CN101716082B - 一种旋转体与固定体之间的光学数据传输系统 - Google Patents

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Abstract

一种旋转体和固定体之间的高速无线数据传输系统，该系统基于无线激光通信技术，适用于工业CT或医用CT的滑环系统中，以实现将旋转体上的检测数据高速高可靠地传输到固定体上，该系统包括设置在旋转体上的数据采集装置、若干个激光发射装置和齿轮齿条机构以及设置在固定体上的轨道机构和激光接收装置。由于本发明采用无线激光通信来实现数据的高速传输，传输速率高、误码率低并且抗干扰能力强，满足了工业CT或医用CT中大数据量高速传输的要求。

Description

一种旋转体与固定体之间的光学数据传输系统
技术领域
本发明涉及一种基于无线光通信的旋转体和固定体之间的高速数据传输系统，尤其涉及适用于工业CT系统和医用CT系统中的旋转体和固定体之间的高速数据传输系统。
背景技术
在工业技术领域中，有很多应用场合需要将旋转体上的数据信息传输到固定体上，典型的应用如在工业CT系统和医用CT系统中，在对被检对象进行检测时，需要实时地将旋转体上检测到的信息高速高可靠地传输到固定体上。最初的数据传输系统是通过电刷和导电环的方式来实现的，但由于旋转体在旋转时电刷和导电环之间的接触电阻值在不断地变化，这种变化会产生很大的信号噪声，从而降低了数据传输的可靠性，因此不能用来传输高速数据信号。特别是在高压环境下，旋转体和固定体之间的高压放电引起的高压噪声更大。另外，由于碳刷和滑环之间的接触摩擦，也影响了数据传输系统的使用寿命。
随着具有多排X光探测器的高速工业CT系统和医用CT系统在实际检测中得到广泛应用，系统在单位时间内采集到的检测数据大大增加，采用碳刷和滑环接触的方式来实现数据传输是越来越不可靠和理想的了。因此，业界提出了用无线电容耦合的方式来代替上述的碳刷滑环方式，但是无线电容耦合的电磁场比较容易受到外界电压、电流和电磁场的干扰，因此高速数据传输的准确性以及传输速率受到限制和影响。
为了解决上述的问题，业界还提出了基于光学的信号传输系统，如在公开号为CN101006925A的专利申请中，公开了一种基于光纤的数据传输系统，其中，在旋转体上沿圆周方向固定若干个电光转换元件(如激光二极管)和聚焦透镜作为信号发射部分，在固定体上沿圆周方向设置一段有限长度的光纤束来接收发射部分发射的光信号并传送到光电转换元件，保证在实际工作中，至少有一束发射部分发射的光束能够落在固定体上的光纤束上。在公开号为CN 1989905A的专利申请中，同样公开了一种基于光纤的数据传输系统，与CN101006925A不同的是，这个专利申请中在旋转体上只设置了一个电光转换元件(如激光二极管)和聚焦透镜作为信号发射部分，在固定体上沿圆周方向布满光纤来接收发射的光信号并传送到光电转换元件。但上述这两种系统都采用了较多的激光器或光纤，成本较高，实用性受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无线激光通信的用于旋转体和固定体之间的高速高可靠性数据传输系统，尤其适用于工业CT或医用CT的滑环系统中，以实现将旋转体上的检测数据高速高可靠地传输到固定体上，该系统包括设置在旋转体上的数据采集装置、若干个激光发射装置和齿轮齿条机构以及设置在固定体上的轨道机构和激光接收装置。
其中数据采集装置与激光发射装置相连，具有将X光接收装置转换的模拟电信号转换为数字电信号和将数字电信号转换为数字光信号并通过光纤将其传输出去的功能。
激光发射装置由光电转换单元、电光转换单元和聚焦透镜组成，其中光电转换单元为光电二极管，用于将光纤中的数字光信号转换为数字电信号，电光转换单元为半导体激光二极管，用于将数字电信号转换为数字光信号并在大气中传输出去。激光发射装置可以通过齿轮齿条机构控制的方式来实现激光发射装置在发射激光过程中旋转，并垂直对着激光接收装置中圆锥体反射镜的中心轴线。
激光接收装置由圆锥体反射镜、聚焦透镜和激光检测器组成，该圆锥体反射镜的轴线与聚焦透镜的光轴平行，并且圆锥体反射镜的锥顶在靠近聚焦透镜的一侧。光束经过圆锥体反射镜的反射后照射到聚焦透镜上，由聚焦透镜将光线聚焦到激光检测器上。激光检测器再将接收到的信号传送给图像处理单元。
附图说明
图1是本发明所提出的数据传输系统的原理示意图；
图2是激光光束透过聚焦透镜后的光束示意图；
图3是激光接收装置检测激光信号的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提出的无线激光数据传输系统包括旋转体110，数据采集装置140，激光发射装置150，角度编码器160，激光发射切换电路170，齿轮180，齿条190，固定体210，激光接收装置220和轨道230。其中，数据采集装置140，激光发射装置150，角度编码器160，激光发射切换电路170，齿轮180，齿条190都安装在旋转体110上，X光发射装置120和X光接收装置130也安装在旋转体110上，旋转体110的粗线圆周为旋转体内径，细线圆周为旋转体外径；激光接收装置220和轨道230安装在固定体210上，固定体210最外侧的细线表示固定体210的框架。
在CT系统的扫查过程中，旋转体110由电机带动旋转，在图1中没有示出电机，X光发射装置120持续发射X光并随旋转体110旋转，所述的X光穿过位于该X光发射装置120和X光接收装置130之间的被检对象并被X光接收装置130所接收到，X光接收装置130可以将接收到的X光的能量转换为模拟电信号，该X光接收装置130可以为单排或多排的X光探测器阵列。
该X光接收装置130与数据采集装置140相连，并将检测到的模拟电信号传送到该数据采集装置140，经过模数转换和相应的数据处理后转换成数字电信号，在高速CT系统中，数据采集装置140一般还包括电光转换单元141，将数字电信号转换为数字光信号并通过光纤传输给激光发射装置150。在实际的系统中，数据采集装置140与所有的激光发射装置150相连接，但为了简明起见，图1中只示出了数据采集装置140将数字光信号通过光纤传输给一个激光发射装置150D。
齿轮齿条机构180，190等间距地设置在旋转体110的圆周上，本实施例中采用4个齿轮齿条机构，激光发射装置150A，150B，150C，150D固定安装在齿轮180A，180B，180C和180D上，齿轮180A，180B，180C和180D分别与齿条190A，190B，190C和190D啮合，齿条190A，190B，190C和190D的顶端安装有滑轮191A，191B，191C和191D，在旋转体110旋转时，滑轮191A，191B，191C和191D在轨道230里滑动，设置轨道230具有一定的曲线形状，当激光发射装置150A在图1中所示的右上角处逆时针旋转到左上角处时，轨道230与激光发射装置150A的距离越来越短，这样轨道230就可以压着滑轮191A并压着齿条190A沿着齿条的方向向下运动，从而齿条190A可以带动齿轮180A顺时针旋转，从而实现激光发射装置150A顺时针旋转。
激光发射装置150由光电转换单元151和电光转换单元152组成，光电转换单元151主要由光电二极管组成，电光转换单元152主要由半导体激光二极管组成。光电转换单元151可以将数据采集装置140传输过来的数字光信号转换为相应的电信号，电光转换单元152根据相应的调制方式将该电信号调制成不同形式的光信号，由半导体激光二极管发射出去，由于半导体激光二极管发射的激光是空间发散的，为了准直和收缩半导体激光二极管发射的激光光束，在半导体激光二极管前面安装聚焦透镜153，设置半导体激光二极管的激光发射点位于聚焦透镜153的焦点上，图2为激光光束透过聚焦透镜153后的光束示意图，在实际应用中应选用孔径较小的聚焦透镜153。
图3是激光接收装置220检测激光信号的示意图，该激光接收装置220由圆锥体反射镜221、聚焦透镜222和激光检测器223组成，该圆锥体反射镜221的轴线与聚焦透镜222的光轴平行或在一条直线上，并且圆锥体反射镜221的锥顶在靠近聚焦透镜222的一侧。从图2中的聚焦透镜153后出射的光束照射到圆锥体反射镜221上，经过圆锥体反射镜221的反射后向下照射到聚焦透镜222上，由聚焦透镜222将光线聚焦到激光检测器223上，选择该聚焦透镜的孔径以能够完全聚焦圆锥体反射镜221反射的光线。激光检测器223再将接收到的信号传送给图像处理单元。
当激光发射装置150A从图1中所示的右上角处逆时针旋转到左上角处的过程中，激光发射装置150A由齿轮齿条机构带动顺时针旋转，保证激光发射装置150A的激光发射方向始终垂直对着圆锥体反射镜221的轴线。由角度编码器160可以得知，当激光发射装置150A旋转到激光发射装置150B所在的位置处时，激光发射装置150D已经旋转到150A所在的位置处，此时通过切换电路170切换激光发射装置150D开始发射激光，并关闭激光发射装置150A，这样就可以实现不间断的通信了，在实际应用中，切换电路170与所有的激光发射装置150都连接，但图1中为了简明起见，只示出其与发射装置150D连接。在激光发射装置150A从图1中150B所在的位置处逆时针旋转到图1中150A所在的位置处时，已经在齿轮齿条机构的控制下逆时针旋转180度了。
在本发明中，激光发射装置150的个数优选为4个，但可以根据实际的需要设置多于或少于4个的激光发射装置150。

Claims (4)

1.一种基于无线激光通信的旋转体和固定体之间的高速数据传输系统，其特征在于，该高速数据传输系统包括：
设置在旋转体上的数据采集装置；
等间距地设置在旋转体上的若干个齿轮齿条机构；
设置在该齿轮上的若干个激光发射装置；
设置在固定体上的轨道机构；
设置在固定体上的激光接收装置，该激光接收装置由圆锥体反射镜、第一聚焦透镜和激光检测器组成；
其中当旋转体旋转时，激光发射装置同时在该轨道的一段轨迹的限制下由齿轮齿条机构带动而旋转，保证该激光发射装置的激光发射方向始终垂直对着该圆锥体反射镜的轴线。
2.如权利要求1中所述的高速数据传输系统，其中的数据采集装置具有将模拟电信号转换为数字电信号和将该数字电信号转换为数字光信号并通过光纤将其传输出去的功能。
3.如权利要求1中所述的高速数据传输系统，其中的激光发射装置由光电转换单元、电光转换单元和第二聚焦透镜组成，其中该光电转换单元为光电二极管，用于将光纤中的数字光信号转换为数字电信号；该电光转换单元为半导体激光二极管，用于将数字电信号转换为数字光信号并在大气中传输出去，该第二聚焦透镜准直和收缩光束，该激光发射装置由该齿轮齿条机构带动而旋转。
4.如权利要求1中所述的高速数据传输系统，该圆锥体反射镜的轴线与该第一聚焦透镜的光轴平行或在一条直线上，并且该圆锥体反射镜的锥顶在靠近该第一聚焦透镜的一侧，该激光检测器为光电二极管，该第一聚焦透镜能够将光束汇聚到该激光检测器的检测面上。
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