JP2022135671A - 水中通信システムおよび水中通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量データをより長い距離で通信可能な水中通信システムおよび水中通信方法を提供する【解決手段】水中通信システム１は、送信装置と、受信装置と、を備える。送信装置は、レーザ光源１０１と、レーザ光を平行光化するコリメータレンズ１０４と、平行光化されたレーザ光Ｂ１０を偏向させる光偏向器１０６と、音響通信部と、音響通信部を介して受信した制御情報に基づいて光偏向器１０６を制御する制御部１１と、を備える。受信装置は、レーザ光の受信方向を変化させる光偏向器２０１と、レーザ光の光路を分岐させる分岐素子２０２と、分岐された一方のレーザ光Ｂ１１を受光する光検出器２０４と、分岐された他方のレーザ光Ｂ１２を受光するイメージセンサ２０５と、音響通信部と、イメージセンサ２０５の出力信号に基づいて、レーザ光Ｂ１０の送信方向を制御する制御情報を、音響通信部から送信させる制御部２１と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、水中で通信を行う水中通信システムおよび水中通信方法に関する。

従来、水中で通信を行う水中通信システムが海洋システム等で用いられている。たとえば、水中無人ビーグルや水中ドローン、潜水艇等の水中装置と、洋上船舶や洋上基地等の洋上装置との間で通信が行われる。この場合、音波を用いた音響通信によりデータの送受信が行われ得る。しかし、音波を用いた通信では、搬送波周波数が低い（たとえば、１０ｋＨｚ以下）ため、映像データ等の大容量のデータを送受信することが困難である。

そこで、水中通信システムでは、大容量データの送受信のために、レーザ光を用いた通信方法が検討されている。

たとえば、この種の通信方法では、送信側の装置において、レーザ光の送信方向が可変となっており、受信側の装置において、レーザ光の受信方向が可変となっている。送信側の装置は、受信側の装置向けて広角範囲でレーザ光を照射する。受信側の装置は、受信するレーザ光の最も受信感度のよい方向を探知して、その方向に受信方向を設定する。さらに、受信側の装置は、受信状態に応じた送信方向制御データを、送信側の装置に送信する。送信側の装置は、送信方向制御データに基づいて、レーザ光の送信方向を制御する。以下の特許文献１には、この種の水中通信システムが記載されている。

特開２００９－０５５４０８号公報

上記構成では、広角範囲にレーザ光が照射されるため、送信距離に応じてレーザ光の光量密度が低下する。このため、送信距離が長くなると、受信側の装置によって受信される光の強度が低下し、受信信号がノイズの影響を受けやすくなる。よって、上記構成では、水中通信システムの通信距離を広げることが困難である。

かかる課題に鑑み、本発明は、大容量データをより長い距離で通信可能な水中通信システムおよび水中通信方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は水中通信システムに関する。この態様に係る水中通信システムは、送信装置と、受信装置と、を備える。前記送信装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を平行光化するコリメータレンズと、平行光化された前記レーザ光を偏向させる第１光偏向器と、前記受信装置と通信を行う第１通信部と、前記第１通信部を介して受信した制御情報に基づいて前記第１光偏向器を制御する第１制御部と、を備える。前記受信装置は、前記レーザ光の受信方向を変化させる第２光偏向器と、前記第２光偏向器を経由した前記レーザ光の光路を分岐させる分岐素子と、分岐された一方の前記レーザ光を受光する光検出器と、分岐された他方の前記レーザ光を受光するイメージセンサと、前記送信装置と通信を行う第２通信部と、前記イメージセンサの出力信号に基づいて、前記レーザ光の送信方向を制御する前記制御情報を、前記第２通信部から送信させる第２制御部と、を備える。

本態様に係る水中通信システムによれば、データの送受信にレーザ光が用いられるため、送信装置から受信装置に大容量のデータを送信できる。また、通信に用いるレーザ光が平行光化されているため、送信装置から受信装置までの距離が長くても、レーザ光の密度が低下しにくい。このため、送信装置と受信装置との間で通信可能な距離を拡大できる。また、イメージセンサが、受信装置におけるレーザ光の受光状態の監視に用いられるため、上記のようにレーザ光が平行光化された場合に、受信装置におけるレーザ光の受光状態を高い分解能で精緻に監視できる。よって、イメージセンサからの出力信号から、レーザ光の送信方向を受信装置に向かう方向に制御するための制御情報を円滑かつ精度良く生成でき、この制御情報によって、レーザ光の送信方向を適正に制御できる。よって、本態様に係る水中通信システムによれば、大容量のデータをより長い距離で送受信することができる。

本態様に係る水中通信システムにおいて、前記第１制御部は、前記第１光偏向器を制御して、前記レーザ光を所定範囲でスキャンさせ、前記第２制御部は、前記イメージセンサが前記レーザ光を受光したスキャン位置に関する前記制御情報を、前記第２通信部を介して前記送信装置に送信し、前記第１制御部は、前記第１光偏向器を制御して、前記第１通信部を介して受信した前記制御情報に基づく方向に、前記レーザ光の送信方向を設定するよう構成され得る。

この構成によれば、平行光化されたレーザ光をスキャンさせることにより、受信装置でレーザ光を受光可能な送信方向を探知できる。よって、大容量のデータを送信する前に、円滑に、レーザ光の送信方向を設定できる。

この場合、前記スキャン位置に関する前記制御情報は、前記イメージセンサが前記レーザ光を受光したタイミングを特定する情報とされ得る。

この構成によれば、予め、送信装置と受信装置との間で時間軸を調整しておくことにより、送信装置側において、どのスキャン位置が、受信装置側においてレーザ光を受光可能な位置であるかを、制御情報をもとに特定できる。よって、送信装置側において、レーザ光の送信方向を簡易な処理により設定できる。

本態様に係る水中通信システムにおいて、前記第２制御部は、前記イメージセンサの出力信号に基づいて、前記第２光偏向器の中心と前記レーザ光の中心との間のずれを補正するための前記制御情報を、前記第２通信部を介して前記送信装置に送信し、前記第１制御部は、前記第１通信部を介して受信した前記制御情報に基づいて、前記第１光偏向器を制御して、前記ずれを解消する方向に前記レーザ光の送信方向を補正するよう構成され得る。

この構成によれば、送信装置から送信されるレーザ光の送信方向を、第２光偏向器の中心とレーザ光の中心とが接近するように補正できる。これにより、より多い光量のレーザ光を第２光偏向器により取り込んで、光検出器に導くことができる。よって、レーザ光によるデータの送受信をより精度良く行うことができる。

この場合、前記第２制御部は、前記イメージセンサの出力信号に基づいて、前記イメージセンサにおける前記レーザ光の受光範囲中の最大受光位置と受光重心位置とを抽出し、前記最大受光位置と前記受光重心位置との差分に基づいて、前記ずれを補正するための前記制御情報を生成するよう構成され得る。

この構成によれば、イメージセンサの出力信号に基づいて、第２光偏向器の中心とレーザ光の中心との間のずれを補正するための制御情報を円滑に生成できる。

本態様に係る水中通信システムにおいて、前記第１通信部および前記第２通信部は、音響信号により通信を行うよう構成され得る。

この構成によれば、制御情報を、円滑かつ確実に、受信装置から送信装置に提供できる。よって、レーザ光の送信方向の制御を、迅速かつ適正に行うことができる。

本態様に係る水中通信システムにおいて、前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれるよう設定され得る。

この波長帯の光は、水に吸収または散乱されにくい。よって、上記のようにレーザ光の波長を設定することにより、レーザ光を用いた送信装置と受信装置との間の通信距離を、より効果的に広げることができる。

本態様に係る水中通信システムにおいて、前記第１光偏向器および前記第２光偏向器は、それぞれ、ミラーを有する反射型の光偏向器とされ得る。

これにより、簡易な制御により広角に、レーザ光の送受信方向を変化させることができる。

本発明の第２の態様は、レーザ光を用いた水中通信方法に関する。この態様に係る水中通信方法は、送信装置から送信される平行光化されたレーザ光を受信装置に向かう方向の所定範囲でスキャンさせ、前記レーザ光を受光したスキャン位置に関する制御情報を前記受信装置から前記送信装置に送信し、前記制御情報に基づく方向に、前記送信装置から送信される前記レーザ光の方向を設定する。

本態様に係る水中通信方法によれば、平行光化されたレーザ光をスキャンさせることにより、受信装置でレーザ光を受光可能な送信方向を探知できる。よって、大容量のデータを送信する前に、円滑に、レーザ光の送信方向を設定できる。

本発明の第３の態様は、レーザ光を用いた水中通信方法に関する。この態様に係る水中通信方法は、レーザ光を光検出器に導く光偏向器の中心と前記レーザ光の中心との間のずれを補正するための制御情報を受信装置から送信装置に送信し、前記制御情報に基づいて、前記送信装置から送信される前記レーザ光の方向を、前記ずれを解消する方向に補正する。

本態様に係る水中通信方法によれば、送信装置から送信されるレーザ光の送信方向を、光偏向器の中心とレーザ光の中心とが接近するように補正できる。これにより、より多くの光量のレーザ光を光偏向器により取り込んで、光検出器に導くことができる。よって、レーザ光によるデータの送受信をより精度良く行うことができる。

以上のとおり、本発明によれば、大容量データをより長い距離で通信可能な水中通信システムおよび水中通信方法を提供することができる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１は、実施形態に係る、水中通信システムの使用形態を示す図である。 図２は、実施形態に係る、水中通信システムの構成を示すブロック図である。 図３は、実施形態に係る、光送信部および光受信部の構成を示す図である。 図４は、実施形態に係る、映像データの送受信時の制御を示すフローチャートである。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ、実施形態に係る、第１サーチ制御において、送信装置の制御部および受信装置の制御部が行う制御を示すフローチャートである。 図６は、実施形態に係る、スキャン動作によりレーザがイメージセンサの受光面に入射する場合のイメージセンサの受光状態を模式的に示す図である。 図７（ａ）は、実施形態に係る、送信装置におけるスキャン動作時のレーザ光の回転角の変化を示すタイムチャートである。図７（ｂ）は、実施形態に係る、受信装置におけるスキャン動作時のイメージセンサによるレーザ光の受光状態を示すタイムチャートである。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、それぞれ、実施形態に係る、第２サーチ制御において、送信装置の制御部および受信装置の制御部が行う制御を示すフローチャートである。 図９は、実施形態に係る、第２サーチ制御における制御情報の生成方法を示す図である。 図１０は、実施形態に係る、受信装置の制御部における通信サーボ制御を示す図である。 図１１は、変更例に係る、スキャン動作によりレーザがイメージセンサの受光面に入射する場合のイメージセンサの受光状態を模式的に示す図である。 図１２は、他の変更例に係る、第２サーチ制御における制御情報の生成方法を示す図である。 図１３（ａ）は、他の変更例に係る、レーザ光の中心位置がイメージセンサの受光範囲から外れた場合の各画素の受光強度の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図１３（ｂ）は、他の変更例に係る、図１３（ａ）の強度分布の算出式に対数を適用した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。図１３（ｃ）は、他の変更例に係る、図１３（ｂ）の算出式をｘで偏微分した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。図１３（ｄ）は、他の変更例に係る、図１３（ｂ）の算出式をｙで偏微分した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１４（ａ）は、他の変更例に係る、レーザ光の中心位置がイメージセンサの受光範囲の中心位置に一致する場合の各画素の受光強度の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図１４（ｂ）は、他の変更例に係る、図１４（ａ）の強度分布の算出式に対数を適用した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。図１４（ｃ）は、他の変更例に係る、図１４（ｂ）の算出式をｘで偏微分した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。図１４（ｄ）は、他の変更例に係る、図１４（ｂ）の算出式をｙで偏微分した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１５（ａ）は、他の変更例に係る、図１４（ｃ）のデータ群から最小二乗法により求めた近似直線を示すグラフである。図１５（ｂ）は、他の変更例に係る、図１４（ｄ）のデータ群から最小二乗法により求めた近似直線を示すグラフである。 図１６（ａ）は、他の変更例に係る、図１３（ｃ）のデータ群から最小二乗法により求めた近似直線を示すグラフである。図１６（ｂ）は、他の変更例に係る、図１３（ｄ）のデータ群から最小二乗法により求めた近似直線を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、水中通信システム１の使用形態を示す図である。

図１に示すように、この使用形態では、水面Ｓ１に浮かぶ水上装置２と、水中の状況を探知する水中装置３との間で通信が行われる。水中装置３は、たとえば、水中ドローン等の水中を自力で進行可能な装置である。水中装置３は、窓３ａを介して水中または水底を撮像し、映像データを適宜、水上装置２に送信する。水上装置２は、受信した映像データを、適宜、無線通信で陸上の情報収集装置に送信する。

水中装置３は、レーザ光を用いてデータを送信するための送信装置１０を備える。水上装置２は、水中装置３から送信されたレーザ光を受信する受信装置２０を備える。送信装置１０と受信装置２０とによって水中通信システム１が構成される。

送信装置１０の送信方向および受信装置２０の受信方向は、所定の角度範囲で全周方向に変更可能である。送信装置１０は、レーザ光の送信方向を受信装置２０の方向に制御する。また、受信装置２０は、レーザ光の受信方向を送信装置１０の方向に制御する。

水中装置３に配置される送信装置１０は、必ずしも、１つでなくてもよい。たとえば、図１に破線で示すように、水中装置３の両側面に、さらに送信装置１０が配置されてもよい。この場合、水中装置３は、送信方向を水上装置２に向けやすい送信装置１０を用いて、映像データの送信を行えばよい。同様に、受信側の水上装置２にも、複数の受信装置が互いに異なる向きで配置されてもよい。

図２は、水中通信システム１の構成を示すブロック図である。図２において、Ｂ１０、Ｓ１０以外の破線矢印は、制御系統の信号の流れを示しており、実線矢印は、データ系統の信号の流れを示している。

水中通信システム１は、送信装置１０と、受信装置２０とを備える。

送信装置１０は、制御部１１と、記憶部１２と、光送信部１３と、送信信号生成部１４と、撮像部１５と、位置姿勢検出部１６と、音響通信部１７と、信号処理部１８と、を備える。

制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理回路を備え、記憶部１２に記憶されたプログラムに従って各部を制御する。制御部１１が、ＦＰＧＡ（Field-ProgrammableGate Array）を含んでいてもよい。記憶部１２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶媒体を備え、制御部１１が実行するプログラムを記憶する。また、記憶部１２は、制御部１１の制御においてワーク領域として利用される。さらに、記憶部１２は、制御部１１からの制御のもと、撮像部１５から入力される映像データを随時記憶する。

光送信部１３は、制御部１１からの制御に応じて、レーザ光Ｂ１０を送信する。光送信部１３は、送信信号生成部１４によって生成された送信信号に応じて、レーザ光Ｂ１０を変調する。たとえば、光送信部１３は、パルス変調（たとえばＰＷＭ：Pulse Width Modulation）により、レーザ光Ｂ１０を変調する。また、光送信部１３は、制御部１１からの制御に応じて、レーザ光Ｂ１０の送信方向を変化させる。

送信信号生成部１４は、制御部１１からの制御に応じて送信信号を生成する。具体的には、送信信号生成部１４は、記憶部１２から映像データを読み出して、送信信号を生成する。送信信号生成部１４は、所定フォーマットのデータパケットに映像データを格納し、さらに、当該データパケットをパルス信号に変換して、送信信号を生成する。

撮像部１５は、カメラを備え、図１の窓３ａを介して水中または水底を撮像する。撮像部１５は、撮像により得た映像データを、随時、記憶部１２に出力して、記憶部１２に記憶させる。

位置姿勢検出部１６は、図１に示した水中装置３の位置および姿勢を検出する。位置姿勢検出部１６は、ＧＰＳ（Global Positioning System）および加速度センサを備える。位置姿勢検出部１６は、入水時にＧＰＳで検出した位置に、加速度センサにより検出した方向および距離を積算して、水中装置３の現在の位置および姿勢を随時算出し、算出した位置および姿勢に関する情報を随時、制御部１１に出力する。また、位置姿勢検出部１６は、制御部１１からの制御に応じて、現在の位置および姿勢に関する情報を信号処理部１８に出力する。位置姿勢検出部１６は、送信装置１０以外の水中装置３の内部に配置されてもよい。

音響通信部１７は、制御部１１からの制御により、音響信号Ｓ１０により通信を行う。音響通信部１７は、複数の超音波振動子を備え、これら超音波振動子を駆動して水中に超音波（音響信号Ｓ１０）を送信する。音響通信部１７は、送信する超音波を、信号処理部１８から入力される送信信号に応じて変調する。また、音響通信部１７は、受信装置２０から送信される超音波（音響信号Ｓ１０）を超音波振動子で受波して受信信号を生成し、生成した受信信号を信号処理部１８に出力する。

信号処理部１８は、制御部１１からの制御のもと、音響通信部１７に対する信号の処理を行う。信号処理部１８は、位置姿勢検出部１６から入力された検出結果に基づく情報を音響通信に応じた信号に変換して、音響通信部１７に出力する。また、信号処理部１８は、音響通信部１７から入力される受信信号に対して、増幅、ノイズ除去および復号化等の処理を施して、制御部１１に出力する。

受信装置２０は、制御部２１と、記憶部２２と、光受信部２３と、信号処理部２４と、無線通信部２５と、位置姿勢検出部２６と、音響通信部２７と、信号処理部２８とを備える。

制御部２１は、ＣＰＵ等の演算処理回路を備え、記憶部１２に記憶されたプログラムに従って各部を制御する。制御部１１が、ＦＰＧＡを含んでいてもよい。記憶部２２は、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶媒体を備え、制御部２１が実行するプログラムを記憶する。また、記憶部２２は、制御部２１の制御においてワーク領域として利用される。記憶部２２は、制御部２１からの制御のもと、信号処理部２４から入力される映像データを随時記憶する。

光受信部２３は、制御部２１からの制御に応じて、レーザ光Ｂ１０を受信する。光受信部２３は、光送信部１３により映像データに応じて変調されたレーザ光Ｂ１０を受信し、レーザ光Ｂ１０の受光強度に応じた検出信号を信号処理部２４に出力する。また、光受信部２３は、制御部２１からの制御に応じて、レーザ光Ｂ１０の受信方向を変化させる。

信号処理部２４は、制御部２１からの制御のもと、光受信部２３から入力される検出信号に対し、増幅、ノイズ除去および復号化等の処理を施して映像データを復調し、復調した映像データを記憶部２２に出力する。記憶部２２は、入力された映像データを記憶する。

無線通信部２５は、制御部２１からの制御に応じて、陸上の情報収集装置と無線通信を行う。無線通信部２５は、記憶部２２に記憶されている映像データを読み出して送信データを生成し、生成した送信データを、無線通信によって、陸上の情報収集装置に送信する。

位置姿勢検出部２６は、ＧＰＳおよび加速度センサを備え、図１に示した水上装置２の位置および姿勢を検出する。位置姿勢検出部２６は、制御部２１からの制御に応じて、現在の位置および姿勢に関する情報を信号処理部２８に出力する。位置姿勢検出部２６は、受信装置２０以外の水上装置２の内部に配置されてもよい。

音響通信部２７は、制御部２１からの制御により、音響信号Ｓ１０により通信を行う。音響通信部２７は、複数の超音波振動子を備え、これら超音波振動子を駆動して水中に超音波（音響信号Ｓ１０）を送信する。音響通信部２７は、送信する超音波を、信号処理部２８から入力される送信信号に応じて変調する。また、音響通信部２７は、送信装置１０から送信される超音波（音響信号Ｓ１０）を超音波振動子で受波して受信信号を生成し、生成した受信信号を信号処理部２８に出力する。

信号処理部２８は、制御部２１からの制御のもと、音響通信部２７に対する信号の処理を行う。信号処理部２８は、位置姿勢検出部２６から入力された検出結果に基づく情報を音響通信に応じた信号に変換して、音響通信部２７に出力する。また、信号処理部２８は、音響通信部２７から入力される受信信号に対して、増幅、ノイズ除去および復号化等の処理を施して、制御部２１に出力する。

図３は、光送信部１３および光受信部２３の構成を示す図である。

光送信部１３は、光学系の構成として、レーザ光源１０１と、集光レンズ１０２と、光ファイバ１０３と、コリメータレンズ１０４と、ミラー１０５と、光偏向器１０６とを備える。また、光送信部１３は、回路系の構成として、光源駆動回路１１１と、ミラー駆動回路１１２とを備えている。

レーザ光源１０１は、所定波長のレーザ光を出射する。レーザ光源１０１の出射波長は、たとえば、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれる。レーザ光源１０１は、たとえば、端面発光型のレーザダイオードである。レーザ光源１０１が、他の種類のレーザ光源であってもよい。また、レーザ光源１０１の配置数は、必ずしも１つでなくてもよく、複数のレーザ光源１０１から出射されるレーザ光が、バンドルされた複数の光ファイバに入射されてもよい。

集光レンズ１０２は、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光を光ファイバ１０３の入射口に集光する。光ファイバ１０３は、入射されたレーザ光を伝搬して、出射口から出射する。

コリメータレンズ１０４は、光ファイバ１０３から出射されたレーザ光を平行光化する。レーザ光は、必ずしも、コリメータレンズ１０４によって完全に平行光に変換されなくてもよく、平行光から僅かに広がるか僅かに収束してもよい。ミラー１０５は、コリメータレンズ１０４によって平行光化されたレーザ光を反射して、レーザ光の光路を折り曲げる。

光偏向器１０６は、ミラー１０５によって反射されたレーザ光Ｂ１０を偏向させる。光偏向器１０６は、ミラー１０６ａを備え、ミラー１０６ａを互いに垂直な２軸について回動させることにより、レーザ光Ｂ１０の送信方向を２次元状に変化させる。光偏向器１０６は、たとえば、ＭＥＭＳ（Micro Electro MechanicalSystems）ミラーによって構成される。図３の構成では、ミラー１０６ａが中立位置にあるときに、ミラー１０６ａに対するレーザ光の入射角が４５°になるように、光学系がレイアウトされている。

光源駆動回路１１１は、送信信号生成部１４から入力される送信信号（パルス信号）に応じて、レーザ光源１０１を駆動する。これにより、映像データによって変調されたレーザ光Ｂ１０が送信される。また、光源駆動回路１１１は、後述の通信サーチ制御において、制御部１１からの制御により、一定出力でレーザ光源１０１を駆動する。これにより一定出力のレーザ光Ｂ１０が送信される。

ミラー駆動回路１１２は、制御部１１からの制御に応じて、光偏向器１０６を駆動する。これにより、レーザ光Ｂ１０の送信方向が変化する。

光受信部２３は、光学系の構成として、光偏向器２０１と、分岐素子２０２と、集光レンズ２０３と、光検出器２０４と、イメージセンサ２０５とを備える。また、光受信部２３は、回路系の構成として、検出信号処理回路２１１と、画素信号処理回路２１２と、ミラー駆動回路２１３とを備える。

光偏向器２０１は、レーザ光Ｂ１０の受信方向を変化させる。光偏向器２０１は、ミラー２０１ａを備え、ミラー２０１ａを互いに垂直な２軸について回動させることにより、レーザ光Ｂ１０の受信方向を２次元状に変化させる。光偏向器２０１は、たとえば、ＭＥＭＳミラーによって構成される。図３の構成では、ミラー２０１ａが中立位置にあるときに、集光レンズ２０３の光軸が、ミラー２０１ａの中心に一致し、且つ、ミラー２０１ａの法線に対して４５°となるように、光学系がレイアウトされている。

分岐素子２０２は、ミラー２０１ａによって反射されたレーザ光Ｂ１０の一部を反射し、残りを透過させる。分岐素子２０２は、たとえば、反射率が１０％程度に設定された反射膜を有する。この場合、光偏向器２０１を経由したレーザ光Ｂ１０のうち、９０％程度が分岐素子２０２を透過してレーザ光Ｂ１１となり、１０％程度が分岐素子２０２で反射されてレーザ光Ｂ１２となる。

分岐素子２０２として、回折格子等の他の光学素子が用いられてもよい。分岐素子２０２が回折格子である場合、たとえば、レーザ光Ｂ１０の波長に対して、０次光の回折効率が９０％程度、１次回折光の回折効率が１０％程度となるブレーズ型の回折格子が用いられ得る。

集光レンズ２０３は、分岐素子２０２を透過したレーザ光Ｂ１１を光検出器２０４の受光領域に集光する。上記のように、集光レンズ２０３の光軸は、ミラー２０１ａが中立位置にあるときに、ミラー２０１ａの中心に一致し、且つ、ミラー２０１ａの法線に対して４５°となるように配置される。したがって、図３において、レーザ光Ｂ１０が真上方向にミラー２０１ａで反射された場合に、レーザ光Ｂ１１が光検出器２０４の受光領域に適正に集光される。

光検出器２０４は、集光レンズ２０３で集光されたレーザ光Ｂ１１が受光領域に入射されることに応じて検出信号を出力する。光検出器２０４は、たとえば、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である。これにより、微弱なレーザ光Ｂ１１を光検出器２０４により検出できる。光検出器２０４は、アバランシェ増倍現象を用いない通常のフォトダイオードであってもよい。

イメージセンサ２０５は、マトリクス状に画素が配置された撮像素子である。イメージセンサ２０５は、たとえば、ＣＣＤ（charge-coupled device）やＣＭＯＳイメージセンサである。イメージセンサ２０５は、レーザ光Ｂ１０がミラー２０１ａによって真上に反射されるときに、レーザ光Ｂ１２の中心軸が、イメージセンサ２０５の受光面の中心に一致し、且つ、受光面に垂直となるように配置されている。イメージセンサ２０５の受光面には、縦横にそれぞれ多数の画素が並んでいる。イメージセンサ２０５は、各画素がレーザ光Ｂ１２の波長を検知可能なものであればよい。

検出信号処理回路２１１は、光検出器２０４から出力される検出信号を、パルス波形に整形して、信号処理部２４に出力する。画素信号処理回路２１２は、イメージセンサ２０５の駆動を制御するとともに、イメージセンサ２０５の各画素からの画素信号にノイズ除去等の処理を施して、処理後の画素信号を信号処理部２４に出力する。

ミラー駆動回路２１３は、制御部２１からの制御に応じて、光偏向器２０１を駆動する。これにより、レーザ光Ｂ１０の受信方向が変化する。

次に、映像データの送受信に関する制御について説明する。

図４は、映像データの送受信時の制御を示すフローチャートである。

映像データの送受信時には、まず、送信装置１０と受信装置２０との間でレーザ光Ｂ１０の通信パスを形成するための通信サーチ制御が行われる（Ｓ１１）。通信サーチ制御において、送信装置１０の制御部１１と受信装置２０の制御部２１は、互いに協同して、第１サーチ制御と第２サーチ制御を行う。第１サーチ制御および第２サーチ制御については、追って、図５（ａ）～図９を参照して説明する。

通信サーチ制御により通信パスが形成されると、次に、通信パスを維持するための通信サーボ制御が行われる（Ｓ１２）。通信サーボ制御は、主として受信装置２０の制御部２１によって行われる。通信サーボ制御については、追って、図１０を参照して説明する。

こうして、レーザ光の通信パスが維持された状態で、映像データの送信が行われる（Ｓ１４）。すなわち、映像データにより変調されたレーザ光Ｂ１０が送信装置１０から受信装置２０に送信される。映像データの送信中に、通信サーボが外れて通信パスを維持できなくなると（Ｓ１３：ＮＯ）、再度、通信サーチが行われる（Ｓ１１）。これにより、再度、レーザ光の通信パスが形成されて維持されると（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３：ＹＥＳ）、残りの映像データの送信が行われる（Ｓ１４）。こうして、今回送信分の映像データの送信が終了すると（Ｓ１５：ＹＥＳ）、映像データの送受信制御が終了する。

図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第１サーチ制御において、送信装置１０の制御部１１および受信装置２０の制御部２１が行う制御を示すフローチャートである。

送信装置１０の制御部１１は、音響通信部１７を介して、サーチ要求を受信装置２０に送信する（Ｓ１０１）。このとき、制御部１１は、位置姿勢検出部１６によって検出された現在の位置および姿勢に関する情報を、サーチ要求に含めて送信する。さらに、制御部１１は、サーチ要求の送信に応じて、自身の時間軸をゼロにリセットして計時を開始する。

受信装置２０の制御部２１は、音響通信部２７を介してサーチ要求を受信すると（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、位置姿勢検出部２６によって検出された現在の位置および姿勢に関する情報を、音響通信部２７を介して送信装置１０に送信する（Ｓ２０２）。このとき、制御部２１は、サーチ要求を受信と同時に、自身の時間軸をゼロにリセットして計時を開始する。これにより、送信装置１０の時間軸と受信装置２０の時間軸とが整合される。

さらに、制御部２１は、受信した位置姿勢に関する情報と、位置姿勢検出部２６によって検出された現在の位置および姿勢に関する情報とに基づいて、受信方向を送信装置１０に向かう方向に設定する（Ｓ２０３）。具体的には、制御部２１は、光偏向器２０１を制御して、レーザ光Ｂ１０の受信方向が送信装置１０に向くように、ミラー２０１ａを傾ける。そして、制御部２１は、レーザ光の受光処理（スキャンビーム受光処理）を実行する（Ｓ２０４）。

送信装置１０の制御部１１は、ステップＳ２０２において受信装置２０から送信された位置および姿勢に関する情報を受信すると（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、受信した位置姿勢に関する情報と、位置姿勢検出部１６によって検出された現在の位置および姿勢に関する情報とに基づいて、送信方向を受信装置２０に向かう方向に設定する（Ｓ１０３）。具体的には、制御部１１は、光偏向器１０６を制御して、レーザ光Ｂ１０の送信方向が受信装置２０に向くように、ミラー１０６ａを傾ける。

そして、制御部１１は、設定した送信方向を中心にレーザ光Ｂ１０が所定の角度範囲でスキャンされるように、レーザ光源１０１および光偏向器１０６を制御する（Ｓ１０４）。このとき、制御部１１は、一定出力でレーザ光源１０１を駆動させる。これにより、一定出力のレーザ光Ｂ１０が、所定のスキャン軌跡に沿ってスキャンされる。スキャンは、同一のスキャン軌跡に沿って所定回数（たとえば３回）繰り返し行われる。本実施形態では、ステップＳ１０３で設定された送信方向を中心とする円形の軌跡に沿ってレーザ光Ｂ１０が回転するように、スキャン動作が行われる。

このスキャンにおいて、レーザ光Ｂ１０が受信装置２０のミラー２０１ａに入射すると、イメージセンサ２０５の受光面にレーザ光Ｂ１２が入射する。この場合、イメージセンサ２０５の対応する画素から受光強度に応じた画素信号が出力される。他方、このスキャンにおいて、レーザ光Ｂ１０が受信装置２０のミラー２０１ａに入射しなければ、イメージセンサ２０５の受光面にはレーザ光Ｂ１２が入射しない。この場合、イメージセンサ２０５の何れの画素からも、レーザ光の受光による画素信号は出力されない。

受信装置２０の制御部２１は、上記のように送信装置１０と整合された共通の時間軸において、レーザ光Ｂ１０が所定回数スキャンされる期間を含む監視期間を設定し、この監視期間において、ステップＳ２０４の処理を実行する。そして、この監視期間が終了すると、制御部２１は、当該監視期間にイメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光したか否かを示すサーチ結果を、音響通信部２７を介して、送信装置１０に送信する（Ｓ２０５）。イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光した場合は、受光のタイミングを示す時刻情報が、さらに、サーチ結果に含まれる。時刻情報は、上記共通の時間軸上の経過時間により規定される。

図６は、スキャン動作によりレーザ光Ｂ１２がイメージセンサ２０５の受光面２０５ａに入射する場合のイメージセンサ２０５の受光状態を模式的に示す図である。

上記のように、本実施形態では、円形の軌跡に沿ってレーザ光Ｂ１０が回転するようにスキャン動作が行われる。このため、分岐素子２０２で分岐されたレーザ光Ｂ１２も、円形のスキャン軌跡Ｌ１２に沿って移動する。なお、図６には、便宜上、光偏向器２０１のミラー２０１ａにレーザ光が入射しない期間においても、スキャン軌跡Ｌ１２とレーザ光Ｂ１２が破線で示されている。

図７（ａ）は、送信装置１０におけるスキャン動作時のレーザ光Ｂ１０の回転角の変化を示すタイムチャートである。図７（ｂ）は、受信装置２０におけるスキャン動作時のイメージセンサ２０５によるレーザ光Ｂ１２の受光状態を示すタイムチャートである。図７（ｂ）の縦軸は、イメージセンサ２０５の全画素の信号値を積算した積算値である。

図７（ａ）に示すように、送信装置１０の制御部１１は、１つのスキャン期間Ｔ１においてレーザ光Ｂ１０が１回転するように、光偏向器１０６を制御する。上記のように、１回転のスキャンは、所定回数（たとえば３回）繰り返される。レーザ光Ｂ１０が１回転する間の所定のスキャン位置において、レーザ光Ｂ１０が受信装置２０の光偏向器２０１（ミラー２０１ａ）に入射すると、図７（ｂ）に示すように、イメージセンサ２０５の信号値（全画素の積算値）がパルス状に立ち上がる。

受信装置２０の制御部１１は、イメージセンサ２０５の信号値（全画素の積算値）と所定の閾値Ｓｔｈとを比較し、信号値が閾値Ｓｔｈ以上となった場合に、光偏向器２０１がレーザ光Ｂ１０を受光したと判定する。そして、信号値が閾値Ｓｔｈ以上にある期間の中間点の時刻を、光偏向器２０１がレーザ光Ｂ１０を受光したタイミングを示す時刻情報として取得する。図７（ｂ）の例では、１回目および２回目のスキャン期間Ｔ１において、レーザ光Ｂ１０が光偏向器２０１により受光され、時刻ｔ１、ｔ２の時刻情報が得られている。

図５（ａ）、（ｂ）に戻り、受信装置２０の制御部２１は、ステップＳ２０５において、サーチ結果を音響通信により送信装置１に送信する。上記のように、サーチ結果は、イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光したか否かを示す情報を含み、イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光した場合は、さらに、受光したタイミングを示す時刻情報を含んでいる。

こうして、サーチ結果を送信した後、制御部２１は、今回のスキャン動作においてイメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光したか否かを判定する（Ｓ２０６）。イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光した場合（Ｓ２０６：ＹＥＳ）、第１サーチ制御を終了する。他方、イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光しなかった場合（Ｓ２０６：ＮＯ）、制御部２１は、処理をステップＳ２０４に戻す。

送信装置１０の制御部１１は、ステップＳ２０５で送信されたサーチ結果を音響通信により受信すると（Ｓ１０５）、サーチ結果を参照し、イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光したか否かを判定する（Ｓ１０６）。そして、制御部１１は、イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光した場合は（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、第１サーチ制御を終了し、イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光しなかった場合は（Ｓ１０６：ＮＯ）、処理をステップＳ１０３に戻す。

処理をステップＳ１０３に戻した場合、制御部１１は、レーザ光Ｂ１０の送信方向を設定し直す。ここで、制御部１１は、前回、ステップＳ１０３で設定した送信方向から所定方向に所定角度だけずらした方向に、新たな送信方向を設定する。そして、制御部１１は、新たに設定した送信方向を中心に、再度、レーザ光Ｂ１０を所定回数スキャンさせる（Ｓ１０４）。

また、受信装置２０の制御部２１は、処理をステップＳ２０４に戻した場合、送信装置１０と共通の時間軸上に再度、監視期間を設定して、イメージセンサ２０５を用いた受光処理を実行する。監視期間は、再度、ステップＳ１０４で行われる所定回数のスキャン動作の実行期間を含む期間に設定される。監視期間が終了すると、制御部２１は、当該監視期間のサーチ結果を生成して、音響通信により、送信装置１０に送信する（Ｓ２０５）。送信されたサーチ結果は、ステップＳ１０５において、送信装置１０の制御部１１に受信される。

こうして、送信装置１０の制御部１１と受信装置２０の制御部２１は、イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光するまで、レーザ光Ｂ１０のスキャン方向を修正しながら、ステップＳ１０３～Ｓ１０６の処理およびステップＳ２０４～Ｓ２０６の処理をそれぞれ繰り返し実行する。そして、ステップＳ１０６、Ｓ２０６の判定がＹＥＳとなると、制御部１１および制御部２１は、第１サーチ制御をそれぞれ終了し、第２サーチ制御へと移行する。

なお、図５（ａ）、（ｂ）の制御では、ステップＳ１０６、Ｓ２０６の判定がＮＯの場合、送信方向が修正されて、再度、スキャン動作が行われたが、送信方向は修正せずに、スキャンの走査軌跡を修正してもよい。たとえば、制御部１１は、再度、スキャン動作を行う場合に、送信方向を中心とするスキャン軌跡の径を変化させてもよい。また、ステップＳ１０６、Ｓ２０６の判定がＮＯの場合、制御部１１および制御部２１は、処理をそれぞれステップＳ１０１、Ｓ２０１に戻して、第１サーチ制御をやり直してもよい。

図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第２サーチ制御において、送信装置１０の制御部１１および受信装置２０の制御部２１が行う制御を示すフローチャートである。

送信装置１０の制御部１１は、図５（ａ）のステップＳ１０５で受信したサーチ結果に基づいて、レーザ光Ｂ１０の送信方向を設定する（Ｓ１１１）。具体的には、制御部１１は、サーチ結果に含まれている時刻情報に基づいて、レーザ光Ｂ１０の送信方向を設定する。

たとえば、図７（ａ）、（ｂ）の例では、サーチ結果に時刻ｔ１、ｔ２が含まれている。この例では、３回目以降のスキャン期間Ｔ１においても、イメージセンサ２０５の信号値（全画素の信号値の積算値）が立ち上がる期間が存在し得る。したがって、３回目以降のスキャン期間Ｔ１においても、同様に、受光タイミングを示す時刻が取得され、取得された時刻がさらにサーチ結果に含まれ得る。

送信装置１０の制御部１１は、サーチ結果に含まれる時刻に対応するレーザ光Ｂ１０の回転角を取得する。図７（ａ）、（ｂ）の例では、時刻ｔ１に対応する回転角θ１が取得され、時刻ｔ２に対応する回転角θ２が取得される。残りのスキャン期間Ｔ１についても、同様に、サーチ結果に含まれる時刻に対応する回転角が取得される。制御部１１は、取得した回転角を平均した回転角に対応する送信方向を、図８（ａ）のステップＳ１１１における送信方向に設定する。このとき、制御部１１は、他の回転角から大きく乖離する回転角を平均化の対象から除いてもよい。

なお、ここでは、各時刻に対応するレーザ光Ｂ１０のスキャン位置として、レーザ光Ｂ１０の回転角が取得されたが、各時刻に対応するレーザ光Ｂ１０のスキャン位置として、光偏向器１０６におけるミラー１０６ａの回動位置または回動量等の他のパラメータ値が取得されてもよい。

図８（ａ）、（ｂ）に戻り、制御部１１は、レーザ光源１０１および光偏向器１０６を制御して、ステップＳ１１１で設定した送信方向に、一定出力のレーザ光Ｂ１０を照射させる（Ｓ１１２）。この送信方向は、上述の第１サーチ処理においてレーザ光Ｂ１０が受信装置２０により受光された送信方向であるため、通常、今回照射されたレーザ光Ｂ１０も、受信装置２０により受光される。その後、制御部１１は、受信装置２０から制御情報が送信されるのを待つ（Ｓ１１３）。

受信装置２０の制御部２１は、第２サーチ制御において、レーザ光Ｂ１２をイメージセンサ２０５で受光する処理を実行する（Ｓ２１１）。そして、制御部２１は、イメージセンサ２０５の出力信号に基づいて、光偏向器２０１（ミラー２０１ａ）の中心とレーザ光Ｂ１０の中心との間のずれを補正するための制御情報を生成し（Ｓ２１２）、生成した制御情報を、音響通信部２７を介して、送信装置１０に送信する（Ｓ２１３）。これにより、制御部２１は、第２サーチ制御を終了し、後段の通信サーボ制御（図４のステップＳ１２）へと移行する。

図９は、第２サーチ制御における制御情報の生成方法を示す図である。

図９の例では、分岐素子２０２で分岐されたレーザ光Ｂ１２が、イメージセンサ２０５の受光面２０５ａの角付近に入射している。制御部２１は、イメージセンサ２０５の各画素２０５ｂから出力される画素信号に基づいて、イメージセンサ２０５の受光面２０５ａにおけるレーザ光Ｂ１２の受光範囲を特定する。たとえば、制御部２１は、画素信号が所定の閾値以上である画素群の範囲を受光範囲として特定する。図９の例では、ハッチングが付された画素２０５ｂ群の範囲が、受光範囲として特定される。制御部２１は、特定した受光範囲に含まれる画素２０５ｂのうち、最も高い信号値が生じた画素２０５ｂの位置（最大受光位置Ｐ１）を抽出し、さらに、各画素２０５ｂの信号値から、受光範囲における信号値の重心位置（受光重心位置Ｐ２）を抽出する。

通常、レーザ光Ｂ１２の強度は、中心付近が最も高く、中心から離れるにしたがって次第に低くなる。図９の例では、レーザ光Ｂ１２の中心が受光面２０５ａに含まれるため、レーザ光Ｂ１２の中心付近にある画素２０５ｂの信号値が最も高くなる。このため、図９の例では、レーザ光Ｂ１２の中心付近にある画素２０５ｂの位置が最大受光位置Ｐ１となる。また、図９の例では、受光範囲が、レーザ光Ｂ１２の中心から図９の左下方向に大きく広がっている。このため、受光重心位置Ｐ２は、最大受光位置Ｐ１に対して左下方向にずれることになる。

このように、受光重心位置Ｐ２に対する最大受光位置Ｐ１のずれ方向は、受光面２０５ａの中心に対するレーザ光Ｂ１２の中心のずれ方向に概ね整合する。また、受光重心位置Ｐ２と最大受光位置Ｐ１との間のずれ量および受光範囲（位置および面積）と、受光面２０５ａの中心に対するレーザ光Ｂ１２の中心のずれ量との間には、一定の関係（規則）を規定できる。よって、最大受光位置Ｐ１、受光重心位置Ｐ２および受光範囲を特定することにより、受光面２０５ａの中心に対するレーザ光Ｂ１２の中心のずれ方向およびずれ量を推定できる。

その一方で、受光面２０５ａの中心に対するレーザ光Ｂ１２の中心のずれ方向およびずれ量は、光偏向器２０１（ミラー２０１ａ）の中心に対するレーザ光Ｂ１０の中心のずれ方向およびずれ量に対応する。したがって、受光重心位置Ｐ２に対する最大受光位置Ｐ１のずれ方向およびずれ量と受光範囲とによって、光偏向器２０１（ミラー２０１ａ）の中心に対するレーザ光Ｂ１０の中心のずれ方向およびずれ量を推定できる。

制御部２１は、最大受光位置Ｐ１および受光重心位置Ｐ２を抽出した後、最大受光位置Ｐ１と受光重心位置Ｐ２との間の横方向および縦方向の差分Δｄ１、Δｄ２（受光重心位置Ｐ２に対する最大受光位置Ｐ１のずれ方向およびずれ量）を算出する。そして、制御部２１は、算出した差分Δｄ１、Δｄ２と受光範囲の位置および画素数（面積）とに基づいて、光偏向器２０１（ミラー２０１ａ）の中心に対するレーザ光Ｂ１０の中心のずれ方向およびずれ量を算出し、このずれ方向およびずれ量を解消するために必要なレーザ光Ｂ１０の送信方向の補正方向および補正量を算出する。制御部２１は、こうして算出した補正方向および補正量を、図８（ｂ）のステップＳ２１２における制御情報として取得する。

図８（ａ）、（ｂ）に戻り、送信装置１０の制御部１１は、音響通信部１７を介して制御情報を受信すると（Ｓ１１３：ＹＥＳ）、制御情報に基づいて、レーザ光Ｂ１０の送信方向を補正する（Ｓ１１４）。すなわち、制御部１１は、光偏向器１０６を制御して、光偏向器２０１（ミラー２０１ａ）の中心に対するレーザ光Ｂ１０の中心のずれを解消する方向に、レーザ光Ｂ１０の送信方向を補正する。これにより、レーザ光Ｂ１０の中心と光偏向器２０１（ミラー２０１ａ）の中心とが接近し、同時に、レーザ光Ｂ１２の中心とイメージセンサ２０５の受光面２０５ａの中心とが接近する。その後、制御部１１は、第２サーチ制御を終了し、後段の通信サーボ制御（図４のステップＳ１２）へと移行する。

図１０は、受信装置２０の制御部２１における通信サーボ制御を示す図である。

通信サーボ制御において、制御部２１は、受光範囲の最大受光位置Ｐ１を抽出し、最大受光位置Ｐ１と、受光面２０５ａの中心画素位置Ｐ０との間の差分Δｄ３、Δｄ４を算出する。そして、制御部２１は、この差分Δｄ３、Δｄ４が解消されるように、光偏向器２０１を制御する。これにより、集光レンズ２０３によるレーザ光Ｂ１０の集光位置が、光検出器２０４の受光領域に適正に位置づけられる。制御部２１は、以上の制御を随時繰り返し実行する。

通信サーボ制御において、光偏向器２０１におけるミラー２０１ａの回動角が回動可能範囲の上限付近に到達すると、制御部２１は、レーザ光Ｂ１０の送信方向を、ミラー２０１ａが中立位置に近づく方向に補正するための制御情報を、音響通信部２７を介して送信装置１０に送信する。これを受けて、送信装置１０の制御部１１は、水中装置３の位置および光偏向器１０６を制御して、レーザ光Ｂ１０の送信方向を補正する。これにより、受信装置２０の光偏向器２０１のミラー２０１ａが、通信サーボ制御により、中立位置付近に復帰する。こうして、通信サーボ制御が円滑に継続される。

＜実施形態の効果＞
上記実施形態によれば、以下の効果が奏され得る。

映像データの送信にレーザ光Ｂ１０が用いられるため、送信装置１０から受信装置２０に大容量のデータを送信できる。また、通信に用いるレーザ光Ｂ１０が平行光化されているため、送信装置１０から受信装置２０までの距離が長くても、レーザ光Ｂ１０の密度が低下しにくい。このため、送信装置１０と受信装置２０との間で通信可能な距離を拡大できる。また、広い受光領域（受光面２０５ａ）を有するイメージセンサ２０５が、受信装置２０におけるレーザ光Ｂ１０の受光状態の監視に用いられるため、上記のようにレーザ光Ｂ１０が平行光化された場合に、受信装置２０におけるレーザ光の受光状態を高い分解能で精緻に監視できる。よって、イメージセンサ２０５からの出力信号から、レーザ光Ｂ１０の送信方向を受信装置２０に向かう方向に制御するための制御情報を円滑かつ精度良く生成でき、この制御情報によって、レーザ光Ｂ１０の送信方向を適正に制御できる。よって、本実施形態に係る水中通信システム１によれば、大容量の映像データをより長い距離で送受信することができる。

図５（ａ）、（ｂ）に示したように、送信装置１０の制御部１１（第１制御部）は、光偏向器１０６（第１光偏向器）を制御して、レーザ光Ｂ１０を所定範囲でスキャンさせ（Ｓ１０４）、受信装置２０の制御部２１（第２制御部）は、イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光したスキャン位置に関するサーチ結果（制御情報）を、音響通信部２７（第２通信部）を介して送信装置１０に送信し（Ｓ２０５）、制御部１１（第１制御部）は、光偏向器１０６（第１光偏向器）を制御して、音響通信部１７（第１通信部）を介して受信したサーチ結果（制御情報）に基づく方向に、レーザ光Ｂ１０の送信方向を設定する（図８（ａ）のステップＳ１１１）。この制御（第１サーチ制御）によれば、平行光化されたレーザ光Ｂ１０をスキャンさせることにより、受信装置２０がレーザ光を受光可能な送信方向を探知できる。よって、大容量の映像データを送信する前に、円滑に、レーザ光Ｂ１０の送信方向を設定できる。

図７（ｂ）に示したように、イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光したスキャン位置に関するサーチ結果（制御情報）は、イメージセンサ２０５がレーザ光Ｂ１２を受光したタイミングを特定する時刻情報を含んでいる。この構成によれば、予め、送信装置１０と受信装置２０との間で時間軸を調整しておくことにより、送信装置１０側において、どのスキャン位置が、受信装置２０側においてレーザ光Ｂ１０を受光可能な位置であるかを、サーチ結果に含まれる時刻情報をもとに特定できる。よって、送信装置１０側において、レーザ光Ｂ１０の送信方向を簡易な処理により設定できる。

図８（ａ）、（ｂ）に示したように、受信装置２０の制御部２１（第２制御部）は、イメージセンサ２０５の出力信号に基づいて、光偏向器２０１（第２光偏向器）の中心とレーザ光Ｂ１０の中心との間のずれを補正するための制御情報を、音響通信部２７（第２通信部）を介して送信装置１０に送信し（Ｓ２１３）、送信装置１０の制御部１１（第１制御部）は、音響通信部１７（第１通信部）を介して受信した制御情報に基づいて、光偏向器１０６（第１光偏向器）を制御して、前記ずれを解消する方向にレーザ光Ｂ１０の送信方向を補正する（Ｓ１１４）。この制御によれば、送信装置１０から送信されるレーザ光Ｂ１０の送信方向を、光偏向器２０１（第２光偏向器）の中心とレーザ光Ｂ１０の中心とが接近するように補正できる。これにより、より多い光量のレーザ光Ｂ１０を光偏向器２０１（第２光偏向器）により取り込んで、光検出器２０４に導くことができる。よって、レーザ光Ｂ１０による映像データの送受信をより精度良く行うことができる。

図９に示したように、第２サーチ制御において、受信装置２０の制御部２１（第２制御部）は、イメージセンサ２０５の出力信号に基づいて、イメージセンサ２０５におけるレーザ光Ｂ１２の受光範囲中の最大受光位置Ｐ１と受光重心位置Ｐ２とを抽出し、最大受光位置Ｐ１と受光重心位置Ｐ２との差分Δｄ１、Δｄ２に基づいて、上記ずれを補正するための制御情報を生成する。この構成によれば、上記のように、イメージセンサ２０５の出力信号に基づいて、光偏向器２０１（第２光偏向器）の中心とレーザ光Ｂ１０の中心との間のずれを補正するための制御情報を円滑に生成できる。

図２に示したように、第１サーチ制御および第２サーチ制御における情報（サーチ結果、制御情報など）の送受信を、音響通信部１７、２７が、音響信号を用いて行う。この構成によれば、広角に送受信が可能であるため、サーチ結果および制御情報を、円滑かつ確実に、受信装置２０から送信装置１０に提供できる。よって、レーザ光Ｂ１０の送信方向の制御を、迅速かつ適正に行うことができる。なお、サーチ結果および制御情報はデータ容量が小さい
上記のように、レーザ光源１０１から出射されるレーザ光の波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれるよう設定されることが好ましい。この波長帯の光は、水に吸収または散乱されにくいため、このようにレーザ光Ｂ１０の波長を設定することにより、レーザ光Ｂ１０を用いた送信装置１０と受信装置２０との間の通信距離を、より効果的に広げることができる。

図３に示したように、送信装置１０の光偏向器１０６（第１光偏向器）および受信装置２０の光偏向器２０１（第２光偏向器）は、それぞれ、ミラー１０６ａ、２０１ａを有する反射型の光偏向器とされている。これにより、簡易な制御により広角に、レーザ光Ｂ１０の送受信方向を変化させることができる。

＜変更例＞
上記実施形態では、第１サーチ制御におけるレーザ光Ｂ１０のスキャン軌跡が円形であったが、スキャン軌跡はこれに限られるものではない。たとえば、スキャン軌跡が矩形であってもよく、あるいは、所定範囲で蛇行するスキャン軌跡が用いられてもよい。所定範囲で蛇行するスキャン軌跡が用いられる場合、イメージセンサ２０５におけるレーザ光Ｂ１２のスキャン軌跡Ｌ１２は、たとえば、図１１のようになる。この場合も、所定のスキャン位置において、レーザ光Ｂ１２がイメージセンサ２０５に受光され得る。

また、上記実施形態では、第２サーチ制御において、図９に示した方法により、光偏向器２０１の中心とレーザ光Ｂ１０の中心との間のずれが検出されたが、このずれを検出する方法は、これに限らず、他の方法が用いられてもよい。たとえば、受光重心位置Ｐ２または最大受光位置Ｐ１と受光面２０５ａの中心画素位置Ｐ０との間のずれ（ずれ方向、ずれ量）に基づいて、光偏向器２０１の中心とレーザ光Ｂ１０の中心との間のずれが検出されてもよい。あるいは、イメージセンサ２０５におけるレーザ光Ｂ１２の受光範囲の強度分布に基づいて、レーザ光Ｂ１２の中心位置を求めてもよい。

図１２は、イメージセンサ２０５におけるレーザ光Ｂ１２の受光範囲の強度分布に基づいて、レーザ光Ｂ１２の中心位置を求める方法を説明する図である。

ここでは、イメージセンサ２０５にｘ軸およびｙ軸が設定されている。ｘ軸およびｙ軸のゼロの座標位置がイメージセンサ２０５の中心に設定されている。ｘ軸方向は受光面１０２ａの横方向であり、ｙ軸方向は受光面１０２ａの縦方向である。イメージセンサ２０５の受光範囲は、ｘ軸方向に±ｄの範囲であり、ｙ軸方向に±ｄの範囲である。ここでは、受光面２０５ａが正方向の範囲に設定されている。縦横の画素数は互いに同じである。

図１２の例では、レーザ光Ｂ１２の中心位置（ｘ０，ｙ０）が受光面２０５ａから外れている。各画素２０５ｂには、受光強度を示すハッチングが付されている。たとえば、レーザ光Ｂ１２のピーク強度の１／ｅ^２のビーム範囲が、破線の円で示されている。レーザ光Ｂ１２の強度分布の裾野の範囲が掛かる画素２０５ｂにおいても、受光強度に応じた出力が生じる。レーザ光Ｂ１２の中心位置（ｘ０，ｙ０）から離れるほど、各画素２０５ｂの受光強度が、正規分布状に低下していく。

ここで、ｘ－ｙ座標面上の各位置におけるレーザ光Ｂ１２の受光強度は、次式で示され得る。

上記式（１）において、Ｉ_０はレーザ光Ｂ１２の中心位置の強度（ピーク強度）であり、ω_ｘおよびω_ｙは、それぞれ、レーザ光Ｂ１２のｘ軸方向およびｙ軸方向のビーム径である。ビーム径は、上記のように、たとえば、レーザ光Ｂ１２のピーク強度の１／ｅ^２のビーム範囲に対して規定される。

上記式（１）の両辺に対して自然対数を取ると、次式が得られる。

さらに、上記式（２）をｘおよびｙでそれぞれ偏微分すると、次式が得られる。

上記式（３）、（４）により算出されるデータ群から最小二乗法等により近似直線をそれぞれ求め、求めた近似直線がｚ_ｘ＝０の平面およびｚ_ｙ＝０の平面にそれぞれ接するｘ軸方向およびｙ軸方向の切片位置を、レーザ光Ｂ１２の中心位置の座標として取得できる。

図１３（ａ）～図１３（ｄ）は、上記式（１）～式（４）により算出されるデータ群の一例を示すシミュレーション結果である。この例では、レーザ光Ｂ１２の中心位置（ｘ０，ｙ０）が、（１５．０ｍｍ，１５．０ｍｍ）に設定されている。また、イメージセンサ２０５の受光範囲を規定するパラメータ値ｄが、５ｍｍに設定されている。

図１３（ａ）は、上記式（１）の強度分布のデータ群を示しており、図１３（ｂ）は、上記式（２）のデータ群を示している。また、図１３（ｃ）は、上記式（３）のデータ群を示しており、図１３（ｄ）は、上記式（４）のデータ群を示している。この例では、レーザ光Ｂ１２の中心がイメージセンサ２０５の受光範囲の中心から大きく外れているため、受光範囲中に受光強度が顕著に小さい範囲（ｘ位置およびｙ位置が－５ｍｍに近い位置）が含まれる。この範囲は、ノイズの影響を受けやすい。このため、図１３（ｃ）および図１３（ｄ）のシミュレーション結果には、受光強度が低い範囲にノイズ成分を含めている。

図１４（ａ）～図１４（ｄ）は、上記式（１）～式（４）により算出されるデータ群の他の例を示すシミュレーション結果である。この例では、レーザ光Ｂ１２の中心位置（ｘ０，ｙ０）が、（０ｍｍ，０ｍｍ）に設定されている。また、イメージセンサ２０５の受光範囲を規定するパラメータ値ｄが、図１３（ａ）～図１３（ｄ）と同様、５ｍｍに設定されている。

図１４（ａ）は、上記式（１）の強度分布のデータ群を示しており、図１４（ｂ）は、上記式（２）のデータ群を示している。また、図１４（ｃ）は、上記式（３）のデータ群を示しており、図１４（ｄ）は、上記式（４）のデータ群を示している。この例では、レーザ光Ｂ１２の中心がイメージセンサ２０５の受光範囲の中心に一致するため、受光範囲中に受光強度が顕著に小さい範囲は含まれない。このため、図１４（ｃ）および図１４（ｄ）のシミュレーション結果では、受光強度が低い範囲におけるノイズ成分を抑制している。

図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、それぞれ、図１４（ｃ）、（ｄ）のデータ群に対して最小二乗法により近似直線を求めた算出結果を示すグラフである。図１５（ａ）および図１５（ｂ）において、丸印はデータ群を示し、太い直線が近似直線を示している。ここでは、図１４（ｃ）、（ｄ）の全てのデータ群から近似直線を求めている。

この例において、Ｚｘ＝０の平面に接する近似直線のｘ軸方向の位置（切片）は、－０．０７５ｍｍであり、Ｚｙ＝０の平面に接する近似直線のｙ軸方向の位置（切片）は、－０．０７７ｍｍである。したがって、この例では、レーザ光Ｂ１２の中心位置（ｘ０，ｙ０）が、（－０．０７５ｍｍ，０．０７７ｍｍ）と算出される。この算出結果は、この例に対して設定した本来のレーザ光Ｂ１２の中心位置（０ｍｍ，０ｍｍ）に精度良く一致する。

図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、それぞれ、図１３（ｃ）、（ｄ）のデータ群に対して最小二乗法により近似直線を求めた算出結果を示すグラフである。図１６（ａ）および図１６（ｂ）において、丸印はデータ群を示し、太い直線が近似直線を示している。ここでは、図１３（ｃ）、（ｄ）の全てのデータ群から近似直線を求めている。

この例において、Ｚｘ＝０の平面に接する近似直線のｘ軸方向の位置（切片）は、１４．３ｍｍであり、Ｚｙ＝０の平面に接する近似直線のｙ軸方向の位置（切片）は、１３．９ｍｍである。したがって、この例では、レーザ光Ｂ１２の中心位置（ｘ０，ｙ０）が、（１４．３ｍｍ，１３．９ｍｍ）と算出される。この算出結果は、この例に対して設定した本来のレーザ光Ｂ１２の中心位置（１５．０ｍｍ，１５．０ｍｍ）に精度良く一致する。

上記シミュレーションにおいて、ビーム径ω_ｘ、ω_ｙは、上記式（３）、（４）の算出式のパラメータになっているが、これらの値が変化しても、上記式（３）、（４）のデータ値のばらつきと近似直線の傾きが変化するものの、近似直線がｚ＝０の平面に接する切片のｘ位置、ｙ位置はほぼ変化しない。よって、上記式（３）、（４）によるデータ群の算出は、ビーム径ω_ｘ、ω_ｙに所定の固定値を設定して行えばよい。

なお、上記シミュレーションでは、図１３（ｃ）、（ｄ）の全てのデータ群から近似直線を求めたが、たとえば、図１３（ｃ）および図１３（ｄ）において、近似直線を算出する範囲を、ノイズの影響が小さいｙ軸の範囲（たとえば、ｙ軸の値が０～５ｍｍの範囲）のデータ群に制限してもよい。これにより、レーザ光Ｂ１２の中心位置の算出結果を、本来の中心位置により精度良く近づけることができる。

以上のように、この算出方法では、レーザ光Ｂ１２の中心位置を精度よく算出できる。よって、この算出方法を第２サーチ制御に用いることにより、光偏向器２０１の中心とレーザ光Ｂ１０の中心との間のずれを補正するための制御情報の精度を高めることができ、その後の通信サーボ制御へと円滑に移行することができる。

但し、この算出方法では、図９に示した方法に比べて、データの処理負荷が高くなる。よって、より低い処理負荷で迅速に第２サーチ制御を行う場合は、図９に示した方法を用いることが好ましいと言える。

また、上記実施形態では、第１サーチ制御において、制御情報として、時刻情報が受信装置２０から送信装置１０に送信されたが、受信装置２０がレーザ光Ｂ１０を受信したスキャン位置に関する制御情報は、他の情報であってもよい。たとえば、受信装置２０がレーザ光Ｂ１０を受信したタイミングで、特異なパルス列の信号や、特異な変調形態の信号が、制御情報として、受信装置２０から送信装置１０に送信されてもよい。この場合、送信装置１０の制御部１１は、これらの信号を受信したタイミングにおけるスキャン位置に対応する方向を、第２サーチ制御における送信方向に設定してもよく、あるいは、これらの信号を受信したタイミングから送受信のタイムラグだけ遡ったタイミングにおけるスキャン位置に対応する方向を、第２サーチ制御における送信方向に設定してもよい。

また、上記実施形態では、通信サーチ制御として第１サーチ制御と第２サーチ制御が行われたが、第１サーチ制御と第２サーチ制御の何れか一方のみが行われてもよい。

たとえば、第１サーチ制御によって、受信装置２０がレーザ光Ｂ１０を受信したスキャン位置が特定されると、当該スキャン位置に対応する方向を送信方向としてレーザ光Ｂ１０が送信され、その後、サーボ制御が行われて、レーザ光Ｂ１２の中心がイメージセンサ２０５の中心へと引き込まれてもよい。

あるいは、送信装置１０および受信装置２０の位置および姿勢に基づいて設定された送信方向にレーザ光Ｂ１０をスキャンさせることなく送信し、送信したレーザ光Ｂ１０が受信装置２０によって受信されると、第２サーチ制御が実行され、その後、サーボ制御へと移行されてもよい。

また、上記実施形態では、第１サーチ制御および第２サーチ制御における情報の送受信が音響信号により行われたが、周波数が３０～３００Ｈｚ程度の超長波電磁波等、他の搬送波を用いて当該情報の送受信が行われてもよい。

また、上記実施形態では、レーザ光Ｂ１０を用いて送信されるデータが映像データであったが、送信されるデータをこれに限られるものではなく、他の種類の大容量データがレーザ光Ｂ１０を用いて送信されてもよい。

また、上記実施形態では、図２の位置姿勢検出部１６によって送信装置１０（水中装置３）の位置および姿勢が検出されたが、水上装置２がソナーを備える場合、ソナーによって送信装置１０（水中装置３）の位置が検出されてもよい。この場合、受信装置２０は、図５のステップ２０２において、さらに、検出した位置を示す情報を送信装置１０に送信し、送信装置１０は受信した当該情報により自身の位置を特定すればよい。

また、光送信部１３および光受信部２３の光学系の構成は、図３の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、図３の構成では、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光が光ファイバ１０３を介してコリメータレンズ１０４に導かれたが、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光が直接、コリメータレンズ１０４に入射する構成であってもよい。また、図３の構成では、コリメータレンズ１０４で平行光化されたレーザ光の光路がミラー１０５で折り曲げられたが、コリメータレンズ１０４で平行光化されたレーザ光が直接、光偏向器１０６のミラー１０６ａに入射する構成であってもよい。

また、図３の構成では、ミラー１０６ａを２軸について回動可能な光偏向器１０６が用いられたが、１軸についてミラーを回動可能な２つの光偏向器を用いて、レーザ光Ｂ１０を２次元駆動させる構成であってもよい。この場合、２つの光偏向器は、それぞれの回動軸が互いに垂直となるように対向配置される。受信装置２０側の光偏向器２０１も同様の構成に置き換えられ得る。

また、光偏向器１０６、２０１は、必ずしも、ミラーを用いた反射型の光偏向器でなくてもよく、たとえば、レンズを移動または回動させる構成であってもよい。レーザ光源１０１も、レーザダイオードに限らず、ガスレーザ等の他の種類のレーザ光源であってもよい。

また、イメージセンサ２０５は、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサに限られるものではなく、複数のフォトディテクタまたは光センサがマトリクス状に配置された構成のイメージセンサであってもよい。この場合、上記第２サーチ制御を精度よく行うために、フォトディテクタまたは光センサの配置数を高めて、光検出の分解能を高めることが好ましい。

この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に記載の範囲で適宜種々の変更可能である。

１ 水中通信システム
１０ 送信装置
１１ 制御部（第１制御部）
１７ 音響通信部（第１通信部）
２０ 受信装置
２１ 制御部（第２制御部）
２７ 音響通信部（第２通信部）
１０１ レーザ光源
１０４ コリメータレンズ
１０６ 光偏向器（第１光偏向器）
２０１ 光偏向器（第２光偏向器）
２０２ 分岐素子
２０４ 光検出器
２０５ イメージセンサ

Claims (11)

1. 送信装置と、受信装置と、を備え、
   前記送信装置は、
   レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光を平行光化するコリメータレンズと、
   平行光化された前記レーザ光を偏向させる第１光偏向器と、
   前記受信装置と通信を行う第１通信部と、
   前記第１通信部を介して受信した制御情報に基づいて前記第１光偏向器を制御する第１制御部と、を備え、
   前記受信装置は、
   前記レーザ光の受信方向を変化させる第２光偏向器と、
   前記第２光偏向器を経由した前記レーザ光の光路を分岐させる分岐素子と、
   分岐された一方の前記レーザ光を受光する光検出器と、
   分岐された他方の前記レーザ光を受光するイメージセンサと、
   前記送信装置と通信を行う第２通信部と、
   前記イメージセンサの出力信号に基づいて、前記レーザ光の送信方向を制御する前記制御情報を、前記第２通信部から送信させる第２制御部と、を備える、
   ことを特徴とする水中通信システム。
2. 請求項１に記載の水中通信システムにおいて、
   前記第１制御部は、前記第１光偏向器を制御して、前記レーザ光を所定範囲でスキャンさせ、
   前記第２制御部は、前記イメージセンサが前記レーザ光を受光したスキャン位置に関する前記制御情報を、前記第２通信部を介して前記送信装置に送信し、
   前記第１制御部は、前記第１光偏向器を制御して、前記第１通信部を介して受信した前記制御情報に基づく方向に、前記レーザ光の送信方向を設定する、
   ことを特徴とする水中通信システム。
3. 請求項２に記載の水中通信システムにおいて、
   前記スキャン位置に関する前記制御情報は、前記イメージセンサが前記レーザ光を受光したタイミングを特定する情報である、
   ことを特徴とする水中通信システム。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の水中通信システムにおいて、
   前記第２制御部は、前記イメージセンサの出力信号に基づいて、前記第２光偏向器の中心と前記レーザ光の中心との間のずれを補正するための前記制御情報を、前記第２通信部を介して前記送信装置に送信し、
   前記第１制御部は、前記第１通信部を介して受信した前記制御情報に基づいて、前記第１光偏向器を制御して、前記ずれを解消する方向に前記レーザ光の送信方向を補正する、
   ことを特徴とする水中通信システム。
5. 請求項４に記載の水中通信システムにおいて、
   前記第２制御部は、
   前記イメージセンサの出力信号に基づいて、前記イメージセンサにおける前記レーザ光の受光範囲中の最大受光位置と受光重心位置とを抽出し、
   前記最大受光位置と前記受光重心位置との差分に基づいて、前記ずれを補正するための前記制御情報を生成する、
   ことを特徴とする水中通信システム。
6. 請求項４に記載の水中通信システムにおいて、
   前記第２制御部は、
   前記イメージセンサにおける前記レーザ光の受光範囲の強度分布に基づいて、前記レーザ光の中心位置を算出し、
   算出した前記中心位置に基づいて、前記ずれを補正するための前記制御情報を生成する、
   ことを特徴とする水中通信システム。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の水中通信システムにおいて、
   前記第１通信部および前記第２通信部は、音響信号により通信を行う、
   ことを特徴とする水中通信システム。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の水中通信システムにおいて、
   前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれる、
   ことを特徴とする水中通信システム。
9. 請求項１ないし８の何れか一項に記載の水中通信システムにおいて、
   前記第１光偏向器および前記第２光偏向器は、それぞれ、ミラーを有する反射型の光偏向器である、
   ことを特徴とする水中通信システム。
10. レーザ光を用いた水中通信方法であって、
    送信装置から送信される平行光化されたレーザ光を受信装置に向かう方向の所定範囲でスキャンさせ、
    前記レーザ光を受光したスキャン位置に関する制御情報を前記受信装置から前記送信装置に送信し、
    前記制御情報に基づく方向に、前記送信装置から送信される前記レーザ光の方向を設定する、
    ことを特徴とする水中通信方法。
11. レーザ光を用いた水中通信方法であって、
    レーザ光を光検出器に導く光偏向器の中心と前記レーザ光の中心との間のずれを補正するための制御情報を受信装置から送信装置に送信し、
    前記制御情報に基づいて、前記送信装置から送信される前記レーザ光の方向を、前記ずれを解消する方向に補正する、
    ことを特徴とする水中通信方法。

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