映像水中光伝送の研究

映像水中光伝送の研究Underwater Optical Video Transmission

研究の目的

研究のねらい

　本研究の目的は潜水艇など海中からテレビ生放送をすることです。海中では電波の減衰が大きく音声程度しか伝送できません。可視光は電波と比べると減衰は小さいものの、浅い水深では散乱による大きな減衰を受けるため海上との長距離伝送は困難です。近年の撮像技術の進展により、ダイオウイカなど深海の未知の生物を茶の間で見ることができるようになりました。しかし伝送技術がないため、撮影した映像を記録装置に保存して持ち帰る必要があり、浮上して再生するまでに多くの時間を要するという課題があります。
　

伝送手段

　リアルタイム伝送を行うのには図１（a）のように海上と潜水艇とを光ファイバで結べば良いと思われるかもしれません。しかし、これでは潜水艇の行動が制限されたり、ケーブルが切れる恐れがあります。
　かといって、図１(b)のように可視光で直接伝送するのは可視光の損失が電波よりも十分に小さいといっても光ファイバと比べると1000倍も大きいことや、水深の浅いところで減衰が大きいことを考えると現実的ではありません。
　そこで、潜水艇の近くに中継器を置き、潜水艇から中継器までの短い距離を可視光で伝送し、中継器から海上までの長い距離を光ファイバで伝送する方法を提案しました。
　深海への興味が高まる昨今、海中からの伝送を実現する技術開発には大きな意義があります。また、本方式が実現すれば、東日本大震災で変化した海中の地形の様子リアルタイムに観測できるようになるなど、放送以外の分野にも展開が可能と考えます。

リレー中継方式による伝送システムの提案

　光空間伝送システムに共通の課題のひとつに「光を相手にうまく当てる技術の開発」があると思います。光は直進性が強いので送受信間がうまく繋がれた状態であれば高い伝送性能が得られます。しかし、人が潜ることができない暗い海のなかで、通信相手を先ずどのように探せるのでしょうか？　また、光ビームが相手から外れそうになったらどのように制御するのでしょうか？　そこで私達は光ビームの位置ずれを検出する機能に重点を置いて研究を進めています。

再帰性反射材の利用

　提案する伝送システムのイメージを図２に示します。潜水艇も中継器も動き回るのが前提なので、中継器はどの方向から光が来ても受信できるように球形にしてあり、表面には受光モジュールを等間隔で配置しています。
　中継器の受光モジュール以外のところは再帰性反射材というシートでまんべんなく覆われています。再帰性反射とは通常の反射とは異なり、光源から来た光がそのまま光源方向に戻る反射のことです。再帰性反射材を貼ったジャケットや道路標識は夜間にヘッドライトを当てると遠くからでも見つけることができます。夜間に高速道路を走っているときに、どの車線を走っていても道路際にある道路標識を同じように検知できます。これは、ヘッドライトの光が再帰性反射材で反射されて運転席に戻るからです。
　再帰性反射材を貼った球形の中継器であれば、暗い海のなかでも、潜水艇から見つけやすいだろうと考えました。

システム構成

　ただし、これだけだと光ビームがずれたときに光送信装置の送信基板をどのように制御すれば良いのかがわかりません。そこで、位置ずれ検出用のトラッキング信号を用います。光送信基板は平面状に配置した複数のＬＥＤで構成し、映像信号をＬＥＤに分配して光の強度を変調します。一部のＬＥＤにはトラッキング用の正弦波で光の強度を変調をします。
　正弦波によって位置ずれの方向と程度を検出する動作原理を簡潔に説明するために光送信基板にはＬＥＤを３個とＰＤが２個あるとして図３で説明します。ＬＥＤ１と３でトラッキング用の正弦波を、ＬＥＤ２で映像信号を送ります。中継器での受光モジュールで受信された信号のうち、映像信号は合成された後に、光ファイバを用いて洋上の船に送られます。
　再帰性反射材に届いた送信光は、送信基板に反射されます。ＬＥＤ１から出た光はＬＥＤ１のすぐ近くのＰＤ１で、ＬＥＤ３から出た光はＰＤ３で受光されます。中継器の上ではふたつの光は重なりますが、反射光はそれどれのＬＥＤのすぐ近傍に集まり、別の光源のところには行きません。そこで、ＰＤ１とＰＤ３の正弦波の電力を比較すれば、中継器が光ビームに対してどの方向にどの程度ずれているのかを知ることができます。

位置ずれ検出原理

　位置ずれ検出原理を図４で説明します。ＬＥＤの放射パターンはＬＥＤの正面で最も大きくなります。ＬＥＤ１と３の放射パターンは赤色と青色で示すように同じ形ですが、ふたつのＬＥＤの距離だけずれています。今、中継器が図のように左側にずれている場合には、中継器においてＬＥＤ１による光強度はＡ、ＬＥＤ３のよる光強度はＢで、ＡはＢよりも大きいことが分かります。
　図の左側にはＬＥＤ１、２，３から送信される信号のスペクトラムを、右側にはＰＤ１とＰＤ３に得られる正弦波のスペクトラムを示します。ＰＤ１の正弦波電力はＰＤ３よりも大きいので、両者の強度を比較することで、中継器がどちらにどの程度ずれているのかが分かります。
　この方法は、正弦波の強度を比較するという単純でありながら高感度な検出ができる特徴があります。誤差信号などで変調をしないので受信機に極めて狭い帯域幅のバンドパスフィルタを用いることで高感度な受信ができます。

受信モジュール

今度は中継器における光の受信効率について図５で考えて見ます。中継器はどの方向から光が来てもいいように球体とし、表面には多数の受光モジュールを配置しています。このとき(a)のように受光モジュールが外に向いていると送信光の方向に向いている青色の受光モジュールと比べて、その周辺の受光モジュールの受光モジュールは良くありません。そこで、これらの受光モジュールを機械的に光の来る方向に向かせることで受信品質の向上を図ります。このような制御をするには光の到来方向を知る必要があります。

光到来方向検出原理

　
　受光モジュールを上から見た図を図６(a)に示します。受光モジュールは上下方向検出のためのＡ、Ａ’、および左右方向検出のためのＢ、Ｂ’の４個のＰＤで構成します。お互いのＰＤは仕切り板で隔てられています。

　図６(b)のように光が正面よりも右側から来るようになったとします。すると、仕切り板によって影ができるため、受光器Ｂ’は受光器Ｂよりも受光電力が大きくなります。
　従って、両者に得られた位置ずれ検出用の正弦波をここでもバンドパスフィルタで抜き取った後に電力を比較し、その結果でサーボモータを動かしてやればよいことになります。

　試作した光モジュールを図７に示します。一番上が仕切り板の入った受光器のある場所です。４個のＰＤのうち１つだけが見えています。広角度の検知ができるように、ＰＤは平面に垂直にではなく、半値角に相当する22.5度傾けた面に図のように若干外向きに設置しています。
　その下には２枚の基板が重なっています。１枚目はＰＤのプリアンプ基板で、２枚目はBPFおよびLOGアンプです。この出力で縦駆動と横駆動のサーボモータを動かします。