高效率遠距離激光無線能量傳輸方案設(shè)計

程坤 董昊 蔡卓燃 于閎飛

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺 264670）

1 引言

在分離模塊航天器中能量模塊航天器（RV）與任務(wù)模塊航天器（MV）工作運行環(huán)境不具備架設(shè)電纜供電的條件。激光無線能量傳輸以激光作為媒介，無需能源輸送線即可給特定環(huán)境下工作的目標機器提供能源支持。激光傳能技術(shù)的核心指標是電到電的轉(zhuǎn)化效率［1-2］。目前的激光傳能是直接用激光器發(fā)射到光電池上，由于激光光束為高斯光束（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(zhuǎn)換效率等影響，因此現(xiàn)有激光傳能的轉(zhuǎn)化效率不高［3-5］。

鑒于此，本文設(shè)計了提高激光無線傳能效率和增加距離的方案，采用相位控制陣列提高光束接收端光強分布的均勻度，同時提高激光發(fā)射端與光束接收端之間的瞄準精度，優(yōu)化了光電池排列設(shè)計，增大了光電池對激光束的接收效率及光電轉(zhuǎn)換效率，從而提高了激光傳能的電到電轉(zhuǎn)換效率。

2 系統(tǒng)組成

激光無線能量傳輸系統(tǒng)如圖1所示，主要由能量發(fā)射機和能量接收機組成。能量發(fā)射機包括能量激光器、發(fā)射天線、發(fā)射端轉(zhuǎn)臺、發(fā)射端轉(zhuǎn)臺伺服單元、發(fā)射端主控計算機和發(fā)射端數(shù)據(jù)中繼單元；能量接收機包括光電轉(zhuǎn)換模塊、接收端轉(zhuǎn)臺、接收端轉(zhuǎn)臺伺服單元、蓄能電池模塊、接收端主控計算機和接收端數(shù)據(jù)中繼單元。

其中，發(fā)射天線安裝在發(fā)射端轉(zhuǎn)臺上，發(fā)射端轉(zhuǎn)臺與發(fā)射端轉(zhuǎn)臺伺服單元相連，發(fā)射端數(shù)據(jù)中繼單元分別與發(fā)射端轉(zhuǎn)臺伺服單元和發(fā)射端主控計算機相連，能量激光器分別與發(fā)射端主控計算機和發(fā)射天線相連；光電轉(zhuǎn)換模塊安裝在接收端轉(zhuǎn)臺上，接收端轉(zhuǎn)臺與接收端轉(zhuǎn)臺伺服單元相連，蓄能電池模塊分別與光電轉(zhuǎn)換模塊和接收端主控計算機相連，接收端數(shù)據(jù)中繼單元分別與接收端主控計算機、接收端轉(zhuǎn)臺伺服單元和光電轉(zhuǎn)換模塊相連；能量發(fā)射機與能量接收機之間通過各自的數(shù)據(jù)中繼單元中的無線收發(fā)模塊進行無線通信。

圖1 激光無線傳能系統(tǒng)框圖Fig．1 Laser power transmission system

3 能量發(fā)射端設(shè)計

激光器發(fā)出的激光束的空間強度分布呈高斯分布（中間高四周低）。光照不均勻時，光電池的光電流由串聯(lián)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(zhuǎn)換效率。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(qū)，暗區(qū)光電池發(fā)熱產(chǎn)生“熱斑”，熱斑溫度超過一定極限會使電池片上的焊點熔化并損壞柵線，從而導(dǎo)致光電池損壞。須采取光束整形措施提高光強空間均勻性。為此，在發(fā)射天線后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，相位控制陣列通過控制光束各點的相位對光束空間進行整形，實現(xiàn)不同傳能距離處的均勻輻照，光束控制器件用以調(diào)整光束的指向，實現(xiàn)精確瞄準。激光光束通過發(fā)射天線壓縮后照射在相位控制陣列上，經(jīng)相位控制陣列調(diào)整光束相位后照射到光束控制器件，再經(jīng)光束控制器件調(diào)整光束指向?qū)⒐馐瓷涑鋈ィ鐖D2所示。

圖2 單路發(fā)射天線示意圖Fig．2 Scheme of single beam transmission

單路發(fā)射，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易實現(xiàn)，但單路輸出激光功率過高時，容易對光學(xué)系統(tǒng)造成損傷，為避免損傷，可以將單個模塊的輸出激光分成多束或多個激光模塊發(fā)出的光束獨立發(fā)射，在接收端合成，根據(jù)傳能距離可以為非相干合成或相干合成。多路發(fā)射天線如圖3所示。多路發(fā)射具有兩方面的優(yōu)勢：一方面，提高輸出光束功率并且避免光學(xué)元件損傷；另一方面，可以實現(xiàn)遠距離傳能。對于分離模塊航天器間相距100～1000 m 的傳能，可以采用非相干合成。非相干合成對單元激光束的相位、譜寬和偏振態(tài)等沒有任何要求，只需針對各光束設(shè)計獨立的光束控制器件并將它們定向至指定的目標。對于多路發(fā)射，光束發(fā)射是由若干個小望遠鏡單元實現(xiàn)的，在每個望遠鏡內(nèi)部都有相位控制模塊和光束控制模塊。通過相位控制實現(xiàn)光束的非相干或相干合成，通過光束控制在光電池表面獲得光強分布均勻的光斑并提高瞄準精度。

發(fā)射端主控計算機控制發(fā)射端轉(zhuǎn)臺的運動帶動發(fā)射天線運動，實現(xiàn)粗瞄，然后，控制相位控制陣列和光束控制器件，實現(xiàn)光斑整形和精確瞄準。

圖3 多路發(fā)射天線示意圖Fig．3 Scheme of multiple beams transmission

4 光電池設(shè)計

光電池是影響傳能效率的另一重要因素，下面介紹光電池排布設(shè)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(lián)提高輸出電壓。多個電池片串聯(lián)具有以下優(yōu)點，如光電池總體尺寸減小、利于光電池電子電路的集成、良好的熱管理和互連的串聯(lián)電阻的最小化等。但是，若每個串聯(lián)的轉(zhuǎn)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(dāng)光斑均勻覆蓋，并且光斑尺寸與串聯(lián)電池片匹配時，光損耗最小［6-8］。

為將失配損耗降至最小，對光電池排布進行優(yōu)化設(shè)計。由于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?？紤]到發(fā)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(dāng)?shù)墓怆姵亟邮占す饽芰?，光電轉(zhuǎn)化效率會較低。因此，對光斑運動軌跡進行統(tǒng)計，在光斑中心重疊區(qū)域處由光電池組1接收光束并轉(zhuǎn)換成電能。光電池組1由多個扇形和環(huán)形光電池串聯(lián)而成，光電池為扇形或環(huán)扇形，分別布置在以光斑中心為圓心的多個同心圓環(huán)上，其中，扇形光電池處于最里環(huán)，環(huán)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(qū)域，能夠保證與光斑實時對準，保持較高的轉(zhuǎn)換效率。在偏離概率較大的光斑重合外區(qū)域，由光電池組2接收光束并轉(zhuǎn)換成電能，光電池組2由多個環(huán)扇形光電池并聯(lián)而成，布置在光電池組1外圍與光電池組1同心的圓環(huán)上。光電池分布示意圖見圖4。

圖4 光電池組分布示意圖Fig．4 Scheme of laser cell design

光電池模塊通過能量管理單元與蓄能電池模塊相連，光電池模塊包含2個最佳功率跟蹤恒壓輸出單元和2個二極管，其中，2個最佳功率跟蹤恒壓輸出單元的輸入端的正極和負極，分別連接光電池組1和光電池組2的正極和負極，2個最佳功率跟蹤恒壓輸出單元輸出端的正極通過二極管并聯(lián)后作為光電池模塊的輸出端的正極，2個最佳功率跟蹤恒壓輸出單元輸出端的負極合并，作為光電池模塊的輸出端的負極。光電池模塊電路示意圖如圖5所示。

圖5 光電池模塊電路示意圖Fig．5 Scheme of laser cell circuit

5 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖6所示。當(dāng)能量發(fā)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(fā)射機測量發(fā)射端轉(zhuǎn)臺位置信息及方向姿態(tài)信息，并通過無線收發(fā)模塊將發(fā)射端轉(zhuǎn)臺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(fā)模塊將光電池的位置信息以及時間同步信息傳遞給能量發(fā)射機；能量發(fā)射機利用本身的位置和姿態(tài)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于能量發(fā)射機的角度位置，控制發(fā)射端轉(zhuǎn)臺指向能量接收機，并準備對目標區(qū)域進行掃描，同時，能量接收機利用本身的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)以及能量發(fā)射機位置信息計算能量發(fā)射機相對于能量接收機的位置，使光電池指向發(fā)射機；能量接收機開啟位于接收光電池板上的發(fā)光二極管（LED）指示燈，該指示燈光將入射帶有濾光片的發(fā)射端觀測視場（CCD），并成灰度像；能量發(fā)射機控制發(fā)射端轉(zhuǎn)臺對目標區(qū)域進行掃描，直至電池板LED 指示燈在能量發(fā)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；能量接收機開啟位于光電池板上的電壓和溫度傳感器，對光電池的充電電壓進行測量，以利于蓄能電池工作，同時測量光電池板及附近區(qū)域溫度，確保充電過程中的熱量不會造成設(shè)備損壞。

圖6 工作流程Fig．6 Process of laser power transmission

在瞄準對中結(jié)束后，可以通過星務(wù)系統(tǒng)（上位機）開啟發(fā)射機能量激光器，并根據(jù)能量接收機與能量發(fā)射機的相對位置信息，計算相位控制陣列的驅(qū)動電壓，通過施加驅(qū)動電壓控制光束的相位使光斑光強空間分布均勻化?；蛲ㄟ^控制多路光束中每路光束的相位以及偏轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)均勻輻照。光電池接收激光輻照，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(shù)據(jù)，當(dāng)溫度超過閾值時，向能量發(fā)射機發(fā)送關(guān)閉能量激光器的中斷指令。由蓄能電池檢測鋰電池的充電狀態(tài)，確定是否充電完成，充電完畢后，能量接收機向能量發(fā)射機發(fā)送停止充電指令，能量發(fā)射機向能量接收機發(fā)送確認信號后，能量接收機及能量發(fā)射機進行關(guān)機操作。

6 結(jié)束語

針對影響激光傳能轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵因素：光電池表面光束空間分布的均勻性、光斑與光電池的瞄準精度、光電池與光斑的匹配程度，本文設(shè)計了實現(xiàn)高效遠距離激光無線能量傳輸?shù)南到y(tǒng)方案。

通過對能量接收端光電池進行設(shè)計，使得光電池組與光斑實時對準，保持較高的轉(zhuǎn)換效率，保證了最大轉(zhuǎn)換效率。通過利用發(fā)射天線對能量激光器發(fā)出的激光進行壓縮，采用相位控制陣列對入射激光束的波前相位，通過電編程控制在設(shè)定方向上進行波束合成從而形成所需波形，不同的傳輸距離上獲得均勻的光斑，保證較高的光電轉(zhuǎn)換效率；采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，使更多的激光能量入射到電池片上，進一步提高傳能效率。通過由多束或多個激光模塊發(fā)出的光束獨立發(fā)射激光能量，在接收端合成，可以提高輸出光束功率的同時避免光學(xué)元件損傷，并延長傳能距離。本文對激光無線能量傳輸技術(shù)的工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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