CN103633924B - 一种激光传能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光传能系统。使用本发明能够提高发射端与接收端之间的瞄准精度，提高光束接收端光强分布的均匀度，提高光电池光电转换效率，从而有效提高传能效率。本发明对能量接收端光电池进行设计，使得光电池组1能够与光斑实时对准，保持较高的转换效率，光电池组2与光电池组1经最佳功率跟踪恒压输出单元后并联输出，减少了光斑边缘光斑能量的损失，保证了最大转换效率；并且通过相位控制阵列调整光束相位获得均匀的光斑，通过光束控制器件控制光束指向，确保较高的光束瞄准精度，有效提供激光传能系统的传能效率。

Description

一种激光传能系统

技术领域

本发明涉及能量无线传输技术领域，具体涉及一种激光传能系统。

背景技术

分离模块航天器的能量模块航天器与任务模块航天器、发生地质灾害气象灾害时的抢险救灾设备、执行火山勘探任务的机器人、远离基地不具备降落条件下的电力飞行器等，其工作运行环境不具备架设电缆供电的条件。激光无线能量传输以激光作为媒介，不用能源输送线给特定环境下工作的目标机器提供能源支持，使其能够顺利完成被指定的任务，是为上述设备供能的关键手段，而激光传能技术的核心指标是电到电的转化效率。目前的激光传能是直接用激光器发射到光电池上，然而激光光束为高斯光束，即中间能量高四周能量低，受光电池表面光束空间分布、光斑与光电池的瞄准精度、光电池光电转换效率等影响，现有激光传能的转化效率不高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激光传能系统，能够提高发射端与接收端之间的瞄准精度，提高光束接收端光强分布的均匀度，提高光电池光电转换效率，从而有效提高传能效率。

本发明的激光传能系统，包括能量发射机和能量接收机，其中，能量发射机包括能量激光器、准直镜、发射端转台、发射端转台伺服单元、发射端主控计算机和发射端数据中继单元；所述能量接收机包括光电转换模块、接收端转台、接收端转台伺服单元、蓄能电池模块、接收端主控计算机和接收端数据中继单元；

其中，准直镜安装在发射端转台上，发射端转台与发射端转台伺服单元相连，发射端数据中继单元分别与发射端转台伺服单元和发射端主控计算机相连，能量激光器分别与发射端主控计算机和准直镜相连；光电转换模块安装在接收端转台上，接收端转台与接收端转台伺服单元相连，蓄能电池模块分别与光电转换模块和接收端主控计算机相连，接收端数据中继单元分别与接收端主控计算机、接收端转台伺服单元和光电转换模块相连；能量发射机与能量接收机之间通过各自的数据中继单元中的无线收发模块进行无线通信；

其中，所述光电转换模块包括光电池，所述光电池由光电池组1和光电池组2组成，光电池组1由多个扇形和环扇形光电池串联而成，布置在以光斑重叠区域中心为圆心的多个同心圆环上，其中，扇形光电池处于最里环，环扇形光电池放置在扇形光电池外围，光电池组1刚好覆盖光斑重叠区域；光电池组2由多个环扇形光电池并联而成，布置在光电池组1外围与光电池组1同心的圆环上，光电池组1和光电池组2覆盖整个光斑；

所述蓄能电池模块包括电源管理模块和蓄能电池，其中，电源管理模块包括两个最佳功率跟踪恒压输出单元和2个二极管，其中，2个最佳功率跟踪恒压输出单元的输入端一对一分别连接光电池组1和光电池组2，两个最佳功率跟踪恒压输出单元输出端的正极通过二极管并联后作为能源管理单元的输出端的正极，两个最佳功率跟踪恒压输出单元输出端的地合并作为能源管理单元的输出端的地。

其中，可在准直镜前增加光束主动控制器件，光束主动控制器件包括相位控制阵列和光束控制器件，激光光束通过准直镜准直后照射在相位控制阵列上，经相位控制阵列调整光束相位后照射在光束控制器件，光束控制器件调整光束出射方向后将光束发射出去。

准直镜也可以由若干个准直镜捆绑而成，在每个准直镜内部设有相位控制模块和光束控制模块；其中，相位控制模块用来控制光束相位，实现光束的非相干或相干合成；光束控制模块用来控制光束的出射方向，使得光电池表面获得光强分布均匀的光斑并提高瞄准精度。

所述发射端数据中继单元包括位姿传感器、相位控制器、光束控制器、接口模块和无线收发模块；所述发射端转台上还安装有目标探测模块；所述光电池板上还安装有LED指示灯；光电转换模块还包括温度传感器和电压传感器；所述接收端数据中继单元包括无线收发模块、采样电路、LED驱动、位置传感器和接口模块；

其中，发射端数据中继单元中，接口模块与位姿传感器、相位控制器、光束控制器、无线收发模块、发射端主控计算机和目标探测模块相连，位姿传感器用于测量能量发射机的位置、姿态；相位控制器与光束控制器用于控制光束的相位和指向；目标探测模块用于探测能量接收机上的LED指示灯；接收端数据中继模块中的接口模块与无线收发模块、采样电路、LED驱动、位置传感器和接收端主控计算机连接，采样电路与光电转换模块中的温度传感器、电压传感器连接，用于采集光电池的温度、电压；LED驱动与LED指示灯连接，驱动LED指示灯亮起。

有益效果：

（1）本发明对能量接收端光电池进行设计，使得光电池组1能够与光斑实时对准，保持较高的转换效率，光电池组1中的光电池串联提高光电池组1的输出电压；光电池组2与光电池组1经最佳功率跟踪恒压输出单元后并联输出，减少了光斑边缘光斑能量的损失，保证了最大转换效率。光电池组2中的光电池并联，避免光照偏离时降低光电池组2的输出电压。本发明的光电池具有较高的转换效率，可有效提高传能系统的转化效率。

（2）本发明利用准直镜对能量激光器发出的激光进行压缩；采用相位控制阵列对入射激光束的波前相位通过电编程控制在设定方向上进行波束合成从而形成所需波形，该技术具有精度高、速度快、体积小、操作灵活、功耗低、质量轻等优点，通过相位控制能够在不同的传输距离上获得均匀的光斑，保证较高的光电转换效率；采用光束控制器件控制光束指向，确保较高的光束瞄准精度，减少光斑与光电池片的偏离量，使更多的激光能量入射到电池偏上，进一步提高传能效率。

（3）本发明通过转台进行俯仰、方位的角度调整，实现光学发射天线对光电池的捕获和跟踪，再通过相位控制阵列调整光束相位使得光束能量均匀，并通过光束控制器件调整光束发射方向，实现精确瞄准，提高传能系统的转换效率。

（4）本发明的能量激光器可以由多束或多个激光模块发出的光束独立发射，在接收端合成。多路发射可以提高输出光束功率的同时避免光学元件损伤；此外，还可以实现远距离传能。

附图说明

图1为激光传能系统构成图。

图2为单路发射天线示意图。

图3为多路发射天线示意图。

图4为光电池分布示意图。

图5为光电池模块电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种激光传能系统，如图1所示，主要由能量发射机和能量接收机组成。其中，能量发射机包括能量激光器、准直镜、发射端转台、发射端转台伺服单元、发射端主控计算机和发射端数据中继单元；能量接收机包括光电转换模块、接收端转台、接收端转台伺服单元、蓄能电池模块、接收端主控计算机和接收端数据中继单元。

其中，准直镜安装在发射端转台上，发射端转台与发射端转台伺服单元相连，发射端数据中继单元分别与发射端转台伺服单元和发射端主控计算机相连，能量激光器分别与发射端主控计算机和准直镜相连；光电转换模块安装在接收端转台上，接收端转台与接收端转台伺服单元相连，蓄能电池模块分别与光电转换模块和接收端主控计算机相连，接收端数据中继单元分别与接收端主控计算机、接收端转台伺服单元和光电转换模块相连；能量发射机与能量接收机之间通过各自的数据中继单元中的无线收发模块进行无线通信。

其中，能量激光器为光学发射天线提供稳定、高质量的能量光束。

准直镜，即小望远镜单元，用来将激光光束压缩后发射出去。

发射端和接收端的转台能够实现方位、俯仰方向转动，使得光学发射天线指向光电池。发射端和接收端的转台伺服单元分别控制发射端和接收端的转台运动。

发射端转台上还安装有目标探测模块，用于探测能量接收机。

发射端数据中继单元包括位姿传感器、相位控制器、光束控制器、接口模块和无线收发模块，将位姿传感器测得的能量发射机位置和姿态数据、光束的相位和指向控制指令、发射端转台的位置和角度数据、无线收发模块接收的数据通过接口模块与发射端主控计算机之间进行通信。接口模块还与目标探测模块连接。

发射端主控计算机监控能量激光器的温度，并通过发射端数据中继单元获知准直镜的位置姿态，通过发射端数据中继单元及转台伺服单元控制转台运动，从而实现准直镜对光电池的瞄准、捕获和跟踪，并能根据能量发射机与能量接收机之间的相对距离控制光束相位实现光电池表面均匀辐照。

光电转换模块安装在接收端转台上，用于接收能量发射及发射的激光并转化成电能。在光电池板上安装LED指示灯。

蓄能电池模块包括点电源管理模块和蓄能电池，用于接收并存储光电池转化的电能。

接收端数据中继单元包括无线收发模块、采样电路、LED驱动、位置传感器和接口模块，用于将测量获得的能量发射机的位置、光电池的温度及电压、能量发射机的无线通信数据、LED指示灯的状态数据等通过接口数据与接收端主控计算机进行通信。

接收端主控计算机对光电池和蓄能电池的工作状态进行检测和控制。

其中，能量激光器输出的光束具有一定的发散角，在远距离传输的情况下为了减小能量接收端光斑口径，应尽量减小光束的发散角，而准直镜可有效压缩光束的发散角。激光光束可以采用单路的方式，也可以采用多路合成的方式。

激光器发出的激光束的空间强度分布呈高斯分布，即中间高四周低。光照不均匀时，光电池的光电流由串联的光电池片中光强最弱的电池片决定，从而影响光电池的光电转换转率。此外，光束瞄准过程中部分光斑脱靶，在光电池表面形成暗区，暗区光电池发热产生“热斑”，热斑温度超过一定极限会使电池片上的焊点熔化并损坏栅线，从而导致光电池损坏。需采取光束整形措施提高光强空间均匀性。本发明在准直器后增加光束主动控制器件进行光束整形，提高瞄准精度。其中，光束主动控制器件包括相位控制阵列和光束控制器件，相位控制阵列根据发射端中继单元中的相位控制器指令控制光束各点的相位对光束空间进行整形，实现不同传能距离处的均匀辐照，光束控制器件根据发射端中继单元中的光束控制器指令调整光束的指向，实现精确瞄准。激光光束通过准直镜压缩后照射在相位控制阵列上，经相位控制阵列调整光束相位后照射在光束控制器件，再经光束控制器件调整光束指向将光束反射出去，如图2所示。

单路发射，结构简单，控制容易实现，但单路输出激光功率过高时，容易对光学系统造成损伤，可以将单个模块的输出激光分成多束或多个激光模块发出的光束独立发射，在接收端合成，根据传能距离可以为非相干合成或相干合成。多路发射天线如图3所示。多路发射具有两方面的优势：一方面，提高输出光束功率并且避免光学元件损伤；另一方面可以实现远距离传能。对于分离模块航天间相距100m-1000m的传能，可以采用非相干合成。非相干合成对单元激光束的相位、谱宽和偏振态等没有任何要求，只需针对各光束设计独立的光束控制器件并将它们定向至指定的目标。

对于多路发射，光束发射是由若干个准直镜捆绑在一起实现的，如图3所示，在每个准直镜内部都有相位控制模块和光束控制模块。其中，相位控制模块根据发射端中继单元中的相位控制器指令控制光束相位，实现光束的非相干或相干合成；光束控制模块根据发射端中继单元中的光束控制器指令控制光束的出射方向，使得光电池表面获得光强分布均匀的光斑并提高瞄准精度。

发射端主控计算机控制发射端转台的运动带动准直镜运动，实现粗瞄，然后，控制相位控制阵列和光束控制器件，实现光斑整形和精确瞄准。

光电池是影响传能效率的另一重要因素，本发明对光电池排布进行了设计。单个电池片的输出电压通常不能满足负载工作电压的需求，通常情况下，需要通过多个电池片串联提高输出电压。多个电池片串联具有以下优点，如光电池总体尺寸减小、利于光电池电子电路的集成、良好的热管理和互连的串联电阻的最小化等。但是，若每个串联的转换器收到的光功率密度不同，则将有可能造成失配损耗，从而降低效率。只有当光斑均匀覆盖并且光斑尺寸与串联电池片匹配时，光损耗最小。

为将失配损耗降至最小，对光电池排布进行优化设计。由于接收端光斑分布为圆形，为提高光斑能量利用率，将光电池整体布置为与光斑形状大小相匹配的圆形。考虑到发射端与接收端存在瞄准误差，光斑与光电池存在对准失配，若直接用与光斑尺寸相当的光电池接收激光能量，光电转化效率会较低。因此，对光斑运动轨迹进行统计，在光斑中心重叠区域处由光电池组1接收光束并转换成电能，其中，光电池组1由多个扇形和环扇形光电池串联而成，光电池为扇形或环扇形，分别布置在以光斑中心为圆心的多个同心圆环上，其中，扇形光电池处于最里环，环扇形光电池放置在扇形光电池外围，光电池组1刚好覆盖光斑重叠区域，能够保证与光斑实时对准，保持较高的转换效率。在偏离概率较大的光斑重合外区域由光电池组2接收光束并转换成电能，光电池组2由多个环扇形光电池并联而成，布置在光电池组1外围与光电池组1同心的圆环上。

光电池模块通过能量管理单元与蓄能电池模块的相连，光电池模块包含两个最佳功率跟踪恒压输出单元和2个二极管，其中，2个最佳功率跟踪恒压输出单元的输入端的正极和地一对一分别连接光电池组1和光电池组2的正极和地，两个最佳功率跟踪恒压输出单元输出端的正极通过二极管并联后作为光电池模块的输出端的正极，两个最佳功率跟踪恒压输出单元输出端的地合并作为光电池模块的输出端的地。光电池模块电路示意图如图5所示。其中，最佳功率跟踪恒压输出单元是根据光照条件、温度及负载的变化，改变光电池组的输出功率，使其工作在最大功率点上。最大功率点跟踪（MPPT）的实现实际上是一个自寻优过程，通过对光电池组当前输出电压与电流的检测，得到当前光电池组输出功率，再与已被存储的前一时刻光电池组功率相比较，舍小存大，再检测，再比较，如此不停地周而复始，便可使光电池组动态地工作在最大功率点上。

本发明的传能系统工作流程如下：

当能量发射机接收到能量接收机能源不足或收到强制充电的信号时，能量发射机测量发射端转台位置信息及方向姿态信息，并通过无线收发模块将发射端转台的位置信息以及时间同步信息传递给能量接收机；能量接收机通过无线收发模块将光电池的位置信息以及时间同步信息传递给能量发射机；能量发射机利用本身的位置和姿态信息以及能量接收机的位置信息计算获得能量接收机相对于能量发射机的角度位置，控制发射端转台指向能量接收机，并准备对目标区域进行扫描，同时，能量接收机利用本身的位置和姿态数据以及能量发射机位置信息计算能量发射机相对于能量接收机的位置，使光电池指向发射机；能量接收机开启位于接收光电池板上的LED指示灯，该指示灯光将入射带有滤光片的发射端观测视场（CCD），并成灰度像；能量发射机控制发射端转台对目标区域进行扫描，直至电池板LED指示灯在能量发射机接收光路观测视场中成像；启动光束主动控制器件，提高瞄准精度；能量接收机开启位于光电池板上的电压和温度传感器，对光电池的充电电压进行测量，以利于蓄能电池工作，同时测量光电池板及附近区域温度，确保充电过程中的热量不会造成设备损坏。

在瞄准对中结束后，可以通过星务系统（上位机）开启发射机能量激光器，并根据能量接收机与能量发射机的相对位置信息计算相位控制阵列的驱动电压，通过施加驱动电压控制光束的相位使光斑光强空间分布均匀化。或通过控制多路光束中每路光束的相位以及偏转角度，实现均匀辐照。光电池接收激光辐照，充电过程开始。此时能量接收机查询读取光电池板的电压和温度数据，当温度超过阈值时，向能量发射机发送关闭能量激光器的中断指令；由蓄能电池检测锂电池的充电状态，确定是否充电完成，充电完毕后，能量接收机向能量发射机发送停止充电指令，能量发射机向能量接收机发送确认信号后，能量接收机及能量发射机进行关机操作。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种激光传能系统，包括能量发射机和能量接收机，其特征在于，所述能量发射机包括能量激光器、准直镜、发射端转台、发射端转台伺服单元、发射端主控计算机和发射端数据中继单元；所述能量接收机包括光电转换模块、接收端转台、接收端转台伺服单元、蓄能电池模块、接收端主控计算机和接收端数据中继单元；

其中，准直镜安装在发射端转台上，发射端转台与发射端转台伺服单元相连，发射端数据中继单元分别与发射端转台伺服单元和发射端主控计算机相连，能量激光器分别与发射端主控计算机和准直镜相连；光电转换模块安装在接收端转台上，接收端转台与接收端转台伺服单元相连，蓄能电池模块分别与光电转换模块和接收端主控计算机相连，接收端数据中继单元分别与接收端主控计算机、接收端转台伺服单元和光电转换模块相连；能量发射机与能量接收机之间通过各自的数据中继单元中的无线收发模块进行无线通信；

其中，所述光电转换模块包括光电池，所述光电池由第一光电池组和第二光电池组组成，第一光电池组由多个扇形和环扇形光电池串联而成，布置在以光斑重叠区域中心为圆心的多个同心圆环上，其中，扇形光电池处于最里环，环扇形光电池放置在扇形光电池外围，第一光电池组刚好覆盖光斑重叠区域；第二光电池组由多个环扇形光电池并联而成，布置在第一光电池组外围与第一光电池组同心的圆环上，第一光电池组和第二光电池组覆盖整个光斑；

所述蓄能电池模块包括电源管理模块和蓄能电池，其中，电源管理模块包括两个最佳功率跟踪恒压输出单元和2个二极管，其中，2个最佳功率跟踪恒压输出单元的输入端一对一分别连接第一光电池组和第二光电池组，两个最佳功率跟踪恒压输出单元输出端的正极通过二极管并联后作为能源管理单元的输出端的正极，两个最佳功率跟踪恒压输出单元输出端的地合并作为能源管理单元的输出端的地。

2.如权利要求1所述的激光传能系统，其特征在于，在准直镜前增加光束主动控制器件，光束主动控制器件包括相位控制阵列和光束控制器件，激光光束通过准直镜准直后照射在相位控制阵列上，经相位控制阵列调整光束相位后照射在光束控制器件，光束控制器件调整光束出射方向后将光束发射出去。

3.如权利要求1所述的激光传能系统，其特征在于，所述准直镜由若干个准直镜捆绑而成，在每个准直镜内部设有相位控制模块和光束控制模块；其中，相位控制模块用来控制光束相位，实现光束的非相干或相干合成；光束控制模块用来控制光束的出射方向，使得光电池表面获得光强分布均匀的光斑。

4.如权利要求2或3所述的激光传能系统，其特征在于，所述发射端数据中继单元包括位姿传感器、相位控制器、光束控制器、接口模块和无线收发模块；所述发射端转台上还安装有目标探测模块；光电池板上还安装有LED指示灯；光电转换模块还包括温度传感器和电压传感器；所述接收端数据中继单元包括无线收发模块、采样电路、LED驱动、位置传感器和接口模块；

其中，发射端数据中继单元中，接口模块与位姿传感器、相位控制器、光束控制器、无线收发模块、发射端主控计算机和目标探测模块相连，位姿传感器用于测量能量发射机的位置、姿态；相位控制器与光束控制器用于控制光束的相位和指向；目标探测模块用于探测能量接收机上的LED指示灯；接收端数据中继模块中的接口模块与无线收发模块、采样电路、LED驱动、位置传感器和接收端主控计算机连接，采样电路与光电转换模块中的温度传感器、电压传感器连接，用于采集光电池的温度、电压；LED驱动与LED指示灯连接，驱动LED指示灯亮起。