[发明专利]基于三级跟踪与光场调控的无人机终端激光传能系统

权利要求书

1.一种基于三级跟踪与相位调制的无人机终端激光传能系统，其特征在于，包括：高功率激光器、用于激光的准直和扩束的准直扩束镜、用于发射端的粗调跟踪的跟踪振镜单元、用于发射端与无人机之间的信息传递的通信模块、偏振片、空间光相位调制膜片、无人机以及设置于其上的用于视觉自对准的终端五轴转台和光伏电池阵列，其中：高能激光器出射的激光经过准直扩束镜进行准直扩束，通过跟踪振镜单元进行激光对无人机的粗调跟踪；空间光相位调制膜片置于发射端结合光场寻优算法实时反馈进行高斯光场的调制以适配于光伏电池的任意排布；跟踪振镜单元使激光光斑正对准于光伏电池；设置于接收端的无人机上的终端五轴转台对光伏电池阵列进行微调跟踪以达到最优的接收角度和接收位置；光伏电池阵列设置于终端五轴转台上并用于接收经过调制后的激光能量。

2.根据权利要求1所述的无人机终端激光传能系统，其特征是，所述的五轴是指：三维正交自由度(x，y，z)以及两个旋转自由度(θx，θy)，其中：z方向进行对光伏电池板的伸缩，用于提高装置的稳定性，减少无人机的飞行阻力；x，y方向的转台使光场垂直照射光伏电池，减少由于倾斜照射导致的能量损失；θx和θy方向的转台控制光伏电池阵列与光场的锁定对准，当发射端找到大致位置后，进行θx和θy方向的微调调整。

3.根据权利要求1或2所述的无人机终端激光传能系统，其特征是，所述的终端五轴转台由上而下包括：第一层可伸缩装置、第二层可伸缩装置、第三层可伸缩装置和万向节，其中：层叠可伸缩的结构，当不需要进行能量接收时，终端五轴转台收缩紧贴无人机底部，减少无人机体积、无人机飞行时的空气阻力和能量消耗，提高无人机的续航时间。

4.根据权利要求1所述的无人机终端激光传能系统，其特征是，所述的跟踪振镜单元包括：角度采集装置、x方向振镜和y方向振镜，其中：角度采集装置用于采集发射端在z偏x方向的偏转角α，z偏y方向的偏转角β并通过通信模块传输至无人机上的终端五轴模块转台，进行α，β方向的实时角度调整以适配光伏电池的跟踪和偏转。

5.一种基于权利要求1~4中任一所述无人机终端激光传能系统的优化激光能量传输方法，其特征在于，根据无人机的固定悬停高度，叠加对应的菲涅尔透镜功能相位至优化光场全息图上以调整焦面位置；空间光相位调制膜片根据光伏电池排布自动迭代生成最优相位分布，适配光伏电池阵列的任意排布和距离，实现激光能量的最大利用率并提高光电转换效率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的菲涅尔透镜功能相位，通过在透镜上设计相位信息得到。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的优化光场全息图，针对电池片排布信息，通过静态的GerchbergSaxton算法和动态遗传算法得到。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的最优相位分布，具体迭代生成过程包括以下步骤：

1)首先生成N幅初始随机位相全息图，将每幅位相全息图作为种群中的个体；

2)分别将不同的个体加载到SLM上，通过反馈得到的光伏电池阵列的功率值作为种群中个体的适应度；

3)通过交叉、变异操作产生新的个体，并按照Boltzmann生存机制替换种群中适应度最低的个体；

4)不断迭代，直到输出适应度最好的个体，从而找到最优相位分布。