레이저 거리 측정기

레이저 거리 측정기, 레이저 레인지파인더(laser rangefinder), 레이저 텔레미터(laser telemeter)는 레이저 빔을 사용하여 물체까지의 거리를 결정하는 거리 측정기이다. 가장 일반적인 형태의 레이저 거리 측정기는 물체를 향해 좁은 빔으로 레이저 펄스를 보내고, 펄스가 목표물에 반사되어 발신기로 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하는 비행 시간 원리로 작동한다. 빛의 속력이 빠르기 때문에 이 기술은 높은 정밀도의 서브밀리미터 측정에는 적합하지 않으며, 이 경우 삼각측량법 및 다른 기술이 대신 사용된다. 레이저 거리 측정기는 때때로 핸드헬드 스캐너 없는 라이다의 한 종류로 분류된다.

장거리 레이저 거리 측정기는 최대 20km까지 거리를 측정할 수 있으며, 각도 마운트와 함께 삼각대에 장착된다. 그 결과 시스템은 방위각 및 표고 (높이) 측정값도 제공한다.

펄스

펄스(pulse)는 거리 측정기가 방해받을 가능성을 줄이기 위해 코딩될 수 있다. 도플러 효과 기술을 사용하여 물체가 거리 측정기를 향해 움직이는지 또는 멀어지는지, 그리고 그렇다면 얼마나 빠르게 움직이는지 판단할 수 있다.

정확도

기기의 정확도는 레이저 펄스의 상승 시간^[1], 발산, 출력, 그리고 광학 장치 및 온보드 디지털 신호 처리의 품질과 관련이 있다. 환경적 요인은 범위와 정확도를 크게 감소시킬 수 있다:

• 습도, 눈, 먼지 또는 기타 공중 미립자는 신호를 확산시킨다.
• 높은 온도와 높은 압력(낮은 고도)은 공기를 통한 빛의 속도를 약간 감소시킨다.
• 작고 반사율이 낮은 목표물은 더 적은 정보를 반환한다.

좋은 조건에서 숙련된 조작자가 정밀 레이저 거리 측정기를 사용하면 약 3킬로미터 거리의 목표물을 1미터 이내로 측정할 수 있다.

범위 및 범위 오차

광선빔이 좁더라도, 레이저 빔의 빔 발산과 공기 중의 물방울이 미세한 크기부터 레이저 빔 경로의 지구 위 높이의 약 절반까지 다양한 크기의 렌즈 역할을 하는 섬광 및 빔 요동 효과로 인해 장거리에서는 결국 퍼지게 된다.

이러한 대기 왜곡은 레이저 자체의 발산과 대기 열 기포를 옆으로 밀어내는 횡풍과 결합하여 나무 아래나 덤불 뒤, 심지어 개방되고 가려지지 않은 사막 지형에서 1km가 넘는 장거리에서도 물체의 거리를 정확히 측정하기 어렵게 만들 수 있다.

일부 레이저 빛은 물체보다 가까운 나뭇잎이나 가지에 반사되어 조기에 반환되고 너무 낮은 값을 측정할 수 있다. 또는 360m보다 긴 거리에서 목표물이 지구에 가까이 있을 경우, 가열된 표면 근처 공기의 온도 경사로 인해 레이저 빛이 굴절되어 발생하는 신기루 속으로 단순히 사라질 수 있다. 이 모든 효과를 고려해야 한다.

계산

레이저 거리 측정에 적용된 비행 시간 원리.

점 A와 B 사이의 거리는 다음으로 주어진다:

${\displaystyle D={\frac {ct}{2}}}$

여기서 c는 빛의 속도이고 t는 A와 B 사이를 왕복하는 데 걸리는 시간이다.

${\displaystyle t={\frac {\phi }{\omega }}}$

여기서 φ는 빛이 이동하여 발생하는 위상 지연이고 ω는 광파의 각 주파수이다.

그런 다음 이 값을 방정식에 대입하면,

${\displaystyle D={\frac {1}{2}}ct={\frac {1}{2}}{\frac {c\phi }{\omega }}={\frac {c}{4\pi f}}(N\pi +\Delta \phi )={\frac {\lambda }{4}}(N+\Delta N)}$

이 방정식에서 λ는 파장 ⁠c/f⁠이다. Δφ는 π를 만족하지 않는 위상 지연의 부분(즉, φ 모듈로 π); N은 왕복 파장 반주기의 정수이고 ΔN은 남은 분수 부분이다.

기술

수호이 Su-27의 레이저 거리 측정기가 장착된 OLS-27 IRST

비행 시간 - 빛 펄스가 목표물까지 이동하여 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정한다. 빛의 속도를 알고 시간을 정확히 측정하면 거리를 계산할 수 있다. 많은 펄스가 순차적으로 발사되며 평균 반응이 가장 일반적으로 사용된다. 이 기술은 매우 정확한 서브-나노초 타이밍 회로를 필요로 한다.

다중 주파수 위상 편이 - 반사 시 다중 주파수의 위상 편이를 측정하고 연립 방정식을 풀어 최종 측정값을 제공한다.

간섭계 - 절대 거리보다는 거리 변화를 측정하는 데 가장 정확하고 유용한 기술이다.

대기 흡수에 의한 광 감쇠 - 이 방법은 대기 화합물(수증기 (H₂O), 이산화 탄소 (CO₂), 메테인 (CH₄), 산소의 동소체 (O₂ 등)의 흡수로 인해 발생하는 레이저 빔의 감쇠를 측정하여 물체까지의 거리를 계산한다. 광 대기 흡수 감쇠 방법은 변조되지 않은 비간섭성 광원과 저주파 전자 장치를 필요로 하여 장치의 복잡성을 줄인다. 이로 인해 저비용 광원을 거리 측정에 사용할 수 있다. 그러나 이 방법의 적용은 대기 측정 또는 행성 탐사에 국한된다.^[2]

응용 분야

군사

GVS-5 레이저 거리 측정기를 든 미군 장교

거리 측정기는 저격수와 포병에게 근접 사격 거리 너머에 있는 목표물까지의 정확한 거리를 제공한다. 또한 군사 정찰 및 공학에도 사용될 수 있다. 일반적으로 전차는 LRF를 사용하여 직접 사격 해결책을 교정한다.

휴대용 군사 거리 측정기는 2km에서 25km 범위에서 작동하며 쌍안경 또는 단안경과 결합된다. 거리 측정기가 디지털 자기 나침반(DMC) 및 경사계를 갖추고 있으면 목표물의 자기 방위각, 경사 및 높이(길이)를 제공할 수 있다. 일부 거리 측정기는 관찰자와 관련하여 목표물의 속도도 측정할 수 있다. 일부 거리 측정기는 케이블 또는 무선 인터페이스를 통해 측정 데이터를 사격 통제 컴퓨터와 같은 다른 장비로 전송할 수 있다. 일부 모델은 또한 추가 야간 시력 모듈을 사용할 수 있는 가능성을 제공한다. 대부분의 휴대용 거리 측정기는 표준 또는 충전식 배터리를 사용한다.

ISAF 소속 네덜란드 저격팀이 Accuracy International AWSM .338 라푸아 매그넘 소총과 VECTOR IV^[3] 라이카/벡트로닉스 레이저 거리 측정기 쌍안경을 전시하고 있다.

더 강력한 거리 측정기 모델은 최대 40km까지 거리를 측정하며 일반적으로 삼각대 또는 차량, 선박, 제트기, 헬리콥터 또는 총기 플랫폼에 직접 설치된다. 후자의 경우 거리 측정기 모듈은 온보드 열화상, 야간 시력 및 주간 관측 장비와 통합된다. 가장 진보된 군용 거리 측정기는 컴퓨터와 통합될 수 있다.

레이저 거리 측정기와 레이저 유도 무기가 군사 목표물에 덜 유용하도록 만들기 위해 다양한 군사 무기들은 차량용 레이저 흡수 페인트를 개발했을 수 있다. 그럼에도 불구하고 일부 물체는 레이저 빛을 잘 반사하지 않아 레이저 거리 측정기를 사용하는 것이 어렵다.

최초의 상업용 레이저 거리 측정기는 휴즈 항공과 협력하여 개발된 바 앤 스트라우드 LF1으로, 1965년에 출시되었다. 이어서 레이저 거리 측정기를 전차 조준경에 통합한 바 앤 스트라우드 LF2가 1969년 치프틴 전차에 사용되었는데, 이는 이러한 시스템을 장착한 최초의 차량이었다. 두 시스템 모두 루비 레이저를 사용했다.^[4]

3D 모델링

이 라이다 스캐너는 건물, 암석 형성 등을 스캔하여 3D 모델을 생성하는 데 사용될 수 있다. 라이다는 넓은 범위로 레이저 빔을 조준할 수 있다: 머리가 수평으로 회전하고 거울이 수직으로 뒤집힌다. 레이저 빔은 경로상의 첫 번째 물체까지의 거리를 측정하는 데 사용된다.

레이저 거리 측정기는 3D 객체 인식, 3D 객체 모델링 및 다양한 컴퓨터 비전 관련 분야에서 광범위하게 사용된다. 이 기술은 소위 비행 시간 3D 스캐너의 핵심을 이룬다. 군사 장비와 달리 레이저 거리 측정기는 단면 또는 360도 스캐닝 모드를 통해 고정밀 스캐닝 기능을 제공한다.

하나의 물체에 대해 여러 각도에서 얻은 거리 데이터를 병합하여 가능한 한 오류가 적은 완전한 3D 모델을 생성하는 여러 알고리즘이 개발되었다. 레이저 거리 측정기가 다른 컴퓨터 비전 방법에 비해 제공하는 장점 중 하나는 입체시 방법처럼 깊이 정보를 결정하기 위해 두 이미지의 특징을 상호 연관시킬 필요가 없다는 것이다.

컴퓨터 비전 응용 프로그램에 사용되는 레이저 거리 측정기는 종종 0.1mm 이하의 깊이 해상도를 갖는다. 이는 라이다에 사용되는 비행 시간 기술과 달리 삼각측량 또는 굴절 측정 기술을 사용하여 달성할 수 있다.

임업

Field-Map 기술과 함께 임업 재고 조사에 사용되는 레이저 거리 측정기 TruPulse

특수 레이저 거리 측정기는 임업에 사용된다. 이 장치는 나뭇잎 방지 필터를 가지고 있으며 역반사기와 함께 작동한다. 레이저 빔은 이 역반사기에서만 반사되므로 정확한 거리 측정이 보장된다. 나뭇잎 방지 필터가 있는 레이저 거리 측정기는 예를 들어 산림 조사에 사용된다.

스포츠

레이저 거리 측정기는 골프, 사냥, 궁술과 같이 정밀한 거리 측정이 필요한 다양한 스포츠에서 효과적으로 사용될 수 있다. 인기 있는 제조업체로는 캐디토크(Caddytalk), 옵티-로직 코퍼레이션(Opti-logic Corporation), 부쉬넬(Bushnell), 류폴드(Leupold), 레이저테크놀로지(LaserTechnology), 트림블(Trimble), 라이카(Leica), 뉴콘 옵틱(Newcon Optik), 옵. 일렉트로닉스(Op. Electronics), 니콘, 스와로브스키 옵틱(Swarovski Optik), 자이스 등이 있다. 부쉬넬의 많은 거리 측정기는 ARC(각도 범위 보상), 다중 거리 기능, 경사, JOLT(목표물이 고정될 때 진동), 핀 시킹(Pin-Seeking)과 같은 고급 기능을 제공한다. ARC는 소총수의 규칙을 사용하여 손으로 계산할 수 있지만, 사냥을 나갔을 때는 거리 측정기가 계산하도록 하는 것이 훨씬 쉽다. 시간이 가장 중요한 골프에서는 레이저 거리 측정기가 깃대까지의 거리를 찾는 데 유용하다. 그러나 모든 기능이 골프 토너먼트 경기에서 100% 합법적인 것은 아니다.^[5] 미국 동부의 많은 사냥꾼들은 거리 측정기가 필요하지 않지만, 서부의 많은 사냥꾼들은 더 긴 사격 거리와 더 개방된 공간 때문에 필요로 한다.

산업 생산 공정

중요한 응용 분야는 철강 산업에서 재고 관리 시스템 및 생산 공정 자동화 중 레이저 거리 측정기 기술을 사용하는 것이다.

레이저 측정 도구

레이저 거리 측정기: 보쉬 GLM 50 C

레이저 거리 측정기는 건설, 리노베이션 및 부동산과 같은 여러 산업에서 줄자의 대안으로도 사용되며, 1993년 프랑스의 Leica Geosystems에서 처음 도입했다. 방과 같은 큰 물체를 줄자로 측정하려면 다른 사람이 먼 벽에서 줄자를 잡고 방을 가로지르는 명확한 선이 필요하다. 레이저 측정 도구를 사용하면 시야만 확보되면 한 명의 작업자가 작업을 완료할 수 있다. 줄자는 기술적으로 완벽하게 정확하지만, 레이저 측정 도구는 훨씬 더 정밀하다. 레이저 측정 도구는 일반적으로 방의 면적이나 부피와 같은 몇 가지 간단한 계산을 수행할 수 있는 기능을 포함한다. 이러한 장치는 철물점 및 온라인 마켓플레이스에서 찾을 수 있다.

가격

레이저 거리 측정기는 제품의 품질과 용도에 따라 가격이 다양할 수 있다. 군용 거리 측정기는 가능한 한 정확해야 하며 먼 거리에 도달할 수 있어야 한다. 이러한 장치는 수십만 달러에 달할 수 있다. 사냥이나 골프와 같은 민간 응용 분야의 경우 장치는 더 저렴하고 훨씬 쉽게 구할 수 있다.^[6][7]

안전

레이저 거리 측정기는 네 가지 클래스와 여러 서브클래스로 나뉜다. 소비자에게 제공되는 레이저 거리 측정기는 일반적으로 레이저 클래스 1 또는 클래스 2 장치이며 상대적으로 눈에 안전하다고 간주된다.^[8] 안전 등급에 관계없이 직접적인 눈 접촉은 항상 피해야 한다. 군용 레이저 거리 측정기 대부분은 레이저 클래스 2 에너지 수준을 초과한다.

같이 보기

• 지오디미터
• 레이저 고도계
• 레이저 지정자
• 레이저 기계 제어
• 레이저 스캐닝
• 레이저 경고 수신기
• 레이저 문서 목록
• 거리 이미징
• 위성 레이저 거리 측정