光空間通信における捕捉追尾方法、捕捉追尾機構および捕捉追尾システム
【課題】
本発明は、光空間通信において高精度に相手局を初期捕捉して捕捉追尾することが可能な光空間通信における捕捉追尾方法、捕捉追尾機構および捕捉追尾システムを提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明に係る捕捉追尾機構１０は、パルス状の初期捕捉光５０を送信し、初期捕捉光５０が反射された反射初期捕捉光６０を受信する光アンテナ部２０と、初期捕捉光５０を生成して出力すると共に反射初期捕捉光６０を検知した時に検知信号を生成して出力する初期捕捉部３０と、初期捕捉時に初期捕捉光５０を所定の軌道で走査し、初期捕捉部３０から検知信号が入力された時に初期捕捉から捕捉追尾に移行する制御部４０と、を備える。
本発明は、光空間通信において高精度に相手局を初期捕捉して捕捉追尾することが可能な光空間通信における捕捉追尾方法、捕捉追尾機構および捕捉追尾システムを提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明に係る捕捉追尾機構１０は、パルス状の初期捕捉光５０を送信し、初期捕捉光５０が反射された反射初期捕捉光６０を受信する光アンテナ部２０と、初期捕捉光５０を生成して出力すると共に反射初期捕捉光６０を検知した時に検知信号を生成して出力する初期捕捉部３０と、初期捕捉時に初期捕捉光５０を所定の軌道で走査し、初期捕捉部３０から検知信号が入力された時に初期捕捉から捕捉追尾に移行する制御部４０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、離れた２局間において空間伝搬光線を用いて通信を行う光空間通信における捕捉追尾方法、捕捉追尾機構および捕捉追尾システムに関し、特に、光空間通信を開始するにあたり初期捕捉を行う捕捉追尾方法、捕捉追尾機構および捕捉追尾システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光空間通信では、空間伝搬光線を有効に使うため、空間伝搬光線の光ビーム広がり角を極力小さくすることが望ましい。２局間距離が数１０ｋｍに亘る長距離通信の場合、空間伝搬光線の広がり角は数ｍｒａｄ以下（システムによっては数１０μｒａｄ程度）に設定される。このため、２局間の光リンクを継続するためには互いの局から送信される空間伝搬光線に対する捕捉追尾技術が重要となる。一方の局、あるいは、両方の局が航空機などの移動局の場合、捕捉追尾技術の中でも特に、光空間通信開始時に相手局を捕捉する初期捕捉技術が重要となる。
【０００３】
特許文献１には、光空間通信における初期捕捉技術が開示されている。特許文献１の光空間通信装置の構成図を図８に示す。特許文献１の光空間通信装置９００において、Ａ局９１０Ａは送信モジュール９２０Ａおよび受信モジュール９６０Ａから構成され、Ｂ局９１０Ｂは送信モジュール９２０Ｂおよび受信モジュール９６０Ｂから構成される。Ａ局９１０Ａ−Ｂ局９１０Ｂ間で光空間通信を開始する場合、送信モジュール９２０Ａ、９２０Ｂから、水平駆動機構９３０Ａ、９３０Ｂにより水平方向に低速で駆動しつつ、スキャナ９４０Ａ、９４０Ｂでミラー９５０Ａ、９５０Ｂを上下方向に高速で回動させながら、通信光を出射すると共に、受信モジュール９６０Ａ、９６０Ｂにおいて、相手局の再帰反射体９７０Ｂ、９７０Ａから反射された通信光を監視する。そして、反射光の信号レベルが最大となる走査座標に光軸を調整し（粗調整）、さらに、反射光を用いて２局間の距離を計測して予め保持している距離情報と比較する等によって光軸を再調整し（微調整）、初期捕捉を完了する。
【０００４】
一方、特許文献２には、光空間通信とは異なるが、距離測定用パルス光と通信用レーザ光とを混合して対象物へ出射し、対象物の距離および座標を求める螺旋走査および対象物への情報送信を同時に行う自動追尾光通信装置が開示されている。特許文献２の技術は、距離測定用パルス光が戻ってくるまでの時間を計測して対象物までの距離を演算する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２４４４０８号公報
【特許文献２】特開平３−２０００９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の光空間通信装置９００は、初期捕捉用光線として２局間の光空間通信に使用する通信光を利用する。相手局からの通信光が局間距離の２乗に比例して減衰するのに対して、初期捕捉用光線の通信光の反射光は距離の４乗に比例して減衰することから、２局の通信光の出力レベルが同程度の場合、初期捕捉用通信光の反射光は、相手局から直接送られる通信光と比較して桁違いに弱いレベルとなり、相手局から送信された通信光から初期捕捉用通信光の反射光を検出するのは困難である。
【０００７】
一方、特許文献２の自動追尾光通信装置は、距離測定用パルス光と通信用レーザ光とを混合光線を用いることから、距離測定用パルス光の反射光を高精度に検出できるものの、該距離測定用パルス光を用いた距離測定の精度には限界があり、広がり角を極力小さくする必要がある光空間通信に特許文献２の技術をそのまま適用することはできない。
【０００８】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、光空間通信において高精度に相手局を初期捕捉して捕捉追尾することが可能な光空間通信における捕捉追尾方法、捕捉追尾機構および捕捉追尾システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係る光空間通信における捕捉追尾方法は、初期捕捉時に、パルス状の初期捕捉光を生成して光アンテナ部から所定の軌道で送信し、初期捕捉光の反射光である反射初期捕捉光を検知した時に検知信号を生成して出力し、検知信号が出力された時、初期捕捉から捕捉追尾に移行する。
【００１０】
上記目的を達成するために本発明に係る捕捉追尾機構は、パルス状の初期捕捉光を送信し、初期捕捉光が反射された反射初期捕捉光を受信する光アンテナ部と、初期捕捉光を生成して出力すると共に反射初期捕捉光を検知した時に検知信号を生成して出力する初期捕捉部と、初期捕捉時に初期捕捉光を所定の軌道で走査し、初期捕捉部から検知信号が入力された時に初期捕捉から捕捉追尾に移行する制御部と、を備える。
【００１１】
上記目的を達成するために本発明に係る捕捉追尾システムは、初期捕捉光を反射初期捕捉光として反射する再帰反射部を備える第１の光空間通信装置と、上述の捕捉追尾機構を備える第２の光空間通信装置と、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光空間通信における捕捉追尾方法、捕捉追尾機構および捕捉追尾システムを適用することにより、光空間通信において高精度に相手局を初期捕捉して捕捉追尾することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る捕捉追尾機構１０のブロック構成図の一例である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る捕捉追尾システム１００のシステム構成図の一例である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るＡ局２００の光アンテナ２１０および光学部２２０の構成図の一例である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る初期捕捉センサ２２８の構成図の一例である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るＡ局２００の初期捕捉における走査パターンの一例である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る捕捉追尾システム１００の初期捕捉から捕捉追尾にいたるまでのシーケンスの一例である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る捕捉追尾システム１００Ｂのシステム構成図の一例である。
【図８】特許文献１の光空間通信装置９００の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る捕捉追尾機構について説明する。本実施形態に係る捕捉追尾機構のブロック構成図の一例を図１に示す。図１において、捕捉追尾機構１０は、光アンテナ部２０、初期捕捉部３０および制御部４０を備える。
【００１５】
光アンテナ部２０は、初期捕捉光５０を送信すると共に、初期捕捉光５０の反射光である反射初期捕捉光６０を受信する。
【００１６】
初期捕捉部３０は、初期捕捉光５０を生成して光アンテナ部２０へ出力する。本実施形態において、初期捕捉部３０は、高繰り返しのパルス光を生成して光アンテナ部２０へ出力する。また、初期捕捉部３０は、光アンテナ部２０から反射初期捕捉光６０が受信されたか否かを監視し、反射初期捕捉光６０が受信された時、検知信号を生成して制御部４０に出力する。本実施形態において、初期捕捉部３０は、光アンテナ部２０から入射した信号を監視し、所定の閾値より大きいパルス波高値が検出された場合、反射初期捕捉光６０が受信されたと判定する。
【００１７】
制御部４０は、初期捕捉時に初期捕捉光５０を所定の軌道で走査し、初期捕捉部３０から検知信号が入力された時、初期捕捉から捕捉追尾に移行する。本実施形態において、制御部４０は初期捕捉時に、光アンテナ部２０の指向方向を低速で調整するのと同期させて初期捕捉光５０の光軸を高速で調整することによって、初期捕捉光５０を所定の軌道で走査する。また、制御部４０は捕捉追尾時に、光アンテナ部２０の指向方向を位置情報として取得し、取得した位置情報に基づいて光アンテナ部２０の指向方向をフィードバック制御する。
【００１８】
上述の捕捉追尾機構１０において、初期捕捉光５０として高繰り返しのパルス光を用いることから、初期捕捉部３０は反射初期捕捉光６０を簡易にかつ高精度で検出することができる。従って、本実施形態に係る捕捉追尾機構１０は、相手局を速やかに初期捕捉することができる。
【００１９】
さらに、捕捉追尾機構１０は、反射初期捕捉光６０が検知された時、直ちに、初期捕捉から捕捉追尾に移行する。反射初期捕捉光６０が検出された時の位置情報を用いて捕捉追尾を開始することにより、初期捕捉結果を利用して、より確度が高い捕捉追尾を速やかに開始することができる。
【００２０】
以上のように、本実施形態に係る捕捉追尾機構１０は、光空間通信において高精度に相手局を初期捕捉して捕捉追尾することができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る捕捉追尾システムについて説明する。本実施形態に係る捕捉追尾システムのシステム構成図の一例を図２に示す。また、本実施形態に係るＡ局の光アンテナおよび光学部の構成図の一例を図３に示す。
【００２２】
図２において、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００は、Ａ局２００およびＢ局３００を備える。Ａ局２００は、主に、光アンテナ２１０、光学部２２０、粗捕捉追尾機構２３０および図示しない制御部２５０を備える。Ｂ局３００は、主に、光アンテナ３１０、光学部３２０、粗捕捉追尾機構３３０、再帰反射体３４０および図示しない制御部３５０を備える。なお、光アンテナ２１０、後述する初期捕捉センサ２２８および制御部２５０が、請求項の捕捉追尾機構を構成する。
【００２３】
以下、Ａ局２００の構造について詳細に説明する。なお、Ｂ局３００の光アンテナ３１０、光学部３２０および粗捕捉追尾機構３３０はＡ局２００のそれらとほぼ同様に構成されており、詳細な説明は省略する。但し、光アンテナ３１０は、光学部３２０から出力されたＢ局送信光３６０をＡ局２００へ向けて送信する。また、Ｂ局３００の光学部３２０は、後述のスプリッタ２２７および初期捕捉センサ２２８は備えない。さらに、再帰反射体３４０は、Ａ局２００から出射された初期捕捉光２７０を反射初期捕捉光３７０として反射する。本実施形態では、再帰反射体３４０として、有効径が２５ｍｍの裏面に銀をコーティングしたＣＣＲ（コーナキューブリフレクタ：Ｃｏｒｎｅｒ Ｃｕｂｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を適用した。
【００２４】
図２において、Ａ局２００の光アンテナ２１０は、光学部２２０から出力されたＡ局送信光２６０および初期捕捉光２７０をＢ局３００へ送信し、Ｂ局３００からＢ局送信光３６０および反射初期捕捉光３７０を受信して光学部２２０へ出力する。図３に示すように、本実施形態では光アンテナ２１０として、主反射器２１１および副反射器２１２から成るφ１００ｍｍのカセグレンアンテナを適用した。
【００２５】
光学部２２０は、Ａ局送信光２６０および初期捕捉光２７０を生成して光アンテナ２１０へ出力すると共に、光アンテナ２１０を介してＢ局３００から受信したＢ局送信光３６０および反射初期捕捉光３７０を処理する。本実施形態において、Ａ局送信光２６０は光通信信号が乗った連続レーザ光であり、Ａ局送信光２６０の出力は連続で０．２Ｗ、波長は１５４０ｎｍ、光ビーム広がり角は０．４ｍｒａｄである。一方、初期捕捉光２７０は高繰り返しのパルスレーザ光であり、初期捕捉光２７０の出力はパルスでピーク出力１０Ｗ、波長は７８０ｎｍ、光ビーム広がり角は０．４ｍｒａｄである。Ａ局送信光２６０と初期捕捉光２７０とを同軸にすることにより、光アンテナ２１０を共有する。また、初期捕捉光２７０の光ビーム広がり角をＡ局送信光２６０の光ビーム広がり角と同程度かまたはそれより小さく設定することにより、初期捕捉光２７０がＢ局３００から反射されるのと同時に、Ａ局送信光２６０がＢ局３００を照射するようになる。なお、Ｂ局３００から出力されるＢ局送信光３６０は、光通信信号が乗った連続レーザ光であり、Ｂ局送信光３６０の出力は連続で０．２Ｗ、波長は１５６０ｎｍ、光ビーム広がり角は０．０４ｍｒａｄである。Ａ局送信光２６０、初期捕捉光２７０（反射初期捕捉光３７０）およびＢ局送信光３６０の波長を変えることにより、それぞれの光学部２２０、３２０が送受信の信号分離を容易に行うことができる。
【００２６】
光学部２２０の説明に戻る。図３において、光学部２２０は、１/４波長板２２１、精捕捉追尾機構２２２、捕捉センサ２２３、追尾センサ２２４、送信光学系２２５、受信光学系２２６、スプリッタ２２７および初期捕捉センサ２２８を備える。
【００２７】
１／４波長板２２１は、送信光学系２２５から出射された直線偏光のＡ局送信光２６０（１５４０ｎｍ）を円偏光に変換して光アンテナ２１０へ出力すると共に、光アンテナ２１０から入力された円偏光のＢ局送信光３６０（１５６０ｎｍ）を直線偏光に変換して受信光学系２２６側へ出力する。なお、１／４波長板２２１は、初期捕捉光２７０（７８０ｎｍ）および反射初期捕捉光３７０（７８０ｎｍ）に対しては１／２波長板として機能するため、初期捕捉光２７０および反射初期捕捉光３７０の偏光状態は変化しない。
【００２８】
精捕捉追尾機構２２２は、小型ミラーをＸ軸、Ｙ軸方向に偏向させることによって、光アンテナ２１０から送信するＡ局送信光２６０および初期捕捉光２７０を走査する。本実施形態において、精捕捉追尾機構２２２としてボイスコイル方式の２軸駆動機構を適用し、３００Ｈｚ以上の高速動作で瞬時受信視野角を±５度以上の角度範囲でＡ局送信光２６０を走査する。
【００２９】
捕捉センサ２２３および追尾センサ２２４は、一般的な位置センサである。捕捉センサ２２３がＢ局送信光３６０を検知することによって粗捕捉が開始される。粗捕捉では、捕捉センサ２２３の誤差データを元に誤差データが最小となるように精捕捉追尾機構２２２がフィードバック制御される。粗捕捉が完了すると、引き続いて精追尾が開始される。精追尾では、追尾センサ２２４の誤差データを元に、誤差データが最小となるように精捕捉追尾機構２２２がフィードバック制御される。本実施形態では、捕捉センサ２２３および追尾センサ２２４として、ＩｎＧａＡｓ４分割ダイオードの位置センサを適用した。
【００３０】
送信光学系２２５は、直線偏光のＡ局送信光２６０を生成して１／４波長板２２１側に出力する。受信光学系２２６は、光アンテナ２１０および１／４波長板２２１を介して入力した直線偏光のＢ局送信光３６０を処理する。
【００３１】
スプリッタ２２７は、初期捕捉センサ２２８から入射した初期捕捉光２７０をＡ局送信光２６０と同軸になるように光アンテナ２１０側へ出射すると共に、光アンテナ２１０から入射した光線から反射初期捕捉光３７０を分離して初期捕捉センサ２２８側へ出射する。本実施形態では、スプリッタ２２７としてダイクロイックミラーを適用した。
【００３２】
初期捕捉センサ２２８は、円偏光の初期捕捉光２７０を生成してスプリッタ２２７へ入射する。また、初期捕捉センサ２２８は、光アンテナ２１０を介して反射初期捕捉光３７０が入射したか否かを監視し、反射初期捕捉光３７０を検出した時、制御部２５０へ初期捕捉信号を出力する。初期捕捉センサ２２８の構成図の一例を図４に示す。図４において、初期捕捉センサ２２８は、レーザ生成部２８１、ビーム整形部２８２、偏光ビームスプリッタ２８３、１／４波長板２８４、検出部２８５および初期捕捉制御部２８６を備える。
【００３３】
レーザ生成部２８１は、パルスレーザダイオードとその駆動回路からなり、初期捕捉光２７０を生成してビーム整形部２８２へ出力する。本実施形態において、レーザ生成部２８１は、波長７８０ｎｍ、パルス幅１０ｎｓの初期捕捉光２７０を、ピーク出力１０Ｗ、パルス繰り返し１０ｋＨｚで出力する。ビーム整形部２８２は、レーザ生成部２８１から出力された初期捕捉光２７０の広がり角を調整して偏光ビームスプリッタ２８３へ出射する。偏光ビームスプリッタ２８３は、ビーム整形部２８２から出射された初期捕捉光２７０を１／４波長板２８４側へ出射すると共に、１／４波長板２８４からから出射された反射初期捕捉光３７０を検出部２８５側へ出射する。１／４波長板２８４は、偏光ビームスプリッタ２８３から入射した初期捕捉光２７０を円偏光に変換してスプリッタ２２７へ出射すると共に、スプリッタ２２７から入射した反射初期捕捉光３７０を直線偏向に変換して偏光ビームスプリッタ２８３へ出射する。
【００３４】
検出部２８５は、偏光ビームスプリッタ２８３から入射した反射初期捕捉光３７０を所定のタイミングで検出し、検出した反射初期捕捉光３７０を電気パルスに変換して初期捕捉制御部２８６へ出力する。初期捕捉制御部２８６は、基本クロックを発生してレーザ生成部２８１および検出部２８５へ出力すると共に、検出部２８５から入力された電気パルスの波高値を所定の基準値と比較し、反射初期捕捉光３７０の波高値が基準値を超えた時、初期捕捉信号を生成して制御部２５０に出力する。
【００３５】
本実施形態において、レーザ生成部２８１は基本クロックに同期してパルスレーザ光の初期捕捉光２７０を生成して出力し、検出部２８５は基本クロック同期したタイミングで反射初期捕捉光３７０を検出する。基本クロックに同期して、初期捕捉光２７０が出力されてから一定時間の間に戻ってきたパルスレーザ光だけを検知するようにすることにより（すなわち、レンジゲート機能）、反射初期捕捉光３７０以外の不要なノイズによる誤検知を抑制することができる。
【００３６】
図２の説明に戻る。粗捕捉追尾機構２３０は、光アンテナ２１０の指向方向を制御する。本実施形態では、粗捕捉追尾機構２３０を２軸のジンバルに構成した。
【００３７】
図示しない制御部２５０は、初期捕捉サーチにおいて、粗捕捉追尾機構２３０および精捕捉追尾機構２２２を制御して初期捕捉光２７０を所定の軌道で走査する。そして、初期捕捉センサ２２８から初期捕捉信号が入力された時、初期捕捉サーチを停止してプログラム追尾へ移行する。制御部２５０は、プログラム追尾において、初期捕捉信号を受信した時の光アンテナ２１０の指向方向と、自局の位置データと図示しない記憶部に保存されているＢ局３００の位置データとから計算して得た相手局の方向との角度ズレ（以下、バイアス角度と記載する。）を演算し、光アンテナ２１０が追尾時の２局の位置データから計算したＢ局２００の方向（以下、基準方向と記載する。）に演算したバイアス角度を加算した方向を向くように制御してＢ局３００の追尾を開始する。そして、制御部２５０は、光空間通信において、光学部２２０の捕捉センサ２２３および追尾センサ２２４が取得した位置情報に基づいて精捕捉追尾機構２２２の小型ミラーの角度を制御することにより、Ａ局送信光２６０を走査すると共に受信したＢ局送信光３６０を受信光学系２２６へ導く。
【００３８】
ここで、制御部２５０は、初期捕捉サーチにおいて初期捕捉光２７０を所定の軌道で走査することにより、予め設定した基準方向を基準とした一定の角度範囲内で初期捕捉サーチを実施する。初期捕捉サーチ時の走査パターンの一例を図５に示す。図５において、制御部２５０は、Ｂ局３００が航空機などの移動局の場合を想定して、初期捕捉光２７０を粗捕捉追尾機構２３０により水平方向に低速で走査し、それに同期させて精捕捉追尾機構２２２により垂直方向に高速で走査する。航空機などの移動局は水平方向の移動速度が大きく、バイアス角度も大きくなるため、水平方向の走査範囲を広く取ることが望ましい。本実施形態では、水平方向の走査範囲を約３４ｍｒａｄ、垂直方向の走査範囲を約０．４ｍｒａｄ、初期捕捉光２７０のビーム広がり角を０．４ｍｒａｄとした。なお、初期捕捉光２７０の軌道は図５に示した走査パターンに限定されず、例えば、粗捕捉追尾機構２３０のみを制御して初期捕捉光２７０を走査することもできる。
【００３９】
次に、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００の動作について説明する。初期状態において、Ａ局２００の光アンテナ２１０とＢ局３００の光アンテナ３１０とは、互いに予め設定された基準方向を指向している。この場合、直ちにＡ局２００およびＢ局３００が互いを照射する状態が実現できると考えられるが、一般的に、各種の角度誤差が発生して基準方向との角度ズレが発生するため、初期捕捉サーチが必要となる。以下、初期捕捉サーチから捕捉追尾にいたるまでの捕捉追尾システム１００の動作について図６を用いて説明する。
【００４０】
ステップ１：初期状態において、Ａ局２００は「初期捕捉サーチ」を開始する。すなわち、Ａ局２００の制御部２５０は、粗捕捉追尾機構２３０および精捕捉追尾機構２２２を制御して初期捕捉光２７０を所定の軌道で走査する。初期捕捉光２７０がＢ局３００方向を向いたとき、初期捕捉光２７０の一部がＢ局３００の再帰反射体３４０に入射し、反射初期捕捉光３７０として反射される。再帰反射体３４０から反射された反射初期捕捉光３７０の一部はＡ局２００の光アンテナ２１０で受信され、初期捕捉センサ２２８によって検知される。初期捕捉センサ２２８は、反射初期捕捉光３７０を検知した時、初期捕捉信号を制御部２５０に出力する。
【００４１】
ステップ２：Ａ局２００の制御部２５０は、初期捕捉センサ２２８から初期捕捉信号が入力された時、「初期捕捉サーチ」を停止して「プログラム追尾」に移行する。
【００４２】
ステップ３：Ａ局２００の制御部２５０は、「プログラム追尾」に移行すると、「初期捕捉サーチ」で取得したバイアス角度を用いて２局の位置情報から演算されるＢ局３００の基準方向を補正し、Ｂ局３００の追尾を開始する。これにより、Ａ局送信光２６０はＢ局３００を常に照射している状態となる。Ａ局送信光２６０がＢ局３００を照射するのに伴い、Ｂ局３００は「サーチ」を開始する。「サーチ」ではＢ局３００の制御部３５０が、粗捕捉追尾機構３３０を駆動してＢ局３００の受信視野方向を走査し、Ａ局２００の方向をサーチする。Ｂ局３００の受信視野方向がＡ局２００の方向を向いた時、Ａ局送信光２６０がＢ局３００の捕捉センサ３２３により検知される。
【００４３】
ステップ４：Ｂ局３００の捕捉センサ３２３でＡ局送信光２６０が検知されると、Ｂ局３００の制御部３５０は、「サーチ」を終了して「粗補足」を開始する。「粗捕捉」では、捕捉センサ３２３の誤差データを元に、誤差データが最小となるように精捕捉追尾機構３２２をフィードバック制御してＡ局２００を中心位置に捕捉する。
【００４４】
ステップ５：Ｂ局３００の制御部３５０が「粗捕捉」を行うのに伴い、Ａ局２００でもＢ局送信光３６０が捕捉センサ２２３で検知されるようになり、Ａ局２００も「粗補足」を開始する。Ａ局２００における「粗捕捉」により、Ｂ局３００が中心位置に捕捉される。
【００４５】
ステップ６：Ａ局２００とＢ局３００とは、ほぼ同時に「粗捕捉」を終了して「精追尾」を開始する。「精追尾」では追尾センサ２２４、３２４の誤差データを元に、誤差データが最小となるように精捕捉追尾機構２２２、３２２をフィードバック制御して相手局をそれぞれ追尾する。これにより２局間の光リンクが確立する。
【００４６】
以上のように、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００は、初期捕捉サーチ用の初期捕捉光２７０として高繰り返しのパルスレーザ光を用いることにより、初期捕捉センサ２２８が単純なしきい値検知方法を適用して反射初期捕捉光３７０を高精度でかつ簡易に検出することができる。なお、初期捕捉光２７０の光ビーム広がり角を、Ａ局送信光２６０の光ビーム広がり角とほぼ同じ値かそれより小さい値に設定することにより、初期捕捉光２７０がＢ局３００を照射した時、Ａ局送信光２６０がＢ局３００を照射するようになる。
【００４７】
ここで、捕捉追尾システム１００は、Ａ局２００の光学部２２０の受信光学系２２６の前段に、初期捕捉光２７０および反射初期捕捉光３７０を合分波するスプリッタ２２７と、初期捕捉光２７０を出射すると共に反射初期捕捉光３７０を検知する初期捕捉センサ２２８とを追加するだけで良く、単純な構成とすることができる。さらに、受信光学系２２６の前段にスプリッタ２２７および初期捕捉センサ２２８を追加する場合、初期捕捉光２７０の光学系とＡ局送信光２６０の光学系とを同軸に形成して光アンテナ２１０を共有することができ、初期捕捉サーチを効率よく行うことができる。
【００４８】
また、初期捕捉サーチにおいて反射初期捕捉光３７０が検知された後、Ａ局２００の制御部２５０が直ちに、Ａ局送信光２６０およびＢ局送信光３６０を用いた捕捉追尾に移行することにより、より確度が高い捕捉追尾を行って安定的に光リンクを確立することができる。
【００４９】
従って、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００は、光空間通信において高精度に相手局を初期捕捉して捕捉追尾することができる。
【００５０】
なお、初期捕捉光２７０のパルス繰り返しを上げることにより、相手局が高速で移動している場合も相手局を速やかに初期捕捉することができる。また、上述の実施形態では、Ａ局２００は再帰反射体を、Ｂ局３００はスプリッタおよび初期捕捉センサを備えない構成としたが、Ａ局２００が再帰反射体を備えていてもよいし、Ｂ局３００がスプリッタおよび初期捕捉センサを備えていてもよい。
【００５１】
ここで、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００は、航空機などの移動局と地上局との２局間の光リンク確立や、移動局と移動局との間、あるいは地上局と地上局との２局間の光リンク確立に適用することができる。
【００５２】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、捕捉追尾方法を１対多の光空間通信に適用する。本実施形態に係る捕捉追尾システム１００Ｂのシステム構成図の一例を図７に示す。図７において、捕捉追尾システム１００Ｂは、移動局４００、地上局Ａ５００、地上局Ｂ６００および地上局Ｃ７００を含む。本実施形態では、移動局４００として航空機を適用する。なお、移動局４００が請求項の第１の光空間通信装置に、地上局Ａ５００が請求項の第２の光空間通信装置に、地上局Ｂ６００が請求項の第３の光空間通信装置に対応する。
【００５３】
移動局４００は、第２の実施形態で説明した再帰反射体を機体の地上側表面に備え、地上局Ａ５００、Ｂ６００、Ｃ７００から出力された初期捕捉光５７０、６７０、７７０を該再帰反射体４４０により反射初期捕捉光４７０として反射する。
【００５４】
地上局Ａ５００、Ｂ６００、Ｃ７００は、移動局（航空機）４００を監視している。本実施形態において、地上局Ａ５００、Ｂ６００、Ｃ７００は、それぞれ、第２の実施形態で説明した初期捕捉光５７０、６７０、７７０を出力し、反射初期捕捉光４７０を検出する初期捕捉センサを備える。
【００５５】
図７において、地上局Ａ５００から送信された初期捕捉光５７０を移動局４００の再帰反射体４４０が反射し、地上局Ａ５００が再帰反射体４４０からの反射初期捕捉光４７０を検知することにより、地上局Ａ５００が移動局４００の位置を捕捉する。そして、地上局Ａ５００からの通信信号としての地上局送信光５６０が移動局４００で受信されて捕捉追尾が開始される。さらに、移動局４００からの通信信号としての移動局送信光４６０が地上局Ａ５００で受信されて捕捉追尾が開始されることにより、２局間（地上局Ａ５００−移動局４００間）の光リンクが確立される。
【００５６】
一方、移動局４００−地上局Ａ５００間の光空間通信が行われている間、地上局Ｂ６００および地上局Ｃ７００は、それぞれ、初期捕捉光６７０、７７０を出力し、再帰反射体４４０からの反射初期捕捉光４７０を検知することにより移動局４００の初期捕捉サーチを完了する。
【００５７】
光空間通信では、雲などの障害物によって通信断が発生する場合がある。移動局４００−地上局Ａ５００間の光空間通信の接続状態が悪くなった場合、移動局４００は地上局Ａ５００から別の接続可能な地上局、例えば、地上局Ｂ６００に光リンクを切り替える。この時、すでに地上局Ｂ６００では初期捕捉サーチが完了しているため、移動局４００は光リンクの切り替えを瞬時に実施することができる。
【００５８】
以上のように、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００Ｂを移動局４００と複数の地上局Ａ５００、Ｂ６００、Ｃ７００との光リンクの確立に適用することにより、光空間通信中に光空間通信の接続状態が悪くなった場合、移動局４００は速やかに他の地上局に光リンクを切り替えることができる。
【００５９】
なお、第２の実施形態では、反射初期捕捉光の検知方法としてしきい値検知方法を使用したが、レーザ測距回路などで一般に用いられるその他のパルス検知方法を適用することもできる。本実施形態では、移動局４００から反射された反射初期捕捉光４７０の検知方法として、パルスのピーク位置を検知するＣＦＤ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ）回路方式を適用した。
【００６０】
また、第２の実施形態では、相手局からの送信光を検知するための位置センサ（捕捉センサ２２３、追尾センサ２２４）として４分割フォトダイオードを用いたが、本実施形態では位置センサとしてＣＣＤセンサ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｓｅｎｓｏｒ）を適用した。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 捕捉追尾機構
２０ 光アンテナ部
３０ 初期捕捉部
４０ 制御部
５０ 初期捕捉光
６０ 反射初期捕捉光
１００、１００Ｂ 捕捉追尾システム
２００ Ａ局
２１０ 光アンテナ
２２０ 光学部
２２１ １／４波長板
２２２ 精捕捉追尾機構
２２３ 捕捉センサ
２２４ 追尾センサ
２２５ 送信光学系
２２６ 受信光学系
２２７ スプリッタ
２２８ 初期捕捉センサ
２３０ 粗捕捉追尾機構
２５０ 制御部
２６０ Ａ局送信光
２７０ 初期捕捉光
２８１ レーザ生成部
２８２ ビーム整形部
２８３ 偏光ビームスプリッタ
２８４ １／４波長板
２８５ 検出部
２８６ 初期捕捉制御部
３００ Ｂ局
４００ 移動局
５００ 地上局Ａ
６００ 地上局Ｂ
７００ 地上局Ｃ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、離れた２局間において空間伝搬光線を用いて通信を行う光空間通信における捕捉追尾方法、捕捉追尾機構および捕捉追尾システムに関し、特に、光空間通信を開始するにあたり初期捕捉を行う捕捉追尾方法、捕捉追尾機構および捕捉追尾システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光空間通信では、空間伝搬光線を有効に使うため、空間伝搬光線の光ビーム広がり角を極力小さくすることが望ましい。２局間距離が数１０ｋｍに亘る長距離通信の場合、空間伝搬光線の広がり角は数ｍｒａｄ以下（システムによっては数１０μｒａｄ程度）に設定される。このため、２局間の光リンクを継続するためには互いの局から送信される空間伝搬光線に対する捕捉追尾技術が重要となる。一方の局、あるいは、両方の局が航空機などの移動局の場合、捕捉追尾技術の中でも特に、光空間通信開始時に相手局を捕捉する初期捕捉技術が重要となる。
【０００３】
特許文献１には、光空間通信における初期捕捉技術が開示されている。特許文献１の光空間通信装置の構成図を図８に示す。特許文献１の光空間通信装置９００において、Ａ局９１０Ａは送信モジュール９２０Ａおよび受信モジュール９６０Ａから構成され、Ｂ局９１０Ｂは送信モジュール９２０Ｂおよび受信モジュール９６０Ｂから構成される。Ａ局９１０Ａ−Ｂ局９１０Ｂ間で光空間通信を開始する場合、送信モジュール９２０Ａ、９２０Ｂから、水平駆動機構９３０Ａ、９３０Ｂにより水平方向に低速で駆動しつつ、スキャナ９４０Ａ、９４０Ｂでミラー９５０Ａ、９５０Ｂを上下方向に高速で回動させながら、通信光を出射すると共に、受信モジュール９６０Ａ、９６０Ｂにおいて、相手局の再帰反射体９７０Ｂ、９７０Ａから反射された通信光を監視する。そして、反射光の信号レベルが最大となる走査座標に光軸を調整し（粗調整）、さらに、反射光を用いて２局間の距離を計測して予め保持している距離情報と比較する等によって光軸を再調整し（微調整）、初期捕捉を完了する。
【０００４】
一方、特許文献２には、光空間通信とは異なるが、距離測定用パルス光と通信用レーザ光とを混合して対象物へ出射し、対象物の距離および座標を求める螺旋走査および対象物への情報送信を同時に行う自動追尾光通信装置が開示されている。特許文献２の技術は、距離測定用パルス光が戻ってくるまでの時間を計測して対象物までの距離を演算する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２４４４０８号公報
【特許文献２】特開平３−２０００９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の光空間通信装置９００は、初期捕捉用光線として２局間の光空間通信に使用する通信光を利用する。相手局からの通信光が局間距離の２乗に比例して減衰するのに対して、初期捕捉用光線の通信光の反射光は距離の４乗に比例して減衰することから、２局の通信光の出力レベルが同程度の場合、初期捕捉用通信光の反射光は、相手局から直接送られる通信光と比較して桁違いに弱いレベルとなり、相手局から送信された通信光から初期捕捉用通信光の反射光を検出するのは困難である。
【０００７】
一方、特許文献２の自動追尾光通信装置は、距離測定用パルス光と通信用レーザ光とを混合光線を用いることから、距離測定用パルス光の反射光を高精度に検出できるものの、該距離測定用パルス光を用いた距離測定の精度には限界があり、広がり角を極力小さくする必要がある光空間通信に特許文献２の技術をそのまま適用することはできない。
【０００８】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、光空間通信において高精度に相手局を初期捕捉して捕捉追尾することが可能な光空間通信における捕捉追尾方法、捕捉追尾機構および捕捉追尾システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係る光空間通信における捕捉追尾方法は、初期捕捉時に、パルス状の初期捕捉光を生成して光アンテナ部から所定の軌道で送信し、初期捕捉光の反射光である反射初期捕捉光を検知した時に検知信号を生成して出力し、検知信号が出力された時、初期捕捉から捕捉追尾に移行する。
【００１０】
上記目的を達成するために本発明に係る捕捉追尾機構は、パルス状の初期捕捉光を送信し、初期捕捉光が反射された反射初期捕捉光を受信する光アンテナ部と、初期捕捉光を生成して出力すると共に反射初期捕捉光を検知した時に検知信号を生成して出力する初期捕捉部と、初期捕捉時に初期捕捉光を所定の軌道で走査し、初期捕捉部から検知信号が入力された時に初期捕捉から捕捉追尾に移行する制御部と、を備える。
【００１１】
上記目的を達成するために本発明に係る捕捉追尾システムは、初期捕捉光を反射初期捕捉光として反射する再帰反射部を備える第１の光空間通信装置と、上述の捕捉追尾機構を備える第２の光空間通信装置と、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光空間通信における捕捉追尾方法、捕捉追尾機構および捕捉追尾システムを適用することにより、光空間通信において高精度に相手局を初期捕捉して捕捉追尾することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る捕捉追尾機構１０のブロック構成図の一例である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る捕捉追尾システム１００のシステム構成図の一例である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るＡ局２００の光アンテナ２１０および光学部２２０の構成図の一例である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る初期捕捉センサ２２８の構成図の一例である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るＡ局２００の初期捕捉における走査パターンの一例である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る捕捉追尾システム１００の初期捕捉から捕捉追尾にいたるまでのシーケンスの一例である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る捕捉追尾システム１００Ｂのシステム構成図の一例である。
【図８】特許文献１の光空間通信装置９００の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る捕捉追尾機構について説明する。本実施形態に係る捕捉追尾機構のブロック構成図の一例を図１に示す。図１において、捕捉追尾機構１０は、光アンテナ部２０、初期捕捉部３０および制御部４０を備える。
【００１５】
光アンテナ部２０は、初期捕捉光５０を送信すると共に、初期捕捉光５０の反射光である反射初期捕捉光６０を受信する。
【００１６】
初期捕捉部３０は、初期捕捉光５０を生成して光アンテナ部２０へ出力する。本実施形態において、初期捕捉部３０は、高繰り返しのパルス光を生成して光アンテナ部２０へ出力する。また、初期捕捉部３０は、光アンテナ部２０から反射初期捕捉光６０が受信されたか否かを監視し、反射初期捕捉光６０が受信された時、検知信号を生成して制御部４０に出力する。本実施形態において、初期捕捉部３０は、光アンテナ部２０から入射した信号を監視し、所定の閾値より大きいパルス波高値が検出された場合、反射初期捕捉光６０が受信されたと判定する。
【００１７】
制御部４０は、初期捕捉時に初期捕捉光５０を所定の軌道で走査し、初期捕捉部３０から検知信号が入力された時、初期捕捉から捕捉追尾に移行する。本実施形態において、制御部４０は初期捕捉時に、光アンテナ部２０の指向方向を低速で調整するのと同期させて初期捕捉光５０の光軸を高速で調整することによって、初期捕捉光５０を所定の軌道で走査する。また、制御部４０は捕捉追尾時に、光アンテナ部２０の指向方向を位置情報として取得し、取得した位置情報に基づいて光アンテナ部２０の指向方向をフィードバック制御する。
【００１８】
上述の捕捉追尾機構１０において、初期捕捉光５０として高繰り返しのパルス光を用いることから、初期捕捉部３０は反射初期捕捉光６０を簡易にかつ高精度で検出することができる。従って、本実施形態に係る捕捉追尾機構１０は、相手局を速やかに初期捕捉することができる。
【００１９】
さらに、捕捉追尾機構１０は、反射初期捕捉光６０が検知された時、直ちに、初期捕捉から捕捉追尾に移行する。反射初期捕捉光６０が検出された時の位置情報を用いて捕捉追尾を開始することにより、初期捕捉結果を利用して、より確度が高い捕捉追尾を速やかに開始することができる。
【００２０】
以上のように、本実施形態に係る捕捉追尾機構１０は、光空間通信において高精度に相手局を初期捕捉して捕捉追尾することができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る捕捉追尾システムについて説明する。本実施形態に係る捕捉追尾システムのシステム構成図の一例を図２に示す。また、本実施形態に係るＡ局の光アンテナおよび光学部の構成図の一例を図３に示す。
【００２２】
図２において、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００は、Ａ局２００およびＢ局３００を備える。Ａ局２００は、主に、光アンテナ２１０、光学部２２０、粗捕捉追尾機構２３０および図示しない制御部２５０を備える。Ｂ局３００は、主に、光アンテナ３１０、光学部３２０、粗捕捉追尾機構３３０、再帰反射体３４０および図示しない制御部３５０を備える。なお、光アンテナ２１０、後述する初期捕捉センサ２２８および制御部２５０が、請求項の捕捉追尾機構を構成する。
【００２３】
以下、Ａ局２００の構造について詳細に説明する。なお、Ｂ局３００の光アンテナ３１０、光学部３２０および粗捕捉追尾機構３３０はＡ局２００のそれらとほぼ同様に構成されており、詳細な説明は省略する。但し、光アンテナ３１０は、光学部３２０から出力されたＢ局送信光３６０をＡ局２００へ向けて送信する。また、Ｂ局３００の光学部３２０は、後述のスプリッタ２２７および初期捕捉センサ２２８は備えない。さらに、再帰反射体３４０は、Ａ局２００から出射された初期捕捉光２７０を反射初期捕捉光３７０として反射する。本実施形態では、再帰反射体３４０として、有効径が２５ｍｍの裏面に銀をコーティングしたＣＣＲ（コーナキューブリフレクタ：Ｃｏｒｎｅｒ Ｃｕｂｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を適用した。
【００２４】
図２において、Ａ局２００の光アンテナ２１０は、光学部２２０から出力されたＡ局送信光２６０および初期捕捉光２７０をＢ局３００へ送信し、Ｂ局３００からＢ局送信光３６０および反射初期捕捉光３７０を受信して光学部２２０へ出力する。図３に示すように、本実施形態では光アンテナ２１０として、主反射器２１１および副反射器２１２から成るφ１００ｍｍのカセグレンアンテナを適用した。
【００２５】
光学部２２０は、Ａ局送信光２６０および初期捕捉光２７０を生成して光アンテナ２１０へ出力すると共に、光アンテナ２１０を介してＢ局３００から受信したＢ局送信光３６０および反射初期捕捉光３７０を処理する。本実施形態において、Ａ局送信光２６０は光通信信号が乗った連続レーザ光であり、Ａ局送信光２６０の出力は連続で０．２Ｗ、波長は１５４０ｎｍ、光ビーム広がり角は０．４ｍｒａｄである。一方、初期捕捉光２７０は高繰り返しのパルスレーザ光であり、初期捕捉光２７０の出力はパルスでピーク出力１０Ｗ、波長は７８０ｎｍ、光ビーム広がり角は０．４ｍｒａｄである。Ａ局送信光２６０と初期捕捉光２７０とを同軸にすることにより、光アンテナ２１０を共有する。また、初期捕捉光２７０の光ビーム広がり角をＡ局送信光２６０の光ビーム広がり角と同程度かまたはそれより小さく設定することにより、初期捕捉光２７０がＢ局３００から反射されるのと同時に、Ａ局送信光２６０がＢ局３００を照射するようになる。なお、Ｂ局３００から出力されるＢ局送信光３６０は、光通信信号が乗った連続レーザ光であり、Ｂ局送信光３６０の出力は連続で０．２Ｗ、波長は１５６０ｎｍ、光ビーム広がり角は０．０４ｍｒａｄである。Ａ局送信光２６０、初期捕捉光２７０（反射初期捕捉光３７０）およびＢ局送信光３６０の波長を変えることにより、それぞれの光学部２２０、３２０が送受信の信号分離を容易に行うことができる。
【００２６】
光学部２２０の説明に戻る。図３において、光学部２２０は、１/４波長板２２１、精捕捉追尾機構２２２、捕捉センサ２２３、追尾センサ２２４、送信光学系２２５、受信光学系２２６、スプリッタ２２７および初期捕捉センサ２２８を備える。
【００２７】
１／４波長板２２１は、送信光学系２２５から出射された直線偏光のＡ局送信光２６０（１５４０ｎｍ）を円偏光に変換して光アンテナ２１０へ出力すると共に、光アンテナ２１０から入力された円偏光のＢ局送信光３６０（１５６０ｎｍ）を直線偏光に変換して受信光学系２２６側へ出力する。なお、１／４波長板２２１は、初期捕捉光２７０（７８０ｎｍ）および反射初期捕捉光３７０（７８０ｎｍ）に対しては１／２波長板として機能するため、初期捕捉光２７０および反射初期捕捉光３７０の偏光状態は変化しない。
【００２８】
精捕捉追尾機構２２２は、小型ミラーをＸ軸、Ｙ軸方向に偏向させることによって、光アンテナ２１０から送信するＡ局送信光２６０および初期捕捉光２７０を走査する。本実施形態において、精捕捉追尾機構２２２としてボイスコイル方式の２軸駆動機構を適用し、３００Ｈｚ以上の高速動作で瞬時受信視野角を±５度以上の角度範囲でＡ局送信光２６０を走査する。
【００２９】
捕捉センサ２２３および追尾センサ２２４は、一般的な位置センサである。捕捉センサ２２３がＢ局送信光３６０を検知することによって粗捕捉が開始される。粗捕捉では、捕捉センサ２２３の誤差データを元に誤差データが最小となるように精捕捉追尾機構２２２がフィードバック制御される。粗捕捉が完了すると、引き続いて精追尾が開始される。精追尾では、追尾センサ２２４の誤差データを元に、誤差データが最小となるように精捕捉追尾機構２２２がフィードバック制御される。本実施形態では、捕捉センサ２２３および追尾センサ２２４として、ＩｎＧａＡｓ４分割ダイオードの位置センサを適用した。
【００３０】
送信光学系２２５は、直線偏光のＡ局送信光２６０を生成して１／４波長板２２１側に出力する。受信光学系２２６は、光アンテナ２１０および１／４波長板２２１を介して入力した直線偏光のＢ局送信光３６０を処理する。
【００３１】
スプリッタ２２７は、初期捕捉センサ２２８から入射した初期捕捉光２７０をＡ局送信光２６０と同軸になるように光アンテナ２１０側へ出射すると共に、光アンテナ２１０から入射した光線から反射初期捕捉光３７０を分離して初期捕捉センサ２２８側へ出射する。本実施形態では、スプリッタ２２７としてダイクロイックミラーを適用した。
【００３２】
初期捕捉センサ２２８は、円偏光の初期捕捉光２７０を生成してスプリッタ２２７へ入射する。また、初期捕捉センサ２２８は、光アンテナ２１０を介して反射初期捕捉光３７０が入射したか否かを監視し、反射初期捕捉光３７０を検出した時、制御部２５０へ初期捕捉信号を出力する。初期捕捉センサ２２８の構成図の一例を図４に示す。図４において、初期捕捉センサ２２８は、レーザ生成部２８１、ビーム整形部２８２、偏光ビームスプリッタ２８３、１／４波長板２８４、検出部２８５および初期捕捉制御部２８６を備える。
【００３３】
レーザ生成部２８１は、パルスレーザダイオードとその駆動回路からなり、初期捕捉光２７０を生成してビーム整形部２８２へ出力する。本実施形態において、レーザ生成部２８１は、波長７８０ｎｍ、パルス幅１０ｎｓの初期捕捉光２７０を、ピーク出力１０Ｗ、パルス繰り返し１０ｋＨｚで出力する。ビーム整形部２８２は、レーザ生成部２８１から出力された初期捕捉光２７０の広がり角を調整して偏光ビームスプリッタ２８３へ出射する。偏光ビームスプリッタ２８３は、ビーム整形部２８２から出射された初期捕捉光２７０を１／４波長板２８４側へ出射すると共に、１／４波長板２８４からから出射された反射初期捕捉光３７０を検出部２８５側へ出射する。１／４波長板２８４は、偏光ビームスプリッタ２８３から入射した初期捕捉光２７０を円偏光に変換してスプリッタ２２７へ出射すると共に、スプリッタ２２７から入射した反射初期捕捉光３７０を直線偏向に変換して偏光ビームスプリッタ２８３へ出射する。
【００３４】
検出部２８５は、偏光ビームスプリッタ２８３から入射した反射初期捕捉光３７０を所定のタイミングで検出し、検出した反射初期捕捉光３７０を電気パルスに変換して初期捕捉制御部２８６へ出力する。初期捕捉制御部２８６は、基本クロックを発生してレーザ生成部２８１および検出部２８５へ出力すると共に、検出部２８５から入力された電気パルスの波高値を所定の基準値と比較し、反射初期捕捉光３７０の波高値が基準値を超えた時、初期捕捉信号を生成して制御部２５０に出力する。
【００３５】
本実施形態において、レーザ生成部２８１は基本クロックに同期してパルスレーザ光の初期捕捉光２７０を生成して出力し、検出部２８５は基本クロック同期したタイミングで反射初期捕捉光３７０を検出する。基本クロックに同期して、初期捕捉光２７０が出力されてから一定時間の間に戻ってきたパルスレーザ光だけを検知するようにすることにより（すなわち、レンジゲート機能）、反射初期捕捉光３７０以外の不要なノイズによる誤検知を抑制することができる。
【００３６】
図２の説明に戻る。粗捕捉追尾機構２３０は、光アンテナ２１０の指向方向を制御する。本実施形態では、粗捕捉追尾機構２３０を２軸のジンバルに構成した。
【００３７】
図示しない制御部２５０は、初期捕捉サーチにおいて、粗捕捉追尾機構２３０および精捕捉追尾機構２２２を制御して初期捕捉光２７０を所定の軌道で走査する。そして、初期捕捉センサ２２８から初期捕捉信号が入力された時、初期捕捉サーチを停止してプログラム追尾へ移行する。制御部２５０は、プログラム追尾において、初期捕捉信号を受信した時の光アンテナ２１０の指向方向と、自局の位置データと図示しない記憶部に保存されているＢ局３００の位置データとから計算して得た相手局の方向との角度ズレ（以下、バイアス角度と記載する。）を演算し、光アンテナ２１０が追尾時の２局の位置データから計算したＢ局２００の方向（以下、基準方向と記載する。）に演算したバイアス角度を加算した方向を向くように制御してＢ局３００の追尾を開始する。そして、制御部２５０は、光空間通信において、光学部２２０の捕捉センサ２２３および追尾センサ２２４が取得した位置情報に基づいて精捕捉追尾機構２２２の小型ミラーの角度を制御することにより、Ａ局送信光２６０を走査すると共に受信したＢ局送信光３６０を受信光学系２２６へ導く。
【００３８】
ここで、制御部２５０は、初期捕捉サーチにおいて初期捕捉光２７０を所定の軌道で走査することにより、予め設定した基準方向を基準とした一定の角度範囲内で初期捕捉サーチを実施する。初期捕捉サーチ時の走査パターンの一例を図５に示す。図５において、制御部２５０は、Ｂ局３００が航空機などの移動局の場合を想定して、初期捕捉光２７０を粗捕捉追尾機構２３０により水平方向に低速で走査し、それに同期させて精捕捉追尾機構２２２により垂直方向に高速で走査する。航空機などの移動局は水平方向の移動速度が大きく、バイアス角度も大きくなるため、水平方向の走査範囲を広く取ることが望ましい。本実施形態では、水平方向の走査範囲を約３４ｍｒａｄ、垂直方向の走査範囲を約０．４ｍｒａｄ、初期捕捉光２７０のビーム広がり角を０．４ｍｒａｄとした。なお、初期捕捉光２７０の軌道は図５に示した走査パターンに限定されず、例えば、粗捕捉追尾機構２３０のみを制御して初期捕捉光２７０を走査することもできる。
【００３９】
次に、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００の動作について説明する。初期状態において、Ａ局２００の光アンテナ２１０とＢ局３００の光アンテナ３１０とは、互いに予め設定された基準方向を指向している。この場合、直ちにＡ局２００およびＢ局３００が互いを照射する状態が実現できると考えられるが、一般的に、各種の角度誤差が発生して基準方向との角度ズレが発生するため、初期捕捉サーチが必要となる。以下、初期捕捉サーチから捕捉追尾にいたるまでの捕捉追尾システム１００の動作について図６を用いて説明する。
【００４０】
ステップ１：初期状態において、Ａ局２００は「初期捕捉サーチ」を開始する。すなわち、Ａ局２００の制御部２５０は、粗捕捉追尾機構２３０および精捕捉追尾機構２２２を制御して初期捕捉光２７０を所定の軌道で走査する。初期捕捉光２７０がＢ局３００方向を向いたとき、初期捕捉光２７０の一部がＢ局３００の再帰反射体３４０に入射し、反射初期捕捉光３７０として反射される。再帰反射体３４０から反射された反射初期捕捉光３７０の一部はＡ局２００の光アンテナ２１０で受信され、初期捕捉センサ２２８によって検知される。初期捕捉センサ２２８は、反射初期捕捉光３７０を検知した時、初期捕捉信号を制御部２５０に出力する。
【００４１】
ステップ２：Ａ局２００の制御部２５０は、初期捕捉センサ２２８から初期捕捉信号が入力された時、「初期捕捉サーチ」を停止して「プログラム追尾」に移行する。
【００４２】
ステップ３：Ａ局２００の制御部２５０は、「プログラム追尾」に移行すると、「初期捕捉サーチ」で取得したバイアス角度を用いて２局の位置情報から演算されるＢ局３００の基準方向を補正し、Ｂ局３００の追尾を開始する。これにより、Ａ局送信光２６０はＢ局３００を常に照射している状態となる。Ａ局送信光２６０がＢ局３００を照射するのに伴い、Ｂ局３００は「サーチ」を開始する。「サーチ」ではＢ局３００の制御部３５０が、粗捕捉追尾機構３３０を駆動してＢ局３００の受信視野方向を走査し、Ａ局２００の方向をサーチする。Ｂ局３００の受信視野方向がＡ局２００の方向を向いた時、Ａ局送信光２６０がＢ局３００の捕捉センサ３２３により検知される。
【００４３】
ステップ４：Ｂ局３００の捕捉センサ３２３でＡ局送信光２６０が検知されると、Ｂ局３００の制御部３５０は、「サーチ」を終了して「粗補足」を開始する。「粗捕捉」では、捕捉センサ３２３の誤差データを元に、誤差データが最小となるように精捕捉追尾機構３２２をフィードバック制御してＡ局２００を中心位置に捕捉する。
【００４４】
ステップ５：Ｂ局３００の制御部３５０が「粗捕捉」を行うのに伴い、Ａ局２００でもＢ局送信光３６０が捕捉センサ２２３で検知されるようになり、Ａ局２００も「粗補足」を開始する。Ａ局２００における「粗捕捉」により、Ｂ局３００が中心位置に捕捉される。
【００４５】
ステップ６：Ａ局２００とＢ局３００とは、ほぼ同時に「粗捕捉」を終了して「精追尾」を開始する。「精追尾」では追尾センサ２２４、３２４の誤差データを元に、誤差データが最小となるように精捕捉追尾機構２２２、３２２をフィードバック制御して相手局をそれぞれ追尾する。これにより２局間の光リンクが確立する。
【００４６】
以上のように、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００は、初期捕捉サーチ用の初期捕捉光２７０として高繰り返しのパルスレーザ光を用いることにより、初期捕捉センサ２２８が単純なしきい値検知方法を適用して反射初期捕捉光３７０を高精度でかつ簡易に検出することができる。なお、初期捕捉光２７０の光ビーム広がり角を、Ａ局送信光２６０の光ビーム広がり角とほぼ同じ値かそれより小さい値に設定することにより、初期捕捉光２７０がＢ局３００を照射した時、Ａ局送信光２６０がＢ局３００を照射するようになる。
【００４７】
ここで、捕捉追尾システム１００は、Ａ局２００の光学部２２０の受信光学系２２６の前段に、初期捕捉光２７０および反射初期捕捉光３７０を合分波するスプリッタ２２７と、初期捕捉光２７０を出射すると共に反射初期捕捉光３７０を検知する初期捕捉センサ２２８とを追加するだけで良く、単純な構成とすることができる。さらに、受信光学系２２６の前段にスプリッタ２２７および初期捕捉センサ２２８を追加する場合、初期捕捉光２７０の光学系とＡ局送信光２６０の光学系とを同軸に形成して光アンテナ２１０を共有することができ、初期捕捉サーチを効率よく行うことができる。
【００４８】
また、初期捕捉サーチにおいて反射初期捕捉光３７０が検知された後、Ａ局２００の制御部２５０が直ちに、Ａ局送信光２６０およびＢ局送信光３６０を用いた捕捉追尾に移行することにより、より確度が高い捕捉追尾を行って安定的に光リンクを確立することができる。
【００４９】
従って、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００は、光空間通信において高精度に相手局を初期捕捉して捕捉追尾することができる。
【００５０】
なお、初期捕捉光２７０のパルス繰り返しを上げることにより、相手局が高速で移動している場合も相手局を速やかに初期捕捉することができる。また、上述の実施形態では、Ａ局２００は再帰反射体を、Ｂ局３００はスプリッタおよび初期捕捉センサを備えない構成としたが、Ａ局２００が再帰反射体を備えていてもよいし、Ｂ局３００がスプリッタおよび初期捕捉センサを備えていてもよい。
【００５１】
ここで、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００は、航空機などの移動局と地上局との２局間の光リンク確立や、移動局と移動局との間、あるいは地上局と地上局との２局間の光リンク確立に適用することができる。
【００５２】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、捕捉追尾方法を１対多の光空間通信に適用する。本実施形態に係る捕捉追尾システム１００Ｂのシステム構成図の一例を図７に示す。図７において、捕捉追尾システム１００Ｂは、移動局４００、地上局Ａ５００、地上局Ｂ６００および地上局Ｃ７００を含む。本実施形態では、移動局４００として航空機を適用する。なお、移動局４００が請求項の第１の光空間通信装置に、地上局Ａ５００が請求項の第２の光空間通信装置に、地上局Ｂ６００が請求項の第３の光空間通信装置に対応する。
【００５３】
移動局４００は、第２の実施形態で説明した再帰反射体を機体の地上側表面に備え、地上局Ａ５００、Ｂ６００、Ｃ７００から出力された初期捕捉光５７０、６７０、７７０を該再帰反射体４４０により反射初期捕捉光４７０として反射する。
【００５４】
地上局Ａ５００、Ｂ６００、Ｃ７００は、移動局（航空機）４００を監視している。本実施形態において、地上局Ａ５００、Ｂ６００、Ｃ７００は、それぞれ、第２の実施形態で説明した初期捕捉光５７０、６７０、７７０を出力し、反射初期捕捉光４７０を検出する初期捕捉センサを備える。
【００５５】
図７において、地上局Ａ５００から送信された初期捕捉光５７０を移動局４００の再帰反射体４４０が反射し、地上局Ａ５００が再帰反射体４４０からの反射初期捕捉光４７０を検知することにより、地上局Ａ５００が移動局４００の位置を捕捉する。そして、地上局Ａ５００からの通信信号としての地上局送信光５６０が移動局４００で受信されて捕捉追尾が開始される。さらに、移動局４００からの通信信号としての移動局送信光４６０が地上局Ａ５００で受信されて捕捉追尾が開始されることにより、２局間（地上局Ａ５００−移動局４００間）の光リンクが確立される。
【００５６】
一方、移動局４００−地上局Ａ５００間の光空間通信が行われている間、地上局Ｂ６００および地上局Ｃ７００は、それぞれ、初期捕捉光６７０、７７０を出力し、再帰反射体４４０からの反射初期捕捉光４７０を検知することにより移動局４００の初期捕捉サーチを完了する。
【００５７】
光空間通信では、雲などの障害物によって通信断が発生する場合がある。移動局４００−地上局Ａ５００間の光空間通信の接続状態が悪くなった場合、移動局４００は地上局Ａ５００から別の接続可能な地上局、例えば、地上局Ｂ６００に光リンクを切り替える。この時、すでに地上局Ｂ６００では初期捕捉サーチが完了しているため、移動局４００は光リンクの切り替えを瞬時に実施することができる。
【００５８】
以上のように、本実施形態に係る捕捉追尾システム１００Ｂを移動局４００と複数の地上局Ａ５００、Ｂ６００、Ｃ７００との光リンクの確立に適用することにより、光空間通信中に光空間通信の接続状態が悪くなった場合、移動局４００は速やかに他の地上局に光リンクを切り替えることができる。
【００５９】
なお、第２の実施形態では、反射初期捕捉光の検知方法としてしきい値検知方法を使用したが、レーザ測距回路などで一般に用いられるその他のパルス検知方法を適用することもできる。本実施形態では、移動局４００から反射された反射初期捕捉光４７０の検知方法として、パルスのピーク位置を検知するＣＦＤ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ）回路方式を適用した。
【００６０】
また、第２の実施形態では、相手局からの送信光を検知するための位置センサ（捕捉センサ２２３、追尾センサ２２４）として４分割フォトダイオードを用いたが、本実施形態では位置センサとしてＣＣＤセンサ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｓｅｎｓｏｒ）を適用した。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 捕捉追尾機構
２０ 光アンテナ部
３０ 初期捕捉部
４０ 制御部
５０ 初期捕捉光
６０ 反射初期捕捉光
１００、１００Ｂ 捕捉追尾システム
２００ Ａ局
２１０ 光アンテナ
２２０ 光学部
２２１ １／４波長板
２２２ 精捕捉追尾機構
２２３ 捕捉センサ
２２４ 追尾センサ
２２５ 送信光学系
２２６ 受信光学系
２２７ スプリッタ
２２８ 初期捕捉センサ
２３０ 粗捕捉追尾機構
２５０ 制御部
２６０ Ａ局送信光
２７０ 初期捕捉光
２８１ レーザ生成部
２８２ ビーム整形部
２８３ 偏光ビームスプリッタ
２８４ １／４波長板
２８５ 検出部
２８６ 初期捕捉制御部
３００ Ｂ局
４００ 移動局
５００ 地上局Ａ
６００ 地上局Ｂ
７００ 地上局Ｃ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
初期捕捉時に、パルス状の初期捕捉光を生成して光アンテナ部から所定の軌道で送信し、
前記初期捕捉光の反射光である反射初期捕捉光を検知した時に検知信号を生成して出力し、
前記検知信号が出力された時、初期捕捉から捕捉追尾に移行する、
光空間通信における捕捉追尾方法。
【請求項２】
各種情報を含んだ連続光の送信光を前記初期捕捉光と共に前記光アンテナ部から送信し、
前記送信光と前記初期捕捉光とは所定の光軸を通過すると共に前記初期捕捉光の光ビーム広がり角は、前記送信光の光ビーム広がり角とほぼ同じか、それより小さな値に設定される、
請求項１記載の捕捉追尾方法。
【請求項３】
前記光アンテナ部の指向方向を低速で調整するのと同期させて前記光軸を高速で調整することによって前記初期捕捉光を所定の軌道で送信する、請求項２記載の捕捉追尾方法。
【請求項４】
基本クロックに同期して前記初期捕捉光を生成して送信し、
前記光アンテナ部で受信した前記反射初期捕捉光を前記光軸に導き、
前記基本クロックに同期したタイミングで前記光軸を監視し、
前記光軸から所定の閾値より大きいパルス波高値が検出された場合に前記検知信号を生成する、
請求項２または３記載の捕捉追尾方法。
【請求項５】
各種情報を含んだ連続光の受信光を受信し、
前記送信光と前記受信光と前記初期捕捉光とはそれぞれ異なる波長に設定される、請求項２乃至４のいずれか１項記載の捕捉追尾方法。
【請求項６】
前記受信光を受信している時の前記光アンテナ部の指向方向を位置情報として出力し、
前記捕捉追尾時に、前記出力された位置情報を用いて前記指向方向をフィードバック制御する、
請求項５項記載の捕捉追尾方法。
【請求項７】
パルス状の初期捕捉光を送信し、前記初期捕捉光が反射された反射初期捕捉光を受信する光アンテナ部と、
前記初期捕捉光を生成して出力すると共に前記反射初期捕捉光を検知した時に検知信号を生成して出力する初期捕捉部と、
初期捕捉時に前記初期捕捉光を所定の軌道で走査し、前記初期捕捉部から前記検知信号が入力された時に初期捕捉から捕捉追尾に移行する制御部と、
を備える捕捉追尾機構。
【請求項８】
初期捕捉光を反射初期捕捉光として反射する再帰反射部を備える第１の光空間通信装置と、
請求項７記載の捕捉追尾機構を備える第２の光空間通信装置と、
を備える、捕捉追尾システム。
【請求項９】
請求項７記載の捕捉追尾機構を備える第３の光空間通信装置をさらに備え、
前記第３の光空間通信装置は、前記第１の光空間通信装置と前記第２の光空間通信装置とが光空間通信を行っている間に前記第１の光空間通信装置の初期捕捉を行い、
前記第１の光空間通信装置は、前記第２の光空間通信装置との光空間通信が切断された時、前記第３の光空間通信装置との光空間通信を開始する、
請求項８記載の捕捉追尾システム。
【請求項１】
初期捕捉時に、パルス状の初期捕捉光を生成して光アンテナ部から所定の軌道で送信し、
前記初期捕捉光の反射光である反射初期捕捉光を検知した時に検知信号を生成して出力し、
前記検知信号が出力された時、初期捕捉から捕捉追尾に移行する、
光空間通信における捕捉追尾方法。
【請求項２】
各種情報を含んだ連続光の送信光を前記初期捕捉光と共に前記光アンテナ部から送信し、
前記送信光と前記初期捕捉光とは所定の光軸を通過すると共に前記初期捕捉光の光ビーム広がり角は、前記送信光の光ビーム広がり角とほぼ同じか、それより小さな値に設定される、
請求項１記載の捕捉追尾方法。
【請求項３】
前記光アンテナ部の指向方向を低速で調整するのと同期させて前記光軸を高速で調整することによって前記初期捕捉光を所定の軌道で送信する、請求項２記載の捕捉追尾方法。
【請求項４】
基本クロックに同期して前記初期捕捉光を生成して送信し、
前記光アンテナ部で受信した前記反射初期捕捉光を前記光軸に導き、
前記基本クロックに同期したタイミングで前記光軸を監視し、
前記光軸から所定の閾値より大きいパルス波高値が検出された場合に前記検知信号を生成する、
請求項２または３記載の捕捉追尾方法。
【請求項５】
各種情報を含んだ連続光の受信光を受信し、
前記送信光と前記受信光と前記初期捕捉光とはそれぞれ異なる波長に設定される、請求項２乃至４のいずれか１項記載の捕捉追尾方法。
【請求項６】
前記受信光を受信している時の前記光アンテナ部の指向方向を位置情報として出力し、
前記捕捉追尾時に、前記出力された位置情報を用いて前記指向方向をフィードバック制御する、
請求項５項記載の捕捉追尾方法。
【請求項７】
パルス状の初期捕捉光を送信し、前記初期捕捉光が反射された反射初期捕捉光を受信する光アンテナ部と、
前記初期捕捉光を生成して出力すると共に前記反射初期捕捉光を検知した時に検知信号を生成して出力する初期捕捉部と、
初期捕捉時に前記初期捕捉光を所定の軌道で走査し、前記初期捕捉部から前記検知信号が入力された時に初期捕捉から捕捉追尾に移行する制御部と、
を備える捕捉追尾機構。
【請求項８】
初期捕捉光を反射初期捕捉光として反射する再帰反射部を備える第１の光空間通信装置と、
請求項７記載の捕捉追尾機構を備える第２の光空間通信装置と、
を備える、捕捉追尾システム。
【請求項９】
請求項７記載の捕捉追尾機構を備える第３の光空間通信装置をさらに備え、
前記第３の光空間通信装置は、前記第１の光空間通信装置と前記第２の光空間通信装置とが光空間通信を行っている間に前記第１の光空間通信装置の初期捕捉を行い、
前記第１の光空間通信装置は、前記第２の光空間通信装置との光空間通信が切断された時、前記第３の光空間通信装置との光空間通信を開始する、
請求項８記載の捕捉追尾システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１５６６８５（Ｐ２０１２−１５６６８５Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２８４９（Ｐ２０１１−１２８４９）
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）「平成２２年度総務省「光空間通信技術の研究開発」の委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願」
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）「平成２２年度総務省「光空間通信技術の研究開発」の委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願」
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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