JPH036408A - レーザーによる水面下物体の形状計測装置 - 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、水面下の地形や人工的構造物の形状計測に係
わり、特に、水面下の人工的構築物の建設過程または建
設後における洗掘、欠落、段差等の状況を的確に把握す
るのに好適なレーザーによる水面下物体の形状計測装置
に関する。

（従来技術） 防波堤を構築する場合においては、海底に捨石を堆積さ
せ、その天端部や法面を均し、基礎を造成後、堤体とな
るケーソンを連接させて設置するが、安定した堤体を構
築するためには基礎部が基準どおりに均されていること
を綿密に検測することが重要となる。また、海洋構造物
の基礎部分に洗掘や欠落が起きると設置状況が不安定と
なるため、特に洗掘力が大きい所では基礎部分の点検・
調査を実施することが重要となる。

従来からこの種の検測及び調査工事においては、航走す
る測量船から超音波測深機で水深測量したり、また、水
中調査用無人潜水機（以下ＲＯＶという）を使って水中
テレビカメラで撮像調査したりしている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、超音波によに測量方式は、超音波指向角
が広いため被測定面の細かな凹凸が測定できなかった。

このた必、最近では指向角の鋭い超音波ビームを扇状に
発射して、海底面の多数の点を短時間に探査する方法も
採用されているが、指向角により鋭くすることは送受波
器の寸法と重量が大となるため限界があり、また超音波
の特性上、指向度が鋭くなるほど凹凸のある対象物に対
して反射ビームが他方向へ反射されやすく受波できず欠
測が生じる。また、前述のテレビカメラによる調査方法
では定量的な形状計測ができないという問題があった。

（課題を解決するための手段） 本発明は、水密性容器内にブルー・グリーンレーザー走
査部と受光部とを設け、レーザー走査部により容器の窓
を通してレーザーを測定面に発射し、かつ、スキャンニ
ンクできるようにし、被測定面からの反射散乱光をレー
ザー受光部により捕捉できるようにした水中レーザー装
置を、船または水中移動体の所定点に固定してレーザー
を被測定面に発射してスキャンニングさせて、船または
水中移動体の基点に刻する被測定面の測深・測位を検知
し、水面下の物体等の形状を計測するようにしたもので
ある。レーザー光は、水中においても指向性に優れ、鋭
い指向角のビームで対象物へスポット的に照射すること
ができるので、綿密な形状計測ができる。また、コンク
リートや石及び砂等の被測定面は光学的には拡散反射体
となり、入射ビームは立体角的に反射散乱されるので受
光器のレンズ系の視野内に照射点がある限り必ず受光す
ることができ、欠測の問題がない。

（作　用） 海中における光の伝搬特性は、ブルー・グリーンレーザ
ー（波長５００ｎｍ付近）が最も透過性が良く、比較的
に澄んだ海洋においてピークパワーが数百Ｋ１１ｌのブ
ルー・グリーンパルスレーザ−を海面下から発射したと
きは４０ｍ以深０海底からの反射散乱光（信号光）を検
出できる。特に、レーザー走査部と受光部とを水密性の
容器に収め海面下の深い点から海底へ発射するようにし
た場合は太陽光による後方散乱光の影響が微少となり受
光のＳ／Ｎ比を高くできるのでレーザーのパワーは低い
ものでよい。

本発明は、このような海洋レーザーの特性に着目したも
ので、水密性容器内にブルー・グリーンレーザー走査部
と受光部とを設け、レーザー走査部により容器の窓を通
してレーザーを測定面に発射し、かつ、スキャンニング
できるようにし、被測定面からの反射散乱光をレーザー
受光部により捕捉できるようにした水中レーザー装置を
、船または水中移動体の所定点に固定してレーザーを被
測定面に発射してスキャンニングさせて、船または水中
移動体の基点に対する被測定面の測深・測位を検知し水
中構造体等の形状を計測することができる。

（実施例） 以下に、本発明を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明の実施例におけろ水密容器１内に収納
されたレーザー走査部と受光部とからなる水中レーザー
装置の構成図である。この水中レーザー装置は、矢印（
・−）の方向に移動する船またはＲＯＶ等の移動体の所
定点に固定される。

上記レーザー走査部においては、レーザー発振器２から
発射されたパルスレーザ−ＰＢの進路が、ビームスプリ
ッタ−３及びプリズム４によって直角方向に曲げられ、
スキャナモータ５によって矢印（Ｃ”）方向に回転する
スキャナミラー６へ導かれると、パルスレーザ−ＰＢは
、スキャナミラー６によって入射方向と垂直な方向に反
射されると共に振られ、発射基点ＳＰを中心にガラス窓
７を通して扇状に海底の被測定物８へ照射される。該ス
キャナミラー６の振れ角は、振れ角検出部９により検出
する。

また、レーザー受光部においては、被測定面８の照射位
置Ｐで反射されたパルスレーザ−ＲＢが、スキャナミラ
ー６を介して口径が３０ｃｍ程度の反射望遠鏡１０の視
野内に捕捉され信号光として受先部１１で受光される。

該受光部１１は、絞り１２とバンドパスフィルター１３
により信号光以外の光を抑えてフォトマル１４で受光さ
れる。基準光受光部１５は、ビームスプリッタ−３を介
して発射したパルスレーザ−ＰＢの一部を基準光として
受光するものである。

第２図は、本発明の信号処理を示すブロック図である。

レーザー発振部２１は、小型のＱスイッチＹＡＧレーザ
ーで４ｎｓｅｃ幅以下の充分短いパルス幅のブルー・グ
リーンレーザーを発射するものである。コントローラー
２２は、スキャナモータ２３を回転させて微小単位振れ
角（例えば０．５°）毎にスキャナミラー２４を振らせ
、これと同期して前記レーザー発振部２１からパルスレ
ーザ−を発射させるようにし、海底の被測定面へ向はパ
ルスレーザ−光を所定の探査角（例えば−３０°〜＋３
０°）だけスキャンニングさせ、これを繰り返す。

発射したパルスレーザ−は被測定面で反射散乱され信号
受光部２５で信号光として受光され電気信号に変換され
てからダイナミックレンジの増幅器（信号の強い部分と
弱い部分を異なる感度で増幅する）と高速Ａ／Ｄ変換器
から成る波形記憶部２６によってデジタル化され一時記
憶される。

基準光受光部２７は、パルスレーザ−が発射される毎に
その光の一部を基準光として受光し電気信号に変換する
もので、波形整形部２８て整形され基準信号となり、前
記波形記憶部２６での信号光波形記憶の開始信号となる
。

ここで、信号処理記録部２９及びスキャナ角検出部３０
については第３図を用いて説明する。第３図は信号光波
形記憶の一例で、１０ＧＨｚのタイミング（時間分解能
Ｑ、　ｌ　ｎ　５ｅｃ）で信号光の光強度を基準信号を
受信してから所定の距離時間だけ記憶した波形データを
示し、このデータはパルスレーザ−が発射される毎に新
しく書き直される。

第２図の信号処理記録部２９では、前記波形データを読
み取り、波形がピークになるまでの時間（第３図でアド
レス数）を数えて被測定面までの斜距離として算出する
。すなわち、対象物までの斜距離ｌは、光の速度をＣと
し、海水の屈折率をｎとすると、波形がピークになる時
間Ｔｐから次の式で与えられる。

β＝　ｃ　／　ｎ・Ｔｐ／２ 距離分解能△ｌは、波形記１意の時間分解能が０．１ｎ
　ｓｅｃの場合、 ΔＲ＝Ｃ／ｎ　・０．ＩＸｌ　０−９・１／２となり、
ｃｍ３Ｘｌ　０１０ｃｍ、　ｎ−１，５とするとΔβ＝
　ｌ　ｃｍとなる。

このようにして、スキャナミラーを単位角で振らす毎に
被測定面までの斜距離βを測定し、このときの振れ角を
第２図のスキャナ角検出部３０で検出するようにし、同
時に水中レーザー装置を固定する船等の移動体の位置を
電波測位儀等で測定するようにして探査角だけスキャン
ニングし、微少移動毎にこれを繰り返せば被測定面の３
次元計測データを得ることができる。

以上のようにして得たデータを上記信号処理記録部２９
で収録するデータの内容を示し、レーザー発射基点の位
置（Ｘｏ、　３’ｏ＋　ｚｏ）は、水中レーザー装置が
船に固定されれば電波測位儀等により測定した船位デー
タ（ｘ、　　ｙ）で求めることができる。

被測定面計測位置（Ｘｐ、　’ｉｐ−Ｚｐ　）は被測定
面までの斜距離測定値とその時に発射したレーザーの振
れ角と前記レーザー発射基点の位置とから算定すること
ができる。

以上のようにして、信号・記録部２９に記録された被測
定面計測値データは潮位補正等の適宜処理が施された後
、３次元的にＣＲＴを使って表示することができる。

第５図は、本発明の実施例における計測概念図を示し、
測定船に水中レーザー装置を固定し、ブルー・グリーン
レーザーを海底の被測定面へ向け、所定の探査角までス
キャンニングを繰り返して移動しつつ、３次元的に形状
を計測する方法を概念的に示したものである。

なお、水中レーザー装置の構成は、上記実施例に示した
ものに限らず、例えば第６図の水密性容器５１内に収め
たレーザー走査部と受光部とから０ なる水中レーザー装置に示すように、レーザー発振部５
２から発射したブルー・グリーンレーサーをスキャナミ
ラー５３でスキャンニングし、被測定面への照射位置Ｐ
をガラス窓５８を介して光位置検出カメラ５４で検出す
るものでもよい。該光位置検出カメラは、レンズ系５５
．５３２ｎｍバンドパスフィルター５６及び１次元アレ
イ上に微小フォトダイオード群を配列したＣＣＤ素子５
７から成り、海底被測定点Ｐからの反射散乱光を光位置
検出カメラ５４の視野内に捕らえ、その入射角βを撮像
面のＣＣＤ素子５７上の位置Ｘ。に対応させて結像すよ
うにする。

このようにして、発射したブルー・グリーンレーザーの
スキャンニング角αとこのときに検出された海底被測定
点Ｐから反射散乱されたレーザー光の入射角βと、発射
点と撮像面中心点との間の距離りが解れば三角測量の方
法により、反射散乱点の位置（Ｘｐ、Ｚｐ　）を、 ｓｉｎ　（α十μ） により求め、この２式に海水の屈折率補正を施して反射
散乱点の位置を算定することができる。

この方法は、被測定面へ近接して精密な形状計測を行う
ときに適し、例えば、上記光位置検出カメラ５４の受光
視野６０°てＣＣＤ素子数が４０９６のものを装備する
と、被測定面までの距離が５ｍのときには分解能がｌ　
ｃｍ以内で反射散乱点の位置計測ができる。このときの
計測概念図を第７図に示す。ここでは、ＲＯＶとその支
援船との相対位置（ｘ、　　ｙ）を、送受波器と水中ト
ランスポンダから成る超音波式水中位置出し装置によっ
て測定し、水中レーザー装置の発射点の深さ位置（Ｚ、
）を水圧センサーで測定するようにしたものである。

また、この方法は、水深の深い所でレーザーの発受信を
行うので太陽光による後方散乱光の影響が微少となり受
光する信号光のＳ／Ｎ比が高くできるのでレーザーのパ
ワーは低いものでよい。よって、レーザー発振部は、よ
り小型の半導体励起１ ２ 式ＹＡＧレーザーが採用でき、平均パワーが数十ｍＷで
あれば比較的澄んだ海洋においては１０ｍ以内の距離に
ある被測定面を計測できる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、比較的澄んだ海洋
において、海洋に設置または堆積させた構造体の構築状
況や構築された構造物の基礎部分の洗掘、欠落、段差等
の状況を的確かつ綿密に検出して、その形状を３次元的
に記録及び表示するようにしているので、海洋工事にお
ける水中構造体の出来形検収や既設水中構造体の維持・
管理のための調査工事に適用することができ、従来にな
い的確な計測データを収集することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施するための水中レーザー装置の
構成図、 第２図は、本発明の信号処理を示すブロック図、第３図
は、本発明の信号光波形記憶を行った波形データの一例
示す図、 第４図は、本発明における信号記録部において収録する
データの内容を示す図、 第５図は、本発明の具体的な実施状況を示す３次元的形
状計測の概念図、 第６図は、本発明を実施するための他の水中レーザー装
置の構成図、 第７図は、第６図の水中レーザー装置を用いて被測定面
に近接して行う場合の形状計測の概念図である。 （符号の説明） １．５１・・・水密容器、 ２．５２・・・レーザー発振器、 ３・・・ビームスプリッタ− ４・・・プリズム、 ５．２３・・・スキャナモータ、 ７．５８・・・ガラス窓、 ６．２４．５３・・・スキャナミラー ８・・・被測定物、 ９・・・振れ角検出部、 １０・・・反射望遠鏡、 １１・・・受光部、 ３ ４ １３． １５． １２　・ ５６　・ １４　・ ２７　・ ＰＢ　　・ ＲＢ　・ Ｐ　・ ２１　・ ２２　・ ２５　・ ２６　・ ２８　・ ２９　・ ３０　・ ５４　・ ５５　・ ５７　・ ・絞り、 ・バンドパスフィルター ・フォトマル、 ・基準光受光部、 ・パルスレーザ−光、 ・反射レーザー光、 ・照射位置、 ・レーザー発振部、 ・コントローラー ・信号光受光部、 ・波形記憶部、 ・波形整形部、 ・信号処理記録部、 ・スキャナ角検出部、 ・光位置検出カメラ、 ・レンズ系、 ・ＣＣＤ素子。 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ブルー・グリーンレーザー走査部、 この走査部から発射されたレーザーが被測定面をスキャ
   ニングした結果生じる被測定面からの反射散乱光を捕捉
   するレーザー受光部、及び 前記ブルー・グリーンレーザー走査部及び前記レーザー
   受光部を収容する水密性容器を備えて成るレーザーによ
   る水面下物体の形状計測装置。