JPH032583A - 光学的測長方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光波を用いて基阜地点から目標地点までの光路
の長さをｅｌ定する光学的測長方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より光波の伝搬時間を計測して光路の長さを求める
方法及び装置が広く用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来より用いられている４１す長方法および装置は、１
波長の光波を用いるものが大部分であった。すなわち、
光波の伝搬時間ｔ、光路の温度Ｔ１気圧Ｐ、湿度ＲＨ等
を測定し、光路の屈折能Ｎ　（Ｔ。

Ｐ、ＲＨｌ・・・）を推定し、光路の長さＤをＤ＝　ｉ
ｔ／　（Ｎ＋１）］　　・Ｃ より求めるものである。但し、Ｃは真空中の光速度とす
る。従って、正確なｄＩＩＩ長を行なうためには光路の
気象、即ち温度、気圧、湿度等を正確に知ることが不可
欠であった。環境条件が充分に制御された実験室や地下
トンネル等、また短い距離ならば、正確な気象測定が可
能であるから、従来の方法でも十分な測長確度が得られ
るので特に問題はなかった。

しかし、測量等でしばしば必要とされるように、大気中
で水平方向に数ｋｍから数１０ｋｍを測長する場合には
、光路の平均屈折能が容易に推定できないため、大きな
問題か生じる。従って、当然に確度の高いａｌｌｌ長は
困難となる。光路に多くの気象観測器材を配置して測定
データを収集し、光路のより正確な平均屈折能を推定し
、この様な条件下で確度の高い測長を行なおうとの試み
もあるが、装置が大掛かりになる上、各気象観測器材の
校正方法等、新たな難問も生じるため十分な高精度は期
待てきなかった。

一方、ｎ種類の無極性物質で満たされた光路の屈折能Ｎ
は、１番目の１１６成物質の密度ρ１、波長に依存する
係数をＲ３とするなら、 なる関係が成立することを利用し、多波長の光波を用い
て光路の伝搬時間を測定することにより、気象観１ｆｌ
ｌｌ自体を不要にしてしまおうとする試みもある。

波長の異なる２つの光波を用いる方法では、波長］、波
長２の光路が測定光路を伝搬するに要する時間１　．１
　　を測定し、光路の乾燥空気密度をρ　、波長１と波
長２の屈折能をＮ　とＮ２とした時に、 Ｎ１　＝α１　°ρ３ Ｎ　−α２　°ρ８ なる関係を規定し、光路の長さＤを Ｄ＝　［ｔ　　→−ａ　　　　（ｔｌ−ｔｌ）／（α　
　　　−α　２　）　　コ　　・　Ｃ■ より求める。この方法では光路の水蒸気密度、すなわち
湿度をはじめから考慮していないので、到底高精度の１
ｌｌｌ長は望め得なかった。

波長の異なる３つの光波を用いる方法では、波長１、波
長２、波長３の光波が測定光路を伝搬するに用する時間
ｔ　　、　　ｔ　２　、　　ｔ　３を測定し、光路の乾
燥空気密度をρ　、水蒸気密度をρ　、波長Ｓ　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｗ１、波長２
、波長３の屈折能をＮ　　、Ｎ　　、Ｎとした時に、 Ｎ　−α　　・ρ　＋β　　・Ｒ７ １１Ｓ　　Ｉ Ｎ　−α　・ρ　十β　・β１ ２　２　　ｓ　　２ Ｎ　−α　　・ρ　＋β　　・ρい ３　３　　Ｓ　　３ なる関係を規定し、光路の長さＤを、 Ｄ＝［ｔ　　　　＋（（α　　　・　β　　　−α　　
　・　β　　　）（ｔ　　−ｔ　　）ｌ／＋（α２−α
１）（β　−β　）−（α３−α１） （β　−β　）ｌ　　＋　　＋（α　・β１−α１・β
　）　　（ｔ３−ｔｌ））／（（α２α　）　　（β　
−β　）−（α３−αｌ）（Ｒ２−β１））］　・Ｃ より求める。この方法は理論的にも優れているが、実現
する為には光源、送光制御装置、受光検出装置等、新技
術の開発が不可欠であり、現在、有効な装置を実現する
ことは困難である。

本発明は上記のような課題を解決することを目的として
いる。

〔課題を解決するための手段および作用〕そこで本発明
では、光路の乾燥空気密度をρ　、水蒸気密度をρ　、
波長］と波長２の屈折能をＮ１とＮ２とした時に、 Ｎ　＝α　・ρ　＋β１　・ρ１ １　　　　　１　　　　　　ｓ Ｎ　＝α　・ρ　十β２−ρ□ ２　　　　２　　　　　ｓ なる関係を規定すると、通常気象条件ではα　〉〉β　
　（ρ　／ρ　） １　　　　　１　　　　　　　ｗ　　　　　ｓα　〉〉
β　・　（ρ　／ρ　） ２　　　　　２　　　　　　　ｗ　　　　　ｓなる関係
が成立することに着目し、 Ｄ−［ｔ　　　　＋（（α　　　十　β　　　　・　ρ
　　　／　ρ　　　）１　　　　　］、　　　１．　　
　ｗ　　　ｓ（ｔ　２　　ｔ　ｌ　）　ｌ　／　（（α
１＋β１・ρ　／ρ　）−（α　十β　・ρ　／ｖ　　
　ｓ　　　　　２　　２　　　ｖρ　））］　　・Ｃ なる、光路の長さ算出式を導出し、従来の方法および装
置に比べ緩やかな気象測定確度で、より高確度な測長を
容易に行なえるようにしたことを特徴にしている。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係わる光学的測長方法を用いて副長装
置を構成する場合の実施例のブロック図である。

第１図に示す測長装置は、光波を目標地点の反射部４に
向けて送信する送光部１と、反射部４からの反射光を受
信し、測長演算、処理、表示を行なう受光演算部２と、
送光部１と受光演算部２に同期信号を供給する原発振部
３と、送光部１から送られてきた光波を受光演算部２に
送り返す反射部４とを備えている。なお、送光部１と受
光部２と原発振部３は基準地点に、また反射部４は目標
地点に設置されているものとする。

送光部１は基本光を発生するＹＡＧレーザ５と、原発振
部３から出力される同期信号によりＹ、Ａ　Ｇレーザ５
の出力光をパルス列に変換するモードロック装置６と、
モードロック装置６の出力パルス列から光パルスバース
トを出力する電気光学スイッチ７と、電気光学スイッチ
の光パルスバーストを人力してその第２高調波すなわち
波長５Ｂ２ｎＩＩ１の光パルスバーストを出力する光高
調波発生部８と、電気光学スイッチ７と光高調波発生部
８の出力光パルスバーストを混合し目標地点の反射部４
に送信する送光望遠鏡９から構成されている。

受光演算部２は目標地点の反射部４て反射した光パルス
バーストを受信する受光望遠鏡１０と、受光望遠鏡１０
で受信された基本光のパルスバースト、光高調波のパル
スバーストをそれぞれ検波し復調電気信号に変換する括
本光検波部１１、光高調波検波部１２と、原発振部３の
同期信号と括本光検波部１１、光高り１ソ波検波部１２
の各復調電気信号の位相差を比較する位相比較装置１３
と、光路の気象を測定する気象観測装置１４と、位相比
較装置１３の比較結果に基づき基本光と光高調波が基準
地点から目標地点までに伝搬するに要した時間を算出し
、気象観測装置１４の測定結果に基づき、特許請求の範
囲に記載した式により測長結果を求める演算装置］５と
、演算結果を表示する表示装置１６とを備えている。

原発振部３は水晶発振器１７と送光部１、受光演算部２
に供給する同期信号を発生する同期信号発生部１８から
なっている。

反射部４は複数のコーナーキューブ１９より構成されて
いる。

なお、送光望遠鏡つと受光望遠鏡１０は同軸あるいは同
梁されている。

本実施例、すなわち、 波長１＝１０６４ｒ＋ｎ＋ 波長２　＝　　５３２　ｎｍ を用いて、光路の長さ１．００　ｋｍを±０．５×１０
６の確度で測定するには 光路の温度測定±　　７℃ 気圧測定±４００ｍｂ 湿度測定±　２２％ 伝搬時間ｉ＋ｔり定±　　８ｐｓ の測定確度が必要である。

従来の方法、すなわち１波長を用いた測長法で同様な測
定を行なう場合に必要な測定確度、すなわち 光路の温度測定±０．５°Ｃ 気圧７１１り定±１．８ｍｂ 湿度測定±　５５％ 伝搬時間測定±１．６６　ｐｓ と比べると、温度および気圧測定確度がより実現可能な
値となったことが判る。温度測定誤差は常に最も大きな
誤差要因となる為、温度測定の必要確度が緩和されたこ
とは特に意義深い。その一方、湿度および伝搬時間の測
定確度は厳しい値になったが現状技術でまだ充分対応で
きる値である。

また、本発明は前述の実施例で示したＹＡＧレーザの基
本波とその高調波を用いる方法および装置に限定される
ものではない。例えば、ＨｅＮｅレーザとＨｏ−Ｃｄレ
ーザ、すなわち、波長１＝６３３ｎｍ 波長２＝４４２ｎｍ を用いても、同様に温度、気圧の測定確度が緩和される
効果が期待できる。

因みに、この２波長を用いて前述と同様の測定を行なう
に必要測定確度は、 光路の温度測定±　　７℃ 気圧測定±４２７ｍｂ 湿度ｉ＋ｔり定±　２２％ 伝搬時間４Ｉり定±　　８ｐｓ である。

なお、以上の評価は下記の論文を参考にして行なった。

論　　文 ［ＪａｌＩｌｅｓ　Ｃ，Ｏｗｅｎｓ、　”０ｐｔｉｃａ
ｌ　ｒｅｌ’ｒａｃｔｉｖｅ　１ｎｄｅｘｏｆ　ａｉｒ
：Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ、ｔ
ｃｖｐｅｒａｔｕｒｅ。

ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　、Ａｐｐｌｉｅｄ　
０ｐｔｊｃｓ、ｖｏｌ、６．ｎｏ、ｌ。

５１−５９．（１９６７）Ｊ 〔発明の効果〕 以上、説明した（、ｌに本発明によれば、従来の方法お
よび装置に比べ緩やかな気象測定確度で、より高確度な
測長を容易に行なえる光学的測長方法および装置を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成図である。 １・・送光部、２・・・受光演算部、３・・・原発振部
、４・・・反射部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、波長１と波長２の異なる波長の光が基準地点から目
   標地点まで伝搬するに要する時間ｔ＿１とｔ＿２を測定
   し、前記基準地点から目標地点までの光路の長さＤを求
   めるに際し、真空中の光速度をＣ、前記光路の乾燥空気
   密度をρ＿Ｓ、水蒸気密度をρ＿Ｗ、波長１と波長２の
   屈折能をＮ＿１とＮ＿２とした時に、 Ｎ＿１＝α＿１・ρ＿Ｓ＋β＿１・ρ＿Ｗ Ｎ＿２＝α＿２・ρ＿Ｓ＋β＿２・ρ＿Ｗ なる関係を規定し、 Ｄ＝［ｔ＿１＋｛（α＿１＋β＿１・ρ＿Ｗ／ρ＿Ｓ）
   ・（ｔ＿２−ｔ＿１）｝／｛（α＿１＋β＿１・ρ＿Ｗ
   ／ρ＿Ｓ）−（α＿２＋β＿２・ρ＿Ｗ／ρ＿Ｓ）｝］
   ・Ｃ または、この近似展開式を用いることを特徴とする光学
   的測長方法。 ２、波長１と波長２の異なる波長の光が基準地点から目
   標地点まで伝搬するに要する時間ｔ＿１とｔ＿２を測定
   し、前記基準地点から目標地点までの光路の長さＤを求
   めるに際し、真空中の光速度をＣ、前記光路の乾燥空気
   密度をρ＿Ｓ、水蒸気密度をρ＿Ｗ、波長１と波長２の
   屈折能をＮ＿１とＮ＿２とした時に、 Ｎ＿１＝α＿１・ρ＿Ｓ＋β＿１・ρ＿Ｗ Ｎ＿２＝α＿２・ρ＿Ｓ＋β＿２・ρ＿Ｗ なる関係を規定し、 Ｄ＝［ｔ＿１＋｛（α＿１＋β＿１・ρ＿Ｗ／ρ＿Ｓ）
   ・（ｔ＿２−ｔ＿１）｝／｛（α＿１＋β＿１・ρ＿Ｗ
   ／ρ＿Ｓ）−（α＿２＋β＿２・ρ＿Ｗ／ρ＿Ｓ）｝］
   ・Ｃ または、この近似展開式を用いることを特徴とする光学
   的測長装置。