JP7130175B2 - optical space communication device - Google Patents
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Description
本開示は、衛星との間で通信を行う光空間通信装置に関する。 The present disclosure relates to a space optical communication device that communicates with a satellite.
光空間通信装置は、信号光を空間に出射することで、衛星との間で通信を行う。光空間通信装置は、信号光を用いるため、広がり角が小さく、秘匿性に優れる。また、光空間通信装置は、ファイバの敷設が困難な地域において、大容量通信が可能である。 A space optical communication device communicates with a satellite by emitting signal light into space. Since the optical space communication device uses signal light, it has a small spread angle and is excellent in confidentiality. In addition, the free-space optical communication device is capable of large-capacity communication in areas where fiber laying is difficult.
光空間通信が出射する信号光は、広がり角が小さい。よって、光空間通信装置は、衛星との通信を確立するため、当該衛星に対して高精度に捕捉追尾を行い、信号光を出射する必要がある。 Signal light emitted from optical space communication has a small spread angle. Therefore, in order to establish communication with a satellite, the optical space communication device must acquire and track the satellite with high precision and emit signal light.
これに対して、通信用の信号光とは別に、初期補足用の光を用いて、通信を確立する手法が知られている(例えば特許文献1参照)。 On the other hand, there is known a method of establishing communication by using light for initial supplementation separately from signal light for communication (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、光空間通信装置が初期捕捉用の光を用いて通信を確立すると、通信の確立後に衛星が想定外の挙動をした場合に捕捉追尾が困難となる。 However, when the optical space communication device establishes communication using light for initial acquisition, acquisition and tracking becomes difficult if the satellite behaves unexpectedly after communication is established.
本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、初期捕捉用の光を用いずに、リアルタイムに衛星の補足追尾が可能な光空間通信装置を提供することを目的としている。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide an optical space communication device capable of supplemental tracking of satellites in real time without using light for initial acquisition. .
本開示に係る光空間通信装置は、注入電流に応じた光を出力する基準光源と、基準光源により出力された光を単一の局発光及び複数の信号光に分配する信号分配部と、信号分配部により得られた信号光に対して位相を変調する位相変調部と、位相変調部による変調後の信号光を増幅する光増幅部と、光増幅部による増幅後の信号光と信号分配部により得られた局発光とを合波して空間に出射する光フェーズドアレイ光学部と、光増幅部による増幅後の信号光及び信号分配部により得られた局発光からビート信号を得て、当該信号光及び衛星からの信号光からベースバンド信号を得る光受信部と、光受信部により得られたベースバンド信号に基づいて、ベースバンドの揺らぎを検出する第1の信号処理部と、第1の信号処理部により検出された揺らぎに基づいて、当該揺らぎを低減させるよう基準光源への注入電流を制御するループフィルタと、光受信部により得られたビート信号に基づいて、当該ビート信号を基準信号に同期させるよう位相変調部における変調量を制御する位相制御部と、光フェーズドアレイ光学部の動作を制御するジンバルと、衛星からの信号光及び衛星の軌道情報に基づいて、位相制御部及びジンバルを制御して当該衛星の補足追尾を行う第2の信号処理部とを備え、光フェーズドアレイ光学部は、衛星からの信号光が入射される複数のファイバコリメータからなるファイバコリメータアレイを有し、第2の信号処理部は、ファイバコリメータに入射された信号光の受信強度を取得する強度取得部と、強度取得部により取得された受信強度に基づいて、ファイバコリメータアレイにおける当該受信強度の重心を演算する重心演算部と、重心演算部により演算された重心に基づいて、ファイバコリメータに入射された信号光の照射位置を推定する照射位置推定部と、照射位置推定部により推定された照射位置に基づいて、衛星の動きを予測する予測部と、予測部による予測結果及び衛星の軌道情報に基づいて、位相制御部及びジンバルを制御して当該衛星の補足追尾を行う捕捉追尾部とを有することを特徴とする。 An optical space communication device according to the present disclosure includes a reference light source that outputs light corresponding to an injected current, a signal distribution unit that distributes the light output from the reference light source into a single local light and a plurality of signal lights, and a signal A phase modulation section that modulates the phase of the signal light obtained by the distribution section, an optical amplification section that amplifies the signal light modulated by the phase modulation section, and a signal light amplified by the optical amplification section and the signal distribution section. An optical phased array optical unit that multiplexes the local light obtained by and emits it into space, and a beat signal is obtained from the local light obtained by the signal light amplified by the optical amplifier and the local light obtained by the signal distribution unit, an optical receiving section for obtaining a baseband signal from the signal light and the signal light from the satellite; a first signal processing section for detecting baseband fluctuation based on the baseband signal obtained by the optical receiving section; Based on the fluctuation detected by the signal processing unit, the loop filter that controls the injection current to the reference light source so as to reduce the fluctuation, and the beat signal obtained by the optical receiving unit. a phase control unit for controlling the amount of modulation in the phase modulation unit so as to synchronize with the signal; a gimbal for controlling the operation of the optical phased array optical unit; a second signal processing unit that controls a gimbal to perform supplemental tracking of the satellite; and the optical phased array optical unit has a fiber collimator array composed of a plurality of fiber collimators into which signal light from the satellite is incident. , the second signal processing unit includes an intensity acquisition unit that acquires the reception intensity of the signal light incident on the fiber collimator, and based on the reception intensity acquired by the intensity acquisition unit, the center of gravity of the reception intensity in the fiber collimator array an irradiation position estimation unit for estimating the irradiation position of the signal light incident on the fiber collimator based on the center of gravity calculated by the center of gravity calculation unit; and the irradiation position estimated by the irradiation position estimation unit and a acquisition and tracking unit that controls the phase control unit and the gimbal to perform supplementary tracking of the satellite based on the prediction result of the prediction unit and the orbital information of the satellite. It is characterized by
本開示によれば、上記のように構成したので、初期捕捉用の光を用いずに、リアルタイムに衛星の補足追尾が可能となる。 According to the present disclosure, since it is configured as described above, it is possible to perform supplemental tracking of the satellite in real time without using light for initial acquisition.
以下、実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
以下、実施の形態1に係る光空間通信装置について、図面を用いて詳細に説明する。なお、実施の形態1は、本開示の一具体例を示すものである。したがって、各構成要素の形状、配置及び材料等は一例であり、本開示を限定する趣旨はない。また、各図は模式図であり、厳密に図示されたものではない。Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
Embodiment 1.
Hereinafter, the free-space optical communication device according to the first embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In addition, Embodiment 1 shows a specific example of the present disclosure. Therefore, the shape, arrangement, material, and the like of each component are examples, and are not intended to limit the present disclosure. Each figure is a schematic diagram and is not strictly illustrated.
図1は実施の形態1に係る光空間通信装置の構成例を示す図である。
光空間通信装置は、信号光(ビーム)を空間に出射することで、衛星(不図示)との間で通信を行う。光空間通信装置は、図1に示すように、光源部1、基準信号発生源2、複数の素子ユニット部3、光増幅器4、光フェーズドアレイ光学部5、信号処理部(第1の信号処理部)6、ループフィルタ7、衛星軌道情報送信部8、ジンバル9及び信号処理部(第2の信号処理部)10を備える。FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a free-space optical communication device according to Embodiment 1. As shown in FIG.
A space optical communication device communicates with a satellite (not shown) by emitting signal light (beam) into space. As shown in FIG. 1, the optical space communication device includes a light source section 1, a reference signal generation source 2, a plurality of
光源部1は、単一の局発光及び複数の信号光を出力する。光源部1は、図1に示すように、基準光源11、複数の伝送光源12、1×2カプラ13、波長多重カプラ14、強度変調器15、2×1波長多重カプラ16及び信号分配用カプラ17を備える。
A light source unit 1 outputs a single local light and a plurality of signal lights. As shown in FIG. 1, the light source unit 1 includes a
基準光源11は、光を出力する。基準光源11により出力される光は、位相同期用(位相誤差検出用)の光である。基準光源11は、光移相器を有し、ループフィルタ7からの注入電流に応じた位相の光を出力する。基準光源11は、例えばレーザ光源である。
The
伝送光源12は、信号光を出力する。伝送光源12により出力される信号光は、信号伝送用(通信信号用)の光である。各伝送光源12は、基準光源11により出力される光の波長とは異なる波長であり、且つ、互いに異なる波長の光を出力する。伝送光源12は、例えばレーザ光源である。なお、伝送光源12の数は、複数であればよく、限定されない。
The
1×2カプラ13は、基準光源11により出力された光を、信号光及び局発光に二分岐する。1×2カプラ13は、例えば偏波保持フィルターカプラである。
The 1×2
波長多重カプラ14は、各伝送光源12により出力された信号光を合波する。波長多重カプラ14は、例えばDWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)フィルタが多段に接続されることで構成される。
The
強度変調器15は、波長多重カプラ14による合波後の信号光に対し、強度変調を行う。すなわち、強度変調器15は、波長多重カプラ14による合波後の信号光に対し、例えばOOK(On-Off Keying)方式でデータ信号を付与する。強度変調器15は、例えばマッハツェンダ変調器である。
The
2×1波長多重カプラ16は、1×2カプラ13により得られた信号光と、強度変調器15による強度変調後の信号光とを合波する。
The 2×1
信号分配用カプラ17は、2×1波長多重カプラ16による合波後の信号光を、複数の信号光に分配する。信号分配用カプラ17の分配数は、素子ユニット部3の数に等しい。信号分配用カプラ17は、例えば1×2カプラが多段に接続されることで構成される。信号分配用カプラ17により得られた信号光は、互いに異なる素子ユニット部3にそれぞれ出力される。
The
なお、1×2カプラ13及び信号分配用カプラ17は、「基準光源11により出力された光を単一の局発光及び複数の信号光に分配する信号分配部」を構成する。
The 1×2
基準信号発生源2は、電気信号を発生する。基準信号発生源2により発生される電気信号は基準信号である。基準信号発生源2は、例えばシグナルジェネレータである。 A reference signal source 2 generates an electrical signal. The electrical signal generated by the reference signal source 2 is the reference signal. The reference signal source 2 is, for example, a signal generator.
素子ユニット部3は、基準信号発生源2により発生された電気信号を用いて、光源部1により出力された信号光の位相同期を確立する。素子ユニット部3は、図1に示すように、位相変調器(位相変調部)31、光増幅器(光増幅部)32、偏波保持サーキュレータ33、DWDMフィルタ34、光受信部35、信号増幅器36、位相同期回路37及びバンドパスフィルタ38を備える。
The
位相変調器31は、信号分配用カプラ17により出力された信号光に対し、位相変調を行う。位相変調器31による位相変調により信号光に対して付与される位相シフト量は、周波数シフト量と相関関係にある。周波数シフト量は、位相同期回路37による位相同期の確立後の電気信号(位相誤差補償信号)によって決定される。位相変調器31は、例えばLN変調器又はAO変調器である。
The
光増幅器32は、位相変調器31による位相変調後の信号光を増幅する。光増幅器32は、外部からの駆動電流の大きさに応じて、光を増幅する。光増幅器32は、半導体光増幅器である。
The
偏波保持サーキュレータ33は、光の入力方向に応じて当該光の出力方向を切替える。この偏波保持サーキュレータ33は、光増幅器32による増幅後の信号光を、光フェーズドアレイ光学部5に出力する。また、偏波保持サーキュレータ33は、光フェーズドアレイ光学部5からの光を、DWDMフィルタ34に出力する。
The
DWDMフィルタ34は、偏波保持サーキュレータ33により出力された光を、位相同期用成分の光及び通信信号用成分の光に波長分離する。位相同期用成分の光は、基準光源11により出力される光と同波長の成分の光である。通信信号用成分の光は、各伝送光源12により出力される信号光と同波長の成分の光である。なお、DWDMフィルタ34により得られた通信信号用成分の光は、終端される。
The
光受信部35は、DWDMフィルタ34により得られた位相同期用成分の光を電気信号に変換する。すなわち、光受信部35は、光フェーズドアレイ光学部5により反射された光(信号光及び局発光)に対してヘテロダイン検波を行うことでビート信号を検出する。また、光受信部35は、光フェーズドアレイ光学部5により反射された光(信号光)及び光フェーズドアレイ光学部5に入射された信号光(衛星からの信号光)に対してホモダイン検波を行うことで、ベースバンド信号を検出する。光受信部35は、例えばフォトダイオードである。
The
信号増幅器36は、光受信部35により得られた電気信号(ビート信号)を、位相同期回路37(ループフィルタ373)で検出可能な信号レベルまで増幅する。信号増幅器36は、例えばRFアンプである。
The
位相同期回路37は、信号増幅器36による増幅後の電気信号と、基準信号発生源2により発生された電気信号とを比較し、位相同期を確立する。位相同期回路37は、図2に示すように、移相器371、位相比較器372、ループフィルタ373及びVCO(Voltage Controlled Oscillator)374を備える。
The
移相器371は、基準信号発生源2により発生された電気信号に対して位相調整を行う。また、移相器371は、信号処理部10により制御信号が生成された場合、当該制御信号に従って、上記位相調整を行う。
The
位相比較器372は、移相器371による位相調整後の電気信号と、信号増幅器36による増幅後の電気信号との位相誤差を検出する。
The
ループフィルタ373は、位相比較器372により検出された位相誤差を示す信号(位相比較信号)を平滑する。
The
VCO374は、ループフィルタ373による平滑後の位相比較信号に基づいて、信号増幅器36による増幅後の電気信号の周波数を移相器371による位相調整後の電気信号の周波数と等しくするための高周波信号を生成する。このVCO374により生成された高周波信号である位相誤差補償信号(位相同期の確立後の電気信号)は、位相変調器31に出力される。
The
なお、信号増幅器36及び位相同期回路37は、「光受信部35により得られたビート信号に基づいて、当該ビート信号を基準信号に同期させるよう位相変調部における変調量を制御する位相制御部」に相当する。
It should be noted that the
バンドパスフィルタ38は、光受信部35により得られた電気信号のうち、特定の周波数帯の信号を遮断する。すなわち、バンドパスフィルタ38は、光受信部35により得られた電気信号のうち、信号光及び局発光のヘテロダイン検波によって生じるビート信号を遮断する。
The
光増幅器4は、光源部1により出力された局発光を増幅する。具体的には、光増幅器4は、1×2カプラ13により得られた局発光を増幅する。光増幅器4は、例えばエルビウムドープ光ファイバ増幅器(EDFA)である。
The optical amplifier 4 amplifies local light emitted from the light source unit 1 . Specifically, the optical amplifier 4 amplifies local light obtained by the 1×2
光フェーズドアレイ光学部5は、素子ユニット部3による位相同期の確立後の信号光を光増幅器4による増幅後の局発光と合波した上で空間に出射する。また、光フェーズドアレイ光学部5には、対象となる衛星からの到来光(信号光)が入射される。光フェーズドアレイ光学部5は、図3に示すように、ファイバコリメータ51、ファイバコリメータアレイ52及びビームスプリッタ53を備える。
The optical phased array
ファイバコリメータ51は、光増幅器4による増幅後の局発光を平行光にする。
The
ファイバコリメータアレイ52は、ファイバコリメータがアレイ状に配置されることで構成される送受一体型の素子である。ファイバコリメータアレイ52は、ファイバコリメータの端面で、偏波保持サーキュレータ33により出力された信号光とビームスプリッタ53により反射された局発光とを合波する。そして、ファイバコリメータアレイ52は、上記合波後の光のうちの一部を、ファイバコリメータの端面でフレネル反射する。ファイバコリメータアレイ52により反射された光は、偏波保持サーキュレータ33に出力される。また、ファイバコリメータアレイ52は、上記合波後の光のうちの残りを、平行光とする。また、ファイバコリメータアレイ52は、ビームスプリッタ53を通過した衛星からの信号光を通過させる。
The
ビームスプリッタ53は、入射された光を反射又は通過させる。このビームスプリッタ53は、ファイバコリメータ51により平行光とされた局発光を、ファイバコリメータアレイ52側へと反射する。また、ビームスプリッタ53は、ファイバコリメータアレイ52により平行光とされた光を、空間に出射する。また、ビームスプリッタ53は、衛星からの信号光を通過させる。
The
信号処理部6は、素子ユニット部3から出力された信号に対して2つの処理を行う。すなわち、信号処理部6は、バンドパスフィルタ38により得られた電気信号(ベースバンド信号)に基づいて、ベースバンドの揺らぎを検出する。また、信号処理部6は、バンドパスフィルタ38により得られた電気信号(ベースバンド信号)に基づいて、衛星からの信号光の受信強度を検出する。
The signal processing section 6 performs two processes on the signal output from the
ループフィルタ7は、信号処理部6により検出されたベースバンドの揺らぎに基づいて、当該揺らぎを抑制(低減)するように、基準光源11への注入電流を制御する。これにより、ループフィルタ7は、基準光源11により出力される光の位相を制御する。
Based on the baseband fluctuation detected by the signal processing unit 6, the loop filter 7 controls the injection current to the
この際、まず、ループフィルタ7は、信号処理部6より検出されたベースバンドの揺らぎを示す情報を取得する。そして、ループフィルタ7は、取得した情報からベースバンドの揺らぎの有無を判定する。そして、ループフィルタ7は、ベースバンドの揺らぎが有ると判定した場合、基準光源11への注入電流を制御することで基準光源11の光の位相を制御するように、基準光源11に信号を送信し、処理を終了する。一方、ループフィルタ7は、ベースバンドの揺らぎが無いと判定した場合、そのまま処理を終了する。
At this time, first, the loop filter 7 acquires information indicating the baseband fluctuation detected from the signal processing unit 6 . Then, the loop filter 7 determines whether or not there is fluctuation in the baseband from the acquired information. Then, when the loop filter 7 determines that there is fluctuation in the baseband, it transmits a signal to the
衛星軌道情報送信部8は、軌道要素に基づく衛星の軌道情報を信号処理部10に送信する。
The satellite orbital information transmission unit 8 transmits satellite orbital information based on orbital elements to the
ジンバル9は、衛星の軌道情報に基づいて、光フェーズドアレイ光学部5を内蔵した望遠鏡(不図示)を支えるアジマス及びエレベーションの動作を制御し、空間に出射する信号光の走査を行う。また、ジンバル9は、信号処理部10により制御信号が生成された場合、当該制御信号に従って、望遠鏡を支えるアジマス及びエレベーションの動作を制御する。
The gimbal 9 controls the azimuth and elevation operations supporting the telescope (not shown) containing the optical phased array
信号処理部10は、信号処理部6により検出された信号光の受信強度及び衛星軌道情報送信部8により算出された軌道情報に基づいて、位相同期回路37が有する移相器371及びジンバル9に対する制御を行うための制御信号を生成する。これにより、信号処理部10は、衛星の捕捉追尾を行う。信号処理部10は、図4に示すように、強度取得部101、重心演算部102、照射位置推定部103、予測部104及び捕捉追尾部105を備える。
Based on the received intensity of the signal light detected by the signal processing unit 6 and the orbital information calculated by the satellite orbital information transmitting unit 8, the
強度取得部101は、信号処理部6により検出された信号光の受信強度を取得する。
The
重心演算部102は、強度取得部101により取得された受信強度に基づいて、ファイバコリメータアレイ52における当該受信強度の重心を演算する。
The center-of-
照射位置推定部103は、重心演算部102により演算された重心に基づいて、ファイバコリメータアレイ52が有するファイバコリメータに入射された信号光の照射位置を推定する。
The irradiation
予測部104は、照射位置推定部103により推定された照射位置に基づいて、衛星の動きを予測する。
A
捕捉追尾部105は、予測部104による予測結果及び衛星の軌道情報に基づいて、位相同期回路37が有する移相器371及びジンバル9の制御を行うことで当該衛星の補足追尾を行う。この際、捕捉追尾部105は、予測部104による予測結果を衛星軌道情報と比較し、捕捉追尾の補正の要否を判定する。すなわち、捕捉追尾部105は、もともとの軌道情報に基づいて実施されているジンバル9の制御に対し、追加で制御が必要か否かを判定する。そして、捕捉追尾部105は、捕捉追尾の補正が必要と判定した場合、位相同期回路37が有する移相器371及びジンバル9の制御を行う。一方、捕捉追尾部105は、捕捉追尾の補正が不要と判定した場合には、そのまま処理を終了する。
The acquisition and
次に、実施の形態1における信号処理部6及びループフィルタ7の動作例について、図5を参照しながら説明する。
図5に示すように、まず、信号処理部6は、光フェーズドアレイ光学部5により反射された信号光と衛星から光フェーズドアレイ光学部5に入射された信号光とのホモダイン検波による受信信号(ベースバンド信号)を取得する(ステップST501)。ここで、光フェーズドアレイ光学部5により反射された信号光の波長と、衛星から光フェーズドアレイ光学部5に入射された信号光の波長は同波長であり、ベースバンド信号を得ることができる。
次いで、信号処理部6は、上記ベースバンド信号から、ベースバンドの揺らぎを検出する(ステップST502)。このベースバンドの揺らぎは、両者の信号光の位相揺らぎに起因する。
次いで、ループフィルタ7は、上記揺らぎを示す情報から、ベースバンドの揺らぎが有ると判定した場合、当該揺らぎを低減するように基準光源11への注入電流を制御することで、基準光源11の位相を制御する(ステップST503,504)。一方、ループフィルタ7は、ベースバンドの揺らぎが無いと判定した場合、そのまま処理を終了する。Next, an operation example of the signal processing unit 6 and the loop filter 7 in Embodiment 1 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 5, first, the signal processing unit 6 generates a received signal ( baseband signal) is acquired (step ST501). Here, the wavelength of the signal light reflected by the optical phased array
Next, signal processing section 6 detects baseband fluctuations from the baseband signal (step ST502). This baseband fluctuation is caused by the phase fluctuation of both signal lights.
Next, when the loop filter 7 determines that there is baseband fluctuation from the information indicating the fluctuation, the loop filter 7 controls the current injected to the
このように、実施の形態1に係る光空間通信装置は、ベースバンドの揺らぎをモニタリングしながら当該揺らぎを低減するように基準光源11への注入電流を制御することで、受信信号の位相雑音を低減可能となり、位相同期精度の劣化を抑制可能となる。
As described above, the free-space optical communication device according to the first embodiment controls the current injected into the
次に、実施の形態1における信号処理部10の動作例について、図6を参照しながら説明する。
信号処理部10は、光空間通信装置が衛星の高精度な捕捉追尾を行うため、信号光の走査を制御する。前提として、ジンバル9は、事前に取得した衛星軌道情報に従って、望遠鏡を支えるアジマス及とエレベーションの動作を制御しているものとする。Next, an operation example of the
The
この場合、図6に示すように、まず、強度取得部101は、信号処理部6により検出された信号光の受信強度を取得する(ステップST601)。すなわち、強度取得部101は、ファイバコリメータアレイ52が有するファイバコリメータ毎の信号光の受信強度を取得する。
In this case, as shown in FIG. 6,
次いで、重心演算部102は、強度取得部101により取得された受信強度に基づいて、ファイバコリメータアレイ52における当該受信強度の重心を演算する(ステップST602)。図7に示すように、重心演算部102は、ファイバコリメータアレイ52が有するファイバコリメータ毎の信号光の受信強度から当該受信強度の重心を得ることができる。図7において符号701は、ファイバコリメータアレイ52に入射された信号光(受信信号)を示している。
Next, the center of
次いで、照射位置推定部103は、重心演算部102により演算された重心に基づいて、ファイバコリメータアレイ52が有するファイバコリメータに入射された信号光の照射位置を推定する(ステップST603)。
Next, irradiation
次いで、予測部104は、照射位置推定部103により推定された照射位置に基づいて、衛星の動きを予測する(ステップST604)。
Next,
次いで、捕捉追尾部105は、予測部104による予測結果及び衛星の軌道情報に基づいて、位相同期回路37が有する移相器371及びジンバル9の協調制御を行うことで当該衛星の補足追尾を行う。この際、捕捉追尾部105は、予測部104による予測結果を軌道情報と比較し、捕捉追尾の補正が必要であるかを判定する(ステップST605)。すなわち、捕捉追尾部105は、もともとの軌道情報に基づいて実施されているジンバル9の動作制御に対し、追加で制御が必要か否かを判定する。そして、捕捉追尾部105は、捕捉追尾の補正が必要と判定した場合、位相同期回路37が有する移相器371及びジンバル9の制御を行う(ステップST606)。一方、捕捉追尾部105は、捕捉追尾の補正が不要と判定した場合には、そのまま処理を終了する。
Next, the acquisition and
ここで、捕捉追尾部105は、移相器371によって、光の位相を制御することで、ビームの指向角を制御可能(電子走査可能)となる。また、捕捉追尾部105は、ジンバル9によるアジマスとエレベーションの動作の制御によって、ビームの指向角を制御可能となる。よって、捕捉追尾部105は、移相器371及びジンバル9を協調して制御することで、ビームの指向角を柔軟に制御可能となる。この際、捕捉追尾部105は、ジンバル9により粗追尾を行い、移相器371によって精追尾を行うことで、高精度に追尾可能となる。すなわち、捕捉追尾部105は、ジンバル9により、軌道情報に基づいて、衛星にビームが当たるようにビームを走査する。また、光空間通信装置では、通信信号を付与したビームを、対象となる衛星が有する検出器(不図示)に高精度に照射する必要がある。そのため、捕捉追尾部105は、移相器371により、光フェーズドアレイ光学部5の相対位相制御を行うことでビームを走査する。
Here, the acquisition/
このように、実施の形態1に係る光空間通信装置は、衛星の動きを推定し、その推定結果から、光フェーズドアレイ光学部5によるビーム走査角制御及び望遠鏡の指向制御を協調して制御する。これにより、この光空間通信装置は、広範囲かつ高精度な捕捉追尾が可能となる。
As described above, the optical space communication apparatus according to Embodiment 1 estimates the movement of the satellite, and cooperatively controls the beam scanning angle control by the optical phased array
以上のように、この実施の形態1によれば、光空間通信装置は、注入電流に応じた光を出力する基準光源11と、基準光源11により出力された光を単一の局発光及び複数の信号光に分配する信号分配部と、信号分配部により得られた信号光に対して位相を変調する位相変調器31と、位相変調器31による変調後の信号光を増幅する光増幅器32と、光増幅器32による増幅後の信号光と信号分配部により得られた局発光とを合波して空間に出射する光フェーズドアレイ光学部5と、光増幅器32による増幅後の信号光及び信号分配部により得られた局発光からビート信号を得て、当該信号光及び衛星からの信号光からベースバンド信号を得る光受信部35と、光受信部35により得られたベースバンド信号に基づいて、ベースバンドの揺らぎを検出する信号処理部6と、信号処理部6により検出された揺らぎに基づいて、当該揺らぎを低減させるよう基準光源11への注入電流を制御するループフィルタ7と、光受信部35により得られたビート信号に基づいて、当該ビート信号を基準信号に同期させるよう位相変調部における変調量を制御する位相制御部と、光フェーズドアレイ光学部5の動作を制御するジンバル9と、衛星からの信号光及び衛星の軌道情報に基づいて、位相制御部及びジンバル9を制御して当該衛星の補足追尾を行う信号処理部10とを備えた。これにより、実施の形態1に係る光空間通信装置は、初期捕捉用の光を用いずに、リアルタイムに衛星の補足追尾が可能となる。また、実施の形態1に係る光空間通信装置は、従来構成に対し、部品点数を削減できる。
As described above, according to the first embodiment, the optical space communication device includes the
最後に、図8を参照して、実施の形態1に係る光空間通信装置のハードウェア構成例を説明する。
光空間通信装置における信号処理部6、ループフィルタ7及び信号処理部10の各機能は、処理回路501により実現される。処理回路501は、図8Aに示すように、専用のハードウェアであってもよいし、図8Bに示すように、メモリ503に格納されるプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、又はDSP(Digital Signal Processor)ともいう)502であってもよい。Finally, a hardware configuration example of the free-space optical communication device according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
Each function of the signal processing section 6 , the loop filter 7 and the
処理回路501が専用のハードウェアである場合、処理回路501は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、又はこれらを組み合わせたものが該当する。信号処理部6、ループフィルタ7及び信号処理部10の各部の機能それぞれを処理回路501で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路501で実現してもよい。
When the
処理回路501がCPU502の場合、信号処理部6、ループフィルタ7及び信号処理部10の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ503に格納される。処理回路501は、メモリ503に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、光空間通信装置は、処理回路501により実行されるときに、例えば図5,6に示した各ステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ503を備える。また、これらのプログラムは、信号処理部6、ループフィルタ7及び信号処理部10の手順及び方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ503としては、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(Electrically EPROM)等の不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、又はDVD(Digital Versatile Disc)等が該当する。
When the
なお、信号処理部6、ループフィルタ7及び信号処理部10の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。例えば、信号処理部6については専用のハードウェアとしての処理回路501でその機能を実現し、ループフィルタ7及び信号処理部10については処理回路501がメモリ503に格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。
The functions of the signal processing unit 6, the loop filter 7, and the
このように、処理回路501は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
Thus, the
なお、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。 It should be noted that any component of the embodiment can be modified, or any component of the embodiment can be omitted.
本開示に係る光空間通信装置は、リアルタイムに衛星の補足追尾が可能となり、衛星との間で通信を行う光空間通信装置等に用いるのに適している。 A space optical communication device according to the present disclosure enables supplemental tracking of a satellite in real time, and is suitable for use as a space optical communication device or the like that communicates with a satellite.
1 光源部、2 基準信号発生源、3 素子ユニット部、4 光増幅器、5 光フェーズドアレイ光学部、6 信号処理部(第1の信号処理部)、7 ループフィルタ、8 衛星軌道情報送信部、9 ジンバル、10 信号処理部(第2の信号処理部)、11 基準光源、12 伝送光源、13 1×2カプラ、14 波長多重カプラ、15 強度変調器、16 2×1波長多重カプラ、17 信号分配用カプラ、31 位相変調器(位相変調部)、32 光増幅器(光増幅部)、33 偏波保持サーキュレータ、34 DWDMフィルタ、35 光受信部、36 信号増幅器、37 位相同期回路、38 バンドパスフィルタ、51 ファイバコリメータ、52 ファイバコリメータアレイ、53 ビームスプリッタ、101 強度取得部、102 重心演算部、103 照射位置推定部、104 予測部、105 捕捉追尾部、371 移相器、372 位相比較器、373 ループフィルタ、374 VCO、501 処理回路、502 CPU、503 メモリ。 1 light source unit, 2 reference signal generation source, 3 element unit unit, 4 optical amplifier, 5 optical phased array optical unit, 6 signal processing unit (first signal processing unit), 7 loop filter, 8 satellite orbit information transmission unit, 9 gimbal, 10 signal processor (second signal processor), 11 reference light source, 12 transmission light source, 13 1×2 coupler, 14 wavelength multiplex coupler, 15 intensity modulator, 16 2×1 wavelength multiplex coupler, 17 signal Distributing coupler, 31 phase modulator (phase modulation section), 32 optical amplifier (optical amplification section), 33 polarization maintaining circulator, 34 DWDM filter, 35 optical receiving section, 36 signal amplifier, 37 phase synchronization circuit, 38 band pass filter, 51 fiber collimator, 52 fiber collimator array, 53 beam splitter, 101 intensity acquisition unit, 102 center of gravity calculation unit, 103 irradiation position estimation unit, 104 prediction unit, 105 acquisition and tracking unit, 371 phase shifter, 372 phase comparator, 373 loop filter, 374 VCO, 501 processing circuit, 502 CPU, 503 memory.
Claims (2)
前記基準光源により出力された光を単一の局発光及び複数の信号光に分配する信号分配部と、
前記信号分配部により得られた信号光に対して位相を変調する位相変調部と、
前記位相変調部による変調後の信号光を増幅する光増幅部と、
前記光増幅部による増幅後の信号光と前記信号分配部により得られた局発光とを合波して空間に出射する光フェーズドアレイ光学部と、
前記光増幅部による増幅後の信号光及び前記信号分配部により得られた局発光からビート信号を得て、当該信号光及び衛星からの信号光からベースバンド信号を得る光受信部と、
前記光受信部により得られたベースバンド信号に基づいて、ベースバンドの揺らぎを検出する第1の信号処理部と、
前記第1の信号処理部により検出された揺らぎに基づいて、当該揺らぎを低減させるよう前記基準光源への注入電流を制御するループフィルタと、
前記光受信部により得られたビート信号に基づいて、当該ビート信号を基準信号に同期させるよう前記位相変調部における変調量を制御する位相制御部と、
前記光フェーズドアレイ光学部の動作を制御するジンバルと、
前記衛星からの信号光及び前記衛星の軌道情報に基づいて、前記位相制御部及び前記ジンバルを制御して当該衛星の補足追尾を行う第2の信号処理部とを備え、
前記光フェーズドアレイ光学部は、前記衛星からの信号光が入射される複数のファイバコリメータからなるファイバコリメータアレイを有し、
前記第2の信号処理部は、
前記ファイバコリメータに入射された信号光の受信強度を取得する強度取得部と、
前記強度取得部により取得された受信強度に基づいて、前記ファイバコリメータアレイにおける当該受信強度の重心を演算する重心演算部と、
前記重心演算部により演算された重心に基づいて、前記ファイバコリメータに入射された信号光の照射位置を推定する照射位置推定部と、
前記照射位置推定部により推定された照射位置に基づいて、前記衛星の動きを予測する予測部と、
前記予測部による予測結果及び前記衛星の軌道情報に基づいて、前記位相制御部及び前記ジンバルを制御して当該衛星の補足追尾を行う捕捉追尾部とを有する
ことを特徴とする光空間通信装置。 a reference light source that outputs light corresponding to the injected current;
a signal distribution unit that distributes the light output from the reference light source into a single local light and a plurality of signal lights;
a phase modulation unit that modulates the phase of the signal light obtained by the signal distribution unit;
an optical amplifier that amplifies the signal light modulated by the phase modulator;
an optical phased array optical unit that multiplexes the signal light amplified by the optical amplification unit and the local light obtained by the signal distribution unit and emits the combined light into space;
an optical receiver that obtains a beat signal from the signal light amplified by the optical amplifier and local light obtained from the signal distributor, and obtains a baseband signal from the signal light and the signal light from the satellite;
a first signal processing unit that detects baseband fluctuations based on the baseband signal obtained by the optical receiving unit;
a loop filter that controls the injection current to the reference light source so as to reduce the fluctuation based on the fluctuation detected by the first signal processing unit;
a phase control unit that controls the amount of modulation in the phase modulation unit so as to synchronize the beat signal with a reference signal based on the beat signal obtained by the optical reception unit;
a gimbal for controlling the operation of the optical phased array optics;
a second signal processing unit that controls the phase control unit and the gimbal to perform supplemental tracking of the satellite based on the signal light from the satellite and the orbit information of the satellite;
The optical phased array optical unit has a fiber collimator array composed of a plurality of fiber collimators into which signal light from the satellite is incident,
The second signal processing unit is
an intensity acquisition unit that acquires the received intensity of the signal light incident on the fiber collimator;
a center-of-gravity computing unit that computes the center of gravity of the received intensity in the fiber collimator array based on the received intensity acquired by the intensity acquisition unit;
an irradiation position estimation unit that estimates an irradiation position of the signal light incident on the fiber collimator based on the center of gravity calculated by the center of gravity calculation unit;
a prediction unit that predicts the movement of the satellite based on the irradiation position estimated by the irradiation position estimation unit;
A free-space optical communication device, comprising: an acquisition and tracking unit that controls the phase control unit and the gimbal to perform supplemental tracking of the satellite based on the prediction result of the prediction unit and the orbit information of the satellite. .
ことを特徴とする請求項1記載の光空間通信装置。 2. The free-space optical communication device according to claim 1, wherein the optical phased array optical unit has a transmission/reception integrated fiber collimator array composed of a plurality of elements .
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