JPS61266911A - 光フアイバジヤイロを用いた測量装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は光ファイバジャイロと光加速度計を用いた測量
装置に関する。

（発明の背景） 従来用いられている各種測量法のうち多角測量、三角測
量は比較的に良く用いられる測量法である。

これらの測量にはトランシット　（セオドライト）が使
用されるが、トランシフトは、機械式の角度読み取り機
構を備えているので重量が重（、それに従い三脚も大型
で重いものにせざるを得ず、装置の大型化と重量化を招
いていた。更に目盛を読む為読み取り誤差を取り除く事
が出来ないと言う欠点を有している。又方位角（一定の
方位に対する角度）を直接測定出来ない等の為測量に時
間が掛かるという欠点を有している。更に、方位角の測
定の為に他の機器を必要とする為、運搬する機材が増え
る。トランシフトに方位測定装置を組み込んだものもあ
るが、重量が増し、且つ大型化すると言う欠点を有して
いる。

（発明の目的） 本発明は上記欠点を解決するもので、従来の測量方法に
比較して操作が飛躍的に簡単で、小型軽量且つ読み取り
誤差の無い測量装置を得る事を目的とする。

（発明の概要） 本発明は互いに直交する３面のそれぞれの面内に巻回さ
れた光ファイバを中空の略球状に形成した３軸光ファイ
バジャイロ（以下３軸光ファイバジャイロと称す）を測
量装置に用いるものであって、３軸光ファイバジャイロ
とｉ＊３軸光ファイバジャイロの中空部に互いに直交す
る３軸方向の加速度を測定する加速度計を組み込んだこ
とを技術的要点としている。そして本発明の測量装置に
よれば測量すべき２点間を、経路に無関係に移動するだ
けで測量が可能となる。

（実施例） 第１図は本発明による測量装置の実施例である。

１．２．３はボビンであってそれぞれのボビンには光フ
ァイバが巻回されており、それぞれが光ファイバジャイ
ロの一部を構成している。ボビン１．２．３は、ボビン
１の中にボビン２が、更にボビン２の中にボビン３が、
それぞれの面が直交する様に組み合わされて全体で中空
の略球状を成しく以下中空体と称す）、３軸光ファイバ
ジャイロを構成している。尚中空部の体積を大きくした
い時は各ボビン１．２．３をそれぞれ矩形として該中空
部を略直方体或いは略立方体としても良い。

それぞれのボビンの断面は第２図に示す様に外縁凹部を
有し、該凹部には光ファイバ１０が巻回されている。該
中空球状体の中空部には３軸光ファイバジャイロの３軸
方向の加速度を測定する加速度計及び光ファイバジャイ
ロと該加速度計の構成要素である電源、光源、受光器、
信号処理系、発信機または表示機が収納される。

第３図は第１図に示す３軸光ファイバジャイロの１軸要
素についてその構造を示すもので、１０はボビン１に巻
回された偏光保持の光ファイバ、１１は電源及び信号処
理系を含む回路部、１２はスーパールミネッセンスダイ
オード、カップラ、導光用ファイバ、レンズを含む光源
部、１３はハーフプリズムで光源１２からの光を効率良
く等量に二手に分ける。従って透過率及び反射率はそれ
ぞれ約５０％である。１４ａ、１４ｂは偏光板、１５ａ
、１５ｂは光ファイバ１０の両端に設けられる集光用の
レンズである。光ファイバ１０はボビン１に巻回されて
サニヤック効果を生ずるループをなしており、レンズ１
５ａ、１５ｂで受けた光源１２からの光を該ループの両
端から入射する様構成する。

１６は該ループの一端に設けられる位相変調用のピエゾ
素子であり、光ファイバー１０が堅く巻回されており、
一定の交流信号を該ピエゾ素子１６に与えると光ファイ
バ１０が伸縮する。これにより光フアイバルーズの右回
りと左回りとの干渉出力は変調されて微小な回転角速度
に対する測定感度を上げる。前記ループを通ワて入射端
と反対側の端部に出射された光はそれぞれ再び偏光板１
４ａ。

１４ｂを通りハーフプリズム１７ａ、１７ｂで反射され
、各光ディテクタ１３ａ、１８ｂで検出される。この光
ディテクタ１８ａ、１８ｂによりサニヤック干渉前の光
量を知る事が出来る。尚前記ハーフプリズム１７ａ、１
７ｂの透過率は高く、例えば９０％程度に設定される。

前記ハーフプリズム１７ａ、１７ｂを透過した光はハー
フプリズム１３でサニヤック干渉し、該干渉光は光ディ
テクタ１８ｃで検出される。サニャ、り干渉前と干渉後
の光信号は光ディテクタ１８　ａ　、　１８　ｂ　、　
１８　ｃによって光電変換され、回路部１１に送られる
９回路部１１では、干渉後の光量と干渉前の光量との差
動をとる事により、光源１２のドリフトを除去する。１
９は送信部で回路部１１で処理された信号を電波により
受信部に送る。

尚偏光板１４ａ、１４ｂは光が光ファイバ１０のループ
を通過する際発生するノイズを除去する為に設けられる
。

第４図は第１図に示す３軸光ファイバジャイロの球状の
ファイバループの内部に組み込まれているハーフプリズ
ム等の構成を示す図で−っの光源１２で三軸光フアイバ
ージャイロの光源を賄う一実施例である。１２１，１２
２は光分岐カプラで、融着、研磨・接着、エツチング・
ディッピング、プリズム、グレーティング等によるもの
が考えられる。光分岐カブラ１２１，１２２で３分岐さ
れた光は、ハーフプリズム１３．１３′、１３″に入射
される。ハーフプリズム１３．１３′、１３′′にはそ
れぞれハーフプリズム１７ａ、１７ａ’、１７　ａ　”
及び１７ｂ、１７ｂ′、１７　ｂ　”が組み合わされて
いる０例えばハーフプリズム１３に入射した光は半々に
１７ａ、１７ｂに進む、１７ａを殆ど通過した光はファ
イバループ１０を反時計回りに回ってハーフプリズム１
７ｂに入る。ハーフプリズム１７ｂに入った光の一部が
強度検出用として光ディテクタ１８ｂに進み、残りの殆
どがハーフプリズム１３に進む、一方ハーフプリズム１
７ｂを殆ど通過した光はファイバループ１０を時計回り
に回うてハーフプリズム１７ａに入る。ハーフプリズム
１７ａに入った光の一部が強度検出用として光ディテク
タ１８ａに進み、残りの殆どがハーフプリズム１３に進
む、ハーフプリズム１３に戻つた時計回りと反時計回り
の二つによる光の干渉光は、光ディテクタ１８Ｃで検出
される。ここで光源１２に戻り光があるが、光源にスー
パールミネッセンスダイオードを使用すればコヒーレン
ス長が数十ミクロン程度の為コヒーレンスノイズを発生
しない。

第５図は第１図に示す３軸光ファイバジャイロの中空部
に組み込まれる３次元加速度計の１実施例であり、第６
図は前記３次元加速度計の１次元分を模式的に示す図で
ある。

第５，６図に於いて３１は３次元加速度計用の光源であ
り、均一に光が送られる様な発光ダイオード或いはスー
パールミネッセンスダイオードである。３３ａ、３３ｂ
、３３ｃは光ファイバを複数本束ねて構成される信号用
ライトガイドである。

各々のライトガイドに均一な光量が送られる様にライト
ガイドの入力端に拡散板或いはフライアイレンズを設け
ても宜しい、又ライトガイドは勿論マルチモードファイ
バーでも良い、３２は電気光学的チジッパであり、信号
用ライトガイド３３ａ。

３３ｂ、３３ｃと参照用ライトガイド３５ａ、３ｓｂ、
３ｓｃとに光を時間的に分割して分配する装置であり、
電圧を断続的に印加すると信号用ライトガイド３３側に
開いたり、参照用ライトガイド３５側に開いたりするも
のである。勿論機械式の回転チッッパでも原理的には可
能である。ここで信号用ライトガイド３３ａ、３３ｂ、
３３ｃは互いに直交する３軸方向に向いおり、これらに
概ね均等に光を分割する光分岐カップラを含み、該ライ
トガイド３３　ａ、　　３３　ｂ、　　３３　ｃの先端
にはそれぞれコリメータ３４　ａ、　　３４　ｂ、　　
３４　ｃが設けられる。該コリメータ３４　ａ、　　３
４　ｂ、　　３４　ｃはライトガイドを構成する１本１
本のファイバーにそれぞれ対応する分布屈折率型レンズ
や球レンズ等を使って実現される。３６は重りであり、
立方体でその表面は光を吸収する様になっており、角部
の少なくとも４箇所にばばね３７が取りつけられている
。該ばねの他端は光ファイバジャイロの構成部材に固定
され、中空部に重り３６を弾性的に保持する。コリメー
タ３４ａ、３４ｂ、３４Ｃから出射する光は、加速度が
無い方向については完全に遮断され、加速度のある場合
にはその大きさに応じて重り３６に遮断されない漏れ光
が一′ディテクタ３９ａ、３９ｂ、３９ｃに入射する。

３８ａ、３８ｂ、３８ｃはディテクタ３９ａ、３９ｂ、
３９ｃへ光を導くライトガイドで、入射した光がディテ
クタ３９　ａ、　　３９　ｂ、　　３９　ｃに入り易い
様に絞り込む。絞り込まれた光の出射する部分は光源の
入射部間様に拡散板又はフライアイレンズを設けてディ
テクタの感度むらを緩和出来る。

３９はディテクタである。光源３１の出力光の波長は光
ファイバによる損失、各種機器の結合損失による特性波
長のシフトを考慮して選定される。

ディテクタ３９への入射光に対し、狭帯域フィルターを
挿入する如く構成してノイズを除去しても宜しい。

光源３１からのコリメート光は重り３６が重力加速度や
走行加速度が加わって移動した時一部の光が通過し、前
記コリメータ３４ａ、３４ｂ、３４Ｃに対応して設けら
れる受光ライトガイド３８ａ。

３８ｂ、　　３ａｃに入射する。

参照用ライトガイド３５はチ目ツバ３２で時間分割され
た光をじかに（コリメータ３４ａ、３４ｂ。

３４Ｃや重り３６を通過せずに）ディテクタ３９ａ、３
９ｂ、３９Ｃへ導く。

第７図、第８図は本発明による測量装置の回路系を示す
ブロック図であり、第７図は送信側、第８図は受信側を
それぞれ表す。第７図に於いて１８１．１８２．１８３
は光ディテクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃからの信号を増
幅する増幅器である。

１８４は乗算回路で、増幅器１８１と１８２との信号の
積、即ちサニヤックループである光フアイバループｌＯ
の時計回りと反時計回りの光の強度の積で、これはサニ
ヤック干渉前の光の強度である。１８３はサニヤック干
渉後の光の強度を増幅する増幅器である。１８５は増幅
器１８３と乗算・　　回路１８４との比をとる差動回路
であり、これにより光源１２の出力光に含まれるドリフ
トを除去する為のものである。このドリフト除去により
測量装置の精度を向上することができる。１８６ａは積
分回路であり差動回路１８５の出力である一軸分即ち一
次元の角速度信号を角度信号に直す。

１８６ｂ、１８６ｃはそれぞれ他の二輪骨の角速度信号
を角度信号に直す積分回路である。１９はそれぞれの信
号の送信部、１９ａは送信アンテナである。

３９１ａ、ｂ、ｃはディテクタ３９ａ、３９ｂ。

３９ｃの信号を増幅する増幅器である。

３９２ａ、ｂ、ｃはチッソパ３２により時間を区切って
送られる信号光と参照光を同期分離する同期分離回路で
ある。

３９３ａ、ｂ、ｃは該同期分離回路の出力即ち信号光と
参照光とを除算する割算器である。３９４ａ、ｂ、ｃ、
３９５ａ、ｂ、ｃは積分器であり、３９（ｉａ、ｂ、ｃ
はインターフェースである。

ディテクタ３９ａ、ｂ、ｃで受光した光は電気信号に変
換され増幅器３９１ａ、ｂ、Ｃで増幅され、同期分離回
路３９２ａ、ｂ、ｃでチラッパ３２と同期して処理゛さ
れ、割算器で信号光出力と参照先出力とを除算し、積分
器３９４ａ、ｂ、ｃ、及び３９５ａ、ｂ、ｃによって二
度積分される。即ち測定された加速度の積分で速度が求
められ、二度目の積分で変位量が求められる。

従ってサンプリングの時間内の変位量を累積しておくと
本装置の移動量が求められる。

第８図に於いて２１は受信部、２１ａは受信アンテナ、
２２は受信部２１からの信号を処理する処理回路、２３
は処理回路からの信号を受けてプリンタ２３１やディス
プレイ２３２等の装置にデータを表示する出力部である
。

第８図において２２２は３次元の角度決定回路であり、
前記積分回路１８６ａ、１８６ｂ、１８６Ｃからの直交
する３成分の角度信号から方位を３次元のデータとして
演算し出力する。２２２ａは３次元の変位量決定回路で
あり、前記インターフェース３９６ａ、ｂ、ｃからの互
いに直交する３成分の変位信号を３次元のデータとして
演算し出力する。

２２３は手動の切換スイッチで真北決定回路２２４か座
標変換回路２２５のいずれかを択一的に接続可能となっ
ている。即ち切換スイッチ２２３を真北決定回路２２４
側に接続した時、ある方向を向いて静止している本測量
装置には光ファイバ°−ジャイロによる地球の自転の検
出から西の方位が出力され、又、加速度計による重力の
検出から鉛直方向が出力され、それらが組合わされて真
北が決定される。このデータはメモリ２２７ａに記憶さ
れる。次に、成る方位及び変位量の測定の為に切換スイ
ッチ２２３を座標変換回路２２５側に接続すると前述の
メモリ２２７ａに記憶された真北のデータは座標変換デ
ータとして使われて、３次元の角度決定回路２２２及び
３次元の変位量決定回路２２２ａのデータを座標変換回
路２２５で座標変換して真の方位及び変化量を算出し、
メモリ２２７ｂで記憶する。メモリ２２７ａ及び２２７
ｂに記憶されたデータは、演算回路２２６で演算されて
随時出力部２３のうちのプリンタ２３１やディスプレイ
２３２に出力される。２２６ａは演算用のスイッチで、
本装置を移動しながら測定する際に、所望の地点での測
定値を求めたい時にこのスイッチを接続すると、その地
点での３次元の移動距離が直交３軸座標系に変換されて
演算され、プリンタ２３１にプリントされ、及び／また
はディスプレイ２３２に表示される。ここで第７図、第
８図に示す回路系を３軸光ファイバジャイロの中空部に
収納しても宜しい。

第１〜８図によってしめされる測量装置は従来の測量を
より簡素化できる。以下に本発明の測量装置を用いた測
量の手順をしめす。

ここで本発明の測量装置のうちボビン１．　２．　３お
よびこれらに巻回される光フプイバ、および中空部に収
納される各種機器を本体と言い、−労咳本体からの信号
を受ける受信部２１及び信号を処理する処理回置２２と
測定データを表示する出力部２３を処理部と言う事とす
る。

■本発明”の本体を測定基点に置き、静止して切換スイ
ッチ２２３を先ず真北決定回路２２４側に接続し真北決
定回路２２４を選択する。すると３軸光ファイバジャイ
ロによって地球の自転軸に対して垂直な面即ち東西等が
測定され、一方３次元加速度計によって測定点の鉛直軸
が測定され、これらにより真北が決定される。

■処理部の切換スイッチ２２３を座標変換回路２２５偏
に接続する。するとので求められた真北からの各軸の値
は座標変換回路２２５で座標変換用に使われる。

■本発明の本体を測量すべき地点に運ぶ０本体の移動に
際しては本体に任意の回転が与えられても何等差支え無
い、なぜなら本体の任意の回転は３軸光ファイバジャイ
ロにより検出された測定点からの各座標での変化量を逐
次加算してゆ（事により求められるし、３次元の位置の
変化量も逐次加算してゆくが、その都度３次元加速度計
で検出される単位時間の位置の変化量は、３軸光ファイ
バジャイロで検出される角度で逐次座標変換されている
。３軸光ファイバジャイロによって検出された逐次座標
変換されている。

従って本体の移動手段は選ばず、人が運搬しても自動車
やヘリコプタ−等によって運搬しても良い。

■本発明の本体を測量すべき地点に静止してディスプレ
イ２３２を見る。

ディスプレイ２３２には真北を１軸とする直交３軸座標
系の各軸要素に分解した移動距離が表示される。

以上の手順により測量が行われる。

尚本体を移動している途中のデータを求めたい時は、所
望の地点で処理部のスイッチ２２６ａを接続すると、そ
の瞬間までの３次元の移動距離が逐次座標変換されたも
のの和として演算され、プリンタ２３１に印字されると
同時にディスプレイ２３２に表示される。

ここで測定基点と最終測定点とは一致させる事が望まし
い、なぜなら、本装置はドリフトが測定データに影響を
与えるが全体の測量系を閉回路にすれば、測定基点と最
終測定点とのデータを一致する様に補正出来るのでドリ
フトの影響を取り除けるからである。なぜなら光ファイ
バジャイロや加速度計には、内外の熱や振動による測定
値のドリフト（時間的変化）が発生し、それが誤差の原
因になるが、本発明による装置で測量をする場合、測定
基点と最終的に測量すべき点を一致させ、スイッチ２２
３を真北決定回路２２４側に再度接続することにより、
３次元の加速度計による３軸′各々の移動量は基点と同
一点であるからそれぞれＯでなければならないが、もし
数値が残ればそれは誤差なので０にする為にそれまでの
途中の測定点の値全てを３輪各々の成分の大きさに比例
して誤差分を配分する様按分する事によりドリフトの影
響を取り除けるからである。又は途中の各測定点或いは
可能な限り小さな移動毎に真北を測定し、そこからの移
動の方位を算出し、加算しても良い。

（発明の効果） 上記説明で明らかな様に３軸方向の角速度を検出する３
軸光ファイバジャイロと直交３軸方向の加速度を検出す
る加速度計及び該加速度計の出力を積分して移動量を算
出する演算手段とを組合せたものであるから測量の手順
が飛躍的に簡単にする事が出来る。。

【図面の簡単な説明】

第１図は３軸光ファイバジャイロの概略構造を示す外観
図 第２図は３軸光ファイバジャイロの１軸要素の断面図 第３図は３軸光ファイバジャイロの１軸要素の構造を示
す図 第４図は光源の分岐の一例を示す同 第５図は送信側の構造を示すブロック図第６図は加速度
計の一実施例を示す同 第７．８図は本発明の一実施例を示すブロック図である
。 （主要な符号の説明） １，２．３−・−ボビン ４　　　−・−規準付望遠鏡 ８　　　　・−水平測定器 １〇　　　−光ファイバ ５０　　　・・・−三脚 ５３　　−・−自在回転アーム ８０　　−・下げ振り １３．１３’、１３”−−−−ハーフプリズム１７ａ、
１７ｂ、１７ｂ’　１１ｂ″−−−−−−−−−−−−
−−・・−・−・−−一−−−−−−−−−−−−−ハ
ーフプリズム出願人　　日本光学工業株式会社 代理人　弁理士　渡　辺　　隆　男 第１図 Ｏ 第２図 第５図 第６図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ３つの光ファイバをそれぞれ巻回し、それぞれの光ファ
   イバが前記巻回によって形成する３面が互いに直交し、
   かつ全体が中空の略球状をなす様組み合わされた３軸光
   ファイバジャイロと、該３軸光ファイバジャイロの中空
   部に互いに直交する３軸方向の加速度を測定する３次元
   加速度計を組み込んだことを特徴とする光ファイバジャ
   イロを用いた測量装置。