JP7123340B2 - Spatial optical communication device and spatial optical communication method - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、宇宙空間を周回する人工衛星などの宇宙機と光通信を行う空間光通信装置及び空間光通信方法に関する。 The present invention relates to a spatial optical communication apparatus and a spatial optical communication method for performing optical communication with a spacecraft such as an artificial satellite orbiting in outer space, for example.
近年、宇宙空間において地球周回軌道を周回する人工衛星等の宇宙機により、地球上の地上局と光衛星通信を行う研究が進められている。この光衛星通信は、大容量データ伝送が可能であり、かつ、軽量で小型なシステム構成で実現でき、電波と比較して干渉が少ない等の利点があることから、今後の宇宙通信を担う技術として注目されている。 2. Description of the Related Art In recent years, research has been progressing on optical satellite communication with a ground station on the earth using a spacecraft such as an artificial satellite orbiting the earth in outer space. This optical satellite communication is capable of large-capacity data transmission, can be realized with a lightweight and compact system configuration, and has advantages such as less interference compared to radio waves. is attracting attention as
宇宙-地上間光空間伝送は、その伝送区間を雲にブロッキングされないようにするため、雲が存在しない空間(地球大気下)で行われる。一方、宇宙機から地上局へ向けて送信されるダウンリンクが大気擾乱の影響を受け、受信側で受光可能な電力が減少して通信品質が低下し、最悪の場合、バースト的に情報が失われることがある。このため、大気の影響を抑制することが可能な何らかの補償技術が必要となる。 Space-to-ground optical space transmission is performed in a cloud-free space (under the earth's atmosphere) so that the transmission section is not blocked by clouds. On the other hand, the downlink transmitted from the spacecraft to the ground station is affected by atmospheric turbulence, reducing the power that can be received on the receiving side, degrading communication quality, and in the worst case, bursting information loss. sometimes Therefore, some kind of compensation technique is required that can suppress the influence of the atmosphere.
従来、大気影響を補償するために、ダウンリンクを受信する地上局の望遠鏡で集められた光エネルギを後段の補償システムで補償する仕組みがとられているが、望遠鏡入射前の空間における大気影響によりかなりの光エネルギを失っている。このため、地上局側で宇宙機に対してアップリンクを連続あるいは短時間照射し、地上局の方向を宇宙機へ知らせる灯台のごとく、ダウンリンクを地上局の方向へ誘導する。しかし、アップリンクも同様に大気影響を受けて宇宙機の光通信機のセンサ視野に到達しないことが多く、単純なアップリンク照射では効果が小さい。 Conventionally, in order to compensate for atmospheric effects, a mechanism is adopted in which the optical energy collected by the telescope of the ground station that receives the downlink is compensated by a post-compensation system. It loses a lot of light energy. For this reason, the ground station continuously illuminates the uplink to the spacecraft or for a short period of time, and guides the downlink in the direction of the ground station like a beacon that informs the spacecraft of the direction of the ground station. However, the uplink is similarly affected by the atmosphere and often does not reach the sensor field of view of the optical communication device of the spacecraft, so simple uplink irradiation is less effective.
このような問題を解消するため、例えば特許文献1には、人工衛星から出射された受信光波を集光すると共に人工衛星へ向けて出射される送信光波の伝播経路を含む空間を伝播した経路伝播光を望遠鏡により集光し、集光された受信光波及び経路伝播光の波面歪に基づいて、大気の揺らぎやフェージングの影響を加味した送信光波の伝播経路の角度を算出し、当該角度で送信光波が人工衛星へ到達するように望遠鏡の可変形鏡を制御する空間光通信装置が開示されている。
In order to solve such a problem, for example, in
地上からアップリンクを出射する場合に、送信レーザの伝播方向が地上から宇宙空間までの空間の影響、特に大気影響(地上から宇宙空間に至る連続的な大気濃度変化に伴う連続的な屈折率変化や、エアロゾル等の大気中微粒子による光散乱)により大気中を折れ曲がりながら伝播する(ビームワンダリング(Beam Wandering)現象)。このため、予報値に沿って望遠鏡が宇宙機を追尾しても、その先の宇宙機にアップリンクがうまく到達せず、その結果、宇宙機は、眼下のどの位置から地上局がアップリンクを出射しているかを把握することができなくなる。また、大気影響が時間的、空間的に時々刻々とランダムに変化するため、大気の状況変化に対する適応性が不十分である。 When the uplink is emitted from the ground, the propagation direction of the transmission laser is influenced by the space from the ground to outer space, especially the atmospheric effect (continuous refractive index change accompanying continuous atmospheric concentration change from the ground to outer space). and light scattering by fine particles in the atmosphere such as aerosols), the beam propagates while bending in the atmosphere (beam wandering phenomenon). For this reason, even if the telescope tracks the spacecraft according to the forecast value, the uplink does not reach the spacecraft ahead. It becomes impossible to grasp whether it is emitted. In addition, since atmospheric influences change randomly temporally and spatially from moment to moment, the adaptability to changes in atmospheric conditions is insufficient.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、大気影響に適応しながら、宇宙機との良好な通信を維持することができる空間光通信装置及び空間光通信方法を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, it is an object of the present invention to provide a free-space optical communication apparatus and a free-space optical communication method capable of maintaining good communication with a spacecraft while adapting to atmospheric influences.
本発明の一形態に係る空間光通信装置は、送信部と、受信部と、第1検出部と、制御部とを具備する。
前記送信部は、宇宙機へ向けて第1レーザ光を送信する。
前記受信部は、前記宇宙機から送信される第2レーザ光を受信する。
前記第1検出部は、前記第2レーザ光の受光強度を検出する。
前記制御部は、前記第1検出部の出力に基づいて、前記第1レーザ光の拡がり角及びパワーを制御する制御信号を生成する。
A free-space optical communication device according to one aspect of the present invention includes a transmitter, a receiver, a first detector, and a controller.
The transmitter transmits the first laser beam toward the spacecraft.
The receiving section receives a second laser beam transmitted from the spacecraft.
A said 1st detection part detects the light reception intensity|strength of a said 2nd laser beam.
The control section generates a control signal for controlling the divergence angle and power of the first laser light based on the output of the first detection section.
上記空間光通信装置は、第2レーザ光の受光強度が目標値となるように第1レーザ光の出射条件を補正するように構成される。これにより、時々刻々と変化する大気状態に追従して、第1レーザ光の出射条件を最適化でき、大気影響によらずに安定した通信品質を確保することができる。 The free-space optical communication device is configured to correct the emission condition of the first laser beam so that the received light intensity of the second laser beam becomes a target value. As a result, it is possible to optimize the emission conditions of the first laser light by following the atmospheric conditions that change from moment to moment, and to ensure stable communication quality without being influenced by the atmosphere.
前記制御部は、前記第2レーザ光の受光強度が所定範囲未満のときは、前記第1レーザ光の拡がり角を拡大させるとともにパワーを増加させる制御信号を生成するように構成されてもよい。 The control unit may be configured to generate a control signal for expanding the divergence angle of the first laser light and increasing the power when the received light intensity of the second laser light is less than a predetermined range.
また、前記制御部は、前記第2レーザ光の受光強度が前記所定範囲を超えるときは、前記第1レーザ光の拡がり角を狭めるとともにパワーを減少させる制御信号を生成するように構成されてもよい。 Further, the control unit may be configured to generate a control signal for narrowing the divergence angle of the first laser light and reducing the power when the received light intensity of the second laser light exceeds the predetermined range. good.
前記空間光通信装置は、第2検出部をさらに具備してもよい。
前記第2検出部は、前記第2レーザ光を受光する受光面を有し、前記第2レーザ光の伝播経路上における大気の揺らぎを検出する。前記制御部は、前記第1検出部及び前記第2検出部の出力に基づいて、前記第1レーザ光の拡がり角及びパワーを制御する制御信号を生成する。
The free-space optical communication device may further include a second detector.
A said 2nd detection part has a light-receiving surface which receives a said 2nd laser beam, and detects the fluctuation|fluctuation of the atmosphere on the propagation path|route of a said 2nd laser beam. The control section generates a control signal for controlling the divergence angle and power of the first laser light based on the outputs of the first detection section and the second detection section.
前記第2検出部は、前記受信部に取り付けられてもよい。 The second detector may be attached to the receiver.
前記空間光通信装置は、前記第1レーザ光の伝播方向を検出する第3検出部をさらに具備してもよい。前記制御部は、前記第3検出部の出力に基づいて、前記送信部から送信される前記第1レーザ光の出射方向を補正するための制御信号を生成してもよい。 The free-space optical communication device may further include a third detector that detects a propagation direction of the first laser beam. The control section may generate a control signal for correcting the emission direction of the first laser beam transmitted from the transmission section based on the output of the third detection section.
前記第3検出部は、前記送信部に配置され前記第1レーザ光の大気による散乱光を撮影するカメラを含んでもよい。
前記カメラは、第1の平面上への前記散乱光の投影像と、前記第1の平面と所定の角度で交差する第2の平面上への前記散乱光の投影像とを取得するように構成されてもよい。
The third detection unit may include a camera that is arranged in the transmission unit and captures the scattered light of the first laser light due to the atmosphere.
The camera acquires a projected image of the scattered light onto a first plane and a projected image of the scattered light onto a second plane that intersects the first plane at a predetermined angle. may be configured.
前記受信部は、前記第2レーザ光を集光する望遠鏡であってもよい。 The receiver may be a telescope that collects the second laser beam.
本発明の一形態に係る空間光通信方法は、
宇宙機へ向けて第1レーザ光を送信し、
前記宇宙機から送信される第2レーザ光を受信し、
前記第2レーザ光の受光強度に基づいて、前記第1レーザ光の拡がり角及びパワーを制御する。
A spatial optical communication method according to one aspect of the present invention includes:
transmitting the first laser beam toward the spacecraft,
receiving a second laser beam transmitted from the spacecraft;
The divergence angle and power of the first laser beam are controlled based on the received light intensity of the second laser beam.
本発明によれば、空間光通信装置は、大気影響に適応しながら、宇宙機との良好な通信を維持することができる。 According to the present invention, a free-space optical communication device can maintain good communication with a spacecraft while adapting to atmospheric influences.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る空間光通信システム100を示す概略構成図である。空間光通信システム100は、空間光通信装置Gと、宇宙機Sとを含み、空間光通信装置Gと宇宙機Sとの間で光通信(衛星通信)を行う。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a spatial
宇宙機Sは、典型的には、人工衛星、宇宙ステーションなどの宇宙空間を移動可能な通信機能を有する構造体を意味する。人工衛星は、静止軌道(GEO:Geostationary Earth Orbit)を周回する静止衛星のほか、地球の自転周期とは無関係に地球低軌道(LEO:Low Earth Orbit)や中軌道(MEO:Medium Earth Orbit)、さらには深宇宙等を飛翔する人工衛星などを含む。すなわち宇宙機Sの地表からの高度は特に制限されない。人工衛星は、典型的には気象衛星や通信衛星などであるが、いかなる目的に基づいて打ち上げられたものであってもよい。 A spacecraft S typically means a structure having a communication function capable of moving in outer space, such as an artificial satellite or a space station. Artificial satellites include geostationary orbit (GEO: Geostationary Earth Orbit), as well as low earth orbit (LEO: Low Earth Orbit) and medium orbit (MEO: Medium Earth Orbit) regardless of the rotation period of the earth. Furthermore, it includes artificial satellites that fly in deep space and the like. That is, the altitude of the spacecraft S from the ground surface is not particularly limited. Artificial satellites are typically meteorological satellites, communication satellites, etc., but may be launched for any purpose.
[空間光通信装置]
空間光通信装置Gは、宇宙機Sとの間で光空間伝送を行う地上局として構成される。空間光通信装置Gは、宇宙機Sから送信される光信号(ダウンリンク)を受信する、あるいは、宇宙機Sとの間で光信号を送受信するための望遠鏡10を備える。本実施形態において望遠鏡10は、主として、宇宙機Sから送信されるダウンリンク(第2レーザ光L2)を受信する受信部として構成される。
[Space optical communication device]
The free-space optical communication device G is configured as a ground station that performs optical space transmission with the spacecraft S. The free-space optical communication device G includes a
第2レーザ光L2は、連続レーザであってもよいし、パルスレーザであってもよい。第2レーザ光L2は、典型的には赤外光であり、その波長は、例えば、1550nmあるいは1064nmである。 The second laser beam L2 may be a continuous laser beam or a pulse laser beam. The second laser light L2 is typically infrared light and has a wavelength of, for example, 1550 nm or 1064 nm.
望遠鏡10は、地上に設置された基台11に設置される。基台11は、望遠鏡10の姿勢を調整する調整機構11aを有し、望遠鏡10は、宇宙機Sを追尾可能に基台11に支持される。基台11は、予報値に従って宇宙機Sを追尾するように望遠鏡10の光軸の方位及び/または仰角を制御する。予報値とは、宇宙機Sの軌道から計算される宇宙機Sの空間座標であり、基台11の設置場所から宇宙機Sまでの空間伝送路の第1レーザ光L1または第2レーザ光L2の波長における屈折率を考慮したものであってもよい。
A
望遠鏡10の口径は特に限定されず、例えば、30cm~10mである。望遠鏡10の開口は単数に限られず、複数であってもよい。望遠鏡10は、集光した第2レーザ光L2を電気信号に変換し、受信情報の解析等の所定の信号処理を施す信号処理部(図示せず)を有する。
The diameter of the
なお空間光通信装置Gは、地上局として構成される例に限られず、車両や船舶、航空機等の移動体に搭載されてもよい。また、空間光通信装置Gは、ゲートウェイや地上に設置された地上通信ネットワーク、車両、船舶、航空機等をはじめとした通信体と接続されてもよい。この場合、上記ゲートウェイや地上通信ネットワーク、通信体等は、空間光通信装置Gを介して、宇宙機Sとの間で光信号の送受信を行う。 Note that the free-space optical communication device G is not limited to being configured as a ground station, and may be mounted on a moving object such as a vehicle, ship, or aircraft. Further, the free-space optical communication device G may be connected to a communication body such as a gateway, a ground communication network installed on the ground, a vehicle, a ship, an aircraft, or the like. In this case, the gateway, ground communication network, communication body, etc. transmit and receive optical signals to and from the spacecraft S via the free-space optical communication device G. FIG.
空間光通信装置Gは、送信部20と、第2検出部としてのシーイングモニタ31と、第1検出部としての受光強度モニタ32と、第3検出部としてのビームモニタ33と、制御部40とを備える。
送信部20は、宇宙機Sへ向けて送信される第1レーザ光L1を出射する。シーイングモニタ31は、宇宙機Sから送信される第2レーザ光L2に基づいて、第2レーザ光L2の伝播経路上における大気の状態(あるいは当該大気の状態を反映したビーム位置情報)を検出する。受光強度モニタ32は、第2レーザ光L2の受光強度を検出する。ビームモニタ33は、第1レーザ光L1の出射方向を検出する(本実施形態では、ビームワンダの影響を受けたビーム出射角度(方位、仰角)を検出するために、第1レーザ光L1の散乱光L1sをモニタする)。制御部40は、予報値に従って宇宙機Sを追尾可能に望遠鏡10の光軸の方位、仰角を制御する。制御部40は、シーイングモニタ31、受光強度モニタ32及びビームモニタ33の出力に基づいて送信部20を制御する。
空間光通信装置Gは、第1レーザ光L1の出射方向上空を観察する観測器34をさらに備える。
The free-space optical communication device G includes a
The
The free-space optical communication device G further includes an
宇宙機Sと空間光通信装置Gとの間の光空間伝送は、雲が存在しない空間(地球大気下)で行われるが、宇宙機Sから空間光通信装置Gへ向けて送信されるダウンリンクが大気擾乱の影響を受け、受信側で受光可能な電力が減少して通信品質が低下することがある。このため、地上局G側で宇宙機Sに向けてアップリンクを連続あるいは短時間照射することで地上局Gの方向を宇宙機Sへ知らせて、ダウンリンクを地上局の方向へ誘導している。
しかしながら、アップリンクも同様に大気影響を受けて宇宙機Sに到達しないことが多く、単純なアップリンク照射では効果が小さい。
そこで本実施形態の空間光通信装置Gは、シーイングモニタ31等によって検出されるダウンリンク(第2レーザ光L2)の光学特性に基づいて、宇宙機Sへ向けて出射されるアップリンク(第1レーザ光L1)の拡がり角及びパワーを制御するように構成される。以下、その詳細について説明する。
The optical space transmission between the spacecraft S and the spatial optical communication device G is performed in a cloud-free space (under the earth's atmosphere). is affected by atmospheric turbulence, the power that can be received by the receiving side decreases, and the communication quality deteriorates. For this reason, the ground station G irradiates the uplink toward the spacecraft S continuously or for a short period of time to inform the spacecraft S of the direction of the ground station G and guide the downlink in the direction of the ground station. .
However, the uplink is similarly affected by the atmosphere and often does not reach the spacecraft S, and simple uplink irradiation is less effective.
Therefore, the free-space optical communication device G of this embodiment uses the optical characteristics of the downlink (the second laser beam L2) detected by the seeing
(送信部)
送信部20は、アップリンク用の第1レーザ光L1を生成するレーザ光源を有する。第1レーザ光L1は、主として、宇宙機Sのダウンリンクを空間光通信装置Gへ向けて出射させるための誘導光として機能する。第1レーザ光L1は、連続レーザであってもよいし、パルスレーザであってもよい。第1レーザ光L1は、典型的には赤外光であり、その波長は、例えば、1550nmあるいは1064nmである。第1レーザ光L1の拡がり角、パワーも特に限定されず、例えば、拡がり角が50μrad~1mrad、パワーが1W~数10kW(例えば、50kW)である。
(Transmitter)
The
送信部20は、望遠鏡10の外周部に取り付けられることで、望遠鏡10と一体的に基台11に対して相対移動可能に構成される。送信部20における第1レーザ光L1の出射光軸は、望遠鏡10の光軸と平行に設置される。本実施形態では、多連のレーザ出射ユニットを有し、各々のレーザ出射ユニットが宇宙機Sへ向けて第1レーザ光L1を出射するように構成される。なお勿論、レーザ出射ユニットは複数である場合に限られず、単数であってもよい。また、送信部20は、望遠鏡10の外周部に取り付けられる例に限られず、望遠鏡10の内部に配置されてもよい。
The
図2は、送信部20の一構成例を示す概略図である。送信部20は、ケーシング21と、複数(本例では2つ)のレーザ出射ユニット22とを有する。レーザ出射ユニット22は、ケーシング21の内部に配置され、レーザ光源221、レンズユニット222、出射ミラー223、シャッタ224等をそれぞれ有する。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of the
ケーシング21は、望遠鏡10の外周部に固定される。ケーシング21の光出射面には、各レーザ出射ユニット22から出射する第1レーザ光L1を透過させる窓部21W(図1参照)が設けられる。レーザ光源221は、第1レーザ光L1を出射するレーザダイオードであり、レンズユニット222は、レーザ光源221からの出射光の拡がり角を任意に調整可能な複数のレンズを含む。レンズユニット222には、典型的にはビームエクスパンダと呼ばれるレンズユニットを用いることができる。出射ミラー223は、レンズユニット222からの出射光を窓部21Wへ導く複数のミラー素子を含む。当該複数のミラーは、典型的には、窓部21Wからの第1レーザ光L1の出射角をその光軸に関して相互に直交する2軸方向について個々に調整可能な複数の可変ミラーを含む。シャッタ224は、レーザ光の出射経路の任意の位置に配置され、レーザ光源221からの出射光を遮蔽可能に構成される。
A
送信部20は、各レーザ光源221へ電力を供給する駆動回路23と、各レーザ光源221へ供給される電流値を調整する増幅器24とをさらに有する。レーザ出射ユニット22、駆動回路23及び増幅器24は、後述する制御部40からの指令に基づいて個々に制御されることが可能に構成される。
The
(シーイングモニタ)
シーイングモニタ31は、宇宙機Sから空間光通信装置Gへ向けて送信される第2レーザ光L2の伝播経路上における大気の状態を検出する。本実施形態では、大気の状態を反映した第2レーザ光L2のビームポジションを位置情報として検出するため、シーイングモニタ31として、DIMM(Differential Image Motion Monitor)が採用される。
(seeing monitor)
The seeing
ここで、大気の状態とは、典型的には、大気の揺らぎ(seeing)を意味する。大気の揺らぎは、気象条件、大気汚染、周囲の地形、時間、季節等により変動する。宇宙機Sと空間光通信装置Gとの間における空間光伝送は、地上の大気の影響(例えば、連続的な屈折率変化)を強く受けるため、この大気影響を踏まえて、誘導光としてのアップリンク(第1レーザ光L1)が宇宙機Sへ到達するようにその拡がり角、送信強度、送信方向があらかじめ設定される。
しかし、大気の揺らぎのパターンは時々刻々と変化するため、アップリンクの送信条件が固定されると、大気状態の変化によって宇宙機Sによるアップリンク(第1レーザ光L1)の捕捉が不十分となり、アップリンクの到来方向の検出精度が低下するとともに、空間光通信装置Gにおいてはダウンリンク(第2レーザ光L2)の受光強度が低下し、通信品質が劣化する。
そこで本実施形態では、シーイングモニタ31により大気状態を検出し、その検出信号に基づいて、アップリンク用の第1レーザ光L1の拡がり角及び送信強度をリアルタイムで補正することで、宇宙機Sと空間光通信装置Gとの間の最適な通信環境を維持する。
Here, the state of the atmosphere typically means the fluctuation (seeing) of the atmosphere. Atmospheric turbulence varies depending on weather conditions, air pollution, surrounding terrain, time, season, and so on. Spatial optical transmission between the spacecraft S and the free-space optical communication device G is strongly affected by the ground atmosphere (for example, continuous refractive index change). The spread angle, transmission intensity, and transmission direction are set in advance so that the link (first laser beam L1) reaches the spacecraft S.
However, since the pattern of atmospheric fluctuations changes from moment to moment, if the uplink transmission conditions are fixed, the uplink (first laser beam L1) acquisition by the spacecraft S becomes insufficient due to changes in atmospheric conditions. , the detection accuracy of the direction of arrival of the uplink is lowered, and the received light intensity of the downlink (the second laser beam L2) is lowered in the free-space optical communication device G, thereby degrading the communication quality.
Therefore, in this embodiment, the atmospheric condition is detected by the seeing
図3は、宇宙機Sから空間光通信装置Gへ送信されるダウンリンク(第2レーザ光L2)の大気の揺らぎによる影響を説明する模式図である。図3に示すように、宇宙機Sから送信される第2レーザ光L2の波面L2wは、宇宙空間では平面であるのに対し、大気中では歪み面となる。この歪みの程度は、大気状態によって変化し、大気揺らぎの強度が大きいほど大きくなる結果、焦点位置がシフトする。このように、シーイングモニタ31において第2レーザ光L2の焦点位置のシフト量を検出することで、第2レーザ光L2の伝播経路における大気の揺らぎの強度を検出することが可能となる。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the influence of atmospheric fluctuations on the downlink (second laser beam L2) transmitted from the spacecraft S to the free-space optical communication device G. As shown in FIG. As shown in FIG. 3, the wavefront L2w of the second laser beam L2 transmitted from the spacecraft S is flat in outer space, but is distorted in the atmosphere. The degree of this distortion varies depending on atmospheric conditions, and increases as the intensity of atmospheric fluctuation increases, resulting in a shift of the focal position. In this way, by detecting the shift amount of the focal position of the second laser beam L2 in the seeing
図4は、シーイングモニタ31の一構成例を示す概略斜視図である。シーイングモニタ31は、例えば直径10cm以下の反射望遠鏡構造を有する。シーイングモニタ31は、望遠鏡10の外周部に固定された筒部311と、筒部311の先端に相互に離間して配置された2つのプリズム(あるいはウェッジ)312と、プリズム312を介して筒部311へ進行した第2レーザ光L2を反射する第1ミラー313及び第2ミラー314と、第2ミラー314の反射光を受光する受光面315aを有する赤外線カメラ315とを有する。
FIG. 4 is a schematic perspective view showing a configuration example of the seeing
図5は、受光面315aにおける第2レーザ光L2の結像画像を示す模式図である。図においてX軸及びY軸はそれぞれ受光面315aの横軸及び縦軸を示し、Z軸はシーイングモニタ31の光軸(軸心)に相当する。図中、P0は、基準値(受光開始時の初期値)における2つのプリズム312を透過した各レーザ光の焦点位置(以下、基準点ともいう)をそれぞれ示している。シーイングモニタ31は、受光面315a上におけるレーザ光の2つの結像点Pの基準点P0からのX軸及びY軸方向のシフト量(X/Y)を検出する。具体的には、シーイングモニタ31を構成する光学系の焦点距離から求められる入射角と、基準点P0からのX軸及びY軸方向のシフト量とから、公知の方法により、シーイング[arcsec]を算出する。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a formed image of the second laser beam L2 on the
シーイングモニタ31の検出信号は、演算器50(図1参照)へ出力される。演算器50は、赤外線カメラ315で検出された2つの結像点Pの基準点P0からのシフト量から、大気の揺らぎに関するフリードパラメータ(Fried parameter)r0[mm]を算出する。フリードパラメータr0は、シーイングを定量的に評価するための指標であり、所定の演算式によって算出されて制御部40へ出力される。なお、演算器50は、シーイングモニタ31の一部として構成されてもよいし、制御部40の一部として構成されてもよい。また、シーイング及びフリードパラメータの算出処理は、制御部40において実行されてもよい。
A detection signal from the seeing
フリードパラメータr0の算出に際しては、シーイングモニタ31の口径に応じた補正係数が乗じられてもよい。DIMMは一般的に、25cm以上の口径を有し、その大きさよりも小さい口径では計測誤差が大きくなることが知られている。しかし、衛星追尾中に同時にダウンリンク光を計測してアップリング制御をするためには、宇宙通信で想定される望遠鏡口径(0.3m~10m程度)に同架可能な大きさにDIMMを小型化する必要がある。
In calculating the freed parameter r0 , a correction coefficient corresponding to the aperture of the seeing
そこで本実施形態では、シーイングモニタ31に適用される口径10cm以下のDIMMに関して、口径が25cm程度の基準望遠鏡と比較した統計的分析に基づく補正係数を予め算出し、当該補正係数をシーイングモニタ31の出力に乗じて得られる値からフリードパラメータr0を算出するようにしている。これにより、小型化に起因するDIMMの測定誤差による弊害を抑え、大気状態を高精度に計測することが可能となる。
Therefore, in the present embodiment, for a DIMM with a diameter of 10 cm or less applied to the seeing
(受光強度モニタ)
受光強度モニタ32は、宇宙機Sから空間光通信装置Gへ向けて送信される第2レーザ光L2の受光強度を検出する。本実施形態において受光強度モニタ32は、望遠鏡10の外周部にシーイングモニタ31と隣接して配置されるが、取付け位置はこれに限られない。受光強度モニタ32は、単位面積当たりの第2レーザ光L2の受光強度を検出可能な光電変換素子で構成される。
(Received light intensity monitor)
The received light intensity monitor 32 detects the received light intensity of the second laser beam L2 transmitted from the spacecraft S toward the free-space optical communication device G. FIG. In this embodiment, the received light intensity monitor 32 is arranged adjacent to the seeing
図6は、受光強度モニタ32の一構成例を示す模式図である。受光強度モニタ32は、筒部321に集光レンズ322と、集光レンズ322で集光した第2レーザ光L2を受光する受光センサ323とを有する。受光センサ323は、第2レーザ光L2の強度に応じた電流値を出力する光電変換素子であり、その出力(Rx[dBm])が制御部40へ供給される。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration example of the received
(ビームモニタ)
ビームモニタ33は、第1レーザ光L1のビームワンダリングに伴うビーム蛇行を検出する。送信部20から出射されるアップリンク(第1レーザ光L1)もまた、上空の大気の揺らぎ、高度により段階的に変化する屈折率等の影響を受けて強度が減衰し、あるいは伝播方向が蛇行する。この現象をビームワンダリングといい、その様子を図7に模式的に示す。
(beam monitor)
The beam monitor 33 detects beam meandering caused by beam wandering of the first laser beam L1. The uplink (first laser beam L1) emitted from the
アップリンク用の第1レーザ光L1のビームワンダリングに伴うビーム蛇行が所定以上に大きい場合、第1レーザ光L1が宇宙機Sへ到達しにくくなるため、宇宙機Sにとっては、第1レーザ光L1の検出精度が低下する。その結果、ダウンリンク用の第2レーザ光L2の出射方向の精度が低下するため、空間光通信装置Gにおける第2レーザ光L2の受光強度も低下する。そこで本実施形態では、ビームモニタ33によってアップリンク用の第1レーザ光L1のビームワンダリングの影響を受けたビーム蛇行を観測し、その観測値の結果に応じて第1レーザ光L1の出射方向を制御するように構成される。 If the meandering of the first laser beam L1 for uplink due to beam wandering is larger than a predetermined value, the first laser beam L1 is less likely to reach the spacecraft S. Therefore, for the spacecraft S, the first laser beam The detection accuracy of L1 is lowered. As a result, since the accuracy of the emission direction of the second laser beam L2 for downlink is lowered, the received light intensity of the second laser beam L2 in the free-space optical communication device G is also lowered. Therefore, in this embodiment, the beam monitor 33 observes the beam meandering affected by the beam wandering of the first laser beam L1 for uplink, and the emission direction of the first laser beam L1 is determined according to the result of the observation value. is configured to control
具体的には、観測値からビームの出射方向(方位、仰角)を算出し、宇宙機Sの空間位置に関する予報値(方位、仰角)との差分値を計算する。制御部40は、その差分値を打ち消すように第1レーザ光L1の出射方向を補正するための制御信号を生成する。
Specifically, the beam emission direction (azimuth, elevation angle) is calculated from the observed value, and the difference value from the predicted value (azimuth, elevation angle) regarding the spatial position of the spacecraft S is calculated. The
図8及び図9は、ビームモニタ33の一構成例を示す原理図である。ビームモニタ33は、送信部20から上空に出射された第1レーザ光L1の大気中粒子等による散乱光L1sを撮影することが可能に構成される。ビームモニタ33は、筐体331と、筐体331の内部にそれぞれ配置された第1ミラー332、第2ミラー333、第3ミラー334、ビームスプリッタ335、カメラ336及び画像処理部337を有する。
8 and 9 are principle diagrams showing one configuration example of the
第1ミラー332及び第2ミラー333は、送信部20から出射される第1レーザ光L1の大気による散乱光L1s(L1sx,L1sy)を反射する。第1ミラー332で反射した散乱光L1sxは、ビームスプリッタ335を介してカメラ336へ入射する。一方、第2ミラー333で反射した散乱光L1syは、第3ミラー334及びビームスプリッタ335を介してカメラ336へ入射する。この時、ビームスプリッタ335に入射する2つの反射光は所定の角度をなすように、ビームスプリッタ335及び第1ミラー332、第2ミラー333が配置される。なお図8及び図9では、ビームスプリッタ335に入射する2つの反射光が互いに直交するようにビームスプリッタ335及び第1ミラー332、第2ミラー333が配置されている。また、後述するが、カメラ336の撮影画像336vは、画像処理部337へ出力される。
The
図9においてZ軸は、送信部20における第1レーザ光L1の出射中心を示し、X軸及びY軸方向は、Z軸に直交する2軸方向を示している。第1ミラー332は、XZ平面に平行なX面(第1の平面)から見た第1レーザ光L1の散乱光L1sxを反射し、第2ミラー333は、X面と所定の角度で交差(本実施形態では直交)する、XY平面に平行なY面(第2の平面)から見た第1レーザ光L1の散乱光L1syを反射する。カメラ336は、赤外線カメラであり、X面内において屈折あるいは発散しながら進行する第1レーザ光L1のX面上への散乱光L1sxの投影像と、Y面内において屈折あるいは発散しながら進行する第1レーザ光L1のY面上への散乱光L1syの投影像とを同時に取得する。
In FIG. 9, the Z-axis indicates the emission center of the first laser beam L1 in the
図10は、カメラ336で取得された散乱光L1sx,L1syの画像336vを示す図である。カメラ336は、赤外線カメラである。同図において、+X方向と-X方向とのなす角が散乱光L1xの散乱角を、そして、+Y方向と-Y方向とのなす角が散乱光L1yの散乱角にそれぞれ相当する。画像処理部337は、散乱光L1x,L1yの画像を分析することで第1レーザ光L1のビームワンダリングの影響を受けた出射ビームの形状を解析し、制御部40へ出力する。典型的には、制御部40は散乱光L1sxと散乱光L1syの画像を重ね合わせて、第1レーザ光L1の伝播方向を割り出す。なお、伝播方向の算出は、制御部40において実行される場合に限らず、画像処理部337において実行されてもよい。
FIG. 10 is a diagram showing an
なお、ビームモニタ33は、1台のカメラ336で構成される例に限られず、2台のカメラで構成されてもよい。その構成例を図11に模式的に示す。図11において、第1ミラー332及び第2ミラー333で反射した散乱光L1sx,L1syは、それぞれビームスプリッタ338を介して第1カメラ336a及び第2カメラ336bへ入射する。この場合、画像処理部337は、第1カメラ336a及び第2カメラ336bにより取得された散乱光L1sx,L1syの画像から第1レーザ光L1のビームワンダリングの影響を受けた出射ビームの伝播方向を計測する。
Note that the beam monitor 33 is not limited to the example configured with one
(観測器)
観測器34(図1参照)は、上空の雲Cや航空機等の飛翔体Fを観測可能な熱赤外線カメラあるいは可視光カメラなどで構成される。観測器34は、送信部20と一体的に取り付けられ、その出力画像が制御部40へ出力される。制御部40は、観測器34からの出力を監視し、第1レーザ光L1の出射方向に雲Cや飛翔体Fの存在を確認したときは、シャッタ224を駆動して第1レーザ光L1の出射を停止させる。なお、観測器34の視野角はビームモニタ33の視野角よりも広く、これにより第1レーザ光L1の照射領域に接近する雲Cや飛翔体Fを事前に検出することができる。
(Observer)
The observation device 34 (see FIG. 1) is composed of a thermal infrared camera, a visible light camera, or the like capable of observing clouds C in the sky and flying objects F such as aircraft. The
(制御部)
図12は、制御部40の構成を示す機能ブロック図である。
(control part)
FIG. 12 is a functional block diagram showing the configuration of the
制御部40は、空間光通信装置Gの各部の動作を統括的に制御する。制御部40は、典型的には、CPU(Central Processing Unit)やメモリを有するコンピュータで構成される。制御部40は、シーイングモニタ31(あるいは演算器50)、受光強度モニタ32、ビームモニタ33及び観測機34の各出力を取得する取得部41と、取得部41において取得された各モニタの出力に基づいて、第1レーザ光L1のビーム拡がり角(ビーム幅)及びパワーの補正の有無等を判定する判定部42と、判定部42の出力に基づいて送信部20を制御する制御信号を生成する信号生成部43を有する。
The
[空間光通信装置の動作]
以下、制御部40の構成の詳細について、空間光通信装置Gの動作と併せて説明する。図13は、空間光通信装置Gの各部の動作を時系列的に示すシーケンス図、図14及び図15は、制御部40において実行される処理手順の一例を示すフローチャートである。
[Operation of Spatial Optical Communication Device]
The details of the configuration of the
空間光通信装置Gは、図1に示すように、送信部20から宇宙機Sへ向けてアップリンク用の第1レーザ光L1を送信し、宇宙機Sは、第1レーザ光L1の到来方向に向けてダウンリンク用の第2レーザ光L2を送信する。望遠鏡10は、第2レーザ光L2を集光し、所定の信号処理を施す。
As shown in FIG. 1, the free-space optical communication device G transmits the first laser beam L1 for uplink from the
制御部40は、第2レーザ光L2の受光強度Rx等に基づき、後述する第1~第3のループ処理を実行することで、第1レーザ光L1を出射する送信部20を制御する。
The
(第1のループ処理)
制御部40は、シーイングモニタ31及び演算器50の出力に基づいて大気の揺らぎ(シーイング)及びフリードパラメータr0を取得あるいは算出する(ステップ101,102)。また、制御部40は、受光強度モニタ32の出力に基づいて第2レーザ光L2の受光強度Rxを取得あるいは算出する(ステップ103)。
(First loop processing)
The
続いて、制御部40は、第2レーザ光L2の受光強度Rxが、所定の強度範囲に達しているか否かを判定する(ステップ104)。所定の強度範囲とは、典型的には、望遠鏡10による受信信号の信号処理を適切に行うのに必要な第2レーザ光L2の強度範囲をいい、任意の一点(ターゲット値)であってもよいが、制御の安定性を高めるため、本例では上記ターゲット値を中心とする所定範囲に設定される。
Subsequently, the
第2レーザ光L2の受光強度Rxが所定の強度範囲内であるときは、大気の揺らぎに変動がないものとみなすことができる。したがって、この場合、制御部40は、第1レーザ光L1の現在の出射条件(ビーム拡がり角、送信パワー(Tx))をそのまま維持し(ステップ105,106)、上述のステップ101~106の処理(以下、第1のループ処理ともいう)を繰り返す。
When the received light intensity Rx of the second laser beam L2 is within the predetermined intensity range, it can be considered that there is no fluctuation in atmospheric fluctuations. Therefore, in this case, the
なお上述の例では、第2レーザ光L2の受光強度Rxのみを監視対象として第1のループ処理を実行したが、これに限られず、図16に示すように、第2レーザ光L2のビームワンダw及び第2レーザ光L2の受光強度Rxの双方を監視対象として第1のループ処理を実行してもよい(後述する第2のループ処理についても同様)。この場合、例えば、ステップ102とステップ103との間に第2のレーザ光L2のビームワンダwを算出する処理102aが追加される(図16参照)。第2のレーザ光L2のビームワンダwは、ステップ102で取得されたフリードパラメータ、第2レーザ光L2のレーザ波長とビーム径、伝播距離等に基づいて算出することができる。 In the above-described example, the first loop processing is executed with only the received light intensity Rx of the second laser beam L2 as the monitoring object. The first loop process may be executed with both w and the received light intensity Rx of the second laser beam L2 as monitoring targets (the same applies to the second loop process described later). In this case, for example, a process 102a for calculating the beam wander w of the second laser light L2 is added between steps 102 and 103 (see FIG. 16). The beam wander w of the second laser beam L2 can be calculated based on the Freed parameter obtained in step 102, the laser wavelength and beam diameter of the second laser beam L2, the propagation distance, and the like.
(第2のループ処理)
第2レーザ光L2の受光強度が所定強度範囲に収まらない要因として、大気揺らぎが経時的に変動し、これにより宇宙機Sへ到達する第1レーザ光L1の強度が減衰し、宇宙機Sで捕捉される第1レーザ光L1の到来方向を精度よく検出することができなくなったことが挙げられる。そこで、第2のループ処理においては、宇宙機Sが第1レーザ光L1の到来方向を精度よく検出することができるように、送信部20から出射される第1レーザ光L1の拡がり角及び送信パワーTxが補正される。
(Second loop processing)
One of the reasons why the received light intensity of the second laser beam L2 does not fall within the predetermined intensity range is that atmospheric fluctuations change over time. One reason is that the incoming direction of the captured first laser beam L1 cannot be accurately detected. Therefore, in the second loop process, the divergence angle and transmission angle of the first laser beam L1 emitted from the
制御部40は、第2レーザ光L2の受光強度が所定の強度範囲内ではないと判定したとき、第2のループ処理(ステップ108~112)を実行する。本実施形態では、第2のループ処理が所定値を超えて連続してN回繰り返されたとき、図15に示す第3のループ処理が実行される(ステップ107)。
When the
制御部40は、第2レーザ光L2の受光強度が所定の強度範囲未満であるか否かを判定する(ステップ108)。そして、ステップ108における判定結果が「Yes」の場合、制御部40は、第1レーザ光L1のビーム拡がり角を現在値のn(nは1より大きい正数)倍大きく、送信パワー(Tx)が現在値のn2倍大きくするための制御信号を生成し、これを送信部20へ出力する(ステップ109,110)。
The
これにより、第1レーザ光L1のビーム幅が広げられるため、宇宙機Sへ到達する第1レーザ光L1の光量を高めることができる。その結果、宇宙機Sで捕捉される第1レーザ光L1の到来方向を精度よく検出することができるため、宇宙機Sから空間光通信装置Gへ向けて送信される第2レーザ光L2の方向精度が高まり、その受光強度Rxを高めることができる。また、ビーム拡がり角の拡大に合わせて送信パワーTxも同時に増大させるため、ビーム拡がり角の拡大に伴う単位面積当たりの光エネルギの低下が抑えられる。 As a result, the beam width of the first laser beam L1 is widened, so that the light amount of the first laser beam L1 reaching the spacecraft S can be increased. As a result, the direction of arrival of the first laser beam L1 captured by the spacecraft S can be detected with high accuracy. Accuracy is improved, and the received light intensity Rx can be increased. In addition, since the transmission power Tx is also increased in accordance with the expansion of the beam divergence angle, the decrease in light energy per unit area due to the expansion of the beam divergence angle can be suppressed.
第1レーザ光L1の拡がり角は、送信部20のレンズユニット222における各レンズ間距離を調整することで任意の大きさに変更でき、送信パワーTxは、送信部20の増幅器24を調整することで任意の大きさに変更できる。
The divergence angle of the first laser beam L1 can be changed to any size by adjusting the distance between each lens in the
nの値は固定値でもよいし、第2レーザ光L2の受光強度Rx(あるいは、ビームワンダw)の所定範囲からのシフト量に対応して予め定められた可変値であってもよい。nの値は、ビーム拡がり角及び送信パワーの制御量として同一の値であってもよいし、異なる値であってもよい。また、nの値は、ステップ101において取得した大気の揺らぎに関する情報やステップ102において取得したフリードパラメータ等から、所定のテーブルあるいはアルゴリズムに基づいて動的に変化させてもよい。 The value of n may be a fixed value, or a variable value predetermined corresponding to the amount of shift from the predetermined range of the received light intensity Rx (or beam wander w) of the second laser beam L2. The value of n may be the same value as the beam divergence angle and transmission power control amount, or may be different values. Also, the value of n may be dynamically changed based on a predetermined table or algorithm based on the information on atmospheric fluctuations obtained in step 101, the Freed parameter obtained in step 102, and the like.
nの値は特に限定されず、典型的には、1.5以上10以下の数値であり、望ましくは、2以上5以下である。大気の状態にもよるが、nの値が1.5未満の場合には、宇宙機Sが第1レーザ光L1を捕捉する効果が十分とはいえない場合がある。また、nの値が10を超える場合には、第1レーザ光L1の送信パワーが過大となり、空間光通信装置Gにおける電力の効率的な運用に支障をきたす可能性がある。 The value of n is not particularly limited, and is typically a numerical value of 1.5 or more and 10 or less, preferably 2 or more and 5 or less. Although it depends on the state of the atmosphere, if the value of n is less than 1.5, the effect of the spacecraft S capturing the first laser beam L1 may not be sufficient. Also, if the value of n exceeds 10, the transmission power of the first laser beam L1 becomes excessive, and there is a possibility that efficient operation of power in the free-space optical communication device G will be hindered.
なお、ステップ108における判定結果が「No」の場合、制御部40は、第1レーザ光L1のビーム拡がり角を現在値のn(nは1より大きい正数)倍小さく、送信パワー(Tx)が現在値のn2倍小さくするための制御信号を生成し、これを送信部20へ出力する(ステップ112,113)。これにより、第1レーザ光L1のビーム幅が狭められるとともに送信パワーも低減されるため、第1レーザ光L1の過剰出力を抑えることができる。
If the determination result in step 108 is "No", the
制御部40は、上述の第2のループ処理の実行後、第1のループ処理を再度実行する。制御部40は、第2レーザ光L2の受光強度Rx(あるいは、受光強度Rxおよびビームワンダw(図16))がそれぞれ所定範囲に収まるまで、第2のループ処理を繰り返し実行する。
After executing the above-described second loop process, the
以上のように、時々刻々と変化する大気状態に応じてアップリンク用の第1レーザ光L1の出射条件をリアルタイムで補正することで、宇宙機Sから送信される第2レーザ光L2の安定した受信を維持することができる。したがって本実施形態によれば、時々刻々と変化する大気状態に追従可能な適応性の高い空間光通信を実現することができる。 As described above, by correcting the emission condition of the first uplink laser beam L1 in real time according to the atmospheric conditions that change from moment to moment, the second laser beam L2 transmitted from the spacecraft S can be stabilized. Reception can be maintained. Therefore, according to this embodiment, it is possible to realize highly adaptable free-space optical communication that can follow atmospheric conditions that change from moment to moment.
一方、上述の第2のループ制御を複数回実行しても、第2レーザ光L2の受光強度Rxが所定強度範囲にならない場合がある。そこで本実施形態では、第2のループ処理をN回連続して実行した後でも受光強度Rxが所定範囲に入らない場合(ステップ108において「Yes」)、制御部40は、第3のループ処理を実行するように構成される。Nの値は任意に設定可能であり、例えば、3以上の自然数に設定される。
On the other hand, even if the above-described second loop control is executed multiple times, the received light intensity Rx of the second laser beam L2 may not fall within the predetermined intensity range. Therefore, in the present embodiment, if the received light intensity Rx does not fall within the predetermined range even after the second loop process is executed N times in succession ("Yes" in step 108), the
(第3のループ処理)
上述の第2のループ処理を実行しても第2レーザ光L2の受光強度Rxが所定範囲に収まらない要因として、送信部20から出射される第1レーザ光L1が大気状態あるいはその変動により目標地点(宇宙機S)へ適切に到達していないことが挙げられる。そこで、第3のループ処理においては、第1レーザ光L1が目標地点へ適切に到達するように、送信部20からの第1レーザ光L1の出射方向が修正される。
(Third loop processing)
Even if the above-described second loop processing is executed, the received light intensity Rx of the second laser beam L2 does not fall within the predetermined range. For example, the point (spacecraft S) is not properly reached. Therefore, in the third loop process, the emission direction of the first laser beam L1 from the
第3のループ処理では、図15に示すように、制御部40は、ビームモニタ33から第1レーザ光L1の大気での散乱光L1sx,L1syの撮像データを取得する(ステップ201)。制御部40は、ビームモニタ33のカメラ336による撮影画像から、X面及びY面(図9参照)における第1レーザ光L1の散乱光L1sのビームポジション(送信部20からの出射方向。以下同じ)を検出する(ステップ202,203)。図9に示した例では、X面におけるビームポジションは、カメラ336へ直接的に入射する散乱光L1sxの画像から求められ、Y面におけるビームポジションは、X軸上に設置された第3ミラー334を介してカメラ336へ入射する散乱光L1syの画像から求められる。
In the third loop process, as shown in FIG. 15, the
制御部40は、上記X面及びY面のビームポジションから与えられた第1レーザ光散乱光L1sの2次元座標をそれぞれ計算し、決定する(ステップ204,205、図10)。これにより、X面及びY面の各面における第1レーザ光L1の伝播方向を把握でき、これらを重ね合わせることで上空のどの地点に第1レーザ光L1が位置するかを推定することができる。
The
制御部40は、X面及びY面におけるビームポジションから第1レーザ光L1が目標地点に向かって進行しているか否かを判定する(ステップ206)。ここでの判定結果が「No」の場合、制御部40は、X面及びY面のうち少なくとも1つの面においてビームポジションが当初の設定値よりも所定方向にシフトしていると判断したとき、当該シフト量を消失させる方向に送信部20の出射ミラー223を調整する(ステップ207,208,209)。これにより、第1レーザ光L1の宇宙機Sへの到達精度が高まる結果、宇宙機Sから送信される第2レーザ光L2の受光強度Rxの向上を図ることができる。
The
なお、X面及びY面におけるビームポジションから第1レーザ光L1が目標地点に向かって進行していると判定された場合(ステップ206において「Yes」)、受光強度Rxの低下が別の要因に基づくものと判断されるため、制御部40は、第1レーザ光L1の出射方向を現状の設定値に維持したまま処理を終了する(ステップ210)。
If it is determined that the first laser beam L1 is traveling toward the target point from the beam positions in the X plane and the Y plane ("Yes" in step 206), another factor is the decrease in the received light intensity Rx. Therefore, the
以上のように本実施形態の空間光通信装置Gは、宇宙機Sからのダウンリンク(第2レーザ光L2)の受光強度Rxが目標値となるようにアップリンク(第1レーザ光L1)の出射条件を自動的に補正する。これにより、時々刻々と変化する大気状態に追従して、アップリンクの最適化を図ることができ、これにより大気影響によらずに安定した通信品質を確保することができる。 As described above, the free-space optical communication device G according to the present embodiment is configured so that the received light intensity Rx of the downlink (second laser beam L2) from the spacecraft S becomes the target value. Automatically corrects the extraction conditions. As a result, it is possible to optimize the uplink by following the atmospheric conditions that change from moment to moment, thereby ensuring stable communication quality without being influenced by the atmosphere.
また本実施形態によれば、シーイングモニタ31及び受光強度モニタ32が宇宙機Sを追尾する望遠鏡10と一体的に取り付けられているため、上述したダウンリンクに基づくアップリンク最適化制御の信頼性を高めることができる。
Further, according to this embodiment, since the seeing
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be modified in various ways.
例えば以上の実施形態では、宇宙機との光通信を例に挙げて説明したが、これに限られない。例えば、地球大気を伝送路に挟んで宇宙機と地上局間においてレーザにより距離計測するシステム(光衛星測距、能動デブリ観測)、地球大気を伝送路に挟んで宇宙機と受電設備間においてレーザによりエネルギを伝送するシステム(光エネルギ伝送)等にも、本発明は適用可能である。また、空間光通信装置に用いるレーザについて、典型例である赤外線レーザとして説明してきたが、これに限るものではなく、可視光を用いてもよい。 For example, in the above embodiments, optical communication with a spacecraft has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, a system that uses a laser to measure the distance between a spacecraft and a ground station with the earth's atmosphere in between (optical satellite ranging, active debris observation), The present invention can also be applied to a system for transmitting energy by means of light (optical energy transmission). Further, although the laser used in the free-space optical communication device has been described as a typical example of an infrared laser, the laser is not limited to this, and visible light may be used.
また、以上の実施形態では、第1検出部としてのシーイングモニタ31、第2検出部としての受光強度モニタ32等が望遠鏡10の外周部に一体的に取り付けられた例を説明したが、これらの検出部を望遠鏡の内部に設置することも可能である。また、第2検出部としての受光強度モニタは、望遠鏡において集光されたダウンリンクレーザ光の受光センサで構成されてもよい。
In the above embodiment, the seeing
さらに以上の実施形態では、大気の状態(シーイングモニタ31の出力)と第2レーザ光L2の受光強度(受光強度モニタ32の出力)とに基づいて第1レーザ光L1の拡がり角及び出射強度を制御するように構成されたが、これに限られない。例えば、第2レーザ光L2の受光強度のみに基づいて第1レーザ光L1の上記条件を制御するようにしてもよい。
同様に、第1レーザ光L1の出射方向(ビームポジション)の検出に図8~図11に示したビームモニタ33を用いたが、これに限られず、第1レーザ光L1の出射方向を検出可能な他の構成のビームモニタが採用されてもよい。
Furthermore, in the above embodiment, the divergence angle and emission intensity of the first laser beam L1 are determined based on the state of the atmosphere (output of the seeing monitor 31) and the received light intensity of the second laser beam L2 (output of the received light intensity monitor 32). Although configured to control, it is not limited to this. For example, the above conditions for the first laser beam L1 may be controlled based only on the received light intensity of the second laser beam L2.
Similarly, the beam monitor 33 shown in FIGS. 8 to 11 is used to detect the emission direction (beam position) of the first laser beam L1, but the detection is not limited to this, and the emission direction of the first laser beam L1 can be detected. Other configurations of beam monitors may be employed.
10…望遠鏡
20…送信部
31…シーイングモニタ(第2検出部)
32…受光強度モニタ(第1検出部)
33…ビームモニタ(第3検出部)
34…観測器
40…制御部
G…空間光通信装置
L1…第1レーザ光(アップリンク)
L2…第2レーザ光(ダウンリンク)
S…宇宙機
DESCRIPTION OF
32... Received light intensity monitor (first detector)
33... Beam monitor (third detector)
34...
L2: second laser light (downlink)
S…Spacecraft
Claims (6)
前記宇宙機から送信される第2レーザ光を受信する受信部と、
前記第2レーザ光の受光強度を検出する第1検出部と、
前記第2レーザ光を受光する受光面を有し、前記第2レーザ光の伝播経路上における大気の揺らぎを検出する第2検出部と、
前記第1レーザ光の出射方向を検出する第3検出部と、
前記第1検出部、前記第2検出部及び前記第3検出部の出力に基づいて、前記第1レーザ光を制御する制御信号を生成する制御部と
を具備し、
前記制御部は、
前記第2レーザ光の受光強度が所定範囲未満のときは、前記第1レーザ光の拡がり角を拡大させるとともにパワーを増加させる制御信号を生成する第1の処理を実行し、
前記第2レーザ光の受光強度が前記所定範囲を超えるときは、前記第1レーザ光の拡がり角を狭めるとともにパワーを減少させる制御信号を生成する第2の処理を実行し、
前記第1の処理又は前記第2の処理を所定回数繰り返しても前記第2レーザ光の受光強度が前記所定範囲に収まらないときは、前記第1レーザ光のビームワンダリングに伴うビーム蛇行を検出して出射方向を補正するための制御信号を生成する第3の処理を実行する
空間光通信装置。 a transmitter that transmits the first laser beam toward the spacecraft;
a receiver that receives a second laser beam transmitted from the spacecraft;
a first detection unit that detects the received light intensity of the second laser light;
a second detection unit having a light receiving surface for receiving the second laser beam and detecting atmospheric fluctuations on the propagation path of the second laser beam;
a third detection unit that detects the emission direction of the first laser light;
a control unit that generates a control signal for controlling the first laser light based on the outputs of the first detection unit , the second detection unit, and the third detection unit ;
The control unit
performing a first process of generating a control signal for increasing the divergence angle of the first laser beam and increasing the power thereof when the received light intensity of the second laser beam is less than a predetermined range;
executing a second process of generating a control signal for narrowing the divergence angle of the first laser beam and reducing the power when the received light intensity of the second laser beam exceeds the predetermined range;
When the received light intensity of the second laser light does not fall within the predetermined range even after repeating the first process or the second process a predetermined number of times, beam meandering due to beam wandering of the first laser light is detected. to generate a control signal for correcting the emission direction.
Spatial optical communication device.
前記第2検出部は、前記受信部に取り付けられる
空間光通信装置。 The free-space optical communication device according to claim 1 ,
The free-space optical communication device, wherein the second detector is attached to the receiver.
前記第3検出部は、前記送信部に配置され前記第1レーザ光の大気による散乱光を撮影するカメラを含む
空間光通信装置。 The free-space optical communication device according to claim 1 or 2 ,
The free-space optical communication device, wherein the third detection unit includes a camera that is arranged in the transmission unit and captures the scattered light of the first laser light due to the atmosphere.
前記カメラは、第1の平面上への前記散乱光の投影像と、前記第1の平面と所定の角度で交差する第2の平面上への前記散乱光の投影像とを取得する
空間光通信装置。 The free-space optical communication device according to claim 3 ,
The camera acquires a projected image of the scattered light onto a first plane and a projected image of the scattered light onto a second plane that intersects the first plane at a predetermined angle. Spatial light Communication device.
前記受信部は、前記第2レーザ光を集光する望遠鏡である
空間光通信装置。 The free-space optical communication device according to any one of claims 1 to 4 ,
The free-space optical communication device, wherein the receiving unit is a telescope that collects the second laser light.
受信部により前記宇宙機から送信される第2レーザ光を受信し、
第1検出部により前記第2レーザ光の受光強度を検出し、
第2検出部により前記第2レーザ光の伝播経路上における大気の揺らぎを検出し、
第3検出部により前記第1レーザ光の出射方向を検出し、
前記第2レーザ光の受光強度が所定範囲未満のときは、前記第1レーザ光の拡がり角を拡大させるとともにパワーを増加させる制御信号を生成する第1の処理を実行し、
前記第2レーザ光の受光強度が前記所定範囲を超えるときは、前記第1レーザ光の拡がり角を狭めるとともにパワーを減少させる制御信号を生成する第2の処理を実行し、
前記第1の処理又は前記第2の処理を所定回数繰り返しても前記第2レーザ光の受光強度が前記所定範囲に収まらないときは、前記第1レーザ光のビームワンダリングに伴うビーム蛇行を検出して出射方向を補正するための制御信号を生成する第3の処理を実行する
空間光通信方法。 transmitting the first laser beam toward the spacecraft by the transmission unit ;
receiving a second laser beam transmitted from the spacecraft by a receiving unit ;
Detecting the received light intensity of the second laser light by the first detection unit,
detecting atmospheric fluctuations on the propagation path of the second laser light by a second detection unit;
detecting the emission direction of the first laser light by a third detection unit;
performing a first process of generating a control signal for increasing the divergence angle of the first laser beam and increasing the power thereof when the received light intensity of the second laser beam is less than a predetermined range;
executing a second process of generating a control signal for narrowing the divergence angle of the first laser beam and reducing the power when the received light intensity of the second laser beam exceeds the predetermined range;
When the received light intensity of the second laser light does not fall within the predetermined range even after repeating the first process or the second process a predetermined number of times, beam meandering due to beam wandering of the first laser light is detected. to generate a control signal for correcting the emission direction.
Spatial optical communication method.
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