CN203775217U - 飞行器激光供能通讯系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种飞行器激光供能通讯系统，包括地面供能站和飞行器。地面供能站主要由电源、激光驱动单元、激光器单元、光束整形单元、光学天线、二维转台、电子罗盘、GPS传感探测器、CCD图像处理单元、跟踪捕获控制单元和解调单元组成。飞行器主要由光电能量转换单元、能量管理单元、电池组、侦测单元和反射调制器组成。本实用新型通过无线激光将能量传送至飞行器上，从而有效延长飞行器的工作时间,同时将飞行器的信息调制到经光学反射原理原路返回的小部分激光上，实现飞行器与地面的激光通信。

Description

飞行器激光供能通讯系统

技术领域

本实用新型涉及无人机技术领域，具体涉及一种飞行器激光供能通讯系统。

背景技术

无人机等飞行器作为实用的空中摄影平台，自身会携带着一定数量的仪器设备（如：中继电台和/或各种类型的摄像机等），以完成空中的信号中继和拍摄等任务。由于传统的无人机等飞行器和其所携带的设备都是利用机载电池进行供电，若电池耗尽，则无法完成后续工作，只能让飞行器降落，更换电池或为电池充电后，重新开始后续工作。这样的供电方式使得无人机等飞行器的工作时间受到极大限制，无法实现一个长时间的空中任务过程，工作效率明显降低，严重阻碍了无人机等飞行器的发展。随着无人机等飞行器在空中侦察和空中信息服务等方面使用的日趋广泛，如何在系统体积小，重量轻的前提下，建立无人机等飞行器与地面间稳定、安全、高速的信息传递，也成为促进无人机等飞行器发展的重要环节。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种飞行器激光供能通讯系统，其通过无线激光将能量传送至飞行器上，从而有效延长飞行器的工作时间,同时将飞行器的信息调制到经光学反射原理原路返回的小部分激光上，实现飞行器与地面的激光通信。

为解决上述问题，本实用新型通过以下技术方案实现的：

一种飞行器激光供能通讯系统，包括地面供能站和飞行器。上述地面供能站主要由电源、激光驱动单元、激光器单元、光束整形单元、光学天线、二维转台、电子罗盘、GPS传感探测器、CCD图像处理单元、跟踪捕获控制单元和解调单元组成；其中电源经激光驱动单元与激光器单元的输入端相连，激光器单元的输出端经光束整形单元连接光学天线的输入端；光学天线安装在二维转台上，电子罗盘、GPS传感探测器和CCD图像处理单元固定在二维转台上、并处于光学天线的外围；采集光学天线的指向信息的电子罗盘、采集地面供能站和飞行器的地理位置信息的GPS传感探测器、以及采集飞行器精确空间位置信息的CCD图像处理单元与跟踪捕获控制单元的输入端相连，跟踪捕获控制单元的输出端连接二维转台的转动电机；光学天线的输出端连接解调单元。上述飞行器主要由光电能量转换单元、能量管理单元、电池组、侦测单元和反射调制器组成；其中光电能量转换单元通过激光与光学天线的激光发射端无线连接，光电能量转换单元的输出端与能量管理单元相连，能量管理单元的输出端连接电池组的充电端和侦测单元；电池组的输出端连接用电单元；侦测单元的输出端连接反射调制器，反射调制器通过激光与光学天线的激光接收端无线连接。

上述方案所述反射调制器包括光能探测器、角锥棱镜、激光外调制器和任务信息存储器；任务信息存储器的输入端连接侦测单元，任务信息存储器的输出端连接激光外调制器；光能探测器连接激光外调制器的控制端；激光外调制器与角锥棱镜相连；激光外调制器通过激光与光学天线的激光接收端无线连接。

上述飞行器激光供能通讯系统还进一步包括温控单元，电源经温控单元连接激光器单元。

上述方案所述激光器单元为半导体激光器阵列。

本实用新型的基本构思是：地面供能站通过高效的大功率激光器，把电能转化为能量激光束，光学天线的发射端将能量激光束进行准直处理，经过处理的能量光束在空间传输一定距离后到达正在空中飞行的飞行器。与光学天线相连的跟踪捕获控制单元，将发射目标锁定飞行器上的光电能量转换器。高效率的光电能量转换器将光能转化为电能，并给飞行器的各用电部件供电，维持设备的正常运转，实现飞行器的不间断飞行。同时飞行器上的反射调制器还能够将侦测的信号加载到激光上，与地面供能站进行无线激光通信，将飞行器上的有用信息传输至地面基地。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、激光能量密度比太阳光高，提供能量速度快，减少充电时间。

2、可以在飞行器不降落的条件下对其充电。从而减少飞行器降落的次数，大大降低飞行器坠毁的几率，极大地降低了成本。

3、在激光供能的过程中，飞行器的侦测行动不受任何影响。

4、当飞行器进行充电的过程中，可利用其上安放的反射调制器，将侦测到的信息调制到地面发射过来的很小一部分激光上，并将调制后的光信号沿原路返回地面供能站。

5、反射调制器利用反射的地面能量激光进行通信，只需要很弱的电流驱动，飞行器不需要额外添加对地通信信号发射模块，减少飞行器的用电功耗。

6、利用角锥棱镜和激光外调制器构成激光发射调制器，系统结构简单，飞行器上不需要添加跟踪对准结构，即可实现对地的连续激光通信。

7、飞行器与地面主机之间的通信采用激光传输，有效保证了信息传输的安全性。

8、配合车载激光器，可以实现任何时间任何地点对飞行器充电。激光驱动的飞行器能够减少飞行器着陆、燃料或电池再加注和再发射所需要的人员数量，从而降低对无人机等飞行器后勤的要求，减少运作成本。

附图说明

图1为无人机激光供能通讯系统的应用示意图。

图2为无人机激光供能通讯系统原理框图。

图3为激光反射调制器原理框图。

具体实施方式

本实施以无人机为例，对本实用新型的飞行器激光供能通讯系统进行详细说明。

如图1和2所示，一种飞行器激光供能通讯系统包括地面供能站和无人机。在图1中，A处的总能量供应为7000W，B处的激光器驱动为6000W，C处的激光功率为3000W，D处的输出电能为1000W。在图2中，代表电能，代表激光能量，代表冷却剂（水冷），代表数据及信号链路。

上述地面供能站主要由电源、激光驱动单元、温控单元、激光器单元、光束整形单元、光学天线、二维转台、电子罗盘、GPS传感探测器、CCD图像处理单元、跟踪捕获控制单元和解调单元组成。其中电源经电导线连接激光驱动单元，激光驱动单元经电导线与激光器单元的输入端相连。温控单元一端连接电源，一端连接激光器单元。激光器单元的输出端经光束整形单元连接光学天线的输入端。光学天线安装在二维转台上，电子罗盘、GPS传感探测器和CCD图像处理单元固定在二维转台上、并处于光学天线的外围。采集光学天线的指向信息的电子罗盘、采集地面供能站和无人机的地理位置信息的GPS传感探测器和采集无人机精确空间位置信息的CCD图像处理单元与跟踪捕获控制单元的输入端相连，跟踪捕获控制单元的输出端连接二维转台的转动电机。光学天线的输出端连接解调单元。

电源由发电机或AC输电网提供。激光驱动单元用于将电能转换成能量激光，并控制激光能量的大小，输出能量激光束。

鉴于地面供能站能量发射端需要提供一大功率的激光能量，通过对各类激光器的特点进行分析可知，目前已有的808nm波长大功率的激光器只有固体激光器和半导体激光器阵列，从效率上分析，固体激光器的转换效率只有40%，而半导体激光器阵列能够达到55%～60%，所以本实用新型的激光器单元选用半导体激光器阵列，它具有较高的电-光转换效率，体积小，重量轻，低成本等优点，并且半导体激光器可以提供满足光电能量转换器吸收峰的810nm左右的激光。

光学天线发射端用于准直能量激光束，使能量激光集中传输。在本实用新型中，光学天线实际上就是一个光学望远镜，天线的形式根据具体情况可采用反射式天线或透射式天线。一般来说，对于孔径较大的天线，如大于20cm孔径的天线，可采用反射式天线结构，这有助于降低天线的制造难度，提高天线的可靠性，减轻重量，并且光束传输无色散；而在天线孔径较小时，则宜选用透射式天线。由于天线的孔径直接影响着天线的增益，孔径越大，增益越大，因此从提高天线增益的角度来说，无线激光供能系统的天线孔径应当选取大一些。但是，孔径增大，天线的体积、重量也相应增加，同时也会增加APT系统的难度。因此，天线孔径与APT的安装精度应折中考虑。根据激光器光束质量对光学系统的要求，本光学天线的透镜尺寸约为200mm，另考虑降低加工精度及安装精度，所以本系统选用同轴透射式天线结构，具有提高能量利用率的优点。光学天线架设在一自动跟踪系统二维转台上，通过无人机的反馈信息，对光学天线的发射方向进行调节，使其发射出的能量激光锁定在无人机的光电池板上。

电子罗盘、GPS传感探测器、CCD图像处理单元和跟踪捕获控制单元构成自动跟踪捕获系统，并用于控制二维转台，跟踪锁定无人机，将激光能量准确地传输到无人机上光电能量转换器的位置。解调单元将无人机返回的信息提取出来，完成数据通信功能。考虑到大功率的激光器单元在工作时所产生的热量较高，本实用新型的温控单元通过水冷方式为激光器单元降温，以保证激光器单元的长时间正常工作。

上述无人机主要由光电能量转换单元、能量管理单元、电池组、侦测单元和反射调制器组成。其中光电能量转换单元通过激光与光学天线的激光发射端无线连接，光电能量转换单元的输出端与能量管理单元相连，能量管理单元的输出端连接电池组的充电端和侦测单元。电池组的输出端连接用电单元。侦测单元的输出端连接反射调制器，反射调制器通过激光与光学天线的激光接收端无线连接。

光电能量转换单元用于将激光能量转换成电能，给无人机供电。本实用新型采用高效率的光电能量转换单元，其主要由多个光电能量转换器排列而成，转换效率可以达到50%，可降低发射端激光功率的要求。光电能量转换器的工作原理是基于半导体P-N结的光生伏特效应，简称光电效应。光电效应是指当光电池受到光照射时，在电池内部产生电动势的现象。光电能量转换器具有体积小、重量轻、光电能量转换效率高、光源匹配等特点。由于光电能量转换器具有轻薄的特点，所以可以将其阵列式排列成各种不规则形状，包括弧形等，能适应不同型号的无人机表面安装。

能源管理单元有监测单元，以实现对能源输入电压、电流，能源输出电压、电流和电池电压电流状态等进行监测和控制。能源管理单元主要实现对输入输出电能量进行管理、存储和分配。在正常工作模式下，电池组和光电能量转换单元输入电压经过二极管电路进行“或”隔离输入，由DC/DC转换器转换为机上用电设备使用。无人机盘旋在充电区域时，光电能量转换单元输出的电能首先为无人机提供飞行动力，多余的能量供给电池组充电。在无人机飞离充电区域的时候，电池组向无人机内的用电设备如发动机和侦测单元等供电，同时能源管理单元对电池组进行实时监测，在只剩余返航电量时向无人机提出返航信号，或者飞往附近的其他充电区域。

反射调制器如图3所示，包括光能探测器、角锥棱镜、激光外调制器和任务信息存储器。任务信息存储器的输入端连接侦测单元，任务信息存储器的输出端连接激光外调制器。光能探测器连接激光外调制器的控制端。激光外调制器与角锥棱镜相连。激光外调制器通过激光与光学天线的激光接收端无线连接。任务信息存储器将存储信息电信号送入激光外调制器。光能探测器将入射激光信号经激光外调制器送入角锥棱镜，角锥棱镜将调制激光信号经激光外调制器输出。其中入射激光信号和调制激光信号为平行光路。

反射调制器通过对反射的小部分能量激光进行调制，实现与地面的通信。利用反射原理，减少信号发射模块，从而减少用电功耗；利用角锥棱镜将激光原路返回的特性，可以在特定条件下不需要跟踪对准结构实现连续的激光通信。当光能探测器检测到有能量激光照射其上时，任务信息存储器将侦测单元存储在其内部的信号提取出来，送至激光外调制器。由于角锥棱镜的最大接收角为35.26°，所以本实用新型还需在光能探测器上增加一接收角度为35.26°的透镜，以便跟角锥棱镜有效工作角度同步。激光外调制器为一光敏部件，通过改变加在其上的电压大小和脉冲频率，就可改变其通光率和折射率，实现对激光束进行强度或者相位调制。角锥棱镜的功能是将调制后的信号激光进行360°反向后，平行入射光路返回地面发射站，地面发射站接收无人机返回的信号激光，通过解调器将所需信息提取出来，完成通信过程。

Claims (4)

1.飞行器激光供能通讯系统，其特征在于：包括地面供能站和飞行器；

上述地面供能站主要由电源、激光驱动单元、激光器单元、光束整形单元、光学天线、二维转台、电子罗盘、GPS传感探测器、CCD图像处理单元、跟踪捕获控制单元和解调单元组成；其中电源经激光驱动单元与激光器单元的输入端相连，激光器单元的输出端经光束整形单元连接光学天线的输入端；光学天线安装在二维转台上，电子罗盘、GPS传感探测器和CCD图像处理单元固定在二维转台上、并处于光学天线的外围；采集光学天线的位置信息的电子罗盘、采集飞行器的地理位置信息的GPS传感探测器和采集飞行器精确空间位置信息的CCD图像处理单元与跟踪捕获控制单元的输入端相连，跟踪捕获控制单元的输出端连接二维转台的转动电机；光学天线的输出端连接解调单元；

上述飞行器主要由光电能量转换单元、能量管理单元、电池组、侦测单元和反射调制器组成；其中光电能量转换单元通过激光与光学天线的激光发射端无线连接，光电能量转换单元的输出端与能量管理单元相连，能量管理单元的输出端连接电池组的充电端和侦测单元；电池组的输出端连接用电单元；侦测单元的输出端连接反射调制器，反射调制器通过激光与光学天线的激光接收端无线连接。

2.根据权利要求1所述的飞行器激光供能通讯系统，其特征在于：所述反射调制器包括光能探测器、角锥棱镜、激光外调制器和任务信息存储器；任务信息存储器的输入端连接侦测单元，任务信息存储器的输出端连接激光外调制器；光能探测器连接激光外调制器的控制端；激光外调制器与角锥棱镜相连；激光外调制器通过激光与光学天线的激光接收端无线连接。

3.根据权利要求1所述的飞行器激光供能通讯系统，其特征在于：还进一步包括温控单元，电源经温控单元连接激光器单元。

4.根据权利要求1所述的飞行器激光供能通讯系统，其特征在于：所述激光器单元为半导体激光器阵列。