CN116191694A - 激光无线能量信息同步传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光无线能量信息同步传输系统，涉及无线能量信息同步传输技术领域，包括激光能量与信息发射端和激光能量与信息接收端；激光能量与信息发射端包括顺次连接的激光器电源控制器、激光器电源和激光器，激光器电源包括以并联方式连接的激光能量供应电路和激光信号控制电路；激光能量供应电路用于基于激光器电源控制器发送的能量控制信号向激光器提供目标能量驱动电流；激光信号控制电路用于基于激光器电源控制器发送的信息控制信号向激光器提供目标信号驱动电流。本发明可以避免大功率激光直接调制损伤激光器，并且较小的驱动电源波动使激光能量更加均匀稳定，进而使得接收端可以从激光中获得更加稳定的电能和质量更高的电信号。

Description

激光无线能量信息同步传输系统
技术领域
本发明涉及无线能量信息同步传输技术领域，尤其涉及一种激光无线能量信息同步传输系统。
背景技术
无线电能传输（Wireless Power Transmission，WPT）技术是一种基于非导线接触方式，借助电磁波、微波和激光等物理空间能量载体实现电能由电源侧传输至负载侧的技术，具有随时充电、无需插拔、无电气接触、安全可靠，并支持多设备同时充电的特点，使得摆脱电缆的束缚成为可能，极大地增加为用电设备供电的便利性与灵活性。
由于激光具有单色性好、方向性强、功率密度大和能量集中的特点，可将能量以光的形式在空间中远距离传输，而且由于激光具备能量集中且可高频调制的特点，在传输能量的同时可用于传递信息。因此，近年来激光无线能量信息同步传输（Simultaneous LaserWireless Power Information Transmission，SLWPIT）技术得到了广泛应用。
相关技术中SLWPIT通过控制激光器驱动电源进行内调制，即直接应用激光束能量的断续来表征信号。该种对大功率激光直接调制的方式，不仅有损激光器的寿命，且高频调制时激光器电源的内部延时以及激光器激光发射延时的存在，导致激光通信速度受限。并且，调制完成后的激光强度跟随信息流高频闪烁波动，进而导致激光接收端电能的不稳定，给后端能量的变换和存储增加困难。此外，断续地能量传递，将严重影响系统能量地传递效率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种激光无线能量信息同步传输系统。
第一方面，本发明提供一种激光无线能量信息同步传输系统，包括：激光能量与信息发射端，以及激光能量与信息接收端；
所述激光能量与信息发射端包括顺次连接的激光器电源控制器、激光器电源和激光器，所述激光器电源包括以并联方式连接的激光能量供应电路和激光信号控制电路；
所述激光器电源控制器用于向所述激光能量供应电路发送能量控制信号，并向所述激光信号控制电路发送信息控制信号；
所述激光能量供应电路用于基于所述能量控制信号向所述激光器提供目标能量驱动电流；
所述激光信号控制电路用于基于所述信息控制信号向所述激光器提供目标信号驱动电流；
所述激光器用于基于所述目标能量驱动电流和所述目标信号驱动电流发射携带能量和信号的激光；
所述激光能量与信息接收端用于接收所述激光器发射的所述激光，并将所述激光转换为电能和电信号后分别对所述电能和所述电信号进行处理。
可选地，根据本发明提供的一种激光无线能量信息同步传输系统，所述激光能量供应电路和所述激光信号控制电路通过第一功率开关管和第二功率开关管并联连接；
所述激光能量供应电路还用于控制所述第一功率开关管的导通与关断，所述激光信号控制电路还用于控制所述第二功率开关管的导通与关断。
可选地，根据本发明提供的一种激光无线能量信息同步传输系统，所述激光信号控制电路包括信号幅值控制电路、第一驱动电路、第一DC-DC变换器、信号调制及通信频率控制电路、第二驱动电路和直流脉冲转换电路；
所述信号幅值控制电路用于对所述信息控制信号中的幅值控制信号进行整形调理后形成第一控制信号，所述第一控制信号经所述第一驱动电路进行放大后输入所述第一DC-DC变换器；
所述信号调制及通信频率控制电路用于对所述信息控制信号中的脉冲控制信号进行整形调理后形成第二控制信号，所述第二控制信号经所述第二驱动电路放大后输入所述直流脉冲转换电路；
所述第一DC-DC变换器与所述直流脉冲转换电路连接，所述直流脉冲转换电路用于将所述第一DC-DC变换器输出的直流信号变换为携带数据信息的脉冲信号。
可选地，根据本发明提供的一种激光无线能量信息同步传输系统，所述第一控制信号经所述第一驱动电路进行放大后具有控制所述第二功率开关管的导通与关断的功能。
可选地，根据本发明提供的一种激光无线能量信息同步传输系统，所述直流脉冲转换电路包括顺次连接的逆变电路、高频脉冲变换器、整流二极管和电感。
可选地，根据本发明提供的一种激光无线能量信息同步传输系统，所述激光能量供应电路包括激光能量控制电路、第三驱动电路和AC-DC变换器；
所述激光能量控制电路用于对所述能量控制信号进行整形调理后形成第三控制信号，所述第三控制信号经所述第三驱动电路放大后输入所述AC-DC变换器；
所述AC-DC变换器用于将输入所述AC-DC变换器的交流信号变换为直流信号。
可选地，根据本发明提供的一种激光无线能量信息同步传输系统，所述第三控制信号经所述第三驱动电路放大后具有控制所述第一功率开关管的导通与关断的功能。
可选地，根据本发明提供的一种激光无线能量信息同步传输系统，所述激光能量与信息接收端包括顺次连接的光伏电池阵列、信号处理电路、第二DC-DC变换器和储能电池；
所述光伏电池阵列用于接收所述激光器发射的所述激光，并将所述激光转换为所述电能和所述电信号；
所述信号处理电路用于分离所述电能和所述电信号，并将分离后的所述电能传输至所述第二DC-DC变换器，并对分离后的所述电信号进行处理；
所述第二DC-DC变换器用于对输入的所述电能进行升压稳流后存储至所述储能电池。
可选地，根据本发明提供的一种激光无线能量信息同步传输系统，所述信号处理电路包括顺次连接的信号解调电路、信号调理电路和分析解码电路；
所述信号解调电路用于分离所述电能和所述电信号，并将分离后的所述电能传输至所述第二DC-DC变换器，将分离后的所述电信号传输至所述信号调理电路；
所述信号调理电路用于对输入的所述电信号进行整形滤波后输出至所述分析解码电路；
所述分析解码电路用于对经所述信号调理电路整形滤波后的所述电信号进行解析。
可选地，根据本发明提供的一种激光无线能量信息同步传输系统，所述激光能量与信息接收端还包括负载，所述负载与所述第二DC-DC变换器连接；
所述第二DC-DC变换器还用于对输入的所述电能进行升压稳流后输出给所述负载。
本发明提供的激光无线能量信息同步传输系统，通过采用激光器内调制的方式，在激光器电源中设置以并联方式连接的激光能量供应电路和激光信号控制电路，并基于激光能量供应电路和激光信号控制电路向激光器提供目标能量驱动电流和目标信号驱动电流，即在激光能量的大电流驱动电源上加载携带信号的小电流电源，可以避免大功率激光直接调制损伤激光器，并且较小的驱动电源波动使激光能量更加均匀稳定，进而使得激光能量与信息接收端可以从激光器发射的激光中获得更加稳定的电能和质量更高的电信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的激光无线能量信息同步传输系统的结构示意图；
图2是本发明提供的激光器电源的结构示意图；
图3是本发明提供的直流脉冲转换电路的结构示意图；
图4是本发明提供的激光器电源控制器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。
为了便于更加清晰地理解本发明各实施例，首先对一些相关的背景知识进行如下介绍。
根据充电方式的不同，WPT技术主要分为感应耦合无线电能传输（InductivelyCoupled Wireless Power Transmission，ICWPT）、磁耦合谐振式无线电能传输（MagneticCoupling Resonance Wireless Power Transmission、MCRWPT）、微波无线电能传输（Microwave Wireless Power Transmission，MWPT）和激光无线能量信息同步传输（Simultaneous Laser Wireless Power Information Transmission，SLWPIT）。
对于ICWPT和MCRWPT，受技术原理的制约，仅适用于近距离（厘米级~米级）能量的无线传输，且距离较大时传输功率快速衰减，无法满足远距离无线电能供应的需求。而对于MWPT，其能量发射端和接收端尺寸较大，虽然不受气候环境制约但其发散角较大，能量利用效率较低，且作为电磁波对仪器设备的电磁环境具有一定的干扰。
激光因其具有单色性好、方向性强、功率密度大和能量集中的特点，可将能量以光的形式在空间中远距离传输。SLWPIT技术依据半导体光伏发电的原理，在激光能量接收端应用激光能量转换组件，可有效的将光能转换为电能。因此，可应用SLWPIT技术为远场仪器设备进行能量的补充供应。此外，由于激光具备能量集中且可高频调制的特点，即通过激光光波强度的调制可完成信息的编码，因此，现阶段应用激光进行无线通信的技术逐渐兴起。激光无线通信具有信息容量大、安全性高且方向性强的优点，具备广泛的应用价值。鉴于激光具备能量与信息传递的能力，科研工作者将二者相结合，在满足对远场设备能量供应的基础上，可进行信息的传递，以此可进行数据的传输和控制命令的传递。
相关技术中，SLWPIT通过控制激光器驱动电源进行内调制，其直接应用激光束能量的断续来表征信号。该种对大功率激光直接调制的方式，不仅有损激光器的寿命，且高频调制时激光器电源的内部延时以及激光器激光发射延时的存在，导致激光通信速度受限。并且，调制完成后的激光强度跟随信息流高频闪烁波动，进而导致激光接收端电能的不稳定，给后端能量的变换和存储增加困难。
为了解决相关技术存在的上述问题，相关技术的另一方面，激光发射端能量和信息传输前，将激光器发出的高强激光束进行分束，即从高强激光束中分离出一束低强度激光进行调制，进而将调制完成后的激光与高能激光束进行合束，在接收端采用光伏电池和光电传感器分别进行能量和信号的接收。该种方式虽然可减少对激光器本身的损害和改善接收端光伏电池输出电能的稳定性，但增加了设备的成本、复杂度和体积，降低了能量信息同步传输系统的集成度。另外，高强激光束的噪声很容易将信号能量淹没，造成通信误码率的增加。
下面结合附图对本发明提供的激光无线能量信息同步传输系统进行示例性的介绍。
图1是本发明提供的激光无线能量信息同步传输系统的结构示意图，如图1所示，该系统包括：激光能量与信息发射端，以及激光能量与信息接收端；
所述激光能量与信息发射端包括顺次连接的激光器电源控制器、激光器电源和激光器，所述激光器电源包括以并联方式连接的激光能量供应电路和激光信号控制电路；
所述激光器电源控制器用于向所述激光能量供应电路发送能量控制信号，并向所述激光信号控制电路发送信息控制信号；
所述激光能量供应电路用于基于所述能量控制信号向所述激光器提供目标能量驱动电流；
所述激光信号控制电路用于基于所述信息控制信号向所述激光器提供目标信号驱动电流；
所述激光器用于基于所述目标能量驱动电流和所述目标信号驱动电流发射携带能量和信号的激光；
所述激光能量与信息接收端用于接收所述激光器发射的所述激光，并将所述激光转换为电能和电信号后分别对所述电能和所述电信号进行处理。
具体地，为了克服现有技术采用对大功率激光直接调制的方式，不仅有损激光器的寿命，并且，调制完成后的激光强度跟随信息流高频闪烁波动，进而导致激光接收端电能的不稳定，给后端能量的变换和存储增加困难的缺陷，本发明通过采用激光器内调制的方式，在激光器电源中设置以并联方式连接的激光能量供应电路和激光信号控制电路，并基于激光能量供应电路和激光信号控制电路向激光器提供目标能量驱动电流和目标信号驱动电流，即在激光能量的大电流驱动电源上加载携带信号的小电流电源，可以避免大功率激光直接调制损伤激光器，并且较小的驱动电源波动使激光能量更加均匀稳定，进而使得激光能量与信息接收端可以从激光器发射的激光中获得更加稳定的电能和质量更高的电信号。
可选地，本发明实施例提供的激光无线能量信息同步传输系统包括激光能量与信息发射端，以及激光能量与信息接收端，其中，激光能量与信息发射端包括顺次连接的激光器电源控制器、激光器电源和激光器，而且激光器电源包括以并联方式连接的激光能量供应电路和激光信号控制电路。
需要说明的是，激光器电源控制器可以向激光能量供应电路发送能量控制信号，以供激光能量供应电路基于能量控制信号向激光器提供目标能量驱动电流；激光器电源控制器还可以向激光信号控制电路发送信息控制信号，以供激光信号控制电路基于信息控制信号向激光器提供目标信号驱动电流；进而激光器基于接收到的目标能量驱动电流和目标信号驱动电流发射携带能量和信号的激光，激光能量与信息接收端可以接收激光器发射的激光，并将接收到的激光转换为电能和电信号后分别对电能和电信号进行处理。
可选地，激光器电源控制器发送的能量控制信号和信息控制信号可以是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制信号。
可以理解的是，目标能量驱动电流与目标信号驱动电流相比较而言，目标能量驱动电流属于大电流，而目标信号驱动电流属于小电流；本发明实施例通过采用激光器内调制的方式，在大电流驱动电源上加载携带信号的小电流电源，可以避免激光器在大电流直接调制下信号由于延时畸变和激光器损坏的现象发生。并且较小的驱动电源波动，使激光能量更加均匀稳定，进而使得激光能量与信息接收端可以从激光器发射的激光中获得更加稳定的电能和质量更高的电信号。
本发明提供的激光无线能量信息同步传输系统，通过采用激光器内调制的方式，在激光器电源中设置以并联方式连接的激光能量供应电路和激光信号控制电路，并基于激光能量供应电路和激光信号控制电路向激光器提供目标能量驱动电流和目标信号驱动电流，即在激光能量的大电流驱动电源上加载携带信号的小电流电源，可以避免大功率激光直接调制损伤激光器，并且较小的驱动电源波动使激光能量更加均匀稳定，进而使得激光能量与信息接收端可以从激光器发射的激光中获得更加稳定的电能和质量更高的电信号。
可选地，所述激光能量供应电路和所述激光信号控制电路通过第一功率开关管和第二功率开关管并联连接；
所述激光能量供应电路还用于控制所述第一功率开关管的导通与关断，所述激光信号控制电路还用于控制所述第二功率开关管的导通与关断。
可选地，图2是本发明提供的激光器电源的结构示意图，如图2所示，激光器电源包括激光能量供应电路和激光信号控制电路，而且激光能量供应电路和激光信号控制电路通过功率开关管S1（第一功率开关管）和功率开关管S2（第二功率开关管）并联连接。
可选地，在本发明实施例中，激光能量供应电路可以控制第一功率开关管的导通与关断，并且激光信号控制电路可以控制第二功率开关管的导通与关断。
可以理解的是，本发明实施例通过控制第一功率开关管与第二功率开关管的导通与关断，可以将系统切换为不同的工作模式。当第一功率开关管与第二功率开关管均导通时，系统进行能量与信息的同步传输；当第一功率开关管导通，第二功率开关管关断时，系统此时只进行能量的传输；当第一功率开关管关断，第二功率开关管导通时，系统只进行信息的传输。即通过灵活控制第一功率开关管与第二功率开关管的导通与关断，可以实现独立输能、独立通信和能量信息同步传输三种工作模式。
可以理解的是，在本发明实施例中，激光能量供应电路与激光信号控制电路通过第一功率开关管和第二功率开关管进行并联连接，即将呈脉冲形式输出的脉冲序列信号叠加在直流激光驱动电压之上，进而驱动激光器发射携带能量和信号的激光。
可选地，所述激光信号控制电路包括信号幅值控制电路、第一驱动电路、第一DC-DC变换器、信号调制及通信频率控制电路、第二驱动电路和直流脉冲转换电路；
所述信号幅值控制电路用于对所述信息控制信号中的幅值控制信号进行整形调理后形成第一控制信号，所述第一控制信号经所述第一驱动电路进行放大后输入所述第一DC-DC变换器；
所述信号调制及通信频率控制电路用于对所述信息控制信号中的脉冲控制信号进行整形调理后形成第二控制信号，所述第二控制信号经所述第二驱动电路放大后输入所述直流脉冲转换电路；
所述第一DC-DC变换器与所述直流脉冲转换电路连接，所述直流脉冲转换电路用于将所述第一DC-DC变换器输出的直流信号变换为携带数据信息的脉冲信号。
具体地，在本发明实施例中，如图2所示，激光信号控制电路包括信号幅值控制电路、第一驱动电路（驱动电路1）、第一DC-DC变换器、信号调制及通信频率控制电路、第二驱动电路（驱动电路2）和直流脉冲转换电路；其中，信号幅值控制电路可以对激光电源控制器发送的信息控制信号中的幅值控制信号进行整形调理后形成第一控制信号，该第一控制信号经第一驱动电路进行放大后输入第一DC-DC变换器；信号调制及通信频率控制电路可以对信息控制信号中的脉冲控制信号进行整形调理后形成第二控制信号，该第二控制信号经第二驱动电路放大后输入直流脉冲转换电路；而且，第一DC-DC变换器与直流脉冲转换电路连接，直流脉冲转换电路可以将第一DC-DC变换器输出的直流信号变换为携带数据信息的脉冲信号。需要说明的是，图2中输入第一DC-DC变换器的Vin表示能量来源。
可选地，所述第一控制信号经所述第一驱动电路进行放大后具有控制所述第二功率开关管的导通与关断的功能。
需要说明的是，第一DC-DC变换器用于提供激光信号所需的电能，激光信号的大小由信号幅值控制电路输出的第一控制信号控制调节，第一控制信号经过第一驱动电路的放大调节进而驱动第一DC－DC变换器的第二功率开关管的导通和关断，实现了对第一DC-DC变换器输出电压的控制，进而实现对激光信号大小的控制调节。
需要说明的是，第一DC-DC变换器输出的信号为不携带数据信息的直流信号，而要实现激光携带数据进行信息传输，必须对直流信号进行调制变换。即将直流电平信号转化为电平随数据信息“1”和“0”进行高低变换的脉冲信号。因此，在本发明实施例中，第一DC-DC变换器与直流脉冲转换电路连接，第一DC-DC变换器输出的直流信号传递至直流脉冲转换电路。对于传递的具体数据信息，通过信号调制及通信频率控制电路来控制调节。
需要说明的是，信号调制及通信频率控制电路可以用于将二进制数据序列（激光器电源控制器发送的信息控制信号中的脉冲控制信号）进行整形调理后形成第二控制信号，进而控制直流脉冲转换电路的输出电压。直流脉冲转换电路输出信号的频率即由系统内部功率开关管的开关周期决定。
可选地，所述直流脉冲转换电路包括顺次连接的逆变电路、高频脉冲变换器、整流二极管和电感。
例如，图3是本发明提供的直流脉冲转换电路的结构示意图，如图3所示，逆变电路将来自第一DC－DC变换器的直流信号变换为交流信号，进而连接高频脉冲变换器T1，经变换后输出端连接整流二极管D1与D2，将交流信号调整为直流半波信号，进而通过电感L1滤波整形后输出脉冲信号，其中图中的Q1为功率开关管，C1为滤波电容，用于对第一DC-DC变换器输出的直流电压进行滤波稳压。
可选地，所述激光能量供应电路包括激光能量控制电路、第三驱动电路和AC-DC变换器；
所述激光能量控制电路用于对所述能量控制信号进行整形调理后形成第三控制信号，所述第三控制信号经所述第三驱动电路放大后输入所述AC-DC变换器；
所述AC-DC变换器用于将输入所述AC-DC变换器的交流信号变换为直流信号。
具体地，在本发明实施例中，如图2所示，激光能量供应电路包括激光能量控制电路、第三驱动电路（驱动电路3）和AC-DC变换器；其中，激光能量控制电路可以对激光器电源控制器发送的能量控制信号进行整形调理后形成第三控制信号，该第三控制信号经第三驱动电路放大后输入AC-DC变换器；AC-DC变换器可以将输入AC-DC变换器的交流信号变换为直流信号。
需要说明的是，图2中输入AC-DC变换器的AC380V表示输入AC-DC变换器的能量为380V的交流电，AC-DC变换器可以将三相交流电经整流滤波变换后输出稳定的直流电给激光器（Laser）发射激光提供能量。
可选地，激光能量控制电路可以对激光器电源控制器发送的PWM控制信号进行整形调理后形成第三控制信号发出，并可以通过调整PWM控制信号的占空比以控制激光器发射激光的功率。
可选地，所述第三控制信号经所述第三驱动电路放大后具有控制所述第一功率开关管的导通与关断的功能。
需要说明的是，第三驱动电路可以将激光能量控制电路发送的第三控制信号进行放大，使其具备驱动AC-DC变换器的第一功率开关管的功能，控制第一功率开关管的导通和关断。
可选地，所述激光能量与信息接收端包括顺次连接的光伏电池阵列、信号处理电路、第二DC-DC变换器和储能电池；
所述光伏电池阵列用于接收所述激光器发射的所述激光，并将所述激光转换为所述电能和所述电信号；
所述信号处理电路用于分离所述电能和所述电信号，并将分离后的所述电能传输至所述第二DC-DC变换器，并对分离后的所述电信号进行处理；
所述第二DC-DC变换器用于对输入的所述电能进行升压稳流后存储至所述储能电池。
具体地，如图1所示，在本发明实施例中，激光能量与信息接收端包括顺次连接的光伏电池阵列、信号处理电路、第二DC-DC变换器和储能电池；其中，光伏电池阵列可以接收激光器发射的激光，并将接收到的激光转换为电能和所述电信号；信号处理电路可以分离电能和电信号，并将分离后的电能传输至第二DC-DC变换器，并对分离后的电信号进行处理；第二DC-DC变换器可以对输入的电能进行升压稳流后存储至储能电池，以为储能电池充电。需要说明的是，第二DC-DC变换器是高增益的DC-DC变换器，可以用于将光伏电池阵列输出的不稳定的低压电能转换为稳定的高压电能为储能电池充电，储能电池用于存储高增益的DC-DC变换器变换调节后的电能。
需要说明的是，本发明实施例提供的激光无线能量信息同步传输系统，实现了能量与信息耦合传输的方式，即激光能量与信息的发射和接收由单一的发射单元和单一的接收单元实现。激光发射端为一个激光器发射一束光源，省去了现有技术中激光分束调制后再进行合并传输的复杂环节，简化结构复杂程度的同时增加了集成度，降低了成本。此外，激光接收端直接应用光伏电池阵列进行能量和信息的接收，利用光伏电池对动态激光的动态响应性能，将叠加有脉冲信号的激光光波转化为含有脉冲信号的直流电能。该种接收转换方式，省去了接收端的光电传感器，减小了接收端的体积和重量，降低了成本，并增加了系统的整体集成度。
可选地，所述信号处理电路包括顺次连接的信号解调电路、信号调理电路和分析解码电路；
所述信号解调电路用于分离所述电能和所述电信号，并将分离后的所述电能传输至所述第二DC-DC变换器，将分离后的所述电信号传输至所述信号调理电路；
所述信号调理电路用于对输入的所述电信号进行整形滤波后输出至所述分析解码电路；
所述分析解码电路用于对经所述信号调理电路整形滤波后的所述电信号进行解析。
具体地，在本发明实施例中，如图1所示，信号处理电路包括顺次连接的信号解调电路、信号调理电路和分析解码电路；其中，信号解调电路可以将光伏电池阵列输出电能中的脉冲信号过滤出来，即分离电能和电信号，并将分离后的电能传输至第二DC-DC变换器，以供第二DC-DC变换器对输入的电能进行升压稳流后存储至储能电池，以为储能电池供电，信号解调电路还将分离后的电信号传输至信号调理电路，进而信号调理电路对输入的电信号进行整形滤波后输出至分析解码电路，然后分析解码电路对经信号调理电路整形滤波后的电信号进行信息解析。
需要说明的是，如图1所示，信号解调电路与第二DC-DC变换器并联连接，信号解调电路可以先将光伏电池阵列输出的电能和电信号进行过滤分开，其中过滤出的电能经过电感L0的整形滤波后输入至第二DC-DC变换器，而过滤出的电信号输入至信号调理电路，信号调理电路进行整形滤波后输入分析解码电路，然后分析解码电路对经信号调理电路整形滤波后的信号进行信息解析。其中，图1中的电容C0和电阻R0构成高通滤波电路，用于将耦合在直流上的高频脉冲信号分离出来，电容C0阻止直流电能的通过，允许高频信号通过。R0用于将通过C0后的高频信号提取出来，进而传递至信号调理电路。
需要说明的是，在本发明实施例中，对于信号解调方式，通过硬件电路直接解调整形，简单高效，误码率低。
可选地，所述激光能量与信息接收端还包括负载，所述负载与所述第二DC-DC变换器连接；
所述第二DC-DC变换器还用于对输入的所述电能进行升压稳流后输出给所述负载。
具体地，在本发明实施例中，如图1所示，激光能量与信息接收端还包括负载，该负载与第二DC-DC变换器连接，第二DC-DC变换器将从光伏电池阵列输出的电能进行升压稳流之后输出给该负载，以为该负载供电。
可以理解的是，本发明实施例对激光信号的编码和调制采用对DC－DC变换器输出的直流电源进行可控斩波的方式，即依据需要传递的二进制数据序列，生成高低电平的驱动控制信号序列，通过控制信号序列的频率即可控制激光通信数据传输的速率，控制信号的幅值即可控制信号的强度。
需要说明的是，当传递能量需求较大时，即激光能量需求电能较大，此时控制激光能量大小的直流电源输出电流较大，如果搭载信号的脉冲电流幅值较小，容易被直流能量电流所淹没，或者叠加之后驱动激光器产生的激光能量作用到光伏电池阵列后产生的通信信号较弱，难以准确解调。此时，可以通过调整信号驱动电源DC-DC变换器的输出电流幅值来改变上述现象。此外，还可以通过调整通信频率找到最优的通信性能参数。
可选地，图4是本发明提供的激光器电源控制器的结构示意图，如图4所示，激光器电源控制器包括激光能量控制接口、信号幅值控制接口、信号及通信频率控制接口以及工作模式控制电路，其中，激光能量控制接口用于向激光能量控制电路发出激光能量控制信号，以控制AC-DC变换器，信号幅值控制接口用于向信号幅值控制电路发出幅值控制信号，以控制第一DC-DC变换器，信号及通信频率控制接口用于向信号调制及通信频率控制电路发出脉冲控制信号，以控制直流脉冲转换电路，工作模式控制电路可以产生控制第一功率开关管和第二功率开关管的导通与关断的控制信号，而且，激光器电源控制器产生的所有控制信号可以由上位机通信数据编码完成。
需要说明的是，激光器电源控制器连接至激光器电源，发出控制信号控制驱动激光器出射激光的功率、完成数据的调制和信号频率及幅值的设定。激光器电源连接至激光器，驱动激光器出射与电源驱动电流相对应的激光强度序列。携带能量和信号的激光传输至光伏电池阵列，实现激光和电能的转换。
需要说明的是，本发明实施例针对激光能量信息同步传输系统中大功率激光内调制困难，限制激光能量传输功率的同时导致光伏电池输出电能波动性强、稳定性差，难以高效稳定变换和存储的问题，通过设计激光器驱动电源电路结构，改变激光器驱动电源的输出电压波形，在实现大功率传递能量的同时，完成数据的编码和传输。
本发明提供的激光无线能量信息同步传输系统，通过采用激光器内调制的方式，在激光器电源中设置以并联方式连接的激光能量供应电路和激光信号控制电路，并基于激光能量供应电路和激光信号控制电路向激光器提供目标能量驱动电流和目标信号驱动电流，即在激光能量的大电流驱动电源上加载携带信号的小电流电源，可以避免大功率激光直接调制损伤激光器，并且较小的驱动电源波动使激光能量更加均匀稳定，进而使得激光能量与信息接收端可以从激光器发射的激光中获得更加稳定的电能和质量更高的电信号。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光无线能量信息同步传输系统，其特征在于，包括：激光能量与信息发射端，以及激光能量与信息接收端；
所述激光能量与信息发射端包括顺次连接的激光器电源控制器、激光器电源和激光器，所述激光器电源包括以并联方式连接的激光能量供应电路和激光信号控制电路；
所述激光器电源控制器用于向所述激光能量供应电路发送能量控制信号，并向所述激光信号控制电路发送信息控制信号；
所述激光能量供应电路用于基于所述能量控制信号向所述激光器提供目标能量驱动电流；
所述激光信号控制电路用于基于所述信息控制信号向所述激光器提供目标信号驱动电流；
所述激光器用于基于所述目标能量驱动电流和所述目标信号驱动电流发射携带能量和信号的激光；
所述激光能量与信息接收端用于接收所述激光器发射的所述激光，并将所述激光转换为电能和电信号后分别对所述电能和所述电信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的激光无线能量信息同步传输系统，其特征在于，所述激光能量供应电路和所述激光信号控制电路通过第一功率开关管和第二功率开关管并联连接；
所述激光能量供应电路还用于控制所述第一功率开关管的导通与关断，所述激光信号控制电路还用于控制所述第二功率开关管的导通与关断。
3.根据权利要求2所述的激光无线能量信息同步传输系统，其特征在于，所述激光信号控制电路包括信号幅值控制电路、第一驱动电路、第一DC-DC变换器、信号调制及通信频率控制电路、第二驱动电路和直流脉冲转换电路；
所述信号幅值控制电路用于对所述信息控制信号中的幅值控制信号进行整形调理后形成第一控制信号，所述第一控制信号经所述第一驱动电路进行放大后输入所述第一DC-DC变换器；
所述信号调制及通信频率控制电路用于对所述信息控制信号中的脉冲控制信号进行整形调理后形成第二控制信号，所述第二控制信号经所述第二驱动电路放大后输入所述直流脉冲转换电路；
所述第一DC-DC变换器与所述直流脉冲转换电路连接，所述直流脉冲转换电路用于将所述第一DC-DC变换器输出的直流信号变换为携带数据信息的脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的激光无线能量信息同步传输系统，其特征在于，所述第一控制信号经所述第一驱动电路进行放大后具有控制所述第二功率开关管的导通与关断的功能。
5.根据权利要求3所述的激光无线能量信息同步传输系统，其特征在于，所述直流脉冲转换电路包括顺次连接的逆变电路、高频脉冲变换器、整流二极管和电感。
6.根据权利要求2所述的激光无线能量信息同步传输系统，其特征在于，所述激光能量供应电路包括激光能量控制电路、第三驱动电路和AC-DC变换器；
所述激光能量控制电路用于对所述能量控制信号进行整形调理后形成第三控制信号，所述第三控制信号经所述第三驱动电路放大后输入所述AC-DC变换器；
所述AC-DC变换器用于将输入所述AC-DC变换器的交流信号变换为直流信号。
7.根据权利要求6所述的激光无线能量信息同步传输系统，其特征在于，所述第三控制信号经所述第三驱动电路放大后具有控制所述第一功率开关管的导通与关断的功能。
8.根据权利要求1所述的激光无线能量信息同步传输系统，其特征在于，所述激光能量与信息接收端包括顺次连接的光伏电池阵列、信号处理电路、第二DC-DC变换器和储能电池；
所述光伏电池阵列用于接收所述激光器发射的所述激光，并将所述激光转换为所述电能和所述电信号；
所述信号处理电路用于分离所述电能和所述电信号，并将分离后的所述电能传输至所述第二DC-DC变换器，并对分离后的所述电信号进行处理；
所述第二DC-DC变换器用于对输入的所述电能进行升压稳流后存储至所述储能电池。
9.根据权利要求8所述的激光无线能量信息同步传输系统，其特征在于，所述信号处理电路包括顺次连接的信号解调电路、信号调理电路和分析解码电路；
所述信号解调电路用于分离所述电能和所述电信号，并将分离后的所述电能传输至所述第二DC-DC变换器，将分离后的所述电信号传输至所述信号调理电路；
所述信号调理电路用于对输入的所述电信号进行整形滤波后输出至所述分析解码电路；
所述分析解码电路用于对经所述信号调理电路整形滤波后的所述电信号进行解析。
10.根据权利要求8所述的激光无线能量信息同步传输系统，其特征在于，所述激光能量与信息接收端还包括负载，所述负载与所述第二DC-DC变换器连接；
所述第二DC-DC变换器还用于对输入的所述电能进行升压稳流后输出给所述负载。
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