(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ー線に高周波変調されたレーザー走査光を照射し、そのレーザー走査光を前記トロリー線の長さ方向に対してほぼ直角方向にスキャニングし、前記トロリー線から反射されるレーザー乱反射光をレーザー位相差計に受光せしめる一方、トロリー線位置センサーによりトロリー線を見張ってスキャナ回転角にフイードバックをかけ、トロリー線の偏位に追随してレーザー走査光を照射し続けて、前記レーザー位相差計により、前記レーザー走査光と前記レーザー反射光の位相差をもとに、前記トロリー線の高さと副次的にトロリー線の変位を求めることを特徴とするトロリー線の高さ測定方法。
【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ー線の高さ測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気鉄道における電力供給用トロリー線は、線路に沿って立てられた電柱と、この電柱に支持された吊り架線から垂れ下がったハンガー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ー線に接触させ、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ー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ー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】
このトロリー線は、在来線の場合、レール面上４５００ｍｍ〜５４００ｍｍの範囲に架設されており、トロリー線の高さが定められて基準値の中にあるか、また電車が通過した時どのような運動をするか知るためにトロリー線の高さを測定する必要がある。このため、従来は図１０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、トロリー線の高さを検出している。即ち、トロリー線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によりトロリー線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、トロリー線が揺動したりしてパンタグラフが一瞬離線した場合、トロリー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、トロリー線の高さがレーザー位相差計を用いて該トロリー線とは非接触で正確に測定できる、トロリー線の高さ測定方法を提供することにある。また、副次的にはトロリー線の偏位を求めることができるトロリー線の高さ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ー線の高さ測定方法は、電車の走行路に沿って懸垂架設されたトロリー線に高周波変調されたレーザー走査光を照射し、そのレーザー走査光を前記トロリー線の長さ方向に対してほぼ直角方向にスキャニングし、前記トロリー線から反射されるレーザー乱反射光をレーザー位相差計に受光せしめる一方、トロリー線位置センサーによりトロリー線を見張ってスキャナ回転角にフイードバックをかけ、トロリー線の偏位に追随してレーザー走査光を照射し続けて、前記レーザー位相差計により、前記レーザー走査光と前記レーザー反射光の位相差をもとに、前記トロリー線の高さと副次的にトロリー線の偏位を営業車両や保守用車両から求めるものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図１〜図９を参照しながら説明する。本発明方法を実施するための高さ測定装置を概略的に示すブロック図である図１において、１は距離計である測定部、２は追尾制御部、３は走査制御部、４は走査駆動部、５は走査光学系、６は制御光学系、７はＣＣＤモジュールからなる受光制御部であって、追尾制御部２は走査制御部３を制御し、走査制御部３は走査駆動部４を制御して走査光学系５に光走査させると共に、走査光学系５は制御光学系６を通して走査光を測定対象物であるトロリー線８に照射する。受光制御部７は制御光学系６を通して走査光及びトロリー線８からの反射光を受光し、追尾制御部２に制御指令を与え、追尾制御部２はこの指令をもとに測定部１にサーチ指令を与える。
【０００７】
図２は図１の高さ測定装置の基本構成を示すもので、距離計基板９、受光モジュール１０、非球面レンズ１１、干渉フイルタ１２及びレーザーモジュール１３によって構成されている。また、図３に示すように、受光制御部７のＣＣＤモジュールはＣＣＤ基板１４、１次元ＣＣＤ１５及び干渉フイルタ１６を含んでいる。なお、１６ａは非球面レンズである。
【０００８】
次に、図４によって本発明方法を説明すると、高周波変調されたレーザー走査光を投受光できるレーザー位相差計１７から出るレーザー走査光をコリメート鏡１８又はレンズの焦点距離ｆに置かれたスキャナ１９によって平行スキャニングして垂直上方に向け（太陽光の垂直入射をカット）、トロリー線８の摺面にレーザー走査光２０を投射し、そこから生ずる乱反射光を再び同じ光路を経てレーザー位相差計１７にて受光する。
【０００９】
この際、レーザー位相差計１７に一体又は別個に置かれたＣＣＤカメラ２１等のトロリー線位置センサーによってトロリー線８を見張り、スキャナ１９の回転角にフィードバックをかけ、動くトロリー線８にレーザー走査光２０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、ＣＣＤカメラ２１によりトロリー線８の偏位が測定できる。また、複数本のトロリー線高さ測定は、現在では最大４本であるが、スキャナ１９を次々と回転させて、図１に示すように上位ＣＰＵから何本目のトロリー線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ー線の高さが測定される。
【００１０】
そして、ＣＣＤモジュール７に何も受光していない時は、図５の（ａ）に示すようにレーザー走査光２０をスキャンしてサーチを開始する（この時、何本目のトロリー線かは設定しておく）。次いで、図５の（ｂ）に示すようにレーザー走査光２０がトロリー線８に当たった時からＣＣＤ出力が得られ、更に移動すると図５の（ｃ）と（ｄ）に示すようにパルス巾が最大巾から逆に狭くなって行く。この時のレーザー走査光の移動している方向は判っているので、逆方向に戻して最大巾にする。この際、トロリー線８の反射率が大きく変化しないことを条件とする。
【００１１】
次に、図６に示すように、レーザー走査光２０がロックされてトロリー線８が移動した場合、図の矢印で示すように右方向へ移動するとパルスは左側から狭くなって行くので、レーザー走査光２０を右方向に振ればパルス巾は広くなり追尾する。例えば、レーザー走査光２０のスキャン分解能を１ｍｍとし、ＣＣＤ受光センサのサンプル速度を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以下のトロリー線８の移動があれば、走行中や停止中に関係なくサーチできる。
【００１２】
図７は本発明測定方法に用いるレーザー変調式位相差計の概略構成を示すもので、測定部１は、後述する操作制御部５０の制御のもとにレーザー走査光２０を用いて、該測定部１から所定距離Ｄだけ離れた測定対象物であるトロリー線８の高さと変位ｄを測定する。
【００１３】
そして、図７に示すレーザー変調式位相差計の実施の態様を図８により説明すると、２２は発光源である半導体レーザー、２３は非球面鏡、２４はハーフミラーであって、非球面鏡２３とハーフミラー２４は半導体レーザー２２から発生するレーザー光の光路上に配置されている。２５はハーフミラー２４からの反射光の光路上に配置された第１のコリメートレンズ、２６ａと２６ｂは測定対象物であるトロリー線８の反射光路上に配置されたミラー、２７はミラー２６ａ，２６ｂの反射光路上に配置された第２のコリメートレンズであって、ミラー２６ａ，２６ｂと第２のコリメートレンズ２７間には干渉フイルター１２が配置されている。
【００１４】
２８は基準発振機を内蔵しアバランシェフオトダイオードを有する第１の光電変換器、２９はアバランシェフオトダイオードを有する第２の光電変換器であって、半導体レーザー２２、非球面鏡２３、ハーフミラー２４、第１のコリメートレンズ２５、ミラー２６ａ，２６ｂ、干渉フイルター１２、第２のコリメートレンズ２７及び光電変換器２８，２９は測定部１である光学系を構成している。３０は基準周波数発生器、３１はレーザー駆動器、３２はトリガパルス発生器である。３３ａは第１の光電変換器２８の出力信号を入力とする高速アンプ、３３ｂは第２の光電変換器２９の出力信号を入力とする自動ゲイン制御機能を有する高速アンプである。
【００１５】
そして、３４はトリガパルス発生器３２と高速アンプ３３ａの出力信号を入力とするサンプリングヘッド、３５はトリガパルス発生機３２と高速アンプ３３ｂの出力信号を入力とするダブルバランスミキサー、３６ａ，３６ｂは波形整形回路であって、これらのサンプリングヘッド３４、ダブルバランスミキサー３５及び波形整形回路３６ａ，３６ｂによって時間軸回路３７を構成している。
【００１６】
３８ａは波形整形回路３６ａの出力信号を入力とするレベルコンパレータ、３８ｂは波形整形回路３６ｂの出力信号を入力とするレベルコンパレータ、３９はレベルコンパレータ３８ａ，３８ｂの出力信号と基準周波数発生器３０の出力信号を入力とするゲート制御回路、４０はゲート制御回路３９の出力信号を入力として計数するカウンタであって、これらのレベルコンパレータ３８ａ，３８ｂ，ゲート制御回路３９及びカウンタ４０によって時間差測定回路４１が構成されており、また、基準周波数発生器３０、レーザー駆動器３１、トリガパルス発生器３２、時間軸回路３７、時間差測定回路４１及びマイクロプロセッサー４２によって操作制御部５０が構成されている。
【００１７】
以下に動作を説明する。半導体レーザー２から発生したレーザー光はハーフミラー２４を通してトロリー線８に照射されると共に、ハーフミラー２４により反射され、反射したレーザー光は第１のコリメートレンズ２５に集光されて、第１の光電変換器２８に入射される。トロリー線８からの反射レーザー光は、ミラー２６ａ，２６ｂによって反射されて、干渉フイルター１２を通して第２のコリメートレンズ２７に入射される。第２コリメートレンズ２７は反射レーザー光を集束して第２の光電変換器２９に導く。そして、第１及び第２の光電変換器２８，２９は反射レーザー光を反射光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。
【００１８】
基準周波数発生器３０は、基準周波数信号ｆ０をレーザー駆動器３１に入力し、周波数信号ｆ１をトリガパルス発生器３２に入力する。第１の光電変換器２８の出力信号は第１の高速アンプ３３ａにより増幅され、第２の光電変換器２９の出力信号は第２の高速アンプ３３ｂによって増幅される。サンプリングヘッド３４は第１の高速アンプ３３ａの出力信号とトリガパルス発生器３２のトリガパルス信号を入力として、第１の高速アンプ３３ａの出力信号をサンプリングし、ダブルバランスミキサー３５は第２の高速アンプ３３ｂの出力信号とトリガパルス発生器３２の出力信号を入力として、第２の高速アンプ３３ｂの出力信号とトリガパルス発生器３２の出力信号を合成する。
【００１９】
サンプリングヘッド３４のサンプリング信号は第１の波形整形回路３６ａによって、またダブルバランスミキサー３５の合成信号は第２の波形整形回路３６ｂによってそれぞれ波形整形され、図９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４１の第１のレベルコンパレータ３８ａは第１の波形整形回路３６ａ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３８ｂは第２の波形整形回路３６ｂの波形整形信号のレベルを基準レベルと比較する。
【００２０】
ゲート制御回路３９は、第１のレベルコンパレータ３８ａの偏差出力信号と第２のレベルコンパレータ３８ｂの偏差出力信号を入力として、基準周波数発生器３０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４０はゲート制御回路３９からのゲート信号を計数して、第１の光電変換器２８の出力信号、即ち、ハーフミラー２４からレーザー光が第１の光電変換器２８に入射する時間と、トロリー線８から反射し更にミラー２６ａ，２６ｂを介してレーザー光が第２の光電変換器２９に入射する時間との時間差信号を出力する。
【００２１】
マイクロプロセッサー４２は時間差信号の０点補正、光速補正及び平均化を実行して、測定点からトロリー線８までの高さであるデジタル及びアナログ距離信号を出力する。例えば、半導体レーザー２２を２９９７９ＭＨｚ（波長λ／２＝５ｍｍ）で変調し、平行ビームにした後、トロリー線８に放射する。トロリー線８の表面で乱反射した光の一部をミラー２６ａ，２６ｂ及び第２のコリメートレンズ２７で集光し、第２の光電変換器２９に入射する。乱反射の場合は受光系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の受光レンズと高感度の光電変換器をしようする。また、高性能の干渉フィルターによりＳ／Ｎ比を向上させる。
【００２２】
半導体レーザー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。検出信号をレーザー変調周波数より例えば２９９８ＫＨｚ（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、時間軸の拡大倍率には影響しない。サンプリングヘッドの出力はパルス列信号となるので、波形整形回路によって連続信号に変換する。
【００２３】
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、レベルコンパレータで各々のゼロクロス点を検出し、時間差を１４９８９ＭＨｚのクロッグでカウントする。時間軸が１００００倍に拡大されるので、１４９８９ＭＨｚの１カウントは、トロリー線の変位１ｍｍに対応する。そして、マイクロプロセッサによって０点補正、光軸補正、平均化等して精度を上げると、トロリー線の変位は平均化を３２回とすれば、分解能１ｍｍ、応答２０Ｈｚ程度で測定可能になる。
【００２４】
図９はサンプリングと△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の信号ｓ１を（ｆ０−△ｆ）Ｈｚの信号ｓ２のゼロクロス点でサンプリングすれば、ｆ０の信号は（ｆ０−△ｆ）Ｈｚの信号に時間軸拡大される。この図９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。レーザー光変調方式で基準光と反射光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。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は上記の如くであって、高周波変調されたレーザー光を平行スキャニングしてトロリー線にほぼ垂直に照射し、帰ってくるトロリー線からのレーザー乱反射光をレーザー位相差計に受光せしめ、車両進行方向と直角に変位するトロリー線の左右の動きをセンサーにより見張り、スキャナー角度を制御してトロリー線にレーザー光を照射し続け、非接触でトロリー線の高さを測定する方法であるから、経済的で高精度の高さ測定ができる。また、左右の動きを見張るセンサーによってトロリー線の偏位も測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の実施に用いる装置を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１に示す装置の基本構成図である。
【図３】図１に示す装置のＣＣＤモジュールの基本構成図である。
【図４】本発明方法を説明するための概略図である。
【図５】図１の装置の動作説明図である。
【図６】図１の装置の動作説明図である。
【図７】本発明方法に用いるレーザー位相差計の概念図である。
【図８】本発明方法に用いるレーザー位相差計の一例を示すブロックズ図である。
【図９】図８に示すレーザー位相差計の特性図である。
【図１０】従来のトロリー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は測定部
２は追尾制御部
３は操作制御部
４は走査駆動部
５は走査光学系
６は制御光学系
７はＣＣＤモジュール
８はトロリー線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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