記レーザスキャナ3は、トータルステーションとして機能する。

0161

図22は第6の実施例を示している。

0162

第6の実施例は、本発明を一般的なレーザスキャナに実施した場合である。

0163

図22中、105はレーザスキャナを示している。該レーザスキャナ105は、既知点に三脚(図示せず)を介して設置される。尚、図22中、図3図6中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

0164

該レーザスキャナ105の概略の構成を説明すると、該レーザスキャナ105は、三脚に取付けられる整準部106と、該整準部106に設けられた基盤部107と、該基盤部107に水平回転部108を介して水平方向に回転可能に設けられた托架部109と、該托架部109に鉛直回転軸111を中心に鉛直方向(高低方向)に回転可能に設けられたスキャンミラー112とを有している。

0165

前記整準部106は、例えば3つの調整螺子113を有し、該調整螺子113を調整することで、前記基盤部107の整準がなされる。

0166

前記水平回転部108は、前記基盤部107に回転自在に、且つ鉛直に支持された水平回転軸114を有している。該水平回転軸114に前記托架部109が支持され、該托架部109が前記水平回転軸114と一体に回転する様になっている。

0167

前記水平回転部108には、水平駆動モータを含む水平駆動部115、前記水平回転軸114の回転角を検出する水平角検出器(例えばエンコーダ)116が収納されている。前記水平駆動部115によって前記水平回転軸114を中心に前記托架部109が回転され、前記水平回転軸114の前記基盤部107に対する回転角、即ち前記托架部109の回転角は前記水平角検出器116によって検出される様になっている。

0168

又、該水平角検出器116の検出結果(水平角)は、演算制御部29に入力され、検出結果に基づき該演算制御部29により前記水平駆動部115の駆動が制御される様になっている。

0169

前記托架部109は、中央部に凹部117が形成され、該凹部117を挾み左右に室118a,118bが形成されている。一方の前記室118a(図示では左側の室)には、鉛直駆動モータを含む鉛直駆動部119、鉛直角検出器120が収納され、他方の前記室118b(図示では右側の室)には、測距光学部122、発光素子41、受光素子52、タイミング発生回路81、ドライバ82、受光信号処理部83等が収納されている。又、前記托架部109の内部には、前記演算制御部29等が収納されている。

0170

前記発光素子41からパルス発光された測距光46は、前記測距光学部122を経て前記スキャンミラー112に、又該スキャンミラー112の回転軸心と同軸に入射され、該スキャンミラー112は前記測距光46を直角に反射する。即ち、前記スキャンミラー112及び前記鉛直駆動部119は測距光軸を前記鉛直回転軸111の軸心(水平軸心)に対して直角に偏向する光軸偏向部を構成する。

0171

前記スキャンミラー112が前記鉛直駆動部119によって高速回転されることで、前記測距光46は水平軸心に直交する平面内で一次元にスキャンされる。更に、前記水平駆動部115によって前記托架部109が水平回転され、前記スキャンミラー112の鉛直回転と前記托架部109の水平回転の協働により、前記測距光46は2次元にスキャンされる。

0172

前記スキャンミラー112、前記鉛直駆動部119、前記鉛直角検出器120等により、スキャン部が構成され、更に前記水平回転部108を加えて2次元スキャン部が構成される。

0173

又測定対象で反射された反射測距光47は前記スキャンミラー112に入射し、直角に偏向され、前記測距光学部122に入射する。前記反射測距光47は該測距光学部122によって前記受光素子52に入射される。該受光素子52からの受光信号が発せられ、該受光信号は前記受光信号処理部83に入力される。該受光信号処理部83に於いて、前記受光信号に基づき、粗測定、精密測定等所要の信号処理が成される。

0174

前記タイミング発生回路81から発せられるタイミング信号は、前記ドライバ82、前記受光信号処理部83に入力される。

0175

第1の実施例と同様、短周期のパルス発光を含む長周期で発光させ、且つ短周期のパルス発光では、測定点に対してパルス光が多重照射されるタイミングとなっている。

0176

而して、一般的なレーザスキャナに本発明を適用することで、所定の測定点を高精度に測定することができ、レーザスキャナにより、点群データだけでなく、所定の測定点の測定も可能となる。

0177

尚、前記レーザスキャナ105は、無人飛行体2に搭載されてもよい。この場合、前記鉛直回転軸111は水平で、且つ前記無人飛行体2の進行方向に対して平行、又は略平行であり、前記スキャンミラー112による走査平面が進行方向に対して直交する様に、前記レーザスキャナ105が設けられる。尚、この場合は、前記水平回転部108、前記整準部106は省略することができる。

0178

1基地制御装置
2無人飛行体
3レーザスキャナ
4機体
5,6,7,8プロペラユニット
9 GNSS装置
11飛行制御装置
21 測距光射出部
22受光部
23 測距演算部
24撮像部
25射出方向検出部
28 第1通信部
29演算制御部
41発光素子
46 測距光
47反射測距光
48 測距光軸
49光軸偏向部
52受光素子
63,64光学プリズム
71,73モータ
81タイミング発生回路
83受光信号処理部
85信号検出部
86信号処理部
87バッファ部
88 粗測定部
92a〜92c 光ファイバ

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