[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

说明书

一种基于三级跟踪与相位调制的无人机终端激光传能方法，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方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。

技术领域

本发明涉及的是一种高能激光无线能量传输领域的技术，具体是一种基于三级跟踪与光场调控的无人机终端无线激光传能系统。

背景技术

高能激光无线能量传输技术(Optical wireless powertransmission，OWPT)是采用激光作载体，即发射端将电能转化激光能量发射到接收端，接收端再将光转化为电能进行充电的技术。但现有发射端采用的光伏电池的效率约为10-20％左右，远远低于实际应用的需求，不能对高能激光能量进行完全的利用。终端光电转换效率的主要限制因素为终端激光能量分布和光伏电池的适配问题。目前主要是通过光场调控将高斯光束整形为平顶光束来提高光电转换效率，然而并没有进行光伏电池任意排布的匹配，也没有避开电极连接处的死区。激光束能量分布不均匀，产生的热斑效应，也会导致光伏电池接收器效率的降低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于三级跟踪与光场调控的无人机终端激光传能系统，通过终端三级跟踪和空间光相位调制自适应光场优化使光伏电池能量分布均匀，同时光场匹配任意光伏电池排布，减少阴影区域，避免光伏电池连接处死区对激光能量造成的损耗；进一步辅以终端五轴转台实现机载端对发射端的视觉自对准，使光伏电池完全与优化光场相匹配，使光场对整个光伏电池进行覆盖，减少由热斑效应产生的能量损失。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于三级跟踪与光场调控的无人机终端激光传能系统，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方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。

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。

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以及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。

本发明涉及上述无人机终端激光传能系统的优化激光能量传输方法，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。