JP5674103B2 - Optical wireless communication device - Google Patents

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本発明は、追尾機能を有する光無線通信装置に関するものである。より詳しくは、光学ガラスの波長分散特性を活用して、信号光と追尾制御用に信号光よりも波長の短いレーザ光を同一の光学系から送信しあうことにより、相手局の方向を正確に検出する追尾機能を有する光無線通信装置に関するものである。   The present invention relates to an optical wireless communication apparatus having a tracking function. More specifically, by utilizing the wavelength dispersion characteristics of optical glass, the direction of the partner station can be accurately determined by transmitting signal light and laser light having a shorter wavelength than the signal light for tracking control from the same optical system. The present invention relates to an optical wireless communication apparatus having a tracking function to detect.

従来の光無線通信装置では、レーザ光の鋭い指向性を利用しつつ適度な広がりを持った略平行のレーザビームを空間へ放射する空間ビーム光を使って相手装置(相手局ともいう。)との間で通信を行うことが行われてきたが、その際、外乱による光軸のずれが起こると相手局に光が届かなくなり、通信が途切れるという問題が有った。これに対して通信回線を維持するために、相手局からの光(以下の説明ではビーコン光と呼ぶ)を基準にしてを行い光軸のずれを補正し(追尾)、自局の光放射の方向(指向角)を相手局の方向に一致させる対策が行われている(特許文献1参照)。   In a conventional optical wireless communication device, a partner device (also called a partner station) is used by using spatial beam light that radiates a substantially parallel laser beam having an appropriate spread while utilizing the sharp directivity of laser light. However, if the optical axis shifts due to disturbance, the light does not reach the other station and the communication is interrupted. On the other hand, in order to maintain the communication line, the light from the other station (referred to as beacon light in the following description) is used as a reference to correct the optical axis deviation (tracking), and the light emission of the local station Measures are taken to match the direction (directivity angle) with the direction of the counterpart station (see Patent Document 1).

光無線通信装置は光ファイバの代替手段と位置付けることもできるが、光ファイバと異なり、空間を占有していないために鳥や虫などの飛遊物による空間ビーム光の遮断が有りうる。追尾機能を有する光無線通信装置では、空間ビーム光の遮断による直接的な回線の遮断だけでなく、ビーコン光の遮断により光軸の追尾制御が不安定になることから生じる副次的な通信回線遮断という新たな問題がある。   The optical wireless communication apparatus can be positioned as an alternative to the optical fiber, but unlike the optical fiber, since it does not occupy space, there can be blocking of the spatial beam light by flying objects such as birds and insects. In an optical wireless communication device having a tracking function, not only the direct line is blocked by blocking the spatial beam light, but also a secondary communication line resulting from the unstable tracking control of the optical axis due to the blocking of the beacon light. There is a new problem of blocking.

そこで、従来技術として、ビーコン光が遮断されたときの追尾制御の不安定動作を解消するために、ビーコン光の受光パワーが基準値を下回った場合に、追尾制御の処理を中断させて制御用の指令値を固定する構成が開示されている(特許文献2を参照)。   Therefore, as a conventional technology, in order to eliminate the unstable operation of tracking control when the beacon light is interrupted, when the received power of the beacon light falls below the reference value, the tracking control process is interrupted to control A configuration for fixing the command value is disclosed (see Patent Document 2).

ここで、現実的な光無線通信装置の動作環境を考慮すると、ビーコン光を検出する到来角検出器の動作に必要な光量が得られなくなり追尾が中断するために通信回線が遮断される原因は、(1)ビーコン光を受信する側の装置の指向誤差が大きくなった場合、(2)ビーコン光を送信する相手側の装置の指向誤差が大きくなってビーコン光が受信側に照射されなくなる場合、あるいは、(3)伝送路中で障害物の遮蔽によりビーコン光が遮蔽される場合に分けられる。   Here, considering the actual operating environment of the optical wireless communication device, the reason why the communication line is interrupted because the amount of light necessary for the operation of the angle-of-arrival detector that detects the beacon light cannot be obtained and the tracking is interrupted. (1) When the directivity error of the device receiving the beacon light becomes large, (2) When the directivity error of the device of the other party transmitting the beacon light becomes large and the beacon light is not irradiated to the reception side Or (3) when the beacon light is shielded by obstructions in the transmission path.

このうち、(1)および(2)の場合には特許文献2にあるように直前の指向方向を維持しても回線断を防止することはできない。(3)の場合は、伝送路で遮断が起こっている場所の近くで信号光の口径がビーコン光よりも大きく、遮蔽物があっても信号光の伝送を維持できる場合には、改善効果が期待できそうに思えるが、実際には、遮蔽物による回折効果によりビーコン光が遮断されはじめる時点の空間ビーム光には大きな歪みが発生し、これに伴う追尾誤差により指向誤差が増大するため、ビーコン光が遮断される瞬間の指向方向を維持しても信号光の回線断を防止する効果は部分的なものになってしまうという問題点がある。   Among these, in the case of (1) and (2), the line disconnection cannot be prevented even if the immediately preceding directivity direction is maintained as in Patent Document 2. In the case of (3), if the aperture of the signal light is larger than that of the beacon light near the place where the transmission path is interrupted and the transmission of the signal light can be maintained even if there is an obstruction, the improvement effect is obtained. Although it seems to be expected, in reality, a large distortion occurs in the spatial beam light at the time when the beacon light starts to be blocked by the diffraction effect by the shielding object, and the pointing error increases due to the tracking error. There is a problem that even if the directivity direction at the moment when the light is blocked is maintained, the effect of preventing the disconnection of the signal light becomes partial.

ところで、光ファイバ通信で10Gbps以上の遠距離回線に用いられているレーザの波長は1.3μm帯あるいは1.55μm帯であり、この波長帯の信号光をビーコン光にも使う場合、既存の方式で用いられている4分割Siフォトダイオードを用いた到来角検出器ではこの波長帯に感度を有しないため、高価なInGaAsを用いた到来角検出器を新たに開発する必要がある。   By the way, the wavelength of a laser used for a long-distance line of 10 Gbps or more in optical fiber communication is a 1.3 μm band or a 1.55 μm band. When signal light in this wavelength band is also used for beacon light, an existing method is used. The angle-of-arrival detector using the four-divided Si photodiode used in the above has no sensitivity in this wavelength band, so it is necessary to newly develop an angle-of-arrival detector using expensive InGaAs.

信号光とビーコン光では求められる特性が異なることから、光無線通信装置内で信号光とは独立に波長が1μm以下のビーコン光を発生させ、従来のSiホトダイオードによる到来角検出器が使用できるようにした方式が考えられている。   Since required characteristics are different between signal light and beacon light, beacon light having a wavelength of 1 μm or less is generated independently from the signal light in the optical wireless communication apparatus, so that an arrival angle detector using a conventional Si photodiode can be used. The method which was made is considered.

この方式では、光ファイバを伝搬してきた信号光を装置内の光学系で指向性の鋭い空間ビーム光に変換して空間に発射し、受信側では受光した空間ビーム光を装置内の光学系で効率良く光ファイバに結合することにより、光ファイバ通信で実現されている10Gbps以上の高速大容量通信や波長多重を光無線通信で実現することができる。その際に、光増幅技術を使い、ビーコン光に光増幅器のポンプ光と同じ波長帯(0.98μm)を用いる新しい光無線通信装置が開発されている(特許文献3参照)。   In this method, the signal light that has propagated through the optical fiber is converted into a spatial beam light with sharp directivity by the optical system in the device and emitted to the space. On the receiving side, the received spatial beam light is transmitted by the optical system in the device. By efficiently coupling to an optical fiber, high-speed large-capacity communication of 10 Gbps or more and wavelength multiplexing, which are realized by optical fiber communication, can be realized by optical wireless communication. At that time, a new optical wireless communication apparatus that uses optical amplification technology and uses the same wavelength band (0.98 μm) as the pump light of the optical amplifier for beacon light has been developed (see Patent Document 3).

ここで、空中に放射される空間ビーム光を構成する信号光とビーコン光のうち、ビーコン光について検討する。光無線通信において確実な初期捕捉と安定な追尾を維持するためには、ビーコン光に適度なビーム広がりを持たせて、初期捕捉の際に送信機の指向方向が受信機に対してずれていてもビーコン光が確実に受信機側で検出でき、また、追尾を行っている際に追尾誤差によってビーコン光の送信方向がわずかにずれても受信側でビーコン光が途切れないようにする必要がある。ビーコン光に必要なビーム広がりは、光無線通信装置の設置環境(振動)や大気揺らぎの大きさによって変化するが、通常の条件では0.001ラジアンから0.01ラジアン程度である。   Here, beacon light is considered among signal light and beacon light which constitute spatial beam light radiated in the air. In order to maintain reliable initial acquisition and stable tracking in optical wireless communication, beacon light has an appropriate beam spread, and the directivity of the transmitter is deviated from the receiver during initial acquisition. The beacon light can be reliably detected on the receiver side, and it is necessary to prevent the beacon light from being interrupted on the receiving side even if the transmission direction of the beacon light is slightly shifted due to the tracking error during tracking. . The beam spread required for the beacon light varies depending on the installation environment (vibration) of the optical wireless communication apparatus and the magnitude of atmospheric fluctuation, but is about 0.001 radians to 0.01 radians under normal conditions.

また、信号光については、1.3μm帯あるいは1.55μm帯のレーザ光の人体に対する安全性を確保するために必要な出力限界(100mW程度)を保証しつつ、実用的な伝送距離(1km程度)で高速大容量の信号伝送を実現するためには、物理的限界までビームの指向性を鋭くする必要がある。たとえば、直径2cm、波長1.55μmの信号光の回折によるビーム広がりは0.1ミリラジアン程度であることから、安定な信号回線を維持するためには軸ずれの補正(追尾)を常時継続し、指向角の誤差を信号光のビーム広がりの1/10以下、すなわち10マイクロラジアン程度以下に保つ必要がある。   For signal light, a practical transmission distance (about 1 km) while guaranteeing the output limit (about 100 mW) necessary for ensuring the safety of the laser light in the 1.3 μm band or 1.55 μm band to the human body. In order to realize high-speed and large-capacity signal transmission, it is necessary to sharpen the beam directivity to the physical limit. For example, the beam divergence due to diffraction of signal light having a diameter of 2 cm and a wavelength of 1.55 μm is about 0.1 milliradians. Therefore, in order to maintain a stable signal line, correction of axis deviation (tracking) is always continued, It is necessary to keep the directivity angle error to be 1/10 or less of the beam spread of the signal light, that is, about 10 microradians or less.

次に、上記の光ビームの仕様を実現する光学系について検討すると、信号光と追尾光の波長が大きく異なることから光学系の色収差が問題となる。色収差の観点からは、反射型が好ましいが、反射型光学系は鏡面の加工精度に対する要求が屈折型の4倍厳しく、構成が複雑で高価になるという欠点がある。したがって、小型化、低価格化を目指す光無線通信装置を構成するには屈折型の光学系が好ましく、さらに、信号光とビーコン光で同一の光学系を用いる構成が望ましい。   Next, when an optical system that realizes the above-mentioned specification of the light beam is studied, the wavelength of the signal light and the tracking light are greatly different, so that chromatic aberration of the optical system becomes a problem. From the viewpoint of chromatic aberration, the reflection type is preferable, but the reflection type optical system has a drawback that the requirement for processing accuracy of the mirror surface is four times as severe as that of the refraction type, and the configuration is complicated and expensive. Therefore, a refraction type optical system is preferable for configuring an optical wireless communication device aiming at miniaturization and cost reduction, and further, a configuration using the same optical system for signal light and beacon light is desirable.

そこで、信号光よりも波長の短いビーコン光を用いる光無線通信装置において、信号光とビーコン光で光学系を共用して同一の光ファイバと屈折型光学系(光アンテナ)を介して送信し、信号光が平行光になる条件を満足させた場合、信号光に比べ波長の短いビーコン光は波長分散によってガラスの屈折率が大きくなるため収束ビームとなり、ガラスの屈折率で決まる一定の距離で一旦焦点を結んだのち発散ビームとなる。ここでは、このようなビーコン光を用いる方式を、収束・発散光追尾方式という。   Therefore, in an optical wireless communication device using beacon light having a wavelength shorter than that of signal light, the signal light and the beacon light are transmitted through the same optical fiber and the refractive optical system (optical antenna) by sharing the optical system, When satisfying the condition that the signal light becomes parallel light, the beacon light having a shorter wavelength than the signal light becomes a convergent beam because the refractive index of the glass is increased by wavelength dispersion, and once at a certain distance determined by the refractive index of the glass. After focusing, it becomes a divergent beam. Here, such a method using beacon light is referred to as a convergent / divergent light tracking method.

収束・発散光追尾方式を用いる光無線通信装置では、ビーコン光の焦点付近に微小な物体が通過すると、ビーコン光が遮断されたり大きな減衰を被ることになる。この結果、信号光の伝送に際して高精度の追尾動作が必須とされる光無線通信装置では、信号光が障害物に遮蔽されて直接に回線の遮断が起こるだけはなく、ビーコン光の遮断に伴う信号光の回線断が発生することが実験により確認されている。   In an optical wireless communication apparatus that uses a convergent / divergent light tracking method, when a minute object passes near the focus of the beacon light, the beacon light is blocked or suffers a great attenuation. As a result, in an optical wireless communication apparatus in which a high-accuracy tracking operation is indispensable for transmission of signal light, signal light is shielded by an obstacle and not only the line is directly blocked, but also the beacon light is blocked. It has been confirmed by experiments that signal light is disconnected.

従来の光無線通信装置でも大きな障害物、例えば鳥の通過によって回線断が発生する可能性があり、信頼性を必要とする通信システムでは、この回線断が問題とされていた。高精度の追尾を必要とする収束・発散光追尾方式の光無線通信装置では、ビーコン光の焦点の大きさは0.1mmから1mm程度と微小であるため、この焦点付近を通過する粉塵や雨、雪がビーコン光を遮断し追尾が正常に行われないため、信号光の回線断が発生することになる。この遮断が起こる時間は数ミリ秒程度ではあるが、なんらかの対策を講じない限り、収束・発散光追尾方式の光無線通信装置が降雨や降雪時には安定に使用できないという致命的な欠点を抱えることになる。   Even in the conventional optical wireless communication apparatus, there is a possibility that a line break may occur due to the passage of a large obstacle, for example, a bird. In a communication system that requires reliability, this line break has been a problem. In a convergent / divergent light tracking optical wireless communication device that requires high-accuracy tracking, the focal point of beacon light is as small as 0.1 mm to 1 mm. Since the snow blocks the beacon light and the tracking is not normally performed, the signal light is disconnected. Although this interruption occurs for a few milliseconds, it has a fatal drawback that unless it takes any countermeasures, a convergent / divergent light tracking optical wireless communication device cannot be used stably during rain or snow. Become.

特開2000−89155号公報JP 2000-89155 A 特開2009−147447号公報JP 2009-147447 A 特開2006−94135号公報JP 2006-94135 A

従来の追尾制御機能を有する光無線装置における空間ビーム光遮断への対策は、遮断直前の状態を維持するにとどまり、必ずしも遮断に伴う光軸を制御する追尾制御系の不安定動作を解決するものではなかった。   The conventional countermeasures against the light beam blocking in the optical wireless device having the tracking control function are to maintain the state immediately before the blocking, and to solve the unstable operation of the tracking control system for controlling the optical axis accompanying the blocking. It wasn't.

そこで、本発明は、光ファイバで直結される信号光と信号光に比べ短波長のビーコン光を、共通の屈折率光学系で送受信する光無線装置、特に、収束・発散光追尾方式を採用した場合に、ビーコン光の遮断に伴って光軸を制御する追尾制御系が不安定になるという問題を解決し、ビーコン光の遮断時にも通信回線の維持を図る光無線通信装置を提供することを課題とする。   Accordingly, the present invention employs an optical wireless device that transmits and receives beacon light having a shorter wavelength than that of signal light and signal light directly connected by an optical fiber using a common refractive index optical system, particularly a convergent / divergent light tracking method. To solve the problem that the tracking control system for controlling the optical axis becomes unstable with beacon light blocking, and to provide an optical wireless communication device that maintains a communication line even when beacon light is blocked Let it be an issue.

上記の問題を解決するため、請求項1に記載された光無線装置(自局ともいう。)は、信号光および該信号光よりも短い波長の追尾制御用のビーコン光からなる空間ビーム光を用いる光無線通信装置であって、前記空間ビーム光を送信光として対向装置(対向局ともいう。)に向けて放射するとともに該対向装置からの空間ビーム光を受光する屈折式光学系と、前記ビーコン光の到来角を検出する到来角検出器と、放射する前記空間ビーム光の向かう方向である指向角を変化させる追尾ミラー駆動機構と、該追尾ミラー駆動機構を制御する制御部と、前記指向角の変化に対応する前記追尾ミラーの変位を示すミラー角変位センサの出力に基づいて前記指向角を推定して初期指向角推定値を算出する初期指向角推定装置とを備え、前記初期指向角推定装置が、前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて所定の値を算出する無限インパルス応答フィルタと前記無限インパルス応答フィルタの出力に対して比例補償と積分補償を加えるPI補償器を有し、初期指向角推定値の出力が必要になるときに備えて該初期指向角推定値を推定して初期指向角推定値を算出し、前記制御部が、前記ビーコン光の受信強度が所定の値よりも大きいときに前記到来角検出器の出力に基づいて前記追尾ミラー駆動機構を制御し、前記ビーコン光の受信強度が所定の値よりも大きくないときに前記初期指向角推定装置から出力される前記初期指向角推定値を用いて前記追尾ミラー駆動機構を制御することを特徴としている。 In order to solve the above problem, an optical wireless device (also referred to as an own station) described in claim 1 receives a spatial beam light including signal light and beacon light for tracking control having a shorter wavelength than the signal light. An optical wireless communication device to be used, which radiates the spatial beam light as a transmission light toward a counter device (also referred to as a counter station) and receives the spatial beam light from the counter device; An angle-of-arrival detector that detects an angle of arrival of beacon light, a tracking mirror drive mechanism that changes a directivity angle that is a direction of the emitted spatial beam light, a control unit that controls the tracking mirror drive mechanism, and the directivity estimates the orientation angle based on the output of the mirror angular displacement sensor indicating the displacements of the tracking mirror corresponding to the change in the corner and a initial directivity angle estimating apparatus for calculating an initial orientation angle estimate, the initial directivity An infinite impulse response filter that calculates a predetermined value based on an output from the past to the present of the mirror angular displacement sensor, and a PI compensator that applies proportional compensation and integral compensation to the output of the infinite impulse response filter The initial directivity angle estimate value is estimated by calculating the initial directivity angle estimate value in preparation for the output of the initial directivity angle estimate value, and the control unit determines that the reception intensity of the beacon light is The tracking mirror drive mechanism is controlled based on the output of the angle-of-arrival detector when larger than a predetermined value, and when the received intensity of the beacon light is not larger than a predetermined value, the initial pointing angle estimation device It is characterized by controlling the tracking mirror drive mechanism using the initial directional angle estimation value output.

通常の追尾動作時とビーコン光の遮断時のそれぞれに最適な制御系を用意することで、安価に最適な制御系を実現することができる。追尾動作時には、外乱に対して安定な動作を保証するため、可能な限り高速で動作し、制御利得の高いアナログPIDを用いたフィードバック制御を用いる。一方、初期指向角の推定装置は、追尾光が遮断された直前の状態を維持するのではなく、追尾装置の過去の動作履歴と対処すべき外乱の性質から最適なものを選択して用いる。無限インパルス応答フィルタは、入力された過去の経歴に基づいて出力を算出するので瞬断などの直前の値に基づく制御よりも安定な制御をすることができる。たとえば、設置環境が熱的・機械的に安定しており0.1秒程度のビーコン光の回線断に対応するだけで良いのであれば、追尾角の推定には100Hz程度の時定数を持つ2次IIRローパスフィルタを用いることができる By preparing an optimal control system for each of the normal tracking operation and when the beacon light is interrupted, an optimal control system can be realized at low cost. During the tracking operation, feedback control using an analog PID that operates at a high speed and has a high control gain is used to ensure a stable operation against disturbance. On the other hand, the initial directivity angle estimation device does not maintain the state immediately before the tracking light is interrupted, but selects and uses the optimum one from the past operation history of the tracking device and the nature of the disturbance to be dealt with. Since the infinite impulse response filter calculates an output based on the input past history, it can perform more stable control than the control based on the immediately preceding value such as instantaneous interruption. For example, if the installation environment is thermally and mechanically stable and only needs to cope with a beacon light disconnection of about 0.1 seconds, the tracking angle is estimated with a time constant of about 100 Hz. Next IIR low pass filter can be used

請求項2に記載の光無線装置は、請求項1に記載の光無線通信装置において、前記初期指向角推定装置が、前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて所定の値を算出する無限インパルス応答フィルタと前記無限インパルス応答フィルタの出力に対して比例補償と積分補償を加えるPI補償器を有する代わりに、前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて、外乱をモデル化し、その大きさ、変化速度および加速度の予測値を算出するカルマンフィルタを有することを特徴としている。 An optical wireless device according to a second aspect is the optical wireless communication device according to the first aspect, wherein the initial pointing angle estimation device sets a predetermined value based on an output from the past to the present of the mirror angular displacement sensor. Instead of having an infinite impulse response filter to be calculated and a PI compensator for applying proportional compensation and integral compensation to the output of the infinite impulse response filter , disturbances are calculated based on the output from the past to the present of the mirror angular displacement sensor. It is characterized by having a Kalman filter for modeling and calculating predicted values of its size, change speed and acceleration.

外乱をモデル化して所定の値を算出するカルマンフィルタにより、より精度の高い指向角の推定を行えるようになる。   A Kalman filter that models a disturbance and calculates a predetermined value makes it possible to estimate the directivity angle with higher accuracy.

請求項に記載の光無線通信装置は、前記信号光と前記ビーコン光とで屈折式光学系を共用させ、前記信号光は前記屈折式光学系により略平行ビームとして放射されるとともに前記ビーコン光は屈折式光学系の波長分散により空中で収束した後発散するようにして対向装置へ放射されることを特徴としている。 The optical wireless communication apparatus according to claim 3 , wherein the signal light and the beacon light share a refractive optical system, and the signal light is emitted as a substantially parallel beam by the refractive optical system and the beacon light. Is characterized by being radiated to the opposing device so as to diverge after converging in the air due to the wavelength dispersion of the refractive optical system.

前記信号光と前記ビーコン光とで屈折式光学系を共用させることで光学系の小型化が図れ、且つ、屈折式光学系の波長分散により信号光を略平行にすると、信号光よりも波長の短いビーコン光は信号光よりも高い屈折率の影響を受けて一度収束した後に発散するようにして対向装置へ向かうので、対向装置の位置では、ビーコン光のビーム径は信号光よりも大きくすることができる。   The optical system can be miniaturized by sharing the refractive optical system for the signal light and the beacon light, and when the signal light is made substantially parallel by the wavelength dispersion of the refractive optical system, the wavelength of the optical system is smaller than that of the signal light. Short beacon light is affected by a higher refractive index than signal light and converges once and then diverges and travels to the opposite device. Therefore, at the position of the opposite device, the beam diameter of the beacon light should be larger than the signal light. Can do.

本発明に係る光ファイバで直結される信号光と信号光に比べ短波長のビーコン光を共通の屈折率光学系で送受信する光無線装置においては、相手局からのビーコン光を基準として自局の指向方向を制御する追尾制御のビーコン光遮断時における不安定性を解決するため、正常な追尾が動作している時のビーコン光の到来角変動の履歴から将来の最も確からしい追尾光の到来角を予測し、遮断時にはこの予測値を用いて通信装置の指向方向を安定化する制御装置を備えるので、非常に小型で且つ低価格でありながら安定な回線を保障する光無線装置を提供することができる。本発明は、ビーコン光の受信強度が十分でないときに微小な物体により追尾光の短時間の遮断に対応するための解決策を提供するものであるが、微小体による追尾光の遮断に限らず、大気のゆらぎの大きな環境、たとえば都市部の熱源の多い環境や遠距離の伝送路で頻繁に発生する追尾光の受信電力の大きな低下に対する対策にも役立つ。この電力低下が発生する時間幅は大気ゆらぎの周波数成分が100Hz程度以下であることに対応して、0.001秒から0.01秒程度の比較的短時間であり、本特許の方式を用いることにより、この追尾光の受信強度の低下による追尾中断があっても通信回線の遮断を避けることができる。   In the optical wireless device that transmits and receives beacon light having a shorter wavelength than the signal light directly coupled with the optical fiber according to the present invention using a common refractive index optical system, the beacon light from the partner station is used as a reference. In order to resolve the instability of the tracking control that controls the pointing direction when the beacon light is blocked, the arrival angle of the most probable tracking light in the future is determined from the history of fluctuations in the angle of arrival of the beacon light during normal tracking operation. A control device that predicts and stabilizes the directivity direction of the communication device using the predicted value at the time of shutoff is provided. Therefore, it is possible to provide an optical wireless device that guarantees a stable line while being very small and inexpensive. it can. The present invention provides a solution for dealing with a short-time blocking of the tracking light by a minute object when the reception intensity of the beacon light is not sufficient. However, the present invention is not limited to the blocking of the tracking light by the minute object. It is also useful for measures against a large decrease in received power of tracking light frequently generated in environments with large atmospheric fluctuations, for example, environments with many heat sources in urban areas and long-distance transmission paths. The time width during which this power drop occurs is a relatively short time of about 0.001 second to 0.01 second corresponding to the frequency component of atmospheric fluctuation being about 100 Hz or less, and the method of this patent is used. Thus, even if the tracking is interrupted due to a decrease in the reception intensity of the tracking light, it is possible to avoid disconnection of the communication line.

さらに、指向角推定装置が、無限インパルス応答フィルタあるいはカルマンフィルタを備えることで、ビーコン光の瞬断直前の状態だけでなく過去の履歴に基づいて指向角を推定するので、従来に比べ精度の高い瞬断対策を行うことができる。そして、本発明は、ビーコン光が放射後に一度収束し、その後発散するような場合に特に効果がある。   Furthermore, since the directivity angle estimation device includes an infinite impulse response filter or a Kalman filter, the directivity angle is estimated based on the past history as well as the state immediately before the instantaneous interruption of the beacon light. Measures can be taken. The present invention is particularly effective when the beacon light converges once after emission and then diverges.

装置外のシングルモードファイバに直接結合される信号光と装置内で発生されるビーコン光の様子を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the mode of the signal light directly couple | bonded with the single mode fiber outside an apparatus, and the beacon light generate | occur | produced within an apparatus. ファイバカプラ内の到来角検出器の光学系の構成図である。It is a block diagram of the optical system of the arrival angle detector in a fiber coupler. 追尾ミラーにより到来角変動を補償する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that an arrival angle fluctuation | variation is compensated with a tracking mirror. 追尾制御系の構成図である。It is a block diagram of a tracking control system. 追尾制御系の閉ループの伝達特性を示す図である。It is a figure which shows the transmission characteristic of the closed loop of a tracking control system. 追尾制御系動作時の外乱抑制特性を示す図である。It is a figure which shows the disturbance suppression characteristic at the time of tracking control system operation | movement. (a)追尾誤差の時間変動を示す図である。(b)追尾誤差の周波数スペクトル密度を示す図である。(A) It is a figure which shows the time fluctuation | variation of a tracking error. (B) It is a figure which shows the frequency spectral density of a tracking error. 追尾制御系の起動特性を示す図である。It is a figure which shows the starting characteristic of a tracking control system. 初期指向角推定装置を備えた追尾制御系の構成図である。It is a block diagram of the tracking control system provided with the initial directivity angle estimation apparatus. 初期指向角推定装置が使われる場合のフローチャートである。It is a flowchart in case an initial directivity angle estimation apparatus is used. 2次IIRフィルタの構成図である。It is a block diagram of a secondary IIR filter. 2次IIRフィルタを実現するソフトウエアのプログラムである。This is a software program for realizing a secondary IIR filter. 2次IIRフィルタの応答特性図である。It is a response characteristic figure of a secondary IIR filter. 追尾開始時の初期指向角推定装置の収束状況を示す図である。It is a figure which shows the convergence condition of the initial directivity angle estimation apparatus at the time of a tracking start. 遮蔽物によるビーコン光の遮蔽の影響を示す図である。(A)遮蔽物が水平に移動した場合の図である。(B)遮蔽物が水平に移動した場合の図である。It is a figure which shows the influence of shielding of the beacon light by a shield. (A) It is a figure when a shield moves horizontally. (B) It is a figure when a shield moves horizontally. 初期指向角推定装置の動作の有無を対比する図である。(A)初期指向角推定装置が動作しない場合の図である。(B)初期指向角推定総が動作している場合の図である。It is a figure which contrasts the presence or absence of operation | movement of an initial directivity angle estimation apparatus. (A) It is a figure in case an initial directivity angle estimation apparatus does not operate | move. (B) It is a figure in case the initial directivity angle estimation total is operating.

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明をする。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

信号光とビーコン光の関係を図1を使って説明する。図1の光ファイバ1からの信合光はガラス製の光ファイバ・フェルール4を通過した後コリメータレンズ5を通って平行ビーム6となる。また、レーザダイオード2から出射したビーコン光は波長多重カップラ3により信号光と多重化されガラス製の光ファイバ・フェルール4を通過した後コリメータレンズ5を通って平行ビーム10となる。平行ビームとなった信号光6と追尾光10は、2軸一体型の追尾ミラー7で反射されてレンズ8とレンズ9で構成される屈折型光学系(光アンテナ)に入射して所定のビーム径となり外部へ放射される。   The relationship between signal light and beacon light will be described with reference to FIG. The combined light from the optical fiber 1 in FIG. 1 passes through a glass optical fiber ferrule 4 and then passes through a collimator lens 5 to become a parallel beam 6. The beacon light emitted from the laser diode 2 is multiplexed with the signal light by the wavelength multiplexing coupler 3, passes through the glass optical fiber ferrule 4, and then becomes a parallel beam 10 through the collimator lens 5. The signal light 6 and the tracking light 10 that have become parallel beams are reflected by a two-axis integrated tracking mirror 7 and are incident on a refractive optical system (optical antenna) composed of a lens 8 and a lens 9 to be a predetermined beam. Radiated to the outside.

ここで信号光の波長は、大容量光ファイバ通信で一般的に使用されている1.3μm又は1.55μmである。一方、ビーコン光は光ファイバ増幅器の励起用として市販されている波長0.98μm帯の安価なシングルモードファイバ出力型のレーザダイオードを用いる。ここで、信号光が平行ビームになるように光学系を設定すると、図の点線で示した信号光よりも短い波長のビーコン光10は外部に放射された後、レンズの色収差によって伝送路の途中で一度焦点を結び、その後に適度な広がりを持った拡散ビームとして相手側に伝搬し、収束・発散光追尾方式となる。   Here, the wavelength of the signal light is 1.3 μm or 1.55 μm that is generally used in large-capacity optical fiber communication. On the other hand, as the beacon light, an inexpensive single mode fiber output type laser diode having a wavelength of 0.98 μm, which is commercially available for exciting an optical fiber amplifier, is used. Here, when the optical system is set so that the signal light becomes a parallel beam, the beacon light 10 having a wavelength shorter than that of the signal light indicated by the dotted line in the figure is radiated to the outside, and then in the middle of the transmission path due to the chromatic aberration of the lens. Once focused, the beam is propagated to the other side as a diffused beam with a moderate spread, and the convergent / divergent light tracking method is established.

図2に示す信号光とビーコン光を分離するガラス製の光ファイバ・フェルール4は、光ファイバ1を固定する端面が無反射コートされ、反対側のビーコン光を反射して向きを変える端面は、ビーコン光に対して増反射コートがされている。レンズ5を通過して光ファイバ・フェルール4に入射したビーコン光は、増反射コートされた面で反射され向きを変えてレンズ11により4分割検出器上に集光される。   The optical fiber ferrule 4 made of glass that separates the signal light and the beacon light shown in FIG. 2 has a non-reflective coating on the end face that fixes the optical fiber 1, and the end face that changes the direction by reflecting the opposite beacon light, A reflective coating is applied to the beacon light. The beacon light that has passed through the lens 5 and entered the optical fiber ferrule 4 is reflected by the surface on which the reflection coating has been applied, and the direction of the beacon is changed and condensed by the lens 11 on the quadrant detector.

次に、ビーコン光から追尾制御用信号を検出する手法について説明する。光ファイバ1の端面は、ガラス製の光ファイバ・フェルール4で支持されており、光アンテナのレンズ9、8、及びファイバカプラ内結像レンズ5の色収差のために、レンズ5によるビーコン光の焦点は光ファイバ・フェルール4の光ファイバ端面よりも手前に位置するので、光ファイバ1に結合するビーコン光の成分を10%以下にすることができる。   Next, a method for detecting a tracking control signal from beacon light will be described. The end face of the optical fiber 1 is supported by an optical fiber ferrule 4 made of glass. Due to chromatic aberration of the lenses 9 and 8 of the optical antenna and the imaging lens 5 in the fiber coupler, the focus of the beacon light by the lens 5 is increased. Is located in front of the optical fiber end face of the optical fiber ferrule 4, the beacon light component coupled to the optical fiber 1 can be reduced to 10% or less.

同じ理由で、レンズ11で結像されるビーコン光の光ファイバのコア(中心部の屈折率の高い部分)による影響(収差の増大)も同程度にすることができる。このため、信号光よりも波長の短いビーコン光を用いる限り、受信したビーコン光の内、追尾誤差のために光ファイバ1に結合しなかった成分はビーコン光結像レンズ11により4分割Siホトダイオードによる到来角検出12の受光面上に焦点を結ぶ。図1の構成で、4分割ホトダイオード12から生じる上下・左右の光電流の差を、全光電流で割り算することにより、ビーコン光の到来方向の光軸からの誤差を正確に検出することができる。また、4分割ホトダイオード12から生じる上下・左右、全ての光電流の和を取ることでビーコン光の強度を知ることができる。   For the same reason, the influence (increase in aberration) of the beacon light imaged by the lens 11 due to the core of the optical fiber (the portion having a high refractive index at the center) can be made to be approximately the same. For this reason, as long as beacon light having a wavelength shorter than that of signal light is used, components of the received beacon light that are not coupled to the optical fiber 1 due to a tracking error are caused by the 4-division Si photodiode by the beacon light imaging lens 11. A focal point is formed on the light receiving surface of the arrival angle detector 12. In the configuration of FIG. 1, by dividing the difference between the vertical and horizontal photocurrents generated from the quadrant photodiode 12 by the total photocurrent, it is possible to accurately detect an error from the optical axis in the direction of arrival of the beacon light. . Further, the intensity of the beacon light can be known by calculating the sum of all the photocurrents generated from the four-division photodiode 12 in the vertical and horizontal directions.

次に、到来角変動があった場合の光学系の動作について図3を用いて詳細な説明をする。図3に示す追尾に関係する光学系は、光放射および受光用の光アンテナ、追尾ミラー7、及び空間光とファイバ光との間を結合するファイバカプラ14からなっている。   Next, the operation of the optical system when there is a variation in the arrival angle will be described in detail with reference to FIG. The optical system related to tracking shown in FIG. 3 includes an optical antenna for light emission and light reception, a tracking mirror 7, and a fiber coupler 14 for coupling between spatial light and fiber light.

光アンテナでは図の左側から第1レンズとして焦点距離f1=100mmの凸レンズ9,第2レンズとして焦点距離f2=10.0mmの凸レンズ8の2枚のレンズ系を用いて倍率10倍のビームエキスパンダを構成し,第2レンズ側の射出瞳の位置に追尾ミラー7を配置している。光アンテナに入射するビームの例として、光軸に一致したビーム35を実線で、0.5度程度の到来角変動を持った光軸に一致しないビーム36を点線で示している。   In the optical antenna, from the left side of the figure, a beam expander having a magnification of 10 times is used by using a convex lens 9 having a focal length f1 = 100 mm as a first lens and a convex lens 8 having a focal length f2 = 10.0 mm as a second lens. The tracking mirror 7 is arranged at the position of the exit pupil on the second lens side. As an example of a beam incident on the optical antenna, a beam 35 that coincides with the optical axis is indicated by a solid line, and a beam 36 that does not coincide with the optical axis having an arrival angle variation of about 0.5 degrees is indicated by a dotted line.

追尾ミラー7によって到来角変動を除去されたビームは,空間光を光ファイバ光に変換するファイバカプラ14へ入射する。このファイバカプラ内には、図示しない到来角検出器12が一体化されており、入射した空間光はファイバカプラによりシングルモードファイバに結合される。ファイバカプラ内の結像レンズ34(焦点距離f3=12.0 mm)及び光アンテナを構成する2枚のレンズはすべて市販品を用いることができ,波長1.5μm帯の信号光についての波面収差は1/10波長以下で,回折限界の結像性能をが得られる。   The beam from which the arrival angle fluctuation is removed by the tracking mirror 7 enters a fiber coupler 14 that converts spatial light into optical fiber light. An arrival angle detector 12 (not shown) is integrated in the fiber coupler, and incident spatial light is coupled to a single mode fiber by the fiber coupler. The image forming lens 34 (focal length f3 = 12.0 mm) in the fiber coupler and the two lenses constituting the optical antenna can all be commercially available, and wavefront aberration for signal light in the wavelength range of 1.5 μm. Can achieve diffraction-limited imaging performance at 1/10 wavelength or less.

従来の光無線通信装置に用いられてきた光学系は,特殊な非球面反射鏡を用いた光学系や多数のレンズを用いた専用の設計が多かったが,図3のような設計をすることにより市販のレンズを組み合わせても実用的な性能の光アンテナを製作できる。光ファイバからファイバカプラを経て出射される信号光のビーム径は2.3mmであり,ビームエキスパンダを兼ねる光アンテナによってさらに送信ビーム径が23mmに拡大される。第1レンズの直径は25mmであるが,レンズの周辺では収差特性が悪化するため,信号光の送受信には中心から23mmまでの範囲を使用する。   The optical system that has been used in conventional optical wireless communication devices has many optical systems that use special aspherical reflectors and many dedicated designs that use many lenses. Therefore, an optical antenna with practical performance can be manufactured even by combining commercially available lenses. The beam diameter of the signal light emitted from the optical fiber through the fiber coupler is 2.3 mm, and the transmission beam diameter is further expanded to 23 mm by an optical antenna that also serves as a beam expander. Although the diameter of the first lens is 25 mm, the aberration characteristic deteriorates around the lens, and therefore the range from the center to 23 mm is used for signal light transmission and reception.

波長1.55μm帯の信号光を回折限界の平行(コリメート)光になるように調整した場合,波長0.98μm帯の送信追尾光は,光アンテナ開口における波面曲率半径が11.6mの収束するビームとなる。したがって、追尾光はアンテナの開口から11.6m前方の位置でいったん焦点を結んだ後,全角で0.00174ラジアン(0.1度)のビーム広がりをもった発散ビームとなる。一方,送信信号光のビーム幅は半値全幅に換算すると0.00007ラジアン(0.004度)になる。もし伝送距離を拡大する必要がある場合には,図2と同様な設計で,第1レンズの口径を拡大することにより,市販レンズを使って直径5cm程度までの光アンテナを製作することができる。   When signal light in the 1.55 μm wavelength band is adjusted to become diffraction-limited parallel (collimated) light, the transmission tracking light in the 0.98 μm wavelength band converges with a wavefront curvature radius of 11.6 m at the optical antenna aperture. Become a beam. Therefore, the tracking light is focused once at a position 11.6 m ahead of the aperture of the antenna and then becomes a divergent beam having a beam spread of 0.00174 radians (0.1 degrees) in all angles. On the other hand, the beam width of the transmission signal light is 0.00007 radians (0.004 degrees) when converted to the full width at half maximum. If it is necessary to increase the transmission distance, an optical antenna with a diameter of about 5 cm can be manufactured using a commercially available lens by expanding the aperture of the first lens with the same design as in FIG. .

次に、制御部を構成する追尾制御を行うフィードバック制御系について図4〜図8を用いて説明する。追尾ミラー駆動機構45を含む追尾制御には,水平方向及び垂直方向の2軸について,全く同じ機能をもつ独立な二つの制御系を用いている。このうち水平方向の駆動軸をアジマス軸(Az軸),垂直方向の駆動軸をエレベーション軸(El軸)と呼ぶ。   Next, a feedback control system that performs tracking control constituting the control unit will be described with reference to FIGS. In the tracking control including the tracking mirror drive mechanism 45, two independent control systems having exactly the same function are used for the two axes in the horizontal direction and the vertical direction. Of these, the horizontal driving axis is called the azimuth axis (Az axis), and the vertical driving axis is called the elevation axis (El axis).

追尾制御系の内部構成を図4に示す。指向角を変える追尾ミラー駆動機構45は内部に追尾ミラー7、ミラー角変位センサ44、図示しない追尾ミラー駆動部を備えている。ビーコン光が到来角検出器で検出できない場合,例えば初期捕捉時にはモード切り替え器49の1のモードにより追尾ミラー駆動機構45の内部にあるミラー角変位センサ44からの信号をもとに光アンテナの光軸を所定の待ち受け方向(初期指向角)に保持する働きをする。ここで初期指向角は例えばスパイラル動作をするように外部から与えられる。   The internal configuration of the tracking control system is shown in FIG. The tracking mirror drive mechanism 45 that changes the directivity angle includes a tracking mirror 7, a mirror angular displacement sensor 44, and a tracking mirror drive unit (not shown). When the beacon light cannot be detected by the angle-of-arrival detector, for example, at the time of initial capture, the light of the optical antenna is based on the signal from the mirror angular displacement sensor 44 in the tracking mirror drive mechanism 45 by one mode of the mode switch 49. It functions to hold the shaft in a predetermined standby direction (initial directivity angle). Here, the initial directivity angle is given from the outside so as to perform a spiral operation, for example.

一方,この制御系は相手局からのビーコン光を到来角検出器で検出しているときには,モード切り替え器49の2のモードにより制御系は追尾誤差検出センサ41からのビーコン光到来角40を入力とし,光アンテナの指向角47を出力とするフィードバック制御系を構成する。   On the other hand, when the control system detects the beacon light from the other station by the arrival angle detector, the control system inputs the beacon light arrival angle 40 from the tracking error detection sensor 41 according to the two modes of the mode switch 49. Thus, a feedback control system that outputs the directivity angle 47 of the optical antenna is configured.

制御系の外乱には電気的な雑音や温度変動,装置の取付構造の振動外乱等が考えられるが,図4ではこれらの要因の影響をまとめて追尾ミラー7の出力に外乱入力46として示している。   The disturbance of the control system may be electrical noise, temperature fluctuation, vibration disturbance of the device mounting structure, etc. In FIG. 4, the influence of these factors is collectively shown as the disturbance input 46 at the output of the tracking mirror 7. Yes.

図1、図2および図4を用いて従来行われてきた追尾動作について説明する。図2のファイバカプラに収められた4分割Siホトダイオードによる到来角検出器12の各ホトダイオードに入射した光量の割合から追尾光の到来角を算出し,定常時の到来角との差分として得られる誤差信号をもとに追尾ミラー7の駆動部を駆動する。   The tracking operation conventionally performed will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 4. The arrival angle of the tracking light is calculated from the ratio of the amount of light incident on each photodiode of the arrival angle detector 12 by the quadrant Si photodiode housed in the fiber coupler of FIG. 2, and an error obtained as a difference from the arrival angle in the steady state Based on the signal, the drive unit of the tracking mirror 7 is driven.

追尾ミラー駆動部は、永久磁石とコイルで容易に構成できる。また、圧電素子を用いていも良い。追尾ミラー駆動部によるミラーの傾きの変化によりファイバカップラに入射する信号光およびビーコン光の入射角が変化するとともに、追尾ミラーの傾きの変化の影響がミラー角変位センサ44の出力に現れる。追尾ミラー駆動部への駆動信号を制御することにより、フィードバックが安定に動作し,その利得が十分大きいならば,光アンテナに入射したビームの到来角の変化を打ち消すことができる。   The tracking mirror drive unit can be easily configured with a permanent magnet and a coil. A piezoelectric element may be used. The incident angle of the signal light and the beacon light incident on the fiber coupler changes due to the change in the tilt of the mirror by the tracking mirror driving unit, and the influence of the change in the tilt of the tracking mirror appears in the output of the mirror angular displacement sensor 44. By controlling the drive signal to the tracking mirror drive unit, if the feedback operates stably and the gain is sufficiently large, the change in the arrival angle of the beam incident on the optical antenna can be canceled out.

本装置では送受光で光学系を共用しているので,同じ追尾光学系(ファイバカプラ,追尾ミラー,光アンテナ)を通してビーコン光及び信号光を相手局に送信することにより,送信光についてもその光軸を相手局の方向に正確に向けることができる。   Since this system shares an optical system for both transmission and reception, by transmitting beacon light and signal light to the other station through the same tracking optical system (fiber coupler, tracking mirror, optical antenna), the transmitted light can also be transmitted. The axis can be accurately oriented in the direction of the partner station.

本装置では,制御系を安定化する補償器にアナログPID方式を用いた。すなわち,OPアンプと抵抗・コンデンサによるアナログ演算回路を用いて,積分(位相遅れ)補償,微分(位相進み)補償を行っている。アナログPID方式を採用した理由は,高速DSPあるいはCPU,A/D、D/A変換器を用いた離散時間の制御系では有限のサンプル時間のために制御系の高速広帯域化と高精度化,低消費電力化を両立させることが困難になるためである。   In this apparatus, an analog PID system is used as a compensator for stabilizing the control system. That is, integral (phase lag) compensation and differentiation (phase advance) compensation are performed using an analog arithmetic circuit including an OP amplifier and a resistor / capacitor. The reason for adopting the analog PID method is that, in a discrete time control system using a high-speed DSP or CPU, A / D, and D / A converter, a high-speed broadband and high-precision control system due to a finite sample time. This is because it is difficult to achieve both low power consumption.

追尾誤差検出センサ及び追尾ミラー駆動機構の応答特性を合成した制御対象(プラント)の応答は、以下のような伝達関数で近似できる。   The response of the control target (plant) that combines the response characteristics of the tracking error detection sensor and the tracking mirror drive mechanism can be approximated by the following transfer function.

Figure 0005674103
Figure 0005674103

ここでGM、Gsはそれぞれ,追尾ミラー駆動機構の伝達関数、追尾誤差検出センサの伝達関数を示す。Goは追尾ミラー駆動機構のDC利得でAz軸が7.182, El軸が6.328であり,G1は追尾センサのDC利得で,4分割フォトダイオードを使った誤差検出センサの応答特性がビーコン光の焦点における点像の劣化量により変化するので,システムの動作を見ながら安定でかつ開ループ利得が最大になるように調整できるようにする必要がある。実際に光アンテナと組み合わせて最良に調整した場合、G1は1.0程度であった。また,ωvは共振周波数でAz軸についてはωv=80Hz,El軸についてはωv=100Hzである。DMは共振のダンピングファクタで。DM=0.005,TDは追尾ミラー駆動部内部のコイルドライバのロールオフ時定数でTD=4.4μs,TCはコイルとドライバの駆動インピーダンスによるロールオフ時定数で,TC=1.8μSである。TOは追尾センサ内部のトランスインピーダンス増幅器によるロールオフ時定数で TO=5.6μsである。このプラント特性に合わせて設計したPID補償器の伝達関数は次式で表わされる。 Here, G M and G s indicate the transfer function of the tracking mirror drive mechanism and the transfer function of the tracking error detection sensor, respectively. G o is the DC gain of the tracking mirror drive mechanism, the Az axis is 7.182, the El axis is 6.328, G 1 is the DC gain of the tracking sensor, and the response characteristics of the error detection sensor using a quadrant photodiode Changes depending on the amount of degradation of the point image at the focus of the beacon light, so that it is necessary to be able to adjust the system so that the open loop gain is maximized while observing the operation of the system. When the best adjustment was actually made in combination with the optical antenna, G 1 was about 1.0. Further, ω v is a resonance frequency, ω v = 80 Hz for the Az axis, and ω v = 100 Hz for the El axis. D M is a damping factor of the resonance. D M = 0.005, T D is the roll-off time constant of the coil driver inside the tracking mirror drive unit, T D = 4.4 μs, T C is the roll-off time constant of the driving impedance of the coil and driver, and T C = 1.8 μS. T O is a roll-off time constant by a transimpedance amplifier inside the tracking sensor, and T O = 5.6 μs. The transfer function of a PID compensator designed in accordance with the plant characteristics is expressed by the following equation.

Figure 0005674103
Figure 0005674103

ここでGCOは補償器のDC利得でGCO=700,右辺の最初の分数式Giは積分補償器の伝達関数でTi=47ms,T2=1.05s,である。最後の分数式Gdは微分補償の伝達関数でT3=0.33ms,T4=0.03msである。設計した制御系の位相余裕は41°,利得余裕は13.3dBである。追尾モードの閉ループ伝達特性を図5に示す.これはAz軸の場合であるが,El軸も特性は同一である。応答が3dB低下する点で評価すると5kHzの制御帯域幅が達成できていることが分かる。 Here, G CO is the DC gain of the compensator, G CO = 700, and the first fractional expression G i on the right side is the transfer function of the integral compensator, T i = 47 ms, T 2 = 1.05 s. The last fractional expression G d is a transfer function of differential compensation, and T 3 = 0.33 ms and T 4 = 0.03 ms. The designed control system has a phase margin of 41 ° and a gain margin of 13.3 dB. Figure 5 shows the closed-loop transfer characteristics in tracking mode. This is the case for the Az axis, but the characteristics are the same for the El axis. From the point of view that the response is reduced by 3 dB, it can be seen that a control bandwidth of 5 kHz can be achieved.

なお,初期捕捉モードでは開ループ制御利得が若干低下するため,制御帯域幅はおよそ2kHzとなる。この制御系の外乱に対するAz軸の応答を計算した結果を図6に示す。El軸については,共振周波数が図の80Hzから100Hzに変化するほかは図6と全く同じである.l00Hz以下の周波数において1/100(40dB)以上、lHz以下の周波数で1/1000(60dB)の外乱抑圧特性を有することが分かる。ただし3kHz付近の周波数では外乱の影響が増大する。今回の設計ではlkHz以上の周波数における外乱及びセンサ雑音の振幅が小さいため,3kHz付近の周波数応答の上昇は問題にならない。   In the initial acquisition mode, the open-loop control gain is slightly reduced, so that the control bandwidth is about 2 kHz. FIG. 6 shows the result of calculating the response of the Az axis to this control system disturbance. The El axis is exactly the same as FIG. 6 except that the resonance frequency changes from 80 Hz to 100 Hz in the figure. It can be seen that it has a disturbance suppression characteristic of 1/100 (40 dB) or more at a frequency of 100 Hz or less and 1/1000 (60 dB) at a frequency of 1 Hz or less. However, the influence of disturbance increases at frequencies around 3 kHz. In this design, since the amplitude of disturbance and sensor noise at a frequency of 1 kHz or higher is small, an increase in frequency response around 3 kHz is not a problem.

このことを確認するため,大気揺らぎによる到来角変動の大きな伝送環境に2台の光無線通信装置を設置し,追尾動作の有無で追尾誤差がどのように変化するかを測定した.このときのビーコン受信電力は追尾に必要な最小値(−41.3dBm)とした.El軸についての測定結果を図7に示す.図7(a)が0.1msごとにサンプリングした1秒間の追尾誤差の時間変化,図7(b)が同じデータのFFTによる周波数解析の結果で,各々について精追尾を動作させたときと精追尾を停止したときの2種類のデータを重ねて表示している。   In order to confirm this, we installed two optical wireless communication devices in a transmission environment with large arrival angle fluctuations due to atmospheric fluctuations, and measured how the tracking error changed with and without the tracking operation. The beacon reception power at this time was set to the minimum value (-41.3 dBm) necessary for tracking. Figure 7 shows the measurement results for the El axis. Fig. 7 (a) shows the time change of tracking error for 1 second sampled every 0.1ms, and Fig. 7 (b) shows the result of frequency analysis by FFT of the same data. Two types of data when tracking is stopped are displayed in an overlapping manner.

精追尾を動作させることにより,18μrad(pp)程度の到来角変動がlμrad(pp)以下に減少している。周波数解析の結果には,スペクトル密度とそのrms積算値を示しているが,4μrad(rms)の到来角変動が0.15μrad(rms)まで減少したことが分かる。また,2.5kHz付近で閉ループ利得の上昇に対応して雑音の上昇が現れている.この結果から図6に示した外乱抑圧特性の設計値が妥当なものであることが分かる。   By operating the fine tracking, the arrival angle fluctuation of about 18 μrad (pp) is reduced to 1 μrad (pp) or less. The frequency analysis result shows the spectral density and its rms integrated value, and it can be seen that the arrival angle fluctuation of 4 μrad (rms) has decreased to 0.15 μrad (rms). In addition, an increase in noise appears corresponding to the increase in closed loop gain near 2.5 kHz. From this result, it can be seen that the design value of the disturbance suppression characteristic shown in FIG. 6 is appropriate.

ビーコン光の光量を徐々に増加させて初期捕そくモード(モード切り替えスイッチ49が1の状態)から追尾モード(モード切り替えスイッチ49が2の状態)に制御系を切り換えたときの動作を図8に示す。図8にはAz軸の追尾センサ出力、El軸の追尾センサ出力,ビーコン光受信電力の時間変化をリニアスケールで示した。また、シングルモードファイバに結合した1.5μm帯の信号光強度の時間変化を1日盛が10dBmの対数値で表示している。横軸の1日盛は1msである。200μs程度の時間で誤差信号,信号光.追尾光はすべて整定していることが分かる。   FIG. 8 shows the operation when the control system is switched from the initial acquisition mode (mode change switch 49 is 1) to the tracking mode (mode change switch 49 is 2) by gradually increasing the amount of beacon light. Show. FIG. 8 shows, with a linear scale, changes in Az axis tracking sensor output, El axis tracking sensor output, and beacon light reception power over time. In addition, the time change of the signal light intensity in the 1.5 μm band coupled to the single mode fiber is displayed as a logarithmic value of 10 dBm per day. The daily scale on the horizontal axis is 1 ms. Error signal, signal light in about 200 μs. It can be seen that all the tracking lights are settling.

次に、ビーコン光の遮断対策について詳細な説明をする。図4の従来の追尾制御系の構成では、到来角検出器に十分なビーコン光の光量が得られない場合には、フィードバック制御系のセンサ入力を追尾センサから追尾ミラー駆動機構に内蔵されたミラー角変位センサに切り替えて通信装置の光軸を初期指向方向になるような制御を行っていた。この場合、なんらかの原因により相手局の方向が初期指向方向と大きく離れている場合には、自局のビーコン光が相手局に照射できなくなり、相手局の追尾も中断してしまう。   Next, a detailed description will be given of measures for blocking beacon light. In the configuration of the conventional tracking control system of FIG. 4, when a sufficient amount of beacon light cannot be obtained by the angle-of-arrival detector, the sensor input of the feedback control system is sent from the tracking sensor to the mirror built in the tracking mirror drive mechanism. Control was performed by switching to the angular displacement sensor so that the optical axis of the communication device is in the initial pointing direction. In this case, if the direction of the partner station is far away from the initial pointing direction due to some cause, the partner station's beacon light cannot be emitted to the partner station, and tracking of the partner station is interrupted.

このため、図4の初期指角48を初期値のまわりに少しずつ変化させて、光軸をスパイラル状に走査し、到来角検出器の視野に相手局が入る条件が2つの局で一致するまで待つ必要があった。ビーコン光が到来角検出器で検出されればフィードバック制御系はサーボ系の入力を追尾センサに切り替えて、0.001秒以内に追尾を完了し、信号を回復することができるが、この待機時間は、遮蔽物が伝送路を通過する時間よりも長くなることが多く、このため、通信路の遮断時間が増大してしまう。   For this reason, the initial finger angle 48 in FIG. 4 is gradually changed around the initial value, the optical axis is scanned in a spiral shape, and the conditions for the counterpart station to enter the field of view of the arrival angle detector match in the two stations. I had to wait until. If the beacon light is detected by the angle-of-arrival detector, the feedback control system can switch the servo system input to the tracking sensor, complete the tracking within 0.001 seconds, and recover the signal. Is often longer than the time required for the shield to pass through the transmission path, which increases the blocking time of the communication path.

そこで、本発明では図4の初期指向角48を固定するのでは無く、正常な追尾が行われていた時のミラー角変位センサ出力の過去の履歴から、最も確からしい初期指向方向を推定する初期指向角推定装置を付加した制御系の構成を採用し、良好な動作を確認した。   Therefore, in the present invention, the initial directivity angle 48 of FIG. 4 is not fixed, but the most probable initial directivity direction is estimated from the past history of the mirror angular displacement sensor output when normal tracking is performed. A control system configuration with a pointing angle estimation device was adopted, and good operation was confirmed.

この初期指向角推定装置を付加した追尾制御系の構成例を図9に示す。この図では、2次無限インパルス応答(IIR)ローパスフィルタとPI補償器による推定演算を行った例を示している。ビーコン光が遮断された後、一定時間(1秒程度)はこの推定器の出力が初期指向角の代わりに動作するが、その後は従来の初期指向角に切り替わる。   FIG. 9 shows a configuration example of a tracking control system to which this initial pointing angle estimation device is added. This figure shows an example in which estimation calculation is performed by a second-order infinite impulse response (IIR) low-pass filter and a PI compensator. After the beacon light is cut off, the output of the estimator operates instead of the initial directivity angle for a fixed time (about 1 second), but thereafter, the output is switched to the conventional initial directivity angle.

2次IIRローパスフィルタは、相手局の方向が動かない固定2点間の通信の場合に最適なフィルタであり、指向方向に対する外乱の周波数成分によりフィルタのカットオフ周波数を最適化することができる。たとえば、100Hz程度までの大気ゆらぎによる影響を避けて指向角を推定する場合は、数10Hzのカットオフ周波数が適当である。また、推定精度と推定演算の安定性を両立させるためにPI補償を行っている。   The second-order IIR low-pass filter is an optimum filter in the case of communication between two fixed points where the direction of the counterpart station does not move, and the cutoff frequency of the filter can be optimized by the frequency component of the disturbance with respect to the pointing direction. For example, when estimating the directivity angle while avoiding the effects of atmospheric fluctuations up to about 100 Hz, a cutoff frequency of several tens of Hz is appropriate. In addition, PI compensation is performed in order to achieve both the estimation accuracy and the stability of the estimation calculation.

また、設置環境の振動が大きく、1秒以上にわたる追尾光の回線断にも対応するためには、少なくとも2次系の推定モデルを持ったカルマンフィルタや、その他の予測精度の高いフィルタを用いてもよい。カルマンフィルタは、光無線装置に加わる外乱の大きさ、速度および加速度を検出する検出器の出力に基づいて外乱をモデル化して、予測を行う。   In addition, in order to cope with a large amount of vibration in the installation environment and the tracking light disconnection for more than 1 second, it is possible to use a Kalman filter having at least a second-order system estimation model or other filters with high prediction accuracy. Good. The Kalman filter models the disturbance based on the output of a detector that detects the magnitude, speed, and acceleration of the disturbance applied to the optical wireless device, and performs prediction.

これらのフィルタは装置が正常に動作している(追尾時)には装置動作には無関係であり、これによって装置の性能が劣化することはない。高性能のフィルタを実時間で動作させるためには膨大な計算能力が必要であるが、本発明の推定装置を実現するためには、現在、携帯機器に用いられているプロセッサでも十分であり、装置の価格や回線の信頼度要求、振動外乱の大きさと周波数帯域に合わせて、フィルタの性能を適宜選択することができる。   These filters are irrelevant to the operation of the apparatus when the apparatus is operating normally (at the time of tracking), and this does not degrade the performance of the apparatus. In order to operate a high-performance filter in real time, a huge amount of computing power is required. However, in order to realize the estimation device of the present invention, a processor currently used in a portable device is sufficient, The filter performance can be appropriately selected according to the price of the apparatus, the reliability of the line, the magnitude of the vibration disturbance and the frequency band.

初期指向角推定装置の動作について以下、図10〜図17を用いて詳細に説明する。図10に初期指向角推定装置に関する制御フローを示す。以後の説明で用いる制御フローは、図示しない市販されているメモリ付きのCPU又はDSP(以下、演算器という。)により実行される。   Hereinafter, the operation of the initial directivity angle estimation apparatus will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 10 shows a control flow relating to the initial directivity angle estimation apparatus. The control flow used in the following description is executed by a commercially available CPU or DSP (hereinafter referred to as a computing unit) with a memory (not shown).

制御プログラムで動作する演算器は外部装置と交信するインタフェイスを備えており、外部へはD/A変換器を経て、外部の制御回路へ制御の指示値が供給される。また、外部のセンサ出力はA/D変換されて演算器に取り込まれる。   An arithmetic unit that operates in accordance with a control program has an interface that communicates with an external device. A control instruction value is supplied to an external control circuit via a D / A converter. Further, the external sensor output is A / D converted and taken into the computing unit.

指向角の制御は、初期指向角に基づく制御モード1と相手装置からの空間ビームの到来角を検出する到来角検出器12からの出力から算出される追尾センサ出力に基づく制御モード2の2通りがある。初期指向角が使われるのは、初期状態で対向装置間での合わせ込みが十分でなく、相手装置からのビーコン光の強度が十分で無い場合とビーコン光の遮断によりビーコン光の強度が十分で無い場合がある。   There are two types of directivity control: control mode 1 based on the initial directivity angle and control mode 2 based on the output of the tracking sensor calculated from the output from the arrival angle detector 12 that detects the arrival angle of the spatial beam from the counterpart device. There is. The initial directivity angle is used because the alignment between the opposing devices is not sufficient in the initial state, and the intensity of the beacon light is sufficient when the intensity of the beacon light from the other device is insufficient and when the beacon light is blocked. There may be no.

光無線通信装置の制御系に通電されると制御動作が開始される(S1)と制御モード1への切り替え(S2)と初期指向角モード切り替えによる外部から与えられる初期指向角48を選択する1への切り替え(S3)の動作が行われる。ここまでは、従来の制御系と共通する動作である。   When the control system of the optical wireless communication apparatus is energized, the control operation is started (S1), switching to the control mode 1 (S2), and selecting the initial directivity angle 48 given from the outside by the initial directivity angle mode switch 1 The operation of switching to (S3) is performed. Up to this point, the operation is common to the conventional control system.

ここで、ビーコン光を受光する4分割検出器12の全ての出力の和から得られる受信強度が設定値1を超えない間は、初期指向角推定装置の出力を使ってS2→S3→S4の順番に初期指向角による制御モードを繰り返す。ここで、設定値1は光無線装置が設置される場所に応じて決めると良い。   Here, as long as the reception intensity obtained from the sum of all the outputs of the quadrant detector 12 that receives the beacon light does not exceed the set value 1, the output of the initial pointing angle estimation device is used to satisfy S2 → S3 → S4. The control mode by the initial directivity angle is repeated in order. Here, the set value 1 may be determined according to the place where the optical wireless device is installed.

ここで、ビーコン光受信強度が設定値1を超えるときは捕捉が出来たものとして制御モードが通常状態の制御モード2(S5)、初期指向角モードが2に切り替わる(S6)。そうすると、追尾制御は、追尾誤差検出センサ(追尾センサ)の出力に基づいて行われる定常動作になるとともに、指向角推定装置はミラー角変位センサからの出力を受けて指向角推定値の出力が必要になるときに備えて指向角推定値を算出する。   When the beacon light reception intensity exceeds the set value 1, the control mode is switched to the normal control mode 2 (S5) and the initial pointing angle mode is switched to 2 (S6). Then, the tracking control becomes a steady operation performed based on the output of the tracking error detection sensor (tracking sensor), and the directivity angle estimation device needs to output the directivity angle estimation value in response to the output from the mirror angular displacement sensor. A directivity angle estimate is calculated in preparation for

ここで、定常動作中に外部から電源オフなどによる動作中止の指令があるときは制御動作を終了する(S7)。動作中止の指令が無い場合(S7のNの場合)はビーコン光の受信強度が所定の設定値2を下回らない場合(S8のNの場合)にビーコン光の強度判定(S4)へ戻り定常動作が継続される。ここで、設定値2は疑似的にビーコン光の遮断を行い実験的に決めると良い。   Here, if there is a command to stop the operation due to power off or the like during the steady operation from the outside, the control operation is terminated (S7). If there is no command to stop the operation (N in S7), if the received intensity of the beacon light does not fall below the predetermined setting value 2 (N in S8), the process returns to the determination of the beacon light intensity (S4) and the steady operation Will continue. Here, the set value 2 may be determined experimentally by artificially blocking the beacon light.

ビーコン光の受信強度が正常な制御が困難となる所定の設定値2を下回る(S8のYの場合)と制御モードの切り替えで制御モード1となり(S9)、初期指向角推定装置から供給される初期指向角推定値を用いて制御が行われる。この推定値を用いた制御はビーコン光受信強度が所定の設定値2を下回る間継続される(S8のYの場合)が、所定の時間Tを過ぎると、外部からの初期指向角による制御に戻る(S10のYの場合)。   When the received intensity of the beacon light falls below a predetermined set value 2 at which normal control is difficult (in the case of Y in S8), the control mode is switched by switching the control mode (S9) and is supplied from the initial pointing angle estimation device. Control is performed using the initial directivity angle estimate. The control using the estimated value is continued while the beacon light reception intensity is lower than the predetermined set value 2 (in the case of Y in S8), but after the predetermined time T, the control using the initial directivity angle from the outside is performed. Return (in the case of Y of S10).

また、ビーコン光受信強度が設定値2を下回らなくなると推定装置を使わなくても良い状態と判断されて定常の追尾制御モードに切り替わり(S8のNの場合)S4のステップへ戻る。   If the beacon light reception intensity does not fall below the set value 2, it is determined that it is not necessary to use the estimation device, and the mode is switched to the steady tracking control mode (in the case of N in S8), and the process returns to step S4.

次に、推定装置の中核を占める2次の無限インパルス応答(IIR)フィルタについて説明する。ここで用いるフィルタはデジタル信号処理で実現され、現在および過去の入力の影響を受けて出力が決定される。具体的な構成は図11に示すようにレジスタ、加算器を結合してハード的に構成しても良いが、今回のフィルタの応答速度はそれほど高速でないので、演算器によるソフトウエアによる処理が可能である。プログラム例を図12に示す。得られたLPFとしての応答を図13に示す。   Next, a second-order infinite impulse response (IIR) filter that occupies the core of the estimation device will be described. The filter used here is realized by digital signal processing, and its output is determined by the influence of current and past inputs. As shown in FIG. 11, the specific configuration may be configured in hardware by combining a register and an adder. However, since the response speed of the current filter is not so high, processing by software using an arithmetic unit is possible. It is. An example program is shown in FIG. The obtained response as LPF is shown in FIG.

ここで、フィルタの特性を決める係数は、光無線装置の於かれる環境を踏まえ実験的に決めることとなる。試作した指向角推定装置の収束状況を図14に示す。水平、垂直方向共に0.6秒程度で収束している。   Here, the coefficient that determines the characteristics of the filter is experimentally determined in consideration of the environment in which the optical wireless device is located. FIG. 14 shows the convergence state of the prototype directivity angle estimation device. Both horizontal and vertical directions converge in about 0.6 seconds.

次に、指向角推定装置の効果を説明する。図15に空間ビーム光の遮断が行われたときの信号光などの様子を示す。図15の(A)は水平方向に遮蔽物を動かしたとき、(B)は垂直方向に遮蔽物を動かしたときの様子である。図15において、aは信号光、cはビーコン光の強度の変化の様子を示す。また、bは水平方向の到来角変動として現れる誤差信号、dは垂直方向の到来角変動として現れる誤差信号である。それぞれ、遮蔽物の移動方向に応じて誤差信号の発生がわずかに見られる。   Next, the effect of the directivity angle estimation device will be described. FIG. 15 shows the state of signal light and the like when the spatial light beam is blocked. FIG. 15A shows a state where the shielding object is moved in the horizontal direction, and FIG. 15B shows a state where the shielding object is moved in the vertical direction. In FIG. 15, “a” indicates signal light, and “c” indicates how the intensity of the beacon light changes. Further, b is an error signal that appears as arrival angle fluctuation in the horizontal direction, and d is an error signal that appears as arrival angle fluctuation in the vertical direction. In each case, generation of an error signal is slightly seen depending on the moving direction of the shield.

次に、空間ビーム光の遮蔽があったときの初期指向角推定装置の動作の有無による信号光への影響を図16に示す。図16(A)は推定装置の動作無しの場合、(B)は推定装置の動作有りの場合である。   Next, FIG. 16 shows the influence on the signal light due to the presence / absence of the operation of the initial directivity estimation apparatus when the spatial beam light is blocked. FIG. 16A shows the case where the estimation apparatus does not operate, and FIG. 16B shows the case where the estimation apparatus operates.

ここでaは信号光強度、cはビーコン光強度、b、dはそれぞれ到来角変動として検出される誤差信号である。(A)と(B)を対比すると、(A)、(B)共に、ビーコン光強度cが同じように小さくなっているが、推定装置が動作していないとき(A)は、信号光aが大きくその強度を減らしているのに対して、推定装置が動作しているとき(B)は減少の度合いが少ないことが分かる。エラーフリーを実現できる信号光強度を維持できれば、たとえ、ビーコン光が遮断されても、エラーフリーの通信が実現できることが分かる。   Here, a is the signal light intensity, c is the beacon light intensity, and b and d are error signals detected as arrival angle fluctuations. When (A) and (B) are compared, in both (A) and (B), the beacon light intensity c is similarly reduced, but when the estimation device is not operating (A), the signal light a However, when the estimation device is operating (B), the degree of decrease is small. If the signal light intensity capable of realizing error-free can be maintained, it can be understood that error-free communication can be realized even if the beacon light is blocked.

実際に上記の指向追尾制御を実装した光無線通信装置を用いて距離315mの光信号屋外伝送実験を2週間、イタリア・ピサで実施し、雨や埃、虫等のビーコン焦点遮蔽の際に信号伝送が正常に維持できた。特に、2日間の1Gbps光信号伝送実験において、稼働率99.97%でエラーフリー伝送ができることを確認した。   Actually, an optical signal transmission experiment with a distance of 315m was conducted in Pisa, Italy for two weeks using the optical wireless communication device that actually implemented the above-mentioned pointing tracking control. Transmission was maintained normally. In particular, in a 1-Gbps optical signal transmission experiment for two days, it was confirmed that error-free transmission was possible with an operation rate of 99.97%.

本特許は、微小な物体によりビーコン光の短時間の遮断に対応するための解決策を提供するものであるが、大気のゆらぎの大きな環境、たとえば都市部の熱源の多い環境や遠距離の伝送路では、ビーコン受信電力の受信電力が平均値から1/100あるいは1/1000以下に低下する場合が頻繁に発生する。この電力低下が発生する時間幅は大気ゆらぎの周波数成分が100Hz程度以下であることに対応して、10msから100ms程度の比較的短時間であり、本特許の方式を用いることにより、このビーコン受信強度の低下による追尾中断に伴う回線断を避けることができる。   Although this patent provides a solution to cope with short-time interception of beacon light by a minute object, it is an environment with a large atmospheric fluctuation, for example, an environment with many heat sources in an urban area or a long distance transmission. On the road, the reception power of the beacon reception power frequently decreases to 1/100 or 1/1000 or less from the average value. The time width during which this power decrease occurs is a relatively short time of about 10 ms to 100 ms corresponding to the frequency component of atmospheric fluctuation being about 100 Hz or less. It is possible to avoid line disconnection due to tracking interruption due to a decrease in strength.

1 信号光用の光ファイバ
2 ビーコン光源(レーザダイオード)
3 波長多重光ファイバカプラ
4 ガラス製の光ファイバ・フェルール
5 ファイバカプラ内結像レンズ(コリメータレンズ)
6 信号光
7 追尾ミラー
8,9 屈折型光学系(光アンテナ)
10 放射ビーコン光
11 ビーコン光結像レンズ
12 到来角検出器(4分割Siホトダイオード)
13 到来ビーコン光
14 ファイバカプラ
35 光軸に一致した到来ビーム
36 光軸からずれた到来ビーム
40 ビーコン光到来角
41 到来角(追尾誤差)検出器
42 PID補償器
44 ミラー角変位センサ
45 追尾ミラー駆動機構
46 外乱
47 光無線通信装置指向角
49 制御モード切り替え器
91 2次IIRフィルタ
92 PI補償器
93 初期指向角モード切り替え器
1 Optical fiber for signal light 2 Beacon light source (laser diode)
3 Wavelength multiplexing optical fiber coupler 4 Glass-made optical fiber ferrule 5 Imaging lens in fiber coupler (collimator lens)
6 Signal light 7 Tracking mirror 8, 9 Refraction type optical system (optical antenna)
10 Radiation beacon light 11 Beacon light imaging lens 12 Angle of arrival detector (4-division Si photodiode)
13 Arrival beacon light 14 Fiber coupler 35 Arrival beam 36 coincident with optical axis Arrival beam 40 deviated from optical axis Beacon light arrival angle 41 Arrival angle (tracking error) detector 42 PID compensator 44 Mirror angle displacement sensor 45 Tracking mirror drive Mechanism 46 Disturbance 47 Optical wireless communication device directivity angle 49 Control mode switch 91 Secondary IIR filter 92 PI compensator 93 Initial directivity angle mode switch

Claims (3)

信号光および該信号光よりも短い波長の追尾制御用のビーコン光からなる空間ビーム光
を用いる光無線通信装置であって、
前記空間ビーム光を送信光として対向装置に向けて放射するとともに該対向装置からの
空間ビーム光を受光する屈折式光学系と、前記ビーコン光の到来角を検出する到来角検出
器と、放射する前記空間ビーム光の向かう方向である指向角を変化させる追尾ミラー駆動
機構と、該追尾ミラー駆動機構を制御する制御部と、前記追尾ミラーの角度変位センサの
出力に基づいて前記指向角を推定して初期指向角推定値を算出する初期指向角推定装置とを備え、
前記初期指向角推定装置が、前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて所定の値を算出する無限インパルス応答フィルタと前記無限インパルス応答フィルタの出力に対して比例補償と積分補償を加えるPI補償器を有し、前記初期指向角推定値の出力が必要になるときに備えて前記初期指向角推定値を算出し、
前記制御部が、前記ビーコン光の受信強度が所定の値よりも大きいときに前記到来角検
出器の出力に基づいて前記追尾ミラー駆動機構を制御し、前記ビーコン光の受信強度が所
定の値よりも大きくないときに前記初期指向角推定装置から出力される前記初期指向角推定値を用いて前記追尾ミラー駆動機構を制御することを特徴とする光無線通信装置。
An optical wireless communication apparatus that uses a spatial light beam composed of signal light and beacon light for tracking control having a shorter wavelength than the signal light,
The spatial beam light is radiated toward the opposing device as transmitted light and the refractive optical system that receives the spatial beam light from the opposing device, and the arrival angle detector that detects the arrival angle of the beacon light are emitted. a tracking mirror drive mechanism for changing the directivity angle is a direction of said space light beam, and a control unit for controlling the該追tail mirror drive mechanism, the directivity angle is estimated based on the output of the angular displacement sensor of the tracking mirror And an initial directivity angle estimation device for calculating an initial directivity angle estimation value ,
The initial pointing angle estimation device calculates a predetermined value based on the output from the past to the present of the mirror angular displacement sensor, and performs proportional compensation and integral compensation on the output of the infinite impulse response filter. A PI compensator for adding, calculating the initial directivity angle estimate in preparation for output of the initial directivity angle estimate;
The control unit controls the tracking mirror drive mechanism based on the output of the arrival angle detector when the reception intensity of the beacon light is larger than a predetermined value, and the reception intensity of the beacon light is lower than a predetermined value. optical wireless communication device and controls the tracking mirror drive mechanism using the initial directional angle estimation value output from the initial directional angle estimating apparatus when also not large.
前記初期指向角推定装置が、前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて所定の値を算出する無限インパルス応答フィルタと前記無限インパルス応答フィルタの出力に対して比例補償と積分補償を加えるPI補償器を有する代わりに、The initial pointing angle estimation device calculates a predetermined value based on the output from the past to the present of the mirror angular displacement sensor, and performs proportional compensation and integral compensation on the output of the infinite impulse response filter. Instead of having a PI compensator to add,
前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて、外乱をモデル化し、その大きさ、変化速度および加速度の予測値を算出するカルマンフィルタを有することを特徴とする請求項1に記載の光無線通信装置。2. The light according to claim 1, further comprising a Kalman filter that models a disturbance based on an output from the past to the present of the mirror angular displacement sensor and calculates a predicted value of the magnitude, change speed, and acceleration. Wireless communication device.
前記信号光と前記ビーコン光とで屈折式光学系を共用させ、前記信号光は前記屈折式光The signal light and the beacon light share a refractive optical system, and the signal light is the refractive light.
学系により略平行ビームとして放射されるとともに前記ビーコン光は屈折式光学系の波長The beacon light is emitted as a substantially parallel beam by the academic system and the wavelength of the refractive optical system.
分散により空中で収束した後発散するようにして対向装置へ送信光として放射されることAfter being converged in the air due to dispersion, it is emitted as transmitted light to the opposite device so as to diverge.
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光無線通信装置。The optical wireless communication apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that:
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