程坤 董昊 蔡卓燃 于闳飞

（山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670）

1 引言

在分离模块航天器中能量模块航天器（RV）与任务模块航天器（MV）工作运行环境不具备架设电缆供电的条件。激光无线能量传输以激光作为媒介，无需能源输送线即可给特定环境下工作的目标机器提供能源支持。激光传能技术的核心指标是电到电的转化效率［1-2］。目前的激光传能是直接用激光器发射到光电池上，由于激光光束为高斯光束（中间能量高四周能量低），受光电池表面光束空间分布、光斑与光电池的瞄准精度、光电池光电转换效率等影响，因此现有激光传能的转化效率不高［3-5］。

鉴于此，本文设计了提高激光无线传能效率和增加距离的方案，采用相位控制阵列提高光束接收端光强分布的均匀度，同时提高激光发射端与光束接收端之间的瞄准精度，优化了光电池排列设计，增大了光电池对激光束的接收效率及光电转换效率，从而提高了激光传能的电到电转换效率。

2 系统组成

激光无线能量传输系统如图1所示，主要由能量发射机和能量接收机组成。能量发射机包括能量激光器、发射天线、发射端转台、发射端转台伺服单元、发射端主控计算机和发射端数据中继单元；能量接收机包括光电转换模块、接收端转台、接收端转台伺服单元、蓄能电池模块、接收端主控计算机和接收端数据中继单元。

其中，发射天线安装在发射端转台上，发射端转台与发射端转台伺服单元相连，发射端数据中继单元分别与发射端转台伺服单元和发射端主控计算机相连，能量激光器分别与发射端主控计算机和发射天线相连；光电转换模块安装在接收端转台上，接收端转台与接收端转台伺服单元相连，蓄能电池模块分别与光电转换模块和接收端主控计算机相连，接收端数据中继单元分别与接收端主控计算机、接收端转台伺服单元和光电转换模块相连；能量发射机与能量接收机之间通过各自的数据中继单元中的无线收发模块进行无线通信。

图1 激光无线传能系统框图Fig．1 Laser power transmission system

3 能量发射端设计

激光器发出的激光束的空间强度分布呈高斯分布（中间高四周低）。光照不均匀时，光电池的光电流由串联的光电池片中光强最弱的电池片决定，从而影响光电池的光电转换效率。此外，光束瞄准过程中部分光斑脱靶，在光电池表面形成暗区，暗区光电池发热产生“热斑”，热斑温度超过一定极限会使电池片上的焊点熔化并损坏栅线，从而导致光电池损坏。须采取光束整形措施提高光强空间均匀性。为此，在发射天线后增加光束主动控制器件进行光束整形，提高瞄准精度。其中，光束主动控制器件包括相位控制阵列和光束控制器件，相位控制阵列通过控制光束各点的相位对光束空间进行整形，实现不同传能距离处的均匀辐照，光束控制器件用以调整光束的指向，实现精确瞄准。激光光束通过发射天线压缩后照射在相位控制阵列上，经相位控制阵列调整光束相位后照射到光束控制器件，再经光束控制器件调整光束指向将光束反射出去，如图2所示。

图2 单路发射天线示意图Fig．2 Scheme of single beam transmission

单路发射，结构简单，控制容易实现，但单路输出激光功率过高时，容易对光学系统造成损伤，为避免损伤，可以将单个模块的输出激光分成多束或多个激光模块发出的光束独立发射，在接收端合成，根据传能距离可以为非相干合成或相干合成。多路发射天线如图3所示。多路发射具有两方面的优势：一方面，提高输出光束功率并且避免光学元件损伤；另一方面，可以实现远距离传能。对于分离模块航天器间相距100～1000 m 的传能，可以采用非相干合成。非相干合成对单元激光束的相位、谱宽和偏振态等没有任何要求，只需针对各光束设计独立的光束控制器件并将它们定向至指定的目标。对于多路发射，光束发射是由若干个小望远镜单元实现的，在每个望远镜内部都有相位控制模块和光束控制模块。通过相位控制实现光束的非相干或相干合成，通过光束控制在光电池表面获得光强分布均匀的光斑并提高瞄准精度。

发射端主控计算机控制发射端转台的运动带动发射天线运动，实现粗瞄，然后，控制相位控制阵列和光束控制器件，实现光斑整形和精确瞄准。

图3 多路发射天线示意图Fig．3 Scheme of multiple beams transmission

4 光电池设计

光电池是影响传能效率的另一重要因素，下面介绍光电池排布设计。单个电池片的输出电压通常不能满足负载工作电压的需求，通常情况下，需要通过多个电池片串联提高输出电压。多个电池片串联具有以下优点，如光电池总体尺寸减小、利于光电池电子电路的集成、良好的热管理和互连的串联电阻的最小化等。但是，若每个串联的转换器收到的光功率密度不同，则将有可能造成失配损耗，从而降低效率。只有当光斑均匀覆盖，并且光斑尺寸与串联电池片匹配时，光损耗最小［6-8］。

为将失配损耗降至最小，对光电池排布进行优化设计。由于接收端光斑分布为圆形，为提高光斑能量利用率，将光电池整体布置为与光斑形状大小相匹配的圆形。考虑到发射端与接收端存在瞄准误差，光斑与光电池存在对准失配，若直接用与光斑尺寸相当的光电池接收激光能量，光电转化效率会较低。因此，对光斑运动轨迹进行统计，在光斑中心重叠区域处由光电池组1接收光束并转换成电能。光电池组1由多个扇形和环形光电池串联而成，光电池为扇形或环扇形，分别布置在以光斑中心为圆心的多个同心圆环上，其中，扇形光电池处于最里环，环扇形光电池放置在扇形光电池外围。光电池组1刚好覆盖光斑重叠区域，能够保证与光斑实时对准，保持较高的转换效率。在偏离概率较大的光斑重合外区域，由光电池组2接收光束并转换成电能，光电池组2由多个环扇形光电池并联而成，布置在光电池组1外围与光电池组1同心的圆环上。光电池分布示意图见图4。

图4 光电池组分布示意图Fig．4 Scheme of laser cell design

光电池模块通过能量管理单元与蓄能电池模块相连，光电池模块包含2个最佳功率跟踪恒压输出单元和2个二极管，其中，2个最佳功率跟踪恒压输出单元的输入端的正极和负极，分别连接光电池组1和光电池组2的正极和负极，2个最佳功率跟踪恒压输出单元输出端的正极通过二极管并联后作为光电池模块的输出端的正极，2个最佳功率跟踪恒压输出单元输出端的负极合并，作为光电池模块的输出端的负极。光电池模块电路示意图如图5所示。

图5 光电池模块电路示意图Fig．5 Scheme of laser cell circuit

5 工作流程

系统工作流程如图6所示。当能量发射机接收到能量接收机能源不足或收到强制充电的信号时，能量发射机测量发射端转台位置信息及方向姿态信息，并通过无线收发模块将发射端转台的位置信息以及时间同步信息传递给能量接收机；能量接收机通过无线收发模块将光电池的位置信息以及时间同步信息传递给能量发射机；能量发射机利用本身的位置和姿态信息以及能量接收机的位置信息计算获得能量接收机相对于能量发射机的角度位置，控制发射端转台指向能量接收机，并准备对目标区域进行扫描，同时，能量接收机利用本身的位置和姿态数据以及能量发射机位置信息计算能量发射机相对于能量接收机的位置，使光电池指向发射机；能量接收机开启位于接收光电池板上的发光二极管（LED）指示灯，该指示灯光将入射带有滤光片的发射端观测视场（CCD），并成灰度像；能量发射机控制发射端转台对目标区域进行扫描，直至电池板LED 指示灯在能量发射机接收光路观测视场中成像；启动光束主动控制器件，提高瞄准精度；能量接收机开启位于光电池板上的电压和温度传感器，对光电池的充电电压进行测量，以利于蓄能电池工作，同时测量光电池板及附近区域温度，确保充电过程中的热量不会造成设备损坏。

图6 工作流程Fig．6 Process of laser power transmission

在瞄准对中结束后，可以通过星务系统（上位机）开启发射机能量激光器，并根据能量接收机与能量发射机的相对位置信息，计算相位控制阵列的驱动电压，通过施加驱动电压控制光束的相位使光斑光强空间分布均匀化。或通过控制多路光束中每路光束的相位以及偏转角度，实现均匀辐照。光电池接收激光辐照，充电过程开始。此时能量接收机查询读取光电池板的电压和温度数据，当温度超过阈值时，向能量发射机发送关闭能量激光器的中断指令。由蓄能电池检测锂电池的充电状态，确定是否充电完成，充电完毕后，能量接收机向能量发射机发送停止充电指令，能量发射机向能量接收机发送确认信号后，能量接收机及能量发射机进行关机操作。

6 结束语

针对影响激光传能转化效率的关键因素：光电池表面光束空间分布的均匀性、光斑与光电池的瞄准精度、光电池与光斑的匹配程度，本文设计了实现高效远距离激光无线能量传输的系统方案。

通过对能量接收端光电池进行设计，使得光电池组与光斑实时对准，保持较高的转换效率，保证了最大转换效率。通过利用发射天线对能量激光器发出的激光进行压缩，采用相位控制阵列对入射激光束的波前相位，通过电编程控制在设定方向上进行波束合成从而形成所需波形，不同的传输距离上获得均匀的光斑，保证较高的光电转换效率；采用光束控制器件控制光束指向，确保较高的光束瞄准精度，减少光斑与光电池片的偏离量，使更多的激光能量入射到电池片上，进一步提高传能效率。通过由多束或多个激光模块发出的光束独立发射激光能量，在接收端合成，可以提高输出光束功率的同时避免光学元件损伤，并延长传能距离。本文对激光无线能量传输技术的工程应用具有指导意义。

（References）

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