一种基于激光无线能量传输系统实现携能双向通信的方法

1.本发明公开一种基于激光无线能量传输系统实现携能双向通信的方法，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携能双向通信的方法，以同时实现系统中能量的稳定传输和高速率通信，对发展实现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.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种基于激光无线能量传输系统实现携能双向通信的方法，在发射端调制激光电源注入半导体激光器电流的频率加载信息，通过调制后形成的离散化主激光融合传输能量与信息实现能量和数据的同时下行传输，在接收端检测光伏电源电感上电流纹波幅值的大小以实现对发射端传输的信号解调，对接收端的入射激光束进行二次调制并逆向发射传输，通过离散化回溯激光实现系统中的
数据上行，实现基于激光无线能量传输系统稳定传输能量和高速率通信的发明目的，解决传统载波调试方式传输信息引起接收功率波动以及现有基于激光无线能量传输系统双向通信方案不能兼顾稳定传输能量和高速率通信的技术问题。
8.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：激光无线能量传输系统分为发射端和接收端，发射端包括调制器、激光电源和半导体激光器，接收端包括光伏阵列、调制回复反射器、解调器、光伏电源和负载。基于该激光无线能量传输系统携能双向通信的方法包括两部分：1）通过脉冲激光频移键控调制与电感电流纹波振幅键控解调，实现系统能量和数据的同时下行传输；2）基于连续偏置激光的信息回溯调制解调，实现系统数据的上行。
9.脉冲激光频移键控调制具体指：对激光器输入的脉冲电流进行频率调制，使得高频的脉冲电流表征数据“0”，低频的脉冲电流表征数据“1”。 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(即能量和数据的同时下行传输)。
10.电感电流纹波振幅键控解调具体指：调制过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，通过检测该电感上电流纹波幅值的大小，可以解调出对应的“1”或“0”数据，即当电流纹波幅值较小时表示接收到的数据为“0”，反之为“1”。
11.基于连续偏置激光的信息回溯调制解调具体指：利用光伏阵列上的调制回复反射器（modulating retro
‑
reflector, mrr）二次调制入射激光束并逆向发射传输的思想，来实现系统中数据的上行。首先，mrr对主激光束的部分激光进行强度调制并反向传输，即传输数据“1”时，mrr反射激光，而当传输数据“0”时，mrr停止反射激光。在发射端，在捕获从接收端回溯的二次调制的激光后，通过判断回溯激光的有无可以对信号进行解调，即接收到光功率时表示接收到的数据为“1”，而未接收到光功率时表示接收到的数据为“0”。
12.本发明采用上述技术方法有以下显著优点：（1）本发明突破激光无线能量传输的传统思维，将连续的激光离散化成激光脉冲，由于离散化的脉冲激光相比于模拟形式的连续激光可控变量更多，因此对脉冲激光中独立于能量传输的变量进行调制，无需通过在激光器输入电流中注入高频交流电流的载波调制方式加载信息，因而能够避免接收端功率波动，可以实现系统中能量的与信息传输的融合并高效传输能量。
13.（2）本发明提出的能量与信息融合传输方法中，能量和信息的控制变量为互不影响的解耦变量，无需载波调制对应的补偿数据段解耦方式获取信息，因而并不需要牺牲信息传输速度来换取能量的稳定传输，因而可以实现能量的稳定传输和信息的双向高速传输。
14.（3）本发明提出的双向通信方法，无需增加额外的设备，基于现有的激光无线能量传输系统即可实现，在不增加系统复杂度以及不降低系统灵活性的前提下同步实现能量稳定传输和高速率通信的目的。
附图说明
15.图1是实现本发明携能双向通信的激光无线电能传输系统的架构示意图。
16.图2是发射端信号调制时注入激光器的电流波形图。
17.图3是光伏阵列输出电流频率改变时电感电流的纹波波形图。
18.图4是经电信号调制后mrr反射回发射端的激光脉冲波形图。
具体实施方式
19.下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
20.本发明基于图1所示的激光无线能量传输系统实现携能双向通信，在发射端，电网或储能单元经过激光电源将电能注入半导体激光器中，半导体激光器将电能转换成激光，经自由空间传输至远距离的电子设备上的光伏阵列。在接收端，光伏阵列将接收到的激光转换为电能，经由光伏电源为负载和储能单元供电。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，本发明利用离散脉冲光相较于模拟形式的连续激光可控变量多的特点，对脉冲激光中独立于能量传输的变量进行调制实现能量的单向传输和信息的双向传输，在整个激光无线能量传输系统的基础上，通过搭建电路模块来实现系统脉冲激光频移键控调制、电感电流纹波振幅键控解调和信息回溯调制解调功能。如图1所示，在发射端部署控制模块、调制器和光电检测装置。控制模块用于接收待传输数据以及接收端反馈的功率信息，根据接收端反馈的功率信息生成控制指令；调制器根据待传输数据调制控制指令生成激光电源开关管驱动信号以切换半导体激光器输入电流的频率；光电检测装置用于接收接收端反馈的回溯激光。
21.如图1所示，在接收端部署解调器、控制模块、控制器和调制回复反射器。解调器用于从激光电源电感电流纹波信息中解析出控制指令；控制模块用于根据解调器输出的解调信息控制接收端负载的工作模式；控制器用于捕捉光伏阵列输出电压和负载电压信号，从捕捉的信号中解析出传输的数据并生成负载功率信息；调制回复反射器用于根据控制器解析出的传输数据以离散激光脉冲的形式回溯负载功率信息至发射端。
22.接下来对脉冲激光频移键控调制、电感电流纹波振幅键控解调和信息回溯调制解调功能的具体实施方式进行详细阐述。
23.脉冲激光频移键控调制具体指：待传输的“0”“1”信号和经光电检测装置解调的回馈激光信号输入发射端的控制模块，控制模块输出控制信号到调制器，输入控制模块的信号为“1”时，控制模块输出高电位，输入控制模块的信号为“0”时，控制模块输出低电位，高电位触发调制器在接收到控制信号“1”时输出低频驱动信号，低电位触发调制器在接收到控制信号“0”时输出高频驱动信号，调制器输出高低频驱动信号到激光电源的开关管，激光电源对应注入具有直流偏置的高低频脉冲电流到半导体激光器。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。以此方式将信息调制到激光中，从而实现能量与信息的融合传输，即实现能量和数据的同时下行传输。图2所示为输入“0”“1”信号时注入激光器的脉冲电流i
ld
的频率变化，其中，i
ld
为直流偏置电流。
24.电感电流纹波振幅键控解调具体指：调制过的脉冲激光被光伏阵列捕获并转化为脉冲电流输入到光伏电源，高低频脉冲激光对应转化为高低频脉冲电流。高低频脉冲电流
输入至光伏电源，对光伏电源的电感电流进行采样，在激光脉冲频率切换的时刻可以认为占空比不变，因此电感电流纹波大小仅与其充放电频率有关。频率变低，电感的充放电时间变长，电感电流纹波幅值变大；频率变高，电感的充放电时间变短，电感电流纹波幅值变小。将电感采样电流输入到解调器，对电感电流纹波的幅值进行比较，在电感电流波纹幅值变小时输出低电位表征信号“0”，在电感电流波纹幅值变大时输出高电位表征信号“1”，实现接收端信号的解调。图3所示为光伏阵列输出不同频率脉冲电流i
pv
时光伏电源电感上的电流纹波i
l
，在脉冲电流频率变低时，电感纹波电流幅值变大。
25.基于连续偏置激光的信息回溯调制解调具体指：光伏阵列上的调制回复反射器mrr根据输入接收端控制器的光伏阵列输出电压和负载电压等信息，对接收到的部分激光进行电信号的二次调制并反射回发射端。在传输数据“1”时，mrr反射激光，而当传输数据“0”时，mrr停止反射激光。在发射端，在捕获从接收端回溯的二次调制的激光后，通过判断回溯激光的有无可以对信号进行解调，即接收到光功率时表示接收到的数据为“1”，而未接收到光功率时表示接收到的数据为“0”。图4所示为经电信号调制后mrr反射回发射端的激光，其中，p
rec
为mrr接收到的光功率，p
bac
为mrr反射回发射端的光功率，在t0至t1阶段mrr调制的激光为偏置电流产生的较弱激光，t1至t2阶段mrr调制的激光为进行功率传输的脉冲激光。