CN209417415U - 一种自由空间的光学延时模块和光学延时装置 - Google Patents

Abstract

为解决现有光学延时方案存在的成本高、延时不可调的技术问题，本实用新型提供了一种自由空间的光学延时模块和光学延时装置。本实用新型中光学延时模块采用直角棱镜实现光路折返，改变直角棱镜的位置可以实现延时可调；光学延时装置采用多个延时模块级联使用，一方面能够扩大延时装置的延时可调光程，另一方面能够提高延时精度；单个延时模块结构简单、紧凑，易于安装，实现成本也比光栅、光波导之类的器件低，制作工艺相对简单；通过控制棱镜座的不同运动状态，可以实现信号光的不同程度延迟。

Description

一种自由空间的光学延时模块和光学延时装置

技术领域

本实用新型涉及一种自由空间的光学延时模块和光学延时装置，主要应用于光学相控阵激光雷达系统。

背景技术

雷达是运用无线电的方法实现目标精确定位的电子设备，广泛应用国民经济建设等方面。传统雷达由于机械扫描和天线惯性造成了扫描速度缓慢、精度低、可靠性低等缺点，同时由于强杂波背景技术、电子对抗技术、隐身技术等的发展和应用，使得相控阵雷达技术应用而生。相控阵，即相位控制阵列，是通过控制各天线元微波信号的相位延时来控制天线的波束形成和波束扫描。但是传统的相控阵雷达也有缺点，如体积重量大，宽带信号下存在波束指向偏移、抗干扰能力较差等。为了提高相控阵雷达的抗干扰能力，及对目标的分解、识别能力和解决雷达成像问题，相控阵雷达必须采用具有大瞬时信号带宽的信号。为了充分发挥和利用相控阵技术的潜能，克服现有相控阵系统存在的不足，实现相控阵雷达的宽带宽角扫描，便要利用光学技术，引入光学延时解决此问题。

当今国内外光学延时的实现方案主要有光纤延时线、基于光纤色散棱镜的延时方案、基于光纤布拉格反射光栅的延时方案等。

光纤延时线的原理是通过将光路的一个信号分束成两个，或者是两个信号同时经过不同的光学路径，探测光路的光程差。光纤延时线工作在微波波段，需要1Km以上的光纤延时线才可以满足雷达信号的实时工作频率在100GHZ以上。这种方案，结构虽然简单，但很难实现延时可调，并且这么长的光纤，很难排列整齐，尺寸也很大。

基于光纤色散棱镜的延时方案，是在光纤延时线方案基础上的改进，采用色散光纤替代原有冗长的普通光纤，利用一个可调谐激光器，产生不同波长的光波，不同波长的光信号经过光纤色散棱镜后，得到不同的延时。此延时方案对可调谐激光器的要求很高，价格十分昂贵。

基于光纤布拉格反射光栅的延时方案大体有两种：一种是利用单个布拉格反射光栅的中心波长在受到外界温度等的影响，会发生热效应，使光栅周期改变，来实现延时；该方案的缺点是寿命短，受外界环境影响大。另一种是使用多个布拉格反射光栅，改变入射光波的波长，实现不同波长的光波在不同位置反射来实现延时；该方案原理简单，但实现起来很困难，对光栅的稳定性要求高，配套设备也非常昂贵。除此之外，这两种方案得到的延时带宽都太窄，具有一定的局限性，不适合光通信系统。

实用新型内容

为解决现有光学延时方案存在的成本高、延时不可调的技术问题，本实用新型提供了一种自由空间的光学延时模块和光学延时装置。

本实用新型的技术解决方案是：

一种自由空间的光学延时模块，其特殊之处在于：包括基座、第一准直器、第二准直器、第一滑杆、第二滑杆、棱镜座和直角棱镜；

基座包括相互垂直的底板和侧板；基座的侧板中部设置有两个通光孔；

第一准直器和第二准直器安装在基座的侧板外侧，且分别与基座侧板上的两个通光孔的位置相对应；

第一滑杆和第二滑杆平行设置，其一端均固定在基座的侧板上，且第一滑杆和第二滑杆距基座的底板的距离相等；安装完成后，基座侧板上的两个通光孔位于第一滑杆和第二滑杆之间；

棱镜座上设置有分别与第一滑杆和第二滑杆相对应的两个安装孔，棱镜座通过所述两个安装孔套设在第一滑杆和第二滑杆上，且能够在第一滑杆和第二滑杆上移动；棱镜座面向基座侧板的侧面中部设置有棱镜安装槽，棱镜安装槽的侧壁与直角棱镜的两个直角面相匹配，直角棱镜粘接在该棱镜安装槽内，且直角棱镜的斜面与第一滑杆的长度方向垂直，直角棱镜的斜面正对基座侧板上的两个通光孔；

在基座的底板上远离基座侧板的端部，还安装有螺钉。

进一步地，还包括设置在第一准直器与直角棱镜之间的光强控制器。

进一步地，第一滑杆和第二滑杆为中空结构，其空腔内分别设置有第一加热装置和第二加热装置。

进一步地，第一加热装置和第二加热装置均为电阻丝和热电偶，电阻丝用于加热，热电偶用于采集温度。

进一步地，直角棱镜的斜面镀有1250-1650nm的宽带增透膜，直角棱镜的两个直角面均镀有全反射的膜及憎水膜，全反射膜在下层，憎水膜在上层。

本实用新型还提供了一种自由空间的光学延时模块，其特殊之处在于：包括基座、第一准直器、第二准直器、第一滑杆、第二滑杆、棱镜座、直角棱镜、连接支架和电机。

基座包括相互垂直的底板和侧板；基座侧板的中上部设置有两个通光孔；

第一准直器和第二准直器安装在基座的侧板外侧，且分别与基座侧板上的两个通光孔的位置相对应；

第一滑杆和第二滑杆平行设置，其一端均固定在基座的侧板上，且第一滑杆和第二滑杆距基座的底板的距离相等；安装完成后，基座侧板上的两个通光孔位于第一滑杆和第二滑杆之间；在第一滑杆和第二滑杆远离基座侧板的端部均安装有限位套管；

棱镜座整体呈T型，包括相互垂直的横部和竖部；棱镜座的横部上设置有分别与第一滑杆和第二滑杆相对应的两个安装孔，棱镜座通过所述两个安装孔套设在第一滑杆和第二滑杆上，且能够在第一滑杆和第二滑杆上移动；棱镜座的横部上面向基座侧板的侧面中部设置有棱镜安装槽，棱镜安装槽的侧壁与直角棱镜的两个直角面相匹配，直角棱镜粘接在该棱镜安装槽内，且直角棱镜的斜面与第一滑杆的长度方向垂直，直角棱镜的斜面正对基座侧板上的两个通光孔；

连接支架的上部与棱镜座的竖部卡接或插接，连接支架的下部与电机的伸缩杆相连。

进一步地，第一滑杆和第二滑杆为中空结构，其空腔内分别设置有第一加热装置和第二加热装置。

进一步地，在棱镜座和连接支架的接触位置设置钢球珠。

进一步地，直角棱镜的斜面镀有1250-1650nm的宽带增透膜，直角棱镜的两个直角面均镀有全反射的膜及憎水膜，全反射膜在下层，憎水膜在上层。

本实用新型同时还提供了一种自由空间的光学延时装置，其特殊之处在于：包括N个任一上述的光学延时模块，N大于等于2；N个光学延时模块串连连接，即前一个延时模块的第二准直器的输出端和下一个延时模块的第一准直器的输入端相连，第一个延时模块的第一准直器的输入端作为整个光学延时装置的输入端，最后一个延时模块的第二准直器的输出端作为整个光学延时装置的输出端。

本实用新型的优点：

1.本实用新型中单个延时模块采用直角棱镜实现光路折返，改变直角棱镜的位置可以实现延时可调；采用多个延时模块级联使用，一方面能够扩大延时装置的延时可调光程，另一方面能够提高延时精度；单个延时模块结构简单、紧凑，易于安装，实现成本也比光栅、光波导之类的器件低，制作工艺相对简单；通过控制棱镜座的不同运动状态，可以实现信号光的不同程度延迟。

2.本实用新型在单个延时模块的两个滑杆中均植入加热装置，使滑杆在低温环境中能够保持恒温，使得棱镜座在低温环境(例如-30℃)下仍可正常使用。

3.本实用新型在直角棱镜的斜面(即与直角相对的那个面)镀有1250-1650nm的宽带增透膜，能够减少光路中的光能量损耗，避免因有效光信号太弱湮没在噪声中；在直角棱镜的两个直角面镀有全反射膜及憎水膜，憎水膜使得外界环境骤变时，水汽不会影响光路的损耗。

附图说明

图1为本实用新型单个光学延时模块的光路原理示意图。

图2为本实用新型单个光学延时模块实施例一(手动式)的结构示意图。

图3为本实用新型单个光学延时模块实施例二(电动式)的结构示意图一；

图4为本实用新型单个光学延时模块实施例三(电动式)的结构示意图二；

图5为本实用新型单个光学延时模块实施例四(电动式)的结构示意图三；

图6a-6c为本实用新型单个光学延时模块的连接支架的三种不同结构的示意图。

图7为本实用新型单个延时模块实施例二、三中的棱镜座的结构示意图。

附图标记说明：

1-第一准直器，2-第二准直器，3-直角棱镜，4-第一滑杆，5-第二滑杆，6-棱镜座，7-基座，8-螺钉，9-电机，10-连接支架，11-螺钉孔，12-限位套管，即用于限制棱镜座的运动，13-第二加热装置，14-第一加热装置，15-光强控制器。

具体实施方式

如图1所示为本实用新型中单个光学延时模块的延时原理，信号光从第一准直器1进入光学延时模块，利用直角棱镜3实现光路折返，经直角棱镜3折返的信号光由第二准直器2接收，由于两个准直器之间存在光程差，因此能够实现光学延时。延时时间与光程差的关系如下：

Δt＝ΔL/c

式中，ΔL为信号光从第一准直器到直角棱镜的光程与信号光从直角棱镜到第二准直器的光程的差值(简称光程差)，c为信号光的光速。

基于上述光学延时原理，以下通过具体实施例对本实用新型作详细说明。

实施例一：

图2所示为一种手动式光学延时模块，包括基座7、第一准直器1、第二准直器2、第一滑杆4、第二滑杆5、棱镜座6和直角棱镜3。

基座7包括相互垂直的底板和侧板；基座7的侧板中部设置有两个通光孔；

第一准直器1和第二准直器2安装在基座7的侧板外侧，且分别与基座7侧板上的两个通光孔的位置相对应；

第一滑杆4和第二滑杆5平行设置，其一端均固定在基座7的侧板上，且第一滑杆4和第二滑杆5距基座7的底板的距离相等；安装完成后，基座7侧板上的两个通光孔位于第一滑杆4和第二滑杆5之间；

棱镜座6上设置有分别与第一滑杆4和第二滑杆5相对应的两个安装孔，棱镜座6通过其上的这两个安装孔套设在第一滑杆4和第二滑杆5上，且能够在第一滑杆4和第二滑杆5上移动；棱镜座6面向基座7侧板的侧面中部设置有棱镜安装槽，棱镜安装槽的侧壁与直角棱镜3的两个直角面相匹配，直角棱镜3粘接在该棱镜安装槽内，且直角棱镜的斜面与第一滑杆4的长度方向垂直，直角棱镜3的斜面正对基座7侧板上的两个通光孔；

在基座7的底板上远离基座7侧板的端部，还安装有螺钉8，螺钉8一方面用于固定安装基座7，另一方面还能限制棱镜座6的运动行程。

为满足不同系统的应用需求，本实施例在第一准直器1与直角棱镜3之间还设置有光强控制器15，调节光强控制器15可以适当的衰减光路中的光强度，给信息处理带来方便。

本实施例光路调试：

首先，调节第一准直器1直至光信号垂直入射到直角棱镜3的斜面，固定第一准直器1；然后，再调节第二准直器2，使第二准直器2接收到经直角棱镜3折返回来的光信号；最后，沿着第一滑杆4和第二滑杆5的长度方向移动棱镜座6，再次微调第二准直器2，使第二准直器2在棱镜座6前后运动的过程中，光信号的损耗达到最低后，固定第二准直器2。

本实施例在棱镜座6带动直角棱镜3运动过程中，总光程可达0-26mm；若想要得到更大的光程调节范围，可将多个图3所示延时模块级联使用，即前一个延时模块的第二准直器的输出端和下一个延时模块的第一准直器的输入端相连，第一个延时模块的第一准直器的输入端作为整个光学延时装置的输入端，最后一个延时模块的第二准直器的输出端作为整个光学延时装置的输出端。但是实际应用时，这种级联光路中的光能量损耗也是叠加的，可根据实际所需的光程调节范围和系统所许可的损耗，选择级联所需延时模块的数目。

本实施例延时模块的整体尺寸为24*23*9(长*宽*高)，单位为mm。

实施例二：

图3所示为一种电动式光学延时模块，包括基座7、第一准直器1、第二准直器2、第一滑杆4、第二滑杆5、棱镜座6、直角棱镜3、连接支架10和电机9。

基座7包括相互垂直的底板和侧板；基座7侧板的中上部设置有两个通光孔；

第一准直器1和第二准直器2安装在基座7的侧板外侧，且分别与基座7侧板上的两个通光孔的位置相对应；

第一滑杆4和第二滑杆5平行设置，其一端均固定在基座7的侧板上，且第一滑杆4和第二滑杆5距基座7的底板的距离相等；安装完成后，基座7侧板上的两个通光孔位于第一滑杆4和第二滑杆5之间；

如图7所示，棱镜座6整体呈T型，包括相互垂直的横部和竖部；棱镜座6的横部上设置有分别与第一滑杆4和第二滑杆5相对应的两个安装孔，棱镜座6通过其上的这两个安装孔套设在第一滑杆4和第二滑杆5上，且能够在第一滑杆4和第二滑杆5上移动；棱镜座6的横部上面向基座7侧板的侧面中部设置有棱镜安装槽，棱镜安装槽的侧壁与直角棱镜3的两个直角面相匹配，直角棱镜3粘接在该棱镜安装槽内，且直角棱镜的斜面与第一滑杆4的长度方向垂直，直角棱镜3的斜面正对基座7侧板上的两个通光孔；

连接支架10的上部与棱镜座6的竖部卡接或插接，连接支架10的下部与电机9的伸缩杆相连，电机9的伸缩杆位于棱镜座6的下方；为减小延时模块的体积，本实施例将电机9设置在第一准直器1和第二准直器2的下方，电机9的伸缩杆穿过基座7的侧板后与连接支架10的下部连接；

为了限制棱镜座6的移动行程，在第一滑杆4和第二滑杆5远离基座7侧板的端部均安装有限位套管12；

在基座7的底板上远离基座7侧板的端部，还设置有用于固定安装基座7的螺钉孔11。

本实施例光路调试：

首先，调节第一准直器1直至光信号垂直入射到直角棱镜3的斜面，固定第一准直器1；然后，再调节第二准直器2，使第二准直器2接收到经直角棱镜3折返回来的光信号；最后，沿着第一滑杆4和第二滑杆5的长度方向移动棱镜座6，再次微调第二准直器2，使第二准直器2在棱镜座6前后运动的过程中，光信号的损耗(调试时，准直器1接激光光源，准直器2接功率计，检测光路损耗)达到最低后，固定第二准直器2。

由于棱镜座6在低温环境下会产生一定的收缩变形致使其上的安装孔产生收缩变形，导致棱镜座6在滑杆上的运动容易受阻、不通畅，本实施例在实施例一-五任一方案的基础上，将第一滑杆4和第二滑杆5设计为中空结构，在其空腔内分别嵌入第一加热装置14和第二加热装置13，第一加热装置14和第二加热装置13具体可采用螺旋形电阻丝和热电偶(给电阻丝加电压电流实现加热，通过热电偶实时采集电阻丝的温度，热电偶采集的温度反馈给延时模块外部的控制单元，当温度不在阈值范围内时，由外部控制单元控制电阻丝电流的大小，就能够实现温度控制，单独的温度控制为本领域常规技术手段)，在低温环境下可通过第一加热装置14和第二加热装置13给第一滑杆4和第二滑杆5加热，使第一滑杆4和第二滑杆5在低温(例如-30℃)仍能保持恒温，保证棱镜座6在低温下仍能运动自如。

本实施例延时模块的工作过程：

电机9的输出端作伸缩运动，带动连接支架10运动，连接支架10带动棱镜座6运动，棱镜座6带动直角棱镜3运动，进而改变了第一准直器和第二准直器间的信号光束的光程差，进而达到延时的目的。

本实施例在棱镜座6带动直角棱镜3运动过程中，总光程可达0-26mm(总光程是由棱镜座6的行程决定的，行程越大，光程越大)；若想要得到更大的光程调节范围，可将多个本实施例的延时模块串连构成延时装置，串连即前一个延时模块的第二准直器的输出端和下一个延时模块的第一准直器的输入端相连。但是实际应用时，这种级联光路中的光能量损耗也是叠加的，可根据实际所需的光程调节范围和系统所许可的损耗，选择级联所需延时模块的数目。

本实施例延时模块的整体尺寸为65*23*26(长*宽*高)，单位为mm。

实施例三、四：

实施例三、四与实施例二的方案基本相同，区别仅在于电机9和连接支架10的形状不同，分别如图4和5所示。

实施例二-四所采用的连接支架10的结构分别如图6a-6c所示，这三种连接支架10的主要不同在于与棱镜座6的接触方式不同。

实施例五：

在实施例二-四任一方案的基础上，在棱镜座6和连接支架10的接触位置设置钢球珠，有利于使电机伸的伸缩杆在伸缩运动时尽可能保持平稳，不会上下左右摇摆，从而尽可能减小光路损耗。

实施例六：

在实施例一-五任一方案的基础上，在直角棱镜3的斜面镀1250-1650nm的宽带增透膜，在直角棱镜的两个直角面均镀全反射膜及憎水膜，全反射膜在下层，憎水膜在上层，以减小光路损耗。

Claims (10)

1.一种自由空间的光学延时模块，其特征在于：包括基座(7)、第一准直器(1)、第二准直器(2)、第一滑杆(4)、第二滑杆(5)、棱镜座(6)和直角棱镜(3)；

基座(7)包括相互垂直的底板和侧板；基座(7)的侧板中部设置有两个通光孔；

第一准直器(1)和第二准直器(2)安装在基座(7)的侧板外侧，且分别与基座(7)侧板上的两个通光孔的位置相对应；

第一滑杆(4)和第二滑杆(5)平行设置，其一端均固定在基座(7)的侧板上，且第一滑杆(4)和第二滑杆(5)距基座(7)的底板的距离相等；基座(7)侧板上的两个通光孔位于第一滑杆(4)和第二滑杆(5)之间；

棱镜座(6)上设置有分别与第一滑杆(4)和第二滑杆(5)相对应的两个安装孔，棱镜座(6)通过所述两个安装孔套设在第一滑杆(4)和第二滑杆(5)上，且能够在第一滑杆(4)和第二滑杆(5)上移动；棱镜座(6)面向基座(7)侧板的侧面中部设置有棱镜安装槽，棱镜安装槽的侧壁与直角棱镜(3)的两个直角面相匹配，直角棱镜(3)粘接在该棱镜安装槽内，且直角棱镜的斜面与第一滑杆(4)的长度方向垂直，直角棱镜(3)的斜面正对基座(7)侧板上的两个通光孔；

在基座(7)的底板上远离基座(7)侧板的端部，还安装有螺钉(8)。

2.根据权利要求1所述的自由空间的光学延时模块，其特征在于：还包括设置在第一准直器(1)与直角棱镜(3)之间的光强控制器(15)。

3.根据权利要求1或2所述的自由空间的光学延时模块，其特征在于：第一滑杆(4)和第二滑杆(5)为中空结构，其空腔内分别设置有第一加热装置(14)和第二加热装置(13)。

4.根据权利要求3所述的自由空间的光学延时模块，其特征在于：第一加热装置(14)和第二加热装置(13)均为电阻丝和热电偶，电阻丝用于加热，热电偶用于采集温度。

5.根据权利要求3所述的自由空间的光学延时模块，其特征在于：直角棱镜(3)的斜面镀有1250-1650nm的宽带增透膜，直角棱镜(3)的两个直角面均镀有全反射的膜及憎水膜，全反射膜在下层，憎水膜在上层。

6.一种自由空间的光学延时模块，其特征在于：包括基座(7)、第一准直器(1)、第二准直器(2)、第一滑杆(4)、第二滑杆(5)、棱镜座(6)、直角棱镜(3)、连接支架(10)和电机(9)；

基座(7)包括相互垂直的底板和侧板；基座(7)侧板的中上部设置有两个通光孔；

第一准直器(1)和第二准直器(2)安装在基座(7)的侧板外侧，且分别与基座(7)侧板上的两个通光孔的位置相对应；

第一滑杆(4)和第二滑杆(5)平行设置，其一端均固定在基座(7)的侧板上，且第一滑杆(4)和第二滑杆(5)距基座(7)的底板的距离相等；基座(7)侧板上的两个通光孔位于第一滑杆(4)和第二滑杆(5)之间；在第一滑杆(4)和第二滑杆(5)远离基座(7)侧板的端部均安装有限位套管(12)；

棱镜座(6)整体呈T型，包括相互垂直的横部和竖部；棱镜座(6)的横部上设置有分别与第一滑杆(4)和第二滑杆(5)相对应的两个安装孔，棱镜座(6)通过所述两个安装孔套设在第一滑杆(4)和第二滑杆(5)上，且能够在第一滑杆(4)和第二滑杆(5)上移动；棱镜座(6)的横部上面向基座(7)侧板的侧面中部设置有棱镜安装槽，棱镜安装槽的侧壁与直角棱镜(3)的两个直角面相匹配，直角棱镜(3)粘接在该棱镜安装槽内，且直角棱镜的斜面与第一滑杆(4)的长度方向垂直，直角棱镜(3)的斜面正对基座(7)侧板上的两个通光孔；

连接支架(10)的上部与棱镜座(6)的竖部卡接或插接，连接支架(10)的下部与电机(9)的伸缩杆相连。

7.根据权利要求6所述的自由空间的光学延时模块，其特征在于：第一滑杆(4)和第二滑杆(5)为中空结构，其空腔内分别设置有第一加热装置(14)和第二加热装置(13)。

8.根据权利要求6或7所述的自由空间的光学延时模块，其特征在于：在棱镜座(6)和连接支架(10)的接触位置设置钢球珠。

9.根据权利要求8所述的自由空间的光学延时模块，其特征在于：直角棱镜(3)的斜面镀有1250-1650nm的宽带增透膜，直角棱镜(3)的两个直角面均镀有全反射膜及憎水膜，全反射膜在下层，憎水膜在上层。

10.一种自由空间的光学延时装置，其特征在于：包括N个权利要求1-9任一所述的光学延时模块，N大于等于2；N个光学延时模块串连连接，即前一个延时模块的第二准直器的输出端和下一个延时模块的第一准直器的输入端相连，第一个延时模块的第一准直器的输入端作为整个光学延时装置的输入端，最后一个延时模块的第二准直器的输出端作为整个光学延时装置的输出端。