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LIDAR

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』
ライカジオシステムズしゃせい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。「ひかり検出けんしゅつはか距」ないし「レーザー画像がぞう検出けんしゅつはか距」)は、ひかりもちいたリモートセンシング技術ぎじゅつひとつで、パルスじょう発光はっこうするレーザー照射しょうしゃたいする散乱さんらんひかり測定そくていし、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性質せいしつ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きされることもおおい。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) がもちいられる。

この技法ぎほうレーダー(Radar、Radio Detecting and Ranging、電波でんぱ探知たんちはか距)に類似るいじしており、レーダーの電波でんぱひかりえたものである。対象たいしょうまでの距離きょりは、発光はっこう反射はんしゃこう受光じゅこうするまでの時間じかんもとまる。そのため、レーザーレーダー (Laser radar) のかたりもちいられることもある。

ライダーは地質ちしつがく地震じしんがくリモートセンシング大気たいき物理ぶつりがくもちいられる。近年きんねん自動じどう運転うんてんしゃ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AppleiPhone 12 Pro以降いこうiPad Proだい2世代せだい以降いこう搭載とうさいされており、「ナイトモード対象たいしょうぶつはか距」や「3Dスキャン」機能きのうとうもこの技術ぎじゅつもちいて実現じつげんされている。

概説がいせつ

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ライダーとレーダーのもっと基本きほんてき相違そういは、ライダーはレーダーよりもはるかにみじか波長はちょう電磁波でんじはもちいることである。典型てんけい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。一般いっぱんてきに、検出けんしゅつできる物体ぶったい物体ぶったい特徴とくちょうのサイズは、波長はちょう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くも粒子りゅうし検出けんしゅついており、大気たいき研究けんきゅう気象きしょうがくにとって有用ゆうようである。

ある物体ぶったい検出けんしゅつされるには、伝導でんどうせい不連続ふれんぞくせいがあり進行しんこうしてきたなみ反射はんしゃする必要ひつようがある。レーダー(マイクロなみまたはラジオ帯域たいいき)は金属きんぞくものによって効率こうりつよく反射はんしゃされるが、雨滴うてきいわといった非金属ひきんぞく反射はんしゃこしにくく、物質ぶっしつによってはまったく反射はんしゃ検出けんしゅつできず、レーダーでは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きわめてちいさな対象たいしょうとく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じょう(en)において調整ちょうせいちゅう色素しきそレーザー(en)。LIDARレーザーガイドぼし(en) の実験じっけんのためにもちいられる。レーザーの波長はちょうは、大気たいき上層じょうそうナトリウム原子げんし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せん波長はちょう設定せっていされている。
基本きほんてきな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こう回転かいてんするかがみ(うえ)で反射はんしゃされ、レーザーこう左右さゆうくびこと走査そうさされ反射はんしゃしてもどってきたレーザーこう検出けんしゅつらえられいち次元じげんしくは次元じげんてき寸法すんぽうる。(なか)、位相いそうかくのずれから対象たいしょうぶつまでの距離きょりる。(した)

ライダーをもちいるとこれらの問題もんだい解決かいけつする。ライダーのひかりたば密度みつどたかく、コヒーレンスたかい。それだけでなく、波長はちょうきわめてみじかい(むらさきがいこうではおよそ 10 μみゅーm からやく 250 nm範囲はんい)。このような電磁波でんじはちいさな物体ぶったいによってもきわめてよく「反射はんしゃ」(後方こうほう散乱さんらんばれる)される。ライダーの使用しようほうによっては、べつ種類しゅるい散乱さんらん利用りようされる。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けむりなどの大気たいきによってはこばれる粒子りゅうし(エアロゾル)、くも大気たいき分子ぶんし測定そくてい最適さいてきである。

レーザーのひかりたば通常つうじょうきわめてしぼまれ、ほそいビームとなっているので、きわめてたか光学こうがくてき解像度かいぞうどもっ大気たいき特徴とくちょうをマップすることができる。さらに、おおくの化学かがく物質ぶっしつにおいて、可視かしこうはマイクロくらつよ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わせれば、散乱さんらんこう強度きょうど波長はちょうとの関係かんけいから、大気たいき組成そせいはなれた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研究けんきゅう気象きしょうがくおも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人工じんこう衛星えいせいに「ルックダウン」 downward-looking がたのライダーを搭載とうさいしておこな調査ちょうさやマッピングの方法ほうほう開発かいはつされるようになった。

構成こうせい

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ライダーの構成こうせいおおきく種類しゅるいけられる。ひとつはマイクロパルスライダー (micropulse lidar) システム、もうひとつはこうエネルギー (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進歩しんぽコンピュータ演算えんざん能力のうりょく驚異きょういてき向上こうじょうとが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)のレーザーをもちい、しばしば、「やさしい」(eye-safe)システムとばれる。防護ぼうご失明しつめい回避かいひするための予防よぼう措置そちをとらずにもちいうるからである。

こうエネルギーシステムは大気たいき研究けんきゅうでは一般いっぱんてきである。くもたかさやそう構造こうぞうくも粒子りゅうし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、へんこう解消かいしょう depolarization)、温度おんど圧力あつりょくふう湿度しつど微少びしょう気体きたい濃度のうどオゾンメタン窒素ちっそ酸化さんかぶつなど)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。

つぎに、ライダーを構成こうせいする要素ようそげる。

  1. レーザー科学かがく研究けんきゅう以外いがい分野ぶんやでは波長はちょう 600-800 nm のレーザーがもっと一般いっぱんもちいられる。安価あんかだい出力しゅつりょくのものがられるが、「やさしく」はない(失明しつめい可能かのうせいがある)。「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「やさしい」が、十分じゅうぶん出力しゅつりょくのものをるのがむずかしく、一般いっぱんてきではない。航空機こうくうき搭載とうさいがたライダーは一般いっぱんてきに 1064 nm のものをもちいる。海底かいてい探査たんさシステムのなかには水中すいちゅう透過とうかせいたかい 532 nm のレーザーをもちいる場合ばあいがある。波長はちょうほかにも、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分解能ぶんかいのう関係かんけいする)も適当てきとう設定せっていしなければならない。
  2. スキャナと光学こうがくけい — 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。走査そうさ次元じげんてきおこなわれるが、その方法ほうほう様々さまざまである。まい平面へいめんきょう振動しんどうさせるもの、多角たかくがたかがみもちいるもの、スキャナがじくをもつものなどである。光学こうがくけい性能せいのうは、角度かくど方向ほうこう分解ぶんかいと、検出けんしゅつできる距離きょり限界げんかい影響えいきょうする。反射はんしゃこう分離ぶんりには、あなひらいたかがみもちいる方法ほうほうビームスプリッターもちいる方法ほうほうがある。
  3. 受光じゅこう電子でんし機器きき受光じゅこうにはさまざまな物質ぶっしつもちいられる。ケイ素けいそインジウムガリウム砒素ひそもちいたピンフォトダイオードアバランシェフォトダイオード一般いっぱんてきであるが、波長はちょうによってはひかり電子でんしぞうばいかん使つかわれる。受光じゅこう感度かんどは、ライダーのほか部分ぶぶん設計せっけいとうまくバランスをらなければいけない。
  4. 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がたのプラットフォーム(航空機こうくうき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てき位置いち方向ほうこう決定けっていする装置そうち必要ひつようである。GPS慣性かんせい誘導ゆうどう装置そうちもちいられる。

応用おうよう

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べいWaymo自動じどう運転うんてん実証じっしょうしゃ。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くろいドームのなかにそれぞれ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けられた円筒えんとうがたのLiDAR(栃木とちぎけん日光にっこうでの実証じっしょう実験じっけんしゃ、2023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一般いっぱん道路どうろ安全あんぜん自律じりつ走行そうこうする機能きのう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せい担保たんぽする理由りゆうで、カメラやミリレーダーにくわえて、ライダーが採用さいようされる。これはライダーはいろ識別しきべつ悪天候あくてんこうのセンシングを苦手にがてとするわりに、距離きょり計測けいそくにおいてはのセンサーの認識にんしき精度せいど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発表はっぴょうによると2030ねんにはライダーの市場いちば規模きぼは4,959おくえんになると見込みこまれている。世界せかいはつ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・ミライレクサス・LS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。

地質ちしつがく地震じしんがくでは、航空機こうくうき搭載とうさいがたライダーとGPSをわせ、断層だんそう隆起りゅうき沈降ちんこうともな地殻ちかく変位へんい測定そくていするのにきわめて役立やくだっている。このシステムをもちいれば、地殻ちかく変動へんどう樹木じゅもくしにはかることすらできる。ワシントンシアトル断層だんそう英語えいごばん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ねん噴火ふんかによって発生はっせいしたセント・ヘレンズさん隆起りゅうき程度ていども、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がたライダーシステムは氷河ひょうが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がたライダーによって、林冠りんかんたかさ、バイオマス測定そくてい、leaf area の測定そくていおこなえる。産業さんぎょう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ほうとしてもちいられる。

宇宙船うちゅうせんによって月面げつめん設置せっちされたかがみもちいて(つきレーザーはか実験じっけん参照さんしょう)、つき地球ちきゅう距離きょり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もちいられる。つきとの距離きょりがミリメートル単位たんい精度せいど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検証けんしょう有用ゆうようである。

宇宙うちゅう搭載とうさいされたLIDARとしては、1994ねんSTS-64にLITEが搭載とうさいされ、くもやエアロゾルを観測かんそくした。火星かせいまわるNASAの探査たんさマーズ・グローバル・サーベイヤー(1996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、をみはるほど正確せいかく地形ちけいをもたらしている。また、2003ねんげられた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、こおりゆか大気たいき観測かんそくおこなった。2006ねんげられたNASAのCALIPSO衛星えいせいはCALIOPを搭載とうさいし、大気たいき観測かんそくおこなっている。2014ねんにESAがげる予定よていADM-Aeolusふう大気たいき観測かんそくするLIDARが搭載とうさいされている。日本にっぽんはつ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けいLALT (Laser ALTimeterthe)を搭載とうさいしており、つき全面ぜんめん正確せいかく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もちいて生成せいせいされたてんぐんデータ。18びょう以上いじょう撮影さつえい時間じかんちゅうにおよそ2300まんてんてん生成せいせいされた。

大気たいき物理ぶつりがくでは、中層ちゅうそうおよび上層じょうそう大気たいきふくまれるいくつかの物質ぶっしつ濃度のうど遠距離えんきょりからはかるのにもちいられる。カリウム、ナトリウム、分子ぶんしじょう窒素ちっそおよ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測定そくていすることで、温度おんど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測定そくていや、エアロゾル粒子りゅうし鉛直えんちょく方向ほうこうでの分布ぶんぷ調しらべるためにももちいられる。

海洋かいようがくでは、植物しょくぶつプランクトン蛍光けいこうおよ海洋かいよう表層ひょうそう総合そうごうてきバイオマス推定すいていもちいられる。船舶せんぱくによる測定そくてい困難こんなん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搭載とうさいしてもちいられる。

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)ようとしてレーダーのわりにもちいられることがある。レーダー取締とりしま携帯けいたいするには大型おおがたであり、特定とくてい車両しゃりょう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、ライダーをもちいると小型こがたのカメラしき取締とりしまりによって、沢山たくさんはしっている車両しゃりょううちいちだいねらちにすることができる。レーダー取締とりしまりドップラー効果こうかもちいて対象たいしょう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てんあいだ通過つうかする時間じかんからはやさを計算けいさんする。

軍事ぐんじ応用おうよう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、イメージングにかんするかなりの研究けんきゅうすすんでいることがられている。空間くうかん分解能ぶんかいのうたかいため、対象たいしょう戦車せんしゃなど)のこまかな特徴とくちょうとらえることができる。軍事ぐんじ分野ぶんやでは LADAR のアクロニムでばれることがおおい。

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軍事ぐんじ応用おうよう研究けんきゅうされており、すうキロメートルさき対象たいしょう立体りったいぞう10 cm 以下いか誤差ごさ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、ライダーをもちいたトムソン散乱さんらん測定そくていおこない、プラズマなか電子でんし密度みつど温度おんどプロフィールをもとめている[3]

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開発かいはつすすんでいる[4]

関連かんれん項目こうもく

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脚注きゃくちゅう

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  1. ^ Autonomous Vehicle Lidar: A Tutorial (English Edition) [プリント・レプリカ Kindleばん]”. Amazon Services International, Inc. 2020ねん7がつ10日とおか閲覧えつらん
  2. ^ 吉郎よしろう, 鶴原つるはら. “日経にっけいビジネス電子でんしばん”. 日経にっけいビジネス電子でんしばん. 2019ねん7がつ29にち閲覧えつらん
  3. ^ Lidar Thomson Scattering Diagnostic”. Focus On Articles. EFDA-JET. 2007ねん7がつ2にち時点じてんオリジナルよりアーカイブ。2016ねん9がつ22にち閲覧えつらん
  4. ^ ぬすめつまみ一網打尽いちもうだじん。iPhoneのLiDARセンサーを使つかってかくしカメラを発見はっけんする手法しゅほう開発かいはつされる”. Impress. (2021ねん11月24にち). https://internet.watch.impress.co.jp/docs/yajiuma/1368549.html 

参考さんこう文献ぶんけん

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外部がいぶリンク

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