飛行器激光供能通訊系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開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、激光驅動單元、激光器單元、光束整形單元、光學天線、二維轉臺、電子羅盤、GPS傳感探測器、CCD圖像處理單元、跟蹤捕獲控制單元和解調單元組成。飛行器主要由光電能量轉換單元、能量管理單元、電池組、偵測單元和反射調制器組成。本發(fā)明通過無線激光將能量傳送至飛行器上，從而有效延長飛行器的工作時間，同時將飛行器的信息調制到經光學反射原理原路返回的小部分激光上，實現飛行器與地面的激光通信。
【專利說明】飛行器激光供能通訊系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無人機【技術領域】，具體涉及一種飛行器激光供能通訊系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]無人機等飛行器作為實用的空中攝影平臺，自身會攜帶著一定數量的儀器設備(如:中繼電臺和/或各種類型的攝像機等)，以完成空中的信號中繼和拍攝等任務。由于傳統(tǒng)的無人機等飛行器和其所攜帶的設備都是利用機載電池進行供電，若電池耗盡，則無法完成后續(xù)工作，只能讓飛行器降落，更換電池或為電池充電后，重新開始后續(xù)工作。這樣的供電方式使得無人機等飛行器的工作時間受到極大限制，無法實現一個長時間的空中任務過程，工作效率明顯降低，嚴重阻礙了無人機等飛行器的發(fā)展。隨著無人機等飛行器在空中偵察和空中信息服務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，建立無人機等飛行器與地面間穩(wěn)定、安全、高速的信息傳遞，也成為促進無人機等飛行器發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種飛行器激光供能通訊系統(tǒng)，其通過無線激光將能量傳送至飛行器上，從而有效延長飛行器的工作時間，同時將飛行器的信息調制到經光學反射原理原路返回的小部分激光上，實現飛行器與地面的激光通信。
[0004]為解決上述問題，本發(fā)明通過以下技術方案實現的:
[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、激光驅動單元、激光器單元、光束整形單元、光學天線、二維轉臺、電子羅盤、GPS傳感探測器、CCD圖像處理單元、跟蹤捕獲控制單元和解調單元組成；其中電源經激光驅動單元與激光器單元的輸入端相連，激光器單元的輸出端經光束整形單元連接光學天線的輸入端；光學天線安裝在二維轉臺上，電子羅盤、GPS傳感探測器和CXD圖像處理單元固定在二維轉臺上、并處于光學天線的外圍；采集光學天線的指向信息的電子羅盤、采集地面供能站和飛行器的地理位置信息的GPS傳感探測器、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臺的轉動電機；光學天線的輸出端連接解調單元。上述飛行器主要由光電能量轉換單元、能量管理單元、電池組、偵測單元和反射調制器組成；其中光電能量轉換單元通過激光與光學天線的激光發(fā)射端無線連接，光電能量轉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單元；電池組的輸出端連接用電單元；偵測單元的輸出端連接反射調制器，反射調制器通過激光與光學天線的激光接收端無線連接。
[0006]上述方案所述反射調制器包括光能探測器、角錐棱鏡、激光外調制器和任務信息存儲器；任務信息存儲器的輸入端連接偵測單元，任務信息存儲器的輸出端連接激光外調制器；光能探測器連接激光外調制器的控制端；激光外調制器與角錐棱鏡相連；激光外調制器通過激光與光學天線的激光接收端無線連接。[0007]上述飛行器激光供能通訊系統(tǒng)還進一步包括溫控單元，電源經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體激光器陣列。
[0009]本發(fā)明的基本構思是:地面供能站通過高效的大功率激光器，把電能轉化為能量激光束，光學天線的發(fā)射端將能量激光束進行準直處理，經過處理的能量光束在空間傳輸一定距離后到達正在空中飛行的飛行器。與光學天線相連的跟蹤捕獲控制單元，將發(fā)射目標鎖定飛行器上的光電能量轉換器。高效率的光電能量轉換器將光能轉化為電能，并給飛行器的各用電部件供電，維持設備的正常運轉，實現飛行器的不間斷飛行。同時飛行器上的反射調制器還能夠將偵測的信號加載到激光上，與地面供能站進行無線激光通信，將飛行器上的有用信息傳輸至地面基地。
[0010]與現有技術相比，本發(fā)明具有如下特點:
[0011]1、激光能量密度比太陽光高，提供能量速度快，減少充電時間。
[0012]2、可以在飛行器不降落的條件下對其充電。從而減少飛行器降落的次數，大大降低飛行器墜毀的幾率，極大地降低了成本。
[0013]3、在激光供能的過程中，飛行器的偵測行動不受任何影響。
[0014]4、當飛行器進行充電的過程中，可利用其上安放的反射調制器，將偵測到的信息調制到地面發(fā)射過來的很小一部分激光上，并將調制后的光信號沿原路返回地面供能站。
[0015]5、反射調制器利用反射的地面能量激光進行通信，只需要很弱的電流驅動，飛行器不需要額外添加對地通信信號發(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制器構成激光發(fā)射調制器，系統(tǒng)結構簡單，飛行器上不需要添加跟蹤對準結構，即可實現對地的連續(xù)激光通信。
[0017]7、飛行器與地面主機之間的通信采用激光傳輸，有效保證了信息傳輸的安全性。
[0018]8、配合車載激光器，可以實現任何時間任何地點對飛行器充電。激光驅動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)射所需要的人員數量，從而降低對無人機等飛行器后勤的要求，減少運作成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為無人機激光供能通訊系統(tǒng)的應用示意圖。
[0020]圖2為無人機激光供能通訊系統(tǒng)原理框圖。
[0021]圖3為激光反射調制器原理框圖。
【具體實施方式】
[0022]本實施以無人機為例，對本發(fā)明的飛行器激光供能通訊系統(tǒng)進行詳細說明。
[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人機。在圖1中，A處的總能量供應為7000W，B處的激光器驅動為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)，
?代表數據及信號鏈路。
[0024]上述地面供能站主要由電源、激光驅動單元、溫控單元、激光器單元、光束整形單元、光學天線、二維轉臺、電子羅盤、GPS傳感探測器、CCD圖像處理單元、跟蹤捕獲控制單元和解調單元組成。其中電源經電導線連接激光驅動單元，激光驅動單元經電導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光束整形單元連接光學天線的輸入端。光學天線安裝在二維轉臺上，電子羅盤、GPS傳感探測器和CCD圖像處理單元固定在二維轉臺上、并處于光學天線的外圍。采集光學天線的指向信息的電子羅盤、采集地面供能站和無人機的地理位置信息的GPS傳感探測器和采集無人機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臺的轉動電機。光學天線的輸出端連接解調單元。
[0025]電源由發(fā)電機或AC輸電網提供。激光驅動單元用于將電能轉換成能量激光，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，通過對各類激光器的特點進行分析可知，目前已有的808nm波長大功率的激光器只有固體激光器和半導體激光器陣列，從效率上分析，固體激光器的轉換效率只有40%，而半導體激光器陣列能夠達到55%?60%，所以本發(fā)明的激光器單元選用半導體激光器陣列，它具有較高的電-光轉換效率，體積小，重量輕，低成本等優(yōu)點，并且半導體激光器可以提供滿足光電能量轉換器吸收峰的810nm左右的激光。
[0027]光學天線發(fā)射端用于準直能量激光束，使能量激光集中傳輸。在本發(fā)明中，光學天線實際上就是一個光學望遠鏡，天線的形式根據具體情況可采用反射式天線或透射式天線。一般來說，對于孔徑較大的天線，如大于20cm孔徑的天線，可采用反射式天線結構，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，并且光束傳輸無色散；而在天線孔徑較小時，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說，無線激光供能系統(tǒng)的天線孔徑應當選取大一些。但是，孔徑增大，天線的體積、重量也相應增加，同時也會增加APT系統(tǒng)的難度。因此，天線孔徑與APT的安裝精度應折中考慮。根據激光器光束質量對光學系統(tǒng)的要求，本光學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構，具有提高能量利用率的優(yōu)點。光學天線架設在一自動跟蹤系統(tǒng)二維轉臺上，通過無人機的反饋信息，對光學天線的發(fā)射方向進行調節(jié)，使其發(fā)射出的能量激光鎖定在無人機的光電池板上。
[0028]電子羅盤、GPS傳感探測器、CXD圖像處理單元和跟蹤捕獲控制單元構成自動跟蹤捕獲系統(tǒng)，并用于控制二維轉臺，跟蹤鎖定無人機，將激光能量準確地傳輸到無人機上光電能量轉換器的位置。解調單元將無人機返回的信息提取出來，完成數據通信功能。考慮到大功率的激光器單元在工作時所產生的熱量較高，本發(fā)明的溫控單元通過水冷方式為激光器單元降溫，以保證激光器單元的長時間正常工作。
[0029]上述無人機主要由光電能量轉換單元、能量管理單元、電池組、偵測單元和反射調制器組成。其中光電能量轉換單元通過激光與光學天線的激光發(fā)射端無線連接，光電能量轉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單元。電池組的輸出端連接用電單元。偵測單元的輸出端連接反射調制器，反射調制器通過激光與光學天線的激光接收端無線連接。
[0030]光電能量轉換單元用于將激光能量轉換成電能，給無人機供電。本發(fā)明采用高效率的光電能量轉換單元，其主要由多個光電能量轉換器排列而成，轉換效率可以達到50%，可降低發(fā)射端激光功率的要求。光電能量轉換器的工作原理是基于半導體P-N結的光生伏特效應，簡稱光電效應。光電效應是指當光電池受到光照射時，在電池內部產生電動勢的現象。光電能量轉換器具有體積小、重量輕、光電能量轉換效率高、光源匹配等特點。由于光電能量轉換器具有輕薄的特點，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，能適應不同型號的無人機表面安裝。
[0031]能源管理單元有監(jiān)測單元，以實現對能源輸入電壓、電流，能源輸出電壓、電流和電池電壓電流狀態(tài)等進行監(jiān)測和控制。能源管理單元主要實現對輸入輸出電能量進行管理、存儲和分配。在正常工作模式下，電池組和光電能量轉換單元輸入電壓經過二極管電路進行“或”隔離輸入，由DC/DC轉換器轉換為機上用電設備使用。無人機盤旋在充電區(qū)域時，光電能量轉換單元輸出的電能首先為無人機提供飛行動力，多余的能量供給電池組充電。在無人機飛離充電區(qū)域的時候，電池組向無人機內的用電設備如發(fā)動機和偵測單元等供電，同時能源管理單元對電池組進行實時監(jiān)測，在只剩余返航電量時向無人機提出返航信號，或者飛往附近的其他充電區(qū)域。
[0032]反射調制器如圖3所示，包括光能探測器、角錐棱鏡、激光外調制器和任務信息存儲器。任務信息存儲器的輸入端連接偵測單元，任務信息存儲器的輸出端連接激光外調制器。光能探測器連接激光外調制器的控制端。激光外調制器與角錐棱鏡相連。激光外調制器通過激光與光學天線的激光接收端無線連接。任務信息存儲器將存儲信息電信號送入激光外調制器。光能探測器將入射激光信號經激光外調制器送入角錐棱鏡，角錐棱鏡將調制激光信號經激光外調制器輸出。其中入射激光信號和調制激光信號為平行光路。
[0033]反射調制器通過對反射的小部分能量激光進行調制，實現與地面的通信。利用反射原理，減少信號發(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準結構實現連續(xù)的激光通信。當光能探測器檢測到有能量激光照射其上時，任務信息存儲器將偵測單元存儲在其內部的信號提取出來，送至激光外調制器。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。激光外調制器為一光敏部件，通過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，實現對激光束進行強度或者相位調制。角錐棱鏡的功能是將調制后的信號激光進行360°反向后，平行入射光路返回地面發(fā)射站，地面發(fā)射站接收無人機返回的信號激光，通過解調器將所需信息提取出來，完成通信過程。
【權利要求】
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、激光驅動單元、激光器單元、光束整形單元、光學天線、二維轉臺、電子羅盤、GPS傳感探測器、CXD圖像處理單元、跟蹤捕獲控制單元和解調單元組成；其中電源經激光驅動單元與激光器單元的輸入端相連，激光器單元的輸出端經光束整形單元連接光學天線的輸入端；光學天線安裝在二維轉臺上，電子羅盤、GPS傳感探測器和CCD圖像處理單元固定在二維轉臺上、并處于光學天線的外圍；采集光學天線的位置信息的電子羅盤、采集飛行器的地理位置信息的GPS傳感探測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臺的轉動電機；光學天線的輸出端連接解調單元； 上述飛行器主要由光電能量轉換單元、能量管理單元、電池組、偵測單元和反射調制器組成；其中光電能量轉換單元通過激光與光學天線的激光發(fā)射端無線連接，光電能量轉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單元；電池組的輸出端連接用電單元；偵測單元的輸出端連接反射調制器，反射調制器通過激光與光學天線的激光接收端無線連接。
2.根據權利要求1所述的飛行器激光供能通訊系統(tǒng)，其特征在于:所述反射調制器包括光能探測器、角錐棱鏡、激光外調制器和任務信息存儲器；任務信息存儲器的輸入端連接偵測單元，任務信息存儲器的輸出端連接激光外調制器；光能探測器連接激光外調制器的控制端；激光外調制器與角錐棱鏡相連；激光外調制器通過激光與光學天線的激光接收端無線連接。
3.根據權利要求1所述的飛行器激光供能通訊系統(tǒng)，其特征在于:還進一步包括溫控單元，電源經溫控單元連接激光器單元。
4.根據權利要求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體激光器陣列。
【文檔編號】H04B10/80GK103780313SQ201410026821
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權日:2014年1月21日
【發(fā)明者】蘇磊 申請人:桂林航天光比特科技股份公司