[發明專利]基于三級跟蹤與光場調控的無人機終端激光傳能系統

有效

• 申請號: 202011100307.0
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112260417B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 何祖源;張文甲;徐培源
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H02J50/30
• 分類號: H02J50/30;G05D1/12;G02B27/30;G02B27/09
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

1.一種基于三級跟蹤與相位調制的無人機終端激光傳能系統，其特征在于，包括：高功率激光器、用于激光的準直和擴束的準直擴束鏡、用于發射端的粗調跟蹤的跟蹤振鏡單元、用于發射端與無人機之間的信息傳遞的通信模塊、偏振片、空間光相位調制膜片、無人機以及設置于其上的用于視覺自對準的終端五軸轉臺和光伏電池陣列，其中：高能激光器出射的激光經過準直擴束鏡進行準直擴束，通過跟蹤振鏡單元進行激光對無人機的粗調跟蹤；空間光相位調制膜片置于發射端結合光場尋優算法實時反饋進行高斯光場的調制以適配于光伏電池的任意排布；跟蹤振鏡單元使激光光斑正對準于光伏電池；設置于接收端的無人機上的終端五軸轉臺對光伏電池陣列進行微調跟蹤以達到最優的接收角度和接收位置；光伏電池陣列設置于終端五軸轉臺上并用于接收經過調制后的激光能量。

2.根據權利要求1所述的無人機終端激光傳能系統，其特征是，所述的五軸是指：三維正交自由度(x，y，z)以及兩個旋轉自由度(θx，θy)，其中：z方向進行對光伏電池板的伸縮，用于提高裝置的穩定性，減少無人機的飛行阻力；x，y方向的轉臺使光場垂直照射光伏電池，減少由于傾斜照射導致的能量損失；θx和θy方向的轉臺控制光伏電池陣列與光場的鎖定對準，當發射端找到大致位置后，進行θx和θy方向的微調調整。

3.根據權利要求1或2所述的無人機終端激光傳能系統，其特征是，所述的終端五軸轉臺由上而下包括：第一層可伸縮裝置、第二層可伸縮裝置、第三層可伸縮裝置和萬向節，其中：層疊可伸縮的結構，當不需要進行能量接收時，終端五軸轉臺收縮緊貼無人機底部，減少無人機體積、無人機飛行時的空氣阻力和能量消耗，提高無人機的續航時間。

4.根據權利要求1所述的無人機終端激光傳能系統，其特征是，所述的跟蹤振鏡單元包括：角度采集裝置、x方向振鏡和y方向振鏡，其中：角度采集裝置用于采集發射端在z偏x方向的偏轉角α，z偏y方向的偏轉角β并通過通信模塊傳輸至無人機上的終端五軸模塊轉臺，進行α，β方向的實時角度調整以適配光伏電池的跟蹤和偏轉。

5.一種基于權利要求1~4中任一所述無人機終端激光傳能系統的優化激光能量傳輸方法，其特征在于，根據無人機的固定懸停高度，疊加對應的菲涅爾透鏡功能相位至優化光場全息圖上以調整焦面位置；空間光相位調制膜片根據光伏電池排布自動迭代生成最優相位分布，適配光伏電池陣列的任意排布和距離，實現激光能量的最大利用率并提高光電轉換效率。

6.根據權利要求5所述的方法，其特征是，所述的菲涅爾透鏡功能相位，通過在透鏡上設計相位信息得到。

7.根據權利要求5所述的方法，其特征是，所述的優化光場全息圖，針對電池片排布信息，通過靜態的GerchbergSaxton算法和動態遺傳算法得到。

8.根據權利要求5所述的方法，其特征是，所述的最優相位分布，具體迭代生成過程包括以下步驟：

1)首先生成N幅初始隨機位相全息圖，將每幅位相全息圖作為種群中的個體；

2)分別將不同的個體加載到SLM上，通過反饋得到的光伏電池陣列的功率值作為種群中個體的適應度；

3)通過交叉、變異操作產生新的個體，并按照Boltzmann生存機制替換種群中適應度最低的個體；

4)不斷迭代，直到輸出適應度最好的個體，從而找到最優相位分布。