《一種雷射傳能系統》是中國航天科技集團公司第五研究院第五一三研究所於2013年12月4日申請的專利，該專利的公布號為CN103633924A，授權公布日為2014年3月12日，發明人是程坤、李振宇、邵飛、石德樂、馬宗峰、吳世臣、蔡卓燃、張建德、郭春輝、常中坤。
《一種雷射傳能系統》公開了一種雷射傳能系統。使用該發明能夠提高發射端與接收端之間的瞄準精度，提高光束接收端光強分布的均勻度，提高光電池光電轉換效率，從而有效提高傳能效率。該發明對能量接收端光電池進行設計，使得光電池組1能夠與光斑實時對準，保持較高的轉換效率，光電池組2與光電池組1經最佳功率跟蹤恆壓輸出單元後並聯輸出，減少了光斑邊緣光斑能量的損失，保證了最大轉換效率；並且通過相位控制陣列調整光束相位獲得均勻的光斑，通過光束控制器件控制光束指向，確保較高的光束瞄準精度，有效提供雷射傳能系統的傳能效率。
2020年7月14日，《一種雷射傳能系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種雷射傳能系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種雷射傳能系統
- 申請人：中國航天科技集團公司第五研究院第五一三研究所
- 申請日：2013年12月4日
- 申請號：2013106520217
- 公布號：CN103633924A
- 公布日：2014年3月12日
- 發明人：程坤、李振宇、邵飛、石德樂、馬宗峰、吳世臣、蔡卓燃、張建德、郭春輝、常中坤
- 地址：山東省煙臺市高新區航天路513號
- Int. Cl.：H02S10/00(2014.01)I、H02S40/20(2014.01)I
- 代理機構：北京理工大學專利中心
- 代理人：付雷傑、楊志兵
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
分離模組太空飛行器的能量模組太空飛行器與任務模組太空飛行器、發生地質災害氣象災害時的搶險救災設備、執行火山勘探任務的機器人、遠離基地不具備降落條件下的電力飛行器等，其工作運行環境不具備架設電纜供電的條件。雷射無線能量傳輸以雷射作為媒介，不用能源輸送線給特定環境下工作的目標機器提供能源支持，使其能夠順利完成被指定的任務，是為上述設備供能的關鍵手段，而雷射傳能技術的核心指標是電到電的轉化效率。2013年前的雷射傳能是直接用雷射器發射到光電池上，然而雷射光束為高斯光束，即中間能量高四周能量低，受光電池表面光束空間分布、光斑與光電池的瞄準精度、光電池光電轉換效率等影響，2013年之前的雷射傳能的轉化效率不高。
發明內容
專利目的
《一種雷射傳能系統》提供了一種雷射傳能系統，能夠提高發射端與接收端之間的瞄準精度，提高光束接收端光強分布的均勻度，提高光電池光電轉換效率，從而有效提高傳能效率。
技術方案
《一種雷射傳能系統》的雷射傳能系統，包括能量發射機和能量接收機，其中，能量發射機包括能量雷射器、準直鏡、發射端轉台、發射端轉台伺服單元、發射端主控計算機和發射端數據中繼單元；所述能量接收機包括光電轉換模組、接收端轉台、接收端轉台伺服單元、蓄能電池模組、接收端主控計算機和接收端數據中繼單元；
其中，準直鏡安裝在發射端轉台上，發射端轉台與發射端轉台伺服單元相連，發射端數據中繼單元分別與發射端轉台伺服單元和發射端主控計算機相連，能量雷射器分別與發射端主控計算機和準直鏡相連；光電轉換模組安裝在接收端轉台上，接收端轉台與接收端轉台伺服單元相連，蓄能電池模組分別與光電轉換模組和接收端主控計算機相連，接收端數據中繼單元分別與接收端主控計算機、接收端轉台伺服單元和光電轉換模組相連；能量發射機與能量接收機之間通過各自的數據中繼單元中的無線收發模組進行無線通信；
其中，所述光電轉換模組包括光電池，所述光電池由光電池組1和光電池組2組成，光電池組1由多個扇形和環扇形光電池串聯而成，布置在以光斑重疊區域中心為圓心的多個同心圓環上，其中，扇形光電池處於最里環，環扇形光電池放置在扇形光電池外圍，光電池組1剛好覆蓋光斑重疊區域；光電池組2由多個環扇形光電池並聯而成，布置在光電池組1外圍與光電池組1同心的圓環上，光電池組1和光電池組2覆蓋整個光斑；
所述蓄能電池模組包括電源管理模組和蓄能電池，其中，電源管理模組包括兩個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元和2個二極體，其中，2個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元的輸入端一對一分別連線光電池組1和光電池組2，兩個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元輸出端的正極通過二極體並聯後作為能源管理單元的輸出端的正極，兩個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元輸出端的地合併作為能源管理單元的輸出端的地。
其中，可在準直鏡前增加光束主動控制器件，光束主動控制器件包括相位控制陣列和光束控制器件，雷射光束通過準直鏡準直後照射在相位控制陣列上，經相位控制陣列調整光束相位後照射在光束控制器件，光束控制器件調整光束出射方向後將光束髮射出去。
準直鏡也可以由若干個準直鏡捆綁而成，在每個準直鏡內部設有相位控制模組和光束控制模組；其中，相位控制模組用來控制光束相位，實現光束的非相干或相干合成；光束控制模組用來控制光束的出射方向，使得光電池表面獲得光強分布均勻的光斑並提高瞄準精度。
所述發射端數據中繼單元包括位姿感測器、相位控制器、光束控制器、接口模組和無線收發模組；所述發射端轉台上還安裝有目標探測模組；所述光電池板上還安裝有LED指示燈；光電轉換模組還包括溫度感測器和電壓感測器；所述接收端數據中繼單元包括無線收發模組、採樣電路、LED驅動、位置感測器和接口模組；
其中，發射端數據中繼單元中，接口模組與位姿感測器、相位控制器、光束控制器、無線收發模組、發射端主控計算機和目標探測模組相連，位姿感測器用於測量能量發射機的位置、姿態；相位控制器與光束控制器用於控制光束的相位和指向；目標探測模組用於探測能量接收機上的LED指示燈；接收端數據中繼模組中的接口模組與無線收發模組、採樣電路、LED驅動、位置感測器和接收端主控計算機連線，採樣電路與光電轉換模組中的溫度感測器、電壓感測器連線，用於採集光電池的溫度、電壓；LED驅動與LED指示燈連線，驅動LED指示燈亮起。
有益效果
（1）《一種雷射傳能系統》對能量接收端光電池進行設計，使得光電池組1能夠與光斑實時對準，保持較高的轉換效率，光電池組1中的光電池串聯提高光電池組1的輸出電壓；光電池組2與光電池組1經最佳功率跟蹤恆壓輸出單元後並聯輸出，減少了光斑邊緣光斑能量的損失，保證了最大轉換效率。光電池組2中的光電池並聯，避免光照偏離時降低光電池組2的輸出電壓。《一種雷射傳能系統》的光電池具有較高的轉換效率，可有效提高傳能系統的轉化效率。
（2）《一種雷射傳能系統》利用準直鏡對能量雷射器發出的雷射進行壓縮；採用相位控制陣列對入射雷射束的波前相位通過電編程控制在設定方向上進行波束合成從而形成所需波形，該技術具有精度高、速度快、體積小、操作靈活、功耗低、質量輕等優點，通過相位控制能夠在不同的傳輸距離上獲得均勻的光斑，保證較高的光電轉換效率；採用光束控制器件控制光束指向，確保較高的光束瞄準精度，減少光斑與光電池片的偏離量，使更多的雷射能量入射到電池偏上，進一步提高傳能效率。
（3）《一種雷射傳能系統》通過轉台進行俯仰、方位的角度調整，實現光學發射天線對光電池的捕獲和跟蹤，再通過相位控制陣列調整光束相位使得光束能量均勻，並通過光束控制器件調整光束髮射方向，實現精確瞄準，提高傳能系統的轉換效率。
（4）《一種雷射傳能系統》的能量雷射器可以由多束或多個雷射模組發出的光束獨立發射，在接收端合成。多路發射可以提高輸出光束功率的同時避免光學元件損傷；此外，還可以實現遠距離傳能。
附圖說明
圖1為雷射傳能系統構成圖。
圖2為單路發射天線示意圖。
圖3為多路發射天線示意圖。
圖4為光電池分布示意圖。
圖5為光電池模組電路示意圖。
技術領域
《一種雷射傳能系統》涉及能量無線傳輸技術領域，具體涉及一種雷射傳能系統。
權利要求
1.一種雷射傳能系統，包括能量發射機和能量接收機，其特徵在於，所述能量發射機包括能量雷射器、準直鏡、發射端轉台、發射端轉台伺服單元、發射端主控計算機和發射端數據中繼單元；所述能量接收機包括光電轉換模組、接收端轉台、接收端轉台伺服單元、蓄能電池模組、接收端主控計算機和接收端數據中繼單元；
其中，準直鏡安裝在發射端轉台上，發射端轉台與發射端轉台伺服單元相連，發射端數據中繼單元分別與發射端轉台伺服單元和發射端主控計算機相連，能量雷射器分別與發射端主控計算機和準直鏡相連；光電轉換模組安裝在接收端轉台上，接收端轉台與接收端轉台伺服單元相連，蓄能電池模組分別與光電轉換模組和接收端主控計算機相連，接收端數據中繼單元分別與接收端主控計算機、接收端轉台伺服單元和光電轉換模組相連；能量發射機與能量接收機之間通過各自的數據中繼單元中的無線收發模組進行無線通信；
其中，所述光電轉換模組包括光電池，所述光電池由光電池組1和光電池組2組成，光電池組1由多個扇形和環扇形光電池串聯而成，布置在以光斑重疊區域中心為圓心的多個同心圓環上，其中，扇形光電池處於最里環，環扇形光電池放置在扇形光電池外圍，光電池組1剛好覆蓋光斑重疊區域；光電池組2由多個環扇形光電池並聯而成，布置在光電池組1外圍與光電池組1同心的圓環上，光電池組1和光電池組2覆蓋整個光斑；
所述蓄能電池模組包括電源管理模組和蓄能電池，其中，電源管理模組包括兩個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元和2個二極體，其中，2個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元的輸入端一對一分別連線光電池組1和光電池組2，兩個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元輸出端的正極通過二極體並聯後作為能源管理單元的輸出端的正極，兩個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元輸出端的地合併作為能源管理單元的輸出端的地。
2.如權利要求1所述的雷射傳能系統，其特徵在於，在準直鏡前增加光束主動控制器件，光束主動控制器件包括相位控制陣列和光束控制器件，雷射光束通過準直鏡準直後照射在相位控制陣列上，經相位控制陣列調整光束相位後照射在光束控制器件，光束控制器件調整光束出射方向後將光束髮射出去。
3.如權利要求1所述的雷射傳能系統，其特徵在於，所述準直鏡由若干個準直鏡捆綁而成，在每個準直鏡內部設有相位控制模組和光束控制模組；其中，相位控制模組用來控制光束相位，實現光束的非相干或相干合成；光束控制模組用來控制光束的出射方向，使得光電池表面獲得光強分布均勻的光斑。
4.如權利要求2或3所述的雷射傳能系統，其特徵在於，所述發射端數據中繼單元包括位姿感測器、相位控制器、光束控制器、接口模組和無線收發模組；所述發射端轉台上還安裝有目標探測模組；所述光電池板上還安裝有LED指示燈；光電轉換模組還包括溫度感測器和電壓感測器；所述接收端數據中繼單元包括無線收發模組、採樣電路、LED驅動、位置感測器和接口模組；
其中，發射端數據中繼單元中，接口模組與位姿感測器、相位控制器、光束控制器、無線收發模組、發射端主控計算機和目標探測模組相連，位姿感測器用於測量能量發射機的位置、姿態；相位控制器與光束控制器用於控制光束的相位和指向；目標探測模組用於探測能量接收機上的LED指示燈；接收端數據中繼模組中的接口模組與無線收發模組、採樣電路、LED驅動、位置感測器和接收端主控計算機連線，採樣電路與光電轉換模組中的溫度感測器、電壓感測器連線，用於採集光電池的溫度、電壓；LED驅動與LED指示燈連線，驅動LED指示燈亮起。
實施方式
《一種雷射傳能系統》提供了一種雷射傳能系統，如圖1所示，主要由能量發射機和能量接收機組成。其中，能量發射機包括能量雷射器、準直鏡、發射端轉台、發射端轉台伺服單元、發射端主控計算機和發射端數據中繼單元；能量接收機包括光電轉換模組、接收端轉台、接收端轉台伺服單元、蓄能電池模組、接收端主控計算機和接收端數據中繼單元。
其中，準直鏡安裝在發射端轉台上，發射端轉台與發射端轉台伺服單元相連，發射端數據中繼單元分別與發射端轉台伺服單元和發射端主控計算機相連，能量雷射器分別與發射端主控計算機和準直鏡相連；光電轉換模組安裝在接收端轉台上，接收端轉台與接收端轉台伺服單元相連，蓄能電池模組分別與光電轉換模組和接收端主控計算機相連，接收端數據中繼單元分別與接收端主控計算機、接收端轉台伺服單元和光電轉換模組相連；能量發射機與能量接收機之間通過各自的數據中繼單元中的無線收發模組進行無線通信。
其中，能量雷射器為光學發射天線提供穩定、高質量的能量光束。準直鏡，即小望遠鏡單元，用來將雷射光束壓縮後發射出去。發射端和接收端的轉台能夠實現方位、俯仰方向轉動，使得光學發射天線指向光電池。發射端和接收端的轉台伺服單元分別控制發射端和接收端的轉台運動。發射端轉台上還安裝有目標探測模組，用於探測能量接收機。
發射端數據中繼單元包括位姿感測器、相位控制器、光束控制器、接口模組和無線收發模組，將位姿感測器測得的能量發射機位置和姿態數據、光束的相位和指向控制指令、發射端轉台的位置和角度數據、無線收發模組接收的數據通過接口模組與發射端主控計算機之間進行通信。接口模組還與目標探測模組連線。
發射端主控計算機監控能量雷射器的溫度，並通過發射端數據中繼單元獲知準直鏡的位置姿態，通過發射端數據中繼單元及轉台伺服單元控制轉台運動，從而實現準直鏡對光電池的瞄準、捕獲和跟蹤，並能根據能量發射機與能量接收機之間的相對距離控制光束相位實現光電池表面均勻輻照。
光電轉換模組安裝在接收端轉台上，用於接收能量發射及發射的雷射並轉化成電能。在光電池板上安裝LED指示燈。蓄能電池模組包括點電源管理模組和蓄能電池，用於接收並存儲光電池轉化的電能。
接收端數據中繼單元包括無線收發模組、採樣電路、LED驅動、位置感測器和接口模組，用於將測量獲得的能量發射機的位置、光電池的溫度及電壓、能量發射機的無線通信數據、LED指示燈的狀態數據等通過接口數據與接收端主控計算機進行通信。接收端主控計算機對光電池和蓄能電池的工作狀態進行檢測和控制。
其中，能量雷射器輸出的光束具有一定的發散角，在遠距離傳輸的情況下為了減小能量接收端光斑口徑，應儘量減小光束的發散角，而準直鏡可有效壓縮光束的發散角。雷射光束可以採用單路的方式，也可以採用多路合成的方式。
雷射器發出的雷射束的空間強度分布呈高斯分布，即中間高四周低。光照不均勻時，光電池的光電流由串聯的光電池片中光強最弱的電池片決定，從而影響光電池的光電轉換轉率。此外，光束瞄準過程中部分光斑脫靶，在光電池表面形成暗區，暗區光電池發熱產生“熱斑”，熱斑溫度超過一定極限會使電池片上的焊點熔化並損壞柵線，從而導致光電池損壞。需採取光束整形措施提高光強空間均勻性。該發明在準直器後增加光束主動控制器件進行光束整形，提高瞄準精度。其中，光束主動控制器件包括相位控制陣列和光束控制器件，相位控制陣列根據發射端中繼單元中的相位控制器指令控制光束各點的相位對光束空間進行整形，實現不同傳能距離處的均勻輻照，光束控制器件根據發射端中繼單元中的光束控制器指令調整光束的指向，實現精確瞄準。雷射光束通過準直鏡壓縮後照射在相位控制陣列上，經相位控制陣列調整光束相位後照射在光束控制器件，再經光束控制器件調整光束指向將光束反射出去，如圖2所示。
單路發射，結構簡單，控制容易實現，但單路輸出雷射功率過高時，容易對光學系統造成損傷，可以將單個模組的輸出雷射分成多束或多個雷射模組發出的光束獨立發射，在接收端合成，根據傳能距離可以為非相干合成或相干合成。多路發射天線如圖3所示。多路發射具有兩方面的優勢：一方面，提高輸出光束功率並且避免光學元件損傷；另一方面可以實現遠距離傳能。對於分離模組航天間相距100m-1000m的傳能，可以採用非相干合成。非相干合成對單元雷射束的相位、譜寬和偏振態等沒有任何要求，只需針對各光束設計獨立的光束控制器件並將它們定向至指定的目標。
對於多路發射，光束髮射是由若干個準直鏡捆綁在一起實現的，如圖3所示，在每個準直鏡內部都有相位控制模組和光束控制模組。其中，相位控制模組根據發射端中繼單元中的相位控制器指令控制光束相位，實現光束的非相干或相干合成；光束控制模組根據發射端中繼單元中的光束控制器指令控制光束的出射方向，使得光電池表面獲得光強分布均勻的光斑並提高瞄準精度。
發射端主控計算機控制發射端轉台的運動帶動準直鏡運動，實現粗瞄，然後，控制相位控制陣列和光束控制器件，實現光斑整形和精確瞄準。
光電池是影響傳能效率的另一重要因素，該發明對光電池排布進行了設計。單個電池片的輸出電壓通常不能滿足負載工作電壓的需求，通常情況下，需要通過多個電池片串聯提高輸出電壓。多個電池片串聯具有以下優點，如光電池總體尺寸減小、利於光電池電子電路的集成、良好的熱管理和互連的串聯電阻的最小化等。但是，若每個串聯的轉換器收到的光功率密度不同，則將有可能造成失配損耗，從而降低效率。只有當光斑均勻覆蓋並且光斑尺寸與串聯電池片匹配時，光損耗最小。
為將失配損耗降至最小，對光電池排布進行最佳化設計。由於接收端光斑分布為圓形，為提高光斑能量利用率，將光電池整體布置為與光斑形狀大小相匹配的圓形。考慮到發射端與接收端存在瞄準誤差，光斑與光電池存在對準失配，若直接用與光斑尺寸相當的光電池接收雷射能量，光電轉化效率會較低。因此，對光斑運動軌跡進行統計，在光斑中心重疊區域處由光電池組1接收光束並轉換成電能，其中，光電池組1由多個扇形和環扇形光電池串聯而成，光電池為扇形或環扇形，分別布置在以光斑中心為圓心的多個同心圓環上，其中，扇形光電池處於最里環，環扇形光電池放置在扇形光電池外圍，光電池組1剛好覆蓋光斑重疊區域，能夠保證與光斑實時對準，保持較高的轉換效率。在偏離機率較大的光斑重合外區域由光電池組2接收光束並轉換成電能，光電池組2由多個環扇形光電池並聯而成，布置在光電池組1外圍與光電池組1同心的圓環上。
光電池模組通過能量管理單元與蓄能電池模組的相連，光電池模組包含兩個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元和2個二極體，其中，2個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元的輸入端的正極和地一對一分別連線光電池組1和光電池組2的正極和地，兩個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元輸出端的正極通過二極體並聯後作為光電池模組的輸出端的正極，兩個最佳功率跟蹤恆壓輸出單元輸出端的地合併作為光電池模組的輸出端的地。光電池模組電路示意圖如圖5所示。其中，最佳功率跟蹤恆壓輸出單元是根據光照條件、溫度及負載的變化，改變光電池組的輸出功率，使其工作在最大功率點上。最大功率點跟蹤（MPPT）的實現實際上是一個自尋優過程，通過對光電池組當前輸出電壓與電流的檢測，得到當前光電池組輸出功率，再與已被存儲的前一時刻光電池組功率相比較，舍小存大，再檢測，再比較，如此不停地周而復始，便可使光電池組動態地工作在最大功率點上。
《一種雷射傳能系統》的傳能系統工作流程如下：
當能量發射機接收到能量接收機能源不足或收到強制充電的信號時，能量發射機測量發射端轉台位置信息及方向姿態信息，並通過無線收發模組將發射端轉台的位置信息以及時間同步信息傳遞給能量接收機；能量接收機通過無線收發模組將光電池的位置信息以及時間同步信息傳遞給能量發射機；能量發射機利用本身的位置和姿態信息以及能量接收機的位置信息計算獲得能量接收機相對於能量發射機的角度位置，控制發射端轉台指向能量接收機，並準備對目標區域進行掃描，同時，能量接收機利用本身的位置和姿態數據以及能量發射機位置信息計算能量發射機相對於能量接收機的位置，使光電池指向發射機；能量接收機開啟位於接收光電池板上的LED指示燈，該指示燈光將入射帶有濾光片的發射端觀測視場（CCD），並成灰度像；能量發射機控制發射端轉台對目標區域進行掃描，直至電池板LED指示燈在能量發射機接收光路觀測視場中成像；啟動光束主動控制器件，提高瞄準精度；能量接收機開啟位於光電池板上的電壓和溫度感測器，對光電池的充電電壓進行測量，以利於蓄能電池工作，同時測量光電池板及附近區域溫度，確保充電過程中的熱量不會造成設備損壞。
在瞄準對中結束後，可以通過星務系統（上位機）開啟發射機能量雷射器，並根據能量接收機與能量發射機的相對位置信息計算相位控制陣列的驅動電壓，通過施加驅動電壓控制光束的相位使光斑光強空間分布均勻化。或通過控制多路光束中每路光束的相位以及偏轉角度，實現均勻輻照。光電池接收雷射輻照，充電過程開始。此時能量接收機查詢讀取光電池板的電壓和溫度數據，當溫度超過閾值時，向能量發射機傳送關閉能量雷射器的中斷指令；由蓄能電池檢測鋰電池的充電狀態，確定是否充電完成，充電完畢後，能量接收機向能量發射機傳送停止充電指令，能量發射機向能量接收機傳送確認信號後，能量接收機及能量發射機進行關機操作。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種雷射傳能系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
