一种激光无线能量传输集成化全链路测试与评估方法与流程

本发明属于精密光机电产品实用，具体涉及一种激光无线能量传输集成化全链路测试与评估方法。

背景技术：

1、激光无线能量传输技术是一种新型的电能传输方式，早在20世纪70年代就已伴随着激光器的发展被提出，其工作原理是：发射端储能单元中的电能经激光电源变换提供给激光器，激光器将这些电能转换成激光并通过光学系统传输出去；激光经自由空间传输后到达接收端，在接收端被激光光伏阵列捕获并转换回电能，并由光伏变换器变换提供给负载使用，为传感器、飞行器、航天器和太阳能电站等移动用电设备提供新的供能方式。

2、从涉及学科领域角度，激光无线能量传输技术是一种融合激光物理、光电技术和通信原理等领域的综合性技术，激光无线能量传输系统的测量包括电气测量(电压、电流、电功率等)、激光测量(激光发散角、激光功率、激光光场分布等)、控制测量(光束指向精度等)，以及温度等其他物理场的测量等。从能量传输链路角度，激光无线能量传输技术包括发射端(电能转换成光能)、空间传输(激光能量场传输)和接收端(激光转换成电能)三个过程，并且由于激光具有能量密度高、方向性好等优势，激光传能应用场景一般在几十米以上的距离。因此，一个测量设备或系统很难进行兼具电气测量、激光测量、控制测量，以及温度等多物理参数的测量，并且也无法应用于激光传能全链路远距离的测量场景。

技术实现思路

1、针对背景技术中提出的问题，本发明提出了一种激光无线能量传输集成化全链路测试与评估方法，其设置有波束评价接收子系统系统、激光传能评估子系统、激光传能试验平台，其中：

2、大面阵光斑能量接收系统包括：

3、将光能转化为电能，根据转换效率，每片电池通过独立通道采样电输出的激光电池阵；温度控制系统、激光电池测试系统、遮光罩组成，主要功能如下。

4、保证电池在激光照射下温度均匀，包含水冷平台、水冷散热器、大流量水冷泵台的温度控制系统；

5、独立对外输出，具备不小于300片电池的同步采样，通过串口输出到上位机的激光电池测试系统；

6、激光传能评估子系统包括数据采集模块以及评估模块，其中：

7、数据采集模块设置有中央处理板以及无线通信板，数据采集模块中检测到的数据通过无线通信网络进行传输，经过数据处理后，送入评估模块进行性能的评估；

8、优选的方案中，激光传能评估子系统的评估模块包括数据采集、显示模块、全链路传输效率评估模块和分布式光斑演化；包括如下的评估步骤：

9、s1、全链路传输效率评估：影响整个传能系统电-光-电传输效率的环节主要包括：η1激光器电光转换效率；η2天线发射效率；η3激光在空间中的传输效率；η4入射光斑利用效率；η5光电转换器的光电转换效率，η6能源管理效率，而激光无线能量传输系统传输效率为

10、η＝ps/pr＝η1·η2·η3·η4·η5·η6            (1)

11、s2、分布式光斑演化：

12、通过采集激光照射光电探测器产生的能量，进行处理分析，可以得到激光束光斑大小、功率密度分布、光斑中心，通过积分可求得获得的能量；通过多次测量的中心偏差，求得光束指向偏差；通过不同距离的光斑大小，可以对光束质量进行估计。

13、首先采用基于移动最小二乘方法mls的曲面拟合进行光斑能量的估算，生成基于移动最小二乘方法的函数拟合表达式，得到

14、

15、可以根据x，y的坐标位置，计算拟合的光斑能量。

16、为求出整个光斑的分布情况，对数值为零的区域进行了4-邻域填充，为解决零区域多，光斑不能填充完全的问题，采用多次填充的方式。

17、在接收端接收光功率密度测试的基础上，按照下式计算在某时刻激光光束中心位置坐标：

18、

19、

20、式中:xi—第i时刻激光光束重心位置横坐标；yi—第i时刻激光光束重心位置纵坐标；x—空间横坐标；y—空间纵坐标；i(x,y)—点(x,y)位置光强。

21、激光光束平均重心位置坐标为：

22、

23、

24、式中，—激光光束平均重心位置横坐标；—激光光束平均重心位置纵坐标。

25、根据光束平均重心位置坐标，按下式计算光束平均偏移量：

26、

27、得到光束偏移角度平均值(光束指向精度)：

28、

29、其中l为激光发射端与激光接收板的距离；

30、移动无人车辆，可以测量不同位置的光斑大小，设第i次测距值为li，求得光斑直径大小为di，可得激光光束束散角为：

31、

32、求得一系列ωi后，求得束散角半角的平均值为：

33、

34、优选的方案中，还设置有激光传能试验平台，所述激光传能试验平台设置有：无人车、有轨车辆、承载平台、六自由度运动平台、菲涅尔透镜系统、惯导系统、激光测距仪、激光敏感器、信标光、无线通信系统、显示和控制系统、负载；用于提供激光传能实验过程中需要的硬件设备，并进行数据和参数的测量。

35、本发明所达到的有益效果为：

36、激光无线能量传输集成化全链路测试与评估方法主要包括波束评价接收子系统系统、激光传能评估子系统和激光传能试验平台，适用于整机状态下，激光无线能量传输系统的全链路多物理参数检测和系统性能综合评估，包括电气测量(电压、电流、电功率等)、激光测量(激光发散角、激光功率、激光光场分布等)、控制测量(光束指向精度等)，以及温度等，是一种集成化全链路测试与评估系统。

37、波束评价接收子系统具有激光入射调整机构，可以在俯仰、方位两个自由度运动，通过光敏感器测定激光入射角度，驱动入射调整机构运动，进行反馈闭环控制，使激光始终垂直照射到大面阵光斑能量接收系统。

38、大面阵光斑能量接收系统由不少于300片的激光电池片构成，测量光斑面积可以达到500mm以上，适应多种激光传能场景。每个激光电池片均具通过独立通道采样电输出，将采集数据汇总到数据采集单元。

39、大面阵光斑能量接收系统具有遮光罩设计，避免露天场地测试时，太阳光和其他天空背景光对测量单元的影响，适应多种测试环境。

40、波束评价接收子系统还具有以下功能：发射端输入电能检测功能，可以进行电压电流无损检测；接收端分布式温度测试功能，可以进行多点灵活布置、高精度大量程温度检测；接收端电能量测试功能，可以进行转换电功率、电压、电流检测。

41、波束评价接收子系统具有热管理功能，可在大功率激光无线能量传输过程中，避免激光功率过高，测量器件超出工作温度，测量误差大甚至器件损伤的问题，提升测量适应性。

42、波束评价接收子系统中数据管理单元与激光传能评估子系统之间采用无线通信网络进行数据传输，复杂程度低、适应性较好，网络容量大。激光传能评估子系统具备上位机数据管理功能，能够对采集的数据通过zigbee网络读入数据处理单元，能够进行数据的显示、存储和数据处理功能。

43、激光传能评估子系统中激光传能评估软件采用labview编写，由数据采集、显示模块、全链路传输效率评估模块和分布式光斑演化等模块组成，可以进行全链路效率分析，光斑特性检测分析。