(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電車の走行路に沿って懸垂架設されたトロリ線に高周波変調されたレーザ走査光を照射するに際し、そのレーザ走査光をスキャナーによりトロリ線の長さ方向に対してほぼ直角方向にスキャニングしながら、該トロリ線の長さ方向に照射し続け、トロリ線から反射されるレーザ反射光をその強度をもとに追尾してレーザ位相差計で受光し、レーザ位相差計で検出したレーザ走査光とレーザ反射光との位相差をもとに前記トロリ線の高さと変位を求めることを特徴とするトロリ線の高さ・偏位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気鉄道への電力供給用として、線路に沿って懸垂架設されたトロリ線の高さと左右方向の偏位の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気鉄道における電力供給用トロリ線は、線路に沿って立てられた電柱と、この電柱に支持された架線から垂れ下がったハンガによって懸垂支持されている。そして、電車の屋根上に設置されているパンタグラフの摺板をトロリ線に接触させ、電車に所要の電力を供給している。この場合、摺板の全面で一様に摩耗するように、トロリ線は電車の進行方向に沿って所定の範囲で蛇行するように架設されている。また、電車の走行密度が高い区間では、所要の電力を供給するために複数本のトロリ線を所定の間隔で平行に架設することも行なわれている。
【０００３】
このトロリ線は、在来線の場合、レール面上４５００ｍｍ〜５４００ｍｍの範囲の高さに架設されており、トロリ線の高さが定められて基準値の範囲内にあるか、また電車が通過した時どのような運動をするかを知るために、トロリ線の高さを測定する必要がある。このため、従来は図８に示すようにパンタグラフ接触による方法でパンタグラフの運動を測定することにより、トロリ線ｔの高さを検出している。即ち、トロリ線ｔの高さが変わると、パンタグラフ５１は上下に運動してパンタグラフ５１の主軸５２が回転する。この回転を絶縁体５３を介してポテンショメータ５４に導き、このポテンショメータ５４によりトロリ線ｔの高さを測定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
パンタグラフ接触による方法では、トロリ線が揺動したりしてパンタグラフが一瞬離線した場合、トロリ線の高さ測定ができなくなるという問題があって、パンタグラフの離線とは関係なく常に正確な高さ測定ができる方法が要望されていた。本発明の目的は、レーザ位相差計を用いて、トロリ線とは非接触でトロリ線の高さが正確に測定でき、また、トロリ線の左右方向の偏位も求めることができるトロリー線の高さ・偏位測定方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の特徴とするトロリ線の高さ・偏位測定方法は、電車の走行路に沿って懸垂架設されたトロリ線に高周波変調されたレーザ走査光を照射するに際し、そのレーザ走査光をスキャナーによりトロリ線の長さ方向に対してほぼ直角方向にスキャニングしながら、該トロリ線の長さ方向に照射し続け、トロリ線から反射されるレーザ反射光をその強度をもとに追尾してレーザ位相差計で受光し、レーザ位相差計で検出したレーザ走査光とレーザ反射光との位相差をもとに前記トロリ線の高さと偏位を求めることであって、営業車両や保守用車両により、昼間でも測定することが可能である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図２は、本発明の方法を実施する装置を概略的に示すブロック図であり、１はレーザ位相差計、２は走査駆動部、３は走査制御部であって、走査制御部３は走査駆動部２を制御してレーザ位相差計１に光走査させる。レーザ位相差計１は、レーザ走査光４を測定対象物であるトロリ線ｔに照射すると共に、トロリ線ｔからの反射光５を受光して走査制御部３に制御指令を与えるようになっている、６は演算機であって、レーザ位相差計１の信号を入力し、制御信号やトロリ線高さなどの計算をし、また必要なデータを走査制御部３に出力する。
【０００７】
次に、図３によって本発明の方法を説明すると、高周波変調されたレーザ光を投受光できるレーザ位相差計１から出るレーザ走査光４を、スキャナー８で走査して、コリメート鏡７で垂直上方に向け、トロリ線ｔの長さ方向に対してほぼ直角方向に往復変位（移動）させながらトロリ線ｔの摺面に投射し、トロリ線ｔの摺面から反射されるレーザ反射光５を再び同じ経路を経てレーザ位相差計１で受光する。
【０００８】
この際、レーザ位相差計１に一体又は別個に置かれたスキャナー８を僅かにトロリ線ｔの長さ方向に対してほぼ直角方向に振動させ、反射強度を追尾するトロリ線位置センサーによってトロリ線ｔを見張り、スキャナー８の振幅にフィードバックをかけ、動くトロリ線ｔにレーザ走査光４を照射し続け、測定回数を多くして精度を向上させる。なお、スキャナー８の振幅によりトロリ線ｔの偏位が測定できる。また、複数本のトロリ線ｔの高さ測定は、現在では最大４本（ツインシンプルカテナリのエアセクションによるトロリ線区分個所）であるが、スキャナー８をトロリ線ｔの長さ方向に対してほぼ直角方向に移動させ、図２の演算機６から何本目のトロリ線ｔを測定せよという指示を受ければ、その指示に従って当該トロリ線ｔの高さが測定される。
【０００９】
トロリ線ｔが複数本ある場合には、図２の演算機６にどのトロリ線ｔを測定するかを設定しておき、レーザ位相差計１がレーザ反射光を何も受光していない場合はレーザ位相差計１を図４の矢印で示すようにトロリ線ｔの長さ方向に対してほぼ直角方向に変位させる。レーザ走査光４がトロリ線ｔの摺面に照射される場合、図４のａに示すようにトロリ線ｔの中心にレーザ走査光４が当たる場合にレーザ反射光５（図３を参照）が一番強く、図４のｂ，ｃに示すようにトロリ線ｔの中心から外れた位置にレーザ走査光４が当たる場合にはレーザ反射光５は弱くなる。
【００１０】
このため、図５に示すようにレーザ走査光４がトロリ線ｔの中心に当たっていると、レーザ位相差計１のレーザ反射光５の感度９の幅は広いが、例えば図６に矢印で示すようにトロリ線ｔが左方向へ移動すると、レーザ位相差計１のレーザ反射光５の感度９の幅は左側から狭くなっていくので、レーザ走査光４を左方向へ振れば感度９の幅は広くなり、トロリ線ｔを追尾することができる。
【００１１】
例えば、レーザ走査光４のスキャン分解能を１ｍｍとし、レーザ位相差計１の左右振幅数を１ＫＨｚ以下とすれば、１００ｍｍスパンなら０．１秒で追尾できる。但し、ガルバノメータの応答速度から、もう少し遅くなるが、１ＫＨｚ以下のトロリ線ｔの移動があれば、測定装置搭載車両の走行中や停止中に関係なくトロリ線ｔをサーチすることができる。
【００１２】
図１は本発明の方法に使用する装置の一例を示すブロック図であって、１０は発光源である半導体レーザ、１１はコリメートレンズであって、コリメートレンズ１１は半導体レーザ１０から発光するレーザ走査光４の光路上に配置されている。１２はトロリ線ｔからのレーザ反射光の光路上に配置された集光レンズで、この集光レンズ１２の前か後に干渉フイルター１３が配置されている。
【００１３】
１４は基準発信機を内蔵しアバランシェフォトダイオードを有する第１の光電変換器で、自身の参照光は光ファイバー１５を用いて受光している。１６はアバランシェフォトダイオードを有する第２の光電変換器であって、上述した半導体レーザ１０、コリメートレンズ１１、集光レンズ１２、干渉フイルター１３、第１の光電変換器１４及び第２の光電変換器１６はレーザ位相差計１を構成している。
【００１４】
そして、２は走査駆動部、１７は基準周波数発生器、１８はトリガパルス発生器、１９は第１の光電変換器１４の出力信号を入力とする第１の高速アンプ、２０は第２の光電変換器１６の出力信号を入力とする自動ゲイン制御機能を有する第２の高速アンプ、２１はトリガパルス発生器１８と第１の高速アンプ１９の出力信号を入力とするサンプリングヘッド、２２はトリガパルス発生機１８と第２の高速アンプ２０の出力信号を入力とするダブルバランスミキサー、２３は第１の波形整形回路、２４は第２の波形整形回路であって、上述したサンプリングヘッド２１、ダブルバランスミキサー２２、第１の波形整形回路２３及び第２の波形整形回路２４によって時間軸回路２５を構成している。
【００１５】
更に図１において、２６は第１の波形整形回路２３の出力信号を入力とする第１のレベルコンパレータ、２７は第２の波形整形回路２４の出力信号を入力とするレベルコンパレータ、２８は第１のレベルコンパレータ２６及び第２のレベルコンパレータ２７の各出力信号と基準周波数発生器１７の出力信号を入力とするゲート制御回路、２９はゲート制御回路２８の出力信号を入力として計数するカウンタであって、これらの第１のレベルコンパレータ２６、第２のレベルコンパレータ２７、ゲート制御回路２８及びカウンタ２９によって時間差測定回路３０が構成されており、また、基準周波数発生器１７、トリガパルス発生機１８、時間軸回路２５、時間差測定回路３０及びマイクロプロセッサー３１によって走査制御部３が構成されている。
【００１６】
以下に、図１に示す装置による測定動作を説明する。半導体レーザ１０から発生したレーザ走査光４の一部はコリメートレンズ１１から光ファイバー１５を通り参照光として第１の光電変換機器１４に入射する一方、トロリ線ｔに照射されたレーザ走査光４は反射し、その大部分のレーザ反射光５は集光レンズ１２で集束され、干渉フイルター１３を通って第２の光電変換器１６に入射する。そして、第１及び第２の光電変換器１４，１６はレーザ走査光４とレーザ反射光５をそれぞれのエネルギーの強弱に対応する強弱の電気信号に変換する。
【００１７】
基準周波数発生器１７は、基準周波数信号ｆ０を走査駆動部２に入力すると共に、周波数信号ｆ１をトリガパルス発生器１８に入力する。第１の光電変換器１４の出力信号は第１の高速アンプ１９により増幅され、第２の光電変換器１６の出力信号は第２の高速アンプ２０によって増幅される。サンプリングヘッド２１は第１の高速アンプ１９の出力信号とトリガパルス発生器１８のトリガパルス信号を入力信号として、第１の高速アンプ１９の出力信号をサンプリングし、ダブルバランスミキサー２２は第２の高速アンプ２０の出力信号とトリガパルス発生器１８のトリガパルス信号を入力信号として、第２の高速アンプ２０の出力信号とトリガパルス発生器１８の出力信号を合成する。
【００１８】
サンプリングヘッド２１のサンプリング信号は第１の波形整形回路２３によって、またダブルバランスミキサー２２の合成信号は第２の波形整形回路２４によってそれぞれ波形整形され、図７に示すようにその信号の時間軸が拡大される。時間差測定回路３０の第１のレベルコンパレータ２６は第１の波形整形回路２３の波形整形信号のレベルを基準レベルと比較し、第２のレベルコンパレータ２７は第２の波形整形回路２４の波形整形信号のレベルを基準レベルと比較する。
【００１９】
ゲート制御回路２８は、第１のレベルコンパレータ２６の偏差出力信号と第２のレベルコンパレータ２７の偏差出力信号を入力信号として、基準周波数発生器１７の周波数信号ｆ２をもとにゲート信号を発生する。カウンタ２９はゲート制御回路２８からのゲート信号を計数して、第１の光電変換器１４の出力信号、即ち、光ファイバー１５からのレーザ走査光４が第１の光電変換器１４に入射する時間と、トロリ線ｔから反射したレーザ反射光５が第２の光電変換器１６に入射する時間との時間差信号を出力する。
【００２０】
マイクロプロセッサー３１は時間差信号の０点補正、光束補正及び平均化を実行して、測定点からトロリ線ｔまでの高さであるデジタル及びアナログ距離信号を演算機６に出力する。例えば、半導体レーザ１０を２９．９７９ＭＨｚ（波長λ／２＝５ｍｍ）で変調し、平行ビームにした後、トロリ線ｔに放射する。トロリ線ｔの表面で乱反射したレーザ反射光５をコリメートレンズ１１及び集光レンズ１２で集光し、第２の光電変換器１６に入射する。乱反射の場合はレーザ位相差計１に返ってくる光のエネルギーが小さいため、大口径、例えば１００〜２００ｍｍのコリメートレンズと高感度の第１の光電変換器１４及び第２の光電変換器１６を使用する。また、高性能の干渉フィルター１３によりＳ／Ｎ比を向上させる。
【００２１】
半導体レーザ１０の直接光及び反射光を、それぞれＰＩＮフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードで電気信号に変換し、性能の揃った高速アンプで増幅する。検出信号をレーザ変調周波数より例えば２．９９８ＫＨｚ（１／１００００）低い周波数でサンプリングすると、信号の時間軸が１００００倍拡大される。この時、サンプリングヘッドの電気的特性の制約から、サンプリングを１／２０に間引きするが、時間軸の拡大率には影響しない。サンプリングヘッドの出力はパルス列信号となるので、第１の波形整形回路２３と第２の波形整形回路２４によって連続信号に変換する。
【００２２】
波形成形された基準信号と反射信号の時間差を正確に測定するために、第１のレベルコンパレータ２６と第２のレベルコンパレータ２７で各々のゼロックス点を検出し、時間差を１４．９８９ＭＨｚのクロックでカウントする。時間軸が１００００倍に拡大されるので、１４．９８９ＭＨｚの１カウントは、トロリ線ｔの変位１ｍｍに対応する。そして、マイクロプロセッサ３１によって０点補正、光束補正、平均化を実行して精度を上げると、トロリ線ｔの変位は平均化を３２回とすれば、分解能１ｍｍ、応答２０Ｈｚ程度で測定可能になる。
【００２３】
図７はサンプリング、△ｆに時間拡大された信号及び基準周波数信号ｆ０を示すもので、ｆ０Ｈｚの周波数信号を（ｆ０−△ｆ）Ｈｚの周波数信号のゼロクロス点でサンプリングすれば、基準周波数信号ｆ０は（ｆ０−△ｆ）Ｈｚの信号に時間軸拡大される。この図７の例では△ｆ＝ｆ０／１０であって、△ｆ＝ｆ０／Ｍとすれば、元の信号は周波数で１／Ｍ時間軸でＭ倍に変換されたことになる。レーザ光変調方式で基準信号と反射信号の時間差を正確に測定するには、このような技術によって取り扱う信号の周波数を大幅に下げる必要がある。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は上記の如くであって、レーザ位相差計から出る高周波変調されたレーザ走査光を、スキャナーによりトロリ線の長さ方向に対してほぼ直角方向にスキャニングしながら、該トロリ線の長さ方向に照射し続け、トロリ線から反射されるレーザ反射光をレーザ位相差計で受光して、車両進行方向と直角に変位するトロリ線の左右の動きを見張り、トロリ線の長さ方向に往復変位させるレーザ走査光の振幅を制御してトロリ線にレーザ走査光を照射し続け、非接触でトロリ線の高さと変位とを経済的で高精度に測定できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法に使用する装置の一例を示す示すブロック図である。
【図２】本発明の方法に使用する装置を概略的に示すブロック図である。
【図３】本発明の方法を説明する側面図である。
【図４】本発明の方法に使用する装置の動作原理図である。
【図５】本発明の方法に使用するレーザ位相差計の動作概念図である。
【図６】本発明の方法に使用するレーザ位相差計の動作概念図である。
【図７】図１に示すレーザ位相差計の特性線図である。
【図８】従来のトロリ線の高さ測定方法を説明するための概略的構成図である。
【符号の説明】
１はレーザ位相差計
４はレーザ走査光
５はレーザ反射光
ｔはトロリ線
【図１】
0003610446.tif 000002
【図２】
0003610446.tif 000003
【図３】
0003610446.tif 000004
【図４】
0003610446.tif 000005
【図５】
0003610446.tif 000006
【図６】
0003610446.tif 000007
【図７】
0003610446.tif 000008
【図８】
0003610446.tif 000009