JPH02216076A - 光ビーム追尾装置 - 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】 Ｕ産業上の利用分野］ 本発明は、光空間通信装置において受信光の光ビームを
追尾するだめの光ビーム追尾方法及び装置に関する。

［従来の技術］ 第５図は従来例の光空間通信装置のブロック図である。

第５図において、相手局から送信される信号光は光アン
テナｌで集束された後、光偏向器２、光結合器３、並び
に、例えは太陽光なとの背景雑音光（以下、背景光とい
う。）の帯域を制限するために所定の通過帯域を有する
帯域通過フィルタである光フィルタ４を介して、ビーム
スプリッタ５に入射される。ビームスプリッタ５は、入
射された受信光の例えば約１％の信号電力を有する信号
光を捕捉検出器６に出力するとともに、約９９％の信号
電力を有する信号光をビームスプリッタ７に出力する。

ビームスプリッタ７は、該ビームスプリッタ７に入射さ
れた受信光の例えば約９０％の信号電力を有する信号光
を光信号検出器８に出力するとともに、約１０％の信号
電力を有する信号光を追尾検出器９に出力する。

捕捉検出器６はイメージセンサを備え、上記イメージセ
ンサを用いて上記光検出器８及び追尾検出器９の受光の
ための中心軸からの上記入射された受信光の偏向方向及
び偏向角度を検出して、該偏向方向及び偏向角度の情報
を光アンテナ方向制御装置１０に出力する。これらの情
報に基づいて、光アンテナ方向制御装置ｌＯは、受光さ
れる信号光が概ね上記中心軸の近傍となるように光アン
テナｌを所定の２軸方向に回転させて、該光アンテナ１
の送受光方向を制御する。

追尾検出器９は、第７図に示すように、それぞれ例えば
アバランシェフォトダイオードにてなる４個の光検出器
９ａないし９ｄを有する公知の４象限受光素子を備え、
上記各光検出器９ａないし９ｄからそれぞれ出力される
各信号電圧ｅ１ないしｅ、を信号処理回路１１に出力す
る。これに応答して信号処理回路１１は、入力された上
記各信号電圧ｅ１ないしｅ、から第７図の低域通過フィ
ルタ（以下、ＬＰＦという。）２２ａないし２２ｄによ
ってそれぞれ低周波成分　、ｌないしｅ４′を抽出し、
この低周波成分ｅＩ′ないし　、ｌに基づいて次式で表
される正規化誤差電圧Ｖｘ及びｖｙを算出して光偏向器
制御装置１２に出力する。

Ｖｘ−（ｅ、’＋ｅ４″−ｅｚ’　−ｅｘ’　）／（ｅ
＋’　＋ｅ２１　＋ｅ、ｌ　＋ｅ（’　）−ザ１８は、
入力された駆動電流に応答して送信信号光を発生して光
結合器３に出力する。光結合器３は、入射された送信信
号光を、光偏向器２がら出力される受信信号光の光軸と
同−又は一定角度だけずれた軸方向であって受信信号光
とは逆の方向で、光偏向器２、並びに光アンテナ１を介
して相手局に送信する。

第６図（Ａ）は、追尾検出器９を用いた光ビムの到来角
度検出方法を示す原理図であり、第６図（Ｂ）は上記追
尾検出器９の正面図である。

第６図（Ａ）ｉ：おいて、受信された光ビーム１００が
光アンテナ１によって集光され、該集光された光ヒーム
１００により追尾検出器９上に光スポット１１０が結像
する。これに応答して追尾検出器９の各光検出器９ａな
いし９ｄはそれぞれ、入射される光信号を検出して、検
出した信号電圧ｅ１ないしｅ、を出力する。

ここで、もし光アンテナｌの光軸と、上記光ヒム１００
の到来方向が一致するとき、追尾検出器９の各光検出器
９ａないし９ｅがらそれぞれ出ＶＶ＝（ｅｌ’＋８２’
−８３’−ｅｔ’）／（ｅ＋″十ｅ２＋　十ｅ３’　＋
ｅ、’　）・・・・・・（２） 光偏向器制御装置■２は、上記正規化誤差電圧Ｖｘ及び
Ｖｙに基づいて公知の通り受信光に対する光偏向器２の
傾斜角度を変化させるなどルて、受信光が上記中心軸に
位置するように制御する。

光信号検出器８（Ｊ入射された信号光を検出して電気信
号に変換し、該電気信号を復調器１３に出力する。これ
に応答して、復調器１３は、該電気信号に対して強度変
調信号に対する復調及び波形成形等の処理全行い、例え
ば１００Ｍｂ／ｓの伝送速度を有する情報信号であるデ
ジタル受信信号に変換して受信信号処理装置１４に出力
する。

一方、送信信号発生装置１５は、例えば１００Ｍｂ／ｓ
の伝送速度を有する情報信号であるデジタル送信信号を
変調器１６に出力する。これに応答して変調器■６は、
入力されたデジタル送信信号に基づいて強度変調した駆
動電流をレーザ駆動装置１７を介して半導体レーザ１８
に出力する。し力される信号電圧ｅ１ないしｅ、が同一
となる。

方、もし光アンテナ１の光軸と、上記光ビーム１００の
到来方向が一致していなければ、第６図（Ａ）及び（Ｂ
）において点線で示すように、光ヒム１００ａによる光
スポット１１０ａの中心ど、追尾検出器９の中心が一致
しなくなり、各光検出器９ａないし９ｅからそれぞれ出
力される信号電圧ｅ１ないしｅ、に差を生しる。従って
、この差に基づいて、受信された光ビームの到来角度を
検出することができる。

各光検出器９ａないし９ｄからそれぞれ出力される信号
電圧ｅ、ないしｅ、はそれぞれ、第７図に示すように、
信号処理回路１１に入力された後、プリアンプ２１．　
ａないし２１ｄ、並びに例えば約数ｋＨｚのカットオフ
周波数を有するＬＰＦ２２ａないし２２ｄを介して演算
回路２３に入力される。演算回路２３は、上記各信号電
圧に基づいて、上記（１）式及び（２）式の演算を行い
、演算された正規化誤差電圧Ｖｘ、Ｖｙを光偏向器制御
装置１２に出力する。これに応答して光偏向器制御装置
１２は、正規化誤差電圧Ｖｘ、Ｖｙに基づいてそれぞれ
、第７図の追尾検出器９の水平方向（以下、Ｘ方向とい
う。）に対応する方位角と、該検出器９の垂直方向（以
下、ｙ方向という。）に対応する仰角を推定し、受信光
か上記中心軸に位置するように光偏向器２を制御する。

［発明か解決しようとする課題１ しかしながら、上述の従来例の光空間通信装置において
は、受信される信号光ととともに、例えば太陽光などの
強力な背景光を受信したとき、追尾検出器９の各光検出
器９ａないし９ｄの出力端における上記雑音光による直
流成分が、信号光による直流成分よりも極めて大きくな
るため、正規化誤差電圧Ｖｘ、Ｖｙの信号電圧対雑音電
圧比（以下、ＳＮ比という。）が大幅に低下し、信号光
の光ビームを追尾することができなくなる。すなわち、
上述の光空間通信装置は、上記強力な背景光を受信する
場合には光ビームの追尾が不可能であり、従って通信も
できなくなる。また、背景光が去った時点で光ビームの
捕捉及び追尾をやり直すにおいて情報信号を受信する信
号処理回路を正弦波信号を受信する信号処理回路に置き
換えなければならないという問題点があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、情報信号を含む
信号光の受信時において、太陽光などの強力な背景光を
受信する場合であっても、上記信号光の光ヒームを安定
に追尾することができる光ビーム追尾方法及び装置を提
供することにある。

［課題を解決するだめの手段］ 本発明は、受信光に含まれる情報信号のタイミング成分
を抽出し、上記タイミング成分に基づいて上記受信光の
光ビームを追尾することを特徴とする。

［作用］ 受信光から抽出したタイミング成分は、上記受信光に含
まれる情報信号の伝送ヒツトレートと同であって、比較
的高い周波数領域に存在するため、背景光による直流成
分とは容易に分離することができ、上記受信光の光ビー
ムの追尾において、上記背景光の直流成分による影響を
受けない。こ必要がある。

上記問題点を解決するための方法として、ビーコン方式
が知られており、この方式では、太陽光などの背景光の
受信時に、相手局において、情報信号に代えて例えば数
１０ｋＨｚの正弦波信号で光信号を変調して得られた光
ビーコン信号を送信し、これに対して自局において、追
尾検出器９の各光検出器９ａないし９ｄから出力される
信号から、上記正弦波信号の周波数成分を帯域通過フィ
ルタ（以下、ＢＰＦという。）を用いて抽出し、上記周
波数成分に基づいて、光ビームの追尾を行う。

しかしながら、このビーコン方式において双方向通信を
行うためには、相手局において追尾を行うための正弦波
信号で変調された光信号と、情報信号光とを送信するた
めに、２系統の光学系が必要となるという問題点があっ
た。例えば太陽光などの背景光の受信時のみ、双方向通
信をあきらめ、光ビームの追尾のみを行うにしても、情
報信号に代えて正弦波信号で光信号を変調するので、自
局のため、上記背景光を受信する時にも、安定な光ビー
ムの追尾を“行うことができる。また、上記タイミング
成分を受信された信号光から抽出するため、情報信号を
相手局が送信している限りにおいては、必ず自局におい
て上記タイミング成分を抽出することができる。従って
、上記ビーコン方式による光ビームの追尾を行うための
光学系と、情報信号光を送信するための光学系の２系統
の光学系を必要とするという問題点を回避することがで
きるとともに、自局において情報信号を受信する信号処
理回路を正弦波信号を受信する信号処理回路に置き換え
なければならないという問題点をも回避することができ
る。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例である光空間通信装置の信号
処理回路１１ａのブロック図であり、第２図は第１図の
信号演算処理回路２４ａのブロック図である。

本実施例の信号処理回路１１ａにおいて、従来例のＬＰ
Ｆ２２ａないし２２ｄに代えてそれぞれ、第２図の信号
演算処理回路２４ａないし２４ｄを備えたことを特徴と
している。なお、相手局において、光信号が、伝送ピッ
トレー１−ｆ。［ｂｐｓ］の情報信号であるノン・リタ
ーン・ツー・ゼロ（以下、ＮＲＺという。）デジタル信
号で変調されているものとする。

第２図の信号演算処理回路２４ａにおいて、プリアンプ
２１ａから出力される信号は、直流成分を除去するため
の高域通過フィルタ（以下、ＨＰＦという。）３１を介
して等化回路３２に入力される。等化回路３２は、入力
信号に含まれる周波数ｆ。［Ｈｚｌを超える周波数成分
を除去して該信号に含まれる雑音の帯域を制限し、かつ
次段の非線形素子３３において上記情報信号のタイミン
グ成分を抽出しやすいように、例えばフルコサイン・ロ
ール・オフ法又はガウス等化法等の公知の方法で該信号
の波形成形を行った後、第３図（Ａ）のスペクトラムを
有する信号を非線形素子２２に出力する。非線形素子２
２は、例えば１個又は複数個のダイオードによって構成
され、入力信号にて抽出された各タイミング成分子Ｓは
演算回路２３に入力され、演算回路２３は、該各タイミ
ング成分子Ｓに基づいて、従来例と同様に、正規化誤差
電圧Ｖｘ、Ｖｙを演算し、光偏光器制御装置１２に出力
する。光偏光器制御装置１２は、入力された正規化誤差
電圧Ｖｘ、Ｖｙに基づいて公知の通り受信光の光ヒーム
を追尾するように光偏光器２を制御する。

以上のように構成された信号演算処理回路２４ａないし
２４ｅを用いた光空間通信装置の追尾特性の評価例につ
いて、以下に説明する。

光空間通信装置の追尾特性を評価するパラメータとして
、雑音等側角ＮＢＡを用いる。この雑音等価角ＮＥＡは
、信号処理回路１１ａの出力における雑音を等価な光ビ
ームの到来角度の検出誤差に置き換えたものであり、例
えばジェイ・デイ−・バリー及びジー・ニス・メケール
による″衛星搭載自由空間光通信システムのだめの重要
な設計パラメータとしてのビーム指示誤差″、オプティ
カル・エンジニアリング、Ｖｏ　１．２４．Ｎｏ、６゜
対して、例えば全波整流又は２乗特性による公知の非線
形操作を行い、これによって、第３図（Ｂ）に示すよう
に、周波数ｆ。［Ｈｚｌのタイミング成分子Ｓを抽出し
、該タイミング成分子Ｓを含む信号をＢＰＦ３４に出力
する。ＢＰＦ３４は、上記タイミング成分子Ｓの周波数
ｆ。［Ｈｚｌ　と実質的に同一の中心周波数と所定の通
過帯域幅を有する帯域通過フィルタであり、入力信号を
上記タイミング成分子Ｓと周波数軸上でその近傍に位置
する雑音のみを通過させた後、検波回路３５に出力する
。検波回路３５は、第３図（Ｃ）に示すように、上記タ
イミング成分子Ｓを直流成分に周波数変換するとともに
、上記タイミング成分子Ｓの近傍の雑音成分を直流近傍
の低周波数に周波数変換した後、該雑音成分を除去する
ためのＬＰＦ　３６を介して演算回路２３に出力する。

信号演算処理回路２４ｂないし２４ｄは、信号演算処理
回路２４ａと同様に構成され、同様に動作する。

上記信号演算処理回路２４ａないし２４ｄによつ１９８
５年１２月によれば、次式で与えられる。

ここで、第１図の追尾検出器９が受光面の全面において
感度を有し、４個の光検出器９ａないし９ｄが電気的に
完全に分離され、該追尾検出器９の受光面において結像
する光スポットがエアリ−像であるとする。

ＮＥＡ−（３π（λ／Ｄ））／１１６（ＳＮＲ）ｖｌ・
・・（３） ここで、λは光信号の波長であり、Ｄは光アンテナｌの
直径であり、（ＳＮＲ）Ｖは信号演算処理回路２４ａな
いし２４ｄの出力端における信号電圧対雑音電圧比であ
る。

第４図は太陽光による背景光がある場合の本実施例の装
置の光ビーム追尾方式及びビーコン方式の雑音等価角Ｎ
ＢＡを示す図である。なお、これらの雑音等価角ＮＢＡ
の算出においては、第１表に示す条件を用い、また、従
来例のビーコン方式においては、上述のように、光信号
を検波した後、上記正弦波信号を同期検波するものとす
る。また、第４図における横軸は、追尾検出器９の入力
端における光信号電力［ｄＢｍ］である。

例えは荒木ほか″光ＩＳＬ追尾・指向システムの２局間
相互作用″、電子情報通信学会、宇宙航行エレク［・ロ
ニクス研究会、５ＡＮＥ８７−２３゜１９８７年９月に
よれは、安定した追尾を行うための条件として、例えば
０．３μｒａｄ程度以下の雑音等画角ＮＥＡが要求され
る。従って、この要求条件を満足するためには、第４図
に示すように、情報信号のビットレートが４００Ｍｂｐ
ｓでは、−５２ｄＢｍの追尾用光電力が必要となる。

また、ビットレートか１００Ｍｂｐｓでは一５３ｃｌＢ
ｍの追尾用光電力が必要となり、さらに、ヒラ１−レー
ｉ・が１０　Ｍ　ｂ　ｐ　３では一５４ｄＢｍの追尾用
光電力か必要となる。一方、ビーコン方式では、６］、
ｄＢｍの追尾用光電力が必要となる。

例えは、太陽光による背景光の干渉時に１０−’のビッ
ト誤り率で伝送ヒツトレート４００Ｍｂ　ｐＳの情報伝
送を行うためには、受信側で一４２ｄＢｍの光電力が必
要になる。この条件が満足される場合、受信光電力の１
０％、すなわち−５２ｄ１５〜 て上記光アンテナのビーム方向を変化するように構成す
るようにしてもよい。

（以下余白） Ｂｍの光電力を追尾用に割り当てれば、太陽光による背
景光の干渉時にも通信信号光の一部を用いて双方向通信
を行いながら光ヒームの追尾が可能となる。

以上のように構成された光空間通信装置は、衛星局相互
間、地上固定局相互間、並びに自動車等の移動局又は地
上固定局と衛星局との間の通信などに広く適用すること
ができる。また、上巳通信装置に含まれる光ヒーム追尾
装置及び方法は、コンパクト・ディスクなどの光ディス
クなとのピックアップ、信号光を用いたレーザーレーダ
、並びに光ビームを用いた各種計測装置に広く適用でき
る。

第５図において、光アンテナ方向制御装置１０と光偏向
器制御装置１２を別々に備えているが、これに限らず、
装置１２の機能を装置１０に含ませ、かつ上記光偏向器
２を備えず、例えは副反射鏡を備えているカセグレン型
光アンテナを用いて、上記信号処理回路１１の出力に基
づく上記装置１０の制御によって上記副反射鏡の角度を
変化させ第１表 ［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、受信光に含まれる
情報信号のタイミング成分を抽出し、上記タイミング成
分に基づいて上記受信光の光ヒムを追尾するようにした
ので、情報信号の信号光の一部を用いて、すなわち一系
統の光学系を用いて、かつ背景光による干渉の有無にか
かわらず同の信号処理系を用いて、安定した光ビームの
追尾を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である光空間通信装置の信号
処理回路ｌｅａのブロック図、第２図は第１図の信号演
算処理回路２４ａのブロック図、 第３図（Ａ）は第２図の等化回路３２の出力電力スペク
トラムを示す図、 第３図（Ｂ）は第２図の非線形素子３３の出力電力スペ
クトラムを示す図、 第３図（Ｃ）は第２図のＬＰＦ３６の出力室カスペクト
ラムを示す図、 ３３・非線形素子、 ３４・・・帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）、３５・・検波
回路、 ３６・・・低域通過フィルタ（ＬＰＦ）。 特許出願人　株式会社　エイ・ティ・アール光電波通信
研究所 代理人　弁理士　前出　葆はか１名 第４図は太陽光による背景光がある場合の本実施例の装
置の光ヒーム追尾方式及びヒーコン方式の雑音等側角を
示す図、 第５図は従来例の光空間通信装置のブロック図、第６図
（Ａ）は従来例の光ヒーム追尾方法を示す図、 第６図（Ｂ）は第６図（Ａ）の光追尾検出器の平面図、 第７図は第５図の信号処理回路１１のブロック図である
。 ■・・・光アンテナ、 ２・・・光偏向器、 ９・・追尾検出器、 １、ｌａ・・・信号処理回路、 １２・・・光偏向器制御回路、 ２１ａないし２１ｄ・・プリアンプ、 ２３・・・演算回路、 ２４ａないし２４ｄ・・・信号演算処理回路、３１・・
・高域通過フィルタ（ＨＰＦ）、３２・・・等化回路、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）受信光に含まれる情報信号のタイミング成分を抽
   出し、上記タイミング成分に基づいて上記受信光の光ビ
   ームを追尾することを特徴とする光ビーム追尾方法。
2. （２）受信光に含まれる情報信号のタイミング成分を抽
   出する抽出手段と、 上記タイミング成分に基づいて上記受信光の光ビームを
   追尾する追尾手段とを備えたことを特徴とする光ビーム
   追尾装置。