專利名稱：星載激光無線能量傳輸系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及精密光機電產品實用技術領域，尤其涉及一種星載激光無線能量傳輸系統。
背景技術：
分布式可重構衛星系統是一種面向未來的航天器體系結構，由多個基本組成單元即“模塊航天器”組成，其本質上是任務功能的分化、分離和相互連接，各模塊航天器可以快速批量制造和獨立發射，在軌運行時通過無線數據連接和無線能量傳輸，構成一個功能完整的虛擬航天器。無線能量傳輸即成為模塊飛行器之間能量供給的關鍵手段，用它達到各模塊供能專一化的目的。當模塊航天器處于陰影面、應急狀態下或電池電量不足以及模塊航天器處于電池電量不足的狀態下，需要通過外界方式獲取能量。為了滿足較高的傳輸效率以及太空環境的使用要求，需要開展激光無線能量傳輸系統的總體設計技術，構建適合于空間應用的能量傳輸系統，并對系統進行傳輸效率的分解，對各個環節進行優化設計，選用高效的器件，達到系統的最高傳輸效率
發明內容
本發明提供了一種星載激光無線能量傳輸系統，可以進行衛星之間或模塊航天器之間的無線能量傳遞，不僅可以增加飛行器能量獲取來源，延長飛行器使用壽命，加大對太空資源的利用率，同時也可為空間運載工具輸電等。本發明的目的是通過下述技術方案實現的:該星載激光無線能量傳輸系統包括無線激光能量發射機和無線激光能量接收機；無線激光能量發射機由激光器(I)、發射端控制機(2)、發射光學天線(3)、發射端二維轉臺(4)組成，其中激光器(I)與發射光學天線(3)通過光纖相連，發射端控制機(2)與發射端二維轉臺(4)、發射光學天線(3)、激光器(I)均通過電纜相連，發射端控制機為二維轉臺提供電源和控制信號，發射光學天線(3)通過螺接設置在發射端二維轉臺(4)上，由發射端二維轉臺的運動帶動發射光學天線運動，實現對準；在發射光學天線(3)內設置有非球面透鏡，光纖的出射端設置在非球面透鏡的焦點上；發射光學天線(3)內還設置有CXD探測器和線光源發射器，二者的光軸均與非球面透鏡的光軸平行；無線激光能量接收機由接收光學天線出)、接收端二維轉臺(7)和能源管理系統
(8)組成，其中接收端控制機(5)與接收端二維轉臺(7)、接收光學天線(6)通過電纜相連，接收光學天線￠)與能源管理系統(8)通過電纜相連，接收光學天線(6)通過螺接設置在接收端二維轉臺(7)上；接收光學天線￠)內設置有球面鏡且在所述球面鏡的焦平面上安裝有光電轉換器；接收光學天線內的接收面上還設置有角反射棱鏡；無線激光能量發射機和無線激光能量接收機分別安裝在能量發送航天器和能量接收航天器上；所述發射端控制機進行以下操作:(I)接收星務發來的兩航天器的位姿信息，計算得到無線激光能量發射機和無線激光能量接收機相對光軸信息，啟動發射端二維轉臺，以無線激光能量發射機和無線激光能量接收機相對光軸為中心，確定掃描區域，啟動捕獲模式；(2)啟動發射光學天線中的線光源發射器發送線光源，調節發射端二維轉臺在掃描區域內進行俯仰、方位掃描即以發射端和接收端相對光軸為中心，進行螺旋掃描；(3)判斷發射光學天線的CCD探測器的像平面內是否有角反射棱鏡返回的光源圖像，如果有則掃描結束，進入精跟蹤狀態；如果沒有返回的光源圖像，則循環步驟(3)繼續進行掃描；(4)進入精跟蹤狀態后，調節二維轉臺，對光源圖像進行微調，使光源圖像調整到CXD探測器的圖像中心，鎖定發射方向；(5)當鎖定發射方向后，打開激光器，將激光器的激光光束通過光纖發送到發射光學天線，通過發射光學天線設置的非球面透鏡壓縮準直后，將激光器的激光光束發射出去;所述接收端控制機進行以下操作:接收星務發來的兩航天器的位姿信息，計算得到無線激光能量發射機和無線激光能量接收機相對光軸信息，啟動接收端二維轉臺，令接收光學天線指向所述相對光軸，接收光學天線通過球面透鏡將激光光束匯聚到光電轉換器上，完成光電轉換后送入能源管理系統，對星載電池充放電或對負載直接供電，完成能量的無線傳輸。所述光電轉換器米用GaAs太陽能電池材料。所述非球面透鏡為鍍增透膜非球面透鏡。所述球面透鏡為鍍增透膜球面透鏡。本發明的有益效果:I)通過位置偏差檢測方法即采用線光源、角錐棱鏡以及CXD成像并將圖像調整到CXD探測器的圖像中心，可以確保激光發射、接收兩端的位置檢測精度；并通過二維轉臺能夠進行俯仰、方位的角度調整，控制激光束發射方向，達到較高的傳輸效率。2)發射端采用非球面透鏡進行激光束壓縮準直，滿足較遠距離的傳輸要求；并通過鍍增透膜防止衰減。接收端采用球面透鏡將接收到的激光光束進行聚焦，使能量相對集中地進行光電裝換，并通過鍍增透膜防止衰減。3)通過采用高效光電轉換器，將輸入的光能轉換為電能，實現光電能量轉換，確保較高的電光轉換效率。4)該星載激光無線能量傳輸系統應用在模塊航天器間的無線能量傳輸上，傳輸效率高、設備輕便，能夠滿足動態環境下的無線傳能要求，該設備的研制，能有效提高航天器的供能方式，具有廣泛的應用前景。
圖1一星載無線激光能量傳輸系統構成圖；圖2—發射光學天線示意圖3—接收光學天線示意圖；圖4一星載無線激光能量傳輸系統工作流程圖；I一激光器,2一發射端控制機,3一發射天線,4一發射端二維轉臺，5—發射端控制機，6—接收天線,7—接收端二維轉臺，8—光電轉換器；
具體實施例方式為了更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步詳細描述。該星載激光無線能量傳輸系統包括無線激光能量發射機和無線激光能量接收機；無線激光能量發射機由激光器1、發射端控制機2、發射光學天線3、發射端二維轉臺4組成，其中激光器I與發射光學天線3通過光纖相連，發射端控制機2與發射端二維轉臺4、發射光學天線3、激光器均通過電纜相連，發射端控制機為二維轉臺提供電源和控制信號，發射光學天線3通過螺接設置在發射端二維轉臺4上，由發射端二維轉臺的運動帶動發射光學天線運動，實現對準；在發射光學天線3內設置有非球面透鏡，光纖的出射端設置在非球面透鏡的焦點上；發射光學天線3內還設置有CCD探測器和線光源發射器，二者均與非球面透鏡的光軸平行；無線激光能量接收機由接收光學天線6、接收端二維轉臺7和能源管理系統8組成，其中接收端控制機5與接收端二維轉臺7、接收光學天線(6)通過電纜相連，接收光學天線6與能源管理系統8通過電纜相連，接收光學天線6通過螺接設置在接收端二維轉臺7上；接收光學天線6內設置有球面鏡且在所述球面鏡的焦平面上安裝有光電轉換器；接收光學天線內的接收面上還設置有角反射棱鏡；無線激光能量發射機和無線激光能量接收機分別安裝在能量發送航天器和能量接收航天器上，由無線激光能量發射機通過空間鏈路向無線激光能量接收機進行能量傳遞；系統組成如圖1所示。如圖4所示，該系統的具體工作流程為:( I)當能量接收航天器通過自身的能源管理系統檢測到衛星電源不足時，如果需要進行無線供應能量，則通過航天器無線通信系統將能量傳遞請求發送到能量發送航天器，啟動設備工作；如果不需要進行無線供應能量，則能量接收航天器通過自身的能源管理系統檢測衛星電源；(2)能量發送航天器的發射端控制機接收到能量傳遞請求和星務發來的兩航天器的位姿信息，通過矩陣變換后，得到無線激光能量發射機和無線激光能量接收機相對光軸信息，啟動發射端二維轉臺，以無線激光能量發射機和無線激光能量接收機相對光軸為中心，確定掃描區域，啟動捕獲模式；能量接收航天器的接收端控制機接收星務發來的兩航天器的位姿信息，計算得到無線激光能量發射機和無線激光能量接收機相對光軸信息，啟動接收端二維轉臺，指向相對光軸；(3)發射端控制機啟動發射光學天線中的線光源發射器發送線光源，調節發射端二維轉臺在掃描區域內進行俯仰、方位掃描即以發射端和接收端相對光軸為中心，進行螺旋掃描；線光源發送至角反射棱鏡，角反射棱鏡返回光源圖像；(4)發射端控制機判斷發射光學天線的CCD探測器的像平面內是否有角反射棱鏡返回的光源圖像，如果有則掃描結束，進入精跟蹤狀態；如果沒有返回的光源圖像，則循環步驟(3)繼續進行掃描；(5)發射端控制機捕捉到光源圖像進入精跟蹤狀態后，通過發射端控制機調節二維轉臺，對光源圖像進行微調，使光源圖像調整到CCD探測器的圖像中心，鎖定發射方向；(6)當發射端控制機鎖定發射方向后,打開激光器,將激光器的激光光束通過光纖發送到發射天線，通過發射天線內部設置的非球面透鏡壓縮準直后，將激光器的激光光束發射出去；接收光學天線通過球面透鏡將激光光束匯聚到光電轉換器上，完成光電轉換后送入能源管理系統，對星載電池充電或對負載直接供電，完成能量的無線傳輸；(7)能量接收航天器的能源管理系統檢測衛星電源狀態，判斷是否充電完畢，如果是則結束能量傳輸，否則繼續供電。在無線激光能量發射機中激光器通過光纖與發射光學天線連接，將激光器電光轉換得到激光束傳送到發射光學天線。而發射端控制機同發射端二維轉臺通過電纜進行連接，為二維轉臺提供電源和控制信號，發射光學天線通過螺接固定在二維轉臺上，由二維轉臺的運動帶動發射光學天線運動，實現對準。在無線激光能量接收機中，接收光學天線通過螺接安裝在二維轉臺上，由接收端二維轉臺的運動帶動接收光學天線運動，實現雙向對準。接收光學天線將光電轉換后的電能送入能源管理系統，進行電源變換以及對電池進行充放電管理，并可驅動負載工作。而接收端二維轉臺的控制也由接收端控制機通過電纜來完成的。本發明所述激光器采用了具有高電-光轉換效率、體積小、重量輕、低成本的半導體激光器，滿足太陽能電池吸收峰SOOnm左右的激光，為滿足大功率要求，采用了光纖耦合輸出的集成大功率半導體激光器陣列，采用BUCK降壓型結構的激光恒流驅動器，能夠高效進行電光轉換，得到滿足一定要求的激光束。針對半導體激光光束質量、輻射強度差，不適合于遠距離傳輸的情況，采用了發射光學天線對激光束進行壓縮準直，然后再發射出去，如圖2所示，通過非球面透鏡，并且鍍增透膜后，可使光束整形達到較小的發散角。從無線激光能量發射機發出的激光經過空間傳輸到達接收光學天線時，其光斑已經擴展，光電轉換器的光敏面又很小，本發明采用接收光學天線將激光能量匯聚到光電能量轉換器的光敏面上。接收光學天線采用一個球面透鏡，可以將激光光束進行聚焦，并在球面透鏡上進行鍍增透膜防止衰減；如圖3所示。而光電轉換器安裝在焦平面上，聚焦后的激光光束將能量相對集中地進行光電裝換。光電轉換器采用GaAs太陽能電池材料，目前具有最高的光電能量轉換效率。太陽能電池緊貼在銅質基底上，再通過制冷片將銅質基底上太陽能電池產生的熱量導走，風扇和散熱片起到輔助散熱的作用。在太空環境下進行航天器之間無線能量傳遞，需要克服航天器同時進行相對運動的困難，本發明采用了自動跟瞄對準的方式，將發射光學天線和接收光學天線都安裝在二維轉臺上，通過二維轉臺在俯仰、方位方向的運動，將兩天線光軸對準，減少激光傳輸的鏈路損失，達到較高的傳輸效率。控制機中的控制系統能夠驅動力矩電機，使光學天線在空間完成捕獲、精跟蹤等運動控制算法，達到對準、跟蹤的目的。發射光學天線和接收光學天線之間位置狀態的檢測是通過線光源、角錐棱鏡以及CCD探測器完成的，線光源發射一小功率激光束，由角錐棱鏡反射，在CCD上成像，通過檢測像元的位置，得到位置偏差，由運動控制單元進行閉環控制。而收、發兩端的信息交互通過衛星通信系統來完成。通過本技術方案的實施，達到了如下的效果:a.采用大功率半導體激光器陣列進行電光轉換，可以得到高效、大功率的SOOnm的激光光束，滿足太陽能電池吸收峰的要求。采用非球面透鏡進行激光束壓縮準直，激光發散角達到Imrad，可滿足較遠距離的傳輸要求。并在球面透鏡上進行鍍增透膜防止衰減；b.采用GaAs太陽能電池材料作為光電轉換器，確保較高的光電轉換效率，采用球面透鏡將接收到的激光光束進行聚焦，使能量相對集中地進行光電裝換，減少太陽能電池板方式間隙引起的效率損耗。c.采用自動瞄準跟蹤系統，解決存在相對運動狀態下航天器間無線能量傳遞的可行性問題，相對定位精度小于lOOum，減少激光傳遞的鏈路損失。d.通過位置偏差檢測方法即采用線光源、角錐棱鏡以及CXD成像并將圖像調整到CCD探測器的圖像中心，可以確保激光發射、接收兩端的位置檢測精度，采用位置掃描、精跟蹤兩種控制模式的切換，滿足激光鏈路建立的快速性、精確性以及適應變化的能力。e.通過該方案，既滿足了空間環境的使用要求，又確保了較高的傳輸效率，最終的電-電傳輸效率可達15%以上，并且結構緊湊，占用較少的安裝空間。綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.星載激光無線能量傳輸系統，其特征在于，該星載激光無線能量傳輸系統包括無線激光能量發射機和無線激光能量接收機；無線激光能量發射機由激光器(I)、發射端控制機(2)、發射光學天線(3)、發射端二維轉臺(4)組成，其中激光器(I)與發射光學天線(3)通過光纖相連，發射端控制機(2)與發射端二維轉臺(4)、發射光學天線(3)、激光器(I)均通過電纜相連，發射端控制機為二維轉臺提供電源和控制信號，發射光學天線(3)通過螺接設置在發射端二維轉臺(4)上，由發射端二維轉臺的運動帶動發射光學天線運動，實現對準；在發射光學天線(3)內設置有非球面透鏡，光纖的出射端設置在非球面透鏡的焦點上；發射光學天線(3)內還設置有C⑶探測器和線光源發射器，二者的光軸均與非球面透鏡的光軸平行；無線激光能量接收機由接收光學天線(6)、接收端二維轉臺(7)和能源管理系統(8)組成，其中接收端控制機(5)與接收端二維轉臺(7)、接收光學天線(6)通過電纜相連，接收光學天線出)與能源管理系統(8)通過電纜相連，接收光學天線(6)通過螺接設置在接收端二維轉臺(7)上；接收光學天線￠)內設置有球面鏡且在所述球面鏡的焦平面上安裝有光電轉換器；接收光學天線內的接收面上還設置有角反射棱鏡；無線激光能量發射機和無線激光能量接收機分別安裝在能量發送航天器和能量接收航天器上；所述發射端控制機進行以下操作:(1)接收星務發來的兩航天器的位姿信息，計算得到無線激光能量發射機和無線激光能量接收機相對光軸信息，啟動發射端二維轉臺，以無線激光能量發射機和無線激光能量接收機相對光軸為中心，確定掃描區域，啟動捕獲模式；(2)啟動發射光學天線中的線光源發射器發送線光源，調節發射端二維轉臺在掃描區域內進行俯仰、方位掃描即以發射端和接收端相對光軸為中心，進行螺旋掃描； (3)判斷發射光學天線的CCD探測器的像平面內是否有角反射棱鏡返回的光源圖像，如果有則掃描結束，進入精跟蹤狀態；如果沒有返回的光源圖像，則循環步驟(3)繼續進行掃描;(4)進入精跟蹤狀態后，調節二維轉臺，對光源圖像進行微調，使光源圖像調整到CXD探測器的圖像中心，鎖定發射方向；(5)當鎖定發射方向后，打開激光器，將激光器的激光光束通過光纖發送到發射光學天線，通過發射光學天線設置的非球面透鏡壓縮準直后，將激光器的激光光束發射出去；所述接收端控制機進行以下操作:接收星務發來的兩航天器的位姿信息，計算得到無線激光能量發射機和無線激光能量接收機相對光軸信息，啟動接收端二維轉臺，令接收光學天線指向所述相對光軸，接收光學天線通過球面透鏡將激光光束匯聚到光電轉換器上，完成光電轉換后送入能源管理系統，對星載電池充放電或對負載直接供電，完成能量的無線傳輸。
2.如權利要求1所述的星載激光無線能量傳輸系統，其特征在于，所述光電轉換器采用GaAs太陽能電池材料。
3.如權利要求1所述的星載激光無線能量傳輸系統，其特征在于，所述非球面透鏡為鍍增透膜非球面透鏡。
4.如權利要求1所述的星載激光無線能量傳輸系統，其特征在于，所述球面透鏡為鍍增透膜球面透鏡 。
全文摘要
本發明公開了一種星載激光無線能量傳輸系統，包括無線激光能量發射機和無線激光能量接收機；無線激光能量發射機和無線激光能量接收機分別安裝在能量發送航天器和能量接收航天器上；使用本發明可以進行衛星之間或模塊航天器之間的無線能量傳遞，不僅可以增加飛行器能量獲取來源，延長飛行器使用壽命，加大對太空資源的利用率，同時也可為空間運載工具輸電等。
文檔編號H04B10/60GK103078678SQ201210593990
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月29日 優先權日2012年12月29日
發明者石德樂, 李振宇, 馬宗峰, 張建德, 雙煒, 黃秀軍 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一三研究所