(57)【要約】【課題】反射鏡に形状誤差が生じても、所望の強度分布、方向を維持してアンテナビームを放射させることができるアンテナビーム制御装置を得る。【解決手段】反射鏡の三次元形状を、三次元形状測定装置で反射鏡への照射レーザー光と該照射レーザー光の反射鏡での反射レーザー光との位相差から求め、求めた位相差に従って算出される反射鏡の形状誤差に従い一次放射器の励振係数を制御するアンテナビーム制御装置であって、三次元形状測定装置が、レーザーＲＦ発振器１７と、レーザー光を入射位置、方向に従って空間の所定方向に出射させる投影レンズ１２と、送信光アンテナ部の焦点面近傍の異なる位置に配置された複数の光ファイバ１３と、レーザー発生手段のレーザー光を複数のレーザー放射部に選択的に結合させてレーザー光を放射させる光スイッチ１４、を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次放射器で発生させたマイクロ波の波面を反射鏡で屈曲させてアンテナビームを形成するアンテナにおいて、前記反射鏡の三次元形状を前記反射鏡への照射レーザー光と該照射レーザー光の反射鏡での反射レーザー光との位相差を三次元形状測定装置で測定することにより求め、前記位相差に従って算出される前記反射鏡の形状誤差に従い、前記一次放射器の形成する励振係数を制御してアンテナビームを所望の強度分布及び方向に制御するアンテナビーム制御装置であって、
前記三次元形状測定装置が、
レーザー光を発生するレーザー発生手段と、
レーザー光を入射位置、方向に従って空間の所定方向に出射させる送信光アンテナ部と、
前記送信光アンテナ部の焦点面近傍のそれぞれ異なる位置に配置された複数のレーザー放射部と、
前記レーザー発生手段のレーザー光を前記複数のレーザー放射部に選択的に結合させてレーザー光を放射させる光スイッチ部と、
を含むことを特徴とするアンテナビーム制御装置。
【請求項２】
送信光アンテナ部が、複数のレーザー放射部が反射鏡のそれぞれ異なる領域に結像関係となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナビーム制御装置。
【請求項３】
三次元形状測定装置が、
前記反射鏡から到来するレーザー光を入射させる受信光アンテナ部と、
前記受信光アンテナ部の焦点面近傍に配置された光電変換部と、
前記光電変換部で変換された電気信号とレーザー発生手段の発生するレーザー光を示す電気信号の位相差を求める位相差検出手段と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナビーム制御装置。
【請求項４】
三次元形状測定装置が、
前記反射鏡から到来するレーザー光を入射位置、方向に従って所定方向に出射させる受信光アンテナ部と、
前記受信光アンテナ部の焦点面近傍の異なる位置に配置された複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部の光電変換された電気信号の１つを選択する電気スイッチと、
前記電気スイッチで選択された電気信号とレーザー発生手段の発生するレーザー光を示す電気信号の位相差を求める位相差検出手段と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナビーム制御装置。
【請求項５】
三次元形状測定装置が、
前記反射鏡のそれぞれ固有の領域から到来するレーザー光を入射させる受信光アンテナ部および前記受信光アンテナ部の焦点面近傍に配置された光電変換部からなる複数のレーザー受信手段と、
前記複数のレーザー受信手段の光電変換された電気信号のうちの１つを選択する電気スイッチと、
前記電気スイッチで選択された電気信号とレーザー発生手段の発生するレーザー光を示す電気信号の位相差を求める位相差検出手段と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナビーム制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，例えば通信衛星に搭載されるマイクロ波を送受信する反射鏡アンテナに関し、アンテナ反射鏡形状歪に起因するアンテナビームの強度分布や方向の誤差を補正するための制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型携帯端末の移動体通信において、基地局の電波が届かない山間部や、災害などの事故により基地局が機能しなくなると通信ができなくなる問題がある。このため、通信衛星を介した小型携帯端末の移動体通信が研究されている。通信衛星において、小型携帯端末のアンテナから発せられた微弱な電波を受信し、また、小型携帯端末が受信可能な高強度のアンテナビームを送信するためには、開口径が数十メートルの反射鏡を備えたアンテナが必要である。
【０００３】
下記非特許文献１においては、このようなアンテナ反射鏡を実現するために、衛星打ち上げ時には小型に折りたたまれており、衛星軌道投入後に傘のように開き放物面鏡面を形成する、展開アンテナの例が示されている。一方、このような巨大な反射鏡を宇宙空間で形成する場合、構造の可撓性や熱歪みにより鏡面精度を維持することが困難となる。鏡面歪はアンテナビームの空間強度分布の歪みや、アンテナビームの指向方向のずれを生じさせ、ひいては通信の障害となる。
【０００４】
宇宙空間で時々刻々変化するアンテナ鏡面の歪みの影響を補正するためには、宇宙空間においてアンテナ鏡面の三次元形状を高精度に計測する装置を搭載することが有効である。下記特許文献１においては、レーザー測距装置と機械駆動する平面鏡を用いて、反射鏡の鏡面形状誤差を検出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−１６９７０５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】新舘恭嗣  他、「大型展開アンテナ反射鏡部」、通信総合研究所季報、Vol.49，Nos.3/4，2003年，pp.27-32
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の通信衛星は以上述べたように構成されているため、大口径アンテナ反射鏡の形状誤差を検出し補正することが可能である。しかしながら、以下に述べる課題がある。すなわち、レーザー測距装置の指向方向を走査するため、機械駆動する平面鏡を用いている。高精度計測のためにはこの駆動制御装置を高精度に調整する必要があるが、地上から衛星軌道に打ち上げの衝撃や、真空にさらされるなど、過酷な環境条件に耐える信頼性を確保することが困難であった。
【０００８】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、宇宙空間において大型展開アンテナである反射鏡に形状誤差が生じても、所望の強度分布、方向を維持してアンテナビームを放射させることができるアンテナビーム制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、一次放射器で発生させたマイクロ波の波面を反射鏡で屈曲させてアンテナビームを形成するアンテナにおいて、前記反射鏡の三次元形状を前記反射鏡への照射レーザー光と該照射レーザー光の反射鏡での反射レーザー光との位相差を三次元形状測定装置で測定することにより求め、前記位相差に従って算出される前記反射鏡の形状誤差に従い、前記一次放射器の形成する励振係数を制御してアンテナビームを所望の強度分布及び方向に制御するアンテナビーム制御装置であって、前記三次元形状測定装置が、レーザー光を発生するレーザー発生手段、レーザー光を入射位置、方向に従って空間の所定方向に出射させる送信光アンテナ部と、前記送信光アンテナ部の焦点面近傍のそれぞれ異なる位置に配置された複数のレーザー放射部と、前記レーザー発生手段のレーザー光を前記複数のレーザー放射部に選択的に結合させてレーザー光を放射させる光スイッチ部と、を含むことを特徴とするアンテナビーム制御装置にある。
【発明の効果】
【００１０】
この発明では、反射鏡に形状誤差が生じても、所望の強度分布、方向を維持してアンテナビームを放射させることができるアンテナビーム制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナビーム制御装置を設けたアンテナの概略的な構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるアンテナビーム制御装置の三次元形状測定装置の構成の一例を詳細に示すブロック図である。
【図３】この発明におけるアンテナビーム制御装置の一部の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるアンテナビーム制御装置の三次元形状測定装置の構成の一例を詳細に示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態３によるアンテナビーム制御装置の三次元形状測定装置の構成の一例を詳細に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナビーム制御装置を設けたアンテナの概略的な構成を示す図である。図１において、１は反射鏡、２は反射鏡１を構成する１つの構成要素である六角柱モジュール、３は衛星本体、４ａ，４ｂが後述するこの発明によるアンテナビーム制御装置の三次元形状測定装置のレーザー送信部及びレーザー受信部、５はロッドである。
【００１３】
反射鏡１は幅２０ｍ以上のパラボラ鏡であり、複数個の六角柱モジュール２を宇宙空間で連結することにより形成される。六角柱モジュール２は、傘の骨に類似した放射状フレームと、これらのフレームによって展張され網のように張り巡らされた金属線からなるケーブルネットワークと、ケーブルネットワークに貼り付けられ、鏡面を成す金属メッシュとから構成される。
【００１４】
衛星本体３は、反射鏡１の放物面の焦点付近に配置され、反射鏡１とは剛にロッド５で連結されている。衛星本体３には、後述する図３の３５で示すアクティブフェーズドアレイアンテナ型の一次放射器がその放射方向を反射鏡１に向けて装備されており、一次放射器が形成したマイクロ波波面が反射鏡１に反射されて図３の３４で示す略平面波となりアンテナビームとなるように構成されている。
【００１５】
図２，４，５および図３の２９で示す反射鏡１の三次元形状測定を測定する三次元形状測定装置のレーザー送信部４ａは、測距のためのレーザービームを後述する方法でレーザービームを予め設定した複数の方向へ送信する。三次元形状測定装置のレーザー受信部４ｂはレーザー送信部４ａが送信したレーザービームの反射光を受信し電気信号に変換する。
【００１６】
図２はこの発明の実施の形態１によるアンテナビーム制御装置の三次元形状測定装置の構成の一例を詳細に示すブロック図である。なお以降、各図において、同一もしくは相当部分は同一もしくは相当する符号で示しその説明は省略する。図２において、１１は理想形状の反射鏡面、１２はレーザー送信部４ａの投影レンズ、１３は光ファイバアレイ、１４は光スイッチ、１５はレーザー受信部４ｂの集光レンズ、１６ａ，１６ｂは光電変換部、１７はレーザーＲＦ発振器、１８は光カプラ、１９はＲＦ位相差検出装置、２０ａ、２０ｂは送信光、２１ａ、２１ｂは受信光である。
【００１７】
なお、レーザー送信部４ａがレーザー送信手段、レーザー受信部４ｂがレーザー受信手段、投影レンズ１２が送信光アンテナ部、光ファイバアレイ１３の各光ファイバがレーザー放射部、光スイッチ１４が光スイッチ部、集光レンズ１５が受信光アンテナ部、光電変換部１６ａ，１６ｂがそれぞれ第１及び第２の光電変換部、レーザーＲＦ発振器１７がレーザー発生手段、ＲＦ位相差検出装置１９が位相差検出手段を構成する。
【００１８】
レーザーＲＦ発振器１７は周波数で強度変調したレーザー光を光ファイバに出力する。光カプラ１８はレーザーＲＦ発振器１７からのレーザー光を分岐し、２本の光ファイバに出力する。光ファイバアレイ１３は光ファイバを複数本並べたものである。光スイッチ１４は光ファイバアレイ１３を構成する光ファイバの任意の１本を外部からの制御(例えば図３の形状誤差算出制御手段３６)により動的に選択して、光カプラ１８からのレーザー光を出力する。投影レンズ１２は、光ファイバアレイ１３の各光ファイバの端面が、反射鏡１の表面のそれぞれ異なる領域と結像関係となるように配置されたレンズであり、例えば映写機の投影レンズを応用することで実現する。
【００１９】
光スイッチ１４により、レーザー光を出力する光ファイバアレイ１３の光ファイバに切り替えて選択的にレーザー光を結合させることにより、例えば、送信光２０ａが送信光２０ｂに切り替わり、受信光２１ａが受信光２１ｂに切り替わる。受信光２１ａ，２１ｂは集光レンズ１５により光電変換部１６ａに集光され、ＲＦ電気信号に変換される。光電変換部１６ａ，１６ｂは、例えばフォトダイオードのような受光した光強度に応じた電気信号を出力するものである。光電変換部１６ｂは、レーザーＲＦ発振器１７からの光カプラ１８を介して得られるローカルレーザー光をＲＦ電気信号に変換する。光電変換部１６ａ，１６ｂの出力である電気信号はＲＦ位相差検出装置１９に入力され、両者のＲＦ信号の位相差が検出される。
【００２０】
反射鏡１が変形して理想形状の反射鏡面１１から変位すると、送信光２０ａと受信光２１ａが伝搬する総光路長が変化する。このことにより、ＲＦ位相差検出装置１９で検出される電気信号の位相差が変化する。この実施の形態１によるアンテナビーム制御装置における三次元形状測定装置は、この位相差の変化から、反射鏡１の任意の１点の三次元空間座標を求めることができる。さらに光スイッチ１４によって、レーザー光を送信する光ファイバアレイ１３の光ファイバを切り替えることによって、送信光を反射鏡１の任意の場所に照射することができる。すなわち反射鏡１全体の三次元空間座標を取得することができる。
【００２１】
なお、光ファイバアレイ１３の各光ファイバの投影レンズ１２側の端面は投影レンズ１２の焦点面近傍のそれぞれ異なる位置に配置されている。投影レンズ１２はレーザー光を入射位置、方向に従って空間の所定方向に出射させるレンズであり、光ファイバアレイ１３の各光ファイバの端面が、反射鏡１の表面のそれぞれ異なる領域と結像関係となるように配置される。また、光電変換部１６ａは集光レンズ１５の焦点面近傍に配置されている。
【００２２】
次に、形状誤差を補正するまでの手順について説明する。図３は、この発明におけるアンテナビーム制御装置の一部の構成を示すブロック図である。図３において、２９は図２の反射鏡１を除いた部分に相当する三次元形状測定装置、１１は理想形状の反射鏡面、３１、３２、３４はマイクロ波励振分布、３３は理想形状の反射鏡面１１において最適なマイクロ波励振分布、３５は一次放射器、３６は形状誤差算出制御手段、３７は一次放射器制御手段である。
【００２３】
一次放射器３５は素子アンテナをアレイ状に並べたアクティブ・フェイズドアレイアンテナであり、個々の素子アンテナの励振係数を制御することでマイクロ波励振分布３１を任意に形成することができる。マイクロ波励振分布３１は反射鏡１に向けて空間伝搬し、マイクロ波励振分布３２となる。マイクロ波励振分布３２は反射鏡１に反射されて、マイクロ波励振分布３４となる。ここで、図３のように反射鏡１が理想形状の反射鏡面１１から変形していると、理想形状の反射鏡面１１に最適化されたマイクロ波励振分布３３が反射鏡１に反射されて形成されるマイクロ波励振分布３４は所望の状態から歪み、アンテナビームの強度分布や方向の誤差を生じる原因となる。
【００２４】
この発明によるアンテナビーム制御装置においては、マイクロ波励振分布３２を反射鏡１の歪みを打ち消すような分布に形成することにより、マイクロ波励振分布３４を常に所望の状態に保つように構成されている。形状誤差算出制御手段３６は、予めプログラムされたシーケンスに従い、三次元形状測定装置２９における光スイッチ１４、ＲＦ位相差検出装置１９を制御し、上述のようにして反射鏡１の現状の三次元形状を測定し、予めメモリ等に格納されている理想形状の反射鏡面１１と比較して反射鏡１の形状誤差を算出する。一次放射器制御手段３７は、所望のマイクロ波励振係数３４を保証するために、一次放射器３５を制御して、形成する励振係数(マイクロ波励振分布３４)を最適な状態にする。
【００２５】
この発明によるアンテナビーム制御装置は、以上説明したように構成されているので、従来のアンテナビーム制御装置と比較し以下の効果を奏する。第一に、レーザー光を送信する光ファイバを選択することによって、送信レーザービームの方向を得変化させることができる。このことにより、従来使用していた機械駆動する平面鏡等を不要とし、外部からの影響を少なくして、より高い信頼性を得ることができる。第二に、光ファイバアレイの光ファイバ端面と反射鏡の鏡面とを投影レンズによって結像関係としたことにより、レーザー光を反射鏡の鏡面の微小な範囲だけに集光することが可能である。すなわち、従来よりも空間分解能を向上することが可能となる。
【００２６】
なお、上記実施の形態では、投影レンズ１２によって光ファイバアレイの各光ファイバ端面と反射鏡の鏡面のそれぞれ異なる領域とを結像関係となるように構成していたが、これに限定されず、反射鏡鏡面に所望範囲内に送信レーザー光を集光できれば、必ずしも完全に結像関係とする必要はない。
【００２７】
また、光カプラ１８で分岐したローカルレーザー光から得たＲＦ電気信号と、受信レーザー光から得たＲＦ電気信号との位相差を求めていたがこれに限定されるものでなく、ローカルレーザー光から得たＲＦ電気信号の代わりにレーザーＲＦ発振器内の変調回路から得たＲＦ電気信号を用いてもよい。
【００２８】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２によるアンテナビーム制御装置の三次元形状測定装置の構成を詳細に示すブロック図である。図２において、４１はレーザー受信部４ｂの投影レンズ、１６ａ、１６ｃは複数の光電変換部、４３は電気スイッチである。
【００２９】
なお、投影レンズ４１が受信光アンテナ部、光電変換部１６ａ、１６ｃがそれぞれ第１の光電変換部を構成する。また、投影レンズ４１はレーザー光を入射位置、方向に従って空間の所定方向に出射させるレンズである。また、光電変換部１６ａ，１６ｃは投影レンズ４１の焦点面近傍のそれぞれ異なる位置に配置されている。
【００３０】
投影レンズ４１は光電変換部１６ａ，１６ｃの受光面と反射鏡１の鏡面のそれぞれ異なる領域とを結像関係とするレンズである。光電変換部１６ａ，１６ｃは並列して配置され、それぞれの受光面が受信する範囲はそれぞれ図４中に「受信視野Ａ」、「受信視野Ｂ」と示したように異なる部分領域の光のみ受光できるように配置されている。電気スイッチ４３は光電変換部１６ａ，１６ｃの出力である電気信号のどちらかを動的に選択し(例えば図３の形状誤差算出制御手段３６の制御による)、ＲＦ位相差検出装置１９に入力する。
【００３１】
光スイッチ１４と電気スイッチ４３は連携して切り替える。すなわち、受信視野Ａのどこかに送信光２０ａを送信している場合は光電変換部１６ａを選択し、受信視野Ｂのどこかに送信光２０ｂを送信している場合は、光電変換部１６ｃを選択する。
【００３２】
なお、図４ではレーザー受信部４ｂにおいて光電変換部１６ａ，１６ｃの２個を用いているが、３個以上の光電変換部を用いてもよい。
【００３３】
以上説明したように構成されているので、従来のアンテナビーム制御装置と比較し以下に述べる効果を奏する。第一にこの発明の実施の形態１と同等の効果が得られる。第二にレーザー受信部４ｂにおいて光電変換部を複数用いることにより、面積の小さな光電変換部を用いても広い受信視野を実現することが可能となる。
【００３４】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態２によるアンテナビーム制御装置では、１つの投影レンズに対し、複数の光電変換部を組み合わせることにより、広い受光視野を実現していたが、投影レンズは１つに限定されず、複数用いても良い。
【００３５】
図５はこの発明の実施の形態３によるアンテナビーム制御装置の三次元形状測定装置の構成を詳細に示すブロック図である。図５において、２つのレーザー受信部(レーザー受信手段)４ｂ，４ｃはそれぞれ集光レンズ１５ａ，１５ｃと光電変換部(第１の光電変換部)１６ａ，１６ｃを備える。なおレーザー受信部４ｂ，４ｃは一体に構成してもよい。
【００３６】
光電変換部１６ａ，１６ｃはそれぞれ集光レンズ１５ａ，１５ｃの焦点面近傍に配置されている。
【００３７】
集光レンズ１５ａは受信視野Ａから到来するレーザー光を光電変換部１６ａに集光させるように配置され、集光レンズ１５ｃは受信視野Ｂから到来するレーザー光を光電変換部１６ｃに集光させるように配置されている。
【００３８】
以上説明したように構成されているので、上記実施の形態２と同等の効果が得られる。
【００３９】
なおこの発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。
【符号の説明】
【００４０】
１  反射鏡、２  六角柱モジュール、３  衛星本体、４ａ  レーザー送信部、４ｂ，４ｃ  レーザー受信部、５  ロッド、１１  理想形状の反射鏡面、１２  投影レンズ、１３  光ファイバアレイ、１４  光スイッチ、１５，１５ａ，１５ｃ  集光レンズ、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ  光電変換部、１７  レーザーＲＦ発振器、１８  光カプラ、１９  ＲＦ位相差検出装置、２９  三次元形状測定装置、３５  一次放射器、３６  形状誤差算出制御手段、３７  一次放射器制御手段、４１  投影レンズ、４３  電気スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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