CN1017000B - 离轴光通讯系统 - Google Patents

Abstract

从转动轴外的非旋转部分的一部分上以光信号形式发射信息，以在旋转部分上建立起一个围绕转动轴360°和连续通讯路径(或相反)，从而获得一个改进的光学旋转连接系统。该通讯路径结构形式用一系列重叠的椭圆来描述。旋转部分的探测区域比探测路径小，因而提供与发射的光信号的连续光通讯。

Description

本发明一般涉及光通讯领域，更精确地说，涉及用于例如宇宙飞行器和常平架系统中的提供偏离旋转轴的光通讯的改进的光旋转通讯系统。

过去几年诸如使用光纤维信号传输的光通讯系统增加了。多年来面临的一个问题是光信号正对或偏离在一直被称为光学的旋转连接系统中的相对旋转装置的有效传输。这个问题存在于诸如宇宙飞行器，常平架系统或导弹头中，它们的一部分相对其他部分转动。在这些情况下，和其他情况一样，通讯装置的设计通常包括一个与非转动装置同轴的转动装置，和在转动与非转动装置间的一个轴部件。

这一问题的解决办法包括在输入端把光信号转换成电信号，传到一个转动的电刷-滑环连环器，然后再把信号在连接器输出端转换回光信号。但是由于光电及电光转换引进了许多问题，如磨损及接触的完全性造成信号质量降低，有限的带宽，信号损失及噪声增加。也应用过光束波导，但产生了镜对不准，元件过大的问题。而元件尺寸直接与波长相关。

一种设计解决方案建议使用同轴光缆，如Marrone在美国专利No.3，922，063“具有液体耦合的绞盘式安装的数据传输光缆”中所描述的，其中轴向相对对准的光窗口被接到光缆的端部。位于光窗口之间的是与光纤维传输路径有同样光折射率的光学透明液 体，以影响两根光缆间的光耦合，另一同轴耦合的例子由Henderson等人在美国专利No4，124，272“旋转光纤波导耦合”中讲授过。一对轴向对准的环圈中固定光缆的两个端部，该环圈被在其内端的支座固定在轴向位置，在一对装在两个可相对转动的壳体元件中的对准帽中。一对拧入壳体元件的固定套筒，加上环圈实现径向和轴向的定位。

但是同轴缆线的设计存在问题。转动元件的运动常常受到限制，要求的组件常常又重又大。在同轴光缆设计中遇到的一个主要问题是光缆端部对不准造成信号衰减。在同轴光缆中的横向对不准，端部分离，和角分离带来的问题在Dorsey的文章中得到进一步描述（“论光纤的旋转连接系统”，I、E、E、E、Transactions    on    Components，Hybrids，and    Manufacturing    Technology，Vol，OHMT-5，No.1，1982年3月）。

其他光旋转连接系统的设计包括，在旋转轴外发射光信号的装置。例如Fitch在美国专利No，4，165，913“旋转光耦合器”中描述了一个装置，它不在转动元件和不转动元件的界面间发射信号，而用一根光纤绕在转动元件一个表面的外部，该表面不与不转动元件相对。该光纤的表面粗糙化，以使光信号通过光纤壁横向传输。位于转动元件外的邻近该光纤的一个固定的光探测器接收转动元件转动时通过光纤壁发出的信号。这个技术的主要问题是光纤侧面出来的散射光效率极低。

另一在旋转轴外提供光传输的光旋转连接系统在Iverson的美 国专利No.4，027，945“光的滑环”中给出。信号通过光纤束射入转动元件，该光纤束以同心、环形束端形式终止于不旋转元件的对接面。在不旋转元件的对接面上，信号从旋转元件射入轴向对准的相应的同心环形束端。在转动元件和不转动元件中的不透明的包束层或包覆层起隔离每一道中的信号并维持光纤束形状的作用。很明显，与以前所述同轴光缆设计情况一样，对准问题在束的设计中仍然严重存在。

可以想象在空间技术应用中严酷的环境和重量限制的问题将带来更大的困难。因此在先有技术中仍需要提供一种用于外层空间和其它环境中的相对较轻的光通讯接头。

本发明的目的是提供一种光旋转连接系统，它在旋转轴外的转动和不转动元件的相对表面间发送光信号，从而使两元件间的轴部件可用于其他目的。

本发明的又一目的是把转动和不转动元件间的轴对准精度要求降到最低。

本发明还有一个目的是提供一种光旋转连接系统，它既不受限于转动元件转动的范围，也不受限于其速度或加速度。

本发明还有另一目的是提供一种用于宇宙飞行器的具有可相对转动组件的轻型光通讯传输系统。

这些和其他一些目的通过在转动和不转动元件的相对表面之一上提供一个产生光信号的发射器来具体完成，发射器的位置偏离旋转轴，光信号以从发射点发散开的锥形通讯路径形式导向另一相对表面。在本发明的一个实施例中，只建立一个这样的通讯路径。在本发 明另一较佳实施例中，则建立许多通讯路径。在上述每一实施例中，通讯路径在另一相对表面上提供了一个围绕转动轴360°的探测路径。用以接收信号的一个或多个探测器的探测区域位于探测路径上，其总面积比探测路径的总面积要小。

本发明的其它目的从考查下列附图，说明书及权利要求中可以清楚地看出。

图1是本发明第一个较佳实施例的部分侧面透视图。

图2是沿图12-2线取出的缩小的剖面图。

图3是沿图13-3线取出的缩小的剖面图。

图4是图1的部分部件分解图，描绘了一些分束器和通讯路径。

图5是本发明第二个较佳实施例的侧面透视图。

图6是沿图56-6线取出的缩小的剖面图。

图7是沿图57-7线取出的缩小的剖面图。

图8是图5的部分部件分解图，描绘了一个发射器和通讯路径。

下列描述是为能使在电和纤维光学领域中的熟练人员实现和使用本发明，并且陈述发明者所规划的实行其发明的最好模式。但是，因为已经确定了本发明的一般原理，特别是提供了一种改进的光旋转连接系统，所以对本领域的熟练人员，各种修正会是很明显的。

以下所描述的本发明的两个较佳实施例是用在宇宙飞行器通讯系统中的。但是，这并不意味着本发明的应用限于宇宙飞行器。在第一个较佳实施例中（图1），宇宙飞行器的轴部件20是园柱形元件，其纵轴位于一个转动轴10上。宇宙飞行器的非旋转部分12也是一园柱形元件，其直径大约10到14英寸并与轴部件20同轴。非旋 转部分12的直径比轴部件20的直径大。非旋转部分12的一端有一锥形接收区域，即固定在轴部件20一端的第二通讯表面14。第二通讯表面14从非旋转部分12的端部的整个外缘斜着延伸到与其相连的轴部件20的端部。

类似地，旋转部分18象非旋转部分那样成形及加工成所需尺寸，并位于轴部件20与非旋转部分12相反的一端，与轴部件20同轴。旋转部分18也包括一个发射区域，即与第二通讯表面14相似的第一通讯表面16，其位置使这两表面相对而距离小于2英呎。但是与非旋转部分12不同，旋转部分18围绕转动轴10上的轴部件20转动。这里应注意，当两表面距离比2英呎大得多时，本发明也适用。

虽然非旋转部分12和旋转部分18在这个实施例中做成园柱形元件较好，但是本发明对其他形状也能适用。同样，虽然第二通讯表面14和第一通讯表面16是锥形表面并相对于轴部件20以倾斜方式安放，但是本发明也构思了其它的结构形式。

模拟或数字信号被送到一个发射器22（仪器未标出），它稳固地安装在第二通讯表面14的边缘之间的外表面上，这两边缘是由非旋转部分12的外缘和轴部件20的相对较小的外缘决定的。发射器22可以是一个半导体激光器或发光二极管，重量轻比较好，例如5盎司，一个完全发射器其最大功率要求6瓦，例如由通用光导发光公司（General    Optronis）制造的GO-ANA型。奥特尔公司（Ortel    Corporation）制造的LDS3-DMF型6千兆赫半导体激光器也适用。也可设想采用在本领域中众所周知的产生

能承载信息的光信号的其它装置。只要在发射器22的带宽范围内，任何合乎需要的频率都可用作输入信号。发射器22产生一个光信号32，如下面将要讨论的，它绕转动轴10沿第二通讯表面14的外表面差不多运动360°。

发射器22带有一准直器元件或棱镜（未示出），它准直从发射器22产生的光信号32。用于本发明的那些准直器元件是本领域中常用的，并且常常与发光二极管（LED）或半导体激光器一起使用，这两种发射器常常以具有椭园截面的结构形式产生发散光束，而其结构形式由装置的几何形状得出。因而，这种光束有不均匀的能量分布。导引光束穿过本领域中熟知的棱镜，光束的形状可变为园形，从而产生比以前更均匀的能量分布，并使光束中的能量能以下面描述的方式相等地分束。一种这样的棱镜由例如Yonezawa等人在美国专利No.4，333，173“对激光束形状进行棱镜修正的光信息处理器”中给出。

在本发明的这个实施例中，发射器22也可带有一个偏振元件或棱镜（未示出），以使光信号32偏振，从而防止“反传”（back    talk），即由反射的激光能量与激光器的输出产生干涉。偏振元件在此领域中也是熟知的，通常是结合高、低折射率材料在棱镜上形成1/4波长镀层。例如在Southwell的美国专利No.4，312，570“产生90°相移的高反射率镀膜反射镜”和Eastman等人的美国专利No.4，084，883“反射式偏振延迟器和使用它的激光器装置”中构有讲授。

通过准直器和偏振器元件后，光信号32被导向通过许多分束器 24。在较佳实施例中，使用了8个分束器24，它们位于第二通讯表面14上，它们之间从转动轴10测量的径向距离相等，并大体等于发射器22从转动轴10测的径向距离。分束器24沿园周方向也是等距离的，该园周是由上述径向距离作半径决定的，如图2所示。光信号32沿反时针方动传播（图2）。它首先通过第一个分束器24，然后通过第二个分束器24，再依次继续通过其余的分束器24，这样就使所有8个分束器24在一给定时间被同时照射。每一个分束器将光信号32的大约1/8能量减去在分束器中损失的能量传给第一通讯表面16。分束器24可以是本领域中常用的任何适当的设计，其中一些公开在Sawamua等人的美国专利No.4，367，921“低偏振分束器”和Macneille的美国专利No.2，403，731“分束器”中。在较佳实施例中，光信号32通过8个分束器24。但是也没想过多于或少于8个分束器，这可从下面的详述中看到。

如图4所示，每一分束器24带有一个反射镜36，它以通讯路径30的形式产生一发散光束，通过它，光信号32功率的1/8被发射照到第一通讯表面16上。镜36在本领域中是常用的，例如公布于Ferguson的美国专利No.4，173，036“波纹反射镜发射器光学元件”。如Ferguson所述，反射镜36做成这样的形状，使被相应的分束器24所转向的那部分光信号32反射，从而产生椭园锥形的通讯路径30。通讯路径30的顶点在相应的分束器24上，椭园区域28是在通讯路径30对着分束器24的那一端。每一通讯路径30的光轴31从顶点出发延伸通过路径的中心到椭园 区域28。每一通讯路径30的光轴31一般是平行于转动轴10的，其长度大约等于下述方程中标明的P。在每一通讯路径30中的光信号32的发散角近似地由下述方程中的α确定：

α＝ (2πR)/(NP)

其中P＝从发射器22到第一通讯表面16的垂直距离。

N＝分束器24的个数

R＝从转动轴10到探测器26的探测区域的中心的径向距离（图1）。

如图1和图4所示，每一分束器24带有一个反射镜36，以同时产生8个通讯路径30。

每一通讯路径30的每一椭园区域28有一主轴29，它是椭圆区域28的两端间的连线，其长度大于椭圆上任何其它两端间的距离，并与光轴31垂直相交。各个主轴的长度近似相等，并近似等于各相邻分束器圆周方向间的距离。每一主轴29与一虚拟圆的圆周相切，虚拟圆的半径大致等于分束器24到转动轴10的径向距离，每一主轴29的两端与其近邻主轴29的端部斜交。因此，每一椭圆区域28的两端与其近邻椭圆区域28部分重叠。每一椭圆区域28的重叠区域由每一分束器24的具体位置以及每一镜36的形状所决定。当发射光信号32通过8个通讯路径30，照到第一通讯表面 16的所确定的相互重叠的椭园区域28时，就在第一通讯表面的部分上围绕转动轴10的整个360°（图3）内建立起一个探测路径38。探测路径38划出了一个区域，在该区域上除了重叠部分外，来自光信号32的能量一般是均匀分布的。

单个探测器26固定安装在第一通讯表面16上，位于探测路径38内，因此当旋转部分18转动时，探测器总是沿每一主轴29通过探测路径38，绕旋转轴10转过360°。探测器26在整个探测区域探测光信号32，该区域的面积比任何单个椭园区域28要小得多。探测器26最好重量轻，并且其探测面积为1到10平方毫米，例如由RCA公司制造的RCA86003E型或RCA30902E型，它有较宽的探测频带。探测器26可以是任何其它能接收光信号32的本领域中常用的适当装置。

可以看到，这样实现了光信号32在非旋转部分12和旋转部分18间的连续光通讯。发射器32产生光信号32，这个信号反时针方向沿第二通讯表面14传播。通过准直器和偏振器元件后，光信号32被8个分束器24以适当透射反射比均分。每一分束器24将被同时照射，从分束器24出来的光信号32的每一部分被分束器24所带的镜36导向第一通讯表面16。传播光信号32的8个通讯路径30就这样产生了。每一通讯路径30的椭园区域28的集合在第一通讯表面16上产生一个连续探测路径38。当第一通讯表面16较动时，探测器26总是沿着每一主轴29连续地通过探测路径38。因为组成探测路径38的每一椭园区域28在其内部由探测器26作探测的所有点上都有足够的能量，所以光信号32被连续地在第二通 讯表面14和第一通讯表面16之间发射和接收。

在本发明用于宇宙飞行器的第二个较佳实施例中，非旋转部分16，第二通讯表面14，旋转部分18，第一通讯表面16和轴部件20和第一个实施例相同。象在第一个较佳实施例中那样，发射器22稳固地安装在第二通讯表面14上。但与第一个较佳实施例不同，不使用分束器，从而也不用象上述那样的准直器元件，而是由带有如上述的一个反射镜和一个偏振器元件的发射器22在第一通讯表面16上产生有椭园区域28的一个通讯路径30（图5）。通讯路径30的光轴31（图8）一般平行于转动轴10。与第一个较佳实施例相似，在第一通讯表面16的一部分上围绕转动轴10产生连续探测路径38，如图7、8所示。探测路径38一般由椭园区域28的转动确定，或是在与探测器26直接通讯的区域内，或是部分覆盖两个分开的探测器。在这个实施例中，虽然仅产生了一个通讯路径30，但旋转部分18相对于稳定椭园区域28的转动产生了连续探测路径38，就提供通讯联系而言，它与第一个较佳实施例相似。

如图7所示，与在第一个较佳实施例中的单个探测器比较，8个探测器26被稳固地装在第一通讯表面16上，它们离转动轴10径向距离相同，在由径向距离确定的园周的方向等距离。这一径向距离近似等于发射器22离转动轴的径向距离。相邻探测器之间的园周距离近似等于每一主轴29的长度，后者与第一个较佳实施例中的主轴近似相等。每一探测器26的探测区域的大小也和第一个较佳实施例中差不多。当旋转部分18转动时，探测器26运动通过椭园区域28。因此在整个时间里至少一个探测器26处于椭园区域中。因而 实现了光信号32在第二通讯表面14和第一通讯表面16之间的连续传输和探测。

当光信号32从发射器22发出时，镜36使光信号32形成单个通讯路径30。镜36把通讯路径30的椭园区域28射向第一通讯表面16使主轴29与探测器26之一相交或靠近。由于旋转部分18的转动，固定在第一通讯表面16上的8个探测器26围绕转动轴10转过360°，并运动通过探测区域38。因此，至少一个探测器26总是处于椭园区域28中。这样就实现了光信号32的连续探测。

在本发明中也可以加一个滤光器或分束器，这样可在每一光路径中传输不同的波长，从而允许有一个多道通讯系统。用探测器决定各种波长接收位置的适当的信号处理也许要求在探测器之前或之后有适当的电子或光的滤波器。

可以看到，对以低噪声传输一个连续的通讯路径而言，第一个和第二个较佳实施例是相互等价的。在第一个较佳实施例中的8个分束器24就是第二个较佳实施例中的8个探测器26。第一个较佳实施例中的单个探测器26就是第二个较佳实施例中的单个发射器22。此外本发明预期每一实施例的发射元件和接收元件既可以包括在第一通讯表面14上，也可以包括在第二通讯表面16上，使发射和接收能在这种表面之间沿两个方向运动。

上面仅详述了本发明的两个较佳实施例，预计对它们作各种修正都是可以实现的，但这些修正仍在由权利要求确定的本发明的范围内。

Claims (34)

1、一种改进的光学旋转连接系统，有一个在转动轴上与非旋转部分同轴的旋转部分，旋转和非旋转部分均有一通讯表面互相相对，一个中央轴部件在旋转部分和非旋转部分之间，其改进包括：

从位于中央轴部件外部的第一通讯表面的一部分以光信号形式发射信息的装置；

引导该光信号通过至少一个通讯路径照到同样位于中央轴部件外部的第二通讯表面的一部分上的装置，该通讯路径有一个一般与转动轴平行的光轴，从而在该通讯表面的部分上建立一个完全围绕该转动轴的传输路径，该传输路径具有的结构形式用一系列邻接的传输路径来描述；以及

位于第二通讯表面探测传输路径内的光信号的装置，该装置包括一个其大小小于一个通讯路径的探测区域，并在所有时间与被引导通过通讯路径的光信号保持光通讯。

2、根据权利要求1的光学旋转连接系统，其中发射装置从第一通讯表面上的许多确定的发射区域发射光信号。

3、根据权利要求2的光学旋转连接系统，其中通讯路径的数目等于发射区域的数目。

4、送根权利要求1的光学旋转连接系统，其中发射装置从第一通讯表面上的单个确定的发射区域发射光信号，该发射区域复盖的区域小于围绕转动轴360°的区域。

5、根据权利要求1的光学旋转连接系统，其中每一通讯路径一般是锥形的，其顶点位于发射区域内。

6、根据权利要求5的光学旋转连接系统，其中通讯路径互相重叠。

7、根据权利要求1的光学旋转连接系统，其中探测路径是椭园形的，并且互相重叠。

8、根据权利要求1的光学旋转连接系统，其中每一通讯表面有发射器装置、导向装置和探测装置。

9、一种改进的光学旋转连接系统，有一可相对运动的部分位于一个转动轴上，并与一相对静止的部分同轴，可运动部分有第一通讯表面，与静止部分的第二通讯表面相对，中央轴部件在两部件之间，其改进包括：

从位于中央轴部件外部的第二通讯表面上的一部分以光信号形式发射信息的装置;

产生许多发散的光信号于其中通过的光通讯路径的装置，每一通讯路径具有一个一般与转动轴平行的光轴，并位于轴部件外的两个通讯表面之间，从而在轴部件外部的第一通讯表面的一部分上造成一个围绕转动轴的连续探测路径，该探测路径的结构形式用一系统椭园形区域来描述;以及

在第一通讯表面上探测通过通讯路径传输来的光信号的装置，该装置安放在探测路径上，并且只确定了一个离散的、面积小于探测路径的探测区域，该装置在所有时间与光信号保持光通讯。

10、根据权利要求9的光学旋转连接系统，其中发射装置包括一个发光二极管。

11、根据权利要求9的光学旋转连接系统，其中发射装置包括一个半导体激光器。

12、根据权利要求9的光学旋转连接系统，其中发射装置包括在轴部件外部的第二通讯表面上的许多分束器。

13、根据权利要求12的光学旋转连接系统，其中分束器离转动轴径向距离相等地安装，其沿径向距离确定的园周互相间等间距。

14、根据权利要求9的光学旋转连接系统，其中许多通讯路径互相同时存在。

15、根据权利要求14的光学旋转连接系统，其中通讯路径围绕转动轴互相间等距离定位。

16、根据权利要求15的光学旋转连接系统，其中每一通讯路径在其两边与相邻的通讯路径重叠。

17、根据权利要求16的光学旋转连接系统，其中每一通讯路径是具有椭园形区域的锥形，椭园形区域有一主轴，它的两端与相邻椭园区域的主轴端部斜交。

18、根据权利要求17的光学旋转连接系统，其中主轴一般与轴部件外部的一个虚拟园的园周相切。

19、根据权利要求18的光学旋转连接系统，其中探测路径的椭园形区域是通讯路径的椭园形区域。

20、根据权利要求19的光学旋转连接系统，其中探测区域比任何一个探测路径的椭园形区域要小。

21、在一个具有位于转动轴上彼此同轴的可相对运动部分的空间飞行器上，相对运动部分间的光通讯系统包括在空间飞行器的第一部分上的第一通讯表面和与之相对的在空间飞行器的第二部分上的第二通讯表面，各自的通讯表面从其相应的空间飞行器部分的中央轴部件径向向外，光通讯系统的改进包括：

从轴部件外部的第二通讯表面上的一部分以光信号形式发射信息的装置;

产生一系列发散的光通讯路径的装置，所有光通讯路径都有一个一般平行于转动轴的光轴，该光轴位于轴部件外部的两个通讯表面之间，从而在轴部件外部的第一通讯表面的一部分上建立一个围绕转动轴的连接探测路径，该探测路径的结构形式用一系列邻接的成形区域来描述;以及

在第一通讯表面上探测发射到光通讯路径的光信号的装置，该装置安放在探测路径上，并确定许多离散的，面积小于探测路径的探测区域，该装置在所有时间都与光通讯路径保持光通讯。

22、根据权利要求21的光学旋转连接系统，其中发射装置包括发光二极管。

23、根据权利要求21的光学旋转连接系统，其中发射装置包括半导体激光器。

24、根据权利要求21的光学旋转连接系统，其中通讯路径是具有一般是榈园形区域的锥形，该椭园形区域有一主轴，它与轴部件外部的一个虚拟园的园周相切。

25、根据权利要求21的光学旋转连接系统，其中探测路径的每一椭园形区域有一主轴，其两端与最近邻椭园区域的主轴端部斜交，所有的主轴均与轴部件外部的一个虚拟园的园周相切。

26、根据权利要求21的光学旋转连接系统，其中探测装置包括许多探测器，每一探测器有一比探测路径上的任一椭圆形区域小的探测区域。

27、根据权利要求26的光学旋转连接系统，其中探测器位于探测路径内离转动轴的径向距离相等，环绕在由该径向距离决定的园周上，使得当空间飞行器的两部分转动时，至少有一个探测器总是在通讯路径上。

28、在一个具有位于转动轴上互相同轴的可相对运动部件的常平架系统中，相对运动部分间的光通讯系统包括在第一部分上的第一通讯表面和与之相对的在第二部分上的第二通讯表面，两个通讯表面从各自相应的可运动部分的轴部件径向向外，光通讯系统的改进包括：

从轴部件外部的第二通讯表面上的一部分以光信号发射信息的装置;

产生一系列发散的光通讯路径的装置，所有光通讯路径都有一个一般平行于转动轴的光轴，该光轴位于轴部件外部的两个通讯表面之间，从而在轴部件外部的第一通讯表面的一部分上建立一个围绕转动轴的连续探测路径，该探测路径的结构形式用一系列邻接的成形区域来描述;以及

在第一通讯表面上探测发射到光通讯路径的光信号的装置，该装置安放在探测路径上，并且确定许多离散的、面积小于探测路径的探测区域，该装置在所有时间都与光通讯路径保持光通讯。

29、根据权利要求28的光学旋转连接系统，其中发射装置包括发光二极管。

30、根据权利要求28的光学旋转连接系统，其中发射装置包括半导体激光器。

31、根据权利要求28的光学旋转连接系统，其中通讯路径是具有一般是椭园形区域的锥形，该椭园形区域有一个主轴，它与轴部件外部的一个虚拟园的园周相切。

32、根据权利要求28的光学旋转连接系统，其中探测路径的每一椭园形区域有一主轴，该主轴的两端与最近邻椭园区域的主轴端部斜交，所有主轴与轴部件外部的一个虚拟园的园周相切。

33、根据权利要求28的光学旋转连接系统，其中探测装置包括许多探测器，每一探测器有一比探测路径上的任一个椭园形区域小的探测区域。

34、根据权利要求33的光学旋转连接系统，其中探测器位于探测路径内，离转动轴的径向距离相等，环绕在由该径向距离决定的园周上，使得当常平架系统的两部分转动时，至少一个探测器总是在通讯路径上。

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