CN110289911A - 在激光无线能量传输系统中实现功率信息复合传输的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了在激光无线能量传输系统中实现功率信息复合传输的方法，属于电通信的技术领域。该方法对待发射的数据进行编码调制得到使得双向变换器功率平衡的二进制信号帧，通过比较激光接收端光伏阵列输出电流每个脉冲周期的平均值和一个信号帧的总平均值控制激光接收端，布局在激光接收端的调制回复反射器在可控电平信号控制下将射入接收端的部分主光束调制为脉冲光，从而实现接收端信号的调制与发射，进而实现了整个系统的功率单向传输和信号双向传输。

Description

在激光无线能量传输系统中实现功率信息复合传输的方法
技术领域
本发明公开了在激光无线能量传输系统中实现功率信息复合传输的方法，属于电通信的技术领域。
背景技术
随着电气设备的日益普及，以接触导电为主的传统供电模式存在着移动性差、不安全可靠等问题。尤其是在用电设备和供电系统存在相对移动的系统中，为满足物理接触需要较多的附加设备，给用电设备的应用带来不便。而无线激光电能传输具有传输距离远、定向性好的优点，适合于对无人机、坦克、车辆等快速移动目标进行非接触充电。
图1所示为激光无线能量传输系统的通用结构。在发射端，电网或储能单元中的电能经激光电源提供给激光器，激光器将电能转换成激光传输出去。在接收端，高聚光型的光伏电池将高能量密度的激光转换成电能，这些电能再经功率变换器变换提供给负载和储能单元。
激光电能传输系统在为移动目标充电时需实时获得目标的速度、位置和光伏板上光斑强度等信息，因此系统在传递功率的同时也在进行信息的交换。目前，激光电能传输系统多采用传统的无线电通信方式，这种传统方式不仅易受干扰还要多增加一批设备，提高了系统的复杂程度，降低了系统的灵活性，从而限制了该电能传输系统在某些领域的应用，例如，在战场上为无人机无线充电。
综上，探索利用激光无线能量传输系统实现信号传输的方法，并提出一种用激光无线能量传输系统实现功率信号复合传输的方法，可以提升系统通信的稳定性，减少系统复杂程度，对发展激光无线能量传输基础理论和关键技术的研究具有重要理论意义和实际应用价值。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种在激光无线能量传输系统中实现功率信息复合传输的方法，在发射端采用单向变换器与双向变换器输出并联的方式控制激光器输入电流，同时通过插入校验位来保证双向变换器储能电容上的功率平衡，在接收端使用简单的采样手段对信号进行解调，利用MRR反射部分激光束并调制成激光脉冲，保证系统实现功率传递的同时减少了系统复杂度，同时提高了通信的稳定性，解决了目前缺乏针对实际应用场合下激光无线能量传输系统进行功率信号复合传输的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
激光无线能量传输系统分为发射端与接收端，发射端包括：单向变换器、双向变换器、半导体激光器、光电检测装置、发射端控制模块及调制器，接收端包括：光伏阵列、解调器、光伏变换器、MRR、解调器、接收端控制模块。功率信号复合传输方法包括发射端信号调制方法、接收端信号解调方法、接收端信号调制方法，实现功率单向传输和信号双向传输。
发射端信号调制方法具体指：将要发射的二进制数据每8位进行一次打包，构造对应的18位信号帧，格式为：起始位0—8位信息—8位校验—停止位1，其中，8位校验的要求为保持一帧中0和1的个数相等；利用调制器将18位信号帧转化为参考电平信号i ref后输入到双向变换器的控制器中，以此控制双向变换器的输出电流；利用双向变换器输出对应的正负脉冲电流i AC，正脉冲视为信号“1”，负脉冲视为信号“0”。将18个脉冲周期视为一个信号帧，在一帧周期内的正负脉冲数量相等，将其叠加到单向变换器的平直电流i DC上，将叠加得到的合成电流i LD输入激光器，发射出光强随i LD变化而变化的激光束，从而实现在发射激光中调制信号的功能。
接收端信号解调方法具体指：在一帧周期内，通过对光伏阵列的输出电流i pv采样得到一帧周期的电流总平均值和18个脉冲周期的电流平均值，比较每个脉冲周期的平均值与总平均值的大小，平均值大于总平均值的脉冲周期传递信号“1”，反之传递信号“0”，从而实现信号解调。
接收端信号调制方法具体指：将发射激光束的一小部分射入接收端的调制回复反射器（MRR），对接收到的激光进行由电信号V re控制的调制并反射回发射端，发射端的光电检测装置将MRR发出的脉冲光转换为电信号后输入发射端控制模块，实现功率单向传输的同时完成信号的双向传输。当V re为高电平时，MRR反射激光束；当V re为低电平时，MRR停止反射激光束。以此方式，MRR反射出随V re变化的激光脉冲，以光功率的有无表征信号“0”与“1”，从而实现接收端信号调制与发射。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）考虑到现有技术中针对激光无线能量传输系统信号传输的研究较少，本发明提出一种用激光无线能量传输系统实现功率信号复合传输的方法，摒弃了传统的无线通信模式，对待发射数据进行编码调制得到使得激光驱动器中双向变换器功率平衡的二进制信号帧，接收端对接收的信号进行解码得到接收端控制信号，保证系统实现功率传递的同时减少了系统复杂度，同时提高了通信的稳定性。
（2）利用布局在接收端的MRR对接收的光信号进行可控电压下的调制得到反馈至发射端的脉冲光，在实现功率单向传输的同时实现了信号的双向传输，使信能同传方式长时间稳定工作。
（3）本发明所提出的调制与解调方法简洁方便，计算量小，利用MMR实现接收端的激光发射无需增加独立的激光发射源，能够在不增加其它设备的情况下扩展无线激光电能传输系统的通信功能，精简了系统，同时兼顾了功率平衡与信号校验。
附图说明
图1是激光电能传输系统的整体结构图。
图2是发射数据及其对应的参考电平信号坐标图。
图3是单向变换器传递平直电流的坐标图。
图4是双向变换器传递脉冲电流的坐标图。
图5是单向变换器和双向变换器传递合成电流的坐标图。
图6是接收端信号解调方法的控制流程图。
图7是MRR反射激光脉冲光强的坐标图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
图1所示的激光无线能量传输系统中，半导体激光器(Laser Diode, LD)将电能转换成激光，经自由空间传输至远端的光伏接收器。在接收端光伏阵列将激光重新转换成电能，提供给负载。其中，LD是电流注入型器件，不同特征的输入电流对其发出的激光有决定性影响。
发射端调制信号时，将要发射的二进制数据每8位进行一次打包，构造对应的18位信号帧，格式为：起始位0—8位信息—8位校验—停止位1，其中，8位校验的要求为保持一帧中0和1的个数相等。利用调制器将信号帧转化为参考电平信号i ref输入到双向变换器的控制器中，以此控制双向变换器的输出电流，图2是发射数据及其对应的参考电平信号坐标图。利用双向变换器输出对应的正负脉冲电流i AC，正脉冲视为信号“1”，负脉冲视为信号“0”。将18个脉冲周期视为一个信号帧，在一帧周期内的正负脉冲数量相等，将其叠加到单向变换器的平直电流i DC上，将叠加得到的合成电流i LD输入激光器，发射出光强随i LD变化而变化的激光束，从而实现在发射激光中调制信号的功能。图3为单向变换器传递平直电流i DC的坐标图。由图3可知，单向变换器负责提供低纹波的平直电流，该电流的大小决定了激光器平均发射光功率的大小，但不包含任何信息。图4是双向变换器传递脉冲电流i AC的坐标图，由图4可知，双向变换器负责提供幅值相同的正负脉冲电流，在一帧周期内电流平均值为0，因此该电流不影响激光器平均发射光功率，但包含了需要发送的信息，同时保证了储能电容的能量平衡。图5是单向变换器和双向变换器传递合成电流i LD的坐标图，由图5可知一帧周期内i LD与i DC的平均值相等。
接收端信号解调时，在一帧周期内，通过对光伏阵列的输出电流i pv采样，得到一帧周期的电流总平均值I avg和18个脉冲周期的电流平均值I N_avg，比较每个脉冲周期的平均值与总平均值的大小，平均值大于总平均值的脉冲周期传递信号“1”，反之传递信号“0”，得到整个信息帧的数据，提取其中2-9位的数据，完成信息解调。接收端信号解调方法的控制流程图如图6所示。
MRR接收并反射发射激光束中的一小部分，V re为与发射数据对应的电信号。当V re为高电平时，MRR反射激光束；当V re为低电平时，MRR停止反射激光束。以此方式，MRR反射出随V re变化的激光脉冲，从而实现接收端信号调制与发射。图7是MRR反射的激光脉冲光强坐标图。

Claims (6)

1.在激光无线能量传输系统中实现功率信息复合传输的方法，其特征在于，对以单向变换器和双向变换器的输出端并接的激光驱动电源，对待发射的数据进行编码调制得到使得双向变换器功率平衡的二进制信号帧，通过比较激光接收端光伏阵列输出电流每个脉冲周期的平均值和一个信号帧的总平均值控制激光接收端。
2.根据权利要求1所述在激光无线能量传输系统中实现功率信息复合传输的方法，其特征在于，对激光发射端发射的部分主光束进行可控电信号下的调制获得反馈至激光发射端的脉冲光。
3.根据权利要求1所述在激光无线能量传输系统中实现功率信息复合传输的方法，其特征在于，所述二进制信号帧包含信息位以及使得一帧信号中0和1个数相等的校验位。
4.根据权利要求1所述在激光无线能量传输系统中实现功率信息复合传输的方法，其特征在于，将双向变换器输出的正负脉冲电流叠加到单向变换器输出的平直电流上获得激光器的输入电流。
5.实现权利要求1所述功率信息复合传输方法的装置，其特征在于，包括：
发射端控制模块，将待发射的数据编码调制为使得双向变换器功率平衡的二进制占空比信号，
调制器，将使得双向变换器功率平衡的二进制占空比信号转换为双向变换器的电流参考信号，
解调器，对激光接收端光伏阵列的输出电流按脉冲周期和信号帧时长采样，比较激光接收端光伏阵列输出电流每个脉冲周期的平均值和一个信号帧的总平均值后输出激光接收端的占空比信号，及，
接收端控制模块，将激光接收端的占空比信号转换为激光接收端的控制信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该装置还包括：
置于激光接收端的调制回复反射器，对射入接收端的主光束进行电平信号控制下的调制获得脉冲光，及，
置于激光发射端的光电检测装置，用于将激光接收端发出的脉冲光转换为电信号后传输至发射端控制模块。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111181640A (zh) * 2020-01-07 2020-05-19 西安理工大学 一种无人机续航装置及续航方法
CN112600620A (zh) * 2020-11-09 2021-04-02 武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司 一种大范围一对多单向激光通信装置及方法
CN112865867A (zh) * 2021-01-08 2021-05-28 中山大学 一种基于多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统及方法
CN113541805A (zh) * 2021-06-11 2021-10-22 南京航空航天大学 一种基于激光无线能量传输系统实现携能双向通信的方法
CN114614901A (zh) * 2022-01-10 2022-06-10 南京航空航天大学 基于激光无线能量传输系统实现多通道信能同传的方法
CN114826431A (zh) * 2022-06-29 2022-07-29 中国科学院空天信息创新研究院 激光传输装置
CN116191694A (zh) * 2023-04-26 2023-05-30 中国科学院空天信息创新研究院 激光无线能量信息同步传输系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103795492A (zh) * 2013-09-30 2014-05-14 深圳光启创新技术有限公司 光通信系统中的编码/解码方法、装置和系统
US20150102680A1 (en) * 2013-09-05 2015-04-16 Paolo Menegoli Wireless Power Transmission in Portable Communication Devices
CN104600855A (zh) * 2014-12-30 2015-05-06 南京航空航天大学 一种激光器驱动电源及其实现功率信号复合传输的方法
CN105611676A (zh) * 2016-02-26 2016-05-25 杭州电子科技大学 一种直接利用电力线传输信号的路灯调光系统
CN107332301A (zh) * 2017-06-29 2017-11-07 南京航空航天大学 基于效率优化的激光无线电能传输系统的能量控制方法
CN108880682A (zh) * 2018-07-25 2018-11-23 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 一种基于编码的可见光通信调光控制方法及系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150102680A1 (en) * 2013-09-05 2015-04-16 Paolo Menegoli Wireless Power Transmission in Portable Communication Devices
CN103795492A (zh) * 2013-09-30 2014-05-14 深圳光启创新技术有限公司 光通信系统中的编码/解码方法、装置和系统
CN104600855A (zh) * 2014-12-30 2015-05-06 南京航空航天大学 一种激光器驱动电源及其实现功率信号复合传输的方法
CN105611676A (zh) * 2016-02-26 2016-05-25 杭州电子科技大学 一种直接利用电力线传输信号的路灯调光系统
CN107332301A (zh) * 2017-06-29 2017-11-07 南京航空航天大学 基于效率优化的激光无线电能传输系统的能量控制方法
CN108880682A (zh) * 2018-07-25 2018-11-23 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 一种基于编码的可见光通信调光控制方法及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
姜丽 等: "一种实现功率信息双传输的半导体激光器驱动电源", 《电工技术学报》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111181640A (zh) * 2020-01-07 2020-05-19 西安理工大学 一种无人机续航装置及续航方法
CN111181640B (zh) * 2020-01-07 2023-02-03 西安理工大学 一种无人机续航装置及续航方法
CN112600620A (zh) * 2020-11-09 2021-04-02 武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司 一种大范围一对多单向激光通信装置及方法
CN112865867A (zh) * 2021-01-08 2021-05-28 中山大学 一种基于多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统及方法
CN112865867B (zh) * 2021-01-08 2022-04-29 中山大学 一种基于多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统及方法
CN113541805A (zh) * 2021-06-11 2021-10-22 南京航空航天大学 一种基于激光无线能量传输系统实现携能双向通信的方法
CN114614901A (zh) * 2022-01-10 2022-06-10 南京航空航天大学 基于激光无线能量传输系统实现多通道信能同传的方法
CN114826431A (zh) * 2022-06-29 2022-07-29 中国科学院空天信息创新研究院 激光传输装置
CN114826431B (zh) * 2022-06-29 2022-10-11 中国科学院空天信息创新研究院 激光传输装置
CN116191694A (zh) * 2023-04-26 2023-05-30 中国科学院空天信息创新研究院 激光无线能量信息同步传输系统
CN116191694B (zh) * 2023-04-26 2023-08-04 中国科学院空天信息创新研究院 激光无线能量信息同步传输系统

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