CN116707652A - 一种可移动自保护的无线数能同传系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可移动自保护的无线数能同传系统，系统包括发射机和接收机，发射机包含主发射回复反射器、辅助回复反射器、泵浦源、增益介质和信号调制器，接收机包含主接收回复反射器、辅助光路控制器、逻辑电路触发器、电控相位延迟器、光电转换器和信号解调器，主发射回复反射器、泵浦源、增益介质和信号调制器，以及主接收回复反射器、光电转换器和信号解调器一起组成数能同传子系统，辅助回复反射器、辅助光路控制器、逻辑电路触发器和电控相位延迟器组成自保护子系统。与现有技术相比，本发明具有干涉相消，确保了在移动应用场景下的有效性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信与能量传输领域，尤其是涉及一种可移动自保护的无线数能同传系统。
背景技术
在“万物互联”的大趋势下，物联网作为通信行业新兴应用产业市场规模不断扩大。如何安全、高效、便捷地为海量移动终端设备提供可持续电力供应和通信服务成为了物联网技术进一步发展的关键。
无线数能同传技术被视为极具潜力的物联网赋能技术，通过同一物理介质(如射频、光束等)同时向接收端提供能量和数据。而由于其采用激光或无线电射频作为能量/信息载体，需要额外对准机制。
而对于采用共振光作为载体的技术，往往受到制约，难以同时兼顾安全部署、高效传输和移动应用。如公开号为CN115189770A的文献公开了一种带有安全特性的共振波束数能同传系统，但其基于收发端固定的假设，无法满足物联网设备的移动需求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种可移动自保护的无线数能同传系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可移动自保护的无线数能同传系统，系统分为发射机和接收机2个部分，发射机包括主发射回复反射器、辅助回复反射器、泵浦源、增益介质和信号调制器，接收机包含主接收回复反射器、辅助光路控制器、逻辑电路触发器、电控相位延迟器、光电转换器和信号解调器；
其中，主发射回复反射器、泵浦源、增益介质和信号调制器，以及主接收回复反射器、光电转换器和信号解调器一起组成数能同传子系统，
主发射回复反射器、增益介质和主接收回复反射器平行设置，泵浦源向增益介质提供能量；
主发射回复反射器和主接收回复反射器在空间中形成激光谐振腔结构，主发射回复反射器和主接收回复反射器之间形成共振光束时，需要满足泵浦功率大于阈值的条件；
信号调制器对从发射机到接收机的光路进行电光调制，
光电转换器接收透射过主接收回复反射器并经过辅助光路控制器的用于实现数能同传的共振光束，将其转化得到用于实现通信服务的电信号、用于提供充电服务的电信号和用于控制逻辑电路触发器的电信号，
信号解调器接收光电转换器的用于对实现通信服务的电信号进行解调，获取发射机发送的信息；
辅助回复反射器、辅助光路控制器、逻辑电路触发器和电控相位延迟器组成自保护子系统，
辅助光路控制器获取透射过主接收回复反射器的全部光，并进行分离，分离的用于实现数能同传的共振光束进入光电转换器，另一部分光进入电控相位延迟器；
逻辑电路触发器接收用于控制逻辑电路触发器的电信号，并向电控相位延迟器输出用于控制电控相位延迟器的电信号；
电控相位延迟器和辅助回复反射器之间互相反射光，形成保护光束，保护光束与共振光束发生自混合干涉效应，降低泵浦功率需要满足的阈值。
进一步地，主发射回复反射器或辅助回复反射器为远心猫眼结构反射器，远心猫眼结构反射器包括由一个平面镜和一个凸透镜组成，其中凸透镜的焦距为f，凸透镜和平面镜间距为d，且有d>f，当存在任意入射光束经过焦点时，入射光束经过凸透镜聚焦到平面镜上，再由平面镜反射回凸透镜，并最终形成了与入射光束相平行而反向的反射光。
进一步地，共振光束的形成条件为泵浦源提供的泵浦功率大于最低功率阈值，最低功率阈值为：
其中，Rt和Rr分别对应主发射回复反射器的反射率和主接收回复反射器的反射率,V表示共振光束在自由空间中传输时的效率，Vs表示共振光束在穿过增益介质时的效率，ηex,Ag,和Is是三个关于增益介质的参数，分别表示激发效率、横截面积和饱和光强。
进一步地，保护光束形成后，共振光束的形成需要的泵浦功率阈值记为保护光束未形成时，共振光束的形成需要的泵浦功率阈值记为/>当泵浦源提供的能量功率Pin满足：/>时，自保护子系统确保当且仅当成功建立了保护光路时，形成共振光束。
进一步地，满足：的泵浦源提供的能量功率Pin为/> 为保护光束未形成时共振光束的形成需要的泵浦功率。
进一步地，逻辑电路触发器在某一时刻的输出Qt与当前时刻的输入St和上一时刻的输出Qt-1之间的关系为：
其中，Qt为逻辑电路触发器t时刻的输出，St为逻辑电路触发器t时刻的输入，逻辑电路触发器的输入为光电转换器从用于实现数能同传的共振光束中转化的用于控制逻辑电路触发器的电信号，当电信号为高电平时，逻辑电路触发器保持上一时刻的输出不变，当电信号为低电平时，逻辑电路触发器翻转上一时刻的输出。
进一步地，增益介质为掺钕钒酸钇晶体。
进一步地，接收端用于实现数能同传的共振光束占透射过主接收回复反射器的光束的功率的85％。
进一步地，用于实现通信服务的电信号、用于提供充电服务的电信号和用于控制逻辑电路触发器的电信号之间的功率占比为80％:15％:5％。
进一步地，保护光束的条数大于等于三条，并在空间分布上环绕共振光束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明区别于传统数能同传系统采用激光或无线电射频作为能量/信息载体，本发明所包含的数能同传子系统，采用共振波束作为空间载体，波束定向形成且无需额外对准机制；同时，相较射频技术而言，能够发射更高功率以供能量传输。
(2)本发明的自保护子系统，利用激光的自混合干涉原理，无需引入额外的检测与控制器件，即可实现在传输路径被异物入侵时的自动切断，进一步保障使用安全，当异物侵入时，会先于保护光束接触，并切断保护光束，进而共振光束失去与保护光束的自混合干涉，进而不满足光束形成条件，高功率共振光束自动切断，不会对侵入异物造成进一步辐射伤害。
(3)本发明的自保护子系统中采用逻辑电路和相位延迟器对保护波束的相位进行调整，可以确保在接收端移动到任意位置后仍然能产生相长的自混合干涉，保持系统能够正常输出，避免由接收端位移带来的相位差导致保护光束与共振光束干涉相消，确保了在移动应用场景下的有效性，相较于以往发明专利所公开的技术，更符合当前移动物联网应用发展需求。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明的主发射回复反射器的结构图；
图中，1发射机，2接收机，10主发射回复反射器，101平面镜，102凸透镜，103远心猫眼回复反射器的光轴，104凸透镜焦点，105入射光束，11辅助回复反射器，12泵浦源，13增益介质，14信号调制器，20主接收回复反射器，21辅助光路控制器，22逻辑电路触发器，23电控相位延迟器，24光电转换器，25信号解调器，30共振光束，31保护光束，32用于实现数能同传的共振光束，40用于提供充电服务的电信号，41用于实现通信服务的电信号，42用于控制逻辑电路触发器的电信号，43用于控制电控相位延迟器的电信号。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提出数能同传子系统和自保护子系统，实现了移动应用场景下具有安全保障的高功率传能和高速率通信功能。区别于传统数能同传系统采用激光或无线电射频作为能量/信息载体，本发明所包含的数能同传子系统，采用共振波束作为空间载体，波束定向形成且无需额外对准机制；同时，相较射频技术而言，能够发射更高功率以供能量传输。本发明所包含的自保护子系统，利用激光的自混合干涉原理，无需引入额外的检测与控制器件，即可实现在传输路径被异物入侵时的自动切断，进一步保障使用安全；同时，自保护子系统中采用逻辑电路和相位延迟器对保护波束的相位进行调整，确保了在移动应用场景下的有效性，相较于以往发明专利所公开的技术，更符合当前移动物联网应用发展需求。
本发明提出一种可移动自保护的无线数能同传系统。系统的结构图如图1所示。系统包括发射机1和接收机2两个装置，在发射机1和接收机2之间是自由空间。共振光束30与保护光束31在自由空间中平行传输。发射机1包含主发射回复反射器10、辅助回复反射器11、泵浦源12、增益介质13和信号调制器14，接收机2包含主接收回复反射器20、辅助光路控制器21、逻辑电路触发器22、电控相位延迟器23、光电转换器24和信号解调器25。同时，主发射回复反射器10、泵浦源12、增益介质13和信号调制器14，以及主接收回复反射器20、光电转换器24和信号解调器25一起组成数能同传子系统，辅助回复反射器11、辅助光路控制器21、逻辑电路触发器22和电控相位延迟器23组成自保护子系统。数能同传子系统的总体工作原理如下：
分别位于发射端和接收端的主发射回复反射器10和主接收回复反射器20在空间中形成激光谐振腔结构。在发射端，通过泵浦源12向增益介质13提供能量，增益介质13将激发出光子。激发出的光子部分到达接收端，并被主接收回复反射器20反射，重新经过增益介质13。在提供充足能量泵浦的前提下，光子在谐振腔中往复运动的能量损耗能够被增益介质13补偿，在收发端形成稳定的光束，即共振光束30。在光束稳定后，发射端可通过信号调制器14对下行光路，即从发射端到接收端，进行电光调制，使其搭载通信所需的信号。位于接收端的光电转换器24可将接收到的光束转换成电信号的形式，其中部分电信号被用于为接收端的设备提供电能，即用于提供充电服务的电信号40，部分电信号被送入信号解调器25，即用于实现通信服务的电信号41，对其中调制的信号进行解调，从而获取发射端所传送的信息，另一部分电信号送入逻辑电路触发器22，即用于控制逻辑电路触发器的电信号42，逻辑电路触发器22向电控相位延迟器23输出用于控制电控相位延迟器的电信号43。
在接收机2中，共振光束30首先到达主接收回复反射器20，其中一部分光被反射回自由空间中，维持共振光束30，另一部分则透射过主接收回复反射器20，到达辅助光路控制器21。辅助光路控制器21将光路进行分离，其中一部分，即用于实现数能同传的共振光束32，进入光电转换器24，以实现数能同传功能。示例地，这一部分光束功率可占总透射光束功率的85％。另一部分则通过电控相位延迟器23反射，形成保护光束31。光电转换器24接收光信号，并输出电信号，其中一部分电信号用于提供充电服务，即实现无线能量传输；一部分电信号送入信号解调器25，用于解析其中调制的信息，以实现无线信息传输；另一部分电信号送入逻辑电路触发器22，即用于控制逻辑电路触发器的电信号42，用于指示当前系统是否正常工作，并进一步实现系统控制。示例地，用于提供充电服务的电信号，用于实现通信服务的电信号，和用于控制逻辑电路触发器22的电信号的功率占比可以为80％:15％:5％。
自保护子系统中，辅助回复反射器11部署于发射机1，辅助光路控制器21、逻辑电路触发器22和电控相位延迟器23部署于接收机2。其实现自保护功能的方法原理为：
在数能同传子系统中，建立稳定光束所需要的泵浦功率与主接收回复反射器20的光强反射率正相关。通过设定较低的光强反射率，该子系统需要在较高泵浦功率下才能建立共振光束30，否则将没有光束输出。自保护子系统，通过建立额外的光路，即保护光路，与到达接收端的共振光束30发生自混合干涉效应。自混合干涉效应将使得在主接收回复反射器20上的光强大于未形成干涉效应前的光强，等效于提高了主接收回复反射器20的光强反射率。进而，当自保护子系统能够建立有效光路时，主接收回复反射器20的等效反射率提高，所需要的泵浦功率记为反之，如果不能建立有效的保护光路，则主接收回复反射器20的光强反射率为实际反射率，所需的泵浦功率记为/>当设定为泵浦源12提供的能量功率Pin满足
时，自保护子系统可以确保当且仅当成功建立了保护光路时形成共振光束30用于实现数能同传。
上述的保护光路建立，可具体描述为：当光束到达接收端时，部分光束从主接收回复反射器20透射出，通过部署于接收端的辅助光路控制器21将接收到的光束分离，一部分反射回谐振腔结构中，另一部分则透过电控相位延迟器23后，与位于发射端的辅助回复反射器11形成保护光路。保护光路，在空间分布上应位于共振波束外围，且与共振波束保持平行，并最终在接收端主接收回复反射器20上发生自混合干涉现象。发射端采用的辅助回复反射器11设计，能够保证保护光路到达发射端后重新被反射回接收端。保护光路的条数应控制在大于等于三条，并在空间分布上环绕共振光束30。
本发明的共振波束，其形成条件是泵浦源12提供的泵浦功率大于最低功率阈值，最低功率阈值的计算公式为：
其中，Rt和Rr分别对应主发射回复反射器10的反射率和主接收回复反射器20的反射率,V表示共振光束30在自由空间中传输时的效率，Vs表示共振光束30在穿过增益介质13时的效率，ηex,Ag,和Is是三个关于增益介质13的参数，分别表示激发效率、横截面积和饱和光强。示例地，本发明中所涉及的增益介质13可以采用Nd:YVO4晶体。
当保护光束31没有被阻挡时，将与共振光束30发生自混合干涉效应，并改变位于主接收回复反射器20镜面处的反射光强度。这一过程可以被理解为等效地改变了主接收回复反射器20的反射率。示例地，可以将主接收回复反射器20中平面镜101的反射率设定为40％，而当保护光束31存在时，等效反射率可达到大约90％，进而实现当保护光束31存在时，所需的泵浦功率降低。进而可以控制合适的输入功率，使得系统当且仅当有保护光束31存在时才能产生共振波束。示例地，可以设定实际输入功率
本发明的主发射回复反射器10，辅助回复反射器11和主接收回复反射器20，是一种能够将入射光线沿其入射方向反射回去的光学器件。优选地，本发明中的回复反射器可以采用远心猫眼结构，图2示意性地给出了远心猫眼回复反射器的结构。如图2所示，远心猫眼回复反射器由一个平面镜101和一个凸透镜102组成，远心猫眼回复反射器的光轴103如图2所示，其中凸透镜102的焦距为f，凸透镜102和平面镜101间距为d，且有d>f。当存在任意入射光束105经过凸透镜焦点104时，入射光束105经过透镜聚焦到平面镜101上，再由平面镜101反射回透镜，并最终形成了与入射光束105相平行而反向的反射光。本领域的普通技术人员应当理解，实施例中远心猫眼回复反射器只是本发明实施中的一个优选案例，还可选用的回复反射器包括但不限于角锥回复反射器、常规猫眼回复反射器等，这都应当在本发明的保护范围内。
本发明的逻辑电路触发器22和电控相位延迟器23，其作用在于补偿接收端移动所带来的保护光束31相位差，使得保护光束31始终可以和共振波束形成干涉相长。示例地，逻辑电路触发器22和电控相位延迟器23可通过如下方式进行连接，并实现对保护光束31的自适应相位调制。
相位调制方法，可以描述为：逻辑电路触发器22以接收端光电转换器24的输入信号作为输入，即：在本系统能够正常输出时，逻辑电路触发器22接收到输入信号为1，否则为0。逻辑电路触发器22，其在某一时刻的输出Qt与当前时刻的输入St和上一时刻的输出Qt-1有如下关系：
即：在输入为1时，则保持上一时刻的输出不变；输入为0时，则翻转上一时刻的输出。电控相位延迟器23，接收逻辑电路触发器22的输出作为输入控制信号，其工作逻辑为：当接收到输入信号为0时，保持透过的光束相位不变；当接收到的输入信号为1时，对透过光束进行半波长的相位延迟。
相位调制方法，需要在初始状态下对系统进行校准，其校准方法为：
S1)根据预先计算的Pin向系统提供泵浦功率；
S2)调整接收端位置，使其移动到可以形成共振光束30的位置，并暂时进行固定；
S3)设定逻辑电路触发器22初始状态的输出信号0；
S4)在逻辑电路触发器22输出信号控制下，设定电控相位延迟器23在当前状态不对保护光束31进行相位延迟；
S5)解除接收端的固定，系统校准完毕。
在经过上述校准后，自保护子系统能够在接收端发生任意位移后，根据当前数能同传子系统是否能够正常输出的状态，确定是否对保护光路进行相位调制，并保证透出电控相位延迟器23的保护光路能够在主接收回复反射器20上与共振光束30形成干涉相长，进而提高主接收回复反射器20的光强反射率，保证数能同传子系统可以正常输出能量与信息。
上述的自保护子系统，在接收端移动到新的位置后，由于光程变化，在主接收回复反射器20上的自混合干涉效应可能存在干涉相消情况，即保护光束31的存在进一步降低了光强，使得数能同传子系统在给定泵浦功率下仍然无法正常输出。为解决由此带来的问题，本发明创新性地利用逻辑电路触发器22和电控相位干涉期对保护光路进行相位调制，确保在移动到新位置后保护光束31能够继续和共振光束30产生干涉相长，从而保证系统正常工作。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，系统分为发射机(1)和接收机(2)2个部分，发射机(1)包括主发射回复反射器(10)、辅助回复反射器(11)、泵浦源(12)、增益介质(13)和信号调制器(14)，接收机(2)包含主接收回复反射器(20)、辅助光路控制器(21)、逻辑电路触发器(22)、电控相位延迟器(23)、光电转换器(24)和信号解调器(25)；
其中，主发射回复反射器(10)、泵浦源(12)、增益介质(13)和信号调制器(14)，以及主接收回复反射器(20)、光电转换器(24)和信号解调器(25)一起组成数能同传子系统，
主发射回复反射器(10)、增益介质(13)和主接收回复反射器(20)平行设置，泵浦源(12)向增益介质(13)提供能量；
主发射回复反射器(10)和主接收回复反射器(20)在空间中形成激光谐振腔结构，主发射回复反射器(10)和主接收回复反射器(20)之间形成共振光束(30)时，需要满足泵浦功率大于阈值的条件；
信号调制器(14)对从发射机(1)到接收机(2)的光路进行电光调制，
光电转换器(24)接收透射过主接收回复反射器(20)并经过辅助光路控制器(21)的用于实现数能同传的共振光束(32)，将其转化得到用于实现通信服务的电信号(41)、用于提供充电服务的电信号(40)和用于控制逻辑电路触发器(22)的电信号(42)，
信号解调器(25)接收光电转换器(24)的用于对实现通信服务的电信号(41)进行解调，获取发射机(1)发送的信息；
辅助回复反射器(11)、辅助光路控制器(21)、逻辑电路触发器(22)和电控相位延迟器(23)组成自保护子系统，
辅助光路控制器(21)获取透射过主接收回复反射器(20)的全部光，并进行分离，分离的用于实现数能同传的共振光束(32)进入光电转换器(24)，另一部分光进入电控相位延迟器(23)；
逻辑电路触发器(22)接收用于控制逻辑电路触发器(22)的电信号(42)，并向电控相位延迟器(23)输出用于控制电控相位延迟器的电信号(43)；
电控相位延迟器(23)和辅助回复反射器(11)之间互相反射光，形成保护光束(31)，保护光束(31)与共振光束(30)发生自混合干涉效应，降低泵浦功率需要满足的阈值。
2.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，主发射回复反射器(10)或辅助回复反射器(11)为远心猫眼结构反射器，远心猫眼结构反射器包括由一个平面镜(101)和一个凸透镜(102)组成，其中凸透镜的焦距为f，凸透镜(102)和平面镜(101)间距为d，且有d>f，当存在任意入射光束(105)经过焦点(104)时，入射光束(105)经过凸透镜(102)聚焦到平面镜(101)上，再由平面镜(101)反射回凸透镜(102)，并最终形成了与入射光束(105)相平行而反向的反射光。
3.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，共振光束(30)的形成条件为泵浦源(12)提供的泵浦功率大于最低功率阈值，最低功率阈值为：
其中，Rt和Rr分别对应主发射回复反射器的反射率和主接收回复反射器的反射率,V表示共振光束在自由空间中传输时的效率，Vs表示共振光束在穿过增益介质时的效率，ηex,Ag,和Is是三个关于增益介质的参数，分别表示激发效率、横截面积和饱和光强。
4.根据权利要求3所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，保护光束(31)形成后，共振光束(30)的形成需要的最低泵浦功率阈值记为保护光束(31)未形成时，共振光束(30)的形成需要的最低泵浦功率阈值记为/>当泵浦源(12)提供的能量功率Pin满足：/>时，自保护子系统确保当且仅当成功建立了保护光路(31)时，形成共振光束(30)。
5.根据权利要求4所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，满足：的泵浦源(12)提供的能量功率Pin为/>α取值为(0，1)，/>为保护光束(31)未形成时共振光束(30)的形成需要的泵浦功率阈值。
6.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，逻辑电路触发器(22)在某一时刻的输出Qt与当前时刻的输入St和上一时刻的输出Qt-1之间的关系为：
其中，Qt为逻辑电路触发器(22)t时刻的输出，St为逻辑电路触发器(22)t时刻的输入，逻辑电路触发器(22)的输入为光电转换器(24)从用于实现数能同传的共振光束(32)中转化的用于控制逻辑电路触发器(22)的电信号(42)，当电信号(42)为高电平时，逻辑电路触发器(22)保持上一时刻的输出不变，当电信号(42)为低电平时，逻辑电路触发器(22)翻转上一时刻的输出。
7.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，增益介质(13)为掺钕钒酸钇晶体。
8.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，接收端用于实现数能同传的共振光束(32)占透射过主接收回复反射器(20)的光束的功率的85％。
9.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，用于实现通信服务的电信号(41)、用于提供充电服务的电信号(40)和用于控制逻辑电路触发器(22)的电信号(42)之间的功率占比为80％:15％:5％。
10.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，保护光束(31)的条数大于等于三条，并在空间分布上环绕共振光束(30)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310687006.XA CN116707652A (zh) | 2023-06-09 | 2023-06-09 | 一种可移动自保护的无线数能同传系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310687006.XA CN116707652A (zh) | 2023-06-09 | 2023-06-09 | 一种可移动自保护的无线数能同传系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116707652A true CN116707652A (zh) | 2023-09-05 |
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ID=87836946
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310687006.XA Pending CN116707652A (zh) | 2023-06-09 | 2023-06-09 | 一种可移动自保护的无线数能同传系统 |
Country Status (1)
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2023
- 2023-06-09 CN CN202310687006.XA patent/CN116707652A/zh active Pending
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