CN109474330A - 用于无人机的激光通信与跟瞄系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无人机的激光通信与跟瞄系统，光电跟瞄子系统跟踪和定位无人机后，通过中继光路子系统将通信子系统发出的信标光和信号光送无人机，同时接收无人机信号，实现了无人机与主控计算机的无线激光通信，将无人机的位置以及飞行姿态实时传输到带有液晶显示器的主控计算机终端。在对运动目标进行能量传输时，跟踪瞄准精度很高,并且能量传输效率稳定，实现了无人机激光通信与跟踪瞄准，能够充分结合无人机的结构特性进行远程激光充电。其高精度的实时跟瞄系统可为无人机提供不间断的电力，不需要人为的控制和调整入射激光的角度，可以保证太阳能电池始终输出最大功率，从而能大大减少机上的储能设备，能量传输稳定。

Description

用于无人机的激光通信与跟瞄系统

技术领域

本发明涉及一种通信跟踪技术，特别涉及一种用于无人机的激光通信与跟瞄系统。

背景技术

近年来,空中飞行器,尤其是小型飞行器技术发展迅速,目前小型飞行器续航能力有限,需要定期降落充电,会影响其工作效率,为了提高无人机的续航时间,使用激光进行充电也就成为了人们新的选择。就目前激光充电技术而言,仍然面临亟待解决的技术问题,例如激光角度衰竭系数大,难以保证激光正入射条件,使得能量传输效率较低,造成大量能量损耗。

随着科学技术的不断发展,激光无线传能技术已广泛应用于人们的日常生活、工作以及工业中,为人们的生活带来了极大的便利,且近年来大功率激光技术和高效率光电转换技术的发展,为激光无线能量传输技术的进一步研究提供了坚实的基础。激光无限能量传输技术是以大功率激光光束为能量介质,利用光电效应实现能量传输。由于激光光束的发散角度小和能量密度大,可以实现远距离大功率传输,接收设备的尺寸远小于微波传能系统,便于集成到小型设备中,且不产生射频干扰。其中,跟踪瞄准系统是激光传能系统的关键子系统,跟踪瞄准精度直接决定了激光能量传输的效率。尤其是当目标系统即接收激光能量的系统是移动目标例如无人机或空间航天器等时,精度低的跟踪瞄准系统会导致部分激光光束“脱靶”,以使部分光电池板没有接收到激光辐照,造成能量的损失,直接导致能量传输效率降低。

发明内容

本发明是针对激光传能系统存在的问题，提出了一种用于无人机的激光通信与跟瞄系统，在对运动目标进行能量传输时，跟踪瞄准精度很高,并且能量传输效率稳定，实现了无人机激光通信与跟踪瞄准，能够充分结合无人机的结构特性进行远程激光充电。

本发明的技术方案为：一种用于无人机的激光通信与跟瞄系统，包括光电跟瞄子系统、中继光路子系统和通信子系统，

光电跟瞄子系统包括粗跟踪控制子系统和精跟踪控制子系统，其中粗跟踪控制子系统通过GPS引导自动捕获，以大视场相机对目标通信终端进行定位，采用两轴稳定跟踪伺服转台作为执行机构，完成扫描捕获目标以及对目标大角度低频扰动的跟踪补偿后将跟踪信号送入精跟踪控制子系统，精跟踪控制子系统以高帧频小视场相机对光斑进行高精度快速定位，以PZT振镜作为光束偏转机构，实现对小角度高频扰动的精密跟踪，补偿粗跟踪的残留误差；

中继光路包括透射式望远镜、双色分光片、分光片和透镜，PZT振镜位置调整到位后，透射式望远镜将无人机信标光和信号光接收进入中继光路；PZT振镜反射通过双色分光片将信号光与信标光的分路，信号光通过分光片反射和透镜聚焦进入通信子系统中信号光接收送通信子系统，信标光通过透镜聚焦进入精跟踪相机定位；系统通信子系统发射出的信号光射透过分光片再经过双色分光片反射，与透过双色分光片的系统通信子系统发射出的信标光合并后经过PZT振镜反射进入透射式望远镜，将信号光和信标光送出；

通信子系统以主控计算机为控制中心，完成信标光和信号光信号的接收、发射、调制和解调，分别通过D/A卡输出电压控制伺服转台速度和PZT振镜位置，通过千兆网口和USB接口获取粗跟踪和精跟踪控制子系统中相机数据；通过串口送激光器功率、电源模块和通信子系统工作模式信号。

所述粗跟踪控制子系统通过数传电台得到目标终端的GPS坐标，捕获目标终端利用自身GPS坐标和目标GPS坐标解算出指向角度，并根据自身姿态信息，驱动放置大视场相机的转台指向目标，大视场相机在小范围内扫描寻找目标，扫描方式采用回形扫描，扫描步长为大视场相机视场，直到大视场相机视场出现目标终端，完成捕获过程。

本发明的有益效果在于：本发明用于无人机的激光通信与跟瞄系统，实现了无人机与主控计算机的无线激光通信，将无人机的位置以及飞行姿态实时传输到带有液晶显示器的主控计算机终端。其高精度的实时跟瞄系统可为无人机提供不间断的电力,不需要人为的控制和调整入射激光的角度，可以保证太阳能电池始终输出最大功率,从而能大大减少机上的储能设备,相应的将增加无人机的有效载荷，能量传输稳定。

附图说明

图1为本发明无线激光通信与跟瞄系统结构示意图；

图2为本发明用于无人机的激光通信与跟瞄系统运用实施例图。

具体实施方式

无人机激光充电系统主要包括电源、激光器、跟瞄系统、光伏阵列、充电电池等。电源系统作为能量源,为激光器供电,将电能转化为激光能量制冷系统的协同作用能够保证更高的能量转化效率。激光能量经过跟瞄系统之后,准确传输到光伏阵列上，光伏阵列将激光能量转化为电能,为电池充电,从而为发动机提供能量或者完成其它任务。

在激光远程充电的过程中,由于接收端太阳能电池板的面积较小,要求发射端的功率确实到达太阳能电池板上,这就需要精确对准。因此在系统传递功率之前要通过激光进行对准。然而进行对准的信标光在大气传输的时候,会因大气的闪烁等原因引起光斑的漂移,造成跟踪上的误差。其次由于传输的激光功率较大,在传输过程中易对飞鸟等其他物体造成伤害。为此在充电系统中加入保证安全的子系统必不可少。当该子系统检测到激光传输路径上有其他物体阻挡时,应立即关闭系统并停止传输能量。除此之外,激光器的发射角一般比较大,经过远距离的传输射在发生端的光斑会比较大,为了让激光能量全部照射在太阳能电池板上,就必须使用光学元件对激光的发射光束进行准直。对于大功率的激光器,仅使用单透镜系统进行准直,效率较低,同时准直效果也不太理想,准直后往往形成椭圆形,这样的光斑能量分散。为此必须设计更加复杂的光电跟瞄系统。

光电跟瞄系统建立激光通信链路包括三个工作过程。首先要对目标终端所在的不确定区域进行扫描，直到收发双端互相接收到对方发射的信标光，这个过程称为捕获。其次通过跟踪技术保证收发双端在目标运动和平台振动的情况一直处于对准状态。最后实现激光光束的精密瞄准，激光通信跟瞄系统的最终目的是把激光能量耦合进信号接收探测器，需要精密瞄准修正信号光轴与跟踪信标光轴存在的调校误差，以及远距离星间星地通信存在的超前瞄准误差。

本发明无线激光通信与跟瞄系统定位无人机后，将激光能量送无人机，给无人机光伏充电供能，无线激光通信与跟瞄系统包括光电跟瞄子系统、中继光路子系统和通信子系统。

如图1所示无线激光通信与跟瞄系统，光电跟瞄子系统采用粗跟踪－精跟踪控制子系统复合轴控制结构。其中粗跟踪控制子系统以大视场相机1对目标通信终端进行定位，采用两轴稳定跟踪伺服转台作为执行机构，用于完成扫描捕获目标以及对目标大角度低频扰动的跟踪补偿，使其进入精跟踪探测器视场，辅助精跟踪控制子系统进一步完成满足通信要求的跟踪控制精度。精跟踪控制子系统以高帧频小视场相机3对光斑进行高精度快速定位，以带宽的压电陶瓷(PZT)驱动反射镜作为光束偏转机构，即用PZT控制方法控制PZT振镜2位置实现对小角度高频扰动的精密跟踪，补偿粗跟踪的残留误差，建立并保持通信链路，从而完成激光通信数据传输。

中继光路由一系列的分光片和透镜组成，实现对信标光(808nm)和信号光(1550nm)的接收、发射、分路以及合路。PZT振镜2位置调整到位后，发射/接收天线采用透射式望远镜将无人机信标光和信号光接收进入中继光路；PZT振镜3反射通过双色分光片4将信号光与信标光的分路，信号光通过分光片5反射和透镜聚焦进入通信子系统中信号光接收送通信子系统，信标光通过透镜聚焦进入精跟踪相机定位；系统通信子系统发射出的信号光射透过分光片5再经过双色分光片4反射，与透过双色分光片4的系统通信子系统发射出的信标光合并后经过PZT振镜2反射进入透射式望远镜，将信号光和信标光送出。

整个通信子系统以主控计算机为控制中心，完成信标光和信号光信号的接收、发射、调制和解调，分别通过D/A卡输出电压控制伺服转台速度和PZT振镜位置；通过千兆网口和USB3.0获取粗跟踪和精跟踪相机数据；通过串口送激光器功率、电源模块和通信子系统工作模式信号。

无线激光通信与跟瞄系统具有目标捕获和跟踪两个功能。由于激光发散角和光学天线接收口径都很小，光束的捕获对准困难。初始捕获时扫描的不确定区域大，捕获时间较长，延长了激光通信链路建立的时间。采用GPS坐标解算激光通信终端之间的指向角，减小扫描区域，实现自动快速捕获对准是一种有效的解决方法，应用于无人机等移动终端的激光通信，能极大地减小激光链路的建立时间。图1所示GPS引导自动捕获系统主要由GPS、数传电台和姿态传感器组成，均通过RS232接口与主控计算机连接。

GPS引导自动捕获过程分为指向、扫描两个步骤。第一步，通过数传电台得到目标终端的GPS坐标，捕获终端利用自身GPS坐标和目标GPS坐标解算出指向角度，并根据自身姿态信息，驱动放置大视场相机的转台指向目标，此时，由于传感器误差导致初始指向不确定区域的存在，相机不一定捕获目标终端。第二步，在小范围内扫描寻找目标，扫描方式采用回形扫描，扫描步长为相机视场，直到相机视场出现目标终端，完成捕获过程。

主控计算机通过相机获取目标终端的位置，通过D/A卡输出控制电压，电机驱动器将电压转换为相应的速度命令，驱动伺服电机转动，并通过减速机构带动转台，从而控制光学天线的视轴对准目标终端。

激光器终端根据GPS引导先捕获无人机终端，无人机终端扫描捕获激光器终端。激光器终端根据数传电台实时传回的无人机GPS坐标，解算初始指向角，转动光学天线指向目标。此时粗跟踪相机视场中捕获无人机终端，但是由于无人机终端的信标光未对激光器终端，需要采用图像跟踪无人机终端，使目标提取能同时区别于暗背景(岸边树木和房屋等)和亮背景(天空和水面)无人机终端在姿态稳定的情况下，采用人工对准方式初始对准，然后进行扫描，当扫描到激光器终端发射的信标光后立即跟踪锁定，此时无人机终端的信标光也对准激光器终端，完成双向信标光捕获。

完成双向捕获后，粗跟踪子系统立即将信标光跟踪锁定在粗跟踪视场中心，使信标光进入精跟踪视场，精跟踪子系统对粗跟踪稳定后剩余的高频小幅度扰动进一步跟踪。

无线激光通信与跟瞄系统建立激光链路后，开始通信,主控计算机与无人机建立了激光通信，由主控计算机显示无人机实时的位置以及飞行姿态。主控计算机驱动激光器对无人机的光伏电池板进行实时的跟踪瞄准，锁定无人机光伏电池板的位置后，激光能量经过跟瞄系统之后，准确传输到光伏阵列上，光伏阵列将激光能量转化为电能，为电池充电。该系统大大提高了光伏电池板的能量转换效率，从而实现了无人机的激光通信与无线充电。如图2为本发明用于无人机的激光通信与跟瞄系统运用实施例图。

该系统实现了无人机与激光器终端的无线激光通信，将无人机的位置以及飞行姿态实时传输到主控计算机上，主控计算机驱动激光器对无人机的光伏电池板进行实时的跟踪瞄准，锁定无人机光伏电池板的位置后，激光能量经过跟瞄系统之后，准确传输到光伏阵列上，光伏阵列将激光能量转化为电能，为电池充电。该系统大大提高了光伏电池板的能量转换效率，从而实现了无人机的激光通信与无线充电。其高精度的实时跟瞄系统可为无人机提供不间断的电力,不需要人为的控制和调整入射激光的角度，可以保证太阳能电池始终输出最大功率，跟踪瞄准精度高且能量传输效率稳定。

Claims (2)

1.一种用于无人机的激光通信与跟瞄系统，其特征在于，包括光电跟瞄子系统、中继光路子系统和通信子系统，

光电跟瞄子系统包括粗跟踪控制子系统和精跟踪控制子系统，其中粗跟踪控制子系统通过GPS引导自动捕获，以大视场相机对目标通信终端进行定位，采用两轴稳定跟踪伺服转台作为执行机构，完成扫描捕获目标以及对目标大角度低频扰动的跟踪补偿后将跟踪信号送入精跟踪控制子系统，精跟踪控制子系统以高帧频小视场相机对光斑进行高精度快速定位，以PZT振镜作为光束偏转机构，实现对小角度高频扰动的精密跟踪，补偿粗跟踪的残留误差；

中继光路包括透射式望远镜、双色分光片、分光片和透镜，PZT振镜位置调整到位后，透射式望远镜将无人机信标光和信号光接收进入中继光路；PZT振镜反射通过双色分光片将信号光与信标光的分路，信号光通过分光片反射和透镜聚焦进入通信子系统中信号光接收送通信子系统，信标光通过透镜聚焦进入精跟踪相机定位；系统通信子系统发射出的信号光射透过分光片再经过双色分光片反射，与透过双色分光片的系统通信子系统发射出的信标光合并后经过PZT振镜反射进入透射式望远镜，将信号光和信标光送出；

通信子系统以主控计算机为控制中心，完成信标光和信号光信号的接收、发射、调制和解调，分别通过D/A卡输出电压控制伺服转台速度和PZT振镜位置，通过千兆网口和USB接口获取粗跟踪和精跟踪控制子系统中相机数据；通过串口送激光器功率、电源模块和通信子系统工作模式信号。

2.根据权利要求1所述用于无人机的激光通信与跟瞄系统，其特征在于，所述粗跟踪控制子系统通过数传电台得到目标终端的GPS坐标，捕获目标终端利用自身GPS坐标和目标GPS坐标解算出指向角度，并根据自身姿态信息，驱动放置大视场相机的转台指向目标，大视场相机在小范围内扫描寻找目标，扫描方式采用回形扫描，扫描步长为大视场相机视场，直到大视场相机视场出现目标终端，完成捕获过程。