JP3610446B2 - トロリ線の高さ・偏位測定方法 - Google Patents
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Description
【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
Claims (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。
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