WO2016111245A1

WO2016111245A1 - 測量機

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Publication number: WO2016111245A1
Application number: PCT/JP2016/000035
Authority: WO
Inventors: 八木　生剛; 齋藤　文雄; 長沼　和則; 菅井　栄一; 徹小平; 明澤口; 日出輝萩野; 武士渡邉; 紀行石津; 秀武村
Original assignee: NTT Advanced Technology Corp; Airec Engineering Corp
Current assignee: NTT Advanced Technology Corp; Airec Engineering Corp
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2016-07-14
Anticipated expiration: 2017-07-06
Also published as: EP3244162A4; EP3244162A1; US10495734B2; EP3244162B1; JP6282358B2; US20170299698A1; JPWO2016111245A1

Abstract

　光ビームを送受する測量機を一列に配置する測量方式において必要な位置や姿勢のパラメータの全てまたは一部を提供し、誤差要因を減らし測量精度を向上した測量機を実現する。波長可変光源からの光を発出可能な１ないし複数の発出口と、隣接する測量機から発出された光または反射された光を受光する１ないし複数の受光部を有する測量機。発出口からの発出光が扇状のパターンであり、かつ、扇状に拡がる方向と垂直方向に、出射角度が光の波長の単調な関数として変わるように発出され、隣接する測量機から発出され受光される波長、または、隣接する測量機によって反射された光を発出した測量機自身が受光する波長を求めることで、測量機の相対的位置関係及び姿勢のパラメータの少なくとも一つを測定する。

Description

測量機

　本発明は、測量機に関し、より詳細には、トンネル工事におけるトンネルの軌跡の測量などの曲線状の軌跡の測量に用いられる測量機に関する。

　従来、測量機を用いたトンネル工事におけるトンネルの軌跡の測量は、以下のような方法がとられていた。トンネル入り口の立抗に設置した親機のレーザー発振器からの平行光ビームを、トンネル内に設置した子機の中間プリズムユニットに向けて照射する。子機の中間プリズムユニット内には、二枚のウエッジプリズムが搭載されている。親機から照射された光ビームを、二枚のウエッジプリズムを適切に回転させることにより、上下左右に光の進行方向を変えて、次の子機の中間プリズムユニットに照射する。中間プリズムユニットに光が照射されているかどうかは、光が通過すべきウエッジプリズムペアの周囲に備えられたフォトディテクタの信号を測定する事で判定する。

　トンネル内に沿って一列に設置された複数の子機により、中間プリズムユニット間で光ビームの偏向を繰り返し、トンネルの曲線状の軌跡に沿って、光ビームがトンネル先端の最終目標地点の子機まで到達する。以降、説明の便宜のため、親機に近い側を上流、親機から遠い側を下流と呼ぶこととする。光ビームが最も下流の子機まで到達すると、各々の子機の中間プリズムユニット内のウエッジプリズムペアの回転角から、トンネルの軌跡を求めることができる。

　トンネルに沿って光ビームを中継する子機を一列に配置する測量方式では、親機からみた下流側の子機の位置（上下の角度、左右の角度、子機間の距離）、光ビームの光軸と測量機の基準線とがなす角として表される姿勢（ピッチング、ローリング、ヨーイング）の６つのパラメータの値を知ることが必要である。しかし、従来のウエッジプリズムを利用した方式では、上下の角度、左右の角度という二つの値しか知ることができない。他のパラメータのうち、距離、ピッチングおよびローリングに関しては、他の測量方式を用いて計測している。従って、トンネル内の測量には、手間がかかり測量の効率を落としていた。また、ヨーイングに関しては測定手段がなく、子機を増やした時の誤差要因となっていた。

　本発明の目的は、光ビームを中継する子機を一列に配置する測量方式において必要な位置と姿勢のパラメータの全てまたは一部を提供し、誤差要因を減らし測量精度を上げつつ測量効率も向上した測量機を実現することにある。

特開２００２－９０１４２号公報特開２００４－０１５４７６号公報特開２０１２－１４１４８号公報

前田公洋、「新曲線位置計測技術　- prism -」、月刊推進技術、pp.10-15、Vol. 18、No. 6、2004

　上述の目的を達成するために、本発明の一実施態様は、波長可変光源からの光を発出可能な１ないし複数の発出口と、隣接する測量機から発出された光または反射された光を受光する１ないし複数の受光部を有する測量機であって、前記発出口からの発出光が扇状のパターンであり、かつ、扇状に拡がる方向と垂直方向に、出射角度が光の波長の単調な関数として変わるように発出され、隣接する測量機から発出され受光される波長、または、隣接する測量機によって反射された光を発出した測量機自身が受光する波長を求めることで、測量機の相対的位置関係及び姿勢のパラメータの少なくとも一つを測定することを特徴とする。

図１Ａは、出射角度が光の波長の単調な関数として変わる扇状掃引光を生成する光波長掃引器を示す上面図、図１Ｂは、出射角度が光の波長の単調な関数として変わる扇状掃引光を生成する光波長掃引器を示す側面図、図２は、測量機の前方と後方に扇状掃引光を発出する光波長掃引器を示す上面図、図３は、光を発出する子機（測量機）および前後に隣接する子機の間の光ビームの関係を示す図、図４Ａは、子機の光発出口と受光部の配置を示す図、図４Ｂは、子機の光発出口と受光部の配置を示す図、図５は、トンネル工事における測量機の配置を示す図、図６は、三角法による測量機間距離測定を可能とする子機の受光部の配置を示す図、図７は、波長掃引光源を使用して受光タイミングから受光波長を求める方法を説明するための図、図８Ａは、飛行時間法による測量機間の距離測定を可能とする子機の受光部の配置を示す図、図８Ｂは、飛行時間法による測量機間の距離測定を可能とする子機の受光部の配置を示す図、図９は、波長掃引光源の強度を高周波で変調する装置を示す図、図１０は、飛行時間法で測量機間距離を測定する際の光波長掃引器を示す上面図、図１１Ａは、レトロリフレクタからの反射信号を示す図、図１１Ｂは、レトロリフレクタからの参照信号を示す図、図１２は、位置と姿勢の全６パラメータを計測するための掃引光パターンを示す図、図１３Ａは、位置と姿勢の全６パラメータを計測するための子機の構成を示す上層の上面図、図１３Ｂは、位置と姿勢の全６パラメータを計測するための子機の構成を示す下層の上面図、図１３Ｃは、位置と姿勢の全６パラメータを計測するための子機の構成を示す側面図、図１３Ｄは、位置と姿勢の全６パラメータを計測するための子機の後方を向く面を示す図、図１３Ｅは、位置と姿勢の全６パラメータを計測するための子機の前方を向く面を示す図、図１４は、測量機が１個の場合の実施例を示す図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。　
　　（光波長掃引器）
　図１Ａおよび図１Ｂに、出射角度が光の波長の単調な関数として変わる扇状の掃引光を生成する光波長掃引器を示す。親機の波長可変光源から発した光の全部または一部を分岐し、光ファイバー１を用いて子機内に導く。一部の光を分岐した場合は、残りの光を、他の光ファイバーで更に下流の子機へ伝送する。光波長掃引器は、光ファイバー１の端部から発した拡散光を、コリメータレンズ２で平行光にした後、透過型回折格子３に入射する。回折格子３のグレーティングベクトルは図１においてｘｚ平面内にある。

　回折格子３の平面の法線に対する入射角度をθ、グレーティングピッチをΛ、光の波長をλとすると、回折角φは、

で表される。入射角θ、グレーティングピッチΛを固定しているので、回折（出射）角度φは、光の波長λの単調な関数となり、λが変わると図１において、ｘｚ平面内で出射方向（ビーム掃引方向）が変更される。

　さらに、回折された光をシリンドリカル凹レンズ４により、ｘｙ平面内で扇状に広げることにより、扇状掃引光５を生成する。扇状掃引光５は、扇状の広がり（ｙ軸方向）とは垂直方向（ｚ軸方向）に波長に応じて進行方向が変わり発出され、掃引される。ここで、シリンドリカル凹レンズ４は、図１のｘｙ平面のｙ軸方向にレンズパワーを持つように設置する。なお、シリンドリカル凹レンズの代りにシリンドリカル凸レンズを用いても良い。この場合、焦点位置で一度集光されるが、遠方では扇状の射出光となる。

　　（測量機の光波長掃引器）
　図２に、測量機の前方と後方の両方に扇状掃引光を発出する光波長掃引器を示す。図１Ａおよび図１Ｂで示した回折格子３の後に、ハーフミラー６ａとミラー６ｂを追加し、ハーフミラー６ａで反射した光を、シリンドリカル凹レンズ４ａを介して、前方射出光５ａとして前方に発出する。ハーフミラー６ａを透過後にミラー６ｂで反射した光を、シリンドリカル凹レンズ４ｂを介して、後方射出光５ｂとして後方に発出している。ハーフミラー６ａを時計回りに９０°、ミラー６ｂを反時計回りに９０°回転することで、ハーフミラー６ａで反射した光を後方に、ハーフミラー６ａを透過後にミラー６ｂで反射した光を前方に発出してもよい。

　なお、シリンドリカル凹レンズ４ａを、ｙ軸の周りに９０°回転させて、グレーティング３とハーフミラー６との間に移動した構成としても良い。これにより、シリンドリカル凹レンズ４ｂを省略することができる。もちろん、シリンドリカル凹レンズの代りにシリンドリカル凸レンズを適用した場合も同様である。

　　（隣接する子機の間の光ビームの関係）
　図３に、光を発出する子機（測量機）および前後に隣接する子機（測量機）の間の光ビームの関係を示す。図３では、子機Ｂから前後に光ビームを発出するものとする。前方（すなわち下流）の子機を子機Ａ、後方（すなわち上流）の子機を子機Ｃと呼ぶことにする。すべての子機は、トンネル内に前後の子機が見渡せる範囲で配置されなければならない。ここで“見渡せる範囲”とは、任意の子機が発出する扇状の光が波長可変範囲内で掃引され、隣接する子機に届く範囲を意味する。図３において、子機Ｂから子機Ａを見る前方視線において、前方視野角はシリンドリカル凹レンズで決定される“ビームの広がり角”と、回折格子と波長可変範囲で決定される“ビーム掃引角”とにより制限される。子機Ａは、前方視野角内になければならない。子機Ｂから子機Ｃを見る後方視線も同様であり、子機Ｃは後方視野角内になければならない。

　　（子機の光発出口と受光部の配置）
　図４Ａおよび図４Ｂに、子機（測量機）の最も簡単な光発出口と受光部の配置の一例を示す。子機Ｂが発光した光を受光するのは、子機Ａの後方を向く面１１（図４Ａ）の受光部１２、および、子機Ｃの前方を向く面２１（図４Ｂ）の受光部２２である。親機の波長可変光源の発振波長を変えていったとき、それぞれの受光部の受光量が最大になる波長がわかれば、（式１）を用いて、子機Ｂに対する子機Ａの角度、および、子機Ｂに対する子機Ｃの角度を求めることができる。ここで、“子機Ｂに対する子機Ｃの角度”は、“子機Ｃに対する子機Ｂの姿勢”と読み替えることができる。その理由を、図５を用いて説明する。

　　（トンネル工事における測量機の配置）
　図５に、トンネル工事における測量機の配置の一例を示す。親機５２と光ファイバーおよび電気配線５４により接続された基準機５３が立抗３２に設置され、地下の掘削機５１により掘り進んで作られたトンネル３１内に、光ファイバーおよび電気配線５４により数珠繋ぎに接続された子機（Ａ～Ｄ）５５ａ～５５ｄが配置されている。親機５２の波長掃引光源から光ファイバー経由で波長掃引光が基準機５３および子機５５ａ～５５ｄに供給されている。立抗３２におかれる基準機５３は、トンネル工事すべての基準座標を決め、地表３３での測量結果に基づき、掘削方向を決定する。波長掃引光源と制御システムとを備えた親機５２と基準機５３とを統合した測量機としてもよく、更に最も上流の子機（Ｄ）５５ｄと基準機５３とを統合した測量機としても良い。

　基準機５３から子機５５ｄに向けて発した光を子機５５ｄが受光し、その受光した波長を知ることで、基準機５３が決定した座標系において、子機５５ｄの位置が求められる。次いで、子機５５ｄが発光した光を基準機５３が受光し、その受光した波長を知ることで、子機５５ｄに対する基準機５３の位置を求めることができる。しかし、基準機５３の位置は変化しないのであるから、“子機に対する基準機の位置”とは、“基準機に対する子機の姿勢”に他ならない。

　こうして、基準機５３が決定した座標系において、子機５５ｄの位置（波長に応じて変化する角度のみ）と、子機５５ｄの姿勢（波長に応じて変化する角度のみ）が決定される。次に、子機５５ｄからの光を子機５５ｃが受光することにより子機５５ｃの位置が分かり、子機５５ｃからの光を子機５５ｄが受光することにより子機５５ｃの姿勢が分かる。以下同様に、上流の子機から下流の子機に向けて、順次、位置と姿勢を決定する作業を繰り返し、各子機の位置と姿勢のパラメータを求める。

　　（他のパラメータの決定）
　上述した方法において、子機の位置と姿勢のパラメータは、波長に応じて変化する角度しかわからない。“波長に応じて変化する角度”は、その回転軸が重力に対して平行な方向（すなわち鉛直方向、角度の回転面は水平面となる）を採用するのが望ましい。鉛直方向に扇状に拡がった光を水平方向に回折させ、水平面内における位置（角度）、および、水平面内になる光軸に対する子機の姿勢（ヨーイング）を測定することができる。

　他のパラメータは別の方法で取得可能であり、例えば、子機間距離は、子機をトンネルに押し込むとき、押し込み距離を測定する事が可能である。高さは、とう道内にパイプを這わせ、各所での静水圧を測定する事で測定可能である。子機の姿勢のうちピッチングとローリングは、重力に対する角度を測定する水準器で代用することが可能である。

　一方、本実施形態によれば、受光部や光源を工夫すれば、他のパラメータも測れるようになり、測量機としての利便性は向上し、測量精度のみならず測量効率も向上することができる。以下にそのための構成を示す。

　　（波長掃引光源による波長の決定と、三角法による距離測定）
　図６に、複数の受光部を用いて三角法による子機間距離測定を可能にする子機の受光部の配置を示す。上流の子機から前方に発出された光ビームを、隣接する子機の後方を向く面６１に、光ビームの掃引方向に距離Ｇだけ離間して設けられた二つの受光部６２ａ，６２ｂで受光する。三角法による距離測定においては、一定周期で所定波長範囲を波長が往復変化する波長掃引光源を使用する。

　図７を参照して、波長掃引光源を使用して受光タイミングから受光波長を求める方法を説明する。図７は、光源の波長変化と受光側の子機の一つの受光部の受光信号を示している。（式１）により、波長と角度は１対１に対応するので、１周期内で波長が短波長から長波長への掃引時と、長波長から短波長への掃引時の２回、同じ波長の光を受光することになる。短波長から長波長への掃引時の受光時刻をＴ１、長波長から短波長への掃引時の受光時刻をＴ２とすると、その時間差δＴ＝Ｔ２－Ｔ１は、波長の関数であるから、δＴから、波長を求めることが可能となる。ただし、波長掃引光源において、波長の時間依存性を求めておくことが前提となる。

　Ｔ２およびＴ１を計測する手段として、特定の波長（λ_Ｂ）のみ透過する狭帯域のバンドパスフィルタと、光路長差Ｌの干渉計を用いた方法を説明する。親機において、子機へ配分する大部分の光とは別に、１％程度の光を、バンドパスフィルタを経由したフォトディテクタ（ＰＤ_Ｂ）および干渉計に入力し、それぞれから出力される電気信号をオシロスコープのチャンネル１（Ｃｈ１）と、チャンネル２（Ｃｈ２）に入力する。オシロスコープのトリガは、波長掃引光源の掃引開始信号から得ることにより、オシロスコープ上の信号が、短波長から長波長への掃引時の信号か、長波長から短波長への掃引時の信号かを区別することができる。短波長から長波長への掃引時、Ｃｈ１のピーク時刻（ｔ_Ｂ）において、波長がλ_Ｂであり、Ｃｈ２に現れる周期信号の１周期が２π／Ｌ分の光の波数変化であることを用いて、時刻ｔ（ｔ＞ｔ_Ｂ）の波長（λ）は、

で表される。ｍはｔとｔ_Ｂの間のＣｈ２のピーク数（０または正の整数）、ξは単位をラジアンとして残りの周期の長さ（０＜ξ＜２π）である。

　ｔ＜ｔ_Ｂの時は、ｍは０または負の整数、-２π＜ξ＜０である。長波長から短波長への掃引時は、ｔ＞ｔ_Ｂにおいて、ｍは０または負の整数、-２π＜ξ＜０であり、ｔ＜ｔ_Ｂにおいて、ｍは０または正の整数、０＜ξ＜２πである。こうして得られた、短波長から長波長への掃引時の波長の時間依存性λ_Ｕ（ｔ）の逆関数Ｔ１＝τ_Ｕ（λ）、長波長から短波長への掃引時の波長の時間依存性λ_Ｄ（ｔ）の逆関数Ｔ２＝τ_Ｄ（λ）を作成する。次いで、

を作成し、最後に、その逆関数

を作成する。これで、各子機の１掃引周期内での受光時間差から、受光波長を求めることが可能となる。このような波長掃引光源による波長の決定方法は、以下に述べる三角法による距離測定以外にも適用可能である。

　三角法による距離測定のためには、（式２）から、各波長における波長の掃引速度（∂λ／∂ｔ）が求まるので、（式１）から、扇状ビームの掃引角速度（∂θ／∂ｔ）が求められる事を利用する。

　図６において、二つの受光部（Ｃ，Ｄ）６２ａ，６２ｂの中心間距離をＧとする。受光部Ｃ，Ｄの受光波長をそれぞれλ_Ｃ，λ_Ｄ、受光時刻をそれぞれｔ_Ｃ，ｔ_Ｄとして、その平均波長λ_ｍ（＝（λ_Ｃ＋λ_Ｄ）／２）における、扇状ビームの掃引角速度（∂θ_ｍ／∂ｔ）から、子機間距離（Ｌ_Ｄ）は、

で求められる。測定精度を向上させるため、測定を繰り返し、測定回数（Ｎ）を大きくすることができ、計測された距離の平均をとれば、測定回数の平方根に反比例して測定誤差の標準偏差が小さくなり、測定精度を向上することができる。

　　（飛行時間法による距離測定）
　図８Ａに、飛行時間法による測量機間の距離測定を可能とする子機の受光部の配置を示す。上流の子機から前方に発出された光ビームを、隣接する子機の後方を向く面７１に設けられたレトロリフレクタＲ（コーナーキューブプリズムなどの入射光を常に入射方向に反射する光学反射素子）７２によって後方に反射し、上流の子機の前方を向く面８１に設けられた光発出口８３付近に隣接する受光部８２で受光させる（図８Ｂ）。飛行時間法での距離測定を実施するためには、光源の強度を何らかの方法で変調しなければならない。

　図９に、波長掃引光源の強度を高周波で変調する装置を示す。波長掃引光源９１からの出射光を、半導体光アンプ（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）などの光アンプ９４に入射し、光アンプ９４の増幅率を、電流アンプ９５を経由した高周波発生器９２で変調することで光強度変調を行う。波長掃引と同時に、波長掃引の繰り返し周波数（通常、数ｋＨｚの程度）よりはるかに高い周波数（例えば１～１００ＭＨｚの程度）で強度変調された光が光ファイバー９３を経由して子機に供給される。

　図１０に、飛行時間法で測量機間距離を測定する際の光波長掃引器を示す。参照信号として用いるために、上流側の子機内の光波長掃引器にフォトディテクタの内蔵が必要である。図２に示した光波長掃引器における回折格子３において、僅かながら発生する反射光または０次透過光を、フォトディテクタＰＤで受光し、参照信号を得る。この反射光は、理想的には存在しない光であるが、実際には表面の無反射コートが完全ではありえないために存在する光である。なお、回折格子３の反射光や０次透過光を参照信号として用いるのではなく、子機内の光ファイバー１にファイバカプラ等を挿入して入射光の一部を分岐し、分岐した光を参照光としてフォトディテクタＰＤに入力しても良い。

　図１１Ａに、強度変調されたレトロリフレクタからの反射光を受光した反射信号を示し、図１１Ｂに、参照信号を例示する。反射信号は、発出光が隣接する子機のレトロリフレクタを照射する角度（波長）でなければ、受光しない。波長掃引光源を用いる場合には、図７のＰＤ出力に示されるように、特定の時刻のみに反射信号がパルス状に発生する。ただし、光強度が変調されているために、受光角度において受光したパルス状の反射信号は、強度変調されている。一方、参照信号は強度変調の周期で常に振動を繰り返す信号として現れている。強度変調された光を用いることは、単に飛行時間法による測距が可能になることだけではなく、受光角度を求める際、光の変調周期と同程度の周波数成分のみ抜き出すバンドパスフィルタを用いることにより、ノイズ耐性が高くなるという利点がある。

　光速をｃとして、子機間距離の二倍の距離（２Ｌ_Ｄ）を飛行するのに、２Ｌ_Ｄ／ｃの飛行時間を要する。強度変調の周波数をｆ（Ｈｚ）として、子機の内部で計測した参照信号とレトロリフレクタからの反射信号は、位相差（ζ）

を持つ。例えば、ｆ＝２０ＭＨｚとき、ζ＝２πＬ_Ｄ×０．１３３３３となり、子機間距離が７．５ｍの整数倍で、位相差は２πとなる。位相差（ζ）が与えられたとき、Ｍを０または正の整数として、子機間距離Ｌ_Ｄは、

となる。未知の値Ｍは、別の周波数（ｆ_１）での位相差（ζ_１）を求めたとき、（式７）同様の式（式８）が整数Ｍ_１で成立するという条件から、求めることができる。

ここで、反射信号と参照信号との間で、強度変調の位相差を求めるためには、図１１の様に、反射信号内に複数サイクルの強度変調が含まれなければならない。そのためには、強度変調の周波数は、波長掃引の周波数に比べて、圧倒的に大きな値である必要がある。

　また、三角法で用いたのと同様に、波長掃引の周波数×計測時間で与えられる回数だけ、距離計測を繰り返すことが可能であり、計測された距離の平均をとれば、計測回数の平方根に反比例して、測定誤差が小さくなる。このようにして、水平面内の位置（角度）およびヨーイングに加えて、子機間距離を測定する方法として、三角法と飛行時間計測法とを適用することができる。

　　（鉛直方向位置と測量機の姿勢情報の取得）
　水平（横）方向の光掃引に加え、垂直（縦）方向の光掃引パターンで光ビームを発出することにより、鉛直方向の位置（角度）を求めることができる。

　図１２は、位置と姿勢の全６パラメータを計測するための２つの光掃引パターンを示している。測量機から発出した扇状掃引発出光は二種類あり、縦方向に扇形に伸びた光を横方向に掃引するパターンと、横方向に扇形に伸びた光を縦方向に掃引するパターンである。さらに測量機の隣接する子機に向いた面に複数の受光部を設けることにより、横方向位置（角度）、ヨーイング、測量機間距離、鉛直方向位置（角度）に加えて、ピッチング、および、ローリングの姿勢情報を求めることが可能である。

　図１３Ａ～図１３Ｅに、全６パラメータを測量可能な測量機（子機）の構成を示す。図１３Ｂおよび図１３Ｄにあるように、光ファイバー接続部Ｆｉｎから入力された光をコリメータで平行光にした後、ハーフミラーＨＭ１で横方向掃引用と縦方向掃引用の二つに分離する。ハーフミラーＨＭ１で反射した光は横方向掃引用として、透過型回折格子Ｇ１によって横方向に回折されたのち、ハーフミラーＨＭ２で前後二つに分離される。

　ハーフミラーＨＭ２の透過光は、縦方向にレンズパワーを持つシリンドリカル凹レンズまたはシリンドリカル凸レンズによって縦方向に扇状に広げられ、前方に発出される横掃引光となる。ハーフミラーＨＭ２の反射光は、さらにミラーＭ１によって反射され、縦方向にレンズパワーを持つシリンドリカル凹レンズまたはシリンドリカル凸レンズによって縦方向に扇状に広げられ、後方に発出される後方横掃引光となる。なお、シリンドリカル凸レンズを用いた場合には、一度、焦点位置で一度集光された後、扇状の射出光となる。

　ハーフミラーＨＭ１で分離された光のうち、透過光は縦方向掃引用として、ミラーＭ２によって、上方に跳ね上げられ、図１３Ａおよび図１３Ｄにあるように、透過型回折格子Ｇ２によって縦方向に回折される。回折された光はハーフミラーＨＭ３によって前後二つに分離される。ハーフミラーＨＭ３の透過光は、横方向にレンズパワーを持つシリンドリカル凹レンズによって横方向に扇状に広げられ、後方に発出される後方縦掃引光となる。ハーフミラーＨＭ３の反射光は、ミラーＭ３によって反射され、横方向にレンズパワーを持つシリンドリカル凹レンズによって横方向に扇状に広げられ、前方に発出される前方縦掃引光となる。

　図３と同様に、光を発出する子機を子機Ｂ、前方の子機を子機Ａ、後方の子機を子機Ｃとすると、子機Ｂから前方に発出する前方横掃引光を子機ＡのＰＤ１とＰＤ２が受光する時刻差から、子機Ｂに対する子機Ａのローリングを得ることができる。子機ＡのＰＤ１で受光する子機Ｂの前方縦掃引光の時刻から、子機Ｂに対する子機Ａの上下方向位置（角度）を知ることができる。さらに、子機Ｂから後方に発出する後方縦掃引光を子機ＣのＰＤ５が受光する時刻から、子機Ｃに対する子機Ｂの姿勢（ピッチング）を知ることができる。

　前述のように、横方向角度、および、ヨーイングは横掃引光を使って求めることが可能である。距離についても、三角法による距離測定を適用して、横掃引光をＰＤ１とＰＤ３が受光する時刻差から求めることができる。また、強度変調による距離測定の使用も可能である。この様にして、位置と姿勢の全６パラメータの値を、一度にすべて精度よく測定する測量機を実現する事が可能となり、従来に比べてトンネルなどの測量における測量精度と測量効率を大幅に向上した測量システムを実現することができる。

　本実施形態によれば、トンネル工事において、トンネル内に測量機を配置し、測量機の相対位置や姿勢などの複数のパラメータを求めることで、トンネルの軌跡を求めることができる。従来方式に比べ、測量機の相対位置だけではなく、姿勢などの他のパラメータも求めることができるため、測量の精度と効率を大幅に向上させることが可能となる。

　　（具体的実施例）
　以下、本発明の具体的実施例について詳細に説明する。

　　（実施例１）
　図２において、透過型回折格子３として、１２００本／ｍｍのグレーティングを選択する。光源は、波長を１２６０ｎｍから１３６０ｎｍまで変えられる波長可変光源を用いる。波長可変光源の光は、各子機に備えられた光スイッチにより、その光スイッチが内蔵された子機内で発出されるか、下流の子機に供給されるかを選択できるようにする。ＮＡ＝０．１４のシングルモード光ファイバー１からの出射光を、焦点距離１３．８６ｍｍの非球面レンズであるコリメータレンズ２を用いて４ｍｍφのコリメート光を作成する。図２には表示されていないが、コリメータレンズ２と透過型回折格子３との間に、面内でビーム径を２倍にするアナモルフィックプリズムペアを挿入し、４×８ｍｍの楕円型コリメート光を透過型回折格子に入射する。

　回折格子３の法線と、入射光のなす角度は、５５°とする。このとき、中心波長である１３１０ｍ，における回折角度は４８．８°であるから、回折光の断面は４×９．２ｍｍの楕円となっている。波長を１２６０ｎｍとすると回折角度は４３．８°、波長を１３６０ｎｍとすると回折角度は５４．４°であり、１０°以上の角度をカバー可能である。前方、および後方に発出される際に通過するシリンドリカル凹レンズ４の焦点距離は、－５５ｍｍに設定し、出射光を上下に±２°の広がり角で扇状に広げている。

　受光部は図６の配置を選択する。前方、および後方を向く面の断面は５０×５０ｍｍであり、受光部６２ａ，６２ｂは１２ｍｍφの円形である。光発出口６３は、縦５ｍｍ×横１５ｍｍの長方形とする。後方を向く面の受光部６２ａ，６２ｂの中心は、水平方向に距離Ｇ＝３０ｍｍ離れている。

　図３を参照して、子機Ｂの前方を向く面から光を発出し、波長掃引光源の発振波長を徐々に変え、子機Ａの後方を向く面に備えられた受光部が最大光量を受け取る波長を求める。その波長をλ_１，λ_２としたとき、その平均波長λ_０（－（λ_１＋λ_２）／２）を（式１）に代入し、

から、子機Ｂに対する子機Ａの横方向の角度が求められる。ここで、波長は単位ｎｍで入力する。また、子機Ａと子機Ｂの距離（Ｌ_Ｄ）は、

で与えられる。

　次に、光スイッチを切り替え、波長可変光源からの光ファイバー経由の光を、子機Ａに入力し、子機Ａの後方を向く面からの発出光を子機Ｂの前方を向く面の受光部で受光する。受光部が最大光量を受け取る波長を求める。その波長をλ_３としたとき、子機Ｂに対して、子機Ａは、sin^-1(0.83333λ₃－0.81915)だけ水平面内で傾いていると計測される。

　　（実施例２）
　光源として、２ｋＨｚの周波数で、１２６０ｎｍから１３６０ｎｍの波長を往復する、波長掃引光源を用いる。子機の光学系は実施例１と同じである。実施例１との違いは、同一の受光部が、短波長から長波長への掃引時に最大光量を受光する時刻と、長波長から短波長への掃引時に最大光量を受光する時刻との差から、受光波長を求めることである。２ｋＨｚの周波数なので、４０秒間で８００００回の計測が可能であり、測定値を平均することにより、誤差が１／２８３に低下する。受光部の直径が１２ｍｍなので、最大光量を受光するタイミングを位置に変換すると、直径の１／１０、即ち１．２ｍｍ程度の誤差は避けられない。しかし、４０秒の連続計測により、誤差は４．２μｍ程度に軽減される。

　三角法による距離計測では、受光部６２ａ，６２ｂの中心間の距離Ｇ＝３０ｍｍで５０ｍ先の距離を測定するとき、中心間距離Ｇの誤差は、５０ｍ÷３０ｍｍ、即ち１６６６倍に強調される。中心間距離Ｇが１．２ｍｍ揺らぐと、誤差は２ｍとなる。中心間距離Ｇの誤差が４．２μｍであれば、５０ｍの距離計測での誤差は７ｍｍに減少する。

　　（実施例３）
　光源は実施例２と同じであるが、光源と子機の間に、ＳＯＡを挿入し、２０ＭＨｚ、または、１５ＭＨｚで強度変調をかけられるようにしておく。子機は、図８Ａおよび図８Ｂに示した受光部を使う。子機内の光ファイバーから発出までは、実施例１と同じである。さらに、図１０に示されるように透過型回折格子３の反射光をフォトディテクタＰＤで受光する。子機の後方を向く面７１には直径１インチのレトロリフレクタＲ７２を配置する。レトロリフレクタＲ７２の３枚ミラーは、図８Ａに示されるように０時、４時、８時の方向にミラー境界が来るように設置される。子機の前方を向く面８１の光発出口８３の直上に受光部８２があり、光発出口８３中心と受光部８２中心の距離は１２ｍｍである。角度計測時には、ＳＯＡの電流変調は不要である。

　図３を参照して、子機Ｂから発した光は、子機ＡのレトロリフレクタＲによって反射され、子機Ｂの前方を向く面にある受光部で受光される。受光タイミングから受光波長を求める方法は実施例２と同じである。受光波長から、子機Ａの子機Ｂに対する横方向角度が求められ、子機Ａの後方を向く面から発光した光を子機Ｂの前方を向く面の受光器が受光することにより、子機Ｂに対する子機Ａのヨーイングを求められる。

　角度測定により、レトロリフレクタＲから、どの波長、タイミングで光が受けられるかわかっている。そこで、波長掃引光源の掃引信号をトリガとして、光を受けられるようオシロスコープのトリガ遅延を決定し、サンプリング速度を２５０ＭＳＰＳにして、１０２４サンプルを取得する。これは、４μｓのデータ取得時間に相当する。前方を向く面に設置された受光部の信号（Ｓ_ｉ：０≦ｉ＜１０２４）と、子機内のフォトディテクタの信号（Ｒ_ｉ：０≦ｉ＜１０２４）の相互相関をとる。

　具体的には、それぞれの信号を離散フーリエ変換し、子機内のフォトディテクタ信号のみ複素共役をとったのち、両者を乗じ、逆フーリエ変換を行う。次に、最大値を与える指標近傍で、二次関数フィットを行い、最大値を与える指標を整数ではなく実数で求める。求めた実数に２π／１０２４を乗じた値（ζ）が、（式７）における位相差である。同様の作業を１５ＭＨｚの変調周波数でも行ってζ_１を求め、（式７）および、（式８）を使って距離を求める。実用上の問題点として、内蔵のフォトディテクタが受光する光量に比べて、前方を向く面に設けられた受光部が受け取る光量が圧倒的に小さく、アンプで増幅しなければならない。従って、アンプによる遅延があるので、変調周波数に関係ない遅延時間（ｔ_Ｄ）がＲ_ｉに対してＳ_ｉには生じている。

　これを補正するためには、

のように、補正が必要である。遅延時間は、各子機に内蔵されたアンプの個性があるために、既知の距離での測距を行い、子機ごとに固有のｔ_Ｄを求めておく必要がある。

　　（実施例４）
　子機が１台の場合の最小単位の実施例である。前述のように、親機と子機を兼ねた測量機、または親機、基準機および子機を兼ねた測量機としても良い。基準機内に波長可変（掃引）光源を内蔵しても良い。

　図１４に、測量機が１個の場合の実施例を示す。トンネル３１外の立坑３２に子機５５が１台配置される。この子機５５は、トンネル３１を向く方向に、図４Ｂで示した「前方を向く面２１」が向いている。トンネル３１の先頭にある掘削機５１の後ろには、レトロリフレクタＲ５６が設置されている。

　子機から発した光は、「掃引範囲」で示される角度で光の進行方向が振動している。その掃引角度範囲内にレトロリフレクタＲが存在すると、レトロリフレクタＲを向く方向の光が反射され、子機に戻ってくる。光の角度掃引の往復の時間差から、図７を用いて説明した方法で、レトロリフレクタＲの位置に相当する波長とその出射角度が求められる。さらに、出力光に強度変調をかけ、実施例２に倣い、子機からレトロリフレクタＲまでの距離を計測することが可能である。

Claims

　波長可変光源からの光を発出可能な１ないし複数の発出口と、隣接する測量機から発出された光または反射された光を受光する１ないし複数の受光部を有する測量機であって、
　前記発出口からの発出光が扇状のパターンであり、かつ、扇状に拡がる方向と垂直方向に、出射角度が光の波長の単調な関数として変わるように発出され、
　隣接する測量機から発出され受光される波長、または、隣接する測量機によって反射された光を発出した測量機自身が受光する波長を求めることで、測量機の相対的位置関係及び姿勢のパラメータの少なくとも一つを測定することを特徴とする、測量機。
　前記波長可変光源の波長は、所定波長範囲内において所定周期で掃引されており、光を発出した測量機に隣接する測量機、または、光を発出した測量機自身が、波長掃引の一周期中に所定波長を受光する２つの時刻の時間差を測定することで、受光する波長を求めることを特徴とする、請求項１に記載の測量機。
　前記波長可変光源の出力光は、特定の周波数で強度変調されており、
　光発出前の光強度変化を参照信号として検出するとともに、
　光学反射素子を備えた隣接測量機からの反射光の光強度変化を反射信号として検出し、
　両信号の位相差を、少なくとも二つの周波数で求めることにより、
　隣接測量機との間の距離を求めることを特徴とする、請求項１または２に記載の測量機。
　隣接する測量機に、少なくとも二つの受光部を設け、かつ、該二つの受光部は、光を発出する測量機が出射角度を偏向する方向に所定間隔で異なる位置に配置され、
　二つの受光部が受光する時間差を測定する事により、
　二つの測量機間の距離を求めることを特徴とする、請求項２に記載の測量機。
　前方または後方を向く少なくとも一面から、少なくとも二つの出射角度変更パターンで光を発出し、発出される光の出射角度を変更する方向が、互いに直交していることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の測量機。
　波長可変光源を有する親機からの波長可変光を光ファイバーにより受信し、一部を分岐して発出口より発出するとともに、残りを光ファイバーで更に下流の測量機へ伝送する請求項１乃至５のいずれかに記載の測量機を縦続接続してなる測量システム。
　測量機自身が波長可変光源を有してなり、トンネル先端の掘削機に設けられた光学反射素子からの光を受光する請求項１乃至５のいずれかに記載の測量機。