光纖滑環(huán)-光纖旋轉(zhuǎn)連接器的最新發(fā)展及應(yīng)用

日期：2018-10-27 點(diǎn)擊：10009 屬于：滑環(huán)結(jié)構(gòu)原理

摘要光纖滑環(huán)經(jīng)過近30年的發(fā)展，技術(shù)上已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，并趨于成熟。對光纖旋轉(zhuǎn)連接器的主要功能及其最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，介紹了道威棱鏡式、波分復(fù)用式和反射鏡式3類多通道光纖連接器的原理、技術(shù)和特點(diǎn)，對３類系統(tǒng)進(jìn)行了比較，列出各類連接器的優(yōu)缺點(diǎn)。最后對光纖滑環(huán)適用場合進(jìn)行了簡要介紹。
１引言
滑環(huán)是一種可實(shí)現(xiàn)兩個相對轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)部分之間信號傳輸?shù)南到y(tǒng)，隨著連接器傳輸數(shù)據(jù)量的增大，傳輸寬帶的提高，電滑環(huán)的局限性越來越突出。在有些應(yīng)用場合，電滑環(huán)的性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到使用要求。從20世紀(jì)80年代起，國外就開始研究光纖滑環(huán)（FORJ），美國國防部最早開展光纖旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)的開發(fā)研究，于1989年公布了艦船用光纖旋轉(zhuǎn)連接頭的規(guī)范。加拿大MOOG公司于20世紀(jì)90年代初，最先推出采用旁軸入射的多通道光纖滑環(huán)，目前已推出多種型號的光纖滑環(huán)產(chǎn)品，在無人操作車（UGV）上得到應(yīng)用。德國Ｓｃｈｌｅｉｆｒｉｎｇ公司也先后開發(fā)多種光纖旋轉(zhuǎn)連接器，主要應(yīng)用于無人機(jī)（UAV）和石油鉆探等領(lǐng)域。美國Ｐｒｉｎｃｅｔｅｌ公司利用波分復(fù)用（ＷＤＭ）技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路光纖信號的耦合，由于ＷＤＭ技術(shù)將多路
光信號首先采用波分復(fù)用技術(shù)耦合到一起，最后由一個光通路進(jìn)行傳輸，所以使連接器結(jié)構(gòu)更加緊湊，目前最多可達(dá)60個通道。從20世紀(jì)90年代起，國內(nèi)開始了光纖滑環(huán)技術(shù)的研究，到21世紀(jì)初，取得了一些研究成果。到目前為止，陸續(xù)有一些相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)。
本文主要根據(jù)光纖滑環(huán)的原理結(jié)構(gòu)，對棱鏡消旋型、波分復(fù)用型和反射鏡消旋型等幾種光纖旋轉(zhuǎn)連接器進(jìn)行介紹。由于單通道光纖滑環(huán)在實(shí)際中應(yīng)用比較少，所以主要介紹無源多通道型光纖滑環(huán)，包括各種連接器的典型應(yīng)用。
２道威棱鏡光纖滑環(huán)
道威棱鏡是一種去掉頂端多余部分的直角棱鏡，當(dāng)光線從棱鏡的一端以平行棱鏡底面的方向平行入射時，經(jīng)過兩次折射和一次反射后以同樣的方向平行射出。圖１是道威棱鏡成像的原理。在圖1（ａ）中，物體經(jīng)過道威棱鏡后，成的像是上下顛倒（即狔方向發(fā)生改變）；當(dāng)棱鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)90°后，成的像左右顛倒（即狓方向發(fā)生改變），如圖1（ｂ）所示。也就是說，當(dāng)棱鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)90°時，成的像也繞光軸旋轉(zhuǎn)，而且旋轉(zhuǎn)角度為180°。所以，如果有一種機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠保證像的旋轉(zhuǎn)角速度是棱鏡角速度的２倍，則可以實(shí)現(xiàn)消旋。

在圖２中，假如入射端光線（如1和3）以角速度ω 繞轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)，同時道威棱鏡以ω／2角速度轉(zhuǎn)動時，出射光線（如2和4）的位置保持不變。當(dāng)該系統(tǒng)用于圖像傳輸時，在棱鏡的特征方向上，出射方向上的像是入射方向上像的倒像，即以右手坐標(biāo)入射的光，在出射端變?yōu)樽笫肿鴺?biāo)系。

在光纖滑環(huán)中，通常為了提高光傳輸效率，需要將輸入光纖的輸出光進(jìn)行準(zhǔn)直，在接收端再通過準(zhǔn)直器將光信號會聚到光纖中。為了進(jìn)一步提高光傳輸效率，拓展連接器功能，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，人們提出多種改進(jìn)方法。
為了實(shí)現(xiàn)圖像和數(shù)據(jù)同時傳輸，提出了一種具有成像功能的多通道光纖滑環(huán)，在連接器的中心部分增加了一個成像通道，可用于轉(zhuǎn)子部分圖像信號的傳輸，如圖3（ａ）所示。成像通道的周圍分布不同數(shù)量的光纖信號傳輸通道，用于數(shù)據(jù)的傳輸。由于成像系統(tǒng)的圖像信號也是通過道威棱鏡，所以，同時實(shí)現(xiàn)了圖像的消旋。

法國Ｔｈａｌｅｓ公司ＴｈｏｍａｓＭｅｒｌｅｔ等在道威棱鏡的幾何中心開一小孔（或在幾何中心的入射面和出射面處切掉一小塊，使光能垂直玻璃表面入射和出射），光在該通道通過時不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此通過道威棱鏡不會發(fā)生損耗，如圖3（ｂ）所示。對于一般的道威棱鏡滑環(huán)而言，因?yàn)榇嬖谥圃煺`差，在光學(xué)傳輸路徑上容易產(chǎn)生強(qiáng)度和長度的波動，在旋轉(zhuǎn)過程中，棱鏡存在的同軸度誤差使插入損耗發(fā)生變化。當(dāng)人們需要傳輸模擬信號時，例如，連續(xù)數(shù)量的大幅度擺動的信號時，這些干擾將是致命的。如果采用中心孔通道傳輸，就可以克服這些缺點(diǎn)，同時，其他的通道可以提供給那些對損耗變化不那么敏感的信號使用。
３波分復(fù)用光纖滑環(huán)
ＷＤＭ是同時將多個波長的光在一根光纖中傳輸，提高了系統(tǒng)的傳輸容量，支持雙向信號傳輸。利用ＷＤＭ這一技術(shù)特性，可構(gòu)成多通道光纖滑環(huán)，實(shí)現(xiàn)大容量、低損耗和高速度數(shù)據(jù)傳輸。采用波分復(fù)用技術(shù)的多通道光纖滑環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖４所示。多束波長分別為λ１，λ２和λｎ的光通過耦合隔離器（隔離器主要是防止從另一端反射回來的光束對入射光產(chǎn)生干擾），然后進(jìn)入波分復(fù)用器中，多束光被合成一束光。這束光經(jīng)過微透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直后，通過連接器的旋轉(zhuǎn)界面。在出射端，再通過微透鏡接收會聚，耦合到輸出端的解波分復(fù)用器（ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）中，由解分波復(fù)用器將一束光分解成多束光。需要說明的是，在這種對稱結(jié)構(gòu)中，光的傳輸是雙向的。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將音頻信號、視頻信號和數(shù)據(jù)等分別調(diào)制到不同的波長上，

由于這種結(jié)構(gòu)中，所有光信號都需要通過一對準(zhǔn)直器來傳輸，所以準(zhǔn)直器之間的耦合效率對整個系統(tǒng)的性能起到關(guān)鍵的作用。在滑環(huán)中，影響耦合器耦合效率的主要因素有離軸偏差、角度偏差和軸向偏差等，對這些偏差的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究。
在多通道光纖滑環(huán)中，采用粗波分復(fù)用器（ＣＷＤＭ）時，波長最小間隔可達(dá)到２０ｎｍ，而采用密集波分復(fù)用器（ＤＷＤＭ）時則可以實(shí)現(xiàn)的波長間隔為４ｎｍ。在波長1310ｎｍ和1550ｎｍ上，插入損耗可達(dá)到２ｄＢ左右，而且兩波長之間，隔離度可達(dá)40ｄＢ。由于ＷＤＭ系統(tǒng) 的復(fù) 用光通路速率可達(dá) 到2.5 Ｇｂ／ｓ、10Ｇｂ／ｓ等，而復(fù) 用光通路的數(shù) 量可以是4、8、16、32，甚至更多，因此系統(tǒng) 的傳輸容量可以達(dá) 到 300～400Ｇｂ／ｓ。
４反射鏡消旋光纖滑環(huán)
和以上兩種技術(shù)相比，反射鏡旋轉(zhuǎn)掃描方式是利用反射面對光線的反射來實(shí)現(xiàn)消旋，在這種系統(tǒng)中，光線在光路中全部通過反射來傳輸，不需要經(jīng)過折射進(jìn)入介質(zhì)，所以光的損耗和色散極小，而且可以傳輸大功率光學(xué)信號。 45°旋轉(zhuǎn)掃描反射鏡掃描模式是一種最常用的光機(jī)掃描模式，由于它尺寸較小，掃描范圍大，在
轉(zhuǎn)臺信號傳輸和空間目標(biāo)掃描等領(lǐng)域有重要和廣泛的應(yīng)用。
Ｍｏｏｇ公司利用45°反射鏡實(shí)現(xiàn)多路光纖信號的傳輸，如圖５所示。圖中定子是固定不動的，入射光纖的光經(jīng)過反射鏡反射后，進(jìn)入會聚透鏡，然后再通過光纖將光信號傳出。反射鏡通過磁耦合齒輪與轉(zhuǎn)子連接，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，在磁力作用下，保持反射鏡不動，從而使光線始終與準(zhǔn)直透鏡相對。當(dāng)４５°掃描鏡用于圖像傳輸時，會產(chǎn)生像旋轉(zhuǎn)。由于鏡面反射使得物與像的坐標(biāo)“顛倒”，所以奇數(shù)次反射成鏡像，而偶數(shù)次反射成物象。Ｔｒｅｘ公司采用三反射面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)消除像偏轉(zhuǎn)，因其三面反射鏡呈“Ｋ” 字排列，故起名“Ｋ鏡”，如圖６所示。

５結(jié)束語
隨著光纖通信技術(shù)的日益成熟，在諸多領(lǐng)域，光纖通信正逐步取代銅（鋁）金屬線纜通信，甚至出現(xiàn)了所謂“光進(jìn)銅退”的現(xiàn)象。光纖導(dǎo)電滑環(huán)經(jīng)過３０多年的發(fā)展，取得了很大的進(jìn)步，目前在技術(shù)上和產(chǎn)品工藝上都已比較成熟，在多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，如軍事武器、能源和工業(yè)等，也開始取代電滑環(huán)。
光纖滑環(huán)最初也是為了解決在軍事設(shè)備中活動連接部分信號傳輸問題而設(shè)計(jì)的，如雷達(dá)天線和基座之間的數(shù)據(jù)通信，無人駕駛車中瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和主控系統(tǒng)之間的通信等。由于光纖旋轉(zhuǎn)連接器具有重量輕、結(jié)構(gòu)小等優(yōu)點(diǎn)，在能源和工業(yè)自動化領(lǐng)域也開始得到應(yīng)用。在石油測井儀連軸中，加入光纖導(dǎo)電滑環(huán)，將測井傳感器的信號，通過光纖傳輸?shù)降孛娌杉刂葡到y(tǒng)中。

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