JP5548888B2 - レーザ通信機 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ通信機に関し、特に地上に設置されているレーザ通信機と移動する車両などに搭載されているレーザ通信機とでレーザ通信するのに好適なレーザ通信機に関する。

図５は、従来のレーザ通信機の構成を示す図である。図５(a)は正面図、図５(b)は側面図である。図６は、その従来のレーザ通信機の使用態様を示す図である。従来のレーザ通信機は、ビーコン検出用４分割センサ１１およびレーザ送受信器１２を有するレーザ通信器１０、レーザビーム制御器２０、ミラーアクチュエータ３１、可動ミラー３２、およびビーコン送信器４０から成る。この構成のレーザ通信機を地上に設置されているレーザ通信機２１１および道路６０上を走行する移動体６１に搭載されているレーザ通信機２１２として使用して、これらのレーザ通信機間でレーザ通信する。ビーコン送信器４０は、レーザ通信機が存在する位置を相手レーザ通信機に知らせるために２０〜３０度の広角に光を送信する。ビーコン検出用４分割センサ１１は、相手ビーコン送信器４０からのビーコン光を検出し、自身の可動ミラー３２が所望の方向に向いているかどうかを検出する。すなわち、通信のために送信するレーザビームが可動ミラー３２によって相手ビーコン光の到来方向に向いているかどうかを検出する。レーザビーム制御器２０は、この検出信号に基づいて、もしレーザビームの方向が相手ビーコン光の到来方向よりも上下左右にずれていた場合は、それを打ち消すように駆動信号をミラーアクチュエータ３１に送って、可動ミラー３２を駆動し、レーザビームの方向を相手ビーコン光の到来方向に向け、レーザ送受信器１２によって相手レーザ通信機とレーザ通信する（たとえば、特許文献１参照）。

この従来の技術は、物理的な振動等が少なく、あるいは移動速度が遅い場合には、使用可能である。

しかしながら、この従来のレーザビーム制御は、相手ビーコン光が到来する方向に自身の通信用のレーザビームの送信方向を向けるように制御するのみであり、そのレーザビームが相手側のレーザ受信機で正しく受信されていることが確認されないという問題点がある。この方式のことを、ここではオープンループ制御と呼ぶ。高速移動する移動体は振動などが激しく、このオープンループ制御では、レーザ光の受光範囲を狭くするとレーザスポットが安定して相手側の受信器に当たらなくなり、その結果、送信したデータが正しく受信できなくなるという問題点がある。

レーザ光の通信距離は放射角度と大きな関係があり、同じレーザ装置を用いる限り、その放射角度を広くすると通信距離が短く、狭くすると通信距離が長くなる。レーザ通信の鉄道環境への適用を考えた場合、通信距離を十分に確保する必要があるので、レーザ光の受光範囲はなるべく狭くしたい。

図１２は、他の従来のレーザ通信機の使用態様を示す図である。レール６０上を走行する移動体６１と基地局７１〜７４とがレーザ通信する場合には、＃１基地局７１と通信中に移動体６１が移動すると＃２基地局７２との通信に切り替えるというように次々と通信を切り替える必要がある。このため、従来は固定の基地局から広い範囲に光を送信（または広い範囲から受光）して通信エリアがレール６０上で途切れることがないようにすることが知られている（たとえば、特許文献２参照）。しかし、この場合には光ビームを広げてしまうために遠距離の通信ができず、それだけ多くの基地局を使わなければならない。このために、遠距離の通信ができるレーザ通信の特性を生かすことができない。

図１３は、更に他の従来のレーザ通信機の構成を示す図である。この従来のレーザ通信機は遠距離間の通信を可能とするものであり、＃１レーザ通信機２４１と＃２レーザ通信機２４２は同じ構成を備える。そのレーザ通信機２４１、２４２は、ビーコン送信器１０１、可動ミラー１０２、ミラーアクチュエータ１０３、望遠レンズ１０４、望遠センサ１０５、レーザビーム制御器１０８、およびレーザ送受信器１０９から成る。まず、＃２レーザ通信機２４２のビーコン送信器１０１からのビーコン光を、可動ミラー１０２、およびレンズ１０４を介して望遠センサ１０５で受ける。望遠センサ１０５として図２に示す４分割センサ１１が用いられるのが一般的である。４分割センサ１１の中心にビーコン光の像がレンズ１０４によって投映されれば、装置が所望の方向に向けられているが、４分割センサ１１の中心以外に投映されている場合は、そのスポットが４個の受光部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄのどれにあたるかによって、装置が所望の方向から、上下、左右のどちらにずれているかを検出することができる。この方向のずれをもとに、レーザビーム制御器１０８は、ミラーアクチュエータ１０３によって可動ミラー１０２を駆動することによってレーザビーム送受信の方向を補正し、正しく所望の方向に向けることができる。これにより、双方のレーザ送受信器１０９がレーザ通信することができる。レーザビーム送受信の方向を補正する装置として代表的なものとしては、レーザ通信機全体をジンバルとよばれる回転台に搭載する方式、および、図１３に示されているミラー１枚ないしは２枚を機械的に動かしてビームの方向を制御する方式の２方式がある。ジンバル方式ではレーザ装置全体を所望の方向に機械的に向けることで通信を確立し、ミラー方式では、ミラーの方向を補正することで通信を確立する。しかしながら、上記の２方式では、移動体が高速に移動しながら地上基地局間でハンドオーバを行うことは不可能である。まず、ジンバル方式では、装置全体を回転させる方式なので、その動作速度を速くすることが困難であり、移動体のレーザ通信機の方向をすばやく一つの基地局から次の基地局に方向を変えることが物理的に不可能である。また、ミラー１枚ないしは２枚を機械的に動かしてビームの方向を制御する方式では、ミラーを敏速に動かすことは可能であるが、ビーコン検出のために望遠センサを用いる限り、現在リンクされている基地局の方向を追跡する機能しかなく、次の基地局を検出してその方向にビームを向けるという機能を実現することができない。

特開平０７−２６４１３５号公報 特開２００１−１６８８０３号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、細いレーザ光を相手ビーコン光の到来方向に送信した際に、遠方にあって狭い受光範囲を有する相手受信器がそのレーザ光を確実に受信できるレーザ通信機を提供することを目的とする。

本発明のレーザ通信機は、相手レーザ通信機からのレーザ光の２次元上の受信位置を検出する光受信位置検出器と、本レーザ通信機の存在位置を前記相手レーザ通信機に知らせるためのビーコン光を前記受信位置に関する情報によって変調して送信するビーコン送信器と、前記ビーコン光とは別のレーザ光によって前記相手レーザ通信機とレーザ通信を行うレーザ送受信器とを備えることを特徴とする。

また、前記ビーコン送信器は、前記レーザ送受信器におけるレーザ受信状況に関する情報によって前記ビーコン光を変調して送信することで、より正確にレーザ光の送信方向を制御することができる。

また、本発明のレーザ通信機は、相手レーザ通信機の存在位置を知らせるためのビーコン光を受信して、該相手レーザ通信機の存在方向を検出すると共に、該相手レーザ通信機における本レーザ通信機からのレーザ光の２次元上の受信位置に関する情報を復調するビーコン受信器と前記レーザ光によって前記相手レーザ通信機とレーザ通信を行うレーザ送受信器と、前記相手レーザ通信機の存在方向および復調した受信位置情報に基づいて前記レーザ光の送信方向を制御する送信光方向制御器とを備えることを特徴とする。

また、前記ビーコン受信器は、相手レーザ通信機におけるレーザ受信状況に関する情報も復調し、前記送信光方向制御器は、復調したレーザ受信状況情報にも基づいてレーザ光の送信方向を制御することで、より正確にレーザ光の送信方向を制御することができる。

本発明によれば、レーザ光の受光範囲を狭くしてもレーザスポットが安定して相手側の受信器に当たるレーザ通信機を提供することができる。

実施例１によるレーザ通信機の構成を示す図である。 ４分割センサの具体的構造を示す図である。 実施例１のレーザ通信機の使用態様を示す図である。 実施例１の動作を説明する図である。 従来のレーザ通信機の構成を示す図である。 従来のレーザ通信機の使用態様を示す図である。 実施例２によるレーザ通信機の使用態様を示す図である。 実施例２の動作を説明する図である。 実施例２によるレーザ通信機の構成を示す図である。 実施例３によるレーザ通信機の構成を示す図である。 ＰＳＤの構造を示す図である。 他の従来のレーザ通信機の使用態様を示す図である。 更に他の従来のレーザ通信機の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

図１は、実施例１によるレーザ通信機の構成を示す図である。図１(a)は正面図、図１(b)は側面図である。図２は、４分割センサの具体的構造を示す図である。図３は、実施例１のレーザ通信機の使用態様を示す図である。本実施例のレーザ通信機は、ビーコン検出用４分割センサ１１およびレーザ送受信器１２を有するレーザ通信器１０、レーザビーム制御器２０、ミラーアクチュエータ３１、可動ミラー３２、ビーコン送信器４０、およびレーザスポット光強度センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄから成る。ビーコン検出用４分割センサ１１は、図２に示すように、十文字の分割線にて４分割された受光部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを備える。これら受光部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにおける光受信強度に相当する出力信号の強度を比較することによってビーコン光の到来方向を検出することができる。この構成のレーザ通信機を地上に設置されているレーザ通信機２０１およびレール６０上を走行する移動体６１に搭載されているレーザ通信機２０２として使用して、これらのレーザ通信機間でレーザ通信を行う。本実施例の構成は、図５および図６で説明した従来技術と比べて、レーザスポット光強度センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを備える点、および、レーザ送受信器１２からの状態信号（たとえば、レーザ光受信強度、ＰＬＬ（位相同期回路：Phase-Locked Loop）ロック状態など）がレーザビーム制御器２０に送られている点が異なる。

レーザビームの方向制御に関しては、まず、従来方式と同様に、ビーコン検出用４分割センサ１１が、相手ビーコン送信器４０からのビーコン光を検出し、自身の可動ミラー３２が所望の方向に向いているかどうかを検出する。すなわち、通信のために送信するレーザビームが可動ミラー３２によって相手ビーコン光の到来方向に向いているかどうかを検出する。レーザビーム制御器２０は、この検出信号に基づいて、もしレーザビームの方向が相手ビーコン光の到来方向よりも上下左右にずれていた場合は、それを打ち消すように駆動信号をミラーアクチュエータ３１に送って、可動ミラー３２を駆動し、レーザビームの方向を相手ビーコン光の到来方向に向け、レーザ送受信器１２によって相手レーザ通信機とレーザ通信する。ここまでは、従来方式と同じであるが、本実施例は以下の処理も行う。上記方式で制御されたミラーアクチュエータ３１の方向で自身のレーザビームが相手側に向けられた時に、そのレーザスポットが相手側で正しく当たっているかどうかを相手側のレーザスポット光強度センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄおよびレーザ送受信器１２からの状態信号（たとえば、レーザ光受信強度、ＰＬＬロック状態など）で検出し、ビーコン光を変調させることによりその検出データを送り返してもらう。この情報を自身のビーコン検出用４分割センサ１１で復調することにより相手側の受信状況を把握する。相手側から来た情報のうち、レーザスポット光強度センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ（図１の例では４個）で検出されたレーザスポット光強度を相互比較することで、自身のレーザが相手側の受信機の所望のスポットにあたっているのか、あるいは多少上下左右にずれているのかがわかる。たとえば４個のレーザスポット光強度センサのうちの上側に設置されたレーザスポット光強度センサ５０ａが他の３個のレーザスポット光強度センサ５０ｂ、５０ｃ、５０ｄよりも強いレーザスポット光を検出した場合は、相手側の所望のスポットよりも上側にずれていることがわかる。また、もう一つの情報である、レーザ送受信装置からの状態信号（たとえば、レーザ光受信強度、ＰＬＬロック状態など）を検出することで、相手側で確かに受信されているかどうかがわかる。つまり、相手側のレーザ光受信強度があるレベル以上あれば受信可能であり、さらに、相手側の受信回路のＰＬＬがロックされれば、これも受信可能であることを示す情報となる。

ビーコン光を変調させる方式としては、あらゆる変調を使うことができるが、たとえばビーコン光の特定周波数のサイン波あるいは矩形波を作り、その周波数を変調（周波数偏移変調：ＦＳＫ：Frequency Shift Keying）、あるいは位相を変調（位相偏移変調：ＰＳＫ：Phase Shift Keying）することなどによってデータを送信することができる。

図４は、実施例１の動作を説明する図である。図４(a)は、自身のミラー制御のためのフローチャートであり、図４(b)は、相手側のミラー制御のための情報を送信するためのフローチャートである。まず自身のミラー制御のために、４分割センサ１１からの信号を入力して（ステップＳ１）、その４分割センサ１１からの信号をもとに、ビーコン光到来方向にレーザ送受信器１２からレーザビームを送信するようにミラーアクチュエータ３１への出力を計算してミラーアクチュエータ３１を制御する（これが１次制御である）（ステップＳ２）。つぎに、４分割センサ１１によってビーコン光を受光して（ステップＳ３）、復調するに十分な程度のビーコン光を受光できたかを判断し（ステップＳ４）、ｎｏであって復調するに十分な程度のビーコン光を受光できなければステップＳ１に戻る。ｙｅｓであって復調するに十分な程度のビーコン光を受光できればステップＳ５に進んで、受光信号を復調して、相手側レーザスポット光強度センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄからの信号およびレーザ送受信器１２からの状態信号を獲得する（ステップＳ５）。そして、これらの信号に基づいて、自身のレーザスポットが相手側の所望の位置にあたる、あるいはレーザ送受信器１２の状態が最良になるように可動ミラー３２の方向を計算しミラーアクチュエータ３１を制御する（これは１次制御に引き続いて行う２次制御になる）（ステップＳ６）。他方、相手側のミラー制御のために、レーザスポット光強度センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄからの信号を入力して（ステップＳ１１）、さらに、レーザ送受信器１２から状態信号を入力して（ステップＳ１２）、これらレーザスポット光強度センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄからの信号およびレーザ送受信器１２から状態信号をビーコン光を変調させることによって相手側に送信する（ステップＳ１３）。これにより、通常のレーザ通信が開始される前にレーザビームの受信状況に関する情報を相手側に送信するので、それを受信した側はその情報を利用して適切な位置にレーザビームを向けて送信することができる。

図７は、実施例２によるレーザ通信機の使用態様を示す図である。レール６０上を走行する車両などの移動体６１と、光ファイバネットワークに接続されるすべての基地局７１〜７４のレーザ通信機には、広角センサと望遠センサの両方のセンサが用いられ（図９、図１０参照）、移動体６１の望遠センサは基地局７１〜７４側の通信相手を追跡するために用いられ、基地局７１〜７４側の望遠センサも同様に移動体６１の通信相手を追跡するために用いられる。一方、移動体６１の広角センサはハンドオーバをする基地局７１〜７４を見つけて捕捉するために用いられ、基地局７１〜７４側の広角センサも同様に移動体６１の通信相手を見つけるために用いられる。まず、図７(a)に示す状態では移動体６１は＃１基地局７１と通信を行っており、望遠センサを用いてレーザビームを追跡する。次に移動体６１が次第に左に移動して図７(b)に示す状態になると、広角センサが次の基地局（＃２基地局７２）のビーコン光を検出する。移動体６１のレーザ通信機は、そのレーザビームの向きを＃２基地局７２の方向に変え、同様に＃２基地局７２のレーザ通信機は、そのレーザビームの向きを移動体６１の方向に向け、移動体６１と＃２基地局７２の間でレーザ通信のリンクが確立され、図７(c)に示す状態になる。移動体６１が＃２基地局７２の範囲にいる限り、望遠センサを用いてレーザビームを追跡することで、この通信リンクを継続する。移動体６１の広角センサが次の基地局（＃３基地局７３）のビーコン光を検出すると、上記と同様に＃２基地局７２から＃３基地局７３へとハンドオーバを行う。

図８は、実施例２の動作を説明する図である。まず、最初に、ビーコン検出用の広角センサからの信号をもとにミラーアクチュエータを制御して可動ミラーを概略の方向へ向けて、初期捕捉を行う（ステップＳ２１）。次に、ビーコン検出用の望遠センサからの信号をもとにミラーアクチュエータを制御して可動ミラーを正確な方向へ向けて、追跡を開始する（ステップＳ２２）。追跡を継続しながら、ビーコン検出用の広角センサからの信号を入力し（ステップＳ２３）、それが強いビーコン信号を検出したかどうかを判断する（ステップＳ２４）。ｎｏであって強いビーコン信号を検出しない場合にはステップＳ２２に戻って追跡を継続する。ｙｅｓであって強いビーコン信号を検出した場合、それは次の基地局を検出したことになるので、その方向にレーザビームを向けて、捕捉を行い（ステップＳ２５）、ステップＳ２２に戻ってその基地局に対して追跡を開始する。これを繰り返すことで、移動体側は次々と通過する基地局とハンドオーバしながら通信を行う。また基地局側でも同じアルゴリズムによって通過する移動体を捕捉、追跡することが可能である。

図９は、実施例２によるレーザ通信機の構成を示す図である。車載の＃１レーザ通信機２２１、地上に設置される＃２レーザ通信機２２２、＃３レーザ通信機２２３はいずれも同じ構成を有し、ビーコン送信器８１、可動ミラー８２、ミラーアクチュエータ８３、広角レンズ８４、広角センサ８５、望遠レンズ８６、望遠センサ８７、レーザビーム制御器８８、およびレーザ送受信器８９から成る。広角センサ８５および望遠センサ８７は４分割センサによって構成されている。＃１レーザ通信機２２１は移動体の後方に向けて通信するように設置して、移動に伴い新しいレーザ通信機から強いビーコン光を受信するようにしている。＃２レーザ通信機２２２のビーコン送信器８１からのビーコン光およびレーザ送受信器８９からのレーザ光は、＃１レーザ通信機２２１のミラーアクチュエータ８３によって駆動される可動ミラー８２によって反射され、広角センサ８５、望遠センサ８７、およびレーザ送受信器８９に入る。＃１レーザ通信機２２１が＃２レーザ通信機２２２と通信している時には、望遠センサ８７によってビーコン光が追跡されてレーザ通信が行われる。＃１レーザ通信機２２１が左へ移動して、＃３レーザ通信機２２３の近くを通過すると、＃１レーザ通信機２２１の広角センサ８５が、＃３レーザ通信機２２３からの強いビーコン光を検出する。＃３レーザ通信機２２３の強いビーコン光を検出することで、＃１レーザ通信機２２１のレーザビーム制御器８８は、＃３レーザ通信機２２３の方向へレーザビームを向けるようにミラーの方向を変え始め、広角センサ８５を用いて＃３レーザ通信機２２３の概略の方向に向ける。概略の方向に向いた後、望遠センサ８７を用いて＃３レーザ通信機２２３の正確な方向に向けるように追跡を開始し、＃１レーザ通信機２２１と＃３レーザ通信機２２３の通信が開始される。

図１０は、実施例３によるレーザ通信機の構成を示す図である。車載の＃１レーザ通信機２３１、地上に設置される＃２レーザ通信機２３２、＃３レーザ通信機２３３はいずれも同じ構成を有し、ビーコン送信器９１、可動ミラー９２、ミラーアクチュエータ９３、広角レンズ９４、ＰＳＤ９５、望遠レンズ９６、望遠センサ９７、レーザビーム制御器９８、およびレーザ送受信器９９から成る。望遠センサ９７は４分割センサによって構成されている。実施例３が実施例２と異なる点は、広角センサ８５に代えてＰＳＤ９５を用いて、広角レンズ９４は可動ミラー９２を介さずに直接にビーコン光を受信する点である。

図１１は、ＰＳＤの構造を示す図である。受光面１０１の任意の位置（ｘ,ｙ）に光が当たった場合、その位置により電極Ｘ1、Ｘ2、Ｙ1、Ｙ2に流れる電流が変わるのでその電流値をもとに当たった光の位置を検出することができる。このように、ＰＳＤ９５を用いることで光源の方向を検出することができるので、ＰＳＤ９５の真正面にビーコン光が来るようにミラー制御をする必要がない。そのため図１０では、ＰＳＤ９５の前には可動ミラー９２がなく、ビーコン光を直接受けてその方向を検知する。このようにして、ＰＳＤ９５にあたる光は可動ミラー９２で反射した光を用いる必要がないため、可動ミラー９２を小型化できその結果より高速に可動ミラー９２を動かすことができるので、より速いハンドオーバを行うことができる。ＰＳＤ９５以外の動作は、図９で示した広角センサ８５として４分割センサを用いた場合と同じである。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

１０ レーザ通信器
１１ ４分割センサ
１２、８９、９９、１０９ レーザ送受信器
２０、８８、９８、１０８ レーザビーム制御器
３１、８３、９３、１０３ ミラーアクチュエータ
３２、８２、９２、１０２ 可動ミラー
４０、８１、９１、１０１ ビーコン送信器
５０ レーザスポット光強度センサ
６０ レール
６１ 移動体
７１〜７４ 基地局
８４、９４ 広角レンズ
８５ 広角センサ
８６、９６、１０４ 望遠レンズ
８７、９７、１０５ 望遠センサ
９５ ＰＳＤ
１０１ 受光面
２０１、２０２、２１１、２１２、２２１〜２２３、２３１〜２３３、２４１、２４２ レーザ通信機

Claims (4)

1. 相手レーザ通信機からのレーザ光の２次元上の受信位置を検出する光受信位置検出器と、
   本レーザ通信機の存在位置を前記相手レーザ通信機に知らせるためのビーコン光を前記受信位置に関する情報によって変調して送信するビーコン送信器と、
   前記ビーコン光とは別のレーザ光によって前記相手レーザ通信機とレーザ通信を行うレーザ送受信器と
   を備えることを特徴とするレーザ通信機。
2. 前記ビーコン送信器は、前記レーザ送受信器におけるレーザ受信状況に関する情報によって前記ビーコン光を変調して送信することを特徴とする請求項１記載のレーザ通信機。
3. 相手レーザ通信機の存在位置を知らせるためのビーコン光を受信して、該相手レーザ通信機の存在方向を検出すると共に、該相手レーザ通信機における本レーザ通信機からのレーザ光の２次元上の受信位置に関する情報を復調するビーコン受信器と
   前記レーザ光によって前記相手レーザ通信機とレーザ通信を行うレーザ送受信器と、
   前記相手レーザ通信機の存在方向および復調した受信位置情報に基づいて前記レーザ光の送信方向を制御する送信光方向制御器と
   を備えることを特徴とするレーザ通信機。
4. 前記ビーコン受信器は、相手レーザ通信機におけるレーザ受信状況に関する情報も復調し、前記送信光方向制御器は、復調したレーザ受信状況情報にも基づいてレーザ光の送信方向を制御することを特徴とする請求項３記載のレーザ通信機。
   

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