JP4729104B2 - レーザ通信のための捕捉、指示、および追跡アーキテクチャ - Google Patents

Description

（政府実施許諾）
米国政府は、本発明におけるペイドアップライセンス、および契約条件第９５５３００７７号によって規定されている合理的条件に基づいて特許権者が第三者に実施許諾することが必要な制限的状況における権利を有し得る。

（発明の分野）
本発明は、レーザ通信システムにおいて有用な捕捉（ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）、指示（ｐｏｉｎｔｉｎｇ）、および追跡（ｔｒａｃｋｉｎｇ）スキームに関する。

（関連技術の説明）
自由空間のレーザ通信システムは、長距離にわたって非常に高速のデータレートでデータを伝送する潜在的能力を提供するが、移動プラットフォーム環境（例えば、航空機、宇宙船、および地上車）において確実に動作する現在の開発途上のシステムは、特有の問題を提示している。移動プラットフォームの位置は変化するので、捕捉スキーム、高精度のビーム指示能力、および追跡能力が、これらの環境において動作することが要求される。特に航空機プラットフォームの場合、航空機の移動は、（地上車に比べると）高速であり、（衛星に比べると）予測困難なので、指示および追跡スキームが、データレーザビームに対する正確なガイダンスを提供することは、決定的に重要である。

相対的位置が変化し得る２つのレーザ通信端末が双方向通信に従事している（例えば、これらの端末のうちのいずれか一方または両方がモバイルである）シナリオを考える。各端末において、他方の端末（すなわち、遠端端末）の角度方向を決定するための１つのオプションは、遠端端末から受信するデータレーザビームの一部分を分離して、分離されたデータレーザビーム信号の到達角度を決定することである。このアプローチは、多数の不都合を有している。受信されるデータレーザビームの一部分を位置決定のために使用することにより、受信されるデータレーザビームの残っている部分しか、データの受信のために利用できなくなり、結果的に、受信器における信号電力を低減させ、システムの最大動作範囲を低減させることにつながる。さらに、信号強度および動作範囲を最大化するためには、データレーザビームの帯域幅を最小化することが望ましい。制限された角度範囲のデータレーザビームが与えられたとき、このデータレーザビームを用いた遠隔端末の初期捕捉は、困難なものとなる。同様に、一旦端末の間に通信リンクが確立されると、これらの端末が狭いデータレーザビームを用いて互いを追跡することは困難なものとなり得る。なぜならば、端末の相対的角度方向が高速で変化するときには、いずれかの端末が非常に速くビーム外に移動し得るからである。

さらに、レーザビームの到達角度を決定するための現在のＡＣカップリング位置感知検出器は、わずか数メガヘルツまでの範囲の周波数帯域幅しか有していない。レーザ通信において、データは、数百ギガヘルツまでのギガヘルツ単位の変調を用いて、レーザビームに変調され得る。この変調により、データ搬送レーザビームは、現在ではギガヘルツの変調周波数を感知するための帯域幅を有していないＡＣカップリング位置感知検出器にはほとんど認識されなくなる。

加えて、レーザ追跡スキームは、グリント（ｇｌｉｎｔ）および太陽放射の影響を受けやすいことがあり得、端末の見通し線（ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ）が太陽の見通し線に接近する場合、または永続的なグリントが存在する場合に、移動端末の追跡は失われ得る。したがって、レーザ通信システム、特に移動プラットフォームを含むレーザ通信システムにおける、捕捉、指示、および追跡のための改善されたスキームに対する必要性が存在する。

（発明の概要）
本発明の例示的な実施形態にしたがうと、自由空間におけるレーザ通信システムのレーザ通信端末を捕捉および追跡するための技術は：レーザ通信端末の間で捕捉ビーコンレーザビームを交換することによって、レーザ通信端末を捕捉すること；通信のために端末によって交換されるデータレーザビームが、追跡ビーコンレーザビームの検出からのフィードバックに基づいてステアされるように、レーザ通信端末の間で追跡ビーコンレーザビームを交換することによって、端末を追跡することを含んでいる。捕捉ビーコンレーザビームは、追跡ビーコンレーザビームよりも大きなビーム拡がりを有している。追跡ビーコンレーザビームは、通信のために用いられるデータレーザビームよりも大きなビーム拡がりを有していることが好適である。さらに、ビーコンレーザビームは、データレーザビームとは異なる波長を有していることが好適である。ＲＦリンクを介してレーザ通信端末の間で交換されるＧＰＳ位置データは、捕捉ビーコンレーザビームの初期指示のために用いられ得る。

自由空間のレーザ通信端末の各々は、ジンバルシステムを含んでおり、このジンバルシステムには：ビーコンレーザビームを送信するためのビーコンアパーチャアセンブリ；データレーザビームを送受信し、かつビーコンレーザビームを受信するための望遠鏡のような、データアパーチャ；データアパーチャによってレーザビームが送受信される角度を制御するためのステアリングミラー；データアパーチャによって受信されるビーコンレーザビームの方向を検出するための位置センサ検出器が搭載される。位置センサ検出器からのフィードバックに基づいて、コントローラは、ジンバルシステムの位置を制御することにより、ビーコンアパーチャアセンブリおよびデータアパーチャの遠端端末に向けた大雑把なステアリングを実行し、ステアリングミラーの位置を制御することにより、データアパーチャの精密なステアリングを実行する。

ビーコンレーザビームは、それらが実質的に「チョップされた」レーザビームになるように、オンおよびオフに変調され得る。このようにして、レーザ通信端末の全ては、異なるチョッピング周波数を用いることにより、同じ波長におけるビーコンレーザビームを送受信して、端末を識別および区別し得る。チョップされたビーコンレーザ信号の使用は、位置センサ検出器（例えば、直交セル検出器）が、ＡＣカップリングされ得る（これは、太陽放射およびグリントの感度を低減させる）という追加的な利点を有している。

上述の目的およびさらなる目的、本発明の特徴および利点は、本発明の特定の実施形態の説明を目的とした以下の定義、説明、および図面を考慮することによって、理解され得る。様々な図面において、同じ参照番号が、同じコンポーネントを指示するために用いられている。これらの説明は、本発明の特定の詳細に及ぶが、バリエーションが存在し得、当業者には本明細書の記載に基づいて明白に理解され得るということが、理解されるべきである。

（詳細な説明）
図１〜図４および好適な実施形態の以下の詳細な説明は、本発明の方法および装置を開示している。図１は、本発明の例示的な実施形態にしたがう捕捉、指示、および追跡スキームを採用している、レーザ通信端末１００に対するシステムアーキテクチャを示している。図１に示されているアークテクチャは、主要な機能的ユニットを示している概念図であり、必ずしも物理的な関係を示しているわけではない。

レーザ通信端末１００は、移動プラットフォームを有するレーザ通信システムにおいて動作するように設計されており、ここでは、端末の相対的位置は経時的に変化する。システムは、例えば、航空機、衛星、船、船舶、または地上車のプラットフォームに搭載された端末、ならびに移動プラットフォームに搭載された端末と通信する静止端末を含み得る（例えば、空対空リンクおよび空対地リンクの組み合わせ）。システムは、ネットワークされた方法で互いに通信する任意の個数の端末を含み得る。システムは、指向性レーザビームを用いて通信するので、信号を送受信するために必要な光学的コンポーネントは、ジンバル（ｇｉｍｂａｌ）システム１０２に搭載される。このジンバルシステムは、ビームが広範囲の方向にわたって指示され得るようにするために、方位角および仰角における回転を可能にする。

限定のためではない実施例によると、航空機の場合、ビームを送受信するために必要な任意の装置、望遠鏡、ミラー、アンテナ等、ならびにサポートしている光学コンポーネントが、航空機の外部表面から***したドーム状のエンクロージャを有するジンバル駆動のターレット（ｔｕｒｒｅｔ）に含まれ得る。このジンバル駆動のターレットは、３６０°の方位角および１８０°の仰角の全体またはほぼ全体にわたって回転し得る（例えば、２０°の方位角のブラインド領域が、大量の乱流が性能を低下させる航空機の後方に存在し得る）。本明細書および請求の範囲において用いられているように、アパーチャ（ａｐｅｒｔｕｒｅ）という用語は、任意の望遠鏡、レンズ、ミラー、アンテナ、または自由空間にビームを送信するための、および／または自由空間からビームを受信するための、その他の機構を意味する。

再び図１を参照すると、望遠鏡１０４は、双方向通信を実行するために、遠端端末に向けてデータレーザビームを送信するために、および遠端端末からデータレーザビームを受信するために、ジンバル１０２に搭載される。限定のためではない実施例にしたがうと、望遠鏡１０２は、コンパクトな１０×無限焦点望遠鏡であり得、４インチのアパーチャと共に、アルミニウムコート表面、１〜０．７の幅直径長さ（ｗｉｄｔｈ ｔｏ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｔｏ ｌｅｎｇｔｈ）のアスペクト比を有している。望遠鏡１０４がデータレーザビームを同時に送受信し、全２重モードにおいて動作することができるようにするために、データレーザビームは、１つの波長で送信され、別の波長で受信されることが好適である。加えて、望遠鏡１０４は、遠端送受信器の角度方向（位置）を決定するために用いられるビーコンレーザビームを受信する役目を担っており、これは、送受信レーザビームの指示方向を制御するために用いられ得る。ビーコンレーザビームは、データレーザビームよりも広いビーム幅ならびにデータレーザビームとは異なる波長を有している、別個のビーコン装置を介して、遠端送受信器端末から送信されることが好適である。

図１に示されているように、データレーザビームは、自由空間のコリメータビームと共通の光学軸に沿って、望遠鏡１０４まで、および望遠鏡１０４から伝わる。データレーザ送受信器１０６は、遠端端末へと伝達されるデータと共に、変調された送信レーザビームを生成し、望遠鏡１０４による送信のために、この送信レーザビームを共通の光学軸に供給する。望遠鏡１０４によって受信されたデータレーザビームは、光学的受信器１０８に供給され、この光学的受信器は、受信レーザビームを復調して、その中にあるデータを復元する。データレーザ送受信器１０６および光学的受信器１０８は、レーザ通信コントローラ１１０の制御下で動作し、このレーザ通信コントローラは、通信動作全体を調整する。簡略化のために、送信データレービーム経路および受信データレーザビーム経路と共通の光学軸との間のカップリングは、図１においては省略されている。

望遠鏡１０４によって受信されたビーコンレーザビームもまた、共通の光学軸に沿って伝わる。ビームスプリッタ１１２は、共通の光学軸から、直交セル検出器（ｑｕａｄｃｅｌｌ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）であり得る位置検出器センサ１１４に、ビーコンレーザビームを配向する。位置検出器センサからの出力信号は、ビーコン受信器１１６に供給され、このビーコン受信器は、ビーコン信号の到達角度を決定し、遠端端末の角度方向を指示する。この位置情報は、レーザ通信コントローラ１１０、ならびに捕捉、指示、および追跡モジュール１１８に供給される。この捕捉、指示、および追跡モジュール１１８は、最初に遠隔端末を捕捉し、双方向通信の間に遠端端末を追跡し続けるプロセスを制御する役目を担っている。捕捉、指示、および追跡モジュール１１８は、衛星航法システム（ＧＰＳ）および慣性航法システム（ＩＮＳ）モジュール１２０から、端末自身の位置に関する情報を受信し、これは、ＧＰＳデータから端末の位置を決定する。ＧＰＳ情報は、ＧＰＳ衛星からＧＰＳアンテナ１２２を介して受信された擬似距離信号から導出される。オプションとして、ＧＰＳデータは、端末の加速度のオンボード感知から導出された慣性航法データを用いて補足され得る。

望遠鏡１０４の大雑把な指示は、ジンバル１０２の方位角および仰角を制御することによって、捕捉、指示、および追跡モジュール１１８によって実行される。ジンバル位置センサ１２４は、ジンバルの位置を捕捉、指示、および追跡モジュール１１８に報告し、この捕捉、指示、および追跡モジュールは、位置制御信号をジンバルコントローラ１２６に提供することによって、ビーコン受信器１１６からのフィードバックに基づいて、ジンバルを所望の角度に駆動させる。

捕捉、指示、および追跡モジュール１１８はまた、高速ステアリングミラーコントローラ１３０（例えば、圧電駆動機構）を介して、高速ステアリングミラー１２８を制御することにより、レーザビームの精密な指示および追跡を実行する。特に、高速ステアリングミラー１２８は、望遠鏡１０４とビームスプリッタ１１２との間の共通の光学軸に沿って配置され、入ってくるレーザビームおよび出て行くレーザビームを、選択された角度に偏向することにより、望遠鏡１０４によってレーザビームが送受信される角度を制御する。以下に詳細に記載されているように、高速ステアリングミラー位置センサ１３２からのフィードバック、および位置センサ検出器１１４によって検出されたビーコンレーザビームは、遠端送受信器の検出角度に対応する偏向角度を実現するように、高速ステアリングミラー１２８の回転角を制御するために用いられる。端末１００はまた、ＲＦ信号を供給および受信するＲＦ送受信器１３４をも含んでいる。オプションとして、ＲＦ信号は、望遠鏡１０４を介して送受信され得る。この場合には、ＲＦ信号は、ＲＦ／オプションのビームスプリッタ（図示されず）を介して、共通の光学軸とＲＦフィードホーン（図示されず）との間に接続され得る。別のオプションは、ジンバル１０２に搭載された別個のＲＦアンテナを介して、ＲＦ信号を送受信することである。ＲＦ送受信は、初期捕捉プロセスにおいて、ＧＰＳ／ＩＮＳモジュール１２２から導出された位置情報を遠端送受信端末に送信することにより、遠端端末に初期位置情報を提供するために用いられ得る。さらに、ＲＦ送受信器は、光学的データリンクが一時的に失われる期間の間に、データを送信するために用いられ得る。

ビーコンレーザ送信器１３６は、遠端端末に送信されるビーコンレーザビームを生成することにより、捕捉、指示、および追跡をサポートする。ビーコンレーザは、例えば、約１．４７ミクロンで動作するダイオードバーレーザである。ビーコンレーザビームは、データレーザビームよりも広いビーム幅を有し、かつジンバル１０２に搭載された別個のビーコンアパーチャアセンブリから送信されることが好適である。ビーコンアパーチャアセンブリは、異なるビーム拡がり（ｂｅａｍ ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）を有するビーコンレーザビームを送信する能力を含んでいる。

広いビーコンは、より広い視野をカバーすることによって、検出の可能性を増大させるので、捕捉に適している。広いビーコンに関する不都合は、位置検出器に集中するエネルギーが小さいことが原因で、狭いビーコンよりも信号対ノイズ比が小さいということである。捕捉において、このことは、狭いビーム幅が検出されて狭いビーコンレーザビームを用いて追跡が実行され得るポイントへとジンバルをステアするためのエネルギーが十分である限りにおいては、容認できる。狭いビーコンは、より優れた信号対ノイズ比という利点を有しているが、プラットフォームの移動を原因とする指示エラーの許容度が、広いビームに対するものよりも低いという不都合を有している。十分な信号を有する最も広いビーコンは、捕捉のために選択され得るが、プラットフォームの移動を許容する最も狭いビーコンは、追跡のために選択され得る。

したがって、システムは、２つ以上のビーコンを有するように構成され得、ビーコンの捕捉および追跡が、現在の動作環境に基づいて選択されることを可能にし得る。さらに、捕捉スキームは、最終的に追跡の拡がりが用いられるまで、広い捕捉ビームから１つ以上の狭い捕捉ビームへと段階的にスイッチするように設計され得る。オプションとして、システムは、一部の最小値および最大値の間の値の連続的な範囲にわたって、拡がりを調整するための能力を有し得る。

図１を参照すると、ビーコンアパーチャアセンブリの例示的な実施形態が示されており、ここでは、広い捕捉ビーコンレーザビームおよび狭い追跡ビーコンレーザビームが生成される。ＭＥＭＳスイッチ１３８は、ビーコンレーザ送信器１３６からのビーコンレーザ信号を受信し、広い捕捉ビーコンレーザビームおよび狭い追跡ビーコンレーザビームのどちらが送信されるかに依存して、ビーコンレーザ信号を２つのアパーチャ１３８および１４０のうちの１つに選択的に供給する。例えば、ビーコンアパーチャ１３８および１４０は、ＭＥＭＳスイッチ１３８からの４００ミクロンのマルチモードファイバーを介して提供されたコリメータまたはＳＭＡレセプタクルによって提供されたレンズであり得る。簡略化のために、ビーコンアパーチャアセンブリおよびビーコンレーザ送信器１３６の間の接続は、図１においては省略されている。ビーコンアパーチャ１４０および１４２は、捕捉および追跡ビーコンレーザビームが、送信データレーザビームと実質的に同じ方向を指示するように、望遠鏡１０４と整列され得る。上述のように、入ってくるビーコンレーザビームは、望遠鏡１０４によって受信され、ビーコンレーザアセンブリによっては受信されない。

示されている実施形態は、２つの異なる拡がりのビームを生成しているが、本発明は、この特定の実装には限定されず、様々な拡がりにわたる任意の数のビーム拡がりが、捕捉および追跡を実行するために生成され得る。本発明の別の実施形態において、ビーコンアパーチャアセンブリは、連続的な範囲のビーム拡がりにわたってビーコンレーザビームを生成することが可能な、単一のレンズを含み得る。

データレーザ送信器１０６、光学的受信器１０８、ビーコン受信器１１６、ビーコンレーザ送信器１３６、およびＲＦ送信器１３４は、ジンバル１０２から離れたプラットフォーム内に配置され得る。例えば、航空機プラットフォームの場合、これらのモジュールは、内圧付与された（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ）コンパートメント（例えば、航空機の胴体軸内のラックに搭載されている）において、光ファイバーケーブルを介してジンバルが搭載されたターレットに接続されたレーザ送信器モジュールおよびレーザ受信器モジュールと共に配置されることが好適である。このようにして、変調されたレーザエネルギーを生成および受信するコンポーネントは、航空機の外部に搭載されたターレットから視認される過酷な環境には露出されない。この配置は、大多数のセンサモジュールの動作条件を緩和すること、ならびに外部に露出されるターレットのサイズを最小化することという、２つの利点を有している。ターレットエンベロープ内には、自由空間と接するシステムコンポーネント（例えば、光学望遠鏡）あるいは捕捉および追跡を実行するプラットフォームのみが必要とされる。

データおよびビーコンレーザビームを送受信するために用いられる光波長は、目に安全なスペクトル領域内の波長（すなわち、約１．４ミクロンよりも長い波長）、例えば、電気通信Ｃ帯域およびＬ帯域、または約１５３０ｎｍ〜１６００ｎｍの間の波長である。これらの波長は、市場で入手可能な光学的コンポーネントがレーザ送受信器において用いられることを可能にする。しかしながら、本発明は、任意の特定の範囲の光波長には限定されない。したがって、本明細書および請求の範囲において用いられているように、用語「光学的（ｏｐｔｉｃａｌ）」は、一般に、「光学的」設備（例えば、光学的通信の設備、送信器、受信器、等）が典型的に動作する波長範囲（可視スペクトル、赤外線波長、および紫外線波長を含む）の電磁気的信号を意味する。

図２における流れ図２００は、本発明の例示的な実施形態にしたがう、図１に示されている端末１００によって実行される捕捉、指示、および追跡動作を概説している。遠隔端末に向けた初期の捕捉および指示を実行するために、動作２０２において、ＧＰＳ／ＩＮＳモジュール１２０は、ＧＰＳおよびＩＮＳ情報から、端末の現在の位置（すなわち、端末自身の位置）を決定する。この位置情報は、レーザ通信コントローラ１１０に供給され、このレーザ通信コントローラは、ＲＦ送受信器１３６によって生成されたＲＦ送信を介して、位置情報を遠端端末に送信する（動作２０４）。送信されたＲＦ信号の波長は、非常に広いことが好適である。なぜならば、遠隔端末の方向は、この時点では適切に認識され得ないからである。オプションとして、ＲＦビームのスキャニングが、必要に応じて、初期捕捉の一部として実行されたり、あるいは比較的長い波長（例えば、ＵＨＦ領域における波長）または小さなアンテナアパーチャが、広いビームを生成するために用いられたりし得る。

遠隔の遠端端末はまた、その位置情報を、ＲＦ信号を介して局所端末に送信し、この信号は、ＲＦ送受信器１３４によって受信され、レーザ通信コントローラ１１０に供給される。動作２０６において、この遠端端末の位置情報は、捕捉、指示、および追跡モジュール１１８に供給され、この捕捉、指示、および追跡モジュールは、ジンバルコントローラ１２６に対し、遠端端末の位置情報によって示される方向に、ジンバル１０２を向けるように命令する。捕捉、指示、および追跡モジュール１１８は、ＧＰＳ／ＩＮＳモジュール１２０によって供給される局所端末の現在の位置を考慮することにより、指示方向を決定する。同様に、局所端末の位置の受信に基づいて、遠端端末は、そのジンバルを、局所端末によって示される方向に向ける。このようにして、両方の端末が、それらに搭載されたデータおよびビーコンレーザアパーチャと共に、互いに向けたジンバルの初期の大雑把な指示を実行する。市場で入手可能なＧＰＳ／ＩＮＳ設備（例えば、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社の７６４Ｇ ＩＮＳ）を用いると、このプロセスは、数ミリラジアン単位の精度（例えば、約７ミリラジアンの指示方向に対する９０％の信頼区間）の角度指示をもたらすことが期待され得る。

次に、動作２０８において、光学的な捕捉および追跡が、例えばビーコンアパーチャアセンブリを介して約７ミリラジアンの広いビーム拡がりを有するビーコンレーザビームを送信する各端末によって、開始される。上述のように、本発明は、任意の特定のビーム拡がりには限定されず、オプションとして、捕捉ビーコンレーザビームの拡がりは、動作条件に基づく値の範囲から選択され得る。交換された広いビームのビーコンレーザビームは、各端末の望遠鏡１０４によって受信され、ビームスプリッタ１１２によって、位置感知検出器１１４（例えば、直交セル検出器（ｑｕａｄｃｅｌｌ ｄｅｔｅｃｔｏｒ））に配向される。位置感知検出器１１４の出力は、ビーコン受信器１１６によって処理され、このビーコン受信器は、レーザ通信コントローラ１１０および／または捕捉、指示、および追跡モジュール１１８に対し、ビーコン信号の角度方向に関する情報を供給する。必要に応じて、ジンバルの位置は、検出された広いビーコンレーザビームから決定された端末の角度方向に基づいて調整され得る（動作２１０）。

動作２１２において、一旦広いビームのビーコンレーザビームが捕捉され、ロックされると、端末は、狭いビーコンレーザビームの送信に切り替える。交換された狭いビーコンレーザビームは、広いビームのビーコンよりも狭いビーム幅（例えば、約０．７ミリラジアンの拡がり）を有し得、直交セル検出器において検出されたビーコンレーザビームの信号対ノイズ比において、広いビームのビーコンに対して２０ｄＢの増加をもたらす。このようにして、狭いビーコンレーザビームは、１００ｋｍ以上離れた端末の追跡に必要な精密な解像度および信号強度を提供する。ここでもまた、本発明は、ビーコンレーザビームを追跡するための特定のビーム拡がり、または捕捉ビーコンレーザビームの拡がりと追跡ビーコンレーザビームの拡がりとの間の任意の特定の比に限定されない。

２つの端末の間の広いビーコンレーザビームと狭いビーコンレーザビームとの一連の交換は、図３に概念的に示されている。図３に示されているビーム幅は、正確な縮尺ではない。広いビーコンレーザビームは、初期のジンバルの指示（ＧＰＳ／ＩＮＳデータに基づく）と狭いビーコンレーザビームを用いた追跡との間の滑らかなハンドオフを実質的に保証する拡がりを有している。オプションとして、マルチステップの捕捉が、追跡のために適切な拡がりが得られるまで、引き続き狭いビームによって実行され得る。比較すると、データレーザビームは、狭いビーコンレーザビームのビーム幅の一部分（この例においては、０．１５〜０．３５ミリラジアン程度）を有している。狭いビーコンレーザビームの広い拡がりが与えられたとき、狭いビーコンレーザビームを用いて遠端端末を追跡し続けることは、受信されるデータレーザの分離した位置を用いて遠端端末を追跡し続ける場合よりも容易である。

レーザ通信端末の指示および追跡（図２における動作２１４）は、検出された狭いビーコンレーザビームからのフィードバックを用いることにより、大雑把なステアリングと精密なステアリングとの入れ子式の制御ループによって達成される。大雑把なステアリングは、約３ミリラジアンの公称の指示精度を有し得るジンバル１０２の位置制御によって実行される。精密なステアリングは、ジンバル１０２内の高速ステアリングミラー１２８を制御することによって達成される。限定のためではない実施例として、高速ステアリングミラー１２８は、約５マイクロラジアンの閉ループ指示精度、０．８ｋＨｚの共振スキャニング周波数、ならびに全体で５０ミリラジアンのチルト範囲を有し得る。１０×望遠鏡１０４は、高速ステアリングミラーの前面のビーム拡張器として動作することによって、５ミリラジアンの偏位をもたらす。ここでもまた、図１に示されている構成において、高速ステアリングミラーは、望遠鏡１０４の共通の光学軸上に沿って存在しており、それ故に、受信においてはデータレーザビームおよびビーコンレーザビームの両方をステアするが、送信においてはデータレーザビームのみをステアするということに留意されたい。これは、ビーコンが、別個のアッパーチャアセンブリを介して送信されるからである。結果的に、ビーコン送信の方向は、ジンバルの位置のみによって制御され、高速ステアリングミラーの位置によっては制御されない。

様々な制御スキームのうちの任意のものが、大雑把な／精密な追跡を実装するために用いられ得る。１つの例示的なアプローチにしたがうと、レーザ通信コントローラ１１０は、ビーコンレーザビームの到達角度に対応するビーコン受信器信号を受信し、高速ステアリングミラー１２８をステアすることによって、直交セル検出器１１４に信号を集中させる。同時に、高速ステアリングミラー位置センサ１３２のストレインゲージからの測定（これは、高速ステアリングミラーのチップ（ｔｉｐ）およびチルトを示す）が、ジンバル１０２を制御する捕捉、指示、および追跡モジュール１１８に供給される。ジンバル１０２は、これを動かすことによって高速ステアリングミラー１２８がその関心領域の中心付近に留まることを可能にするように、制御される。

位置感知検出器１１４として適切な直交セル検出器の実施例は、図４に示されている。直交セル検出器は、ＩｎＧａＡｓから作られた３ｍｍ×３ｍｍのデバイスであり得る。直交セル検出器の前面の光学素子は、約１６６ミクロンの典型的なビーコン焦点スポットサイズと共に、１８ミリラジアンの視野を生成する。高速ステアリングミラー１２８は、５ミリラジアンの全関心視野（ＦＯＲ）を有しており、このＦＯＲの外部にエネルギーが集中された場合に、ジンバルは、ビーコンエネルギーを直交セルの中心に集中させるように駆動され得る。ＧＰＳ位置データによって提供される９０％の信頼区間に対応する７ミリラジアンの関心視野もまた、対比のために図４に示されている。

本発明の別の例示的な実施形態にしたがうと、ビーコンレーザビームは、ビーコン検出スキームを簡略化するような特有の方法で変調され得る。特に、ビーコンレーザエネルギーは、比較的低い周波数で、オンおよびオフまたは「チョップ（ｃｈｏｐｐｅｄ）」に変調され得、変調周波数が検出され得る矩形波を生成し得る。本明細書および請求の範囲において用いられているように、「オンおよびオフ」の変調は、レーザビームを第１のパワーレベルおよび第２のパワーレベル（好適には、非常に低いレベル、または０パワーレベル）の間で連続的に交互させることを意味する。例えば、ビーコンレーザ送信器は、１４８０ｎｍの波長と共に調整可能なチョップ周波数で送信する１５ワットのマルチモードのダイオードバーレーザであることが好適である。すなわち、レーザエネルギーのオン／オフ変調の比は、例えば、４〜１５ｋＨｚ領域においてプログラム可能であり得る。均整の取れた矩形波を生成するために、５０％のオン／オフ負荷サイクルが用いられ得る。一般に、本発明は、任意の特定のチョッピング周波数または負荷サイクルには限定されない；したがって、例示的な範囲における周波数よりも高い周波数または低い周波数もまた用いられ得る。

チョップされたビーコン信号は、数多くの利点を提供する。チョッピング周波数の検出が、どの端末がビーコン信号を送信しているかを識別することができるように、固有のビーコンチョッピング周波数が、レーザ通信システムにおける各端末に対して用いられ得る。例えば、２つの端末は、１つの端末が６３００Ｈｚのビーコンチョッピング周波数を使用し、別の端末が９４５０Ｈｚのビーコンチョッピング周波数を使用している場合に、互いに対し、光学的通信を確立して追跡を継続し得る。

チョップされたビーコン信号の別の利点は、全ての端末が同じ波長でビーコン信号を送受信することができるということである。これは、ビーコンのチョッピング周波数が、１つのビーコン信号を別のものと区別するために用いられ得るからである。これは、ビーコン設計およびシステムアーキテクチャの全体を非常に単純化する。なぜならば、ビーコンレーザの送信器または受信器のどちらも同調または調整されなくてよく（ビーコン信号は同調しなくても常に検出され得る）、ビーコンハードウェアは、全ての端末において同じだからである。設計および動作の立場から見ると、ビーコン信号のチョッピング周波数を調整して、ビーコン信号の間の区別を提供することは、区別の基準として異なる波長を用いるよりも、はるかに単純である。もちろん、オプションとして、異なるチョッピング周波数および異なる光学的波長の両方が、ソース端末を区別するために必要に応じて用いられ得る。

ビーコン信号をチョッピングすることの別の利点は、オン／オフ変調が矩形波ＡＣ信号（この周波数は、チョッピング周波数である）を生成するということである。そして、チョップされたビーコンレーザ信号は、位置感知検出器にＡＣカップリングされ得る。位置感知検出器をＡＣカップリングすることにより、ＤＣバイアスを生成する連続的な信号が、検出プロセスに影響を与えなくなる。したがって、例えば、絶え間なく光を放射する太陽放射およびグリントのような望ましくない信号は、チョップされたビーコン信号と共に検出されたとき、ＤＣ信号バイアスをもたらすだけで、ＡＣカップリングによって自動的にフィルタされる。このように、チョップされたビーコンレーザビームは、これらのタイプの干渉に対する追加的な耐性を提供し、そのような干渉が存在するときに、レーザ通信端末が遠端のターゲットの追跡を継続することを可能にする。

上述のように、現在の位置感知検出器は、およそ数メガヘルツまでの周波数帯域幅を有しており、データ信号と共により高い周波数で変調されたレーザビームを検出するためには不適切である。もちろん、データレーザ信号を検出するために用いられる受信器は、そのような信号を検出する；しかしながら、レーザデータ受信器は、典型的には、受信されたデータレーザビームの到達角度に関する情報を提供しない。本発明の別の実施形態にしたがうと、従来の位置検出器センサは、主にデータレーザビームの態様のレーザ信号を検出して到達角度を示す微分信号を提供する要素からなるアレイ（４×４または８×８）によって置換され得る。このように、追跡は、データレーザビームそのものによって実行され得るが、ギガヘルツ周波数における狭いビーコンレーザビームおよびデータレーザビームの変調は除かれ得る（依然広いビーコンレーザビームが捕捉のために用いられ得る）。この場合、受信データレーザビームの一部分（例えば、１０％）が、位置検出器において用いるために分離されたり、あるいは位置検出器が、データレーザ受信器として機能したりし得る。

本発明の送受信器端末は、ほぼ全てのタイプの情報またはデータを送信するために用いられ得る。これらには、センサデータ、ナビゲーション信号、音声信号、画像信号、ビデオ信号、プロセッサ上で実行しているアプリケーションに関連するデータ、制御信号、およびオーバーヘッドまたは通信プロトコル信号（例えば、通信プロトコル、ハンドシェーキング、ルーティング、設備の構成、等に関連する）を含むが、これらには限定されない。特に、諜報、監視、および偵察のための情報を収集するセンサは、かなりの量のデータを生成し、適度な長さの時間で情報を送信するためにレーザ通信に用いられる高いデータレートからの利益を受け得る。

本明細書において記載されたアーキテクチャの局面は、その他の関連する分野においても用いられ得る。例えば、捕捉、指示、および追跡スキームは、位置追跡、２次元および３次元の画像化のために、ＬＡＤＡＲシステムにおいて、あるいは表面特性の調査のために、振動測定法において、有用であり得る。

レーザ通信のための新規であって進歩した捕捉、指示、および追跡システムの好適な実施形態が記載されてきたが、その他の改変、バリエーション、および変更が、本明細書において述べられた教示を踏まえることによって、当業者に提案され得る。したがって、そのようなバリエーション、改変、および変更の全ては、添付の請求の範囲によって定義される本発明の範囲内に存在すると考えられることが理解されるべきである。本明細書においては特定の用語が用いられてきたが、これらは、一般的な意味で単なる説明目的のために用いられており、限定を目的としては用いられていない。

図１は、本発明の例示的な実施形態にしたがう、レーザ通信端末のアーキテクチャを示しているブロック図である。 図２は、本発明の例示的な実施形態にしたがう、レーザ通信システムにおけるレーザ通信端末を捕捉および追跡する際に実行される動作の機能的流れ図である。 図３は、本発明の例示的な実施形態にしたがう、レーザ通信システムの２つの端末の間での広いビームと狭いビームとの交換を示している図である。 図４は、直交セル検出器の視野に対する様々なビームのサイズを示している図である。

Claims (42)

1. 自由空間のレーザ通信システムにおけるレーザ通信端末の捕捉および追跡のための方法であって、
   （ａ）ＲＦ信号を用いて、レーザ通信端末の間で位置情報を交換することと、
   （ｂ）該レーザ通信端末の間でビーコンレーザビームを交換することによって、該レーザ通信端末を捕捉することであって、該ビーコンレーザビームは、ビーコンアパーチャを介して送信され、それぞれのレーザ通信端末のデータアパーチャを介して受信され、該レーザ通信端末の各々において、受信されたビーコンレーザビームは、該データアパーチャからビーコン受信器に供給され、該ビーコンレーザビームは、該交換された位置情報にしたがってステアされる、ことと、
   （ｃ）それぞれのレーザ通信端末のデータアパーチャを介してデータレーザビームを交換することによって、該レーザ通信端末の間で通信することと、
   （ｄ）該レーザ通信端末の間でビーコンレーザビームを交換し、該ビーコンレーザビームからのフィードバックに基づいて該データレーザビームをステアすることにより、該レーザ通信端末を追跡することであって、該ビーコンレーザビームは、該データレーザビームよりも大きなビーム拡がりを有しており、該データレーザビームとは異なる波長を有している、ことと
   を包含する、方法。
2. 前記レーザ通信端末を捕捉するために交換されるビーコンレーザビームは、該レーザ通信端末を追跡するために交換されるビーコンレーザビームよりも大きなビーム拡がりを有している、請求項１に記載の方法。
3. （ｄ）は、ジンバルの位置を調整して、大雑把なステアリングを実行し、ステアリングミラーの位置を調整して、精密なステアリングを実行することを含んでいる、請求項１に記載の方法。
4. （ｂ）は、送信されるビーコンレーザビームをステアリングするために、ステアリングミラーを用いることなしに、ジンバルを用いてビーコンレーザビームをステアリングすることを含んでいる、請求項１に記載の方法。
5. 前記レーザ通信端末は、同じ波長のビーコンレーザビームを送信する、請求項１に記載の方法。
6. 前記ビーコンレーザビームは、該ビーコンレーザビームがチョップされたビーコンレーザビームとなるように、オンおよびオフに変調される、請求項１に記載の方法。
7. 前記レーザ通信端末は、チョッピング周波数が、前記チョップされたビーコンレーザビームを送信している前記レーザ通信端末を識別することができるように、異なるチョッピング周波数を用いてチョップされたビーコンレーザビームを送信する、請求項６に記載の方法。
8. 前記チョップされたビーコンレーザビームの検出は、ＡＣカップリングを用いて実行される、請求項６に記載の方法。
9. 前記位置情報は、ＧＰＳ情報に基づいている、請求項１に記載の方法。
10. 前記ビーコンレーザビームの拡がりは、ある範囲にわたって調整される、請求項１に記載の方法。
11. 自由空間のレーザ通信端末であって、
    遠隔端末を捕捉および追跡するためにビーコンレーザビームを送信するためのビーコンアパーチャアセンブリと、
    遠隔端末と通信し、該ビーコンレーザビームを受信するために、データレーザビームを送受信するためのデータアパーチャと、
    該データアパーチャによってレーザビームが送受信される角度を制御するためのステアリングミラーと、
    ビーコンアパーチャアセンブリおよび該データアパーチャおよび該ステアリングミラーが搭載されるジンバルシステムと、
    該データアパーチャによって受信されたビーコンレーザビームの方向を検出するための位置センサ検出器と、
    該位置検出センサ検出器からのフィードバックに基づいて、該ジンバルシステムの位置を制御して、該ビーコンアパーチャアセンブリおよび該データアパーチャの該遠隔端末に向けた大雑把なステアリングを実行し、ステアリングミラーの位置を制御して、該データアパーチャの精密なステアリングを実行するための、コントローラと
    を備え、
    該ビーコンレーザビームは、ビーコンアパーチャを介して送信され、それぞれのレーザ通信端末のデータアパーチャを介して受信され、該レーザ通信端末の各々において、受信されたビーコンレーザビームは、該データアパーチャからビーコン受信器に供給される、端末。
12. 前記データアパーチャは望遠鏡である、請求項１１に記載の端末。
13. 前記ビーコンアパーチャアセンブリは、前記データアパーチャによって送信されるデータレーザビームよりも大きなビーム拡がりを有するビーコンレーザビームを送信する、請求項１１に記載の端末。
14. 前記ビーコンアパーチャアセンブリは、前記データアパーチャによって送信されるデータレーザビームとは異なる波長のビーコンレーザビームを送信する、請求項１１に記載の端末。
15. 前記ビーコンアパーチャアセンブリは、遠隔端末の捕捉のために捕捉ビーコンレーザビームを送信するための第１のビーコンアパーチャと、該遠隔端末の追跡のために追跡ビーコンレーザビームを送信するための第２のビーコンアパーチャとを含んでおり、該捕捉ビーコンレーザビームは、該追跡ビーコンレーザビームよりも大きなビーム拡がりを有している、請求項１１に記載の端末。
16. 前記ビーコンアパーチャは、前記ビーコンレーザビームの拡がりをある範囲にわたって調整するように動作可能なズームレンズを含んでいる、請求項１５に記載の端末。
17. 前記コントローラは、前記ステアリングミラーを用いることなしに、前記ビーコンアパーチャアセンブリのステアリングを制御する、請求項１１に記載の端末。
18. 前記ビーコンアパーチャアセンブリは、前記データアパーチャが受信するビーコンレーザビームと同じ波長のビーコンレーザビームを送信する、請求項１１に記載の端末。
19. 前記ビーコンアパーチャアセンブリは、ビーコンレーザビームがチョップされたビーコンレーザビームとなるように、オンおよびオフに変調された、ビーコンレーザビームを送信する、請求項１１に記載の端末。
20. 前記ビーコンアパーチャアセンブリは、第１のチョッピング周波数を用いてチョップされたビーコンレーザビームを送信し、前記データアパーチャは、該第１のチョッピング周波数とは異なる第２のチョッピング周波数を用いてチョップされたビーコンレーザビームを受信する、請求項１９に記載の端末。
21. 前記位置センサ検出器は、直交セル検出器である、請求項１１に記載の端末。
22. 前記位置センサ検出器は、ＡＣカップリングされている、請求項１１に記載の端末。
23. 前記端末の位置を示す位置情報を送信し、かつ前記遠隔端末の位置を示す遠隔位置情報を受信するための、ＲＦ送受信器
    をさらに含んでおり、
    前記コントローラは最初に、該遠隔位置情報に基づいて、該遠隔端末に向けて、前記ジンバルシステムを位置付ける、請求項１１に記載の端末。
24. 前記位置情報は、ＧＰＳ情報に基づいている、請求項２３に記載の端末。
25. 自由空間のレーザ通信システムであって、
    該システムは、データと共に変調されたデータレーザビームを交換することによって通信するように構成された、第１および第２のレーザ通信端末を備え、
    該第１および第２のレーザ通信端末の各々は、ビーコンアパーチャアセンブリと、データアパーチャとを含み、
    該第１および第２のレーザ通信端末は、捕捉ビーコンレーザビームを交換して、初期捕捉を実行するように構成されており、
    該第１および第２のレーザ通信端末は、追跡ビーコンレーザビームを交換し、追跡を実行して、該データレーザビームをステアするように構成されており、該追跡ビーコンレーザビームは、該捕捉ビーコンレーザビームよりも大きくないビーム拡がりを有し、
    各ビーコンアパーチャアセンブリは、該捕捉ビーコンレーザビームおよび該追跡ビーコンレーザビームを送信するように構成されており、
    各データアパーチャは、該データレーザビームを送受信し、該捕捉ビーコンレーザビームおよび該追跡ビーコンレーザビームを受信するように構成されており、
    該第１および第２のレーザ通信端末の各々は、該データアパーチャから入ってくる該捕捉ビーコンレーザビームおよび該追跡ビーコンレーザビームを受信するビーコン受信器を含む、システム。
26. 前記捕捉ビーコンレーザビームの拡がりは、ある範囲にわたって調整可能であり、前記追跡ビーコンレーザビームの拡がりは、ある範囲にわたって調整可能である、請求項２５に記載のシステム。
27. 前記追跡ビーコンレーザビームは、前記データレーザビームよりも大きなビーム拡がりを有している、請求項２５に記載のシステム。
28. 前記第１および第２のレーザ通信端末は、ＲＦ信号を用いて位置情報を交換し、該位置情報に基づいて、前記捕捉ビーコンレーザビームをステアするように構成されている、請求項２５に記載のシステム。
29. 前記第１および第２のレーザ通信端末は、前記データレーザビームとは異なる波長における捕捉および追跡ビーコンレーザビームを送信する、請求項２５に記載のシステム。
30. 前記第１および第２のレーザ通信端末の各々は、
    前記捕捉および追跡ビーコンレーザビームならびに前記データレーザビームをステアするためのジンバルシステムと、
    該データレーザビームの精密なステアリングのための、該ジンバルシステムに搭載されたステアリングミラーと
    を含んでいる、請求項２５に記載のシステム。
31. 前記ビーコンアパーチャアセンブリおよび前記データアパーチャは、前記ジンバルシステムに搭載されている、請求項３０に記載のシステム。
32. 前記第１および第２のレーザ通信端末は、同じ波長における前記捕捉および追跡ビーコンレーザビームを送信する、請求項２５に記載のシステム。
33. 前記第１および第２のレーザ通信端末は、前記捕捉および追跡ビーコンレーザビームがチョップされたビーコンレーザビームとなるように、該捕捉および追跡ビーコンレーザビームをオンおよびオフに変調する、請求項２５に記載のシステム。
34. 前記第１のレーザ通信端末は、第１のチョッピング周波数を用いてチョップされたビーコンレーザビームを送信し、前記第２のレーザ通信端末は、該第１のチョッピング周波数とは異なる第２のチョッピング周波数を用いてチョップされたビーコンレーザビームを送信する、請求項３３に記載のシステム。
35. 前記第１および第２のレーザ通信端末の各々は、前記チョップされたビーコンレーザビームを検出するための位置センサ検出器を含んでおり、該位置センサ検出器はＡＣカップリングされている、請求項３３に記載のシステム。
36. 自由空間のレーザ通信システムにおけるレーザ通信端末の捕捉および追跡のための方法であって、
    （ａ）レーザ通信端末のそれぞれのビーコンアパーチャを介してビーコンレーザビームを送信し、該レーザ通信端末のそれぞれのデータアパーチャを介して受信された該ビーコンレーザビームを検出することによって、該レーザ通信端末の間で該ビーコンレーザビームを交換することであって、該ビーコンレーザビームは、該ビーコンレーザビームがチョップされたビーコンレーザビームとなるように、オンおよびオフに変調される、ことと、
    （ｂ）該それぞれのデータアパーチャを介して受信され該チョップされたビーコンレーザビームを用いて、該レーザ通信端末を捕捉することと、
    （ｃ）通信を実行するために該レーザ通信端末の該それぞれのデータアパーチャを介してデータレーザビームを送受信することによって交換されたデータレーザビームが、該チョップされたビーコンレーザビームの検出からのフィードバックに基づいてステアされるように、該それぞれのデータアパーチャを介して受信され該チョップされたビーコンレーザビームを用いて該レーザ通信端末を追跡することと
    を包含する、方法。
37. 前記レーザ通信端末は、チョッピング周波数が、前記チョップされたビーコンレーザビームを送信している前記レーザ通信端末を識別することができるように、異なるチョッピング周波数を用いてチョップされたビーコンレーザビームを送信する、請求項３６に記載の方法。
38. 前記レーザ通信端末は、同じ光学的波長におけるチョップされたビーコンレーザビームを送信する、請求項３６に記載の方法。
39. 前記チョップされたビーコンレーザビームの検出は、ＡＣカップリングを用いて実行される、請求項３６に記載の方法。
40. 前記チョップされたビーコンレーザビームは、前記データレーザビームよりも大きなビーム拡がりを有しており、該データレーザビームとは異なる波長を有している、請求項３６に記載の方法。
41. 自由空間のレーザ通信システムにおけるレーザ通信端末の捕捉および追跡のための方法であって、
    （ａ）該レーザ通信端末の間でビーコンレーザビームを交換することによって、該レーザ通信端末を捕捉することであって、該レーザ通信端末を捕捉することは、該レーザ通信端末のそれぞれのデータアパーチャを介して受信されたビーコンレーザビームに依存する、ことと、
    （ｂ）該レーザ通信端末のそれぞれのデータアパーチャから送信され、該レーザ通信端末のそれぞれのデータアパーチャによって受信されるデータレーザビームを交換することによって、該レーザ通信端末の間で通信することと、
    （ｄ）検出器のアレイを用いて該データレーザビームを検出し、該検出器のアレイからのフィードバックに基づいて、該データレーザビームの方向を決定し、該データレーザビームをステアすることによって、該レーザ通信端末を追跡すること
    を包含する、方法。
42. 前記ビーコンレーザビームは、前記データレーザビームよりも大きなビーム拡がりを有しており、該データレーザビームとは異なる波長を有している、請求項４１に記載の方法。

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