JP2013150302A - 捕捉追尾装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】到来光201と局発光202とを光波合成し、受信光の入射角と等しい出射角を有する出射光を複数出力する光ハイブリッド素子3と、光ハイブリッド素子3から出力される複数の出射光からビート信号を取り出し、電気信号に変換する第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7と、第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7が変換した電気信号を光ハイブリッド素子3の出射面に対して広角度に捕捉した粗捕捉誤差信号を生成する第1および第2の粗捕捉追誤差信号生成回路8,10と、第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7が変換した電気信号を光ハイブリッド素子3の出射方向に高精度に捕捉した精捕捉誤差信号を生成する第1および第2の精捕捉誤差信号生成回路9,11を有する捕捉追尾センサ12を備えた。
【選択図】図1
Description
図1は、この発明の実施の形態1による捕捉追尾装置の構成を示す図である。
図1において、捕捉追尾装置は、光アンテナ1、局発光源2、光ハイブリッド素子3、第1、第2、第3および第4の分割型光電変換器(水平光電変換器および垂直光電変換器)4,5,6,7、第1および第2の粗捕捉誤差信号生成回路(粗捕捉追尾機構)8,10、第1および第2の精捕捉誤差信号生成回路(精捕捉追尾機構)9,11で構成された捕捉追尾センサ12、第1の差動増幅回路13、第2の差動増幅回路14、コスタスループ回路15、粗捕捉制御信号生成回路16および精捕捉制御信号生成回路17で構成されている。
図2は、この実施の形態1の捕捉追尾装置の光ハイブリッド素子の構成を示す図である。
光ハイブリッド素子3は、1/2波長板(以下、HWPと称する)203、1/4波長板(以下、QWPと称する)204、1個のビームスプリッタ(以下、BSと称する)205、および偏光分離スプリッタ(以下、PBSと称する)206,207で構成されている。
1/2波長板203は、特定波長の直交する2つの偏光成分の間にλ/2の光路差(180度の位相差)を与える。1/4波長板204は、特定波長の直交する2つの偏光成分の間にλ/4の光路差(90度の位相差)を与える。BS205は、入射する光を合波分岐して出射する。PBS206,207は、入射する光に対して2つの直交する偏光成分に分離して出射する。
まず、図2(a)を参照しながら説明する。光アンテナ1で受信された到来光(受信光)201はHWP203により0、90、180、270度ではない直線偏光とされ、局発光源2で発生した局発光202は、QWP204により円偏光とされる。これらの2信号光をBS205により同一光路となるように合波分岐される。BS205を透過した信号光は、PBS206およびPBS207により偏光ごとに分離され、それぞれ位相差90度が付加された4つの信号208,209,210,211が生成され、4つの出力ポート(不図示)から出力される。なお、到来光201と局発信光202に角度差はない。
なお、図2(a),(b)において、出力される信号208,208´および信号209,209´は同相成分のIチャネル信号であり、信号210,210´および信号211,211´は直交成分のQチャネル信号である。上述した各出力ポートと関連付けて説明すると、Iチャネル信号は第1および第2の出力ポートから出力され、Qチャネル信号は第2および第3の出力ポートから出力される。
図3は、実施の形態1による捕捉追尾装置の分割型光電変換器の分割パターンおよび各捕捉誤差信号生成回路の接続を示す図である。また図4は、到来光201の到来角度がX方向にずれた場合の各分割型光電変換器からの信号出力の一例を示す図である。
第1の出力ポートの出力信号が入力される第1の分割型光電変換器4は、小さい領域の光電変換領域4a,4bをビーム出射面Aに対して水平方向(以下、X方向と称する)、大きい領域の光電変換領域4cをビーム出射面Aに対して垂直方向(以下、Y方向)に配置する。同様に、第2の出力ポートの出力信号が入力される第2の分割型光電変換器5は、小さい領域の光電変換領域5a,5bをX方向、大きい領域の光電変換領域5cをY方向に配置する。一方、第3の出力ポートの出力信号が入力される第3の分割型光電変換器6は、小さい領域の光電変換領域6a,6bをY方向、大きい領域の光電変換領域6cをX方向に配置し、第4の出力ポートの出力信号が入力される第4の分割型光電変換器7は、小さい領域の光電変換領域7a,7bをY方向、大きい領域の光電変換領域7cをX方向に配置する。なお、図3において、4d,5d,6d,7dは受光スポットを示している。
第2の分割型光電変換器5のX方向の精捕捉誤差信号は、第1の差動増幅回路13に出力されると共に、第1の精捕捉誤差信号生成回路9を経由して精捕捉制御信号生成回路17に出力される。
第3の分割型光電変換器6のY方向の精捕捉誤差信号は第2の差動増幅回路14に出力され、Y方向の粗捕捉誤差信号は第2の粗捕捉誤差信号生成回路10を経由して粗捕捉制御信号生成回路16に出力される。
第4の分割型光電変換器7のY方向の精捕捉誤差信号は、第2の差動増幅回路14に出力されると共に、第2の精捕捉誤差信号生成回路11を経由して精捕捉制御信号生成回路17に出力される。
まず、誤差信号の取得について説明する。
第2の分割型光電変換器5の光電変換領域5aから得られる検出信号を信号Sa1とし、光電変換領域5bから得られる検出信号を信号Sa2として、以下に示す式(1)に基づいてX方向追尾誤差を取得する。
X方向追尾誤差=(Sa1−Sa2)/(Sa1+Sa2) ・・・(1)
同様に、第4の分割型光電変換器7の光電変換領域7aから得られる検出信号を信号Sb1とし、光電変換領域7bから得られる検出信号を信号Sb2として、以下に示す式(2)に基づいてY方向追尾誤差を取得する。
Y方向追尾誤差=(Sb1−Sb2)/(Sb1+Sb2) ・・・(2)
X方向粗捕捉誤差=Sa3 ・・・(3)
Y方向粗捕捉誤差=Sb3 ・・・(4)
第1の出力ポートから出力される信号に対して第1の分割型光電変換器4から得られる検出信号は、以下の式(5)に基づいて生成される通信用信号となる。
第1の出力ポート通信用信号(信号位相0[deg.])
=Sa1(4a)+Sa2(4b) ・・・(5)
同様に、第2から第4の出力ポートから出力される信号に対して、第2から第4の分割型光電変換器5,6,7から得られる検出信号は、以下の式(6)、(7)、(8)で示される通信用信号となる。
第2の出力ポート通信用信号(信号位相180[deg.])
=Sa1(5a)+Sa2(5b) ・・・(6)
第3の出力ポート通信用信号(信号位相90[deg.])
=Sa1(6a)+Sa2(6b) ・・・(7)
第4の出力ポート通信用信号(信号位相270[deg.])
=Sa1(7a)+Sa2(7b) ・・・(8)
上述した実施の形態1では、Iチャネル信号とQチャネル信号を用いて精捕捉誤差信号を検出する構成を示したが、この実施の形態2では2つのQチャネル信号を用いて精捕捉誤差信号を検出する構成を示す。なお以下では、実施の形態1と同様に光ハイブリッド素子3として光90度ハイブリッドを用いる場合を例に説明する。
図5は、実施の形態2による捕捉追尾装置の構成を示す図である。捕捉追尾装置の各構成要素は実施の形態1と同一であるが、各構成要素の接続を変更している。
第1の分割型光電変換器4は、第2の精捕捉誤差信号生成回路11および第2の差動増幅回路14に接続される。第2の分割型光電変換器5は、第1の精捕捉誤差信号生成回路および第2の差動増幅回路14に接続される。第3の分割型光電変換器6は、第2の粗捕捉誤差信号生成回路10および第1の差動増幅回路13に接続される。第4の分割型光電変換器7は、第1の粗捕捉誤差信号生成回路8および第1の差動増幅回路13に接続される。
第1の分割型光電変換器4は、第3の出力ポートから出力されるQチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出し、第2の分割型光電変換器5は第4の出力ポートから出力されるQチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出する。一方、第3の分割型光電変換器6は、第1の出力ポートから出力されるIチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出し、第4の分割型光電変換器7は第2の出力ポートから出力されるIチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出する。
第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7から取得した精捕捉誤差信号および粗捕捉誤差信号に基づいて、誤差信号および通信用信号を取得する構成は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
この実施の形態3では、ハイブリッド素子の光90度ハイブリッドにおいて、到来光201の直交偏光角度を45°以上とすることにより、IチャネルとQチャネルの信号比をIチャネル>Qチャネルとし、精捕捉誤差信号の検出にIチャネルポートの出力信号を使用する構成を示す。なお以下では、実施の形態1と同様に光ハイブリッド素子3として光90度ハイブリッドを用いる場合を例に説明する。
図7は、実施の形態3による捕捉追尾装置の構成を示す図である。捕捉追尾装置の各構成要素は実施の形態1と同一であるが、各構成要素の接続を変更している。
第1の分割型光電変換器4は、第2の粗捕捉誤差信号生成回路10および第2の差動増幅回路14に接続される。第2の分割型光電変換器5は、第1の粗捕捉誤差信号生成回路8および第2の差動増幅回路14に接続される。第3の分割型光電変換器6は、第2の精捕捉誤差信号生成回路11および第1の差動増幅回路13に接続される。第4の分割型光電変換器7は、第1の精捕捉誤差信号生成回路9および第1の差動増幅回路13に接続される。
第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7の各変換領域の配置は実施の形態2と同様であり、第1の分割型光電変換器4は、第3の出力ポートから出力されるQチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出し、第2の分割型光電変換器5は第4の出力ポートから出力されるQチャネル信号を用いて捕捉誤差信号を検出する。Qチャネル信号を用いる第1の分割型光電変換器4と第2の分割型光電変換器5は、変換領域4cと変換領域5cがX、Y方向にそれぞれ直交する配置である。
第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7から取得した精捕捉誤差信号および粗捕捉誤差信号に基づいて、誤差信号および通信用信号を取得する構成は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
上述した実施の形態1から実施の形態3では、粗捕捉誤差と精捕捉誤差を検出するため、空間的に3分割した第1から第4の分割型光電変換器4,5,6,7を設ける構成を示したが、この実施の形態4では光ハイブリッド素子3への入力光のデフォーカスを制御する構成を示す。なお以下では、実施の形態1から実施の形態3と同様に、位相が互いに90度ずつ異なる出力信号を生成する光ハイブリッド素子3を用いる場合を例に説明を行う。
図9に示すように、光アンテナ1からの到来光201を対物レンズ18aで集光した後、リレーレンズ18bを用いてビームサイズの変更を行う。ここでリレーレンズ18bの位置を矢印B方向に変化させることにより、光ハイブリット素子3への入力光のデフォーカスを制御する。
演算出力には、上述した式(1)および式(2)を用いる。演算出力0.5(線形近似可能範囲)を測定範囲(ダイナミックレンジ)と仮定し、測定精度は演算出力として8bitDAQを用いた場合を仮定した。図11(b)に示すようにデフォーカス値を変化させることにより、ダイナミックレンジおよび測定精度を変化させることができる。
図12において、捕捉追尾装置は、光アンテナ1、デフォーカス制御機18、局発光源2、光ハイブリッド素子3、第5の分割型光電変換器(水平分割型光電変換器)19、第6の分割型光電変換器(垂直分割型光電変換器)20、第1の光電変換器(非分割光電変換器)21および第2の光電変換器(非分割光電変換器)22で構成された捕捉追尾センサ12、第1の差動増幅回路13、第2の差動増幅回路14、コスタスループ回路15および追尾制御信号生成回路23で構成されている。
なお、以下では実施の形態1による捕捉追尾装置の構成要素と同一または相当する部分には実施の形態1で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。また、実施の形態1と同様に光ハイブリッド素子3として光90度ハイブリッドを用いる場合を例に説明する。
図13に示すように、第5の分割型光電変換器19は光電変換領域19a,19bをビーム照射面Aに対してX方向(水平方向)に配置し、第6の分割型光電変換器20は光電変換領域20a,20bをビーム照射面Aに対してY方向(垂直方向)に配置する。なお、図13において19c,20cは受光スポットを示している。このように分割型光電変換器を直交配置とした構成とすることにより、第5の分割型光電変換器19からX成分の捕捉誤差信号と、第6の分割型光電変換器20からY成分の捕捉誤差信号を取得する。第5の分割型光電変換器19および第6の分割型光電変換器20の捕捉誤差信号は第1の差動増幅回路13および追尾制御信号生成回路23に出力される。一方、受光スポット21aを備えた第1の光電変換器21および受光スポット22aを備えた第2の光電変換器22の出力信号は、第2の差動増幅回路14に出力される。
図14は、到来光の到来角度が変化した場合の各分割型光電変換器からの信号出力の一例を示す図である。
図15は、実施の形態4による捕捉追尾装置の追尾完了までの動作を示すフローチャートである。
捕捉追尾装置は、光アンテナ1が到来光を受信すると(ステップST1)、演算出力が閾値外であるか否か判定を行う(ステップST2)。ステップST2の処理は、例えばプログラム上やアナログ回路において実行され、演算出力信号電圧が閾値外であるか判定を行う。
上述した実施の形態1から実施の形態4では、局発光202の伝播角度は安定であると仮定した場合の到来角201の角度検出について述べたが、この実施の形態5では局発光202に位相変調を与え、局発光202の伝播角と信号光の伝播角とを同時に検出可能とする構成を示す。
局発光202の伝播角が変化した場合、信号光の到来角が変化していない場合であっても分割型光電変換器の演算出力は変化し、余剰誤差となる。従って、高精度角度検出を行う場合には、局発光202の伝播角を検出し、制御する必要がある。
第5の分割型光電変換器19および第6の分割型光電変換器20はQチャンネルポートとし、第7の光電変換器30および第8の光電変換器31はIチャンネルポートとする。この実施の形態5では、Iチャンネルポートも非分割型ではなく分割型の光電変換器として局発光の角度誤差検出に用いる。
通信信号成分(fs)以外の局発光位相変調(fL)による信号を電気フィルタであるバンドパスフィルタ28aで抽出し、乗算器28bにおいて抽出した信号に局発光位相変調(fL)による信号を乗算してダウンコンバートする。これにより、局発光の受光量によりDC電流が変化し、局発光の角度誤差を検出することができる。検出した角度誤差信号に基づいて伝播角制御信号生成回路29が生成した伝播角制御信号が角度補正部27にフィードバックされることにより、局発光の伝播角を安定化させることができる。
まず始めに捕捉追尾装置は、局発光のポインティングの設定を行い(ステップST11)、信号光のポインティングおよびデフォーカス値の設定を行う(ステップST12)。ここで、ステップST11の処理はアダプティブミラーなどを用いて行われ、ステップST12の処理は例えばプログラム上やアナログ回路において実行される。その後、光アンテナ1が到来光を受信すると(ステップST13)、局発光の演算出力が閾値外であるか否か判定を行う(ステップST14)。局発光の演算出力が閾値外であると判定した場合(ステップST14;YES)、ステップST11の処理に戻り、局発光のポインティングの再設定を行う。一方、局発光の演算出力が閾値内であると判定した場合(ステップST14;NO)、信号光の演算出力が閾値外であるか否か判定を行う(ステップST15)。信号光の演算出力が閾値外であると判定した場合(ステップS15;YES)、ステップST12の処理に戻り信号光のポインティングの再設定を行う。
Claims (10)
- 空間伝搬するレーザ光を受信する光アンテナと、
前記光アンテナの受信光と略同一波長を有する局発光を出力する局発光源と、
前記受信光と前記局発光とを光波合成し、前記受信光の入射角と等しい出射角を有する出射光を複数出力する受光素子と、
前記受光素子から出力される複数の出射光からビート信号を取り出し、電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部が変換した電気信号を前記受光素子の出射面に対して広角度に捕捉した粗捕捉誤差信号を生成する粗捕捉追尾機構と、前記光電変換部が変換した電気信号を前記受光素子の出射方向に高精度に捕捉した精捕捉誤差信号を生成する精捕捉追尾機構とを備えた捕捉追尾センサと、
前記捕捉追尾センサが生成した前記粗捕捉誤差信号を用いて前記粗捕捉追尾機構を駆動する粗捕捉制御信号を生成する粗補正制御信号生成回路と、
前記捕捉追尾センサが生成した前記精捕捉誤差信号を用いて前記精捕捉追尾機構を駆動する精捕捉制御信号を生成する精捕捉制御信号生成回路と、
前記光電変換器が変換した電気信号に基づいて周波数誤差信号を生成し、前記局発光源にフィードバック出力する位相同期制御回路とを備えた捕捉追尾装置。 - 前記光電変換部は、前記受信素子の出射面に対して水平方向に2分割された第1および第2の光電変換領域、および前記第1および第2の光電変換領域に接する第3の光電変換領域を有する水平光電変換器と、前記受信素子の出射面に対して垂直方向に2分割された第1および第2の光電変換領域、および前記第1および第2の光電変換領域に接する第3の光電変換領域を有する垂直光電変換器とを複数直交配置して構成し、
前記粗捕捉追尾機構は、前記水平光電変換器の第3の光電変換領域および前記垂直光電変換器の第3の光電変換領域から出力される電気信号に基づいて前記粗捕捉誤差信号を生成し、前記精捕捉追尾機構は、前記水平光電変換器の第1および第2の光電変換領域および前記垂直光電変換器の第1および第2の光電変換領域から出力される電気信号に基づいて前記精捕捉誤差信号を生成することを特徴とする請求項1記載の捕捉追尾装置。 - 前記受光素子は、入力される受信光および局発光を位相差90度ハイブリッドで合波し、位相差0度および位相差180度の出射光を出力する2つのIチャネル出力ポートと、位相差90度および位相差270度の出射光を出力する2つのQチャネル出力ポートとを備え、
前記光電変換部は、前記2つのIチャネル出力ポートおよび前記2つのQチャネル出力ポートのいずれかの出射光を電気信号に変換する2つの水平光電変換器および2つの垂直光電変換器を直交配置したことを特徴とする請求項2記載の捕捉追尾装置。 - 前記光電変換部は、前記2つのIチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器および前記垂直光電変換器と、前記2つのQチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器および前記垂直光電変換器とを直交配置し、
前記粗捕捉追尾機構は、前記Qチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器および前記垂直光電変換器の第1および第2の光電変換領域から出力される電気信号に基づいて前記精捕捉誤差信号を生成することを特徴とする請求項3記載の捕捉追尾装置。 - 前記光電変換部は、前記2つのIチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器および前記垂直光電変換器と、前記2つのQチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器および前記垂直光電変換器とを直交配置し、
前記粗捕捉追尾機構は、前記Iチャネル出力ポートが接続された前記水平光電変換器の第1および第2の光電変換領域から出力される電気信号、および前記Qチャネル出力ポートが接続された前記垂直光電変換器の第1および第2の光電変換領域から出力される電気信号に基づいて前記精捕捉誤差信号を生成することを特徴とする請求項3記載の捕捉追尾装置。 - 前記受光素子は、前記Iチャネル出力ポートの出力を、前記Qチャネル出力ポートの出力よりも大きくすることを特徴とする請求項4記載の捕捉追尾装置。
- 空間伝搬するレーザ光を受信する光アンテナと、
前記アンテナの受信光の広がり角を制御するデフォーカス制御機と、
前記光アンテナの受信光と略同一波長を有する局発光を出力する局発光源と、
前記デフォーカス制御機が広がり角を制御した受信光と前記局発光とを光波合成し、前記受信光の入射角と等しい出射角を有する出射光を複数出力する受光素子と、
前記受光素子から出力される複数の出射光からビート信号を取り出し、電気信号に変換する光電変換部を複数備えた捕捉追尾センサと、
前記光電変換部が変換した電気信号に基づいて追尾制御信号を生成し、前記光アンテナおよび前記デフォーカス制御機にフィードバック出力する追尾制御信号生成回路と、
前記光電変換器が変換した電気信号に基づいて周波数誤差信号を生成し、前記局発光源にフィードバック出力する位相同期制御回路とを備えた捕捉追尾装置。 - 前記光電変換部は、前記受光素子の出射面に対して水平方向に2分割された光電領域を有する水平分割型光電変換器と、前記受光素子の出射面に対して垂直方向に2分割された光電領域を有する垂直分割型光電変換器と、前記受光素子からの入射角に対して同一の出射角を有する複数の非分割型光電変換器とを備え、
前記追尾制御信号生成回路は、前記水平分割型光電変換器および前記垂直分割型光電変換器が変換した電気信号に基づいて追尾制御信号を生成し、
前記位相同期制御回路は、前記水平分割型光電変換器、前記垂直分割型光電変換器、および前記複数の非分割型光電変換器が変換した電気信号に基づいて周波数誤差信号を生成することを特徴とする請求項7記載の捕捉追尾装置。 - 前記局発光源から出力される局発光に位相変調を与える光位相変調器と、
前記光位相変調器で位相変調が与えられた前記局発光の光軸を制御する角度補正部と、
前記光電変換部が変換した電気信号から前記局発光に重畳した変調信号を抽出し、前記変調信号から前記局発光の伝播角度誤差を検出する周波数弁別回路と、
前記周波数弁別回路が検出した前記伝播角度誤差に基づいて前記局発光の伝播角制御信号を生成し、前記角度補正部にフィードバック出力する伝播角制御信号生成回路とを備えたことを特徴とする請求項7記載の捕捉追尾装置。 - 前記光電変換部は、前記受光素子の出射面に対して水平方向に2分割された光電領域を有する複数の水平分割型光電変換器と、前記受光素子の出射面に対して垂直方向に2分割された光電領域を有する複数の垂直分割型光電変換器とを備え、
前記追尾制御信号生成回路は、前記水平分割型光電変換器および前記垂直分割型光電変換器が変換した電気信号に基づいて追尾制御信号を生成し、
前記位相同期制御回路は、前記複数の水平分割型光電変換器および前記複数の垂直分割型光電変換器が変換した電気信号に基づいて前記周波数誤差信号を生成し、
前記周波数弁別回路は、前記水平分割型光電変換器および前記垂直分割型光電変換器が変換した電気信号から前記変調信号を抽出し、前記伝播角度誤差を検出することを特徴とする請求項8記載の捕捉追尾装置。
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