基于激光无线能量传输系统实现多通道信能同传的方法

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1.本发明涉及一种基于激光无线能量传输系统实现多通道信能同传的方法，其属于电通信的技术领域。


背景技术：

2.随着手机、平板电脑及智能手表等电子设备的日益普及，设备的供电问题也逐渐显露出来，传统的接触式供电存在移动性能差的问题，现在越来越多的设备拥有强大的硬件配置，这也带来了较高的功耗，在电池技术没有显著提高的情况下，越来越高的硬件功耗极大地缩短了电池寿命，这就使得用户需要对移动电子设备进行一天一次或多次的充电，传统接触式供电存在的线缆和距离束缚在这种充电频率比较高的情况下大大增加了用户的不便。而无线激光电能传输具有传输距离远、定向性好且功率密度高的优点，适合对需要频繁充电的移动电子设备进行远距离的非接触式充电。
3.激光无线能量传输系统的结构如图1所示，在发射端、电网或储能单元中的电能经激光电源提供给激光器，激光器将电能转换为激光传输出去，激光经过大气传播被接收端的高聚光型光伏电池接收，光伏电池将高能量密度的激光转换为电能，光伏电池转换的电能经过接收端的光伏电源为负载或储能单元供电。
4.无线激光电能传输系统在为移动电子设备供电时，光伏阵列电压、负载电压以及设备的温度、电量等信息需要作为发射端激光电源的调节依据，这就需要在传递功率的同时传递指令信息。现阶段无线激光电能传输系统大多采用的是传统的无线电通信方式，这种传统通信方式不仅易受干扰还需要多增加一套设备，提高了系统复杂度，增加了成本且降低了系统的灵活性，从而限制了该电能传输系统在一些特定空间的应用。
5.传统的基于激光无线电能传输系统的携能通信方法，主要通过对连续激光进行载波调制来实现的，即在激光器输入电流中注入表征信息的高频交流电流来对激光器输出的激光进行调制，然而，这种载波调制方式容易引起接收功率的波动，不利于能量的高效传输。为了使接收功率稳定，一般通过在注入的高频电流中增加补偿数据段的方式来实现能量和信息的解耦，但该方法牺牲了数据传输速率。
6.综上，深入探索基于激光特性的能量信息融合机制，并提出一种基于激光无线能量传输系统实现多通道信能同传的方法，用n个激光器叠加传能，满足要求传输功率较大时，通信速率也能在单通路信能同传的基础上提升n倍。实现系统中能量的稳定传输和高速率通信，对发展实现高通信速率激光无线电能传输系统的信能一体化具有重要的意义和实用价值。


技术实现要素：

7.本发明针对上述背景技术的不足，克服了受限于激光器输出功率与动态特性相互制约的影响，难以在较高输出功率的前提下实现高比特率的数据传输的困难，提出了一种基于激光无线能量传输系统实现多通道信能同传的方法。
8.本发明所采用的技术方案有：一种基于激光无线能量传输系统实现多通道信能同传的方法，所述激光无线能量传输系统分为激光发射端和激光接收端，所述激光发射端包括n个调制器、激光电源和半导体激光器，激光接收端包括光伏阵列、数据/信息解调器、光伏电源和负载，数据/信息解调器包括滤波器和幅值检测器，包括：
9.n路叠加输入的脉冲激光被光伏阵列捕获，并输出与脉冲激光频率变化一致的脉动功率，该脉动功率使得接收端光伏电源电感上的电流纹波幅值的大小随脉动功率频率的变化而变化；
10.通过解调该电感上电流纹波，根据解调后各路信号的幅值的大小，解调出对应的“0”或“1”数据；
11.将输入的n路脉冲激光频率相互正交，电感上电流纹波经过带通滤波器后会变成正弦波形的电信号，其对应不同时刻的数据波形，幅值大小不同；
12.通过幅值检测器后，将每个码元周期的幅值表示出来，当电流幅值较小时表示接收到的数据为“0”，反之为“1”，通过判决器准确输出对应的数据信息。
13.进一步地，每路子数据中的“0”、“1”信息用频移调制，输入数据“0”时，调制器选择高频载波；输入数据“1”时，调制器选择低频载波。
14.进一步地，所述激光无线能量传输系统的信息中，包括n路子功率/信息脉冲，每路子脉冲的“0”、“1”数据用两个频率相区别，在激光器发射端设计2n个相互正交的脉冲频率对数据信息进行区分。
15.进一步地，数据/信息解调器的控制策略如下：
16.选择n个不同通频带的带通滤波器将n路信号解调开，解调后，该路数据信息与其他n-1路数据信息以及功率信息实现解耦。解调后的信号对应不同的数据信息，频率高时解调后对应的信号峰值低，表示数据“0”；频率低时对应的信号峰值高，表示数据“1”，再通过一级幅值检测器判决输出，直接测得该路数据来源。
17.进一步地，发射端控制模块接收待传输的数据，在待传输的数据为表征低频脉冲电流的数据“1”时输出高电平，在待传输的数据为表征高频脉冲电流的数据“0”时输出低电平；将n路数据通过n个激光器并行传输，其中,n路脉冲信号的“0”、“1”需要相互正交；脉冲激光频移键控调制器，控制各路信号“0”、“1”数据时输出不同的频率；电感电流纹波解调器，接收光伏电源电感电流的采集信号，通过解调器将各路信号解耦，检测解耦后电流幅值，电流幅值变大时输出表征低频脉冲电流的数据“1”，电流波纹幅值变小时输出表征高频脉冲电流的数据“0”。
18.本发明具有如下有益效果：
19.(1).本发明提出的基于激光无线能量传输系统实现多通道信能同传的方法，满足了能信同传系统需实现能量/数据的解耦的要求，在满足高比特率传输的情况下，不影响激光器大功率传能。
20.(2).本发明提出的基于激光无线能量传输系统实现多通道信能同传的方法，针对激光器功率输出与动态性能相互制约，使激光器难以在较高输出功率的前提下实现高比特率的数据传输的问题，借鉴ofdm思想，使用多路数据并行传输的策略有效提高了激光器功率/信息传输的比特率。
附图说明：
21.图1是实现本发明多通路并行信能同传的激光无线电能传输系统的架构图。
22.图2是发射端信号调制时注入激光器的电流波形图。
23.图3是光伏阵列电感电流的纹波波形图。
24.图4是经两路信号经过解调后的理想波形图。
具体实施方式：
25.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
26.实现本发明多通路并行信能同传的激光无线电能传输系统分为激光发射端和激光接收端，激光发射端包括n个调制器、激光电源和半导体激光器，激光接收端包括光伏阵列、数据/信息解调器、光伏电源和负载。基于该激光无线能量传输系统多通路信能同传的方法主要要求：1)在发射端输入的脉冲频率满足相互正交的关系，以便于不同通路的数据信号解调；2)设计不同带宽的滤波器将接收端电感电流的数据信息解调开；3)解调开的各路信号通过幅值检测器和判决器将“0”、“1”信号输出。
27.各个调制器的激光脉冲频移调制具体指：根据控制模块的信号输入，对不同时刻的功率载波的频率进行切换，使信号输入为“0”时，功率载波为较高频率脉冲，信号输入为“1”时，功率载波为较低频率脉冲，因此可将数据信息调制进功率载波，再用功率载波与功率调制波进行调制就可以得到携带数据信息的脉冲信号。
28.用调制得到的脉冲信号对激光电源中的开关管进行控制，其中开关管工作于线性电阻区，使激光电源输出对应的激光脉冲到半导体激光器中，因为半导体激光器是电流注入型器件，不同形式的注入电流对其发出的激光有决定性影响，所以半导体激光器发射出的激光脉冲频率随注入电流频率的变换而变换，从而使激光器输出相应的调制脉冲激光，以实现能量与信息的融合传输。
29.电感电流纹波振幅解调具体指：n路叠加输入的脉冲激光被光伏阵列捕获，并输出与脉冲激光频率变化一致的脉动功率，该脉动功率使得接收侧光伏电源电感上的电流纹波幅值的大小随脉动功率频率的变化而变化，因此通过解调该电感上电流纹波，根据解调后各路信号的幅值的大小，可以解调出对应的“0”或“1”数据，由于输入的n路脉冲激光频率相互正交，解调时可用适当通频带的带通滤波器实现对其他路数据信息的过滤，使各路信息互不干扰，电感电流纹波经过一级带通滤波器后会变成正弦波形的电信号，但对应不同时刻的数据波形，其幅值大小不同。通过一级幅值检测器后，可将每个码元周期的幅值表示出来，当电流幅值较小时表示接收到的数据为“0”，反之为“1”，可用判决器准确输出对应的数据信息。
30.以两路功率/信息激光无线电能传输系统为例，设图1中n＝2：
31.该激光无线能量传输系统中，根据ofdm思想，可以用频移控制该激光器输出信号1和信号2的区别，子信号传输数据的“0”、“1”也采用不同的频率相互区别，该功能可由图1中的调制器实现。待传输的数据包“1 1 0 0 0 1 0 1”由图1中的控制模块分配成两个子数据包“1 1 0 0”和“0 1 0 1”，两个子数据包分别对调制器1和调制器2的功率载波进行调制，最终两个半导体激光器输出的激光脉冲如图2所示。每个半导体激光器输出携带一路子数据包的功率/信息脉冲，两路激光脉冲经自由空间并行传输至远端的光伏接收器，将激光重
新转换成电能，为负载和储能单元供电。
32.由于同一码元周期中有两种不同频率的脉冲信号叠加，激光接收端中的电感电流纹波较为复杂，如图3所示，无法直接区分识别各路数据信息，需要先将各路信息与功率解耦。图1中激光接收端的解调器用于将两路并行的数据信息解调，将电感电流纹波分别用两个带通滤波器过滤，滤波器1的通频带设计要求能够通过信号1主要特征，过滤信号2的干扰；滤波器2的通频带设计要求能够通过信号2主要特征，过滤信号1的干扰。两路功率/数据信号的四种脉冲频率可采用四倍频设计，有利于数据解调。解调后的数据如图3正弦波形所示，每路信号对应数据“1”时幅值较高，表示数据“0”时幅值较低。
33.解调后的各路信号通过一级幅值检测器，再与其平均值做比较，高于平均值时输出高电平，表示输入数据为“1”；低于平均值时输出低电平，表示输入数据为“0”，最终得到两个子数据包的信息，实现传输速率提升两倍。
34.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。