CN102611500B - 一种在相对旋转的两端传输数据的系统及其数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在相对旋转的两端传输数据的系统，包括固定端和旋转端，其中，所述旋转端外端设置有准直发射器，所述准直发射器的发射光束指向旋转中心；所述固定端安装有反射镜，所述反射镜用于将所述准直发射器射出的光束进行反射；所述系统还包括设置在反射镜反射光束汇聚处的接收装置。所述传输数据的系统结构简单、体积小、效率高且成本低；所述数据传输方法中数据传输的稳定性较佳，理论上没有数据速率限制，具有很好的应用前景。

Description

一种在相对旋转的两端传输数据的系统及其数据传输方法

技术领域

本发明涉及光纤通信和自由空间光通信技术领域，尤其涉及一种在相对旋转的两端传输数据的系统及其数据传输方法。

背景技术

在螺旋CT（electroniccomputerX-raytomographytechnique电子计算机X射线断层扫描技术）扫描过程中，探测器会持续采集大量的图像数据，这些数据被传输到计算机端进行处理后得到CT图像。进行CT扫描时，CT的旋转机架会高速旋转，这就带来两个问题，一是如何将旋转机架运行需要的电力和控制信号稳定持续高效地从固定端传输到旋转端，二是如何将探测器采集的数据稳定持续高速地从旋转端传输到固定端。如果采取有线连接，则CT无法单一方向连续旋转多圈（空间不足，电缆会缠绕和产生可能的电磁干扰），因此，滑动接触传输方式逐渐被采用，因为是沿环带旋转滑动接触，因此被称为滑环技术，它一方面能够将旋转机架运转所需要的电力和控制信号传输进来，另一方面可以将探测器获取的数据传输出去。

以前，在类似CT的系统（旋转端和固定端之间在旋转过程中存在电力和数据的双向或单向传输，且中心孔径不可作为交流通道的系统）里面一直是采用滑环方式进行电力和数据传输的，并由此发展出高效稳定的滑环传输方式，迄今为止，可以为系统提供足够的电力供应，而随着CT技术的发展，探测器采集的数据量急剧增大，滑动接触传输方式能够传输控制信号，但已经无法满足高速数据传输的要求，此时，出现了由此衍生的电磁耦合数据传输方式，此方式在数据传输速率上有所提高，但因电子电路系统原理限制，也有其极限，CT的数据量增长远远超出了此种方法所能提供的速率的极限，因此，顺理成章的，具有更高通信速率的光通信技术被采用，而如何更好地利用光通信技术来实现旋转端和固定端之间数据传输便成为目前的研究热门方向之一。

光通信技术采用光波作为信号载体，成熟应用于现代通信各个领域。光纤通信是指以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。其原理是：在发送端首先把要传送的信息（如声音、图像等）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。自由空间光通信（FSO）与光纤通信类似，是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。其只是将系统中的光纤变为空间传输。

对于CT系统来说，由于旋转速度快，旋转半径大，可利用空间小，数据传输速率要求高，所以，如何能够在高速旋转条件下，利用尽量少的空间，以较低的成本，实现数据从旋转端到固定端的高速传输成为亟待解决的问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在相对旋转的两端传输数据的系统及其数据传输方法，旨在解决现有的旋转端和固定端之间数据传输系统成本高、加工安装难度大等问题。

本发明的技术方案如下：

一种在相对旋转的两端传输数据的系统，包括有固定端和旋转端，其中，所述旋转端外端设置有准直发射器，所述准直发射器的发射光束指向旋转中心；所述固定端安装有第一平面反射镜，所述第一平面反射镜用于将所述准直发射器射出的光束进行反射；所述系统还包括设置在第一平面反射镜的反射光束汇聚点的接收装置。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，所述接收装置设置在以所述第一平面反射镜为对称轴的旋转中心的镜像位置处。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，所述第一平面反射镜的大小应当满足当所述旋转端旋转时，准直发射器发出的光束能够被反射到所述接收装置处。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，所述第一平面反射镜对应设置的第二平面反射镜，所述第二平面反射镜用于将准直发射器的发射光束在所述第一平面反射镜与第二平面反射镜之间经过若干次反射后，会聚到所述接收装置。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，所述接收装置位于所述准直发射器与所述第一平面反射镜之间。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，所述准直发射器的个数为八个，相邻两个准直发射器之间的夹角为45°。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，所述准直发射器的个数为十六个，相邻两个准直发射器之间的夹角为22.5°。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，所述接收装置为光纤探测器。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，所述接收装置包括凹抛物面反射镜和光纤准直器，所述凹抛物面反射镜设置在反射光束的汇聚点的位置上，用于使汇聚光束经抛物面反射镜反射后准直射入所述光纤准直器。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，所述接收装置包括转镜和光纤准直器，所述转镜设置在反射光束的汇聚点上，所述转镜包括若干个镀反射膜的反射面，用于使汇聚光束经反射面反射后准直射入所述光纤准直器。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，当所述准直发射器的个数为八个时，所述转镜包括十六个反射面，转动速度应为旋转端转动速度的一半。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，所述接收装置包括有凸抛物面反射镜、内表面反射镜、球面反射镜、双曲面反射镜或椭球面反射镜中的任意一个反射镜，所述接收装置还包括设在所述反射镜的反射光路上的聚焦透镜以及接收该聚焦透镜射出光束的光纤准直器。

所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其中，所述接收装置包括角度大于45°的扇形多模光纤束，所述多模光纤束包括若干裸光纤。

一种所述的相对旋转的两端传输数据的系统的数据传输方法，其中，所述方法包括以下步骤：

S1、设置在旋转端外端的准直发射器沿指向旋转中心的方向，发出携带数据信号的光束；

S2、所述光束经过反射镜反射后，反射到所述接收装置上；

S3、所述接收装置将光束耦合到光纤内，完成数据传输。

所述的数据传输方法，其中，所述反射镜包括第一反射镜，所述第一反射镜为第一平面反射镜。

所述的数据传输方法，其中，在所述步骤S1之前还包括步骤S0：

输入的电信号经过电光转换后，再经过放大、分路、准直处理后，成为携带相当信号的光束，进入所述准直发射器。

所述的数据传输方法，其中，所述步骤S2进一步包括：

S21、所述光束经过第一平面反射镜反射后，反射到第二平面反射镜上，所述光束在所述第一平面反射镜与第二平面反射镜之间经过若干次反射后，会聚到所述接收装置。

所述的数据传输方法，其中，所述步骤S2中还包括：

S22、所述光束经过第一平面反射镜反射后，经过设置在反射光束的汇聚点的位置上的凹抛物面反射镜后，光束汇聚后准直射入所述光纤准直器。

有益效果：本发明提供的一种在相对旋转的两端传输数据的系统，其结构简单、体积小、效率高且成本低；所述数据传输方法中数据传输的稳定性较佳，理论上没有数据速率限制，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明第一实施例的在相对旋转的两端传输数据的系统的示意图。

图2为本发明第二实施例的在相对旋转的两端传输数据的系统的示意图。

图3为本发明第三实施例的在相对旋转的两端传输数据的系统的示意图。

图4为本发明的接收装置的光束会聚的实施例的示意图。

图5为本发明的接收装置的光束会聚的另一实施例的示意图。

图6为本发明的相对旋转的两端传输数据的系统的数据传输方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种在相对旋转的两端传输数据的系统及其数据传输方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

请参阅图1，其为本发明第一实施例的在相对旋转的两端传输数据的系统的示意图。如图所示，所述系统包括固定端和旋转端，所述旋转端围绕着旋转中心9进行旋转，所述固定端相对于旋转端来说，更靠近于旋转中心，其是相对固定不动的。其中，所述旋转端外端均匀设置有准直发射器1，所述准直发射器1的发射光束指向旋转中心9；所述固定端安装有第一反射平面镜2，所述以第一平面反射镜2为对称轴的旋转中心9的镜像位置处设置有接收装置3；所述第一平面反射镜2用于将所述准直发射器1射出的光束反射到所述接收装置3上。这样一来，使得光线从外侧向内侧发射，这在类似CT的空心旋转结构中不存在任何物理空间障碍。而在现有技术中，所有的发射装置都是向外侧相对于切线方向以一定角度发射光束，然后在外侧进行数据接收，这种方式下，由光纤准直器（相当于准直发射器）发出的准直光线相当于从旋转中心发出的光线或者由旋转环面上发出的光线，均属于发散光束，为了使其最终会聚到一点或被探测器接收，或耦合到光纤内继续传输到出口端被探测器接收，都要经历一个必然的使光线由发散转为会聚的过程，这就必然要引入一个曲面反射装置。而本发明的系统则省去了所述曲面反射装置，大大节约了空间和成本。另外，所述第一平面反射镜2的大小应当满足当所述旋转端旋转时，准直发射器1发出的光束能够被反射到所述接收装置3处。

进一步地，可以采用八个准直发射器1间隔45°的方式，如图1所示，从而使第一平面反射镜2在任意时刻均能保证有一或两个以上准直发射器1的光束被接收装置3接收。此种方法结构简单，易于实现，同时也能严格保证光链路的等光程性。当然，我们也可以采用十六个准直发射器，每两个之间间隔22.5°的方式，以此类推。另外，对于第一反射镜的选用（对于其他反射镜的选用也一样），也可以采用曲面镜来替代所述平面镜，只要能够实现将准直发射器发出的光束能够被反射到所述接收装置处即可。需要注意地是，这里所说的接收装置3可以为光纤探测器，当然，也可以采用光纤准直器。但是，当采用光纤准直器作为接收装置时，必须与能够使光束准直汇聚到光纤准直器的结构配合使用。

实施例2：

请继续参阅图2，其为本发明第二实施例的在相对旋转的两端传输数据的系统的示意图。如图所示，通过添加一个角度和位置优选的第二平面反射镜4，光束在两片平面反射镜2、4之间经过若干次反射后，最后会聚到接收装置3所在位置处，通过这种方法，可以有效地压缩占用的空间(在本实施例中，所述准直发射器1的间隔也为45度)。

结合图1和图2来看，本实施例与第一实施例的结构基本相同，主要不同之处在于：所述第一平面反射镜2的反射镜折转光路上设置有第二平面反射镜4，所述第一平面反射镜2将所述准直发射器1射出的光束反射到所述第二平面反射镜4上，所述光束在所述第一平面反射镜2与第二平面反射镜4之间经过多次反射，最后会聚到所述接收装置3上。这样一来，虽然增加了一个平面反射镜，但是，能够进一步缩小空间，使得成本大大降低。

进一步地，假如系统组件在同一平面内运行时，第一平面反射镜2反射的光线会被准直发射器1遮挡，因此，考虑将第一平面反射镜2适当偏转一个小角度，使反射光线避开准直发射器1所在平面，然后再接收，这样避免了遮挡，但会增加系统厚度和装调难度。如图3所示，将第一平面反射镜2移动位置，使旋转中心9的镜像位置移动到准直发射器1的内侧（即位于准直发射器1和第一平面反射镜2之间），这样完全避免了互相遮挡，但是会使得相同大小的平面镜对旋转中心9的张角变小，因此必须相应增加准直发射器1的数量。

通过上述两个实施例，可以看到，安装在固定端的反射镜的目的是使准直发射器发出的光束能够被反射到所述接收装置处。那么，也可以采用更多个数的反射镜（比如：3个、4个或者更多），使光束在这些反射镜之间经过若干次反射后，会聚到接收装置处。具体的光路可以根据实际情况的需要加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明的保护范围。

请继续参阅图4，其为本发明的第一实施例的接收装置处的光束会聚的示意图。为了保证平面反射镜反射的光能够最终会聚到接收装置3处，如图所示，所述接收装置3包括凹抛物面反射镜31和光纤准直器32，所述凹抛物面反射镜31设置在反射光束的汇聚点的位置上，用于使汇聚光束经抛物面反射镜31反射后准直射入所述光纤准直器32（此处作为准直耦合接收器，也称准直接收器）。

进一步地，我们可以在凹抛物面反射镜31位置上采用一转镜33来替代它，如图5所示，所述转镜33包括若干个镀反射膜的反射面。其中，当所述准直发射器1的个数为八个时，所述转镜33包括十六个反射面，此时，转动速度应为旋转端转动速度的一半。此方法在理想状态下能够保证光束被100%耦合，但对系统公差提出了更高的要求，例如，需要相邻准直发射器之间严格保持45°夹角，转镜33转动速度需要时刻保证为旋转机架转速的一半。具体地参数可以根据实际情况来设计，应以光线尽可能充分地耦合到光纤准直器32内为佳。

更进一步地，我们还可以在所述接收装置3处采用其他结构来替代凹抛物面反射镜31，比如在反射光束的汇聚点的位置上设置有凸抛物面反射镜、内表面反射镜、球面反射镜、双曲面反射镜或椭球面反射镜中的任意一个反射镜，所述反射镜的反射光路上再设置聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将使光束最终射入所述光纤准直器32。为了描述简单，此方法就不再一一赘述了。

另外，如果考虑直接在光线汇聚点进行光信号收集，所述接收装置3还可以制作一种多模光纤束，将多模光纤涂覆层剥掉，利用某种方式将大量的裸光纤紧固成光纤束，其排布方式可以有效的对45°内的光线等效率的耦合，其直径足以将一定直径范围内的光束全部接收，在另一端通过光纤合路器将光束合为一束，最后通过单路光纤传入光模块。此方法需要使用大量的光纤（数百根）制作成质量良好的光纤束，为了保证各个角度的光线均能等效率入射，需要将光纤束制作成大于45°的扇形。然后，所述扇形多模光纤束通过光纤合路器将光束合为一束，最后通过单路光纤传入相应的光模块中。

相应地，本发明还提供了一种所述的相对旋转的两端传输数据的系统的数据传输方法，如图6所示，所述方法包括以下步骤：

S1、设置在旋转端外端的准直发射器沿指向旋转中心的方向，发出携带数据信号的光束；

S2、所述光束经过反射镜反射后，反射到所述接收装置上；

S3、所述接收装置将光束耦合到光纤内，完成数据传输。

其中，在所述步骤S1之前还包括步骤S0：

输入的电信号经过电光转换后，再经过放大、分路、准直处理后，成为携带相当信号的光束，进入所述准直发射器。此为现有技术，就不再赘述了。

所述反射镜包括第一反射镜，所述第一反射镜为第一平面反射镜。

进一步地，所述步骤S2可以包括：

S21、所述光束经过第一平面反射镜反射后，反射到第二平面反射镜上，所述光束在所述第一平面反射镜与第二平面反射镜之间经过若干次反射后，会聚到所述接收装置。

更进一步地，所述步骤S2中还可以包括：

S22、所述光束经过第一平面反射镜反射后，经过设置在反射光束的汇聚点的位置上的凹抛物面反射镜后，光束汇聚后准直射入所述接收装置。

综上所述，本发明的一种在相对旋转的两端传输数据的系统，包括固定端和旋转端，其中，所述旋转端外端均匀设置有准直发射器，所述准直发射器的发射光束指向旋转中心；所述固定端安装有反射镜，所述反射镜用于将所述准直发射器射出的光束进行反射；所述系统还包括设置在反射镜反射的光束汇聚处的接收装置。所述传输数据的系统结构简单、体积小、效率高且成本低；所述数据传输方法中数据传输的稳定性较佳，理论上没有数据速率限制，具有很好的应用前景。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种在相对旋转的两端传输数据的系统，包括固定端和旋转端，其特征在于：所述旋转端外端设置有准直发射器（1），所述准直发射器（1）的发射光束指向旋转中心（9）；所述固定端安装有第一平面反射镜（2），所述第一平面反射镜（2）用于将所述准直发射器（1）射出的光束进行反射；还包括设置在第一平面反射镜（2）反射光束汇聚处的接收装置（3），所述第一平面反射镜的大小应当满足当所述旋转端旋转时，所述准直发射器（1）发出的光束能够被反射到所述接收装置（3）处，所述固定端相对于旋转端更靠近于旋转端的旋转中心，所述旋转端外端均匀设置有多个准直发射器（1），所述接收装置（3）设置在以所述第一平面反射镜（2）为对称轴的旋转中心（9）的镜像位置处，所述第一平面反射镜（2）在任意时刻均能保证有一或两个以上准直发射器的光束被接收装置（3）接收，所述准直发射器（1）的发射光束携带数据信号。

2.根据权利要求1所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其特征在于：所述接收装置（3）设置在所述准直发射器（1）与所述第一平面反射镜（2）之间。

3.根据权利要求1所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其特征在于：还包括与所述第一平面反射镜（2）对应设置的第二平面反射镜（4），所述第二平面反射镜（4）用于将所述准直发射器（1）的发射光束在所述第一平面反射镜（2）与第二平面反射镜（4）之间经过若干次反射后汇聚到所述接收装置（3）。

4.根据权利要求1或2或3所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其特征在于：所述准直发射器（1）的个数为八个，相邻两个准直发射器之间的夹角为45°，或者；所述准直发射器（1）的个数为十六个，相邻两个准直发射器之间的夹角为22.5°。

5.根据权利要求1或2或3所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其特征在于：所述接收装置（3）包括凹抛物面反射镜（31）和光纤准直器（32），所述凹抛物面反射镜（31）设置在反射光束的汇聚点的位置上，用于使汇聚光束经所述凹抛物面反射后准直射入所述光纤准直器（32）。

6.根据权利要求1或2或3所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其特征在于：所述接收装置（3）包括转镜（33）和光纤准直器（32），所述转镜（33）设置在反射光束的汇聚点上，所述转镜（33）包括若干个镀反射膜的反射面，用于使汇聚光束经反射面反射后准直射入所述光纤准直器（32）。

7.根据权利要求5所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其特征在于，所述接收装置（3）还可以由凸抛物面反射镜、内表面反射镜、球面反射镜、双曲面反射镜或椭球面反射镜中的任意一个反射镜，与所述光纤准直器（32）构成。

8.根据权利要求1或2或3所述的在相对旋转的两端传输数据的系统，其特征在于，所述接收装置（3）包括角度大于45°的扇形多模光纤束，所述多模光纤束包括若干裸光纤。

9.一种如权利要求1或2或3所述的在相对旋转的两端传输数据的系统的数据传输方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、设置在旋转端外端的准直发射器沿指向旋转中心的方向，发出携带数据信号的光束；

S2、所述光束经过所述第一平面反射镜反射后，反射到所述接收装置上；

S3、所述接收装置将光束耦合到光纤内，完成数据传输。

10.根据权利要求9所述的数据传输方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括步骤S0：

输入的电信号经过电光转换后，再经过放大、分路、准直处理后，成为携带相当信号的光束，进入所述准直发射器。