(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光および該信号光よりも短い波長の追尾制御用のビーコン光からなる空間ビーム光
を用いる光無線通信装置であって、
前記空間ビーム光を送信光として対向装置に向けて放射するとともに該対向装置からの
空間ビーム光を受光する屈折式光学系と、前記ビーコン光の到来角を検出する到来角検出
器と、放射する前記空間ビーム光の向かう方向である指向角を変化させる追尾ミラー駆動
機構と、該追尾ミラー駆動機構を制御する制御部と、前記追尾ミラーの角度変位センサの
出力に基づいて前記指向角を推定して初期指向角推定値を算出する初期指向角推定装置とを備え、
前記初期指向角推定装置が、前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて所定の値を算出する無限インパルス応答フィルタと前記無限インパルス応答フィルタの出力に対して比例補償と積分補償を加えるＰＩ補償器を有し、前記初期指向角推定値の出力が必要になるときに備えて前記初期指向角推定値を算出し、
前記制御部が、前記ビーコン光の受信強度が所定の値よりも大きいときに前記到来角検
出器の出力に基づいて前記追尾ミラー駆動機構を制御し、前記ビーコン光の受信強度が所
定の値よりも大きくないときに前記初期指向角推定装置から出力される前記初期指向角推定値を用いて前記追尾ミラー駆動機構を制御することを特徴とする光無線通信装置。
【請求項２】
前記初期指向角推定装置が、前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて所定の値を算出する無限インパルス応答フィルタと前記無限インパルス応答フィルタの出力に対して比例補償と積分補償を加えるＰＩ補償器を有する代わりに、
前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて、外乱をモデル化し、その大きさ、変化速度および加速度の予測値を算出するカルマンフィルタを有することを特徴とする請求項１に記載の光無線通信装置。
【請求項３】
前記信号光と前記ビーコン光とで屈折式光学系を共用させ、前記信号光は前記屈折式光
学系により略平行ビームとして放射されるとともに前記ビーコン光は屈折式光学系の波長
分散により空中で収束した後発散するようにして対向装置へ送信光として放射されること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、追尾機能を有する光無線通信装置に関するものである。より詳しくは、光学ガラスの波長分散特性を活用して、信号光と追尾制御用に信号光よりも波長の短いレーザ光を同一の光学系から送信しあうことにより、相手局の方向を正確に検出する追尾機能を有する光無線通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光無線通信装置では、レーザ光の鋭い指向性を利用しつつ適度な広がりを持った略平行のレーザビームを空間へ放射する空間ビーム光を使って相手装置（相手局ともいう。）との間で通信を行うことが行われてきたが、その際、外乱による光軸のずれが起こると相手局に光が届かなくなり、通信が途切れるという問題が有った。これに対して通信回線を維持するために、相手局からの光（以下の説明ではビーコン光と呼ぶ）を基準にしてを行い光軸のずれを補正し（追尾）、自局の光放射の方向（指向角）を相手局の方向に一致させる対策が行われている（特許文献１参照）。
【０００３】
光無線通信装置は光ファイバの代替手段と位置付けることもできるが、光ファイバと異なり、空間を占有していないために鳥や虫などの飛遊物による空間ビーム光の遮断が有りうる。追尾機能を有する光無線通信装置では、空間ビーム光の遮断による直接的な回線の遮断だけでなく、ビーコン光の遮断により光軸の追尾制御が不安定になることから生じる副次的な通信回線遮断という新たな問題がある。
【０００４】
そこで、従来技術として、ビーコン光が遮断されたときの追尾制御の不安定動作を解消するために、ビーコン光の受光パワーが基準値を下回った場合に、追尾制御の処理を中断させて制御用の指令値を固定する構成が開示されている（特許文献２を参照）。
【０００５】
ここで、現実的な光無線通信装置の動作環境を考慮すると、ビーコン光を検出する到来角検出器の動作に必要な光量が得られなくなり追尾が中断するために通信回線が遮断される原因は、（１）ビーコン光を受信する側の装置の指向誤差が大きくなった場合、（２）ビーコン光を送信する相手側の装置の指向誤差が大きくなってビーコン光が受信側に照射されなくなる場合、あるいは、（３）伝送路中で障害物の遮蔽によりビーコン光が遮蔽される場合に分けられる。
【０００６】
このうち、（１）および（２）の場合には特許文献２にあるように直前の指向方向を維持しても回線断を防止することはできない。（３）の場合は、伝送路で遮断が起こっている場所の近くで信号光の口径がビーコン光よりも大きく、遮蔽物があっても信号光の伝送を維持できる場合には、改善効果が期待できそうに思えるが、実際には、遮蔽物による回折効果によりビーコン光が遮断されはじめる時点の空間ビーム光には大きな歪みが発生し、これに伴う追尾誤差により指向誤差が増大するため、ビーコン光が遮断される瞬間の指向方向を維持しても信号光の回線断を防止する効果は部分的なものになってしまうという問題点がある。
【０００７】
ところで、光ファイバ通信で１０Ｇｂｐｓ以上の遠距離回線に用いられているレーザの波長は１．３μｍ帯あるいは１．５５μｍ帯であり、この波長帯の信号光をビーコン光にも使う場合、既存の方式で用いられている４分割Ｓｉフォトダイオードを用いた到来角検出器ではこの波長帯に感度を有しないため、高価なＩｎＧａＡｓを用いた到来角検出器を新たに開発する必要がある。
【０００８】
信号光とビーコン光では求められる特性が異なることから、光無線通信装置内で信号光とは独立に波長が１μｍ以下のビーコン光を発生させ、従来のＳｉホトダイオードによる到来角検出器が使用できるようにした方式が考えられている。
【０００９】
この方式では、光ファイバを伝搬してきた信号光を装置内の光学系で指向性の鋭い空間ビーム光に変換して空間に発射し、受信側では受光した空間ビーム光を装置内の光学系で効率良く光ファイバに結合することにより、光ファイバ通信で実現されている１０Ｇｂｐｓ以上の高速大容量通信や波長多重を光無線通信で実現することができる。その際に、光増幅技術を使い、ビーコン光に光増幅器のポンプ光と同じ波長帯（０．９８μｍ）を用いる新しい光無線通信装置が開発されている（特許文献３参照）。
【００１０】
ここで、空中に放射される空間ビーム光を構成する信号光とビーコン光のうち、ビーコン光について検討する。光無線通信において確実な初期捕捉と安定な追尾を維持するためには、ビーコン光に適度なビーム広がりを持たせて、初期捕捉の際に送信機の指向方向が受信機に対してずれていてもビーコン光が確実に受信機側で検出でき、また、追尾を行っている際に追尾誤差によってビーコン光の送信方向がわずかにずれても受信側でビーコン光が途切れないようにする必要がある。ビーコン光に必要なビーム広がりは、光無線通信装置の設置環境（振動）や大気揺らぎの大きさによって変化するが、通常の条件では０．００１ラジアンから０．０１ラジアン程度である。
【００１１】
また、信号光については、１．３μｍ帯あるいは１．５５μｍ帯のレーザ光の人体に対する安全性を確保するために必要な出力限界（１００ｍＷ程度）を保証しつつ、実用的な伝送距離（１ｋｍ程度）で高速大容量の信号伝送を実現するためには、物理的限界までビームの指向性を鋭くする必要がある。たとえば、直径２ｃｍ、波長１．５５μｍの信号光の回折によるビーム広がりは０．１ミリラジアン程度であることから、安定な信号回線を維持するためには軸ずれの補正（追尾）を常時継続し、指向角の誤差を信号光のビーム広がりの１／１０以下、すなわち１０マイクロラジアン程度以下に保つ必要がある。
【００１２】
次に、上記の光ビームの仕様を実現する光学系について検討すると、信号光と追尾光の波長が大きく異なることから光学系の色収差が問題となる。色収差の観点からは、反射型が好ましいが、反射型光学系は鏡面の加工精度に対する要求が屈折型の４倍厳しく、構成が複雑で高価になるという欠点がある。したがって、小型化、低価格化を目指す光無線通信装置を構成するには屈折型の光学系が好ましく、さらに、信号光とビーコン光で同一の光学系を用いる構成が望ましい。
【００１３】
そこで、信号光よりも波長の短いビーコン光を用いる光無線通信装置において、信号光とビーコン光で光学系を共用して同一の光ファイバと屈折型光学系（光アンテナ）を介して送信し、信号光が平行光になる条件を満足させた場合、信号光に比べ波長の短いビーコン光は波長分散によってガラスの屈折率が大きくなるため収束ビームとなり、ガラスの屈折率で決まる一定の距離で一旦焦点を結んだのち発散ビームとなる。ここでは、このようなビーコン光を用いる方式を、収束・発散光追尾方式という。
【００１４】
収束・発散光追尾方式を用いる光無線通信装置では、ビーコン光の焦点付近に微小な物体が通過すると、ビーコン光が遮断されたり大きな減衰を被ることになる。この結果、信号光の伝送に際して高精度の追尾動作が必須とされる光無線通信装置では、信号光が障害物に遮蔽されて直接に回線の遮断が起こるだけはなく、ビーコン光の遮断に伴う信号光の回線断が発生することが実験により確認されている。
【００１５】
従来の光無線通信装置でも大きな障害物、例えば鳥の通過によって回線断が発生する可能性があり、信頼性を必要とする通信システムでは、この回線断が問題とされていた。高精度の追尾を必要とする収束・発散光追尾方式の光無線通信装置では、ビーコン光の焦点の大きさは０．１ｍｍから１ｍｍ程度と微小であるため、この焦点付近を通過する粉塵や雨、雪がビーコン光を遮断し追尾が正常に行われないため、信号光の回線断が発生することになる。この遮断が起こる時間は数ミリ秒程度ではあるが、なんらかの対策を講じない限り、収束・発散光追尾方式の光無線通信装置が降雨や降雪時には安定に使用できないという致命的な欠点を抱えることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０００−８９１５５号公報
【特許文献２】特開２００９−１４７４４７号公報
【特許文献３】特開２００６−９４１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
従来の追尾制御機能を有する光無線装置における空間ビーム光遮断への対策は、遮断直前の状態を維持するにとどまり、必ずしも遮断に伴う光軸を制御する追尾制御系の不安定動作を解決するものではなかった。
【００１８】
そこで、本発明は、光ファイバで直結される信号光と信号光に比べ短波長のビーコン光を、共通の屈折率光学系で送受信する光無線装置、特に、収束・発散光追尾方式を採用した場合に、ビーコン光の遮断に伴って光軸を制御する追尾制御系が不安定になるという問題を解決し、ビーコン光の遮断時にも通信回線の維持を図る光無線通信装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の問題を解決するため、請求項１に記載された光無線装置（自局ともいう。）は、信号光および該信号光よりも短い波長の追尾制御用のビーコン光からなる空間ビーム光を用いる光無線通信装置であって、前記空間ビーム光を送信光として対向装置（対向局ともいう。）に向けて放射するとともに該対向装置からの空間ビーム光を受光する屈折式光学系と、前記ビーコン光の到来角を検出する到来角検出器と、放射する前記空間ビーム光の向かう方向である指向角を変化させる追尾ミラー駆動機構と、該追尾ミラー駆動機構を制御する制御部と、前記指向角の変化に対応する前記追尾ミラーの変位を示すミラー角変位センサの出力に基づいて前記指向角を推定して初期指向角推定値を算出する初期指向角推定装置とを備え、前記初期指向角推定装置が、前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて所定の値を算出する無限インパルス応答フィルタと前記無限インパルス応答フィルタの出力に対して比例補償と積分補償を加えるＰＩ補償器を有し、初期指向角推定値の出力が必要になるときに備えて該初期指向角推定値を推定して初期指向角推定値を算出し、前記制御部が、前記ビーコン光の受信強度が所定の値よりも大きいときに前記到来角検出器の出力に基づいて前記追尾ミラー駆動機構を制御し、前記ビーコン光の受信強度が所定の値よりも大きくないときに前記初期指向角推定装置から出力される前記初期指向角推定値を用いて前記追尾ミラー駆動機構を制御することを特徴としている。
【００２０】
通常の追尾動作時とビーコン光の遮断時のそれぞれに最適な制御系を用意することで、安価に最適な制御系を実現することができる。追尾動作時には、外乱に対して安定な動作を保証するため、可能な限り高速で動作し、制御利得の高いアナログＰＩＤを用いたフィードバック制御を用いる。一方、初期指向角の推定装置は、追尾光が遮断された直前の状態を維持するのではなく、追尾装置の過去の動作履歴と対処すべき外乱の性質から最適なものを選択して用いる。無限インパルス応答フィルタは、入力された過去の経歴に基づいて出力を算出するので瞬断などの直前の値に基づく制御よりも安定な制御をすることができる。たとえば、設置環境が熱的・機械的に安定しており０．１秒程度のビーコン光の回線断に対応するだけで良いのであれば、追尾角の推定には１００Ｈｚ程度の時定数を持つ２次ＩＩＲローパスフィルタを用いることができる
【００２３】
請求項２に記載の光無線装置は、請求項１に記載の光無線通信装置において、前記初期指向角推定装置が、前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて所定の値を算出する無限インパルス応答フィルタと前記無限インパルス応答フィルタの出力に対して比例補償と積分補償を加えるＰＩ補償器を有する代わりに、前記ミラー角変位センサの過去から現在に至る出力に基づいて、外乱をモデル化し、その大きさ、変化速度および加速度の予測値を算出するカルマンフィルタを有することを特徴としている。
【００２４】
外乱をモデル化して所定の値を算出するカルマンフィルタにより、より精度の高い指向角の推定を行えるようになる。
【００２５】
請求項３に記載の光無線通信装置は、前記信号光と前記ビーコン光とで屈折式光学系を共用させ、前記信号光は前記屈折式光学系により略平行ビームとして放射されるとともに前記ビーコン光は屈折式光学系の波長分散により空中で収束した後発散するようにして対向装置へ放射されることを特徴としている。
【００２６】
前記信号光と前記ビーコン光とで屈折式光学系を共用させることで光学系の小型化が図れ、且つ、屈折式光学系の波長分散により信号光を略平行にすると、信号光よりも波長の短いビーコン光は信号光よりも高い屈折率の影響を受けて一度収束した後に発散するようにして対向装置へ向かうので、対向装置の位置では、ビーコン光のビーム径は信号光よりも大きくすることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る光ファイバで直結される信号光と信号光に比べ短波長のビーコン光を共通の屈折率光学系で送受信する光無線装置においては、相手局からのビーコン光を基準として自局の指向方向を制御する追尾制御のビーコン光遮断時における不安定性を解決するため、正常な追尾が動作している時のビーコン光の到来角変動の履歴から将来の最も確からしい追尾光の到来角を予測し、遮断時にはこの予測値を用いて通信装置の指向方向を安定化する制御装置を備えるので、非常に小型で且つ低価格でありながら安定な回線を保障する光無線装置を提供することができる。本発明は、ビーコン光の受信強度が十分でないときに微小な物体により追尾光の短時間の遮断に対応するための解決策を提供するものであるが、微小体による追尾光の遮断に限らず、大気のゆらぎの大きな環境、たとえば都市部の熱源の多い環境や遠距離の伝送路で頻繁に発生する追尾光の受信電力の大きな低下に対する対策にも役立つ。この電力低下が発生する時間幅は大気ゆらぎの周波数成分が１００Ｈｚ程度以下であることに対応して、０．００１秒から０．０１秒程度の比較的短時間であり、本特許の方式を用いることにより、この追尾光の受信強度の低下による追尾中断があっても通信回線の遮断を避けることができる。
【００２８】
さらに、指向角推定装置が、無限インパルス応答フィルタあるいはカルマンフィルタを備えることで、ビーコン光の瞬断直前の状態だけでなく過去の履歴に基づいて指向角を推定するので、従来に比べ精度の高い瞬断対策を行うことができる。そして、本発明は、ビーコン光が放射後に一度収束し、その後発散するような場合に特に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】装置外のシングルモードファイバに直接結合される信号光と装置内で発生されるビーコン光の様子を示す概念図である。
【図２】ファイバカプラ内の到来角検出器の光学系の構成図である。
【図３】追尾ミラーにより到来角変動を補償する様子を示す図である。
【図４】追尾制御系の構成図である。
【図５】追尾制御系の閉ループの伝達特性を示す図である。
【図６】追尾制御系動作時の外乱抑制特性を示す図である。
【図７】（ａ）追尾誤差の時間変動を示す図である。（ｂ）追尾誤差の周波数スペクトル密度を示す図である。
【図８】追尾制御系の起動特性を示す図である。
【図９】初期指向角推定装置を備えた追尾制御系の構成図である。
【図１０】初期指向角推定装置が使われる場合のフローチャートである。
【図１１】２次ＩＩＲフィルタの構成図である。
【図１２】２次ＩＩＲフィルタを実現するソフトウエアのプログラムである。
【図１３】２次ＩＩＲフィルタの応答特性図である。
【図１４】追尾開始時の初期指向角推定装置の収束状況を示す図である。
【図１５】遮蔽物によるビーコン光の遮蔽の影響を示す図である。（Ａ）遮蔽物が水平に移動した場合の図である。（Ｂ）遮蔽物が水平に移動した場合の図である。
【図１６】初期指向角推定装置の動作の有無を対比する図である。（Ａ）初期指向角推定装置が動作しない場合の図である。（Ｂ）初期指向角推定総が動作している場合の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明をする。
【００３１】
信号光とビーコン光の関係を図１を使って説明する。図１の光ファイバ１からの信合光はガラス製の光ファイバ・フェルール４を通過した後コリメータレンズ５を通って平行ビーム６となる。また、レーザダイオード２から出射したビーコン光は波長多重カップラ３により信号光と多重化されガラス製の光ファイバ・フェルール４を通過した後コリメータレンズ５を通って平行ビーム１０となる。平行ビームとなった信号光６と追尾光１０は、２軸一体型の追尾ミラー７で反射されてレンズ８とレンズ９で構成される屈折型光学系（光アンテナ）に入射して所定のビーム径となり外部へ放射される。
【００３２】
ここで信号光の波長は、大容量光ファイバ通信で一般的に使用されている１．３μｍ又は１．５５μｍである。一方、ビーコン光は光ファイバ増幅器の励起用として市販されている波長０．９８μｍ帯の安価なシングルモードファイバ出力型のレーザダイオードを用いる。ここで、信号光が平行ビームになるように光学系を設定すると、図の点線で示した信号光よりも短い波長のビーコン光１０は外部に放射された後、レンズの色収差によって伝送路の途中で一度焦点を結び、その後に適度な広がりを持った拡散ビームとして相手側に伝搬し、収束・発散光追尾方式となる。
【００３３】
図２に示す信号光とビーコン光を分離するガラス製の光ファイバ・フェルール４は、光ファイバ１を固定する端面が無反射コートされ、反対側のビーコン光を反射して向きを変える端面は、ビーコン光に対して増反射コートがされている。レンズ５を通過して光ファイバ・フェルール４に入射したビーコン光は、増反射コートされた面で反射され向きを変えてレンズ１１により４分割検出器上に集光される。
【００３４】
次に、ビーコン光から追尾制御用信号を検出する手法について説明する。光ファイバ１の端面は、ガラス製の光ファイバ・フェルール４で支持されており、光アンテナのレンズ９、８、及びファイバカプラ内結像レンズ５の色収差のために、レンズ５によるビーコン光の焦点は光ファイバ・フェルール４の光ファイバ端面よりも手前に位置するので、光ファイバ１に結合するビーコン光の成分を１０％以下にすることができる。
【００３５】
同じ理由で、レンズ１１で結像されるビーコン光の光ファイバのコア（中心部の屈折率の高い部分）による影響（収差の増大）も同程度にすることができる。このため、信号光よりも波長の短いビーコン光を用いる限り、受信したビーコン光の内、追尾誤差のために光ファイバ１に結合しなかった成分はビーコン光結像レンズ１１により４分割Siホトダイオードによる到来角検出１２の受光面上に焦点を結ぶ。図１の構成で、４分割ホトダイオード１２から生じる上下・左右の光電流の差を、全光電流で割り算することにより、ビーコン光の到来方向の光軸からの誤差を正確に検出することができる。また、４分割ホトダイオード１２から生じる上下・左右、全ての光電流の和を取ることでビーコン光の強度を知ることができる。
【００３６】
次に、到来角変動があった場合の光学系の動作について図３を用いて詳細な説明をする。図３に示す追尾に関係する光学系は、光放射および受光用の光アンテナ、追尾ミラー７、及び空間光とファイバ光との間を結合するファイバカプラ１４からなっている。
【００３７】
光アンテナでは図の左側から第１レンズとして焦点距離ｆ１＝１００ｍｍの凸レンズ９，第２レンズとして焦点距離ｆ２＝１０．０ｍｍの凸レンズ８の２枚のレンズ系を用いて倍率１０倍のビームエキスパンダを構成し，第２レンズ側の射出瞳の位置に追尾ミラー７を配置している。光アンテナに入射するビームの例として、光軸に一致したビーム３５を実線で、０．５度程度の到来角変動を持った光軸に一致しないビーム３６を点線で示している。
【００３８】
追尾ミラー７によって到来角変動を除去されたビームは，空間光を光ファイバ光に変換するファイバカプラ１４へ入射する。このファイバカプラ内には、図示しない到来角検出器１２が一体化されており、入射した空間光はファイバカプラによりシングルモードファイバに結合される。ファイバカプラ内の結像レンズ３４（焦点距離ｆ３＝１２．０  ｍｍ）及び光アンテナを構成する２枚のレンズはすべて市販品を用いることができ，波長１．５μｍ帯の信号光についての波面収差は１／１０波長以下で，回折限界の結像性能をが得られる。
【００３９】
従来の光無線通信装置に用いられてきた光学系は，特殊な非球面反射鏡を用いた光学系や多数のレンズを用いた専用の設計が多かったが，図３のような設計をすることにより市販のレンズを組み合わせても実用的な性能の光アンテナを製作できる。光ファイバからファイバカプラを経て出射される信号光のビーム径は２．３ｍｍであり，ビームエキスパンダを兼ねる光アンテナによってさらに送信ビーム径が２３ｍｍに拡大される。第１レンズの直径は２５ｍｍであるが，レンズの周辺では収差特性が悪化するため，信号光の送受信には中心から２３ｍｍまでの範囲を使用する。
【００４０】
波長１．５５μｍ帯の信号光を回折限界の平行（コリメート）光になるように調整した場合，波長０．９８μｍ帯の送信追尾光は，光アンテナ開口における波面曲率半径が１１．６ｍの収束するビームとなる。したがって、追尾光はアンテナの開口から１１．６ｍ前方の位置でいったん焦点を結んだ後，全角で０．００１７４ラジアン（０．１度）のビーム広がりをもった発散ビームとなる。一方，送信信号光のビーム幅は半値全幅に換算すると０．００００７ラジアン（０．００４度）になる。もし伝送距離を拡大する必要がある場合には，図２と同様な設計で，第１レンズの口径を拡大することにより，市販レンズを使って直径５ｃｍ程度までの光アンテナを製作することができる。
【００４１】
次に、制御部を構成する追尾制御を行うフィードバック制御系について図４〜図８を用いて説明する。追尾ミラー駆動機構４５を含む追尾制御には，水平方向及び垂直方向の２軸について，全く同じ機能をもつ独立な二つの制御系を用いている。このうち水平方向の駆動軸をアジマス軸（Ａｚ軸），垂直方向の駆動軸をエレベーション軸（Ｅｌ軸）と呼ぶ。
【００４２】
追尾制御系の内部構成を図４に示す。指向角を変える追尾ミラー駆動機構４５は内部に追尾ミラー７、ミラー角変位センサ４４、図示しない追尾ミラー駆動部を備えている。ビーコン光が到来角検出器で検出できない場合，例えば初期捕捉時にはモード切り替え器４９の１のモードにより追尾ミラー駆動機構４５の内部にあるミラー角変位センサ４４からの信号をもとに光アンテナの光軸を所定の待ち受け方向（初期指向角）に保持する働きをする。ここで初期指向角は例えばスパイラル動作をするように外部から与えられる。
【００４３】
一方，この制御系は相手局からのビーコン光を到来角検出器で検出しているときには，モード切り替え器４９の２のモードにより制御系は追尾誤差検出センサ４１からのビーコン光到来角４０を入力とし，光アンテナの指向角４７を出力とするフィードバック制御系を構成する。
【００４４】
制御系の外乱には電気的な雑音や温度変動，装置の取付構造の振動外乱等が考えられるが，図４ではこれらの要因の影響をまとめて追尾ミラー７の出力に外乱入力４６として示している。
【００４５】
図１、図２および図４を用いて従来行われてきた追尾動作について説明する。図２のファイバカプラに収められた４分割Siホトダイオードによる到来角検出器１２の各ホトダイオードに入射した光量の割合から追尾光の到来角を算出し，定常時の到来角との差分として得られる誤差信号をもとに追尾ミラー７の駆動部を駆動する。
【００４６】
追尾ミラー駆動部は、永久磁石とコイルで容易に構成できる。また、圧電素子を用いていも良い。追尾ミラー駆動部によるミラーの傾きの変化によりファイバカップラに入射する信号光およびビーコン光の入射角が変化するとともに、追尾ミラーの傾きの変化の影響がミラー角変位センサ４４の出力に現れる。追尾ミラー駆動部への駆動信号を制御することにより、フィードバックが安定に動作し，その利得が十分大きいならば，光アンテナに入射したビームの到来角の変化を打ち消すことができる。
【００４７】
本装置では送受光で光学系を共用しているので，同じ追尾光学系（ファイバカプラ，追尾ミラー，光アンテナ）を通してビーコン光及び信号光を相手局に送信することにより，送信光についてもその光軸を相手局の方向に正確に向けることができる。
【００４８】
本装置では，制御系を安定化する補償器にアナログＰＩＤ方式を用いた。すなわち，ＯＰアンプと抵抗・コンデンサによるアナログ演算回路を用いて，積分（位相遅れ）補償，微分（位相進み）補償を行っている。アナログＰＩＤ方式を採用した理由は，高速ＤＳＰあるいはＣＰＵ，Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ変換器を用いた離散時間の制御系では有限のサンプル時間のために制御系の高速広帯域化と高精度化，低消費電力化を両立させることが困難になるためである。
【００４９】
追尾誤差検出センサ及び追尾ミラー駆動機構の応答特性を合成した制御対象（プラント）の応答は、以下のような伝達関数で近似できる。
【００５０】
【数１】
0005674103.tif 000002
【００５１】
ここでＧM、Ｇsはそれぞれ，追尾ミラー駆動機構の伝達関数、追尾誤差検出センサの伝達関数を示す。Ｇoは追尾ミラー駆動機構のＤＣ利得でＡｚ軸が７．１８２，  Ｅｌ軸が６．３２８であり，Ｇ1は追尾センサのＤＣ利得で，４分割フォトダイオードを使った誤差検出センサの応答特性がビーコン光の焦点における点像の劣化量により変化するので，システムの動作を見ながら安定でかつ開ループ利得が最大になるように調整できるようにする必要がある。実際に光アンテナと組み合わせて最良に調整した場合、Ｇ1は１．０程度であった。また，ωvは共振周波数でＡｚ軸についてはωv＝８０Ｈｚ，Ｅｌ軸についてはωv＝１００Ｈｚである。ＤMは共振のダンピングファクタで。ＤM＝０．００５，ＴDは追尾ミラー駆動部内部のコイルドライバのロールオフ時定数でＴD＝４．４μｓ，ＴCはコイルとドライバの駆動インピーダンスによるロールオフ時定数で，ＴC＝１．８μＳである。ＴOは追尾センサ内部のトランスインピーダンス増幅器によるロールオフ時定数で  ＴO＝５．６μｓである。このプラント特性に合わせて設計したＰＩＤ補償器の伝達関数は次式で表わされる。
【００５２】
【数２】
0005674103.tif 000003
【００５３】
ここでＧCOは補償器のＤＣ利得でＧCO＝７００，右辺の最初の分数式Ｇiは積分補償器の伝達関数でＴi＝４７ｍｓ，Ｔ2＝１．０５ｓ，である。最後の分数式Ｇdは微分補償の伝達関数でＴ3＝０．３３ｍｓ，Ｔ4＝０．０３ｍｓである。設計した制御系の位相余裕は４１°，利得余裕は１３．３ｄＢである。追尾モードの閉ループ伝達特性を図５に示す．これはＡｚ軸の場合であるが，Ｅｌ軸も特性は同一である。応答が３ｄＢ低下する点で評価すると５ｋＨｚの制御帯域幅が達成できていることが分かる。
【００５４】
なお，初期捕捉モードでは開ループ制御利得が若干低下するため，制御帯域幅はおよそ２ｋＨｚとなる。この制御系の外乱に対するＡｚ軸の応答を計算した結果を図６に示す。Ｅｌ軸については，共振周波数が図の８０Ｈｚから１００Ｈｚに変化するほかは図６と全く同じである．ｌ００Ｈｚ以下の周波数において１／１００（４０ｄＢ）以上、ｌＨｚ以下の周波数で１／１０００（６０ｄＢ）の外乱抑圧特性を有することが分かる。ただし３ｋＨｚ付近の周波数では外乱の影響が増大する。今回の設計ではｌｋＨｚ以上の周波数における外乱及びセンサ雑音の振幅が小さいため，３ｋＨｚ付近の周波数応答の上昇は問題にならない。
【００５５】
このことを確認するため，大気揺らぎによる到来角変動の大きな伝送環境に２台の光無線通信装置を設置し，追尾動作の有無で追尾誤差がどのように変化するかを測定した．このときのビーコン受信電力は追尾に必要な最小値（−４１．３ｄＢｍ）とした．Ｅｌ軸についての測定結果を図７に示す．図７（ａ）が０．１ｍｓごとにサンプリングした１秒間の追尾誤差の時間変化，図７（ｂ）が同じデータのＦＦＴによる周波数解析の結果で，各々について精追尾を動作させたときと精追尾を停止したときの２種類のデータを重ねて表示している。
【００５６】
精追尾を動作させることにより，１８μｒａｄ（ｐｐ）程度の到来角変動がｌμｒａｄ（ｐｐ）以下に減少している。周波数解析の結果には，スペクトル密度とそのｒｍｓ積算値を示しているが，４μｒａｄ（ｒｍｓ）の到来角変動が０．１５μｒａｄ（ｒｍｓ）まで減少したことが分かる。また，２．５ｋＨｚ付近で閉ループ利得の上昇に対応して雑音の上昇が現れている．この結果から図６に示した外乱抑圧特性の設計値が妥当なものであることが分かる。
【００５７】
ビーコン光の光量を徐々に増加させて初期捕そくモード（モード切り替えスイッチ４９が１の状態）から追尾モード（モード切り替えスイッチ４９が２の状態）に制御系を切り換えたときの動作を図８に示す。図８にはＡｚ軸の追尾センサ出力、Ｅｌ軸の追尾センサ出力，ビーコン光受信電力の時間変化をリニアスケールで示した。また、シングルモードファイバに結合した１．５μｍ帯の信号光強度の時間変化を１日盛が１０ｄＢｍの対数値で表示している。横軸の１日盛は１ｍｓである。２００μｓ程度の時間で誤差信号，信号光．追尾光はすべて整定していることが分かる。
【００５８】
次に、ビーコン光の遮断対策について詳細な説明をする。図４の従来の追尾制御系の構成では、到来角検出器に十分なビーコン光の光量が得られない場合には、フィードバック制御系のセンサ入力を追尾センサから追尾ミラー駆動機構に内蔵されたミラー角変位センサに切り替えて通信装置の光軸を初期指向方向になるような制御を行っていた。この場合、なんらかの原因により相手局の方向が初期指向方向と大きく離れている場合には、自局のビーコン光が相手局に照射できなくなり、相手局の追尾も中断してしまう。
【００５９】
このため、図４の初期指角４８を初期値のまわりに少しずつ変化させて、光軸をスパイラル状に走査し、到来角検出器の視野に相手局が入る条件が２つの局で一致するまで待つ必要があった。ビーコン光が到来角検出器で検出されればフィードバック制御系はサーボ系の入力を追尾センサに切り替えて、０．００１秒以内に追尾を完了し、信号を回復することができるが、この待機時間は、遮蔽物が伝送路を通過する時間よりも長くなることが多く、このため、通信路の遮断時間が増大してしまう。
【００６０】
そこで、本発明では図４の初期指向角４８を固定するのでは無く、正常な追尾が行われていた時のミラー角変位センサ出力の過去の履歴から、最も確からしい初期指向方向を推定する初期指向角推定装置を付加した制御系の構成を採用し、良好な動作を確認した。
【００６１】
この初期指向角推定装置を付加した追尾制御系の構成例を図９に示す。この図では、２次無限インパルス応答（ＩＩＲ）ローパスフィルタとＰＩ補償器による推定演算を行った例を示している。ビーコン光が遮断された後、一定時間（１秒程度）はこの推定器の出力が初期指向角の代わりに動作するが、その後は従来の初期指向角に切り替わる。
【００６２】
２次ＩＩＲローパスフィルタは、相手局の方向が動かない固定２点間の通信の場合に最適なフィルタであり、指向方向に対する外乱の周波数成分によりフィルタのカットオフ周波数を最適化することができる。たとえば、１００Ｈｚ程度までの大気ゆらぎによる影響を避けて指向角を推定する場合は、数１０Ｈｚのカットオフ周波数が適当である。また、推定精度と推定演算の安定性を両立させるためにＰＩ補償を行っている。
【００６３】
また、設置環境の振動が大きく、１秒以上にわたる追尾光の回線断にも対応するためには、少なくとも２次系の推定モデルを持ったカルマンフィルタや、その他の予測精度の高いフィルタを用いてもよい。カルマンフィルタは、光無線装置に加わる外乱の大きさ、速度および加速度を検出する検出器の出力に基づいて外乱をモデル化して、予測を行う。
【００６４】
これらのフィルタは装置が正常に動作している（追尾時）には装置動作には無関係であり、これによって装置の性能が劣化することはない。高性能のフィルタを実時間で動作させるためには膨大な計算能力が必要であるが、本発明の推定装置を実現するためには、現在、携帯機器に用いられているプロセッサでも十分であり、装置の価格や回線の信頼度要求、振動外乱の大きさと周波数帯域に合わせて、フィルタの性能を適宜選択することができる。
【００６５】
初期指向角推定装置の動作について以下、図１０〜図１７を用いて詳細に説明する。図１０に初期指向角推定装置に関する制御フローを示す。以後の説明で用いる制御フローは、図示しない市販されているメモリ付きのＣＰＵ又はＤＳＰ（以下、演算器という。）により実行される。
【００６６】
制御プログラムで動作する演算器は外部装置と交信するインタフェイスを備えており、外部へはＤ／Ａ変換器を経て、外部の制御回路へ制御の指示値が供給される。また、外部のセンサ出力はＡ／Ｄ変換されて演算器に取り込まれる。
【００６７】
指向角の制御は、初期指向角に基づく制御モード１と相手装置からの空間ビームの到来角を検出する到来角検出器１２からの出力から算出される追尾センサ出力に基づく制御モード２の２通りがある。初期指向角が使われるのは、初期状態で対向装置間での合わせ込みが十分でなく、相手装置からのビーコン光の強度が十分で無い場合とビーコン光の遮断によりビーコン光の強度が十分で無い場合がある。
【００６８】
光無線通信装置の制御系に通電されると制御動作が開始される（Ｓ１）と制御モード１への切り替え（Ｓ２）と初期指向角モード切り替えによる外部から与えられる初期指向角４８を選択する１への切り替え（Ｓ３）の動作が行われる。ここまでは、従来の制御系と共通する動作である。
【００６９】
ここで、ビーコン光を受光する４分割検出器１２の全ての出力の和から得られる受信強度が設定値１を超えない間は、初期指向角推定装置の出力を使ってＳ２→Ｓ３→Ｓ４の順番に初期指向角による制御モードを繰り返す。ここで、設定値１は光無線装置が設置される場所に応じて決めると良い。
【００７０】
ここで、ビーコン光受信強度が設定値１を超えるときは捕捉が出来たものとして制御モードが通常状態の制御モード２（Ｓ５）、初期指向角モードが２に切り替わる（Ｓ６）。そうすると、追尾制御は、追尾誤差検出センサ（追尾センサ）の出力に基づいて行われる定常動作になるとともに、指向角推定装置はミラー角変位センサからの出力を受けて指向角推定値の出力が必要になるときに備えて指向角推定値を算出する。
【００７１】
ここで、定常動作中に外部から電源オフなどによる動作中止の指令があるときは制御動作を終了する（Ｓ７）。動作中止の指令が無い場合（Ｓ７のＮの場合）はビーコン光の受信強度が所定の設定値２を下回らない場合（Ｓ８のＮの場合）にビーコン光の強度判定（Ｓ４）へ戻り定常動作が継続される。ここで、設定値２は疑似的にビーコン光の遮断を行い実験的に決めると良い。
【００７２】
ビーコン光の受信強度が正常な制御が困難となる所定の設定値２を下回る（Ｓ８のＹの場合）と制御モードの切り替えで制御モード１となり（Ｓ９）、初期指向角推定装置から供給される初期指向角推定値を用いて制御が行われる。この推定値を用いた制御はビーコン光受信強度が所定の設定値２を下回る間継続される（Ｓ８のＹの場合）が、所定の時間Ｔを過ぎると、外部からの初期指向角による制御に戻る（Ｓ１０のＹの場合）。
【００７３】
また、ビーコン光受信強度が設定値２を下回らなくなると推定装置を使わなくても良い状態と判断されて定常の追尾制御モードに切り替わり（Ｓ８のＮの場合）Ｓ４のステップへ戻る。
【００７４】
次に、推定装置の中核を占める２次の無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタについて説明する。ここで用いるフィルタはデジタル信号処理で実現され、現在および過去の入力の影響を受けて出力が決定される。具体的な構成は図１１に示すようにレジスタ、加算器を結合してハード的に構成しても良いが、今回のフィルタの応答速度はそれほど高速でないので、演算器によるソフトウエアによる処理が可能である。プログラム例を図１２に示す。得られたＬＰＦとしての応答を図１３に示す。
【００７５】
ここで、フィルタの特性を決める係数は、光無線装置の於かれる環境を踏まえ実験的に決めることとなる。試作した指向角推定装置の収束状況を図１４に示す。水平、垂直方向共に０．６秒程度で収束している。
【００７６】
次に、指向角推定装置の効果を説明する。図１５に空間ビーム光の遮断が行われたときの信号光などの様子を示す。図１５の（Ａ）は水平方向に遮蔽物を動かしたとき、（Ｂ）は垂直方向に遮蔽物を動かしたときの様子である。図１５において、ａは信号光、ｃはビーコン光の強度の変化の様子を示す。また、ｂは水平方向の到来角変動として現れる誤差信号、ｄは垂直方向の到来角変動として現れる誤差信号である。それぞれ、遮蔽物の移動方向に応じて誤差信号の発生がわずかに見られる。
【００７７】
次に、空間ビーム光の遮蔽があったときの初期指向角推定装置の動作の有無による信号光への影響を図１６に示す。図１６（Ａ）は推定装置の動作無しの場合、（Ｂ）は推定装置の動作有りの場合である。
【００７８】
ここでａは信号光強度、ｃはビーコン光強度、ｂ、ｄはそれぞれ到来角変動として検出される誤差信号である。（Ａ）と（Ｂ）を対比すると、（Ａ）、（Ｂ）共に、ビーコン光強度ｃが同じように小さくなっているが、推定装置が動作していないとき（Ａ）は、信号光ａが大きくその強度を減らしているのに対して、推定装置が動作しているとき（Ｂ）は減少の度合いが少ないことが分かる。エラーフリーを実現できる信号光強度を維持できれば、たとえ、ビーコン光が遮断されても、エラーフリーの通信が実現できることが分かる。
【００７９】
実際に上記の指向追尾制御を実装した光無線通信装置を用いて距離３１５ｍの光信号屋外伝送実験を２週間、イタリア・ピサで実施し、雨や埃、虫等のビーコン焦点遮蔽の際に信号伝送が正常に維持できた。特に、２日間の１Ｇｂｐｓ光信号伝送実験において、稼働率９９．９７％でエラーフリー伝送ができることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本特許は、微小な物体によりビーコン光の短時間の遮断に対応するための解決策を提供するものであるが、大気のゆらぎの大きな環境、たとえば都市部の熱源の多い環境や遠距離の伝送路では、ビーコン受信電力の受信電力が平均値から１／１００あるいは１／１０００以下に低下する場合が頻繁に発生する。この電力低下が発生する時間幅は大気ゆらぎの周波数成分が１００Ｈｚ程度以下であることに対応して、１０ｍｓから１００ｍｓ程度の比較的短時間であり、本特許の方式を用いることにより、このビーコン受信強度の低下による追尾中断に伴う回線断を避けることができる。
【符号の説明】
【００８１】
１  信号光用の光ファイバ
２  ビーコン光源（レーザダイオード）
３  波長多重光ファイバカプラ
４  ガラス製の光ファイバ・フェルール
５  ファイバカプラ内結像レンズ（コリメータレンズ）
６  信号光
７  追尾ミラー
８，９  屈折型光学系（光アンテナ）
１０  放射ビーコン光
１１  ビーコン光結像レンズ
１２  到来角検出器（４分割Siホトダイオード）
１３  到来ビーコン光
１４  ファイバカプラ
３５  光軸に一致した到来ビーム
３６  光軸からずれた到来ビーム
４０  ビーコン光到来角
４１  到来角（追尾誤差）検出器
４２  ＰＩＤ補償器
４４  ミラー角変位センサ
４５  追尾ミラー駆動機構
４６  外乱
４７  光無線通信装置指向角
４９  制御モード切り替え器
９１  ２次ＩＩＲフィルタ
９２  ＰＩ補償器
９３  初期指向角モード切り替え器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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