特許 6346934 鉄道車両速度計測方法及びその計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6346934

(24)【登録日】2018年6月1日

(45)【発行日】2018年6月20日

(54)【発明の名称】鉄道車両速度計測方法及びその計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/58 20060101AFI20180611BHJP

【ＦＩ】

   G01S17/58

【請求項の数】11

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-252551(P2016-252551)

(22)【出願日】2016年12月27日

(62)【分割の表示】特願2012-142161(P2012-142161)の分割

【原出願日】2012年6月25日

(65)【公開番号】特開2017-83467(P2017-83467A)

(43)【公開日】2017年5月18日

【審査請求日】2017年1月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000101101

【氏名又は名称】アクト電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100076369

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 正治

(74)【代理人】

【識別番号】100144749

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 正英

(72)【発明者】

【氏名】田中 克典

(72)【発明者】

【氏名】妹尾 幸生

(72)【発明者】

【氏名】徳永 賢一

【審査官】 安井 英己

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０００７３０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０４４７０６９６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特表昭５９−５０００１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２８１２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１０５０８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／４８− ７／５１，

Ｇ０１Ｓ １７／００−１７／９５，

Ｂ６１Ｌ １／００−９９／００，

Ｇ０１Ｐ ３／３６，

ＣＳＤＢ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄道車両に搭載されたレーザ光源（ＬＤ）からレール軌道側にレーザビームを照射し、レール軌道側からの散乱光を差動型レーザドップラ速度計（差動型ＬＤＶ）で受けて、ドップラ効果に基づいて鉄道車両の走行速度を計測できる鉄道車両用速度計測方法において、
鉄道車両に、レール面からそれより下方に敷設された枕木、砂利、補助レール、ＡＴＳといったレール敷設側物体の少なくとも二以上の物体に焦点が合うように焦点深度を深くした光学センサを備えた差動型ＬＤＶを搭載し、鉄道車両に搭載されたレーザ光源からのレーザビームを前記レール敷設側物体に照射し続け、前記レール敷設側物体からの散乱光を差動型ＬＤＶの受光素子で受光して車両速度に比例したドップラ信号を抽出し、このドップラ信号を演算処理して鉄道車両の対地速度を計測する、
ことを特徴とする鉄道車両速度計測方法。

【請求項2】

請求項１記載の鉄道車両速度計測方法において、
鉄道車両速度の計測中に部分的に計測データの欠落又は計測データのレベルの急変といった中断が生じた場合に、その中断箇所の計測データを補間し、その補間方法は有効な計測が行われた中断直前の計測値、又は中断直後の計測値、又は中断直前計測値と中断直後計測値の両計測値で中断部分のデータを補間して鉄道車両の速度値を連続生成する補間方法である、
ことを特徴とする鉄道車両速度計測方法。

【請求項3】

請求項１又は請求項２記載の鉄道車両速度計測方法において、
差動型ＬＤＶの照射側光学系に周波数シフト素子を用いて、車両に搭載されたレーザ光源からのレーザビームの周波数をシフトさせ、シフトされた周波数を零速度に設定し、その零速度からの変化量を計測して、鉄道車両の移動速度を計測する、
ことを特徴とする鉄道車両速度計測方法。

【請求項4】

鉄道車両に搭載された差動型ＬＤＶのレーザ光源（ＬＤ）からのレーザビームを平行ビームにし、その平行ビームを二分し、一方の平行ビームをレール軌道側に照射し、他方をさらに二方に分け、その二方の平行ビームを前記一方の平行ビームと異なる方向からレール敷設側物体に照射して、前記一方の平行ビームと前記二方の平行ビームとをレール敷設側物体の二箇所で交差させ、それら二箇所の交差領域の夫々を焦点とすることで焦点深度を深くし、前記焦点におけるレール敷設側物体からの散乱光を差動型ＬＤＶで受光して信号処理部で処理して鉄道車両の速度を計測する、
ことを特徴とする鉄道車両速度計測方法。

【請求項5】

鉄道車両に搭載された差動型ＬＤＶのレーザ光源（ＬＤ）からのレーザビームを平行ビームにし、その平行ビームを二分し、二分された平行ビームの一方をレール軌道側に照射し、他方の平行ビームを反射させ、反射後にその平行ビームの幅を広げ、広げた平行ビームを、前記一方の平行ビームと異なる方向からレール敷設側物体に照射して、前記両平行ビームをレール敷設側物体で交差させ、その交差領域を焦点とすることで焦点深度を深くし、前記焦点におけるレール敷設側物体からの散乱光を差動型ＬＤＶで受光して信号処理部で処理して鉄道車両の速度を計測する、
ことを特徴とする鉄道車両速度計測方法。

【請求項6】

鉄道車両に搭載された差動型ＬＤＶのレーザ光源（ＬＤ）からのレーザビームを平行ビームにし、その平行ビームを二分し、一方をさらに分岐した平行ビールをレール軌道側に照射し、他方をさらに分岐した平行ビームを異なる方向からレール敷設側物体に照射して、レール敷設側物体で交差させて、三以上の交差領域を焦点とすることにより焦点深度を深くし、前記三以上の焦点におけるレール敷設側物体からの散乱光を差動型ＬＤＶで受光して信号処理部で処理して鉄道車両の速度を計測する、
ことを特徴とする鉄道車両速度計測方法。

【請求項7】

請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の鉄道車両速度計測方法において、
二分する前の平行ビームの周波数をシフトさせ、周波数をシフトさせた平行ビームを二分する、
ことを特徴とする鉄道車両速度計測方法。

【請求項8】

差動型ＬＤＶと信号処理部を備え、差動型ＬＤＶは、レーザ光源、レーザ光源からのレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズ、平行ビームの周波数をシフトさせる周波数シフト素子、周波数シフトされたレーザビームを二分する偏光ビームスプリッタを備え、偏光ビームスプリッタから出力される一方のレーザビームのビーム幅を拡大させるアナモルフィックプリズム、前記ビーム幅拡大前又は拡大後のビームを反射させるミラー、レール敷設側物体からの散乱光を集光するレンズを含む光学系を備える、
ことを特徴とする鉄道車両速度計測装置。

【請求項9】

請求項８記載の鉄道車両速度計測装置において、
信号処理部は、レンズで集光された散乱光を光電変換してドップラ周波数を検出する受光素子、受光素子で抽出された電気信号（ドップラ信号）を増幅する増幅器、ローカル信号を発生するＰＬＬ発振器、当該ローカル信号と前記ドップラ信号を混合するミキサー、当該ミキサーから出力されたドップラ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ、前記変換されたデジタル信号を演算処理してドップラ信号の周波数を特定するデジタル演算器、デジタル演算器からの出力に基づいてピッチパルスを発生するデジタル信号発生器、デジタル演算器からの出力に基づいて鉄道車両の走行速度に比例した出力を電圧で取り出すＤ／Ａコンバータ、前記デジタル信号発生器から出力されるピッチパルスを積算するカウンタ及びＣＰＵを備え、ＣＰＵは前記ＰＬＬ発振器間の信号処理、前記Ａ／Ｄコンバータとの間の信号処理、前記デジタル演算器間との間の信号処理、前記カウンタとの間の信号処理が可能である、
ことを特徴とする鉄道車両速度計測装置。

【請求項10】

請求項８又は請求項９記載の鉄道車両速度計測装置において、
信号処理部は、鉄道車両の走行速度計測中に計測データが部分的に中断した場合に、鉄道車両の有効な速度計測が行われた中断前の直前計測値又は中断後の直後計測値又は中断直前と中断直後の前後計測値で中断部分のデータを補間して速度値を連続生成する補間機能を備えた、
ことを特徴とする鉄道車両速度計測装置。

【請求項11】

請求項８から請求項１０のいずれか１項記載の鉄道車両速度計測装置において、
光学系を備えた差動型ＬＤＶを複数台、鉄道車両に設置する、
ことを特徴とする鉄道車両速度計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は線路（レール）上を走行する鉄道車両の走行速度を、レーザドップラ速度計を用いて計測する方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レール上を走行中の鉄道車両の走行速度を知ることは、車両位置の確認、車両の運行管理、旅客や荷主に対する案内、信号機の点滅、踏切の遮断機の開閉といった保安管理等のために重要なことである。これら運行管理や案内を精度の高いものにするためには、高精度の走行速度計測が要求される。

【0003】

鉄道車両の走行速度計測方法には従来から各種あり、その主な方法として次のような方法がある。

【0004】

速度発電機方式：この方式は、車両の車軸に取付けた発電機により車軸の回転に比例した電圧を取出し、車輪径から速度を算出する方式である。この方式は車輪径の変化（例えば、摩耗）で誤差が出る、車輪の滑走・空転で速度誤差が生じる、といった難点がある

【0005】

速度発電機とＧＰＳの併用方式：この方式は速度発電機方式による上記誤差を、ＧＰＳを用いて補正する手法であるが、トンネル内などＧＰＳの電波が受信不能な場所では利用できない、気象条件によっては電波の状態が不安定になり計測不能となることもある、という難点がある。

【0006】

ミリ波ドップラ方式：この方式は、車両からレール軌道面とか枕木等（近距離の物体）にミリ波を当て、それら物体からの反射波を受信して計測する方式（非接触計測）であるため前記した滑走・空転の影響はない。しかし、反射物が近いため、反射波の広がりが安定して平均化されず、計測が不安定になるという難点がある。この難点を改善した方法もある（特許文献１）。しかしこの方法でも、本来の電波によるビームの広がり角があるため、ドップラのシフト量もその分だけ広がりを持ち、計測精度が落ちる。

【0007】

レーザドップラ方式１：この方式は鉄道車両に搭載した光学系から地面にレーザ光（レーザビーム）を照射し、その反射光（散乱光）を光学系で受信して光電変換し、その検出信号を変調周波数に基づいて同期検波してドップラ周波数成分を抽出し、その抽出値に基づいて、鉄道車両の移動速度を算出するようにした方式である（特許文献２）。この方式は非接触方式のメリットはあるが、地面に照射するレーザ光がシングルビームであるため、受光面での広がり角により計測精度が落ちるという難点がある。

【0008】

レーザドップラ方式２：この方式は地面に照射するレーザ光を平行光にし、両レーザ光の反射光の差を求める差動方式であることから、非接触方式のメリットと、レーザ光を平行光にし、差動方式にすることで、受光面が広くても計測精度が落ちない利点はあるが、差動方式による焦点を結ぶ光学系のため、測定可能幅（焦点深度）が短く（浅く）なって測定可能場所がレール面に限られていまい、レール面を外れると計測が中断するという難点があった。これを改善するため、レール上にセンサ２台を配置する方法（特許文献３、４）があるが、実情は、カーブなどにおいてレーザ光がレール面から外れてしまい、特許文献２と同様に難点があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開平８−５４４６１号公報

【特許文献2】特開平９−２８１２３８号公報

【特許文献3】特開平５−７１９２９号公報

【特許文献4】特開平５−１０５０８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の課題は、レーザ光が線路敷設側のレール、枕木、砂利、補助レール、ＡＴＳ等のいずれの物体に照射されても、鉄道車両の走行速度を高精度で計測できるようにすること、鉄道車両の走行距離、走行方向をも判別できるようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の鉄道車両速度計測方法は、鉄道車両に搭載された光源からレール軌道側にレーザ光（レーザビーム）を照射し、レール軌道側からの散乱光を差動型レーザドップラ速度計（差動型ＬＤＶ：Laser Doppler Velocimeter）で受けて、ドップラ効果に基づいて鉄道車両の走行速度を計測できる鉄道車両用速度計測方法において、鉄道車両に、焦点深度を深くした光学センサを備えた差動型ＬＤＶを搭載し、鉄道車両に搭載されたレーザ光源（ＬＤ）からのレーザビームをレール敷設側の物体（レール、枕木、砂利、補助レール、ＡＴＳ等）に照射し続け、それら物体からの散乱光を差動型ＬＤＶの受光素子（光電変換素子：ＡＰＤ：Avalanche Photo Diode）で受光して車両速度に比例したドップラ信号を抽出し、このドップラ信号を演算処理して鉄道車両の対地速度を計測する方法である。ここで、焦点深度が深いとは、例えば、安定的に２００ｍｍ以上をいう。

【0012】

本発明の鉄道車両速度計測方法は、レーザ光源からレール敷設側に照射するレーザビームを平行光にし、平行を保ったままこれを二方向に分岐し、一方の平行なレーザビームを線路敷設側の物体に交差角φで照射し、他方のレーザビームは二以上の方向に分岐し、分岐された夫々のレーザビームを前記物体に前記一方のレーザビームと異なる方向から前記と同じ交差角φで照射して、これらレーザビームの夫々と前記一方のレーザビームとを、それらレーザビームの照射軸上の二以上の箇所で交差させて、それら二以上の交差領域内を焦点として、焦点深度を深くし、いずれの焦点が物体に照射されても、その焦点からの散乱光を受けてレーザドップラ信号を得ることができるようにした計測方法である。

【0013】

本発明の鉄道車両速度計測方法は、焦点深度を深くするために、レーザ光源からレール敷設側に照射するレーザビームを平行光にし、平行を保ったままこれを二方向に分岐し、一方の平行なレーザビームを二以上に分岐して同じ方向から物体に交差角φで照射し、他方のレーザビームも二以上に分岐して前記物体に前記一方のレーザビームと異なる方向から前記と同じ交差角φで照射して、これらレーザビームの夫々と前記一方のレーザビームとを、それらレーザビームの照射軸上の三以上の箇所で交差させてそれら三以上の交差領域内を焦点として、焦点深度を深くし、いずれの焦点が物体に照射されても、その焦点からの散乱光を受けてレーザドップラ信号を得ることができるようにした計測方法である。

【0014】

本発明の鉄道車両速度計測方法は、焦点深度を深くするために、レーザ光源からレール敷設側に照射するレーザビームを平行光にし、平行を保ったままこれを二方向に分岐し、一方の平行なレーザビームを物体に交差角φで照射し、他方のレーザビームは平行ビームの幅（ビーム幅）を平行を保ったまま前記一方のレーザビームのビーム幅よりも広くし、そのレーザビームをも前記物体に、前記一方のレーザビームと異なる方向から前記と同じ交差角φで照射して、それらレーザビームの照射軸上で交差させて、それら交差領域内を焦点として焦点深度を深くし、その焦点にある物体に照射されても、その焦点からの散乱光を受けてレーザドップラ信号を得ることができるようにした計測方法である。

【0015】

本発明の鉄道車両速度計測方法は、補間機能を設けて、計測データを補間できるようにしてあり、前記計測中に部分的に計測データが欠落した場合又は計測データのレベルが急減した場合（以下、この欠落と急減をまとめて「中断」という。）に、有効な計測が行われた中断前の計測値（直前計測値）又は中断後の計測値（直後計測値）又は中断直前と中断直後の両値（前後計測値）で中断部分のデータを補間して速度値を連続生成し、その連続生成値から移動距離を得るようにした方法でもある。

【0016】

本発明の鉄道車両速度計測方法は、差動型ＬＤＶの照射側光学系に周波数シフト素子（例えば、音響光学素子：ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）を用いて、車両に搭載されたレーザ光源からのレーザビームの周波数をシフトさせ、シフトされた周波数を零速度に設定し、その零速度からの変化量を計測して、鉄道車両の移動速度を計測する方法である。この計測時に移動速度に対応した所定間隔のパルスを積算することにより鉄道車両の移動距離も把握することができる。この場合、零速度地点からの鉄道車両の移動方向を検出することもできる。

【0017】

本発明の鉄道車両速度計測装置は、差動型ＬＤＶと信号処理部を備え、差動型ＬＤＶは、レーザ光源（ＬＤ）、レーザ光源からのレーザビームを平行ビームにする（横方向のみ平行にする）コリメータレンズ、平行ビームの周波数をシフトさせる周波数シフター（例えば、ＡＯＭ）、周波数シフトされたレーザビームを二分する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarized Beamsplitter/Combiner Spectral Optics）を備え、偏光ビームスプリッタで二分された双方のレーザビーム又は一方のレーザビームの偏波面を合わせるλ／２波長板、λ／２波長板から出てきたレーザビームを二分する無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ：Non-Polarized Beamsplitter/Combiner Spectral Optics）、無偏光ビームスプリッタから出てくるレーザビームを反射させるミラー、物体Ｏからの散乱光を集光するレンズを含む光学系を備えたものである。

【0018】

前記信号処理部は、レンズで集光された散乱光を光電変換してドップラ周波数を検出する受光素子（ＡＰＤ）、受光素子で抽出された電気信号（ドップラ信号）を増幅する増幅器、水晶発振器、ＰＬＬ発振器、ミキサー、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、Ａ／Ｄコンバータ、デジタル演算器（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）、デジタル信号発生器（ＤＤＳ：Direct digital synthesis）、Ｄ／Ａコンバータ、カウンタ、ＣＰＵを備える。

【0019】

前記信号処理部は、鉄道車両の走行速度計測中に計測データが部分的に中断した場合に、鉄道車両の有効な速度計測が行われた中断前の直前計測値又は中断後の直後計測値又は中断直前と中断直後の前後計測値で中断部分のデータを補間して速度値を連続生成する補間機能を備えたものとすることができる。この場合は、補間機能で生成された連続生成値から速度値及び移動距離を得ることができる。

【0020】

本発明の鉄道車両速度計測装置は、前記光学系を備えた差動型ＬＤＶを複数台、鉄道車両に設置することもできる。

【発明の効果】

【0021】

本発明の鉄道車両用速度計測方法及び装置は次のような効果がある。
１．焦点深度が深いので、レーザ光がレール敷設側のいずれの物体に照射されても、計測精度に全く影響を与えない高精度の計測ができる。
２．補間機能があるため、何らかの原因により計測が一時中断して計測データが中断しても、そのデータを異常発生前、発生後、又は発生前と発生後の双方の計測値で補間して速度値を連続生成できるので、異常なく連続計測した場合と略同様の連続計測値を得ることができ、鉄道車両の走行速度は勿論のこと、移動距離（在線位置）を全線にわたってリアルタイムで高精度に正確に把握することができる。
３．周波数シフト素子で、レーザビームの周波数を予めシフトしてそのシフト周波数を零速度とし、この零速度を中心に速度の方向及び速度値を正しく計測することができ、移動距離も正確に求めることができる。ちなみに、周波数シフト素子を入れない場合は零速度付近の速度及び移動方向の判別ができない。
４．複数台の差動型ＬＤＶを鉄道車両に設置することにより、計測の信頼性が高まる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の計測装置の一例を示す説明図。

【図2】差動型ＬＤＶの動作説明図。

【図3】レール敷設側説明図。

【図4】焦点を二箇所に設けて焦点深度を深くする場合の説明図。

【図5】アナモルフィックプリズムを使用して焦点深度を深くする場合の説明図。

【図6】焦点を三箇所以上に設けて焦点深度を深くする場合の説明図。

【図7】物体に凸面があっても計測可能であることの説明図。

【図8】（ａ）は計測値が計測途中で中断した場合の説明図、（ｂ）は中断したデータを連続データに生成した場合の説明図、（ｃ）は（ａ）のＣ部分の説明図。

【図9】図８の補間説明図。

【図10】一般的な差動型ＬＤＶの動作説明図。

【発明を実施するための形態】

【0023】

（差動型ＬＤＶの動作原理）
本発明の鉄道車両速度計測方法とそれに使用される計測装置の説明に先立って、差動型ＬＤＶを用いた速度計測方法の原理を以下に説明する。図１０は差動型ＬＤＶを用いた速度計測装置の一般的な構成である。図１０では、レーザ光源１から出射されるレーザビームをビームスプリッタ６で二方向に分割し、一方のレーザビーム（照射光１）はそのまま直進してレール敷設側の物体（実際は固定されているレール、枕木等であるが走行車との関係では相対的に移動物体）Ｏに照射され、他方のレーザビーム（照射光２）はミラー７で直角に反射されて交差角φで物体Ｏに照射される。物体Ｏからの散乱光（２本の照射光に対応した散乱光）が受光素子に受光される。２本の散乱光は正負同じ量のドップラシフトを起こす。この２本の散乱光が受光素子において重ね合わせて、ドップラ周波数ｆｄを検出する。これが差動型ＬＤＶである。散乱光はレンズで集光して受光素子で受光することもできる。

【0024】

散乱光１、２のドップラ周波数（受光素子面で受光したドップラ周波数）ｆｄ_１、ｆｄ_２は、
ｆｄ_１＝２／λ ｓｉｎ（４／φ）・Ｖ・ｃｏｓ（θ−φ／４）・・・（１）
ｆｄ_２＝２／λ ｓｉｎ（４／φ）・Ｖ・ｃｏｓ（θ＋φ／４）・・・（２）
であらわされる。
λ：レーザ波長
φ：２本のレーザ光のなす角度
Ｖ：移動物体の移動速度
θ：２本のレーザ光の接線からの傾き角

【0025】

前記のように、周波数が異なる２種類の散乱光がヘテロダイン検波されて、次のビート周波数ｆｄが検出される。
ｆｄ＝｜ｆｄ_１−ｆｄ_２｜＝２／λ・Ｖ・ｓｉｎ（φ／２）・ｃｏｓθ・・・（３）
この式から分かるように、物体の速度Ｖに比例した周波数が検出される。また、式の中に受光位置の角度成分がないため、受光面に対する位置の制約がなく、物体Ｏからの散乱光をどの位置で受光しても良く、レンズなどで散乱光を集光しても速度を正確に捉えることができる。

【0026】

従って、移動する車両に差動型ＬＤＶを搭載すれば、固定のレール敷設側と鉄道車両との相対速度（鉄道車両の走行速度）を計測することができる。

【0027】

（鉄道車両速度計測方法とその計測装置の実施形態）
本発明の鉄道車両速度計測方法とそれに使用される計測装置は前記差動型ＬＤＶの原理を応用したものであり、それを図面に基づいて説明する。

【0028】

図１に示す本発明の鉄道車両速度計測装置は、レーザ光源１、コリメータレンズ２、周波数シフト素子（例えば、ＡＯＭ）３、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４、λ／２波長板５、無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）６、ミラー７、レンズ８、受光素子（ＡＰＤ）９を備えた差動型ＬＤＶと、増幅器１０、水晶発振器（例えば、発信周波数８０ＭＨｚ）１１、ＰＬＬ発振器１２、ミキサー１３、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４、Ａ／Ｄコンバータ１５、デジタル演算器（ＤＳＰ）６、デジタル信号発生器（ＤＤＳ）１７、Ｄ／Ａコンバータ１８、カウンタ１９、ＣＰＵ２０を備えた信号処理部を備えている。周波数シフト素子３には汎用のＡＯＭを使用することができる。ＣＰＵ２０はこれらのシステム全体に指令等を与える。

【0029】

（図１の差動型ＬＤＶの動作）
図１の鉄道車両速度計測装置では、レーザ光源１から出射されるレーザビームは、コリメータレンズ２で平行ビームになる様に調整される（横方向のみ平行にする）。このレーザビームがＡＯＭに入射され、このＡＯＭにｆｍ信号（例えば、４０ＭＨｚ）を加えて、入射されたレーザビームの周波数を４０ＭＨｚシフトさせ、且つ、ある角度だけ回折した１次回折光と、そのまま通過する０次光が出射させる。ＡＯＭの材料にＴｅＯ_２（二配化テルル）や、ＰｂＭｏＯ_２（モリブデン酸鉛）の様な光学結晶を用いた音響光学素子を用いると１次回折光と０次光の偏波面が変わる（Ｐ偏光とＳ偏光になる）。この出射光が偏光ビームスプリッタ４に入射されてＰ偏光ビームとＳ偏光ビームに二分される。

【0030】

Ｐ偏光ビームはそのまま透過側に直進してレール敷設側に設置されている物体（実際は固定されているレール、枕木等であるが走行車との関係では相対的に移動物体）Ｏに照射される。Ｓ偏光ビームは無偏光ビームスプリッタ６で二分し、それから直角方向に出射されるＳ偏光ビームと、透過側に直進してミラー７で反射されるＳ偏光ビームを物体Ｏに交差角φで照射する。この場合、夫々のビームを干渉させる(偏波の波面を揃える)ために、どちらかのビームにλ／２波長板５を入れて偏波面を合わせる（揃える）。また、Ｐ偏光ビームのｂ軸上の２箇所で交差する（焦点を結ぶ）ように配置する。

【0031】

（図１の信号処理部の動作）
物体Ｏからの散乱光（２本の照射光に対応した散乱光）が受光レンズ８等の光学系で集光されて受光素子９に受光される。この２本の散乱光は正負同じ量のドップラシフトを起こし、受光素子９において重ね合わされてドップラ周波数が検出される。

【0032】

受光素子９で検出されたドップラ周波数ｆｄ_１、ｆｄ_２は前記（１）、（２）式のようになり、ＡＯＭの駆動周波数ｆｍを中心に物体の速度Ｖに比例した周波数が検出される。従って、図１に示す本発明の差動型ＬＤＶを、移動する鉄道車両に搭載すれば、固定のレール敷設側と走行中の鉄道車両との相対速度（鉄道車両の走行速度）を計測することができる。

【0033】

図１では、ＡＯＭでｆｍだけ周波数シフトされているため、ドップラ周波数ｆｄは、
ｆｄ＝ｆｍ±２／λ・Ｖ・ｓｉｎ（φ／２）
＝ｆｍ±Ｋ・Ｖ・・・（４）
（Ｋ＝２／λ・ｓｉｎ（φ／２））
となる。

【0034】

式（４）より、ドップラ周波数ｆｄはＡＯＭの駆動周波数ｆｍを中心に物体Ｏの速度Ｖに比例した周波数が検出される。このため、ある時間におけるドップラ周波数の波数（パルス数）を積算すれば、その時間における物体Ｏの移動距離を求めることができる。前記パルス間隔はビ−ム交差角φとレーザ光の波長λとにより定まる。当然、物体Ｏが静止している箇所、例えば、レール軌道面においては、移動する車両側に上記差動型ＬＤＶを搭載すれば、鉄道車両の相対速度及び移動距離を計測することができる。

【0035】

式（４）の中には受光位置の角度成分がないため、ドップラ周波数ｆｄには受光素子９の受光面に対する位置の制約がなく、どの位置で受光しても、また、レンズ８で集光しても速度を正確に捉えることができる。

【0036】

ここで得られたドップラ周波数ｆｄは４０ＭＨｚを中心した信号であるが、車両速度Ｖによるドップラ周波数の変化はその１／１０程度の±４ＭＨｚであることと、以降の演算処理周波数の使い易さから、４０ＭＨｚを５ＭＨｚ程度にビートダウンさせるのが望ましい。このためミキサー１３（図１）に３５ＭＨｚを入力する。３５ＭＨｚのローカル信号は水晶発振器１１と、ＰＬＬ発振器１２を用いて作った信号であり、それ以降の動作クロックにも流用する。これにより、クロックによる温度ドリフト等をキャンセルすることができる。

【0037】

ミキサー１３から出力されたドップラ信号（５±４ＭＨｚ）は、ＬＰＦ１４で不要高周波成分をカットし、Ａ／Ｄコンバータ１５でデジタルデータに変換し、デジタル演算器（ＤＳＰ）１６にて高速速度演算を行う。高速速度演算はドップラ信号が不要なノイズ成分を含んだビート信号であることから、ＦＦＴ演算を基本とした演算処理で、ドップラ周波数を正しく特定し、前記（４）式より速度を求めることができる。

【0038】

（周波数シフト素子）
本発明では図１のように照射光の一方に周波数シフト素子（例えば、ＡＯＭ）３を入れることで、予めシフトした周波数を零速度とし、この零速度を中心に速度の方向及び零速度の計測を正しく行うことができ、移動距離も正確に求めることができる。周波数シフト素子３を入れない場合は、Ｖ＝０のとき、ｆ＝０となって移動速度及び移動方向の判別ができない。

【0039】

（焦点深度を深くする）
レール、枕木、砂利、補助レール、ＡＴＳ等の物体は、鉄道車両からの高さが異なるため、鉄道車両に搭載されたレーザ光源からの距離も照射される物体によって異なる。差動型ＬＤＶは焦点を結ぶ構成であるため、物体に照射されるレーザ光の焦点が差動型ＬＤＶの受光素子の測定許容範囲内の焦点深度でなければ（焦点深度が深くなければ）正確な計測ができない。

【0040】

差動型ＬＤＶの場合、物体Ｏの移動方向に対してｔ（図２）の幅をもつ平行なレーザビームになるようにコリメータレンズ２（図２）で調整することにより、交差角φはレーザ光の交差した長さｄ（図２）のどの位置においても一定になり、物体Ｏの移動速度Ｖを正確に計測することができる。つまり物体Ｏに照射するレーザ光がｔの幅で平行であればｄの領域が焦点となって、正確な計測ができる。本発明では、次のようにして、ｄの長さ（焦点深度）を広く（深く）してある。

【0041】

（焦点深度を深くする方法１）
焦点深度ｄは、
ｄ＝２ｃｏｓ（φ／２）・ｔ／ｃｏｓ（９０−φ）・・・（５）
となり、φが小さくなれば大きくなり、深度を長くすることができる。図２のレーザビームの交差領域（菱型部分）の上下部分はドップラレベルが低下するので、一般的に菱形の全長ｄの範囲全てを使用することはできず、その７０％位が使用限度となる。差動型ＬＤＶを鉄道車両に搭載した場合、レール敷設側ではレール面が最小値（鉄道車両に搭載した差動型ＬＤＶの受光面に最も近づく）であり、最大値はレールのフランジ部若しくは枕木面、場合によっては砂利面である。レーザ光がこれらのいずれの物体に照射されるにしても、レールの高さ約１６０〜１８０ｍｍ（図３）を考えると、少なくとも２００ｍｍ以上の焦点深度は必要である。

【0042】

レーザ光源のビーム幅ｔ（図２）はコリメートビーム（平行光）で通常４〜５ｍｍであることから、焦点深度ｄを３００ｍｍ確保するには、t＝４ｍｍとして、前記（５）式からφを求めると、φ＝１．５３°で約１．５°となる。しかし、１．５°は非常に小さな値であり、光学系のわずかな位置ズレで精度が落ちてしまう。（５）式で精度を０．１％程度に入れようとすると、
ｓｉｎ１．５／２＝０．０１３
ｓｉｎ^−１（０．０１３×０．１／１００）≒０．００００７５０°＝２．７″
となり、ビームの平行度も２．７″以内の広がり角にしなくてはならず、光学系の調整が非常に難しく、安定性も確保しにくい。

【0043】

（焦点深度を深くする方法１）
本発明は焦点深度を深くするため、２つの焦点を持った構成とした。具体的には図４のように、偏光ビームスプリッタ４で２本に分けた照射光の一方のレーザビームを物体Ｏに所定角度で直接照射し、他方のレーザビーム無偏光ビームスプリッタ６で２本に分け、そのうちの一方のレーザビームを物体Ｏに交差角φ_１で照射し、他方のレーザビームをミラー７で反射させて物体Ｏに前記と同じ交差角φ_２（φ_１＝φ_２）で照射して、前記一方のレーザビームと二方のレーザビームを二箇所で交差させて二つの焦点ｄ_１、ｄ_２を作る。焦点ｄ_１はレール面付近に当たる位置（上方：車両の近く）とし、焦点ｄ_２を枕木付近に当たる位置（下方：車両から遠く）として、焦点深度の深いセンサとする。

【0044】

ｄ_１、ｄ_２をそれぞれ５０ｍｍ程度確保し、φ_１、φ_２を約５°とすると、（５）式より、ｔ＝４として、ｄ１＝ｄ２＝９２ｍｍとなり、９２×０．７＝６４ｍｍで約６０ｍｍ程度が測定可能幅となる。φ_１、φ_２が５°になったことで、上述と同じように（３）式で精度を０．１％程度に入れようとすると、
ｓｉｎ５／２＝０．０４３６
ｓｉｎ^−１（０．０４３６×０．１／１００）＝０．００２５°＝９″
となり、φ＝１．５°のときの約３倍になることで、光学系の調整・安定性も向上する。

【0045】

この場合、ｄ_１とｄ_２の間の距離は、測定可能幅を２００ｍｍ確保し、二つの焦点深度長を６０ｍｍとすると、２００−６０−６０＝８０となる。この場合、ｄ_１領域はレール上面位置となり、ｄ_２はそれより下の枕木或いは砂利付近の位置となって、レール敷設側の物体のいずれかに必ず焦点が合うことになる。このため、ｄ_１とｄ_２の間に焦点がなくても、ｄ_１、ｄ_２のどちらかがレール敷設側のいずれかの物体に合致して計測が行われる。

【0046】

（焦点深度を深くする方法２）
本発明では、レーザビーム幅（平行幅）をそのまま広げることによっても焦点深度を深くすることができる。レーザビームの間隔を平行のまま広げるものとしては、例えば、アナモルフィックプリズムがある。本発明ではそれを使用することもできるが、二以上のレンズ、例えば、凹凸レンズの組み合わせで拡げることもできる。

【0047】

図５は無偏光ビームスプリッタ６で二分されたレーザ光の一方のビーム幅を、アナモルフィックプリズム３０を使用して広げる方法である。アナモルフィックプリズム３０は斜辺の傾斜角の異なる２個のプリズム３０ａ、３０ｂを用いて、レーザビームをある方向のみに拡大・縮小するもので、どちらか一方のレーザビームを拡大する構成にする。例えば、レーザビームのビーム幅を３倍に拡大すると焦点深度ｄは図５のように２倍に拡大する。

【0048】

レーザビームのビーム幅は、アナモルフィックプリズム３０を無偏光ビームスプリッタ６（図５）の前に入れることにより、無偏光ビームスプリッタ６で分岐される両レーザビームのビーム幅を拡大させることもできる。この場合は、拡大された倍率分と同じ分だけ焦点深度ｄも拡大されて効率的であるが、無偏光ビームスプリッタ６の面積を大きくしなくてはならなくなる。いずれにしても、交差角φを必要以上に小さくせず、ビーム幅を拡大する方法も有効手段である。

【0049】

（焦点深度を深くする方法３）
本発明では図６のように、平行なレーザビームを交差角φで二方向から照射して、焦点ｄを三箇所以上に設けることもできる。

【0050】

（焦点深度内に凹凸がある場合）
速度Ｖの物体Ｏの焦点深度内に、凹凸、例えば、図７に示すような凸面があった場合、差動型ＬＤＶの受光センサでは凸面からの散乱光を受けて、凸面の速度Ｖ´を計測することになる。Ｖ´がθだけ傾いた場合のドップラ周波数ｆｄは前記（３）式より、
ｆｄ＝｜ｆｄ_１−ｆｄ_２｜＝２／λ・Ｖ´・ｓｉｎ（φ／２）・ｃｏｓθ・・・（６）
となる。
ここで、２／λ・ｓｉｎ（φ／２）＝Ｋとすると、
ｆｄ＝Ｋ・Ｖ´・ｃｏｓθ
Ｖ´＝Ｖ／ｃｏｓθであるから、
ｆｄ＝Ｋ・Ｖ／ｃｏｓθ・ｃｏｓθ
＝ＫＶ
となる。このため、図７のような凸面或いは図示しない凹面があっても、物体Ｏの測定面の移動方向の速度Ｖを正しく計測することができる。つまり凹凸の影響を受けない。従って、本発明において、鉄道車両に搭載された差動型ＬＤＶの光学センサにおいても、焦点深度内にある固定された物体であれば、どの様な物体にレーザ光を照射しても対地速度を正確に計測することができる。

【0051】

前記比例定数Ｋは、光学系を構成した時点で、既値の速度値が正しく導けている回転物等を使って求めておく。この値を用いて演算を行う。この速度値を用い、Ｄ／Ａコンバータ１８にて速度に比例した電圧出力を取出したり、デジタル信号発生器１７にて予め決められたピッチ間隔のパルスに変換して出力したりすることができる。また、このパルスをカウンタ１９で積算すると移動距離になる。

【0052】

本発明では、前記のように測定許容範囲である焦点深度を深くした（安定的に２００ｍｍ以上）光学センサを備えた差動型ＬＤＶを鉄道車両に搭載し、鉄道車両に搭載されたレーザ光源１からのレーザビームをレール敷設側の物体（レール、枕木、砂利、補助レール、ＡＴＳ等）に照射し続け、それら物体からの散乱光を前記差動型ＬＤＶの受光素子で受光し、受光素子にて走行速度に比例したドップラ信号を抽出し、このドップラ信号に対応する周波数を演算処理して鉄道車両の対地速度（走行速度）と移動距離を計測する。移動距離を計測するピッチパルスはデジタル信号発生器１７（図１）により生成される。

【0053】

（補間機能）
上記差動型ＬＤＶを車両に取付けて速度計測する場合、何らかの原因（例えば、ゴミ等の障害物が光路を遮る）でレーザビームが遮られると、図８（ａ）のようにドップラ信号のレベルが急激に減少し、速度値を演算処理できなくなり零点に落ちてしまうことがある。また、障害物が移動する物の場合はその障害物の移動速度を計測してしまい、図８（ｂ）のように計測速度が急変することもある。このような異常は障害物が取り除かれれば復帰するが、その間の計測データは車両速度に対応したデータではないため、このデータを使用したのでは精度の高い速度計測ができない。本発明ではこのよう計測データの異常時でも精度の高い計測を可能とするため、次のいずれかの補間処理を行うようにしてある。

【0054】

この補間処理は、計測中に何らかの理由で計測が中断して計測データ（ドップラ信号）が図８（ａ）のように欠落したときは、ドップラ信号のデータ更新を中止し、欠落前又は、欠落後又は欠落前後の有効な計測データ（ドップラ信号）を用いて欠落部分を補間して図８（ｂ）のように速度値を連続生成して前記欠落があっても走行速度を連続計測できるようにしてある。求められた速度値に基づいて全線の移動距離を正確に求めることもできる。

【0055】

補間処理方法の一つは図８（ａ）のＡのように計測値が欠落した場合の補間処理方法あり、ＡＰＤ９（図１）で検出されたドップラ信号レベルを判定し、ある判定値以下の場合は、判定値以下になる前の計測値（直前値）のままとし、急激な減少時のデータ更新はしない。つまり直前値で補間する。

【0056】

補間処理の他の一つは図８（ａ）のＢのように計測値が急変する場合の補間処理方法であり、このときは、異常前計測値からの変化率が大きいため、その変化率がある値以上の場合は、この値を使用せず、直前値のままとする補間（微分値補間）を行う（図９）。鉄道車両の場合、速度が急激に変化することは考えられないため、この変化率（微分値）の判定値は容易に決めることができる。

【0057】

補間処理の他の一つは、図８（ａ）のＣの場合のように、車両の加速、減速中に、障害物でレーザビームが遮られて、ドップラ信号のレベルが急激に減少した場合であり、このときは、直前値で補間すると図８（ｃ）の凹凸分（斜線部）だけ誤差を持つことになる。短時間のこのような小さな誤差は、速度出力には全く影響がないが、移動距離は積算されていくため、この回数が増すと、大きな誤差になる場合がある。従って、長さについてのみ、図８（ｃ）のように、異常発生前と異常回復後に正常な速度を捉えた箇所までを直線で結び、この三角形の面積分（△Ｓ相当）のパルスを、前記正常な速度を捉えた瞬間に（図８（ｃ）のｐ点で）加減算する処理を行う。これにより長さの計測誤差は、ほとんどなくなり、正しい移動距離の計測が可能になる。

【産業上の利用可能性】

【0058】

本発明の鉄道車両速度計測方法及びその計測装置は、鉄道車両の走行方向の計測にも、高精度な走行距離の計測にも使用可能であり、車両の在線位置管理にも利用可能である。

【符号の説明】

【0059】

１ レーザ光源（ＬＤ）
２ コリメータレンズ
３ 周波数シフト素子（例えば音響光学素子：ＡＯＭ）
４ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
５ λ／２波長板
６ 無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）
７ ミラー
８ レンズ
９ 受光素子（ＡＰＤ）
１０ 増幅器
１１ 水晶発振器
１２ ＰＬＬ発振器
１３ ミキサー
１４ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１５ Ａ／Ｄコンバータ
１６ デジタル演算器（ＤＳＰ）
１７ デジタル信号発生器（ＤＤＳ）
１８ Ｄ／Ａコンバータ
１９ カウンタ
２０ ＣＰＵ
３０、３０ａ、３０ｂ アナモルフィックプリズム
Ｏ 物体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】