1 引言

當(dāng)需要在兩個相對旋轉(zhuǎn)部件[1,2]之間實(shí)現(xiàn)高速通信時，旋轉(zhuǎn)光通信[3]系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。對于某些特殊行業(yè)的應(yīng)用，例如雷達(dá)[4,5]的旋轉(zhuǎn)軸中心位置裝有波導(dǎo)管，或者其他旋轉(zhuǎn)部件的中心軸位置裝有高壓氣體時，應(yīng)用于軸心的光滑環(huán)[6]或者電滑環(huán)的使用便受到限制，就需要一種離軸旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)。

上海理工大學(xué)的科研人員發(fā)明了一種離軸旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)[7,8,9]，該系統(tǒng)由準(zhǔn)直器、分光路器、單模光纖、視頻采集卡及PC等組成。它的外形尺寸相當(dāng)于一個φ210 mm×300 mm的一個圓柱體，它適用于在某些大型化的旋轉(zhuǎn)儀器設(shè)備中進(jìn)行光通信。由于它采用了口徑較大的光纖準(zhǔn)直器對光纖發(fā)出的信號光進(jìn)行準(zhǔn)直，這樣便可以使用盡量少的發(fā)射光路和接收光路，因此電路部分得到了大大的簡化。文獻(xiàn)[7]中所涉及的離軸旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)，有4路發(fā)射光路和2路接收光路。

若縮小離軸旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)的尺寸，系統(tǒng)準(zhǔn)直鏡的尺寸也必須相應(yīng)的縮小。若仍想實(shí)現(xiàn)光信號的完全覆蓋，必須增加發(fā)射光路和接收光路的數(shù)量，迫使后續(xù)的電路處理系統(tǒng)變得異常復(fù)雜，體積和功耗等會變得非常大。而在某些特殊應(yīng)用場景下，如雷達(dá)系統(tǒng)的小尺寸離軸旋轉(zhuǎn)通信系統(tǒng)，文獻(xiàn)[7]的設(shè)備和設(shè)計(jì)思路就無法滿足工程應(yīng)用需求。因此，本文在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，基于光滑環(huán)思路，立足可工程應(yīng)用的原則，設(shè)計(jì)了一種小型化的離軸旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)，不僅能滿足微尺寸特殊場景應(yīng)用，還具備較高的通信速率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文所設(shè)計(jì)的離軸旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)，它包含兩個相同的旋轉(zhuǎn)端，每個旋轉(zhuǎn)端以電路板為主要支撐結(jié)構(gòu)。電路板中心為其他結(jié)構(gòu)預(yù)留安裝空間，電路板上布置發(fā)射信號光的LED和接收信號的光電探測器。使用LED代替光纖激光器，主要因?yàn)楣饫w器件的安裝精度要求較高[10,11,12]。四路LED作為發(fā)射信號光的光源，以寬視方式[13]發(fā)射信號光，并且四路LED均勻分布于電路板內(nèi)孔附近，光電探測器也位于電路板內(nèi)孔附近，若以四路LED所在的位置畫一個圓，那么光電探測器也位于這個圓上，以此保證光電探測器能夠接收到更多的光信號。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示。

圖1 離軸式旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)的工作原理

選用發(fā)射角度較大的LED作為信號光源，并且選用探測面積較大的光電探測器接收光信號，探測器輸出的電信號與接收到的光強(qiáng)成正比[14]。四路光信號發(fā)射LED可以覆蓋整個圓域范圍，以保證某一端在旋轉(zhuǎn)過程中，光電探測器始終能夠接收到LED所發(fā)射出來的信號光[15]。信號光覆蓋區(qū)域示意圖如圖2所示，其灰色部分代表電路板，用于處理數(shù)字信號，藍(lán)色區(qū)域代表對面端的LED發(fā)射出的信號光能覆蓋的區(qū)域，黃色代表本端的光電探測器，黑色代表的是本端的LED光源，中間的空白區(qū)域是為其他結(jié)構(gòu)預(yù)留的安裝空間。

圖2 信號光覆蓋區(qū)域示意

為了實(shí)現(xiàn)此光學(xué)系統(tǒng)既定的功能目標(biāo)和緊湊的幾何尺寸，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從以下三個方面開展設(shè)計(jì)和論證工作。其一，采用了發(fā)射角較大的LED發(fā)射光信號，選用了探測面積較大、靈敏度較高的光電探測器；其二，通過Zemax軟件進(jìn)行精確仿真，確定了各個光電器件合理的布局位置；其三，通過微電路、多功能模塊化設(shè)計(jì)，減少電路板上器件數(shù)量，減少功耗，在有限空間實(shí)現(xiàn)更多的功能。

此光學(xué)系統(tǒng)所采用的主要光電器件和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

3 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

根據(jù)大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的需求，使內(nèi)孔直徑為20 mm。同時，在保證旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)的各項(xiàng)基本功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，逐步壓縮系統(tǒng)外徑設(shè)計(jì)尺寸，最終將外徑尺寸控制在60 mm以內(nèi)。與文獻(xiàn)[7]的系統(tǒng)相比，外直徑縮小70%，內(nèi)直徑縮小33%，系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)非常明顯。

圖3為離軸旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)的正視圖，它的內(nèi)徑和外徑的尺寸都已標(biāo)記在圖中。

圖4為旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)的側(cè)視圖。可以測出實(shí)際電路板左側(cè)器件的最高點(diǎn)，與電路板右側(cè)器件的最高點(diǎn)之間的距離為10 mm。

表1 光學(xué)系統(tǒng)器件的各項(xiàng)指標(biāo)

圖3 離軸旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)的正視

圖4 旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)的側(cè)視

圖5為旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)測試的俯視圖。將離軸旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)件固定，安裝調(diào)整之后，測試兩個旋轉(zhuǎn)端相距10 mm時，每旋轉(zhuǎn)15°后，測試接收端的光電探測器所能接收到的功率。由于某一旋轉(zhuǎn)端被4個相同的LED光源均勻分成四個相等的區(qū)域，所以，測試區(qū)域只要包含1/4象限即可[16]。由于每旋轉(zhuǎn)15°測試一個數(shù)據(jù)，要完成一個象限90°的測試，共需測量7組數(shù)據(jù)。

圖5 旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)的測試實(shí)驗(yàn)

通過調(diào)整不同的距離，在兩個旋轉(zhuǎn)端之間相距10 mm和200 mm時，每隔若干距離測試一次，接收端的接收功率如表2所示。

表2 接收端的接收功率表

當(dāng)轉(zhuǎn)速在60 r/min的情況下，通信距離在10 mm到200 mm之間的某一位置時，接收端接收到的功率平均值如表3所示。

表3 接收端的平均功率表（轉(zhuǎn)速在60 r/min）

當(dāng)轉(zhuǎn)速在120r/min的情況下，通信距離在10 mm到200 mm之間的某一位置時，接收端接收到的功率平均值如表4所示。

表4 接收端的平均功率表（轉(zhuǎn)速在120 r/min）

光電探測器接收到的功率，均大于光電探測器的接收靈敏度，故在發(fā)射端與接收端之間，相距10 mm到200 mm的距離時，兩旋轉(zhuǎn)部件之間可以實(shí)現(xiàn)信號的傳輸。當(dāng)某一旋轉(zhuǎn)部件以60 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，另一旋轉(zhuǎn)端的光電探測器所接收到的功率會有一定的變化。隨著通信距離的增加，在旋轉(zhuǎn)通信的過程中，光電探測器接收功率變化量會相應(yīng)地減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速在60 r/min的情況下，通信距離在10 mm到200 mm之間的某一位置時，光電探測器接收到的平均功率隨距離變化的曲線圖，如圖6所示。

圖6 光電探測器接收功率隨距離變化的折線

由圖中的折線圖可知，隨著兩旋轉(zhuǎn)部件之間的距離逐漸變大，光電探測器所能接收到的光信號強(qiáng)度也在逐漸減弱，但減弱程度逐漸變小，且接收到的能量都高于光電探測器的靈敏度，兩旋轉(zhuǎn)部件之間仍可建立信息鏈路。

4 結(jié)論

為滿足現(xiàn)代精密光學(xué)儀器和雷達(dá)工程等對小型化光通信系統(tǒng)的需求，根據(jù)Zemax軟件仿真，設(shè)計(jì)了一種小型化的離軸非接觸式的旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)高速通信功能的前提下，采用大發(fā)散角的LED光源設(shè)計(jì)，不僅能夠使實(shí)現(xiàn)高速雙工通信，而且兼具小型化工程應(yīng)用特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的小型化離軸旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)，內(nèi)直徑為20 mm，外直徑為60 mm，在垂直電路板方向上測量單端離軸旋轉(zhuǎn)光通信系統(tǒng)的尺寸，其最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的距離為10 mm，體積為25.132 cm3。系統(tǒng)在兩旋轉(zhuǎn)端之間的距離小于200 mm，轉(zhuǎn)速小于120轉(zhuǎn)/分鐘的情況下，可實(shí)現(xiàn)100 Mbps的高速雙向光通信。