飛行器激光供能通訊系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種飛行器激光供能通訊系統(tǒng)，包括地面供能站和飛行器。地面供能站主要由電源、激光驅(qū)動(dòng)單元、激光器單元、光束整形單元、光學(xué)天線、二維轉(zhuǎn)臺(tái)、電子羅盤(pán)、GPS傳感探測(cè)器、CCD圖像處理單元、跟蹤捕獲控制單元和解調(diào)單元組成。飛行器主要由光電能量轉(zhuǎn)換單元、能量管理單元、電池組、偵測(cè)單元和反射調(diào)制器組成。本發(fā)明通過(guò)無(wú)線激光將能量傳送至飛行器上，從而有效延長(zhǎng)飛行器的工作時(shí)間，同時(shí)將飛行器的信息調(diào)制到經(jīng)光學(xué)反射原理原路返回的小部分激光上，實(shí)現(xiàn)飛行器與地面的激光通信。
【專(zhuān)利說(shuō)明】飛行器激光供能通訊系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種飛行器激光供能通訊系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)人機(jī)等飛行器作為實(shí)用的空中攝影平臺(tái)，自身會(huì)攜帶著一定數(shù)量的儀器設(shè)備(如:中繼電臺(tái)和/或各種類(lèi)型的攝像機(jī)等)，以完成空中的信號(hào)中繼和拍攝等任務(wù)。由于傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)等飛行器和其所攜帶的設(shè)備都是利用機(jī)載電池進(jìn)行供電，若電池耗盡，則無(wú)法完成后續(xù)工作，只能讓飛行器降落，更換電池或?yàn)殡姵爻潆姾螅匦麻_(kāi)始后續(xù)工作。這樣的供電方式使得無(wú)人機(jī)等飛行器的工作時(shí)間受到極大限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的空中任務(wù)過(guò)程，工作效率明顯降低，嚴(yán)重阻礙了無(wú)人機(jī)等飛行器的發(fā)展。隨著無(wú)人機(jī)等飛行器在空中偵察和空中信息服務(wù)等方面使用的日趨廣泛，如何在系統(tǒng)體積小，重量輕的前提下，建立無(wú)人機(jī)等飛行器與地面間穩(wěn)定、安全、高速的信息傳遞，也成為促進(jìn)無(wú)人機(jī)等飛行器發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種飛行器激光供能通訊系統(tǒng)，其通過(guò)無(wú)線激光將能量傳送至飛行器上，從而有效延長(zhǎng)飛行器的工作時(shí)間，同時(shí)將飛行器的信息調(diào)制到經(jīng)光學(xué)反射原理原路返回的小部分激光上，實(shí)現(xiàn)飛行器與地面的激光通信。
[0004]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]一種飛行器激光供能通訊系統(tǒng)，包括地面供能站和飛行器。上述地面供能站主要由電源、激光驅(qū)動(dòng)單元、激光器單元、光束整形單元、光學(xué)天線、二維轉(zhuǎn)臺(tái)、電子羅盤(pán)、GPS傳感探測(cè)器、CCD圖像處理單元、跟蹤捕獲控制單元和解調(diào)單元組成；其中電源經(jīng)激光驅(qū)動(dòng)單元與激光器單元的輸入端相連，激光器單元的輸出端經(jīng)光束整形單元連接光學(xué)天線的輸入端；光學(xué)天線安裝在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，電子羅盤(pán)、GPS傳感探測(cè)器和CXD圖像處理單元固定在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上、并處于光學(xué)天線的外圍；采集光學(xué)天線的指向信息的電子羅盤(pán)、采集地面供能站和飛行器的地理位置信息的GPS傳感探測(cè)器、以及采集飛行器精確空間位置信息的CCD圖像處理單元與跟蹤捕獲控制單元的輸入端相連,跟蹤捕獲控制單元的輸出端連接二維轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)；光學(xué)天線的輸出端連接解調(diào)單元。上述飛行器主要由光電能量轉(zhuǎn)換單元、能量管理單元、電池組、偵測(cè)單元和反射調(diào)制器組成；其中光電能量轉(zhuǎn)換單元通過(guò)激光與光學(xué)天線的激光發(fā)射端無(wú)線連接，光電能量轉(zhuǎn)換單元的輸出端與能量管理單元相連，能量管理單元的輸出端連接電池組的充電端和偵測(cè)單元；電池組的輸出端連接用電單元；偵測(cè)單元的輸出端連接反射調(diào)制器，反射調(diào)制器通過(guò)激光與光學(xué)天線的激光接收端無(wú)線連接。
[0006]上述方案所述反射調(diào)制器包括光能探測(cè)器、角錐棱鏡、激光外調(diào)制器和任務(wù)信息存儲(chǔ)器；任務(wù)信息存儲(chǔ)器的輸入端連接偵測(cè)單元，任務(wù)信息存儲(chǔ)器的輸出端連接激光外調(diào)制器；光能探測(cè)器連接激光外調(diào)制器的控制端；激光外調(diào)制器與角錐棱鏡相連；激光外調(diào)制器通過(guò)激光與光學(xué)天線的激光接收端無(wú)線連接。[0007]上述飛行器激光供能通訊系統(tǒng)還進(jìn)一步包括溫控單元，電源經(jīng)溫控單元連接激光器單元。
[0008]上述方案所述激光器單元為半導(dǎo)體激光器陣列。
[0009]本發(fā)明的基本構(gòu)思是:地面供能站通過(guò)高效的大功率激光器，把電能轉(zhuǎn)化為能量激光束，光學(xué)天線的發(fā)射端將能量激光束進(jìn)行準(zhǔn)直處理，經(jīng)過(guò)處理的能量光束在空間傳輸一定距離后到達(dá)正在空中飛行的飛行器。與光學(xué)天線相連的跟蹤捕獲控制單元，將發(fā)射目標(biāo)鎖定飛行器上的光電能量轉(zhuǎn)換器。高效率的光電能量轉(zhuǎn)換器將光能轉(zhuǎn)化為電能，并給飛行器的各用電部件供電，維持設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的不間斷飛行。同時(shí)飛行器上的反射調(diào)制器還能夠?qū)蓽y(cè)的信號(hào)加載到激光上，與地面供能站進(jìn)行無(wú)線激光通信，將飛行器上的有用信息傳輸至地面基地。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn):
[0011]1、激光能量密度比太陽(yáng)光高，提供能量速度快，減少充電時(shí)間。
[0012]2、可以在飛行器不降落的條件下對(duì)其充電。從而減少飛行器降落的次數(shù)，大大降低飛行器墜毀的幾率，極大地降低了成本。
[0013]3、在激光供能的過(guò)程中，飛行器的偵測(cè)行動(dòng)不受任何影響。
[0014]4、當(dāng)飛行器進(jìn)行充電的過(guò)程中，可利用其上安放的反射調(diào)制器，將偵測(cè)到的信息調(diào)制到地面發(fā)射過(guò)來(lái)的很小一部分激光上，并將調(diào)制后的光信號(hào)沿原路返回地面供能站。
[0015]5、反射調(diào)制器利用反射的地面能量激光進(jìn)行通信，只需要很弱的電流驅(qū)動(dòng)，飛行器不需要額外添加對(duì)地通信信號(hào)發(fā)射模塊，減少飛行器的用電功耗。
[0016]6、利用角錐棱鏡和激光外調(diào)制器構(gòu)成激光發(fā)射調(diào)制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，飛行器上不需要添加跟蹤對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)地的連續(xù)激光通信。
[0017]7、飛行器與地面主機(jī)之間的通信采用激光傳輸，有效保證了信息傳輸?shù)陌踩浴?br> [0018]8、配合車(chē)載激光器，可以實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間任何地點(diǎn)對(duì)飛行器充電。激光驅(qū)動(dòng)的飛行器能夠減少飛行器著陸、燃料或電池再加注和再發(fā)射所需要的人員數(shù)量，從而降低對(duì)無(wú)人機(jī)等飛行器后勤的要求，減少運(yùn)作成本。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為無(wú)人機(jī)激光供能通訊系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖。
[0020]圖2為無(wú)人機(jī)激光供能通訊系統(tǒng)原理框圖。
[0021]圖3為激光反射調(diào)制器原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本實(shí)施以無(wú)人機(jī)為例，對(duì)本發(fā)明的飛行器激光供能通訊系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]如圖1和2所示，一種飛行器激光供能通訊系統(tǒng)包括地面供能站和無(wú)人機(jī)。在圖1中，A處的總能量供應(yīng)為7000W，B處的激光器驅(qū)動(dòng)為6000W，C處的激光功率為3000W，D處
的輸出電能為1000W。在圖2中，一代表電能，一代表激光能量，代表冷卻劑(水冷)，
?代表數(shù)據(jù)及信號(hào)鏈路。
[0024]上述地面供能站主要由電源、激光驅(qū)動(dòng)單元、溫控單元、激光器單元、光束整形單元、光學(xué)天線、二維轉(zhuǎn)臺(tái)、電子羅盤(pán)、GPS傳感探測(cè)器、CCD圖像處理單元、跟蹤捕獲控制單元和解調(diào)單元組成。其中電源經(jīng)電導(dǎo)線連接激光驅(qū)動(dòng)單元，激光驅(qū)動(dòng)單元經(jīng)電導(dǎo)線與激光器單元的輸入端相連。溫控單元一端連接電源，一端連接激光器單元。激光器單元的輸出端經(jīng)光束整形單元連接光學(xué)天線的輸入端。光學(xué)天線安裝在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，電子羅盤(pán)、GPS傳感探測(cè)器和CCD圖像處理單元固定在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上、并處于光學(xué)天線的外圍。采集光學(xué)天線的指向信息的電子羅盤(pán)、采集地面供能站和無(wú)人機(jī)的地理位置信息的GPS傳感探測(cè)器和采集無(wú)人機(jī)精確空間位置信息的CXD圖像處理單元與跟蹤捕獲控制單元的輸入端相連，跟蹤捕獲控制單元的輸出端連接二維轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。光學(xué)天線的輸出端連接解調(diào)單元。
[0025]電源由發(fā)電機(jī)或AC輸電網(wǎng)提供。激光驅(qū)動(dòng)單元用于將電能轉(zhuǎn)換成能量激光，并控制激光能量的大小，輸出能量激光束。
[0026]鑒于地面供能站能量發(fā)射端需要提供一大功率的激光能量，通過(guò)對(duì)各類(lèi)激光器的特點(diǎn)進(jìn)行分析可知，目前已有的808nm波長(zhǎng)大功率的激光器只有固體激光器和半導(dǎo)體激光器陣列，從效率上分析，固體激光器的轉(zhuǎn)換效率只有40%，而半導(dǎo)體激光器陣列能夠達(dá)到55%?60%，所以本發(fā)明的激光器單元選用半導(dǎo)體激光器陣列，它具有較高的電-光轉(zhuǎn)換效率，體積小，重量輕，低成本等優(yōu)點(diǎn)，并且半導(dǎo)體激光器可以提供滿(mǎn)足光電能量轉(zhuǎn)換器吸收峰的810nm左右的激光。
[0027]光學(xué)天線發(fā)射端用于準(zhǔn)直能量激光束，使能量激光集中傳輸。在本發(fā)明中，光學(xué)天線實(shí)際上就是一個(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，天線的形式根據(jù)具體情況可采用反射式天線或透射式天線。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于孔徑較大的天線，如大于20cm孔徑的天線，可采用反射式天線結(jié)構(gòu)，這有助于降低天線的制造難度，提高天線的可靠性，減輕重量，并且光束傳輸無(wú)色散；而在天線孔徑較小時(shí)，則宜選用透射式天線。由于天線的孔徑直接影響著天線的增益，孔徑越大，增益越大，因此從提高天線增益的角度來(lái)說(shuō)，無(wú)線激光供能系統(tǒng)的天線孔徑應(yīng)當(dāng)選取大一些。但是，孔徑增大，天線的體積、重量也相應(yīng)增加，同時(shí)也會(huì)增加APT系統(tǒng)的難度。因此，天線孔徑與APT的安裝精度應(yīng)折中考慮。根據(jù)激光器光束質(zhì)量對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求，本光學(xué)天線的透鏡尺寸約為200_，另考慮降低加工精度及安裝精度，所以本系統(tǒng)選用同軸透射式天線結(jié)構(gòu)，具有提高能量利用率的優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)天線架設(shè)在一自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)無(wú)人機(jī)的反饋信息，對(duì)光學(xué)天線的發(fā)射方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其發(fā)射出的能量激光鎖定在無(wú)人機(jī)的光電池板上。
[0028]電子羅盤(pán)、GPS傳感探測(cè)器、CXD圖像處理單元和跟蹤捕獲控制單元構(gòu)成自動(dòng)跟蹤捕獲系統(tǒng)，并用于控制二維轉(zhuǎn)臺(tái)，跟蹤鎖定無(wú)人機(jī)，將激光能量準(zhǔn)確地傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)上光電能量轉(zhuǎn)換器的位置。解調(diào)單元將無(wú)人機(jī)返回的信息提取出來(lái)，完成數(shù)據(jù)通信功能。考慮到大功率的激光器單元在工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量較高，本發(fā)明的溫控單元通過(guò)水冷方式為激光器單元降溫，以保證激光器單元的長(zhǎng)時(shí)間正常工作。
[0029]上述無(wú)人機(jī)主要由光電能量轉(zhuǎn)換單元、能量管理單元、電池組、偵測(cè)單元和反射調(diào)制器組成。其中光電能量轉(zhuǎn)換單元通過(guò)激光與光學(xué)天線的激光發(fā)射端無(wú)線連接，光電能量轉(zhuǎn)換單元的輸出端與能量管理單元相連，能量管理單元的輸出端連接電池組的充電端和偵測(cè)單元。電池組的輸出端連接用電單元。偵測(cè)單元的輸出端連接反射調(diào)制器，反射調(diào)制器通過(guò)激光與光學(xué)天線的激光接收端無(wú)線連接。
[0030]光電能量轉(zhuǎn)換單元用于將激光能量轉(zhuǎn)換成電能，給無(wú)人機(jī)供電。本發(fā)明采用高效率的光電能量轉(zhuǎn)換單元，其主要由多個(gè)光電能量轉(zhuǎn)換器排列而成，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到50%，可降低發(fā)射端激光功率的要求。光電能量轉(zhuǎn)換器的工作原理是基于半導(dǎo)體P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指當(dāng)光電池受到光照射時(shí)，在電池內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光電能量轉(zhuǎn)換器具有體積小、重量輕、光電能量轉(zhuǎn)換效率高、光源匹配等特點(diǎn)。由于光電能量轉(zhuǎn)換器具有輕薄的特點(diǎn)，所以可以將其陣列式排列成各種不規(guī)則形狀，包括弧形等，能適應(yīng)不同型號(hào)的無(wú)人機(jī)表面安裝。
[0031]能源管理單元有監(jiān)測(cè)單元，以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源輸入電壓、電流，能源輸出電壓、電流和電池電壓電流狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。能源管理單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入輸出電能量進(jìn)行管理、存儲(chǔ)和分配。在正常工作模式下，電池組和光電能量轉(zhuǎn)換單元輸入電壓經(jīng)過(guò)二極管電路進(jìn)行“或”隔離輸入，由DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為機(jī)上用電設(shè)備使用。無(wú)人機(jī)盤(pán)旋在充電區(qū)域時(shí)，光電能量轉(zhuǎn)換單元輸出的電能首先為無(wú)人機(jī)提供飛行動(dòng)力，多余的能量供給電池組充電。在無(wú)人機(jī)飛離充電區(qū)域的時(shí)候，電池組向無(wú)人機(jī)內(nèi)的用電設(shè)備如發(fā)動(dòng)機(jī)和偵測(cè)單元等供電，同時(shí)能源管理單元對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在只剩余返航電量時(shí)向無(wú)人機(jī)提出返航信號(hào)，或者飛往附近的其他充電區(qū)域。
[0032]反射調(diào)制器如圖3所示，包括光能探測(cè)器、角錐棱鏡、激光外調(diào)制器和任務(wù)信息存儲(chǔ)器。任務(wù)信息存儲(chǔ)器的輸入端連接偵測(cè)單元，任務(wù)信息存儲(chǔ)器的輸出端連接激光外調(diào)制器。光能探測(cè)器連接激光外調(diào)制器的控制端。激光外調(diào)制器與角錐棱鏡相連。激光外調(diào)制器通過(guò)激光與光學(xué)天線的激光接收端無(wú)線連接。任務(wù)信息存儲(chǔ)器將存儲(chǔ)信息電信號(hào)送入激光外調(diào)制器。光能探測(cè)器將入射激光信號(hào)經(jīng)激光外調(diào)制器送入角錐棱鏡，角錐棱鏡將調(diào)制激光信號(hào)經(jīng)激光外調(diào)制器輸出。其中入射激光信號(hào)和調(diào)制激光信號(hào)為平行光路。
[0033]反射調(diào)制器通過(guò)對(duì)反射的小部分能量激光進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)與地面的通信。利用反射原理，減少信號(hào)發(fā)射模塊，從而減少用電功耗；利用角錐棱鏡將激光原路返回的特性，可以在特定條件下不需要跟蹤對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的激光通信。當(dāng)光能探測(cè)器檢測(cè)到有能量激光照射其上時(shí)，任務(wù)信息存儲(chǔ)器將偵測(cè)單元存儲(chǔ)在其內(nèi)部的信號(hào)提取出來(lái)，送至激光外調(diào)制器。由于角錐棱鏡的最大接收角為35.26°，所以本發(fā)明還需在光能探測(cè)器上增加一接收角度為35.26°的透鏡，以便跟角錐棱鏡有效工作角度同步。激光外調(diào)制器為一光敏部件，通過(guò)改變加在其上的電壓大小和脈沖頻率，就可改變其通光率和折射率，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束進(jìn)行強(qiáng)度或者相位調(diào)制。角錐棱鏡的功能是將調(diào)制后的信號(hào)激光進(jìn)行360°反向后，平行入射光路返回地面發(fā)射站，地面發(fā)射站接收無(wú)人機(jī)返回的信號(hào)激光，通過(guò)解調(diào)器將所需信息提取出來(lái)，完成通信過(guò)程。
【權(quán)利要求】
1.飛行器激光供能通訊系統(tǒng)，其特征在于:包括地面供能站和飛行器； 上述地面供能站主要由電源、激光驅(qū)動(dòng)單元、激光器單元、光束整形單元、光學(xué)天線、二維轉(zhuǎn)臺(tái)、電子羅盤(pán)、GPS傳感探測(cè)器、CXD圖像處理單元、跟蹤捕獲控制單元和解調(diào)單元組成；其中電源經(jīng)激光驅(qū)動(dòng)單元與激光器單元的輸入端相連，激光器單元的輸出端經(jīng)光束整形單元連接光學(xué)天線的輸入端；光學(xué)天線安裝在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，電子羅盤(pán)、GPS傳感探測(cè)器和CCD圖像處理單元固定在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上、并處于光學(xué)天線的外圍；采集光學(xué)天線的位置信息的電子羅盤(pán)、采集飛行器的地理位置信息的GPS傳感探測(cè)器和采集飛行器精確空間位置信息的CCD圖像處理單元與跟蹤捕獲控制單元的輸入端相連，跟蹤捕獲控制單元的輸出端連接二維轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)；光學(xué)天線的輸出端連接解調(diào)單元； 上述飛行器主要由光電能量轉(zhuǎn)換單元、能量管理單元、電池組、偵測(cè)單元和反射調(diào)制器組成；其中光電能量轉(zhuǎn)換單元通過(guò)激光與光學(xué)天線的激光發(fā)射端無(wú)線連接，光電能量轉(zhuǎn)換單元的輸出端與能量管理單元相連，能量管理單元的輸出端連接電池組的充電端和偵測(cè)單元；電池組的輸出端連接用電單元；偵測(cè)單元的輸出端連接反射調(diào)制器，反射調(diào)制器通過(guò)激光與光學(xué)天線的激光接收端無(wú)線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行器激光供能通訊系統(tǒng)，其特征在于:所述反射調(diào)制器包括光能探測(cè)器、角錐棱鏡、激光外調(diào)制器和任務(wù)信息存儲(chǔ)器；任務(wù)信息存儲(chǔ)器的輸入端連接偵測(cè)單元，任務(wù)信息存儲(chǔ)器的輸出端連接激光外調(diào)制器；光能探測(cè)器連接激光外調(diào)制器的控制端；激光外調(diào)制器與角錐棱鏡相連；激光外調(diào)制器通過(guò)激光與光學(xué)天線的激光接收端無(wú)線連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行器激光供能通訊系統(tǒng)，其特征在于:還進(jìn)一步包括溫控單元，電源經(jīng)溫控單元連接激光器單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行器激光供能通訊系統(tǒng)，其特征在于:所述激光器單元為半導(dǎo)體激光器陣列。
【文檔編號(hào)】H04B10/80GK103780313SQ201410026821
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】蘇磊 申請(qǐng)人:桂林航天光比特科技股份公司