JPH11183165A - 変位測定装置およびこの装置の光走査制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】広範囲にある光反射体への投射光の制御がで
き、また投光器側の位置ずれが生じても誤報しない変位
測定装置および光走査制御方法を提供する。 【解決手段】観測地点A1〜A3に設置される光反射体5(R1
〜R3) と、投光器21の光を光反射体５に２次元的に走査
しこの反射光42を受光器22に導く光走査・制御手段64
と，この手段64の光走査方向を指示する光走査方向指示
手段63と，光走査・制御手段64を操作し当該光反射体R1
から最大の反射光を受光したときの２次元走査角を計測
する走査角計測手段76,77 と，光の出射から受光までの
時間差から各光反射体５までの距離Ｌを計測する距離計
測手段８と，この光反射体５までの距離L1と走査角α1,
β1 とから投光器21または受光器22あるいは観測地点A1
に設置された１つの光反射体R1を基準とする各光反射体
との相対位置を求める演算手段91,92 を備える距離・受
光強度計測装置61,62 と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自然災害に
よって、山の斜面や人工的に作られた壁（以下、壁面と
略称する）などの崩壊が起こる前にその崩壊を検知する
監視方式に係わり、さらに詳しくは光を投射して光反射
体の設けられた観測地点までの距離を測定し、観測地点
の変位を求めて壁面の変位を測定する変位測定装置およ
びこの装置の光走査制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば地震や大雨などのような自然災害
による山崩れなどを事前に検知することは、公共的およ
び社会的意味をおいて極めて重要である。図７は壁面の
崩壊を事前に検知する変位測定装置の従来技術の一例を
説明する図である。図７において、変位測定装置が山崩
れなどを事前に検知する方法は、山の斜面が崩壊する事
前の兆候を２つの地点Ａ，Ｂ間の距離の変動により検知
しようとするものであり、光による２つの地点Ａ，Ｂ間
の距離計測が行われている。すなわち投光器１によって
投射された光が受光器２によって受光され、２つの地点
Ａ，Ｂ間の距離が測定される。この測定結果は例えばケ
ーブル３によって観測センターなどに通報される。この
距離計測を周期的に行うことにより２つの地点Ａ，Ｂ間
の距離の変動が算出され、壁面の崩壊の事前検知が可能
となる。

【０００３】しかしながら、この検知方法では投光器１
と受光器２の間に電源電力や制御信号を伝送するケーブ
ル４を布設する必要があり、このケーブル４を山の斜面
などに沿って固定するためにはコストも高くなり、また
ケーブル４のメンテナンスの面でも問題が多くなる。ま
た受光器２と観測センターとの間で電源電力や信号を送
るためのケーブル３についても、同様の問題点がある。

【０００４】さらに図７の変位測定装置では、２つの地
点Ａ，Ｂ間の距離のみしか測定することができず、山の
斜面の他の多くの地点との変位は検出できていない。す
なわち、多くの地点間での変位を検出するためには投光
器と受光器のセットを多数設置しなければならないと言
う問題がある。次に、図８、９は特開平7-159162「山腹
変位測定装置」に開示された壁面の崩壊を事前に検知す
る変位測定装置の他の従来技術を説明する図であり、上
述の問題を解決するために、光反射体を壁面の観測地点
に設置し、投光器と受光器を同じ位置に設置することに
より、投光器と山腹の受光器との間に電源電力や制御信
号を伝送するケーブル４の布設を不要化するものであ
る。

【０００５】図８において、開示された（山腹）変位測
定装置は、監視すべき壁面の１つ以上（以下、複数と略
称する）の観測地点に設置される光反射体R1〜R12 と、
投光器(21)からの投射光(41)を観測地点の内の１つの光
反射体R5に投射し, この光反射体R5からの反射光(42)を
受光部(22)で受光して, この観測地点の光反射体R5との
距離を計測する距離計測装置20と、この距離計測装置20
の投射光(41)を該当する観測地点の光反射体R5の方向に
制御する方向制御装置25と、全観測地点に設置される光
反射体R1〜R12 の位置を認識し, 方向制御装置25に対し
て該当する観測地点の光反射体R5の方向を指示する画像
認識および方向指示装置30から構成される。

【０００６】かかる構成により図９において、距離計測
装置20は、投光器21からの投射光41を壁面の複数の観測
地点に設置された光反射体(R1 〜R12)，例えばコーナー
リフレクタ51に向けて順次投射し、このコーナーリフレ
クタ51によって反射された反射光42を受光器22で受光し
て、各観測地点の光反射体(R1 〜R12)までの距離を信号
処理回路23によって演算・計測する。この演算・計測を
定期的に実施することにより計測された各観測地点の光
反射体(R1 〜R12)までの距離変化によって観測地点の変
動を求めることができる。

【０００７】さらに、この変位が予め定められた値を越
えたとき警報を表示する警報表示装置40を備えることに
より、壁面の崩壊兆候を事前に察知することができる。
また各観測点に設置された光反射体(R1 〜R12)のコーナ
ーリフレクタ51への投光方向の制御は、投光器21と受光
器22とを搭載した方向制御装置25を用いて行なう。この
方向制御は、赤外光投光部31からの赤外線照射が全観測
地点に設置された光反射体R1〜R12 の存在領域をカバー
し、赤外光受光部32は全ての光反射体R1〜R12 からの反
射光を受光できるように設定されており、この受光した
赤外光より画像認識および方向指示装置30が全観測地点
に設置された光反射体R1〜R12 の存在位置を画像認識
し、この認識結果を用いて投射光（例えばレーザ光）41
の投射方向の制御を行い、距離計測を行う当該光反射体
（R1〜R12 の内のいずれか）のコーナーリフレクタ51へ
レーザ光41が正しく投射されるように制御される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この様に、各観測地点
に光反射体を設置し、画像認識および方向指示装置で各
光反射体の位置を認識し、方向制御装置で距離測定装置
から投射される投射光が該当する光反射体の方向に制御
される変位測定装置には次に述べる課題がある。すなわ
ち、 (1) 投射光の投射方向をそれぞれの光反射体が設置さ
れた方向に正しく制御するために、画像認識装置は全観
測地点に設置された光反射体の全存在領域をカバーでき
る赤外線画像を得て、その画像の認識結果を用いて投射
光の投射方向を制御が必要がある。しかし、赤外線を広
範囲に広げて投射すると、光反射体からの受光レベルも
低下し、画像認識における光反射体からの受光レベルと
それ以外からの外来光との信号／雑音比(S/N比) も悪く
なり、認識能力，測定分解能が大きく低下し、レーザ光
を正しく方向設定することができない可能性がある。

【０００９】(2) また、壁面に設置された光反射体の
位置が変化していないにも関わらず、投光器側が何らか
の要因で位置ずれを生じたとき、投光器と光反射体の距
離が予め定められた値を越えると警報が誤報されると言
う問題がある。本発明は上記の点にかんがみてなされた
ものであり、その目的は前記した課題を解決して、壁面
の観測地点が広い範囲にわたっても各光反射体への投射
光の方向制御が正しくでき、また投光器側が何らかの要
因で位置ずれを生じたときでも誤報を発生しない変位測
定装置および光走査制御方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては、１つ以上の観測地点にそれぞれ
設置される光反射体と、この光反射体に光を投射し光反
射体によって反射される光を受光して各光反射体までの
距離を計測する距離・受光強度計測装置からなる変位測
定装置において、距離・受光強度計測装置は、投光器の
発光素子からの光を光反射体に２次元的に走査する投光
用光走査・制御手段と、この光反射体からの反射光を受
光器の受光素子に導く受光用光走査・制御手段と、この
投光用光走査・制御手段および受光用光走査・制御手段
（以下、光走査・制御手段と略称する）に光走査方向を
指示する光走査方向指示手段と、この光走査方向指示手
段で指示された方向に光走査・制御手段を操作し，当該
光反射体からの反射光を受光素子で受光したときの光走
査・制御手段の２次元の走査角を計測する走査角計測手
段と、光の出射から受光までの時間差から各光反射体ま
での距離を計測する距離計測手段と、この距離計測手段
による光反射体までの距離と光走査・制御手段による制
御計測された走査角とから，投光器または受光器を基準
とする各光反射体との相対位置を求める演算手段とを備
えるものとする。

【００１１】上記構成により、距離・受光強度計測装置
は、投光用光走査・制御手段の操作により、投光器の発
光素子からの光を該当する観測地点の光反射体に投射
し、この光反射体からの反射光を受光用光走査・制御手
段を操作して受光器の受光素子に導く。このときの光の
出射から受光までの時間差から、距離計測手段で当該光
反射体までの距離を計測し、また、光反射体からの反射
光を受光素子で受光したときの光走査・制御手段の２次
元の走査角度を走査角計測手段で計測することにより、
演算手段は、当該光反射体までの距離とこの走査角か
ら、投光器または受光器を基準とする当該光反射体との
３次元相対位置を求めることができる。この計測を観測
地点の全光反射体に対して実行することにより、投光器
または受光器を基準とする各光反射体との３次元相対位
置を求めることができる。

【００１２】また、３つ以上の観測地点にそれぞれ設置
される光反射体と、この光反射体に光を投射し光反射体
によって反射される光を受光して各光反射体までの距離
を計測する距離・受光強度計測装置からなる変位測定装
置において、距離・受光強度計測装置は、投光器の発光
素子からの光を光反射体に２次元的に走査する投光用光
走査・制御手段と、この光反射体からの反射光を受光器
の受光素子に導く受光用光走査・制御手段と、この投光
用光走査・制御手段および受光用光走査・制御手段（光
走査・制御手段）に光走査方向を指示する光走査方向指
示手段と、この光走査方向指示手段で指示された方向に
光走査・制御手段を操作し，当該光反射体からの反射光
を受光素子で受光したときの光走査・制御手段の２次元
の走査角を計測する走査角計測手段と、光の出射から受
光までの時間差から各光反射体までの距離を計測する距
離計測手段と、この距離計測手段による光反射体までの
距離と光走査・制御手段による制御計測された走査角と
から，予め定められた１つの光反射体を基準位置とする
各光反射体との相対位置を求める演算手段とを備えるも
のとする。

【００１３】上記構成により、距離・受光強度計測装置
は、投光用光走査・制御手段の操作により、投光器の発
光素子からの光を該当する観測地点の光反射体に投射
し、この光反射体からの反射光を受光用光走査・制御手
段を操作して受光器の受光素子に導く。このときの光の
出射から受光までの時間差から、距離計測手段で当該光
反射体までの距離を計測する。また、光反射体からの反
射光を受光素子で受光したときの投光用光走査・制御手
段および受光用光走査・制御手段の２次元の走査角度を
測定手段で測定することにより、演算手段は、当該光反
射体までの距離とこの走査角度から予め定められた１つ
の光反射体を基準位置とする当該光反射体との３次元相
対位置を求めることができる。この計測を観測地点の全
光反射体に対して実行することにより、基準位置の光反
射体を基準とする各光反射体との３次元相対位置を求め
ることができる。

【００１４】また、光反射体はコーナーリフレクタから
なるものとし、投光用光走査・制御手段と受光用光走査
・制御手段に同一の光走査・制御手段を用いるものとす
る。上記構成により、投光器から出射する投射光はコー
ナーリフレクタからなる光反射体によって反射され、こ
の反射光は同一光路を通過して戻る。従ってこの光路上
に光走査・制御手段を設置することにより、投光用およ
び受光用の光走査・制御を同時に行うことができる。

【００１５】また、光走査・制御手段に光走査用平面鏡
を用いることができる。さらに、投光器と受光器と光走
査・制御手段は、同一容器内に組み込むこともできる。
上記構成により、光走査鏡の角度を制御することによ
り、投射光を当該光反射体に向け、そして反射光を受光
器に向けて同時に導くことができる。また、同一容器に
投光器、受光器および光走査・制御手段を組み込むこと
により、距離・受光強度計測装置の設置場所の変動に対
しても、光学系を安定に構成することができる。

【００１６】また、光走査方向指示手段の指示により光
走査・制御手段を操作し、投光器からの光ビームの方向
を順次直交する２方向に僅かずつずらしながら、その時
々の光反射体からの反射光の受光量が最大となる走査位
置を光反射体の位置として決定するものとする。上記方
法により、光走査・制御手段を操作しながら、投光器か
らの光ビームを当該光反射体の方向に向けて、光反射体
からの反射光の受光量が最大となる掃引角度 (仰角, 方
位角) を決定し、このときの光走査・制御手段の掃引角
度から光反射体が存在する方向を決定することができ
る。また、２回目以降の計測時点では、前回の掃引角度
(仰角, 方位角) データをもとにし、この掃引角度から
光ビームの方向を順次直交する２方向に僅かずつずらし
ながら、その時々の光反射体からの反射光の受光量が最
大となる掃引角度 (仰角, 方位角) を決定し、この掃引
角度から光反射体が存在する方向を決定することができ
る。したがって、従来技術で述べたような赤外線による
画像認識は不要にすることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１、図２は本発明による一実施
例の変位測定装置の全体構成ブロック図、図３は一実施
例の変位測定装置の投光器、受光器の光学系を説明する
図、図４は距離・受光強度計測装置から観測地点に設置
されている光反射体までの距離の測定方法を説明する
図、図５は距離計測手段のブロック図、図６は光走査位
置（仰角・方位角）による受光器の受光特性を説明する
図であり、図７〜図９に対応する同一部材には同じ符号
が付してある。 〔実施形態１〕図１において、変位測定装置は、１つ以
上の観測地点（例えば図４に図示するA1,A2,A3）にそれ
ぞれ設置される光反射体(R1,R2,R3)（以下、光反射体一
般を表示するときは数字５を用い、観測地点に設置され
た個別の光反射体を区分表示するときはＲと数字を用い
る）と、この光反射体５に光を投射し、光反射体５によ
って反射される光を受光して各光反射体５までの距離を
計測する距離・受光強度計測装置61から構成される。

【００１８】距離・受光強度計測装置61は、投光器21の
発光素子からの光を光反射体５に向けて２次元的に走査
し、光反射体５からの反射光42を受光器22の受光素子に
導く光走査・制御手段64と、この光走査・制御手段64に
走査方向を指示する光走査方向指示手段63と、この光走
査方向指示手段63で指示された方向に光走査・制御手段
64を操作し、当該光反射体５からの反射光42を受光素子
で受光したときの光走査・制御手段64の２次元の走査角
α, βを計測する図３で後述する走査角計測手段(76,7
7) と、光の出射から受光までの時間差から各光反射体
５までの距離を計測する距離計測手段８と、この距離計
測手段８による光反射体５までの距離と光走査・制御手
段64による制御計測された走査角α, βとから、投光器
21または受光器22を基準とする各光反射体５との相対位
置を求める演算手段91から構成される。

【００１９】尚、上述の制御計測された走査角α, β
（図３参照）は、光走査方向指示手段63の指示により光
走査・制御手段64を操作し、投射光41が例えば観測地点
A1（以下、A1を代表とする）の光反射体R1に向けて投射
し、次に、この投射光41の方向を順次直交する２方向に
僅かずつずらしながらその時の光反射体R1からの反射光
42の受光量が最大となる走査位置を光反射体R1の位置と
して決定する。

【００２０】この光走査制御方法により、光走査・制御
手段64を操作しながら、投光器21からの光ビーム41を当
該光反射体R1の方向に向けて、光反射体R1からの反射光
42の受光量が最大となる掃引角度 (方位角α1,仰角β1)
を決定し、このときの光走査・制御手段64の掃引角度α
1,β1 から光反射体R1が存在する方向を決定することが
できる。また、２回目以降の計測時点では、前回の掃引
角度 (方位角α1,仰角β1)データをもとにし、この掃引
角度から光ビームの方向を順次直交する２方向に僅かず
つずらしながらその時々の光反射体からの反射光の受光
量が最大となる掃引角度 (方位角α1', 仰角β1') を決
定し、この掃引角度から光反射体R1' が存在する方向を
決定することができる。したがって、従来技術で述べた
ような赤外線による画像認識は不要にすることができ
る。

【００２１】かかる距離・受光強度計測装置61の構成お
よび光走査制御方法を用いることにより、距離・受光強
度計測装置61は、光走査・制御手段64を操作し、投光器
21の発光素子からの投射光41を観測地点A1の光反射体R1
に投射し、この光反射体R1からの反射光42を光走査・制
御手段64により受光器22の受光素子に導く。このときの
光の出射から受光までの時間差から、距離計測手段８で
当該光反射体R1までの距離L1を計測する。

【００２２】また、光反射体R1からの反射光42を受光素
子で受光したときの光走査・制御手段64の２次元の走査
角度 (方位角α1,仰角β1)を走査角計測手段66で計測す
ることにより、演算手段91は、当該光反射体R1までの距
離L1とこの走査角 (方位角α1,仰角β1)から、投光器21
または受光器22を基準とする当該光反射体R1との３次元
相対位置を求めることができる。この計測を観測地点の
全光反射体に対して実行することにより、投光器21また
は受光器22を基準とする各光反射体との３次元相対位置
を求めることができる。

【００２３】従来技術による計測方法では、距離計測装
置20から複数の観測地点に設置された光反射体Rn(n=1,
2, ・・n)に向けた光路方向の距離Lnのデータのみで壁
面の崩壊の判定を行っていたのが、本発明の変位測定装
置によれば、距離・受光強度計測装置61から観測地点に
設置された光反射体Rn(n=1,2, ・・) に向けた光路方向
の距離Lnのデータ以外に、例えばこの光路に直交する平
面方向のズレも観測でき、壁面崩壊の判定により有効な
情報を得ることができる。 〔実施形態２〕実施形態２による変位測定装置と実施形
態１による変位測定装置との相違点は、距離・受光強度
計測装置62に備えられる相対位置演算手段92の演算内容
が相違し、実施形態１の変位測定装置の演算手段91で
は、距離・受光強度計測装置61の投光器21または受光器
22を基準とする各光反射体５との３次元相対位置を求め
るのに対して、相対位置演算手段92では、予め定められ
た光反射体（例えばR1を基準位置とする他の光反射体Rn
(n=2,3, ・・n)との相対位置を求める点にある。即ち、
図２において、変位測定装置は、３つ以上の観測地点
（例えば図４に図示するA1,A2,A3）にそれぞれ設置され
る光反射体５(R1,R2,R3)と、この光反射体５に光を投射
し、光反射体５によって反射される光を受光して各光反
射体５までの距離を計測する距離・受光強度計測装置62
から構成される。

【００２４】距離・受光強度計測装置62は、投光器21の
発光素子からの光を光反射体５に２次元的に走査し、光
反射体５からの反射光42を受光器22の受光素子に導く光
走査・制御手段64と、この光走査・制御手段64に光走査
方向を指示する光走査方向指示手段63と、この光走査方
向指示手段63で指示された方向に光走査・制御手段64を
走査し、当該光反射体５からの反射光42を受光素子で受
光したときの光走査・制御手段64の２次元の走査角α,
βを計測する図３で後述する走査角計測手段(76,77)
と、光の出射から受光までの時間差から各光反射体５ま
での距離を計測する距離計測手段８と、この距離計測手
段８による光反射体５までの距離と光走査・制御手段64
による制御計測された走査角α, βとから、予め定めら
れた例えば光反射体R1を基準位置とする他の光反射体R
2,R3,・・Rnとの相対位置を求める演算手段92から構成
される。

【００２５】尚、ここで上述の制御計測された走査角
α, βは実施形態１で述べたと同様の方法により、光反
射体からの反射光の受光量が最大となる掃引角度 (方位
角α,仰角β) を決定し、この掃引角度から光反射体が
存在する方向を決定する。かかる距離・受光強度計測装
置62の構成および光走査制御方法を用いることにより、
距離・受光強度計測装置62は、投光用光走査・制御手段
64を操作し、投光器21の発光素子からの投射光41を観測
地点A1の光反射体R1に投射し、この光反射体R1からの反
射光42を受光用光走査・制御手段64を操作して受光器22
の受光素子に導く。このときの光の出射から受光までの
時間差から、距離計測手段８で当該光反射体R1までの距
離L1を計測する。

【００２６】また、光反射体R1からの反射光42を受光素
子で受光したときの受光量が最大となる掃引角度 (方位
角α1,仰角β1)を走査角計測手段76、77で計測すること
により、演算手段91は、当該光反射体R1までの距離L1と
この走査角 (方位角α1,仰角β1)から、投光器21または
受光器22を基準とする当該光反射体R1の３次元座標位置
を求める。同様に、この計測を観測地点の全光反射体R
2,R3,・・Rnに対して実行して、全光反射体R2,R3,・・R
nの３次元座標位置を求める。

【００２７】次に、予め定められた１つの光反射体、例
えば、光反射体R1を基準位置とし、この光反射体R1の３
次元座標位置と他の光反射体R2,R3,・・Rnの３次元座標
位置との差より、光反射体R1を基準位置とする他の光反
射体R2,R3,・・Rnの３次元相対位置を求めることができ
る。この３次元相対位置の周期的な観測により、壁面崩
壊の判定により有効な情報を得ることができる。特に、
実施形態２による変位測定装置では、各光反射体R1,R2,
R3, ・・Rnの３次元相対位置には、距離・受光強度計測
装置62の設置場所と無関係な値として検出できるので、
課題(2) で述べた「壁面に設置された光反射体の位置が
変化していないにも関わらず、投光器側が何らかの要因
で位置ずれを生じたとき、投光器と光反射体の距離が予
め定められた値を越えると警報が誤報される」と言う問
題も同時に解決できる。

【００２８】

【実施例１】以下、実施形態１を中心に本発明の変位測
定装置の一実施例を説明する。図１において、実施形態
１の変位測定装置は、大きく分けて１つ以上の観測地点
に設置される光反射体５と、距離・受光強度計測装置61
から構成される。距離・受光強度計測装置61は、例えば
レーザ光としての投射光41を投射する投光器21と、光反
射体５からの反射光42を受光する受光器22と、投射光41
の投射方向および受光器22へ入射する反射光の入射方向
を走査・制御する光走査・制御手段64と、投光器21から
レーザ光を投射してから受光器22で受光するまでの時間
を距離に換算する距離計測手段８と、各光反射体５から
の反射光強度が最大時の光走査・制御手段64における後
述する２枚の走査平面鏡73、74の走査角度（方位角α、
仰角β）を指示する走査方向指示装置(63)と、観測地点
の変位が予め定められた値を越えた時に警報を表示する
警報表示装置40から構成される。

【００２９】光反射体５は、一般に山腹面で変位を測定
すべき複数の観測点に設置されることになるが、その本
体は例えば互いに鉛直な３つの反射面から構成されてい
るコーナーリフレクタ51であり、土砂などによる汚れを
防ぐためのカバー52によってコーナーリフレクター51が
覆われた構造となる。次に、本発明の一実施例の変位測
定装置の投光器、受光器の光学系および光走査・制御手
段を説明する。図３において、投光器21によって投射さ
れる投射光41は、指向性の強いレーザ光が適している
が、指向性が良ければ光源として例えば発光ダイオード
(LED) などを用いることもできる。このレーザ光はビー
ム拡がり角が大きい（3m Rad程度) ので、コリメートレ
ンズ72で若干収束し、遠距離までほぼ一定のビーム径を
保つように平行光化する。

【００３０】次に、光走査・制御手段64は、例えば中心
軸を光走査の軸とし、お互いに直交して走査するように
組み合わされた２枚の平面状の方位走査用平面鏡73と、
仰角走査用平面鏡74と、この方位走査用平面鏡73と仰角
走査用平面鏡74の回転角度を駆動制御する駆動信号68、
69を出力する光走査部65と、方位走査用平面鏡75と仰角
走査用平面鏡76の回転角計測手段76、77から光走査角度
α, βを検出する光走査角検出部66と、この光走査角検
出部66で検出された走査角度α, βが光走査方向指示手
段63からの指令値と一致するよう制御する光走査角制御
部67と、から構成される。

【００３１】また、投光器21とコリメートレンズ72との
間に半透過鏡71を設置する。かかる構成によって、光反
射体５に向けて投射された投射光41は光反射体５のコー
ナーリフレクタ51によって反射され、反射光42として同
一光路を戻ってくる。この反射光42は、半透過鏡71で反
射して受光器22に入射する。この結果、投射光41の光反
射体５への投射と反射光42を受光器22で受光する方向制
御が１系統の光走査・制御手段64で行うことができ、投
射光41と反射光42との軸合わせが不要となる特徴を有す
る。

【００３２】また、光走査方向指示手段63は、投光器21
からの投射光41がそれぞれの観測地点に設置された光反
射体５に向け、また各々の光反射体５からの反射光42が
受光器22に正しく導かれるよう光走査方向の指示指令を
出力し、かつ、距離・受光強度計測装置61、62から出力
される各反射体５による受光強度が予め定められた閾値
を超過し、最大の受光強度が得られる光走査角度を検出
するように、距離・受光強度計測装置61（あるいは実施
形態２の距離・受光強度計測装置62）に組み込まれた走
査平面鏡73、74に方位角αと仰角βを指令する役割を担
う。

【００３３】次に、距離・受光強度計測装置61、62から
観測地点A1〜A3に設置されている光反射体R1〜R3までの
距離L1〜L3の測定方法を説明する。図４において、山腹
面の観測地点A1〜A3箇所に、例えばコーナーリフレクタ
51（R1〜R3）がそれぞれに設置され、このときの距離・
受光強度計測装置61または62の設置地点S₀から各観測地
点A1〜A3までの距離の初期値をL1〜L3とする。

【００３４】距離・受光強度計測装置61または62による
投射光41は、それぞれのコーナーリフレクター51（R1〜
R3）の方向を向くように距離・受光強度計測装置61また
は62の光走査方向指示手段63の指令値に従って光走査・
制御手段64に内蔵された光走査角制御部67によって指令
値と方位走査用平面鏡75と仰角走査用平面鏡76の走査角
度α, βが一致するように、順次制御される。

【００３５】この距離L1〜L3の計測は周期的に行われ
る。例えば次の週に計測を行った結果、観測地点S₀から
コーナーリフレクタR1〜R3までの距離が L1'〜L3' に変
化したとすれば、それぞれのコーナーリフレクタR1〜R3
が設置されている観測地点が図に示すようにそれぞれ A
1'〜 A3'に変化したことになる。各観測地点のこの変位
が予め定められた値を越えているか否かによって、警報
を出力すべきか否かの判断が行われる。

【００３６】図５は距離計測手段８の詳細説明図であ
る。距離計測手段８は、水晶発振器81と、分周回路82
と、ミキシング回路83と、ローパスフィルター回路(LP
F)84 と、位相差測定回路85と、から構成される。投光
器21からは、水晶発振器81の周波数f1の信号V1で振幅変
調された光が出射される。投光器21からコーナーリフレ
クタ51までの距離をｄとすると、往復で2dとなり、この
距離2d間を光が伝搬すると投射時の振幅変調の位相に対
して、受光器22では位相角φ=2π(2d/λ) 分だけ遅れた
信号V2が受光される。即ち、受光信号V2の波形は(1) 式
となる。

【００３７】

【数１】 この位相差φを正確に測定すれば、距離ｄを正確に計測
することができる。しかし、今、振幅変調周波数f1を5M
Hz、距離ｄを20m とし、光速度を2.99*10⁸m/sとする
と、受光器22の位相遅れはφ=240度が得られるが、実際
には変調周波数f1が5MHzと高いため高分解能で精度良く
測定することが非常に困難である。このため、ビートダ
ウンという手法を用いて、図５に図示する位相情報を変
化させずに周波数を低くして位相差を求める方法を採用
する。

【００３８】図５において、変調周波数f1(5MHz)に対し
て分周回路82で周波数f2(6.25kHz)に分周し、この分周
周波数f2だけ僅かにずらした周波数f3(5MHz+6.25KHz)の
信号V3と上記受光信号V2（周波数f1）とをミキシング回
路83でミキシングすることにより、ミキシング波形V4と
して (2)式を得る。

【００３９】

【数２】 この信号波形V4をローパスフィルター回路(LPF)84 を通
過させることにより、(2)式右辺の第２項の周波数f2の
成分の信号V5が得られる。この信号V5は位相遅れは同じ
であるが時間的に延びた形となる。この信号V5と上記分
周回路82で分周した周波数f2の信号V6との位相差を位相
差測定回路85で測定し、この位相差φに波長λを乗じた
値が往復の距離となり、その半分の値が投光器21からコ
ーナーリフレクタ51までの距離となる。なお、この方式
では、投光器21から出射された光が、光反射体５で反射
され受光されるまでの位相遅れが１波長に収まる必要が
ある。このため実際の測定においては、測定距離に対応
して変調周波数f1を切り換えて距離の計測をする。

【００４０】次に、測定分解能について述べる。変調周
波数を5MHzとすると、最大計測可能距離はλ/2相当の 3
0mとなり、位相測定分解能は１波長の4000分の１まで現
状の電子回路技術では測定できるので、7.5mm まで細分
化できる。なお、計測距離が長くても高精度で計るため
には、ノギスの原理を利用して、まず低周波で粗く距離
計測を行い、高周波でさらに細かく距離計測を行えば良
い。

【００４１】次に、光反射体５の方位角α, 仰角βの検
出方法を説明する。投光器21によって投射される投射光
41は、コリメートレンズ72で若干収束し、遠距離までほ
ぼ一定のビーム径を保つように平行ビーム化される。こ
の後に光走査角制御部67にの出力により、中心軸を走査
の軸としお互いに直交して走査するように組み合わされ
た２枚の走査用平面鏡73、74によって左右、上下に走査
される。このように平面鏡73、74を用いたときは、平面
鏡73、74の回転角の２倍が方位角α, 仰角βに相当す
る。

【００４２】走査用平面鏡73、74によって偏向走査され
た光ビームの断面での強度分布は、通常ガウシァン分布
をしており、図６に図示すように光ビーム中心の光強度
が最も強い。この光ビームがコーナリフレクタ51などの
光反射体５に入射すると、レーザビームの全面積のう
ち、入射した部分のみが反射される。この反射光42は、
投光方向と逆向きに進み、受光器22に受光される。光ビ
ームの方向を、順次直交する２方向に僅かにずらしなが
ら、その時々の受光器22に受光される光の量を記録す
る。このようにすることにより図６に図示するように、
受光量は少しずつ増大し、ピークを迎え、そして少しず
つ減少するのである。この光走査平面鏡73、74の方位角
αと仰角βに対する受光量の分布から、光強度が最大の
光走査角度α，βを求め、その光走査角度を光反射体５
が存在する位置とするので、単に反射光42の受光の有無
だけでなく、強度分布も観測できるので、高精度で光反
射体５の位置を求めることができる。

【００４３】

【実施例２】次に、実施形態２の本発明の変位測定装置
の実施例を説明する。図２において、 図１において、
実施形態１の変位測定装置は、大きく分けて異なる位置
の３ヵ所以上の観測地点に設置される光反射体５と、距
離・受光強度計測装置62とからなる。距離・受光強度計
測装置62と実施例１〜実施例４で述べた距離・受光強度
計測装置61との相違点は、相対位置演算手段92と演算手
段91との演算内容の違である。以下、相対位置演算手段
92について説明する。

【００４４】図４において、山腹面の３ヵ所A1〜A3にそ
れぞれ、例えばコーナーリフレクタ(51)R1〜R3が設置さ
れ、距離・受光強度計測装置62の設置地点S₀から各観測
地点A1〜A3までの距離の初期値をL1〜L3，方位角の初期
値をα1 〜α3, 仰角の初期値がβ1 〜β3 とする。距
離・受光強度計測装置62による投射光41は、それぞれの
コーナーリフレクター(51)R1〜R3の方向を向くように距
離・受光強度計測装置62に内蔵された光走査角制御部67
によって順次制御される。距離の測定は周期的に行わ
れ、例えば次の週に測定を行った結果、地点S₀からコー
ナーリフレクタR1〜R3までの距離が L1'〜 L3'、方位角
がα1'〜α3'、仰角がβ1'〜β3'に変化しとすれば、そ
れぞれのコーナーリフレクタ51が設置されている観測地
点が図４に図示すようにそれぞれ A1'〜A3' に変化した
ことになる。

【００４５】以下ここでは、観測地点A1〜A3に設置され
たコーナーリフレクタR1〜R3の位置を距離・受光強度計
測装置62からの球座標系で表現するより、理解が容易な
直交座標系にて説明する。今、原点を距離・受光強度計
測装62とすると、各コーナリフレクタの初期位置は表１
の初期値欄のR1,R2,R3で示されるX,Y,Z の値で表され
る。

【００４６】次に、距離／受光強度強度計測装置(60)
が、例えば車などの衝突・接触により、 (ΔX,ΔY,ΔZ)
だけ移動したとすると、表１の右側の移動後の値欄のR
1,R2,R3で示されるX,Y,Z の値で表される。この場合、
各コーナリフレクタ51と距離・受光強度強度計測装置62
の間の距離、方位角、仰角のみを監視していると、あた
かも各コーナリフレクタ51が変位したかのように判断
し、誤報を発する、と言う問題が発生する。

【００４７】

【表１】 この種の問題は、例えばコーナリフレクタR1を基準とし
て、コーナリフレクタR2，R3の位置を求めることにより
解決できる。

【００４８】

【表２】 このように、コーナリフレクタR1を基準として、他の２
個のコーナリフレクタR2,R3 の位置を算出することによ
り、壁面のみの変位を検出することが可能となる。この
ようにして、基準以外のコーナリフレクタ51(R2,R3) が
設置された各観測地点A2,A3 の変位が予め設定された値
を越えているか否かによって、警報を出力すべきか否か
の判断を行うことができる。

【００４９】

【発明の効果】以上述べたように本発明の構成によれ
ば、光走査・制御手段を操作し、投光器からの光ビーム
の方向を順次直交する２方向に僅かずつずらしながらそ
の時々の光反射体からの反射光の受光量が最大となる走
査位置を光反射体の位置として決定することにより、壁
面の観測地点が広い範囲にわたっても各光反射体への投
射光の方向制御が正しくできる。

【００５０】また、上記決定された光走査・制御手段の
２次元の走査角度を計測することにより、相対位置演算
手段は、ある１つの光反射体を基準とし、他の光反射体
との３次元相対位置を求めることができる。この結果、
投光器側が何らかの要因で位置ずれを生じたときでも誤
報を発生しない変位測定装置および光走査制御方法を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例の変位測定装置の全体構
成ブロック図

【図２】本発明による他の実施例の変位測定装置の全体
構成ブロック図

【図３】一実施例の変位測定装置の投光器、受光器の光
学系を説明する図

【図４】距離・受光強度計測装置から観測地点に設置さ
れている光反射体までの距離の測定方法を説明する図

【図５】距離計測手段のブロック図

【図６】光走査位置（仰角・方位角）による受光器の受
光特性を説明する図

【図７】従来技術による壁面の崩壊を検知する対向型変
位測定装置を説明する図

【図８】従来技術による壁面の崩壊を検知する反射型変
位測定装置を説明する図

【図９】従来技術による反射型変位測定装置のブロック
構成図

【符号の説明】

１,21 投光器 ２,22 受光器 20 距離計測装置 23 信号処理回路 25 方向制御装置 26 制御回路 27 駆動機構 ３、４ ケーブル 30 画像認識および方向指示装置 31 赤外光投光部 32 赤外光受光部 33 画像認識回路 40 警報表示装置 44 距離出力信号 45 警報信号 ５ 光反射体 51 コーナーリフレクタ 52 カバー 61,62 距離・受光強度計測装置 63 走行方向指示手段 64 光走査・制御手段 65 光走査部 66 光走査角検出部 67 光走査角制御部 68,69 駆動信号 71 半透過鏡 72 コリメートレンズ 73 方位角走査用平面鏡 74 仰角走査用平面鏡 ８ 距離計測手段 81 水晶発振器 82 分周回路 83 ミキシング回路 84 ローパスフィルター回路 85 位相差測定回路 91 演算手段 92 相対位置演算手段 93,94 変位情報 95 走査角情報 Ｌ,L1,L2,L3,・L1',L2',L3',・ 距離 A1,A2,A3・A1',A2',A3・ 観測地点 S₀ 距離・受光強度計測装置設置点 R1,R2,R3・・ 光反射体 α 方位角 β 仰角

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１つ以上の観測地点にそれぞれ設置される
   光反射体と、この光反射体に光を投射し光反射体によっ
   て反射される光を受光して各光反射体までの距離を計測
   する距離・受光強度計測装置からなる変位測定装置にお
   いて、 距離・受光強度計測装置は、 投光器の発光素子からの光を光反射体に２次元的に走査
   する投光用光走査・制御手段と、この光反射体からの反
   射光を受光器の受光素子に導く受光用光走査・制御手段
   と、この投光用光走査・制御手段および受光用光走査・
   制御手段（以下、光走査・制御手段と略称する）に光走
   査方向を指示する光走査方向指示手段と、この光走査方
   向指示手段で指示された方向に光走査・制御手段を操作
   し，当該光反射体からの反射光を受光素子で受光したと
   きの光走査・制御手段の２次元の走査角を計測する走査
   角計測手段と、光の出射から受光までの時間差から各光
   反射体までの距離を計測する距離計測手段と、この距離
   計測手段による光反射体までの距離と光走査・制御手段
   による制御計測された走査角とから，投光器または受光
   器を基準とする各光反射体との相対位置を求める演算手
   段とを備えることを特徴とする変位測定装置。
2. 【請求項２】３つ以上の観測地点にそれぞれ設置される
   光反射体と、この光反射体に光を投射し光反射体によっ
   て反射される光を受光して各光反射体までの距離を計測
   する距離・受光強度計測装置からなる変位測定装置にお
   いて、 距離・受光強度計測装置は、 投光器の発光素子からの光を光反射体に２次元的に走査
   する投光用光走査・制御手段と、この光反射体からの反
   射光を受光器の受光素子に導く受光用光走査・制御手段
   と、この投光用光走査・制御手段および受光用光走査・
   制御手段（光走査・制御手段）に光走査方向を指示する
   光走査方向指示手段と、この光走査方向指示手段で指示
   された方向に光走査・制御手段を操作し，当該光反射体
   からの反射光を受光素子で受光したときの光走査・制御
   手段の２次元の走査角を計測する走査角計測手段と、光
   の出射から受光までの時間差から各光反射体までの距離
   を計測する距離計測手段と、この距離計測手段による光
   反射体までの距離と光走査・制御手段による制御計測さ
   れた走査角とから，予め定められた１つの光反射体を基
   準位置とする各光反射体との相対位置を求める演算手段
   とを備えることを特徴とする変位測定装置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の変位測定
   装置において、光反射体はコーナーリフレクタからなる
   ことを特徴とする変位測定装置。
4. 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかの項に
   記載の変位測定装置において、投光用光走査・制御手段
   と受光用光走査・制御手段は、同一の光走査・制御手段
   を用いることを特徴とする変位測定装置。
5. 【請求項５】請求項４に記載の変位測定装置において、
   光走査・制御手段に光走査用平面鏡を用いることを特徴
   とする変位測定装置。
6. 【請求項６】請求項１ないし請求項５のいずれかの項に
   記載の変位測定装置において、投光器と受光器と光走査
   ・制御手段は、同一容器内に組み込むことを特徴とする
   変位測定装置。
7. 【請求項７】請求項１ないし請求項６のいずれかの項に
   記載の変位測定装置において、光走査方向指示手段の指
   示により光走査・制御手段を操作し、投光器からの光ビ
   ームの方向を順次直交する２方向に僅かずつずらしなが
   ら、その時々の光反射体からの反射光の受光量が最大と
   なる走査位置を光反射体の位置として決定することを特
   徴とする光走査制御方法。