JP5866703B2

JP5866703B2 - 可視光通信方法及び可視光通信装置

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Publication number: JP5866703B2
Application number: JP2011151287A
Authority: JP
Inventors: 英樹上間; 悠譜久原; 啓義大城; 智子宜保
Original assignee: Marine Comms Ryukyu Inc
Current assignee: Marine Comms Ryukyu Inc
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: CN103098389A; WO2013005561A1; US20130136453A1; JP2013021413A

Description

本発明は、水中から水中に、水中から水面上に、あるいは水面上から水中にデータ通信を行う可視光通信方法及び可視光通信装置に関するものである。

従来から、水中でデータ（情報）通信を行うために、可視光を利用した方法がある。水中において、データの送受信を行うために、送信側で、送信すべきデータを可視光に変調して水中に送信し、受信側で、当該可視光を受光し、復調して情報を取り出す方法や装置が開示されている（例えば、特許文献１乃至特許文献３）。

特開平４-３１２０３５号公報特開２００５-２０４２２号公報特開２００８‐３０４６４９号公報

しかしながら、前記特許文献１乃至特許文献３に記載されている可視光を利用した水中で行う可視光通信方法及び可視光通信装置では、ダイバー同士の通信では、１〜３ｍ程度の至近距離間での平常時の使用が前提となっており、緊急時の使用が想定されていないという問題点があった。

すなわち、ダイバーが水中の深い場所、例えば、深度２０ｍのところで遊泳や作業を行っていた際に何らかの事故が発生した場合、その状況を直ちに連絡するために水上の船舶等に向かって急いで浮上しようとしても、ダイバーは、減圧症の発症を防ぐため深度約５ｍの安全停止位置で約１０分程度待機する必要がある。その際、従来の至近距離間用の可視光通信装置により緊急連絡を行なおうとしても、通信可能な距離が短いため、緊急連絡が水上の船舶等にまで届かないという問題点があった。

本発明は、上記の問題を解決すべく、平常時におけるダイバー同士の水中間での通信だけでなく、緊急時には、ダイバーが深度約５ｍの安全停止位置から水上の船舶等に対しても確実に通信できる、簡便な可視光通信方法及び可視光通信装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明者は、可視光の波長の帯域や水中における特性を検討した結果、通信に用いる可視光の色温度と光束を調整することにより、水中の様々な環境下で極めて確実かつ実用的な通信が可能となることを見出し、上記の課題を解決するに至った。

すなわち本発明は、請求項１に記載の通り、送信側と受信側の少なくとも一方が水中に所在する可視光通信方法において、送信側では、送信する情報を、色温度が４０００〜１００００Ｋ及び光束が５５０〜１５００ルーメンに調光されたＬＥＤから発せられる疑似白色光に変調して送信し、受信側では、受光した前記疑似白色光を復調して前記情報を取り出すことを特徴とする可視光通信方法である。

また、本発明は、請求項２に記載の通り、送信機と受信機とを具備する水中で使用可能な可視光通信装置であって、送信機は、色温度が４０００〜１００００Ｋ及び光束が５５０〜１５００ルーメンに調光された疑似白色光を発するＬＥＤを配設してある発光部を備え、受信機は、前記送信機から発せられる疑似白色光を受光する受光部を備えることを特徴とする可視光通信装置である。

また、本発明は、請求項３に記載された通り、前記送信機の発光部は、水中ライトの発光部を兼ねることを特徴とする請求項２に記載の可視光通信装置である。

本発明の可視光通信方法又は可視光通信装置によれば、色温度が４０００〜１００００Ｋ及び光束が５５０〜１５００ルーメンに調光されたＬＥＤから発せられる疑似白色光を用いることにより、ダイバーが潜水できる一般的な水質状態（懸濁状態）の水中において、５ｍ以上の通信距離を確保することができる。したがって、事故発生等の緊急時には、安全停止位置とされる深度５ｍの水中から水上の船舶等に向けて発光することにより、水中又は水面上に設けられた受光部が受光して、直ちに救助要請等の通信を
行うことができる。

なお、本発明の可視光通信装置の発光部が、水中ライトの発光部を兼ねるものとすれば、ダイバーは潜水時に本発明にかかる送信機とは別に水中ライトを携帯する必要がないため便宜である。

本発明の実施形態に関する可視光通信装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に関する可視光通信装置をダイバーが装着した状態を示す説明図である。本発明の実施形態に関する別の可視光通信装置示す説明図である。本発明の実施形態に関する受光部の入射角を示す説明図である。本発明の実施形態に関する可視光通信方法のフローチャートである。水中と水面上との間の通信状態を試験した結果を示すグラフである。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態の説明を行うが、本発明の趣旨に反しない限り、本発明はこれらの実施の形態に限定されない。

まず、図１を参照して本発明の可視光通信装置の構成を説明する。

可視光通信装置１は、送信機３及び受信機４を含む装置本体２と、マイク５と、スピーカ１４とを有する。なお、本実施形態においては、図２に示すように装置本体２はダイバーが手で握持して使用する形状としてあるが、他の形状、例えば、ダイバーの腕に巻き付けたり胸部に取り付けたりすることができる形状としてもよい。また、本実施形態においては、マイク５とスピーカ１４は水中マスク１５に着装してあるが、個別にマイク５はダイバーの口元のあたりに装着するようにして、スピーカ１４はヘッドフォン形状等として装着するようにしてもよい。また、図３に示すように送信機３及び受信機４は、別々に独立した機体であってもよい。

マイク５は、ダイバーが発声した音声を採取し、その音声を電気信号に変換して出力する。マイク５には、圧電式などを用いることができる。

送信機３は、マイク５より出力された電気信号を増幅するアンプ部６と、搬送波を発振させる搬送波生成部７と、アンプ部６によって増幅された電気信号と前記搬送波とを合成し送信データにして、その送信データを変調する変調部８と、光源を駆動する駆動部９と、光源をＬＥＤとした発光部１０とからなる。

搬送波生成部７より発振される搬送波としては、例えば、アナログ信号、デジタル信号、パルス信号などを選択することができる。通信の確実性等の観点から、パルス信号を選択することが好ましい。

変調部８は、アンプ部６によって増幅された電気信号と前記搬送波とを合成して送信データを生成し、さらにその送信データを変調する。変調方式としては、アナログ変調、デジタル変調、パルス変調などを選択することができる。

駆動部９は、変調部８が生成した、例えば、パルス変調されたパルス変調信号に応じた電流を発光部１０に流して、光源のＬＥＤを発光させる。駆動部９における、光源を駆動させる駆動波形としては、例えばアナログ信号、デジタル信号、パルス信号などを選択することができる。なお、変調部８においてＦＭ変調処理を行なうようにすれば、直接発光部１０のＬＥＤを駆動させることができるので、駆動部９を省略することができる。

発光部１０は、光源としてＬＥＤを用いる。ＬＥＤは高速で点滅させることができるため可視光通信に好都合である。発光部１０から発せられる可視光は疑似白色光である。疑似白色光は、例えば、青色発光ＬＥＤを黄色に着色したり黄色のフィルタを被せたりすることにより生成でき、また、青色発光ＬＥＤに緑色や赤色発光のＬＥＤを適宜組み合わせた疑似白色ＬＥＤを使うこともできる。

発光部１０のＬＥＤから発せられる疑似白色光の色温度は、４０００〜１００００Ｋであるが、さらに６０００〜１００００Ｋが好ましい。色温度が４０００Ｋ未満だと黄色みを強く帯びた光となり水中における通信距離が短くなる。また１００００Ｋを越えると青みを強く帯びた光となるため、送信機を水中ライトと兼用する場合には、被照射物が本来の色調とは異なって見える場合があり、好ましくないからである。

また、ＬＥＤから発せられる疑似白色光の光束（光源からある方向に放射されたすべての光の明るさ）は、５５０〜１５００ルーメンであるが、５５０〜１０００ルーメンが好ましい。５５０ルーメン未満だと、通信には適した明るさとはならず、１０００ルーメンを越えると、水中では非常に眩しく感じられるようになり、例えば、ダイバー同士で通信する場合に受光側のダイバーの目に入射すると、しばらく残像が残りその間の視力が低下して危険であり、また、送信機を水中ライトと兼用する場合には、被照射物が本来の色調とは異なって見える場合があり、好ましくないためである。

ＬＥＤから発せられる疑似白色光の色温度を調整するには、色温度変換フィルタを用いたり、青色発光ＬＥＤに赤色及び緑色発光ＬＥＤを適宜組み合わせたりすることにより調整することができる。また、ＬＥＤから発せられる疑似白色光の光束を調整するには、発光部１０に配設するＬＥＤ数を増減したり、ＬＥＤを仕様の異なるものと交換したりすることにより行うことができる。

なお、送信機３は、可視光通信を行わない時は、水中ライトとして使用することができるが、色温度４０００〜１００００Ｋ及び光束５５０〜１０００ルーメンの擬似白色光は、水中ライトとしても好適な可視光であり、水中の被照射物を、自然な色合いで鮮明に照らし出すことが可能である。

受信機４は、発光部１０のＬＥＤから発せられた疑似白色光を受光し、電気信号として出力する受光部１１と、前記電気信号を増幅するアンプ部１２と、前記電気信号を復調し音声へ変換する復調・変換部１３とからなる。

受光部１１には、受光センサとしてフォトダイオードを配設してある。フォトダイオードへの受光可能な入射角は、最大６０°〜８０°としてあることが好ましい。ここで入射角とは、光の入射方向とフォトダイオードの受光面の垂線との間の角度のことであり、図４に示す角度αのことをいう。受光可能な入射角が６０°未満であると、受信機４の受光部１１の受光範囲が狭くなるため、通信の際に送信側の発光部１０と受信側の受光部１１とを、相当程度の正確さで向い合わせにしなければ通信できない状態となり不便だからである。他方、受光可能な入射角が８０°を越えると、太陽光等の外光がフォトダイオードに入射しやすくなり、フォトダイオードの出力が飽和して通信ノイズが発生し、耳障りな音が受信者に聞こえる場合があるからである。

フォトダイオードの受光可能な入射角の調整は、例えば、受光部１１に偏光フィルタを取り付けたり、受光部１１の周りにカバーを取り付け、適宜に影を作ったりすることで調整することができる。また、フォトダイオードには、チップ型、密封型、砲弾型などがあるが、砲弾型を使用すると一般に外光の入射による通信ノイズが生じ難く好ましい。

本発明に用いるフォトダイオードとしては、一般的な可視光の検出に用いられる受光感度が０．５７〜０．６３Ａ／Ｗのものを使用することができる。なお、受光感度が高いフォトダイオードを使用する場合には、あらゆる外光を誤感知して通信ノイズが発生し易くなるので、受光部１１に偏光フィルタを取り付けたり、受光部１１の周りにカバーを取り付け、適宜に影を作ったりし、外光の入射をなるべく防ぐようにすればよい。

復調・変換部１３は、アンプ部１２よって増幅された電気信号から搬送周波数を取り除く復調処理、及び得られた信号をアナログ音声に変換するアナログ音声処理を行う。

スピーカ１４としては、咽喉スピーカ、肉振動（肉伝導）式スピーカ、ヘッドフォン式スピーカ等を適宜使用することができるが、水中では水により外耳、鼓膜の機能が低下するとの理由から、内耳に効率よく音を伝えるために骨伝導式スピーカを使用することが好ましい。

次に、図１の装置の構成及び図５のフローチャートを参照して、本発明の可視光通信方法を説明する。

まず、図５（Ａ）の送信動作では、水中のダイバーがメッセージを発声すると、マイク５がその発声に伴う振動音を採取し、当該振動音の振動パターンを電気信号１００に変換して、出力する（ステップＳ１）。

次いで、アンプ部６は、電気信号１００を増幅し、増幅電気信号１１０を出力する（ステップＳ２）。搬送波生成部７は搬送波（例えばパルス信号）１２０を生成する。変調部８は、増幅電気信号１１０と搬送波１２０とを合成して送信データ１３０に変換し（ステップＳ３）、さらに、その送信データを変調して変調データ１４０を生成する（ステップＳ４）。

変調データ１４０に応じた電流１５０を、ＬＥＤ駆動部９が発光部１０に流すことにより、発光部１０に配設されたＬＥＤが、変調データ１４０を可視光信号１６０に変換し、高速で点滅することにより送信する（ステップＳ５）。
なお、搬送波生成部７でアナログ２値をパルス波とし、その位置を動かすことでＦＭ変調を行う場合には、ＬＥＤ駆動部９を省略することができる。

次に、図５（Ｂ）の受信動作では、受光部１１に配設されたフォトダイオードが、送信されてきた可視光信号２００を受信し、電気信号２１０に変換して出力する（ステップＳ１１）。アンプ部１２は、電気信号２１０を増幅した増幅電気信号２２０を出力する（ステップＳ１２）。復調・変換部１３は、増幅電気信号２２０からパルス波を取り除いて送信データを復調し、復調された送信データをアナログ音声２３０に変換し（ステップＳ１３）、スピーカ１４に出力する（ステップＳ１４）。

以上のように、本実施形態の可視光通信方法及び通信装置を用いることにより、ダイバーが潜水する一般的な水質状態（懸濁状態）の水中において、５ｍ以上の通信距離を確保することができる。したがって、水中における事故発生等の緊急時には、ダイバーは減圧症の発生を防ぐ安全停止位置とされる深度５ｍの水中から水上の船舶等に向けて発光することにより、水中又は水面上に設けられた受光部が受光して、直ちに救助要請等の通信を行うことができる。

（試験例１：色温度と通信距離の関係）
本発明の可視光通信装置１を用いて、発光部１０から発せられる可視光の色温度を、色温度変換フィルタ（例えば、ＦＩＳＨＥＹＥ社製、３００９９等）を用いて、４０００Ｋ、６０００Ｋ及び８５００Ｋと変化させ、可視光通信に適切な色温度と通信距離との関係を調べた。その際、発光部１０から発せられる可視光の光束は１０００ルーメンとした。また、試験の実施環境は、深度２ｍ、濁度０．４１及び４．５７ＦＴＵの海水中であり、送信側の発光部１０と受信側の受光部１１との発光・受光部間の距離（水平距離）を、４〜３０ｍと変化させて試験した。

発光部１０の光源には、ＦＩＸＬＥＤ１０００ＤＸ（ＦＩＳＨＥＹＥ社製）を用いた。また、受光部１１のフォトダイオードには、Ｓ６８０１（ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ社製：受光感度０．５７〜０．６３Ａ／Ｗ）を用いた。
海水の濁度は、ＨＩ９３７０３−Ｂ（ＨＡＮＮＡ社製）を用いて測定した。なお、濁度０．４１ＦＴＵは、海水中の透明度が高い状態であり、濁度４．５７ＦＴＵは、潮流で海底の砂等が巻き上がり濁っているが、いずれも、ダイバーが潜水できる水質状態である。試験結果を表１に示す。

表１より、可視光の色温度が４０００〜１５０００Ｋでは、海水の濁度が０．４１ＦＴＵ及び４．５７ＦＴＵの何れの状況においても、緊急連絡のために必要な５ｍの距離の通信を確実に行なえることが理解される。さらに、可視光の色温度が６０００〜１５０００Ｋでは、海水の濁度が０．４１ＦＴＵ及び４．５７ＦＴＵの何れの状況においても、３０ｍ以上の距離間での通信が可能であることが理解される。また、可視光の色温度が１５０００Ｋの場合には、可視光の青みが強く感じられることが理解される。

（試験例２：光束と通信距離との関係）
本発明の可視光通信装置１を用いて、発光部１０から発せられる可視光の色温度を、色温度変換フィルタ（例えば、ＦＩＳＨＥＹＥ社製、３００９９等）を用いて８５００Ｋに調整し、光束を２５０、５５０、１０００及び１５００ルーメンと変化させることにより、可視光通信に適切な光束と通信距離との関係を調べた。試験の実施環境は、深度２ｍ、濁度０．４１及び４．５７ＦＴＵの海水中であり、送信側の発光部１０と受信側の受光部１１との発光・受光部間の距離（水平距離）を、４〜３０ｍと変化させて試験した。

発光部１０の光源として、２５０ルーメンの光源はＵＫＮＥＷＣ４ｅＬＥＤＰＬＵＳ（ＵＮＤＥＲＷＡＴＥＲＫＩＮＥＴＩＣＳ社製）を、５５０ルーメンの光源はＬＥ５５０−Ｓ（ＩＮＯＮ社製）を、１０００ルーメンの光源はＦＩＸＬＥＤ１０００ＤＸ（ＦＩＳＨＥＹＥ社製）を、また１５００ルーメンの光源はＦＩＸＬＥＤ１０００ＤＸ（ＦＩＳＨＥＹＥ社製）を用いた。そして、受光部１１のフォトダイオードには、前記試験例１と同一のものを用い、濁度も前記試験例１と同じく、ＨＩ９３７０３−Ｂ（ＨＡＮＮＡ社製）を用いて測定した。なお、濁度の意義は試験例１と同じであり、濁度０．４１及び４．５７ＦＴＵのいずれ場合も、ダイバーが潜水可能な水質状態である。試験結果を表２に示す。

表２より、可視光の光束が５５０〜１５００ルーメンであれば、海水の濁度が０．４１ＦＴＵ及び４．５７ＦＴＵのいずれの状態であっても、１４ｍあるいはそれ以上の距離間での通信が可能であることが理解される。また、可視光の光束が１５００ルーメンの場合には、１０ｍ以内あるいは６ｍ以内の近距離間では、ダイバーが非常に眩しく感じることが理解される。

（試験例３：水中と水面上との間の通信状態）
本発明の可視光通信装置１を用いて、深度５ｍの海中のダイバーと、船上にいる人との間での双方向通信の試験を行った。両者の位置関係として、海中のダイバーが把持する装置本体２の発光部１０と受光部１１は、深度約５ｍの位置にあって上方に向けた状態であり、船上の人が把持する装置本体２の発光部１０と受光部１１は、ダイバーの把持する装置本体２のほぼ真上の海面上約０．５ｍの位置にあって下方に向けた状態であった。

発光部１０から発せられる疑似白色光の色温度は、色温度変換フィルタ（ＦＩＳＨＥＹＥ社製、３００９９）を用いて８５００Ｋに調整し、光束は１０００ルーメンとした。また、発光部１０光源はＦＩＸＬＥＤ１０００ＤＸ（ＦＩＳＨＥＹＥ社製）用いた。海水の濁度は、試験例１及び２と同じく、ＨＩ９３７０３−Ｂ（ＨＡＮＮＡ社製）を用いて測定したところ０．４１ＦＴＵであった。濁度０．４１ＦＴＵは、海水中の透明度が高い状態である。試験結果のグラフを図６に示す。

図６より、海中から船上（海面上）に送信した場合も、船上（海面上）から海中に送信した場合も、送信側の送信ゲインを−３０ｄＢと相当低くした状態であっても、受信側では、−１２ｄＢの十分に受信可能なレベルで受信できていることが理解される。すなわち、本発明の可視光通信装置によれば、深度５ｍの水中と水面上との間で、良好な状態で双方向通信が行なえることが解る。

１可視光通信装置
２装置本体
３送信機
４受信機
５マイク
１４スピーカ

Claims

送信側と受信側の少なくとも一方が水中に所在する可視光通信方法において、
送信側では、送信する情報を、色温度が６０００〜１００００Ｋ及び光束が５５０〜１０００ルーメンに調光されたＬＥＤから発せられる疑似白色光に変調して送信し、
受信側では、受光した前記疑似白色光を復調して前記情報を取り出すことを特徴とする可視光通信方法。
送信機と受信機とを具備する水中で使用可能な可視光通信装置であって、
送信機は、色温度が６０００〜１００００Ｋ及び光束が５５０〜１０００ルーメンに調光された疑似白色光を発するＬＥＤを配設してある発光部を備え、
受信機は、前記送信機から発せられる疑似白色光を受光する受光部を備えることを特徴とする可視光通信装置。
前記送信機の発光部は、水中ライトの発光部を兼ねることを特徴とする請求項２に記載
の可視光通信装置。