石德樂(lè) 馬宗峰 賀瑞 王楨

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670）

1 引言

無(wú)人機(jī)憑借其對(duì)地觀測(cè)能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能好、成本低、隱身性能好的優(yōu)勢(shì)，可有效地消除有人飛機(jī)飛行員在惡劣條件下執(zhí)行任務(wù)帶來(lái)的各種風(fēng)險(xiǎn)，越來(lái)越多地被用于軍事偵察、作戰(zhàn)及民用遙感、導(dǎo)航、自然災(zāi)害監(jiān)視與救援等眾多領(lǐng)域。目前，無(wú)人機(jī)一般采用內(nèi)燃機(jī)或電動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)動(dòng)力。其中，小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)由于體積小、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)靈活、成本低、操作簡(jiǎn)便、可靠性高、維護(hù)方便、便于儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。然而目前電動(dòng)無(wú)人機(jī)蓄能電池的能量密度遠(yuǎn)低于燃油［1］，嚴(yán)重影響了電動(dòng)無(wú)人機(jī)的滯空時(shí)間和續(xù)航能力，限制了無(wú)人機(jī)的使用范圍。對(duì)于電動(dòng)無(wú)人機(jī)而言，亟需一種高效的能量供給方式。

無(wú)線能量傳輸技術(shù)在高效蓄能電池技術(shù)外，可以為電動(dòng)無(wú)人機(jī)提供一種新型能量供給方式，為提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力提供了有效的解決方法，目前國(guó)外已經(jīng)針對(duì)電動(dòng)無(wú)人機(jī)激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)［2-3］。

日本近畿大學(xué)在2006年開(kāi)展了利用激光能量傳輸給風(fēng)箏、直升機(jī)的激光供能試驗(yàn)。在風(fēng)箏試驗(yàn)中，風(fēng)箏獲得了42 W 功率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)風(fēng)箏在直徑30m，高50m 的圓形范圍內(nèi)飛行［4-5］。

2012年7月美國(guó)洛克希德-馬丁公司與美國(guó)激光動(dòng)力公司成功試驗(yàn)了一種新型激光充電裝置，大幅提高“潛行者”（Stalker）無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力。飛行續(xù)航能力提高24倍［6-7］。

無(wú)人機(jī)激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用將拓展電動(dòng)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)所關(guān)注目標(biāo)的無(wú)限制連續(xù)監(jiān)視。目前，針對(duì)電動(dòng)機(jī)激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)，各國(guó)都處在研究階段，并針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)［8］。

本文將在對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)激光無(wú)線能量傳輸方式進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種用于電動(dòng)無(wú)人機(jī)的激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將極大地拓展電動(dòng)無(wú)人機(jī)的使用范圍和應(yīng)用模式，為激光射束驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)技術(shù)工程化提供技術(shù)支撐。

2 激光射束驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)地面功能端對(duì)電動(dòng)無(wú)人機(jī)的無(wú)線能量傳輸，該系統(tǒng)由地面發(fā)射機(jī)和機(jī)載接收機(jī)兩個(gè)系統(tǒng)組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，地面發(fā)射機(jī)包括轉(zhuǎn)臺(tái)伺服單元、地面主控制器和能量激光器；機(jī)載接收機(jī)由光電轉(zhuǎn)換器、機(jī)載控制器、能源管理器組成。該系統(tǒng)主要完成對(duì)距離1000m 范圍的小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行激光射束驅(qū)動(dòng)，接收端接收功率為600～1000 W。在后續(xù)章節(jié)中將針對(duì)地面發(fā)射機(jī)和機(jī)載接收機(jī)進(jìn)行詳細(xì)論述。

圖1 無(wú)人機(jī)激光無(wú)線傳能系統(tǒng)框圖Fig．1 Block diagram of laser power for electrically-powered unmanned aerial vehicles

3 激光射束驅(qū)動(dòng)能量地面發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

激光射束驅(qū)動(dòng)能量地面發(fā)射機(jī)主要完成地面電能的電—光轉(zhuǎn)換和光能發(fā)射，由能量激光器、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)單元和地面主控計(jì)算機(jī)組成，其核心任務(wù)首先是高效的電—光轉(zhuǎn)換，其次是保證能量光束高精度、準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)機(jī)載接收機(jī)光電轉(zhuǎn)換板的覆蓋。

3．1 能量激光器

能量激光器主要任務(wù)是進(jìn)行高效的電—光轉(zhuǎn)換，為地面發(fā)射機(jī)提供光能，它由激光器電源驅(qū)動(dòng)模塊、制冷模塊、接口控制模塊及高功率、高光束質(zhì)量激光發(fā)射模塊組成。

太陽(yáng)能電池在單波長(zhǎng)激光的照射下的效率，高于寬波段太陽(yáng)光照射下的效率，并且連續(xù)光源照射效率要高于脈沖光源照射效率，因此方案中選用連續(xù)單波長(zhǎng)激光作為能量傳輸介質(zhì)。由于光子能量正比于其本身的頻率，則光源的頻率直接影響太陽(yáng)能電池能帶隙躍遷，從而材料對(duì)于激光波長(zhǎng)的選擇性非常重要，因此需要綜合考慮激光波長(zhǎng)和太陽(yáng)能電池材料的關(guān)系［9］。圖2為常見(jiàn)太陽(yáng)能電池材料光電轉(zhuǎn)化效率譜分布［10］。

如圖2所示，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于目前較為常見(jiàn)的砷化鎵（GaAs）和硅（Si）材料，波長(zhǎng)為845nm左右波段的激光光電轉(zhuǎn)化效率最高?？紤]到目前激光器發(fā)展水平，需要選擇輸出功率較大的激光器，而850nm 激光器的輸出功率相對(duì)較小，綜合考慮激光器輸出的功率、體積、效率等因素，在設(shè)計(jì)中建議選擇808nm 的光纖耦合半導(dǎo)體激光器作為系統(tǒng)光源。

圖2 入射激光波長(zhǎng)與太陽(yáng)能電池材料的關(guān)系對(duì)比圖Fig．2 Relation between wavelength and materials

3．2 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服單元

轉(zhuǎn)臺(tái)伺服單元是地面發(fā)射機(jī)的主體部分，擔(dān)負(fù)著收發(fā)光路的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤，是地面發(fā)射機(jī)主要執(zhí)行設(shè)備，轉(zhuǎn)臺(tái)伺服單元應(yīng)由光學(xué)發(fā)射光路、接收光路和二維轉(zhuǎn)臺(tái)組成［8］。

如圖3所示為轉(zhuǎn)臺(tái)伺服單元結(jié)構(gòu)圖，二維轉(zhuǎn)臺(tái)用于穩(wěn)固地支撐發(fā)射光路、接收光路，并能夠繞方位、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，使得發(fā)射光路和接收光路對(duì)無(wú)人機(jī)目標(biāo)進(jìn)行捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤；發(fā)射光路用于對(duì)輸入的能量激光進(jìn)行整形，輸出高光束質(zhì)量、小束散角、高能量密度的能量激光光束；接收光路用于對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載接收機(jī)指示光進(jìn)行接收、探測(cè)和定位，為二維轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤提供角度依據(jù)；傳感通信模塊則是對(duì)二維轉(zhuǎn)臺(tái)的GPS位置和初始角度信息進(jìn)行測(cè)量，并以一定的工作頻率向機(jī)載主控計(jì)算機(jī)上報(bào)。

圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服單元框圖Fig．3 Block diagram of servo unit

發(fā)射光路是對(duì)發(fā)射激光光束進(jìn)行束散角壓縮、光束整形的光學(xué)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮輸入光束質(zhì)量、輸出光束質(zhì)量及接收端的光電轉(zhuǎn)換單元尺寸。為了獲得更高的能力密度，一般需要根據(jù)傳輸距離計(jì)算最佳的天線口徑。在傳播距離L（為靶面與發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)天線口的垂直距離）確定的情況下，取最小的光斑直徑為

式中：λ為工作激光波長(zhǎng)；φ為光纖纖徑；NA為光纖數(shù)值孔徑；fmin為發(fā)射光路焦距。

最小光斑情況下的發(fā)射光路焦距為

因此通過(guò)式（1）和式（2）就可以確定dmin和fmin。

3．3 地面主控計(jì)算機(jī)

地面主控計(jì)算機(jī)是地面發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)核心，完成對(duì)地面設(shè)備的監(jiān)視和控制，同時(shí)為操作人員提供友好的人機(jī)交互界面。如圖4所示，地面主控計(jì)算機(jī)應(yīng)為5部分組成：主控模塊、圖像處理模塊、接口模塊、無(wú)線通信模塊和上位機(jī)界面。

圖4 地面主控計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig．4 Block diagram of the controlling computer

接口模塊負(fù)責(zé)地面主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，在考慮各個(gè)接口速度的情況下，在本系統(tǒng)中選用了RS485接口。該數(shù)據(jù)接口將與能量激光器、二維轉(zhuǎn)臺(tái)、傳感通信模塊、接收光路傳感器進(jìn)行連接。計(jì)算控制模塊是整套系統(tǒng)的大腦，采用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片接收上位機(jī)界面指令，控制地面及機(jī)載設(shè)備按工作模式進(jìn)行工作，協(xié)調(diào)各設(shè)備工作并具有一定的自動(dòng)錯(cuò)誤處理能力。圖像處理模塊采用可編程邏輯器件（FPGA）處理芯片，對(duì)CCD 獲得的圖像信息進(jìn)行處理，并對(duì)無(wú)人機(jī)信標(biāo)光進(jìn)行相對(duì)位置定位?；贚ab View 軟件的上位機(jī)界面為控制人員提供理想的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)系統(tǒng)的控制，同時(shí)將系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)給控制人員，將地面發(fā)射機(jī)和機(jī)載接收機(jī)的工作狀態(tài)上報(bào)，提供系統(tǒng)工作參數(shù)、工作模式控制接口，為地面操控人員提供友好的人機(jī)交互界面。

4 激光射束驅(qū)動(dòng)能量機(jī)載接收機(jī)設(shè)計(jì)

激光射束驅(qū)動(dòng)能量機(jī)載接收機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射能量光束的光-電轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，由光電轉(zhuǎn)換單元、機(jī)載控制器和能源管理單元組成。在設(shè)計(jì)中主要圍繞兩方面進(jìn)行：①高效率光—電轉(zhuǎn)換；②輕量化設(shè)計(jì)，從而在為電動(dòng)無(wú)人機(jī)提供能量的同時(shí)，盡量減少對(duì)無(wú)人機(jī)載荷的資源消耗。

4．1 光電轉(zhuǎn)換單元

光電轉(zhuǎn)換電池板是光電轉(zhuǎn)換單元的核心部件，如圖5所示。目前可用于光電轉(zhuǎn)換單元的光學(xué)方式有聚光式和平鋪式兩種。聚光式是通過(guò)反射或透射方式將入射激光光束聚焦在接收光電池上，可以提高光功率密度和提高轉(zhuǎn)換效率，而且通過(guò)減少光電池用量實(shí)現(xiàn)接收裝置低成本。然而由于聚光式體積較大，對(duì)入射的光束光軸角度要求較嚴(yán)格，并不適用于無(wú)人飛行器使用。平鋪式則僅對(duì)光電池進(jìn)行必要的防氧化處理后，根據(jù)入射光斑形狀進(jìn)行平面布局，盡管由于光功率密度低和占空比影響等因素，其效率相對(duì)略低，但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、布置方式靈活、質(zhì)量輕，非常適于無(wú)人機(jī)等大氣內(nèi)飛行器使用。

圖5 光電轉(zhuǎn)換光學(xué)方式Fig．5 Different kinds of photoelectric conversion

根據(jù)對(duì)光電轉(zhuǎn)換單元設(shè)備的功能需求，對(duì)光電轉(zhuǎn)換單元的功能模塊進(jìn)行了劃分。光電轉(zhuǎn)換單元由光電池板、目標(biāo)指示燈、溫度和電壓傳感器組成，如圖6所示。

圖6 光電轉(zhuǎn)換單元組成Fig．6 Block diagram of photoelectric conversion unit

光電池板是光電轉(zhuǎn)換單元的主體，本設(shè)計(jì)中選用的為平鋪式布局，采用單片1cm×1cm 的砷化鎵單結(jié)電池，光電轉(zhuǎn)換單元直徑190mm，占空比超過(guò)80%；目標(biāo)指示燈負(fù)責(zé)為地面發(fā)射機(jī)目標(biāo)探測(cè)模塊提供指示無(wú)人機(jī)的位置和方向的燈光，這里采用經(jīng)過(guò)30°聚焦，發(fā)光功率為2 W 的濾光發(fā)光二極管（LED）作為無(wú)人機(jī)目標(biāo)指示光源；溫度傳感器和電壓（電流）傳感器對(duì)電池板溫度和入射功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用以防止地面發(fā)射光束對(duì)無(wú)人機(jī)造成損害。

4．2 機(jī)載控制器

機(jī)載控制器負(fù)責(zé)完成對(duì)機(jī)載設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制，并與地面發(fā)射機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信。如圖7所示，機(jī)載控制器主要由無(wú)線通信模塊，LED 驅(qū)動(dòng)電路、定位模塊、采樣電路、微控制器（MCU）及電源等組成。

圖7 機(jī)載控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig．7 Block diagram of the controlling unit on plane

無(wú)線通信模塊與地面發(fā)射機(jī)進(jìn)行雙向通信，向地面發(fā)送機(jī)載設(shè)備工作狀態(tài)，并接收地面發(fā)送的控制指令；LED 驅(qū)動(dòng)電路完成對(duì)LED 目標(biāo)指示燈的開(kāi)關(guān)和供電驅(qū)動(dòng)；定位模塊對(duì)無(wú)人機(jī)定位信息進(jìn)行測(cè)量，為地面發(fā)射機(jī)瞄準(zhǔn)提供目標(biāo)信息；采樣電路對(duì)機(jī)載光電轉(zhuǎn)換板的溫度和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)為電壓采集方式工作；MCU 模塊機(jī)載設(shè)備信息進(jìn)行編碼、發(fā)送，同時(shí)對(duì)接收的地面信息進(jìn)行解碼并控制機(jī)載設(shè)備，是機(jī)載設(shè)備的核心控制單元。

4．3 能源管理單元

能源管理單元主要對(duì)輸入電能量進(jìn)行管理和分配，并為負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出電壓，同時(shí)為機(jī)載控制器提供持續(xù)穩(wěn)定的電源，以保證系統(tǒng)的可靠、正常運(yùn)行。根據(jù)能源管理單元功能需求，能源管理由DC／DC電源、功率跟蹤電路、蓄能電池、輸入輸出保護(hù)二極管組成，如圖8所示。

圖8 能源管理單元組成Fig．8 Block diagram of the energy controlling unit

蓄能電池（鋰電池）在光電池板無(wú)輸入時(shí)對(duì)機(jī)載接收機(jī)進(jìn)行供電（起飛、降落及地面發(fā)射端跟蹤失敗時(shí)），而在有電能輸入時(shí)作為能源存儲(chǔ)的設(shè)備；功率跟蹤電路采用擾動(dòng)法對(duì)光電池輸出電能進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，并將輸出電能提供給蓄能電池充電和電機(jī)工作使用。為保證電池充電安全性，蓄能需要具有大電流充電能力，在本系統(tǒng)中采用了鈦酸鋰電池。DC／DC1模塊將光電池和鋰電池輸出的低壓電能進(jìn)行穩(wěn)壓整流處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電。同時(shí)DC／DC2 模塊為將鋰電池提供的電源經(jīng)過(guò)降壓穩(wěn)壓后為機(jī)載控制器供電。

5 系統(tǒng)傳輸功率與效率

衡量激光射束驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)性能有2 個(gè)指標(biāo)：發(fā)射功率（PS）和接收功率（PR），其中發(fā)射功率由地面發(fā)射機(jī)能量激光器決定，在接收端能量密度允許的情況下，采用更大的激光器可以獲得更多的發(fā)射功率。在激光無(wú)線能量傳輸過(guò)程中，多個(gè)因素將影響系統(tǒng)能量傳輸效率，這些因素包括：激光器光電轉(zhuǎn)換效率、光學(xué)天線發(fā)射效率、激光空間傳輸效率、接收面效率和光電轉(zhuǎn)換單元的光電轉(zhuǎn)換效率，另外地面發(fā)射機(jī)的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤（APT）系統(tǒng)的跟蹤精度也在一定程度上對(duì)系統(tǒng)傳輸效率存在影響。

影響整個(gè)系統(tǒng)電光—光電傳輸效率的環(huán)節(jié)因素主要包括：η1為激光器電光轉(zhuǎn)換效率；η2天線發(fā)射效率；η3為激光在空間中的傳輸效率；η4為APT 系統(tǒng)跟蹤精度影響剩余效率；η5為接收光學(xué)天線接收效率；η6為光電轉(zhuǎn)換器的光電轉(zhuǎn)換效率。激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)傳輸效率為

根據(jù)目前設(shè)計(jì)情況，激光能量傳輸各環(huán)節(jié)效率如圖9所示。

圖9給出了激光射束驅(qū)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)的效率，因此最終電—電轉(zhuǎn)化效率約為12%，最終光到電轉(zhuǎn)化效率約為26%，一般而言小型無(wú)人機(jī)的電能需求在600～1000 W，在系統(tǒng)建造中將選用2．3～4kW 的光纖耦合半導(dǎo)體激光器。

圖9 激光無(wú)線能量傳輸環(huán)節(jié)效率Fig．9 Efficiency of the laser power for electrically-powered unmanned aerial vehicles

單結(jié)GaAs光電池作為理想的激光光電池，目前實(shí)際最高吸收效率為50%，而其理論吸收效率可達(dá)70%以上，以目前光電池發(fā)展速度，在未來(lái)8～10年時(shí)間里，單結(jié)GaAs光電池的產(chǎn)品完全可以達(dá)到60%光電轉(zhuǎn)換效率，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能量傳輸效率，實(shí)現(xiàn)大于20%的電能傳輸效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前電動(dòng)無(wú)人機(jī)續(xù)航能力差制約了它的應(yīng)用，激光射束驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)可以很好地拓展電動(dòng)無(wú)人機(jī)續(xù)航范圍，擴(kuò)大無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。本文提出了一種通過(guò)激光—電能轉(zhuǎn)換的方式，利用大功率激光光束作為能量傳遞介質(zhì)的激光射束驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)地面能源發(fā)射端對(duì)電動(dòng)無(wú)人機(jī)的無(wú)線能量供給。該系統(tǒng)為電動(dòng)無(wú)人機(jī)充電應(yīng)用提供了一種解決手段，可為我國(guó)激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)提供有力的支持。目前，測(cè)試獲得電—電傳輸效率僅有12%，未來(lái)需要在激光器和光電池高效轉(zhuǎn)換技術(shù)上進(jìn)行深入的研究。

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