ライカジオシステムズ社 しゃ 製 せい のトータルステーション
LIDAR (ライダー)(英語 えいご :Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)Lidar あるいは LiDAR とも表記 ひょうき される。「光 ひかり 検出 けんしゅつ と測 はか 距」ないし「レーザー 画像 がぞう 検出 けんしゅつ と測 はか 距」)は、光 ひかり を用 もち いたリモートセンシング 技術 ぎじゅつ の一 ひと つで、パルス 状 じょう に発光 はっこう するレーザー照射 しょうしゃ に対 たい する散乱 さんらん 光 ひかり を測定 そくてい し、遠距離 えんきょり にある対象 たいしょう までの距離 きょり やその対象 たいしょう の性質 せいしつ を分析 ぶんせき するものである。日本語 にほんご ではライダー 、ライダ とカタカナ書 が きされることも多 おお い。軍事 ぐんじ 領域 りょういき ではしばしばアクロニム LADAR (Laser Detection and Ranging) が用 もち いられる。
この技法 ぎほう はレーダー (Radar、Radio Detecting and Ranging、電波 でんぱ 探知 たんち 測 はか 距)に類似 るいじ しており、レーダーの電波 でんぱ を光 ひかり に置 お き換 か えたものである。対象 たいしょう までの距離 きょり は、発光 はっこう 後 ご 反射 はんしゃ 光 こう を受光 じゅこう するまでの時間 じかん の差 さ で求 もと まる。そのため、レーザーレーダー (Laser radar) の語 かたり が用 もち いられることもある。
ライダーは地質 ちしつ 学 がく 、地震 じしん 学 がく 、リモートセンシング 、 大気 たいき 物理 ぶつり 学 がく で用 もち いられる。近年 きんねん は自動 じどう 運転 うんてん 車 しゃ 用 よう センサーとしても注目 ちゅうもく されている[ 1] [ 2] 。
民間 みんかん 利用 りよう としてはApple のiPhone 12 Pro以降 いこう やiPad Pro第 だい 2世代 せだい 以降 いこう に搭載 とうさい されており、「ナイトモード時 じ の対象 たいしょう 物 ぶつ 測 はか 距」や「3Dスキャン」機能 きのう 等 とう もこの技術 ぎじゅつ を用 もち いて実現 じつげん されている。
ライダーとレーダーの最 もっと も基本 きほん 的 てき な相違 そうい は、ライダーはレーダーよりも遥 はる かに短 みじか い波長 はちょう の電磁波 でんじは を用 もち いることである。典型 てんけい 的 てき には紫外線 しがいせん 、可視 かし 光線 こうせん 、近赤外線 きんせきがいせん である。一般 いっぱん 的 てき に、検出 けんしゅつ できる物体 ぶったい や物体 ぶったい の特徴 とくちょう のサイズは、波長 はちょう を下回 したまわ ることができない。したがって、ライダーはレーダーよりもエアロゾル や雲 くも の粒子 りゅうし の検出 けんしゅつ に向 む いており、大気 たいき の研究 けんきゅう や気象 きしょう 学 がく にとって有用 ゆうよう である。
ある物体 ぶったい が検出 けんしゅつ されるには、伝導 でんどう 性 せい に不連続 ふれんぞく 性 せい があり進行 しんこう してきた波 なみ を反射 はんしゃ する必要 ひつよう がある。レーダー波 は (マイクロ波 なみ またはラジオ帯域 たいいき )は金属 きんぞく 物 もの によって効率 こうりつ よく反射 はんしゃ されるが、雨滴 うてき や岩 いわ といった非金属 ひきんぞく は反射 はんしゃ を起 お こしにくく、物質 ぶっしつ によってはまったく反射 はんしゃ が検出 けんしゅつ できず、レーダーでは見 み つからない場合 ばあい がある。エアロゾルや分子 ぶんし のような極 きわ めて小 ちい さな対象 たいしょう は特 とく に不得手 ふえて である。
スターファイア光学 こうがく 実験 じっけん 場 じょう (en )において調整 ちょうせい 中 ちゅう の色素 しきそ レーザー (en )。LIDAR と レーザーガイド星 ぼし (en ) の実験 じっけん のために用 もち いられる。レーザーの波長 はちょう は、大気 たいき 上層 じょうそう のナトリウム 原子 げんし を励起 れいき させるのに最適 さいてき な、ナトリウムのフラウンホーファー線 せん の波長 はちょう に設定 せってい されている。
基本 きほん 的 てき なLIDAR システムの作動 さどう 。変調 へんちょう されたレーザー光 こう が回転 かいてん する鏡 かがみ (上 うえ )で反射 はんしゃ され、レーザー光 こう が左右 さゆう に首 くび を振 ふ る事 こと で走査 そうさ され反射 はんしゃ して戻 もど ってきたレーザー光 こう が検出 けんしゅつ 器 き で捕 と らえられ一 いち 次元 じげん 若 も しくは二 に 次元 じげん 的 てき な寸法 すんぽう を得 え る。(中 なか )、位相 いそう 角 かく のずれから対象 たいしょう 物 ぶつ までの距離 きょり を得 え る。(下 した )
ライダーを用 もち いるとこれらの問題 もんだい は解決 かいけつ する。ライダーの光 ひかり 束 たば は密度 みつど が高 たか く、コヒーレンス も高 たか い。それだけでなく、波長 はちょう が極 きわ めて短 みじか い(紫 むらさき 外 がい 光 こう ではおよそ 10 μ みゅー m から約 やく 250 nm の範囲 はんい )。このような電磁波 でんじは は小 ちい さな物体 ぶったい によっても極 きわ めてよく「反射 はんしゃ 」(後方 こうほう 散乱 さんらん と呼 よ ばれる)される。ライダーの使用 しよう 法 ほう によっては、別 べつ の種類 しゅるい の散乱 さんらん が利用 りよう される。レイリー散乱 さんらん 、ミー散乱 さんらん 、ラマン散乱 さんらん 、蛍光 けいこう である。ライダーの波長 はちょう は煙 けむり などの大気 たいき によって運 はこ ばれる粒子 りゅうし (エアロゾル)、雲 くも 、大気 たいき の分子 ぶんし の測定 そくてい に最適 さいてき である。
レーザーの光 ひかり 束 たば は通常 つうじょう 極 きわ めて絞 しぼ り込 こ まれ、細 ほそ いビームとなっているので、極 きわ めて高 たか い光学 こうがく 的 てき 解像度 かいぞうど を以 もっ て大気 たいき の特徴 とくちょう をマップすることができる。更 さら に、多 おお くの化学 かがく 物質 ぶっしつ において、可視 かし 光 こう はマイクロ波 は に比 くら べ強 つよ く相互 そうご 作用 さよう するので、それらを検出 けんしゅつ する感度 かんど が高 たか い。各種 かくしゅ 波長 はちょう のレーザーを上手 じょうず に組 く み合 あ わせれば、散乱 さんらん 光 こう の強度 きょうど と波長 はちょう との関係 かんけい から、大気 たいき の組成 そせい を離 はな れた所 ところ から調 しら べることができる。
ライダーは大気 たいき の研究 けんきゅう と気象 きしょう 学 がく に主 おも に用 もち いられてきたが、近年 きんねん では航空機 こうくうき や人工 じんこう 衛星 えいせい に「ルックダウン」 downward-looking 型 がた のライダーを搭載 とうさい して行 おこな う調査 ちょうさ やマッピングの方法 ほうほう が開発 かいはつ されるようになった。
ライダーの構成 こうせい は大 おお きく二 に 種類 しゅるい に分 わ けられる。一 ひと つはマイクロパルスライダー (micropulse lidar) システム、もう一 ひと つは高 こう エネルギー (high energy) システムである。
マイクロパルスライダーは、レーザー技術 ぎじゅつ の進歩 しんぽ とコンピュータ の演算 えんざん 能力 のうりょく の驚異 きょうい 的 てき な向上 こうじょう とが組 く み合 あ わされて可能 かのう となったものである。比較的 ひかくてき 低 てい 出力 しゅつりょく (1ワット のオーダー)のレーザーを用 もち い、しばしば、「目 め に優 やさ しい」(eye-safe)システムと呼 よ ばれる。目 め を防護 ぼうご し失明 しつめい を回避 かいひ するための予防 よぼう 措置 そち をとらずに用 もち いうるからである。
高 こう エネルギーシステムは大気 たいき の研究 けんきゅう では一般 いっぱん 的 てき である。雲 くも の高 たか さや層 そう 構造 こうぞう 、雲 くも の粒子 りゅうし の性質 せいしつ (消失 しょうしつ 係数 けいすう extinction coefficient、後方 こうほう 散乱 さんらん 係数 けいすう backscatter coefficient、偏 へん 光 こう 解消 かいしょう 度 ど depolarization)、温度 おんど 、圧力 あつりょく 、風 ふう 、湿度 しつど 、微少 びしょう な気体 きたい の濃度 のうど (オゾン 、メタン 、窒素 ちっそ 酸化 さんか 物 ぶつ など)などの大気 たいき のパラメタを測定 そくてい することができる。
次 つぎ に、ライダーを構成 こうせい する要素 ようそ を挙 あ げる。
レーザー — 科学 かがく 研究 けんきゅう 以外 いがい の分野 ぶんや では波長 はちょう 600-800 nm のレーザーが最 もっと も一般 いっぱん に用 もち いられる。安価 あんか で大 だい 出力 しゅつりょく のものが得 え られるが、「目 め に優 やさ しく」はない(失明 しつめい の可能 かのう 性 せい がある)。「目 め に優 やさ しい」ことは軍事 ぐんじ 利用 りよう ではしばしば必要 ひつよう となる。波長 はちょう 1550 nm のレーザーは「目 め に優 やさ しい」が、十分 じゅうぶん な出力 しゅつりょく のものを得 え るのが難 むずか しく、一般 いっぱん 的 てき ではない。航空機 こうくうき 搭載 とうさい 型 がた ライダーは一般 いっぱん 的 てき に 1064 nm のものを用 もち いる。海底 かいてい 探査 たんさ システムの中 なか には水中 すいちゅう 透過 とうか 性 せい の高 たか い 532 nm のレーザーを用 もち いる場合 ばあい がある。波長 はちょう の他 ほか にも、発光 はっこう 間隔 かんかく (データ収集 しゅうしゅう 速度 そくど を決 き めることになる)と発光 はっこう 時間 じかん (距離 きょり 方向 ほうこう の分解能 ぶんかいのう に関係 かんけい する)も適当 てきとう に設定 せってい しなければならない。
スキャナと光学 こうがく 系 けい — データ収集 しゅうしゅう 速度 そくど は、システムのデータ走査 そうさ 速度 そくど にも影響 えいきょう される。走査 そうさ は二 に 次元 じげん 的 てき に行 おこな われるが、その方法 ほうほう は様々 さまざま である。二 に 枚 まい の平面 へいめん 鏡 きょう を振動 しんどう させるもの、多角 たかく 形 がた の鏡 かがみ を用 もち いるもの、スキャナが二 に 軸 じく をもつものなどである。光学 こうがく 系 けい の性能 せいのう は、角度 かくど 方向 ほうこう の分解 ぶんかい と、検出 けんしゅつ できる距離 きょり の限界 げんかい に影響 えいきょう する。反射 はんしゃ 光 こう の分離 ぶんり には、穴 あな の開 ひら いた鏡 かがみ を用 もち いる方法 ほうほう とビームスプリッター を用 もち いる方法 ほうほう がある。
受光 じゅこう 器 き と電子 でんし 機器 きき — 受光 じゅこう 器 き にはさまざまな物質 ぶっしつ が用 もち いられる。ケイ素 けいそ とインジウム ガリウム砒素 ひそ を用 もち いたピンフォトダイオード やアバランシェフォトダイオード が一般 いっぱん 的 てき であるが、波長 はちょう によっては光 ひかり 電子 でんし 増 ぞう 倍 ばい 管 かん も使 つか われる。受光 じゅこう 器 き の感度 かんど は、ライダーの他 ほか の部分 ぶぶん の設計 せっけい とうまくバランスを取 と らなければいけない。
ポジショニングとナビゲーション — ライダーを可動 かどう 型 がた のプラットフォーム(航空機 こうくうき や人工 じんこう 衛星 えいせい )に搭載 とうさい する場合 ばあい は、センサの絶対 ぜったい 的 てき な位置 いち と方向 ほうこう を決定 けってい する装置 そうち が必要 ひつよう である。GPS と慣性 かんせい 誘導 ゆうどう 装置 そうち が用 もち いられる。
米 べい Waymo の自動 じどう 運転 うんてん 実証 じっしょう 車 しゃ 。ナンバープレート上部 じょうぶ 、前輪 ぜんりん 上部 じょうぶ 、車両 しゃりょう 天井 てんじょう の黒 くろ いドームの中 なか にそれぞれLIDARが搭載 とうさい されている。
自動 じどう 運転 うんてん バス側面 そくめん に取 と り付 つ けられた円筒 えんとう 形 がた のLiDAR(栃木 とちぎ 県 けん 日光 にっこう 市 し での実証 じっしょう 実験 じっけん 車 しゃ 、2023年 ねん )
自動 じどう 運転 うんてん 技術 ぎじゅつ - 条件 じょうけん 付 つ き自動 じどう 運転 うんてん であるレベル3や、ドライバーによる運転 うんてん を前提 ぜんてい としないレベル4~5の対応 たいおう になると、高速 こうそく 道路 どうろ や一般 いっぱん 道路 どうろ を安全 あんぜん に自律 じりつ 走行 そうこう する機能 きのう が必要 ひつよう となる。そのため、センシングの冗長 じょうちょう 性 せい を担保 たんぽ する理由 りゆう で、カメラやミリ波 は レーダーに加 くわ えて、ライダーが採用 さいよう される。これはライダーは色 いろ の識別 しきべつ や悪天候 あくてんこう 時 じ のセンシングを苦手 にがて とする代 か わりに、距離 きょり の計測 けいそく においては他 た のセンサーの認識 にんしき 精度 せいど を凌駕 りょうが するためである。このような事情 じじょう から、矢野 やの 経済 けいざい 研究所 けんきゅうじょ の発表 はっぴょう によると2030年 ねん にはライダーの市場 いちば 規模 きぼ は4,959億 おく 円 えん になると見込 みこ まれている。世界 せかい 初 はつ の自動 じどう 運転 うんてん レベル3を達成 たっせい したホンダ・レジェンド や、トヨタ・ミライ やレクサス・LS に採用 さいよう されるAdvanced Driveなどでライダーが搭載 とうさい されている。
地質 ちしつ 学 がく や地震 じしん 学 がく では、航空機 こうくうき 搭載 とうさい 型 がた ライダーとGPSを組 く み合 あ わせ、断層 だんそう や隆起 りゅうき ・沈降 ちんこう に伴 ともな う地殻 ちかく の変位 へんい を測定 そくてい するのに極 きわ めて役立 やくだ っている。このシステムを用 もち いれば、地殻 ちかく 変動 へんどう を樹木 じゅもく 越 ご しに測 はか ることすらできる。ワシントン のシアトル断層 だんそう (英語 えいご 版 ばん ) を発見 はっけん したシステムとして有名 ゆうめい になった。2004年 ねん の噴火 ふんか によって発生 はっせい したセント・ヘレンズ山 さん の隆起 りゅうき の程度 ていど も、噴火 ふんか 前後 ぜんこう のデータを比較 ひかく することで示 しめ すことができた。
航空機 こうくうき /衛星 えいせい 搭載 とうさい 型 がた ライダーシステムは氷河 ひょうが の観測 かんそく にも役立 やくだ っている。ライダーであればわずかな消長 しょうちょう をも測定 そくてい できるためであり、アメリカ航空 こうくう 宇宙 うちゅう 局 きょく (NASA)のICESat (en )には、この目的 もくてき でライダーが搭載 とうさい されている。
林業 りんぎょう においてもライダーはさまざまに応用 おうよう される。航空機 こうくうき /衛星 えいせい 搭載 とうさい 型 がた ライダーによって、林冠 りんかん の高 たか さ、バイオマス の測定 そくてい 、leaf area の測定 そくてい が行 おこな える。他 た の産業 さんぎょう 、例 たと えばエネルギー産業 さんぎょう 、鉄道 てつどう 、運輸 うんゆ 関連 かんれん 分野 ぶんや でも、手早 てばや いサーベイ法 ほう として用 もち いられる。
宇宙船 うちゅうせん によって月面 げつめん に設置 せっち された鏡 かがみ を用 もち いて(月 つき レーザー測 はか 距実験 じっけん 参照 さんしょう )、月 つき と地球 ちきゅう の距離 きょり を観測 かんそく する世界 せかい 規模 きぼ のネットワークがあり、ここでもライダーが用 もち いられる。月 つき との距離 きょり がミリメートル単位 たんい の精度 せいど で測定 そくてい できるので、一般 いっぱん 相対性理論 そうたいせいりろん の検証 けんしょう に有用 ゆうよう である。
宇宙 うちゅう 機 き に搭載 とうさい されたLIDARとしては、1994年 ねん のSTS-64 にLITEが搭載 とうさい され、雲 くも やエアロゾルを観測 かんそく した。火星 かせい を回 まわ るNASAの探査 たんさ 機 き マーズ・グローバル・サーベイヤー (1996年 ねん 打上 うちあ げ)は、MOLA (the Mars Orbiting Laser Altimeter) と名付 なづ けられたライダーを搭載 とうさい しており、目 め をみはる程 ほど 正確 せいかく な地形 ちけい 図 ず をもたらしている。また、2003年 ねん に打 う ち上 あ げられたNASAのICESat 衛星 えいせい にもGLASというLIDARが搭載 とうさい され、氷 こおり 床 ゆか や大気 たいき の観測 かんそく を行 おこな った。2006年 ねん に打 う ち上 あ げられたNASAのCALIPSO 衛星 えいせい はCALIOPを搭載 とうさい し、大気 たいき の観測 かんそく を行 おこな っている。2014年 ねん にESAが打 う ち上 あ げる予定 よてい のADM-Aeolus も風 ふう や大気 たいき を観測 かんそく するLIDARが搭載 とうさい されている。日本 にっぽん 初 はつ の月 つき 周回 しゅうかい 衛星 えいせい かぐや も、一種 いっしゅ のライダーであるレーザー高度 こうど 計 けい LALT (Laser ALTimeterthe)を搭載 とうさい しており、月 つき 全面 ぜんめん の正確 せいかく な地形 ちけい 高度 こうど データを取得 しゅとく した。
車載 しゃさい ライダーを用 もち いて生成 せいせい された点 てん 群 ぐん データ 。18秒 びょう 以上 いじょう の撮影 さつえい 時間 じかん 中 ちゅう におよそ2300万 まん 点 てん の点 てん が生成 せいせい された。
大気 たいき 物理 ぶつり 学 がく では、中層 ちゅうそう および上層 じょうそう 部 ぶ の大気 たいき に含 ふく まれるいくつかの物質 ぶっしつ の濃度 のうど を遠距離 えんきょり から測 はか るのに用 もち いられる。カリウム、ナトリウム、分子 ぶんし 状 じょう の窒素 ちっそ 及 およ び酸素 さんそ といった物質 ぶっしつ である。これらの濃度 のうど を測定 そくてい することで、温度 おんど を計算 けいさん することもできる。ライダーは風速 ふうそく の測定 そくてい や、エアロゾル 粒子 りゅうし の鉛直 えんちょく 方向 ほうこう での分布 ぶんぷ を調 しら べるためにも用 もち いられる。
海洋 かいよう 学 がく では、植物 しょくぶつ プランクトン の蛍光 けいこう 及 およ び海洋 かいよう 表層 ひょうそう の総合 そうごう 的 てき なバイオマス の推定 すいてい に用 もち いられる。船舶 せんぱく による測定 そくてい が困難 こんなん な海域 かいいき での海底 かいてい 探査 たんさ にも航空機 こうくうき に搭載 とうさい して用 もち いられる。
また、上記 じょうき 以外 いがい にも速度 そくど 超過 ちょうか に対 たい する交通 こうつう 取締 とりしまり (いわゆるネズミ捕 ねずみと り)用 よう としてレーダーの代 か わりに用 もち いられることがある。レーダー取締 とりしま り機 き は携帯 けいたい するには大型 おおがた であり、特定 とくてい の車両 しゃりょう を分離 ぶんり して測定 そくてい することがしばしば困難 こんなん であるが、ライダーを用 もち いると小型 こがた のカメラ式 しき 取締 とりしまり 機 き によって、沢山 たくさん 走 はし っている車両 しゃりょう の内 うち 一 いち 台 だい を狙 ねら い撃 う ちにすることができる。レーダー取締 とりしまり 機 き はドップラー効果 こうか を用 もち いて対象 たいしょう の速 はや さを直接 ちょくせつ 測定 そくてい するが、ライダーの場合 ばあい 、二 に 点 てん 間 あいだ を通過 つうか する時間 じかん から速 はや さを計算 けいさん する。
軍事 ぐんじ 応用 おうよう を詳述 しょうじゅつ するには時期 じき 尚早 しょうそう であるが、イメージングに関 かん するかなりの研究 けんきゅう が進 すす んでいることが知 し られている。空間 くうかん 分解能 ぶんかいのう が高 たか いため、対象 たいしょう (戦車 せんしゃ など)の細 こま かな特徴 とくちょう を捉 とら えることができる。軍事 ぐんじ 分野 ぶんや では LADAR のアクロニムで呼 よ ばれることが多 おお い。
立体 りったい イメージングが可能 かのう である。スウェーデン 、デンマーク 、アメリカ合衆国 あめりかがっしゅうこく 、イギリス で軍事 ぐんじ 応用 おうよう が研究 けんきゅう されており、数 すう キロメートル先 さき の対象 たいしょう の立体 りったい 像 ぞう を 10 cm 以下 いか の誤差 ごさ で描出 びょうしゅつ することができる。
イギリスにある欧州 おうしゅう トーラス共同 きょうどう 研究 けんきゅう 施設 しせつ (JET) では、ライダーを用 もち いたトムソン散乱 さんらん の測定 そくてい を行 おこな い、プラズマ 中 なか の電子 でんし 密度 みつど 、温度 おんど プロフィールを求 もと めている[ 3] 。
隠 かく しカメラを検出 けんしゅつ する「Laser-Assisted Photography Detection」(LAPD) という技術 ぎじゅつ の開発 かいはつ も進 すす んでいる[ 4] 。
ウィキメディア・コモンズには、LIDAR に関 かん するカテゴリがあります。
気象 きしょう に関連 かんれん する機器 きき ・設備 せつび
気象 きしょう 観測 かんそく 機器 きき ・設備 せつび
気象 きしょう 観測 かんそく 機器 きき 気象 きしょう 観測 かんそく 設備 せつび
気象 きしょう 観測 かんそく 網 もう ・気象 きしょう 通報 つうほう
気象 きしょう 通報 つうほう 式 しき 気象 きしょう 観測 かんそく 網 もう