(57)【要約】【課題】水中に存在する被追尾体を、空中から水中透過性のレーザ光を用いて正確に追尾することができるレーザ光追尾システムを提供する。【解決手段】水中に存在する海洋生物（被追尾体）２４に装着された光タグ３０に到達した水中透過性を有する照射レーザ光Ｌｏは再帰性反射層によってその照射レーザ光Ｌｏの光源がある人工衛星１２に向かって反射されることにより、海洋生物２４からの反射レーザ光Ｌｒは比較的高い受信ゲインにて人工衛星１２により受信される。また、反射された反射レーザ光Ｌｒは液晶層４６を通過したことにより変調されることから、反射レーザ光Ｌｒには海洋生物２４を識別する情報を含ませることができ、目的とする水棲生物２４であるか否かの識別が容易となるので、海洋生物２４を個別に探索し追尾することが可能となる。【選択図】図１
2018155663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光送信装置から水面に向かって出力された照射レーザ光を被追尾体に装着された光タグに反射させ、前記光タグにより反射された反射レーザ光を受けて前記被追尾体を追尾するレーザ光追尾システムであって、
前記照射レーザ光は、水中透過性を有する波長帯から選択された波長を有するものであり、
前記光タグは、前記反射レーザ光を前記レーザ光送信装置に向かって反射する再帰性反射層と、前記再帰性反射層の上に積層され、前記再帰性反射層により反射された反射レーザ光を変調する変調層とを有するものである
ことを特徴とするレーザ光追尾システム。
【請求項２】
前記変調層は、前記再帰性反射層の上に積層され、前記再帰性反射層により反射された反射レーザ光を変調する液晶膜を有するものである
ことを特徴とする請求項１のレーザ光追尾システム。
【請求項３】
前記レーザ光送信装置は、前記反射レーザ光を受けるレーザ光受信装置を備えるレーザ光送受信装置に設けられ、
前記レーザ光受信装置およびレーザ光送信装置は、飛翔体または人工衛星に搭載されるものであり、
前記レーザ光送信装置から出力される照射レーザ光は、水中での吸収率がきわめて低い紫色から緑色までの波長帯から選択された波長を有するものである
ことを特徴とする請求項１または２のレーザ光追尾システム。
【請求項４】
前記光タグは、水棲生物、陸上生物、又は人に装着されるものである
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１のレーザ光追尾システム。
【請求項５】
前記光タグは、飛翔体に装着されるものである
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１のレーザ光追尾システム。
【請求項６】
前記タグは、予め設定された固有の識別コードを表すように強度変調或いは位相変調により変調されたパルス状駆動信号を用いて前記液晶膜をオンオフ駆動する液晶駆動回路を有するものである
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１のレーザ光追尾システム。
【請求項７】
前記光タグは水棲生物、陸上生物、人、または航空機に装着され、
前記レーザ光送信装置は、前記反射レーザ光を受けるレーザ光受信装置を備えるレーザ光送受信装置に設けられ、
前記レーザ光送受信装置は人工衛星に搭載され、
前記レーザ光送受信装置は、前記レーザ光送信装置から出力された照射レーザ光を所定のスポット径として走査する光偏向器を備え、照射レーザ光に起因する反射レーザ光および散乱光を所定口径の望遠レンズ装置を通して受信し、受信した反射レーザに含まれる前記光タグに関する受信情報を出力するものであり、
前記受信情報に基づいて水棲生物、陸上生物、または人の位置、または航空機の不時着位置をリアルタイムで算出する演算装置が、地上に設置されている
ことを特徴とする請求項１または２のレーザ光追尾システム。
【請求項８】
前記光タグは水棲生物、陸上生物、人、または航空機に装着され、
前記レーザ光送信装置は、前記反射レーザ光を受けるレーザ光受信装置を備えるレーザ光送受信装置に設けられ、
前記レーザ光送受信装置は前記飛翔体に搭載され、
前記レーザ光送受信装置は、前記レーザ光送信装置から出力された照射レーザ光を所定のスポット径として走査する光偏向器および集光レンズ装置を備え、照射レーザ光に起因する反射レーザ光および散乱光を所定口径の望遠レンズ装置を通して受信し、受信した反射レーザに含まれる前記光タグに関する受信情報を出力するものであり、
前記受信情報に基づいて水棲生物、陸上生物、または人の位置、または航空機の不時着位置をリアルタイムで算出する演算装置が前記飛翔体に搭載されている
ことを特徴とする請求項１または２のレーザ光追尾システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中に存在する被追尾体を、水中透過性のレーザ光を空中から照射して追尾するレーザ光追尾システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザビームを生成するレーザ発生器と、前記レーザビームを走査し、且つレーザビームを所定の探索パターンで走査させるビーム走査装置と、被追尾体である標的物体から反射した反射レーザ光を受信し、その反射レーザ光に応答して上記ビーム走査装置に前記探索パターンを変化させる受信装置とを備えた、レーザ光追尾システムが提案されている。たとえば、特許文献１に記載された標的追尾用レーザ指示装置がそれである。
【０００３】
この特許文献１に記載されたレーザ光追尾システムは、被追尾体からの反射レーザ光を受信すると、それに応答して探索パターンを縮小させる受信デバイスを備え、受信した反射レーザ光に基づいて絶えず更新される追尾データを利用して標的物体を正確に追尾するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１１８９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されているレーザ光追尾システムは、所定の探索パターンで走査したレーザビームに対して被追尾体から反射して受信デバイスに受信される反射レーザ光は、微弱な信号となり易く受信ゲインが低いため、探索パターンの縮小がうまく行かない場合があった。特に、被追尾体が水中に存在する場合には、そのような不都合が顕著となっていた。また、反射レーザ光には、被追尾体を識別する情報が含まれていないため、目的とする被追尾体であるか否かの識別が難しく、被追尾体を個別に探索する用途に用いることが困難であった。
【０００６】
本発明は以上の事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、水中に存在する被追尾体を、空中から水中透過性のレーザ光を用いて正確に追尾することができるレーザ光追尾システムを提供することにある。
【０００７】
近年では、たとえばマグロ、鯨、海亀などの海洋生物の生態を研究する一環として、その海洋生物の新たな生態を発見するために、海洋生物の海洋における回遊をリアルタイムで調査することが望まれている。従来では、種々の検知データを記憶するロガーとそのロガーに蓄積されたデータを搬送する電波をアンテナを介して発信する電波送信器とを有するタグモジュールを、海洋生物に装着し、その電波を受けて海洋生物の生態を分析することが提案されていたが、そもそも水中での電波の伝搬が不可能であるため、海洋生物が海面に浮上したときに発信された電波を受信することしかできず、リアルタイムで追尾することが困難であった。
【０００８】
また、航空業界において、事故により航空機が海などに不時着した場合、その捜索範囲は広範であって捜索作業は困難極まりない。前述のように電波は海中を伝播しないから、電波を用いるレーダーや、高度で高価な送信設備は何の役にも立たないし、音波を用いる音波探知器は探知距離が短すぎるからである。
【０００９】
本発明者は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、探索光としてある程度の水中透過性を有する紫色乃至緑色の波長帯のレーザ光送信装置を用いるとともに、被追尾体には、レーザ光送信装置に向かってレーザ光を反射する再帰性反射ミラーの上に、再帰性反射層から反射した反射光を変調可能な液晶膜或いは液晶板を重ねた光タグを装着すると、空中から水中透過性のレーザ光を用いて水中に存在する被追尾体を正確に追尾することができるレーザ光追尾システムを構築可能であることを見いだした。本発明は斯かる知見に基づいて為されたものでる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１発明の要旨とするところは、レーザ光送信装置から水面に向かって出力された照射レーザ光を被追尾体に装着された光タグに反射させ、前記光タグにより反射された反射レーザ光を受けて前記被追尾体を追尾するレーザ光追尾システムであって、前記照射レーザ光は、水中透過性を有する波長帯から選択された波長を有するものであり、前記光タグは、前記反射レーザ光を前記レーザ光送信装置に向かって反射する再帰性反射層と、前記再帰性反射層の上に積層され、前記再帰性反射層により反射された反射レーザ光を変調する変調層とを有するものであることにある。
【００１１】
第２発明の要旨とするところは、前記変調層は、前記再帰性反射層の上に積層され、前記再帰性反射層により反射された反射レーザ光を変調する液晶膜を有するものであることにある。
【００１２】
第３発明の要旨とするところは、前記レーザ光送信装置は、前記反射レーザ光を受けるレーザ光受信装置を備えるレーザ光送受信装置に設けられ、前記レーザ光受信装置およびレーザ光送信装置は、飛翔体または人工衛星に搭載されるものであり、前記レーザ光送信装置から出力される照射レーザ光は、水中での吸収率がきわめて低い紫色から緑色までの波長帯から選択された波長を有するものであることにある。
【００１３】
第４発明の要旨とするところは、前記光タグは、水棲生物、陸上生物、又は人（ヒト）に装着されるものであることにある。
【００１４】
第５発明の要旨とするところは、前記光タグは、飛行機やヘリコプターなどの飛翔体に装着されるものであることにある。
【００１５】
第６発明の要旨とするところは、前記タグは、予め設定された固有の識別コードを表すように強度変調或いは位相変調により変調されたパルス状駆動信号を用いて前記液晶膜をオンオフ駆動する液晶駆動回路を有するものであることにある。
【００１６】
第７発明の要旨とするところは、前記光タグは水棲生物、陸上生物、人（ヒト）、または航空機に装着され、前記レーザ光送信装置は、前記反射レーザ光を受けるレーザ光受信装置を備えるレーザ光送受信装置に設けられ、前記レーザ光送受信装置は前記人工衛星に搭載され、前記レーザ光送受信装置は、前記レーザ光送信装置から出力された照射レーザ光を所定のスポット径として走査する光偏向器を備え、照射レーザ光に起因する反射レーザ光および散乱光を所定口径の望遠レンズ装置を通して受信し、受信した反射レーザに含まれる前記光タグに関する受信情報を出力するものであり、前記受信情報に基づいて水棲生物、陸上生物、または人の位置、または航空機の不時着位置をリアルタイムで算出する演算装置が地上に設置されていることにある。
【００１７】
第８発明の要旨とするところは、前記光タグは水棲生物、陸上生物、人（ヒト）、または航空機に装着され、前記レーザ光送信装置は、前記反射レーザ光を受けるレーザ光受信装置を備えるレーザ光送受信装置に設けられ、前記レーザ光送受信装置は前記飛翔体に搭載され、前記レーザ光送受信装置は、前記レーザ光送信装置から出力された照射レーザ光を所定のスポット径として走査する光偏向器および集光レンズ装置を備え、照射レーザ光に起因する反射レーザ光および散乱光を所定口径の望遠レンズ装置を通して受信し、受信した反射レーザに含まれる前記光タグに関する受信情報を出力するものであり、前記受信情報に基づいて水棲生物、陸上生物、または人の位置、または航空機の不時着位置をリアルタイムで算出する演算装置が前記飛翔体に搭載されていることにある。
【発明の効果】
【００１８】
第１発明のレーザ光追尾システムによれば、前記照射レーザ光は、水中透過性を有する波長帯から選択された波長を有するものであり、前記光タグは、前記反射レーザ光を前記レーザ光送信装置に向かって反射する再帰性反射層と、前記再帰性反射層の上に積層され、前記再帰性反射層により反射された反射レーザ光を変調する変調層とを有するものである。このことから、水中に存在する被追尾体に装着された光タグに到達した水中透過性を有する照射レーザ光は再帰性反射層によってその照射レーザ光の光源に向かって反射されることにより、被追尾体からの反射レーザ光は比較的高い受信ゲインにて受信される。また、反射された反射レーザ光は前記変調層を通過したことにより変調されることから、反射レーザ光には被追尾体を識別する情報を含ませることができるので、目的とする被追尾体であるか否かの識別が容易となる。これにより、被追尾体を個別に探索し追尾することが可能となる。
【００１９】
第２発明のレーザ光追尾システムによれば、前記変調層は、前記再帰性反射層の上に積層され、前記再帰性反射層により反射された反射レーザ光を変調する液晶膜を有するものであることにある。このことから、反射された反射レーザ光は前記変調層を通過したことにより変調されることから、反射レーザ光には被追尾体を識別する情報を含ませることができるので、目的とする被追尾体であるか否かの識別が容易となる。これにより、被追尾体を個別に探索し追尾することが可能となる。
【００２０】
第３発明のレーザ光追尾システムによれば、前記レーザ光送信装置は、前記反射レーザ光を受けるレーザ光受信装置を備えるレーザ光送受信装置に設けられ、前記レーザ光受信装置およびレーザ光送信装置は、飛翔体または人工衛星に搭載されるものであり、前記レーザ光送信装置から出力されるレーザ光は、水中での吸収率がきわめて低い紫色から緑色までの波長帯から選択された波長を有するものである。このことから、水中の被追尾体を飛翔体または人工衛星から追尾することができる。
【００２１】
第４発明のレーザ光追尾システムによれば、前記光タグは、水棲生物、陸上生物、又は人（ヒト）に装着されるものである。このことから、比較的おおきな高さを有する地上構築物、飛翔体或いは人工衛星等に設けられたレーザ光送受信装置を用いて、水棲生物、陸上生物、又は人（ヒト）を追尾することができる。
【００２２】
第５発明のレーザ光追尾システムによれば、前記光タグは、飛行機やヘリコプターなどの飛翔体に装着されるものである。このことから、飛翔体或いは人工衛星等に設けられたレーザ光送受信装置を用いて、地上或いは水中などの飛翔体（被追尾体）を追尾することができる。
【００２３】
第６発明のレーザ光追尾システムによれば、前記光タグは、予め設定された固有の識別コードを表すように強度変調或いは位相変調により変調されたパルス状駆動信号を用いて前記液晶膜をオンオフ駆動する液晶駆動回路を有するものである。これにより、たとえば被追尾体固有のコードが反射レーザ光に含まれるように液晶膜が駆動されるので、反射レーザ光に含まれる被追尾体固有のコードに基づいて被追尾体が個別に追尾される利点がある。
【００２４】
第７発明のレーザ光追尾システムによれば、前記光タグは水棲生物、陸上生物、人（ヒト）、または航空機に装着され、前記レーザ光送信装置は、前記反射レーザ光を受けるレーザ光受信装置を備えるレーザ光送受信装置に設けられ、前記レーザ光送受信装置は前記人工衛星に搭載され、前記レーザ光送受信装置は、前記レーザ光送信装置から出力された照射レーザ光を所定のスポット径として走査する光偏向器を備え、照射レーザ光に起因する反射レーザ光および散乱光を所定口径の望遠レンズ装置を通して受信し、受信した反射レーザに含まれる前記光タグに関する受信情報を出力するものであり、前記受信情報に基づいて水棲生物、陸上生物、または人（ヒト）の位置、または航空機の不時着位置をリアルタイムで算出する演算装置が地上に設置されている。これにより、地上に設置された演算装置において、前記受信情報に基づいて直接検波或いは自己ホモダイン検波によって信号を抽出された信号に基づいて前記被追尾体の個別の位置をリアルタイムで算出される。
【００２５】
第８発明のレーザ光追尾システムによれば、前記光タグは水棲生物、陸上生物、人（ヒト）、または航空機に装着され、前記レーザ光送信装置は、前記反射レーザ光を受けるレーザ光受信装置を備えるレーザ光送受信装置に設けられ、前記レーザ光送受信装置は前記飛翔体に搭載され、前記レーザ光送受信装置は、前記レーザ光送信装置から出力された照射レーザ光を所定のスポット径として走査する光偏向器および集光レンズ装置を備え、照射レーザ光に起因する反射レーザ光および散乱光を所定口径の望遠レンズ装置を通して受信し、受信した反射レーザに含まれる前記光タグに関する受信情報を出力するものであり、前記受信情報に基づいて水棲生物、陸上生物、または人（ヒト）の位置、または航空機の不時着をリアルタイムで算出する演算装置が前記飛翔体に搭載されている。これにより、前記飛翔体に設置された演算装置において、前記受信情報に基づいて直接検波或いは自己ホモダイン検波によって信号を抽出された信号に基づいて前記被追尾体の個別の位置をリアルタイムで算出される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のレーザ光追尾システムの一実施例を説明する概略図である。
【図２】図１のレーザ光追尾システムに用いられるレーザ光送受信装置の構成例を説明する概略図であって、レーザ光受信装置が直接検波を用いる場合を示している。
【図３】図１のレーザ光追尾システムに用いられるレーザ光送受信装置の構成例を説明する概略図であって、レーザ光受信装置がホモダイン位相検波を用いる場合を示している。
【図４】図１のレーザ光追尾システムに用いられる光タグの構成を説明する斜視図である。
【図５】図１のレーザ光追尾システムにおいて、反射レーザ光が光タグから人工衛星へ到達するまでの時間と人工衛星の移動距離との関係を説明する図である。
【図６】図５の関係を前提とした人工衛星のタグ情報受信時間範囲を説明するタイムチャートである。
【図７】レーザ光が海水中を伝播する場合の、水深と全光損失との関係を示す図表である。
【図８】理想状態のレーザ光受信装置において、水深とその水深において確保される瞬時光信号対雑音比（ＩＯＳＮＲ）との関係を示すグラフである。
【図９】本発明のレーザ光追尾システムの他の実施例を説明する図である。
【図１０】本発明のレーザ光追尾システムのさらに他の実施例を説明する図である。
【図１１】図１０の実施例の飛行機に搭載されたレーザ光送受信装置、演算装置、および、表示器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。尚、以下の説明に用いる図面において各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。
【実施例１】
【００２８】
図１は、本発明の一実施例のレーザ光追尾システム１０の構成の要部を示す略図である。図１において、たとえば地球Ｅの上空３００ｋｍ程度の低軌道の人工衛星１２には、後述のレーザ光送受信装置１４が搭載されており、反射レーザ光Ｌｒに関連する信号を表す電波が図示しない通信装置およびアンテナ１６を介して地上へ送信されるようになっている。地上には、人工衛星１２のアンテナ１６から送信された電波を受ける地上アンテナ２０を備える演算装置２２が配置されている。演算装置２２は、人工衛星１２から逐次送信される電波により表される反射レーザ光Ｌｒに関連する信号に基づいて、被追尾体であるマグロ、鯨、海亀などの海洋Ｗを回遊する海洋生物２４に装着された光タグ３０からの反射レーザ光Ｌｒに基づいて追尾データを逐次算出して、その海洋生物の回遊軌跡データを生成する。
【００２９】
図２は、人工衛星１２に搭載されるレーザ光送受信装置１４の一例であって、相互に固定されたレーザ光送信装置２６およびレーザ光受信装置２８を備えている。図２では、直接検波方式を採用した場合のレーザ光送信装置２６およびレーザ光受信装置２８の原理的な構成を示している。レーザ光送信装置２６は、水中での吸収率が低い紫色、青色、緑色などの波長帯、たとえば３５５〜５６０ｎｍの波長帯内から選択された波長のパルス状の照射レーザ光Ｌｏを出力するレーザ光源２６ａと、レーザ光源２６ａから出力された照射レーザ光Ｌｏを偏向して地表面でのスポットが格子状に走査されるようにする光偏向器２６ｂと、光偏向器２６ｂにより偏向された照射レーザ光Ｌｏを地表上で所定の大きさのスポット径となるように集光する集光レンズ装置２６ｃとを、備えている。光偏向器２６ｂは、たとえば、圧電素子による駆動によって偏向ミラーの角度を所定の周波数で変化させる形式のものや、電気光学効果或いは音響光学効果により半導体光導波路内を伝播するレーザ光を所定の周期で偏向させる形式のものから構成される。なお、レーザ光源２６ａの構成によって所望のスポット径が得られる場合には、集光レンズ装置２６ｃは必ずしも設けられていなくてもよい。
【００３０】
レーザ光受信装置２８は、被追尾体である回遊中のマグロなどの海洋生物２４に装着された光タグ３０からの反射レーザ光Ｌｒを集光する望遠レンズ装置２８ａと、望遠レンズ装置２８ａを通過した反射レーザ光Ｌｒを増幅する前置光増幅器２８ｂと、前置光増幅器２８ｂにより増幅された反射レーザ光Ｌｒを受けてその包絡線を抽出し、その包絡線が表す反射レーザ光Ｌｒに含まれる識別コード（パルス信号）を電気信号Ｓｏｕｔに変換して出力する包絡線検波素子（受光素子）２８ｃとを、備えている。前置光増幅器２８ｂは、たとえば半導体光増幅器を用いた光ファイバアンプから構成される。
【００３１】
図３は、人工衛星１２に搭載されるレーザ光送受信装置１４の他の一例であって、相互に固定されたレーザ光送信装置３２およびレーザ光受信装置３４を備えている。図３では、コヒーレント検波方式すなわち自己ホモダイン検波方式を採用した場合のレーザ光送信装置３２およびレーザ光受信装置３４の原理的な構成が示されている。レーザ光送信装置３２は、水中での吸収率が小さい紫色、青色、緑色を含む波長帯、たとえば３５５〜５６０ｎｍの波長帯内から選択された波長のパルス状の照射レーザ光Ｌｏを出力するレーザ光源３２ａと、たとえばハーフミラーから構成され、レーザ光源３２ａから出力された照射レーザ光Ｌｏを出力側へ通過させるとともに残り一部の照射レーザ光Ｌｏを局部発信光としてレーザ光受信装置３４側へ分割するビームスプリッタ３２ｂと、光偏向器２６ｂと同様に構成され、ビームスプリッタ３２ｂから出力側へ通過した照射レーザ光Ｌｏを偏向して地表面でのスポット位置が格子状に走査されるようにする光偏向器３２ｃと、光偏向器３２ｃにより偏向された照射レーザ光Ｌｏを地表上で所定のスポット径となるように集光する集光レンズ装置３２ｄとを、備えている。
【００３２】
レーザ光受信装置３４は、被追尾体である回遊中のマグロなどの海洋生物２４に装着された光タグ３０からの反射レーザ光Ｌｒを集光する望遠レンズ装置３４ａと、望遠レンズ装置３４ａを通過した反射レーザ光Ｌｒを増幅する前置光増幅器３４ｂと、前置光増幅器３４ｂにより増幅された反射レーザ光Ｌｒとビームスプリッタ３２ｂにより分割された局部発信光ＥＬＯとを合波（混合）して一対の混合光Ｅ１およびＥ２を生成する混合器３４ｃと、それら一対の混合光Ｅ１およびＥ２をそれぞれ自乗して一対の乗算光｜Ｅ１｜２および｜Ｅ２｜２をそれぞれ出力する一対の乗算器３４ｄ、３４ｅと、一対の乗算器３４ｄ、３４ｅから出力された一対の乗算光｜Ｅ１｜２および｜Ｅ２｜２の一方に図示しない遅延素子により位相差（たとえばπ／２）を与えた後でそれら一対の乗算光｜Ｅ１｜２および｜Ｅ２｜２の差分を算出することで、反射レーザ光Ｌｒに含まれる光タグ３０に関する情報すなわち反射レーザ光Ｌｒに含まれる識別コード（パルス信号）を電気信号Ｓｏｕｔに変換して出力する自己ホモダイン検波素子３４ｆとを、備えている。
【００３３】
図４は、海洋生物２４に装着された光タグ３０の構成を説明する斜視図である。本実施例の光タグ３０には、曲面に貼着可能となるように、全体として可撓性をもたせてある。光タグ３０は、裏面に接着層４０を有する可撓性のベースシート４２と、ベースシート４２の上面に順次積層された再帰性反射層４４および液晶膜４６と、ベースシート４２の上面に固着された液晶駆動装置４８を、備えている。再帰性反射層４４は、反射レーザ光Ｌｒをそれを放射した照射レーザ光Ｌｏの光源へ向かって反射する性質を有するものであり、正四面体粒を利用したプリズム型、球形ガラスビースを透明カプセル内に封入したカプセルレンズ型、球形ガラスビースを透明樹脂内に封入した封入レンズ型、球形ガラスビースを露出面に固着した露出レンズ型などから構成される。液晶膜４６は、再帰性反射層４４から反射されて液晶膜４６を通過する反射レーザ光Ｌｒにたとえばオンオフ信号の変調を加えるものである。液晶膜４６は、光シャッタとして機能するものであり、たとえばネマチック型液晶から構成されている。
【００３４】
液晶駆動装置４８は、たとえばＲＯＭから構成され、被追尾体２４の予め設定された固有のコード信号が書き込まれたコードメモリ５０と、そのコードメモリ５０に記憶された被追尾体２４の固有のコードが反射レーザ光Ｌｒに含まれるように、照射レーザ光Ｌｏのパルス周波数よりも十分に低い周波数すなわち照射レーザ光Ｌｏのパルス周期よりも十分に永い周期を有するパルス状駆動信号を用いて液晶膜４６を全面的にオンオフ駆動液晶駆動回路５２と、ＣＰＵを含み予め設定されたプログラムに従って液晶駆動回路５２を制御する演算制御素子５４と、好適にはソーラセルを含み、コードメモリ５０、液晶駆動回路５２、および演算制御素子５４に電源を供給する電源装置５６とを、備えている。上記の液晶膜４６は、反射レーザー光Ｌｒを変調する変調膜として機能している。
【００３５】
図１に戻って、人工衛星１２に搭載された図示しない通信装置は、レーザ光送受信装置１４から出力された、反射レーザ光Ｌｒに含まれる海洋生物２４の固有の識別コード（パルス信号）を表す電気信号Ｓｏｕｔと、その電気信号Ｓｏｕｔを受けたときの照射レーザ光Ｌｏの地上でのスポット位置を表す位置信号とを、電波により送信する。地上に設けられている演算装置２２は、地上アンテナ２０を介してその電波を受けるとともに、海洋生物２４の固有の識別コードを表す信号と、再帰性反射層４４からの反射レーザ光Ｌｒを受けたときの照射レーザ光Ｌｏの地上でのスポット位置とに基づいて海洋生物２４の位置を特定し、その海洋生物２４を追尾する。たとえば、地球Ｗおよび海洋Ｗを示す地図上にその海洋生物２４の移動軌跡をリアルタイムで表示する。
【００３６】
図５は、レーザ光追尾システム１０の動作の説明に用いる図であり、図６は伝送タイムチャートを示す図である。図５において、低軌道の人工衛星１２の地表からの距離を３００ｋｍとすると、人工衛星１２から照射された照射レーザ光Ｌｏが海洋Ｗ中の海洋生物２４に貼着された光タグ３０から反射して再び当該人工衛星１２に到着するまでには、２ｍｓｅｃの遅延時間が発生する。一方、人工衛星１２の移動速度が１０ｋｍ／ｓｅｃであるとすると、２ｍｓｅｃの間に２０ｍ移動する。仮に、海洋生物２４に貼着された光タグ３０から反射した反射レーザ光Ｌｒの光のひろがり角を３．３ｍｒａｄとすると、低軌道の人工衛星１２の軌道上では１０００ｍの範囲で反射レーザ光Ｌｒが広がる。この領域を人工衛星１２が通過する時間は５０ｍｓｅｃであるので、反射レーザ光Ｌａの検知には十分な時間を確保できる。この５０ｍｓｅｃの領域内に光タグ３０に関する情報を人工衛星１２が検出する必要がある。
【００３７】
図６は、これらの条件を勘案した光タグ３０に関する情報の伝送タイムチャートの一例を示している。この図６では、人工衛星１２から照射される照射レーザ光Ｌｏの照射開示時刻を０としている。反射レーザ光Ｌｒのスポット内部に人工衛星１２が存在する５０ｍｓｅｃを受信可能時間として、この受信可能時間内でたとえば１０〜１００ビットの情報を１ｍｓｅｃで受信する。つまり、１０〜１００ｋｂｉｔ／ｓｅｃの通信速度を実現している例である。
【００３８】
以下において、レーザ光追尾システム１０の限界を検討する。
（レーザビーム損失）
低軌道の人工衛星１２から海洋Ｗに向けて照射される照射レーザ光Ｌｏは、オゾン層や大気で吸収または散乱を受ける。照射レーザ光Ｌｏの波長が４６０ｎｍ（青色）であるとすると、天頂方向の透過率は６０％（快晴時）である。帯域の透過率は、可視光域においては比較的高く、大気の窓と呼ばれている。大気と海面との境界においては、スネルの法則におる海面反射が発生するが、海水の屈折率を１．３３とすると、８４％の透過率が得られる。また、再帰反射膜４４の反射率を９０％とすると、これらの要因で−６．４ｄＢ相当の光損失となる。
【００３９】
（レーザビーム拡散損失）
レーザビーム拡散損失は、以下の前提条件を用いて検討する。
往路拡散損失については、照射レーザ光源のビーム角広がり角θｌａｓｅｒ＝０．３３°ｍｒａｄ、ビーム拡散幅ｄｌａｓｅｒ＝１００ｍ、再帰反射層の幅ｄｃｒｒ＝０．１ｍ、ビーム拡散光損失Ｌ１＝１０Log〔ｄｃｒｒ／ｄｌａｓｅｒ〕２＝−６０ｄＢとする。
復路拡散損失については、再帰性反射層４４からの反射レーザ光のビーム広がり角θｃｒｒ＝照射レーザ光のビーム広がり角の１０倍すなわちθｃｒｒ＝３．３ｍｒａｄ、ビーム拡散幅ｄｃｒｒ／ｌａｓｅｒ＝１０００ｍ、集光レンズ幅ｄｌｅｎｓ＝１．０ｍ、ビーム拡散光損失Ｌ２＝１０log〔ｄｌｅｎｓ／ｄｃｒｒ／ｌａｓｅｒ〕２＝−６０ｄＢとする。
上記の前提条件では、レーザ光の往復損失は−１２０ｄＢとなる。
【００４０】
（海中における光吸収・散乱損失）
海中における可視光の減衰係数は、文献（IEEE  JOUNAL  OF  OCEANIC  ENGINEERING，vol.33，No.4，pp．513-521，Oct．（2008）参照）によれば、０．１５１（１／ｍ）とされている。この知見により、水深ｄｗとレーザ光の往復損失Ｌｗとの間には、Ｌｗ＝１．３１ｄｗ（ｄＢ）という関係があるとすることができる。
【００４１】
（全光損失）
上述の検討により、快晴時に水質汚濁の少ない海洋の海水中に存在する被追尾体をレーザ光を用いて追尾する際の全光損失Ｌは、次式（１）により表される。
Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌｗ＝−１３０．０−１．３１ｄｗ（ｄＢ）・・・（１）
この（１）式で得られる全光損失と水深との関係を表す関係の数値列を図７の図表に示す。これにより、水深１０ｍ以上になると、急激に減衰することが判る。
【００４２】
（理想レーザ光受信装置による計測限界）
上述の検討により、水深１０ｍ前後に位置する被追尾体を追尾するには、−１４５（ｄＢ）前後の光損失に耐えるだけのレーザ光受信装置を構築する必要がある。低軌道の人工衛星１２に搭載するレーザ光送信装置については、電力供給の関連から大きな制約が伴うものと推定される。加えて、タグ情報ビット長は、１００ｂｉｔ程度と情報量としては少量であること、反射レーザ光から検波により得られる信号Ｓｏｕｔの信号対雑音比を十分に確保する観点も併せ、照射するレーザ光をデューティ比１０−３でパルス化することにより、その分、瞬時のパルス信号を用いて光電力を確保できるようにする。
レーザ光受信装置においては、雑音がシステム性能を決定づける重要な要素である。このレーザ光受信装置の雑音は、反射レーザ光の検波により得られる受信光信号のショット雑音、熱雑音、背景光ショット雑音、暗電流ショット雑音等が存在することが知られているが、限界性能を与える要素は、受信光信号のショット雑音である。受信光信号の根源は、レーザ光の量子のゆらぎである。レーザ光源から出力された照射レーザ光は量子力学的には、コヒーレント状態に近いとされ、時間当たりに出力される光子数はポアソン分布、位相のゆらぎはガウス分布となることが知られている。一方、レーザ光受信装置における検波方式には、レーザ光の光子数を検波することに相当する直接検波方式と、レーザ光の位相を検波することに相当するコヒーレント位相検波方式が存在する。厳密には、直接検波方式の雑音評価ではポアソン分布を、コヒーレント位相検波方式ではガウス分布を前提として評価する必要があるが、本実施例ではガウス分布に従うものとして評価する。
【００４３】
上記の条件の元、理想状態のレーザ光受信装置において確保される信号対雑音比（以下、ＳＮＲという）を見積もったものを、図８に示す。図８においては、縦軸をＳＮＲではなく、瞬時光信号対雑音比（ＩＯＳＮＲ）として記載されている。これはレーザ光送信装置の照射レーザ光のパルス化に伴うもので、パルスが存在する瞬間の光信号対雑音比で表現しており、一般的に用いられる平均光電力の光信号対雑音比とは区別して表現している。図８に示されるように、水深１０ｍの場合には、レーザ光送信装置の出力電力が１０Ｗでは３０ｄＢ、１Ｗでは２０ｄＢのＩＯＳＮＲを確保することができる。
【００４４】
一方、ＩＯＳＮＲは、タグ情報の検出誤り率との関連を有している。例えば、タグ情報の検出誤り率を１０−３であるとすると、直接検波方式では、１７ｄＢのＳＮＲを確保する必要がある。コヒーレント位相検波方式の一種でホモダイン同期検波方式では１１ｄＢのＳＮＲで同一の検出誤り率を得ることが可能で高性能である（Proc．of  ICIIS  2013，pp.224-227，Aug．（2013）および「コヒーレント光通信光学」大越，菊地  オーム社（1989）参照）。
これらを勘案すると、レーザ光送信装置の平均光出力電力が１０Ｗの場合では直接検波方式では水深１３ｍ，ホモダイン位相検波方式では水深１７ｍが検出限界となる。
【００４５】
上述のように、本実施例のレーザ光追尾システム１０によれば、照射レーザ光Ｌｏは、水中透過性を有する波長帯から選択された波長を有するものであり、光タグ３０は、反射レーザ光Ｌｒをレーザ光送信装置２６、３２に向かって反射する再帰性反射層４４と、再帰性反射層４４の上に積層され、再帰性反射層４４により反射された反射レーザ光Ｌｒを変調する液晶膜４６とを有するものである。このため、水中に存在する海洋生物（被追尾体）２４に装着された光タグ３０に到達した水中透過性を有する照射レーザ光Ｌｏは再帰性反射層によってその照射レーザ光Ｌｏの光源がある人工衛星１２に向かって反射されることにより、海洋生物２４からの反射レーザ光Ｌｒは比較的高い受信ゲインにて人工衛星１２により受信される。また、反射された反射レーザ光Ｌｒは液晶膜４６を通過したことにより変調されることから、反射レーザ光Ｌｒには海洋生物２４を識別する情報を含ませることができるので、目的とする海洋生物２４であるか否かの識別が容易となる。これにより、海洋生物２４を個別に探索し追尾することが可能となって海洋生物２４の新たな生態が明らかとなるので、漁業資源を持続可能とすることに寄与することができる。
【００４６】
本実施例のレーザ光追尾システム１０によれば、レーザ光送信装置２６、３２は、反射レーザ光Ｌｒを受けるレーザ光受信装置２８、３４を備えるレーザ光送受信装置１４に設けられ、レーザ光受信装置２８、３４およびレーザ光送信装置２６、３２は、人工衛星１２に搭載されるものであり、レーザ光送信装置２６、３２から出力される照射レーザ光Ｌｏは、水中での吸収率が少ない紫色から緑色までの波長帯から選択された波長を有するものであるので、海洋生物２４等の水中被追尾体を人工衛星１２から追尾することができる。
【００４７】
本実施例のレーザ光追尾システム１０によれば、光タグ３０は、予め設定された固有の識別コードを表すように強度変調或いは位相変調により変調されたパルス状駆動信号を用いて液晶膜４６をオンオフ駆動する液晶駆動回路５２を有するものである。このため、たとえば海洋生物（被追尾体）２４の固有のコードが反射レーザ光に含まれるように液晶膜４６が駆動されるので、反射レーザ光Ｌｒに含まれる被追尾体固有のコードに基づいて海洋生物２４が個別に追尾される利点がある。
【００４８】
本実施例のレーザ光追尾システム１０によれば、光タグ３０は海洋生物２４に装着され、レーザ光送受信装置１４は人工衛星１２に搭載され、レーザ光送受信装置１４は、レーザ光送信装置２６、３２から出力された照射レーザ光Ｌｏを所定のスポット径として走査する光偏向器２６ｂおよび集光レンズ装置２６ｃと、照射レーザ光Ｌｏに起因する反射レーザ光Ｌｒおよび散乱光を所定口径の望遠レンズ装置２８ａ、３４ａを通して受信し、受信した反射レーザＬｒに基づく受信情報（信号Ｓｏｕｔ）を出力するレーザ光受信装置２８、３４とを含むものであり、前記信号Ｓｏｕｔに基づいて海洋生物（被追尾体）２４の位置をリアルタイムで算出する演算装置２２が地上に設置されている。これにより、海洋生物（被追尾体）２４の個別の位置をリアルタイムで算出される。
【実施例２】
【００４９】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５０】
図９の実施例では、追尾システム１０が、不時着した飛行機、ヘリコプター、飛行船などの飛翔体たとえば飛行機８０の追尾や探索に適用された例を示している。人工衛星１２には、レーザ光送受信装置１４が搭載されており、飛行機８０には、光タグ３０が、飛行機８０の表面の所定の位置または複数位置に装着されている。
【００５１】
本実施例の追尾システム１０によれば、たとえばハイジャックなどに起因して電波による通信不能な飛行機８０が海洋Ｗに不時着した場合には、その飛行機８０に装着した光タグ３０からの反射レーザ光Ｌｒを受けて反射レーザ光Ｌｒに含まれる識別情報から飛行機８０を人工衛星１２で追尾或いは探索することで、その不時着位置を特定できる。これにより、不時着した飛行機８０についてその人命救助を速やかに開始することが可能となって、安全、安心な社会の構築に寄与することができる。不時着した飛行機８０はしばらく浮くことができるし、乗客はライフラフトを用いて漂流している可能性がある。
【実施例３】
【００５２】
図１０および図１１は、本発明のレーザ光追尾システム１０が、人（ヒト）８２の追尾或いは探索に適用された場合を示している。図１０の実施例では、レーザ光送受信装置１４が飛行機、ヘリコプター、飛行船、ドローンなどの飛翔体たとえば小型飛行機８４に搭載され、光タグ３０は、人（ヒト）８２の帽子或いは手足に装着される。レーザ光送受信装置１４および演算装置２２が、小型飛行機８４に搭載されている。これらレーザ光送受信装置１４および演算装置２２は、追尾する人８２が滞在する領域たとえば海水浴場を俯瞰可能な比較的高い地上構築物たとえば塔や建築物の頂部に設けられていてもよい。
【００５３】
本実施例の追尾システム１０によれば、たとえば海水浴場において人（ヒト）８２が溺れて行方が不明となった場合において、その人（ヒト）８２の帽子或いは手足に装着されている光タグ３０からの反射レーザ光Ｌｒを受けて反射レーザ光Ｌｒに含まれる識別情報から人（ヒト）８２を追尾或いは探索することで、その位置を特定できる。これにより、水浴中に行方不明となった人（ヒト）８２についてその早期の救助開始を可能とするので、人命の救助が可能となって、安全、安心な社会の構築に寄与することができる。
【００５４】
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
【００５５】
たとえば、前述の実施例では、レーザ光送受信装置１４が人工衛星１２や飛行機８０に搭載されていたが、比較的おおきな高さを有する地上構築物に設けられてもよい。
【００５６】
また、被追尾体は、海洋生物、陸上生物、人や、航空機、ヘリコプター、ドローンなどの飛翔体に限らない。光タグ３０を装着可能な物体であればよく、淡水中に棲む大型もしくは小型の水棲生物などであってもよい。
【００５７】
前記水棲生物は、海水または淡水中の生簀で養殖されている養殖魚であり、その養殖魚に光タグを装着し、ドローンなどにレーザ光送受信装置を搭載して、前記養殖魚の追尾および検出を行ってもよい。この場合、生簀内の養殖魚の数や固体認識ができるメリットがある。
【００５８】
また、図２或いは図３に示されているレーザ光送受信装置１４は、基本構成が示されているだけであるので、性能を高めるための、光学系装置や電気的装置の追加や変更がされてもよい。たとえば、レーザ光受信装置２８において、前置光増幅器２８ｂに替えて或いは加えて、信号Ｓｏｕｔを増幅する信号増幅器を包絡線検波素子２８ｃの後段に設けてもよい。
【００５９】
また、前述の実施例の光タグ３０において、たとえばベースシート４２が用いられていなくてもよい。また、光タグ３０は、全体として可撓性を持っていなくてもよい。
【００６０】
その他一々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０：レーザ光追尾システム
１２：人工衛星
１４：レーザ光送受信装置
１６：アンテナ
２０：地上アンテナ
２２：演算装置
２４：海洋生物（被追尾体、水棲生物）
２６：レーザ光送信装置
２６ａ：レーザ光源
２６ｂ：光偏向器
２６ｃ：集光レンズ装置
２８：レーザ光受信装置
２８ａ：望遠レンズ装置
２８ｂ：前置光増幅器
２８ｃ：包絡線検波素子
３０：光タグ
３２：レーザ光送信装置
３２ａ：レーザ光源
３２ｂ：ビームスプリッタ
３２ｃ：光偏向器
３２ｄ：集光レンズ装置
３４： レーザ光受信装置
３４ａ：望遠レンズ装置
３４ｂ：前置光増幅器
３４ｃ：混合器
３４ｄ：乗算器
３４ｅ：乗算器
３４ｆ：自己ホモダイン検波素子
４０：接着層
４２：ベースシート
４４：再帰性反射層
４６：液晶膜（変調層）
４８：液晶駆動装置
５０：コードメモリ
５２：液晶駆動回路
５４：演算制御素子
５６：電源装置
８０：飛行機（飛翔体、被追尾体）
８２：人（被追尾体）
８４：小型飛行機（飛翔体）
Ｅ：地球
Ｗ：海洋
【図１】
2018155663.tif 000003
【図２】
2018155663.tif 000004
【図３】
2018155663.tif 000005
【図４】
2018155663.tif 000006
【図５】
2018155663.tif 000007
【図６】
2018155663.tif 000008
【図７】
2018155663.tif 000009
【図８】
2018155663.tif 000010
【図９】
2018155663.tif 000011
【図１０】
2018155663.tif 000012
【図１１】
2018155663.tif 000013