基于粒子群算法的激光器集群效率优化控制方法和设备

本发明涉及激光器控制，尤其是涉及一种基于粒子群算法的激光器集群效率优化控制方法和设备。

背景技术：

1、激光无线能量传输具有传输距离远、传输功率大、收发端设备小等优势，是一种优秀且颇具潜力的远距离无线能量传输方法。在无人机、航空航天等领域具有广阔的发展前景，效率是激光无线能量传输的关键，优化效率是激光无线能量传输技术研究的主要方向之一。

2、激光器是激光无线能量传输的关键环节，负责将电能转换为激光能量以进行远距离传输，激光器电-光转换效率目前多在50％附近，较低的激光器效率是影响激光无线能量传输系统效率的因素之一。此外，半导体激光器产生激光的三个必要条件为粒子数反转、光谐振放大、满足阈值条件。由于激光器介质内部存在对光子的吸收与散射(内部损耗)，需要光增益大于光损耗，即注入载流子密度大于某一特定值时才能够发射激光。对应半导体激光器的阈值电流特性，即在激光器注入电流大于阈值电流时才能够发射激光。由于该内部损耗的存在，导致激光器在轻载情况下效率较低。此外，在满载情况，由于热效应、晶体老化等因素，部分激光器也可能出现效率下降情况。综上，激光器的效率曲线呈现如下特性，在阈值电流附近，激光器效率低，随着激光输出功率上升，激光器效率逐渐上升，并保持平稳，部分激光器可能随着功率的进一步上升，效率有所衰减。

3、因此，当前在激光无线能量传输系统中，半导体激光器由于阈值电流特性呈现中轻载效率低的问题，此外，部分半导体激光器在满载情况由于热效应或晶体质量等因素可能出现满载效率下降的问题，在激光无线能量传输系统传输功率调整时，可能存在不可避免的工作在效率较低工作点的情况，导致传能效率下降。

4、综上，现有的激光能量传输方案存在如下缺点：

5、(1)半导体激光器介质内部存在光吸收与散射，需要注入载流子密度大于阈值情况下才能发射激光，导致半导体激光器中轻载效率低。

6、(2)部分半导体激光器在满载情况下，可能由于热效应或晶体质量等因素，出现效率下降，导致部分半导体激光器可能存在满载效率下降情况。

7、(3)目前激光发射环节多采用单光束方案，并且各激光管多工作在平均模式，传输功率调整时，可能工作在效率较低工作点，导致传能效率下降。

8、(4)目前存在的多光束传能系统，并未对各激光器的功率分配及效率优化开展研究，未能充分利用多激光器系统的灵活、可控优势。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于粒子群算法的激光器集群效率优化控制方法和设备，通过采用激光器集群替代单体大功率激光器并结合粒子群算法寻优，实现综合电光转换效率的优化。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的一个方面，提供了一种基于粒子群算法的激光器集群效率优化控制方法，包括如下步骤：

4、基于获取的激光器集群中各个独立可控的子激光器的特性测试数据，得到各个子激光器的负载率-光电转换效率的映射关系；

5、基于所述映射关系，以最大化所述激光器集群的等效光电转换效率为目标，在各个子激光器的输出总功率等于目标功率的前提下，利用粒子群算法计算各个子激光器的目标输出功率；

6、基于所述目标输出功率控制各个子激光器，实现子激光器的工作点控制。

7、作为优选的技术方案，所述利用粒子群算法计算各个子激光器的目标输出功率的过程包括：

8、初始化空间维数为所述子激光器的个数，每一维的数据表示子激光器负载率的粒子群；

9、计算各个粒子当前负载率对应的输出功率，基于所述负载率-光电转换效率得到输入功率，计算激光器集群的等效光电转换效率作为适应度值，并更新全局历史最优的粒子、局部历史最优的粒子、各个粒子的速度以及各个粒子的位置，重复执行本步骤直至满足预设的终止条件，最终全局历史最优的粒子对应的各个子激光器的负载率作为目标负载率，计算对应的目标输出功率。

10、作为优选的技术方案，所述终止条件包括下列中的至少一个：

11、当前迭代次数大于预设的最大迭代次数；

12、全局历史最优的粒子对应的适应度达到预设阈值。

13、作为优选的技术方案，所述激光器集群的构建过程包括：

14、获取目标最大输出功率，以及可用的独立可控的子激光器的输出功率，在各个子激光器的输出功率之和大于或等于所述目标最大输出功率的前提下，实现激光器集群的构建。

15、作为优选的技术方案，所述特性测试数据包括各个子激光器的电压、电流和对应的输出功率。

16、作为优选的技术方案，所述负载率-光电转换效率的映射关系的获取过程包括如下步骤：

17、基于所述特性测试数据以及测试时的温度数据，得到等效光电转换效率关于输出功率和温度的映射关系；

18、通过拟合和/或插值，得到在不同激光器温度下的负载率-光电转换效率的映射关系。

19、作为优选的技术方案，所述等效光电转换效率为各个子激光器输出功率之和与各个子激光器输入功率之和的比。

20、作为优选的技术方案，所述子激光器的工作点控制过程包括：

21、针对每一个子激光器，根据目标负载率计算对应的电流，通过电流闭环控制使所述子激光器工作在该电流下。

22、本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行前述基于粒子群算法的激光器集群效率优化控制方法的指令。

23、本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行前述基于粒子群算法的激光器集群效率优化控制方法的指令。

24、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果之一：

25、(1)实现综合电光转换效率的优化：采用多个激光器构成激光器集群取代单体大功率激光器，并为激光器集群中的各个激光器配备独立的激光器电源，能够对各激光器进行独立控制，激光器集群的输出功率为各个激光器的输出功率的加和，激光器集群的综合电光转换效率为各个激光器的效率的加权平均，因此在同一激光器集群输出功率给定下，各激光器的不同的功率组合对应不同的电光转换效率，可以通过控制激光器的工作点，让各激光器尽可能远离低效率工作点，优化激光器集群的等效电光转换效率，优化问题转换为功率约束下的集群电光效率优化问题，采用粒子群算法使各激光器尽可能工作在高效区，有效提升集群的综合电光转换效率。

26、(2)便于直观分析子激光器效率特性：基于半导体激光器行为特性测试数据建立负载率-光电转换效率的映射关系，对于半导体激光器的效率特性分析带来方便，能够直观分析激光器的效率特性，包括轻载情况下激光器内部损耗带来的效率下降，以及满载情况下部分激光器热效应等因素带来的效率下降。

27、(3)激光器集群的光电转换效率高：采用激光器集群取代单体激光器，各个子激光器进行协同控制，完成激光能量传输任务，通过对各激光器工作点进行优化控制，能够有效提升激光器集群的电光转换效率，提升激光无线能量传输系统的效率性能。