JP6678907B2 - 散乱体中における測定対象物の距離計測方法、及びその距離計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、散乱体を含む空間内に存在する測定対象物までの距離を計測する方法、及びその距離計測装置に関する。

従来より、ある空間内に存在する測定対象物までの距離（例えば、配管の内壁面において対面する位置に存在する測定対象物までの距離）を計測する手法としては、例えば、レーザ光等の光を用いた三角測量法に基づく距離計測などが挙げられる。
しかし、そのレーザ光等の光を用いた三角測量法に基づく距離計測においては、測定対象物の測定面までの空間（雰囲気）が散乱体で満たされている、すなわち散乱体が多く含まれている空間の場合、レーザ光が伝搬するに連れてその強度が減衰し、測定対象物の測定面まで届かない、もしくは散乱体の時間・空間的な揺らぎにより散発的にしか測定対象物の測定面まで到達できない場合が多い。

そのため、これまでは、ミリ波等の電波を測定対象物に向けて送信する直接的な手法や、配管の上流及び下流における圧力の差を検出することによる間接的な手法が用いられている。
このように、測定対象物の測定面までの距離を測定する技術としては、特許文献１、２に開示されている。

特許文献１は、電波（マイクロ波・ミリ波等）を用いた、ダスト環境下での測定対象物の測定面までの距離を測定する技術を開示している。
具体的には、特許文献１は、装炭車の受炭ホッパーから給炭装置により石炭投入シュートに送られ、前記石炭投入シュートを通じてコークス炉内に供給された石炭の表面に、ミリ波またはマイクロ波を送信し、石炭の表面で反射されたミリ波またはマイクロ波の反射波を受信して装炭レベルを測定するために、装炭車の内部に設置される装置であって、マイクロ波またはミリ波の送受信手段と、石炭投入シュートの天井面の開口とを、ガイドパイプで連結するとともに、少なくとも測定時に前記ガイドパイプ内にパージ用ガスを供給する技術を開示する。

また、特許文献２は、測定対象の煙道配管部位の上流・下流側の差圧を検出することにより、配管内の閉塞状況を監視する技術を開示している。
具体的には、特許文献２は、廃棄物を処理する溶融炉にて発生する排気を排ガスブロワ等の吸引手段により吸引して溶融炉内を負圧状態にし、排気処理装置に導く煙道配管であって、煙道配管内における溶融炉出口付近の上流側とフィルター付近の下流側との差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段が検出する差圧が所定値に達すると異常を示す警報手段とを備え、これら手段にて配管内の閉塞状況を監視する技術を開示する。

特開２０１５−１７２１８４号公報 特開２００７−２６３５１４号公報

ところで、塵埃など散乱体を含む空気が流通する配管内の閉塞状況・塵埃の付着状態の監視などの事例に関しては、配管における上流及び下流の圧力の差を検出することによる間接的な監視手法（例えば、特許文献２など）を用いることが多かった。
しかしながら、特許文献２のような間接的な監視手法を用いた場合、堆積物の測定距離の精度が十分に得られないばかりか、配管内の時々刻々と変化する状況（閉塞過程や、塵埃の付着の進捗など）が分かり難いという問題があった。

特許文献２のような間接的な監視手法により、配管における上流及び下流の圧力の差が検出されるということは、配管が閉塞してしまったという状況、つまり配管内が危険な状況となったことを教示するのみである。それ故、この手法を採用した場合、配管が閉塞状態に陥りつつある中途段階を検出し、この配管が閉塞しないように、その配管内に付着した堆積物を除去するといった対応策を採ることができないので、操業停止といった実操業に大きな影響を与える虞がある。

すなわち、配管が閉塞しないような対応策を採るにあたっては、配管が閉塞してゆく過程、すなわち配管内に付着した塵埃の成長する度合いを、確実に知る必要がある。
また、マイクロ波・ミリ波等の電波を用いる手法（例えば、特許文献１など）も、散乱体が多く含まれている空間の場合、測定対象物の測定面まで届かないので、堆積物の測定距離の精度が十分に得られないと考えられる。この電波を用いる手法は、デバイスコストが高く、簡易な方法とは言えないので、実際には採用しづらいものである。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、塵埃等の散乱体が存在する環境下においても、測定対象物までの距離を正確で且つ、簡便に計測することができる散乱体中における測定対象物の距離計測方法、及びその距離計測装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかる散乱体中における測定対象物の距離計測方法は、散乱体を含む空間内に存在する測定対象物に向けて光を照射する光照射手段と、前記測定対象物で反射した反射光を受光する受光手段とを備えておき、前記受光手段で得られた前記反射光の受光強度情
報に基づいて、三角測量法で前記散乱体を含む空間内に存在する前記測定対象物の測定距離の算出を行うものであって、前記光照射手段より照射される光は、１又は複数のポイントレーザ光であり、前記ポイントレーザ光の光軸に沿う方向の反射光の輝度プロファイルを算出し、算出した輝度プロファイルのうち、輝度が急峻に変化するプロファイルのみを選び出すことを特徴とする。

本発明にかかる散乱体中における測定対象物の距離計測装置は、散乱体を含む空間内に存在する測定対象物に向けて光を照射する光照射手段と、前記測定対象物で反射した反射光を受光する受光手段と、前記受光手段で得られた前記反射光の受光強度情報に基づいて、三角測量法で前記散乱体を含む空間内に存在する前記測定対象の測定距離の算出を行う測定距離算出手段と、を備えるものであって、前記光照射手段より照射される光は、１又は複数のポイントレーザ光であり、前記測定距離算出手段においては、前記ポイントレーザ光の光軸に沿う方向の反射光の輝度プロファイルを算出し、算出した輝度プロファイルのうち、輝度が急峻に変化するプロファイルのみを選び出すことを特徴とする。

本発明によれば、塵埃等の散乱体が存在する環境下においても、測定対象物までの距離を正確で且つ、簡便に計測することが可能となる。

本発明の散乱体中における測定対象物の距離計測方法の概略を模式的に示した図である。 １つのポイントレーザ光を用いて撮像した、配管内状況の変動の画像を模式的に示した図である。 ライン光（複数のポイントレーザ光をライン状に並べたもの）を用いて撮像した、配管内状況の変動の画像を模式的に示した図である。

以下、本発明にかかる散乱体中における測定対象物の距離計測方法、及びその距離計測装置の実施形態を、図を参照して説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。従って、本発明の技術的範囲は、本実施形態に開示内容だけに限定されるものではない。すなわち、権利対象・範囲を限定するものではない。

例えば、散乱体Ｃを含む空間５については、様々なものがあるが、本実施形態では、塵埃等の散乱体Ｃが含まれる空気（例えば、焼却処理後に発生する排気ガスなど）が流通する配管を例に挙げて、説明する。また、空間５内に存在する測定対象物Ｄについては、塵埃が配管５の内壁に堆積した堆積物とする。
以下に、塵埃等の散乱体Ｃを含む配管５中の時々刻々変化する堆積物Ｄの状況を監視する事例にしたがって、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明にかかる散乱体Ｃ中における測定対象物Ｄの距離計測装置１は、散乱体Ｃを含む空間５内に存在する堆積物Ｄに向けて光７を照射する光照射手段３と、その堆積物Ｄで反射した反射光８を受光する受光手段２と、受光手段２で得られた反射光８の受光強度情報に基づいて、三角測量法で散乱体Ｃを含む空間５内に存在する堆積物Ｄの測定距離の算出を行う測定距離算出手段と、を備えている。

なお、本実施形態においては、光照射手段３に点レーザ光７を発射するレーザ光源（レーザポインタ）を採用し、受光手段２に２次元（エリア）の撮像カメラを採用することとしている。
光照射手段３より照射される光７は、空間的なパターンを有する光である。この空間的なパターンを有する光７は、所定の形状のパターンで照射され、且つ一方向に沿うように構造化された光（structured light）である。より具体的には、空間的なパターンとは、空間５内の全ての領域に均一に照射される光ではなく、「一筋の光」のような点レーザ光７であったり、点レーザ光７を空間５内の一方向に沿うように並べて照射したライン光７（擬似的なライン光）であったり、空間５内に格子状に照射されるポイント光７が該当する。

点レーザ光７を用いて、散乱体Ｃ中における堆積物Ｄの距離を計測する例を実施例１とし、ライン光７（擬似的なライン光）を用いて、散乱体Ｃ中における堆積物Ｄの距離を計測する例を実施例２とする。
［実施例１］
図１に示すように、配管５近傍の所定の位置に、その内部における空気の流通状況や、内壁面に付着し堆積しつつある堆積物Ｄの状況を観察する、ポート６（開口部）が設置されている。そのポート６には、センサ筐体４が設置されている。

このセンサ筐体４は、内部が空洞とされた箱体であって、その内部に、レーザポインタ（光照射手段３）と２次元の撮像カメラ（受光手段２）とが収容されている。なお、粉塵対策のため、センサ筐体４はエアパージされていることが望ましい。また、エアが使えない場合は、窒素等でパージされていることが望ましい。
レーザポインタ３は、例えば、100mW以上の高出力で且つ、出力調整機能を有していることが望ましい。また、ポイントレーザ光７の波長は、ダスト粒径より長波長であることが望ましい。

撮像カメラ２には、測定距離算出手段が接続されていて、その手段に反射光８の受光強度情報を伝達する。
なお場合によっては、光照射手段３に赤外光を照射する装置を採用し、受光手段２に赤外カメラを採用してもよい。
図２に示すように、撮像カメラ２で撮像される画像は、配管５内の状況の変動（ダスト量の多寡）により異なるが、大別して３つの画像パターンとなる。

画像１は、ダストがほとんど含まれないクリーンな空気が配管５内を流通している状況において、堆積物Ｄの測定面、つまり配管５内部の対面する位置に付着し堆積した堆積物Ｄの表面に向けてポイントレーザ光７を照射した状況を撮像した画像の例であり、反射光８の輝度（受光強度）プロファイルの位置x₀において急峻に輝度が上昇する。
すなわち、空気中のダストがない状況では、レーザポインタ３から照射されたレーザ光７は、乱反射しないので、一点の光が観測されるようになる。この一点の光７（図１における画像１のＢ点）は、照射されたポイントレーザ光７が堆積物Ｄに達した位置である。図１の画像１の状況では、照射位置Ｂが正確に示されることとなり、堆積物Ｄまでの測定距離を精度よく算出することができる。

画像２は、配管５内を流通する空気中のダストの量がやや多いものの、照射されたポイントレーザ光７が堆積物Ｄの測定面に届いた場合の画像の例であり、反射光８の輝度（受光強度）プロファイルの位置x₀において急峻に輝度が低下する。
すなわち、空気中のダストの量がやや多い状況では、レーザポインタ３から照射されたポイントレーザ光７が空気中のダストで乱反射し、一筋の光が観測されるようになる。この一筋の光の先端（図２における画像２のＢ点）は、照射されたポイントレーザ光７が堆積物Ｄに達した位置である。図２の画像２の状況では、照射位置Ｂが正確に示されることとなり、堆積物Ｄまでの測定距離を精度よく算出することができる。

一方、画像３は、配管５内を流通する空気中のダストの量が非常に多い状況において、レーザポインタ３から照射されたポイントレーザ光７が空気中に浮遊するダストで乱反射し、一筋の光が観測されるようになる。ただし、ダストの量が非常に多いため、照射されたポイントレーザ光７が堆積物Ｄの測定面に届かずに散乱してしまっている。この画像３は、画像１、画像２のような急峻な輝度の変化を伴うことなく、すなわち瞬間的に変化することなく、輝度が徐々に（例えば傾きαで）低下する。

すなわち、空気中のダストの量が非常に多い状況では、ポイントレーザ光７が散乱体Ｃで散乱してしまって、堆積物Ｄの測定面に届かなくなるので、照射位置Ｂが誤った位置情報、照射位置Ｂ’と示される可能性があり、堆積物Ｄまでの測定距離の精度が低いものとなる虞がある。
続いて、上記した複数の画像から堆積物Ｄまでの測定距離を算出する手順、すなわち、Ｂ点を求めた上で堆積物Ｄまでの距離を算出する手順、測定距離算出手段の算出工程について説明する。

まず、各画像内に、ポイントレーザ光７の光軸に沿う方向をｘ軸として、その反射光８の輝度プロファイルを算出する（図２中の実線）。
次いで、各画像に対応する反射光８の輝度プロファイルの傾きαを見て、減衰のないもの、傾きαの大きいもの、すなわち、位置x₀において輝度が急峻に変化するプロファイルのみを選び出す。言い換えれば、堆積物Ｄを示すＢ点に達したものだけを選び出す（例えば、画像１、画像２など）。

一方、画像３のように、輝度が徐々に変化する、すなわち一定の角度を有する傾きαの場合に示される堆積物Ｄまでの測定距離は、求める測定距離（Ｂ点）ではない。すなわち、画像３のＢ’点は、ポイントレーザ光７が散乱体Ｃで散乱してしまって堆積物Ｄまで届いていないことを示すものであり、誤ったものである。それ故、画像３の輝度プロファイルは、除外する。

上記のようにして選び出した、画像１、画像２に対応する反射光８の輝度プロファイルを用いて、三角測量法で堆積物Ｄまでの測定距離を求める。求めた測定距離を、例えば平均をとって記録しておく。
また、以下のように、堆積物Ｄまでの測定距離を求めてもよい。
各画像における反射光８の輝度プロファイルの差分を求め（図２中の破線）、その差分波形ピークが輝度の閾値を超えたものだけを、測定結果として記録する。

例えば、画像２と画像３の場合は、上記の処理により区別されることとなり、画像２だけを抽出することができる。
上記手法で検出されたデータの中から、測定データの時間推移情報を用いて、三角測量法で、確からしい堆積物Ｄまでの測定距離を算出する。その測定結果のヒストグラムを作成してもよい。

なお、堆積物Ｄがない状況の配管５の内壁面に、ポイントレーザ光７を照射し（図１中の照射位置Ａ参照）、それを撮像カメラ２で撮像し、その画像を用いて測定距離算出手段にて配管５の内壁面までの距離、つまり基礎となる測定距離を、予め導出しておいて、上記手法で算出した確からしい堆積物Ｄまでの測定距離と、その基礎となる測定距離を用いて、堆積物Ｄの厚みΔｚ（照射位置Ａ、Ｂの差）を導出することも可能である。
［実施例２］
以下に、光照射手段３より照射される光７を、ライン光（複数のポイントレーザ光７を一列に並べた擬似的なライン光）とした場合の、散乱体Ｃ中における堆積物Ｄの距離を計測する例について、説明する。

なお、実施例２における他の装置構成については、実施例１で述べた構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。
図３に示すように、ライン光を用いた場合、配管５内の状況の変動（ダスト量の多寡）により異なるが、大別して３つのパターンの画像が得られる。
画像４は、ダストがほとんど含まれないクリーンな空気が配管５内を流通している状況において、堆積物Ｄの測定面に向けてライン光を照射した状況を撮像した画像の例であり、実施例１と同様に、照射位置Ｂが正確に示されることとなり、堆積物Ｄまでの測定距離を精度よく算出することができる。

画像５は、配管５内を流通する空気中のダストの量が少ない状況乃至はやや多い状況において、照射されたライン光が堆積物Ｄの測定面に届いた場合の画像の例であり、実施例１と同様に、照射位置Ｂが正確に示されることとなり、堆積物Ｄまでの測定距離を精度よく算出することができる。このとき、レーザポインタ３から照射されたライン光７が空気中のダストで乱反射し、帯状の光が観測されるようになる。この帯状の光の先端（図３における画像５のＢ点）は、照射された帯状のライン光７が堆積物Ｄに達した位置となる。

一方、画像６は、配管５内を流通する空気中のダストの量が多い状況において、照射されたライン光７の一部が堆積物Ｄの測定面に届かずに散乱してしまった画像の例であり、レーザポインタ３から照射されたライン光７が空気中のダストで乱反射し、帯状の光が観測されるようになる。この帯状のライン光７の一部は堆積物Ｄに達するものの（図３の画像６のＢ）、他の一部は、ダストによる散乱が激しく他の一部の光７は減衰し、堆積物Ｄの測定面に届かない（図３の画像６のＢ’）ここで、照射位置Ｂが誤った位置情報、照射位置Ｂ’と示される可能性があり、堆積物Ｄまでの測定距離の精度が低いものとなる虞がある。

画像５の場合、各行（ｙ座標）毎に実施例１と同様な処理を行い、Ｂ点の画像上の位置から、堆積物Ｄまでの測定距離を求め、求めた複数の測定距離の平均値や最大値等を代表させることで、堆積物Ｄまでの測定距離を算出することが可能となる。
画像６の場合、各行（ｙ座標）毎にライン光の光軸に沿う方向をｘ軸とし、ライン光の光軸に直交する方向をｙ軸として、その反射光８の輝度プロファイルを算出する。

次いで、各画像に対応する反射光８の輝度プロファイルの傾きαを見て、減衰のないもの、傾きαの大きいもの、すなわち、位置x₀において輝度が急峻に変化するプロファイルのみを選び出す。言い換えれば、堆積物Ｄを示すＢ点に達したものだけを選び出す（例えば、画像４、画像５など）。
一方、画像６のように、輝度が徐々に変化する、すなわち一定の角度を有する傾きαを含む場合、その傾きαにより示される堆積物Ｄまでの測定距離は、求める測定距離（Ｂ点）ではない。すなわち、画像６のＢ’点は、ライン光７が散乱体Ｃで散乱してしまって堆積物Ｄまで届いていないことを示すものであり、誤ったものである。それ故、画像６の輝度プロファイルは、除外する。

上記のようにして選び出した、画像４、画像５に対応する反射光８の輝度プロファイルを用いて、三角測量法で堆積物Ｄまでの測定距離を求める。求めた測定距離を、例えば平均をとって記録しておく。
また、以下のように、堆積物Ｄまでの測定距離を求めてもよい。
各画像における反射光８の輝度プロファイルの差分を求め、その差分波形ピークが輝度の閾値を超えたものだけを、測定結果として記録する。

例えば、画像５と画像６の場合は、上記の処理により区別されることとなり、画像５だけを抽出することができる。
上記手法で検出されたデータの中から、測定データの時間推移情報を用いて、三角測量法で、確からしい堆積物Ｄまでの測定距離を算出する。
以上より、本発明を用いることで、塵埃等の散乱体Ｃが存在する環境下においても、堆積物Ｄまでの測定距離を、簡便で且つ精度よく算出することができるので、配管５内の時々刻々変化する状況（塵埃の堆積の進捗など）を正確に把握することができる。また、本発明の装置構成は、光照射手段３（レーザポインタ）と、受光手段２（撮像カメラ）と、測定距離算出手段といった簡易な構成であるので、デバイスコストを抑えることができる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 距離計測装置
２ 受光手段（カメラ）
３ 照射手段（レーザポインタ）
４ センサ筐体
５ 配管（空間）
６ ポート
７ レーザ光（ポイントレーザ光、ライン光）
８ 反射光
Ｃ 散乱体（塵埃等）
Ｄ 測定対象物（堆積物）

Claims (2)

1. 散乱体を含む空間内に存在する測定対象物に向けて光を照射する光照射手段と、前記測定対象物で反射した反射光を受光する受光手段とを備えておき、
   前記受光手段で得られた前記反射光の受光強度情報に基づいて、三角測量法で前記散乱体を含む空間内に存在する前記測定対象物の測定距離の算出を行うものであって、
   前記光照射手段より照射される光は、１又は複数のポイントレーザ光であり、
   前記ポイントレーザ光の光軸に沿う方向の反射光の輝度プロファイルを算出し、算出した輝度プロファイルのうち、輝度が急峻に変化するプロファイルのみを選び出す
   ことを特徴とする散乱体中における測定対象物の距離計測方法。
2. 散乱体を含む空間内に存在する測定対象物に向けて光を照射する光照射手段と、
   前記測定対象物で反射した反射光を受光する受光手段と、
   前記受光手段で得られた前記反射光の受光強度情報に基づいて、三角測量法で前記散乱体を含む空間内に存在する前記測定対象の測定距離の算出を行う測定距離算出手段と、を備えるものであって、
   前記光照射手段より照射される光は、１又は複数のポイントレーザ光であり、
   前記測定距離算出手段においては、前記ポイントレーザ光の光軸に沿う方向の反射光の輝度プロファイルを算出し、算出した輝度プロファイルのうち、輝度が急峻に変化するプロファイルのみを選び出す
   ことを特徴とする散乱体中における測定対象物の距離計測装置。