激光無線能量傳輸在軌應用方法

申景詩 程坤 馬波 賈蘊

（山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264670）

1 引言

隨著航天技術的發展，單個航天器質量、體積日益龐大，面對各種不確定性要求的響應嚴重緩慢。圍繞空間系統針對諸如政治需求、技術失敗以及專項資金流的波動等各種不確定性的響應速度，美國國防先進研究計劃局（DARPA）提出了分離模塊航天器這一新型結構概念。分離模塊航天器技術的突破和實現，將遙感和科學探測等載荷的類型和數量從單個航天器的限制中解放出來；在同一個航天器系統中實現多任務載荷以及載荷的升級換代成為可能；多個衛星可聯合實現更多的功能，同時系統的壽命和可靠性成倍提高；新技術試驗和新載荷可方便地增加到分布式可重構衛星系統中，基本不會影響已有系統的運行，豐富了空間試驗和技術創新驗證的手段［1］。

在分離模塊航天器的背景下，無線能量傳輸技術的應用是其發展的必要條件。尤其是激光無線能量傳輸以激光作為媒介，無需能源輸送線，給特定環境下工作的目標器提供能源支持，使其能夠順利完成任務。而激光傳能技術的核心指標是電能到電能的轉化效率［2-4］。利用無線能量傳輸技術，航天器能量可由大約100～1000 m 距離遠的其它航天器提供，從而降低了能量分系統的成本并提供擴展能力。這對于許多任務（包括地球觀測、通信和天文學任務等）來說，此規模的“分離航天器”編隊是有吸引力的。

本文根據分離模塊航天器系統特點和任務需求，結合無線能量傳輸的技術能力和水平，開展激光無線能量傳輸在分離模塊航天器系統中應用模式研究，提出應用方案。

2 分離模塊航天器編隊飛行

空間無線能量傳輸技術被認為是分離模塊航天器系統中成熟度最低的關鍵技術，其發展對分離模塊航天器具有實質性的推動作用。實現相距數百米、數千米甚至更遠的分離模塊航天器之間的無線能量傳輸，對未來的衛星設計將產生重要影響。例如未來衛星可不攜帶電源分系統甚至推進劑，只需要接收其它能量模塊航天器通過無線方式傳輸的能量，從而擁有更多的空間配置專用有效載荷。為了說明分離模塊航天器的供能模式，引入能量模塊航天器（Resource Vehicle，RV）和任務模塊航天器（Mission Vehicle，MV）的概念，能量模塊航天器為任務模塊航天器提供能量，而任務航天器接收能量。根據傳能的任務需求，分離模塊航天器可以采取不同的編隊模式［5-6］。

分離模塊航天器衛星編隊模式可分為線性編隊和橢圓形編隊。線性編隊是通過對衛星編隊進行配置使航天器相對位置不隨時間變化，從而為能量傳輸創造常規和一致條件。最簡單的編隊是以固定間隔（見圖1）將所有航天器安置于一個單一軌道平面，這被稱為簡單線性或“主從星”編隊。橢圓形編隊能夠使能量模塊航天器與多個任務模塊航天器之間保持編隊飛行，防止任務模塊航天器間的相互遮擋（從能量模塊航天器的視角看），并且給立體觀察有效載荷提供一個二維編隊（見圖2）。主從星簡單線性編隊（見圖3），可以使能量模塊航天器與任務模塊航天器的相對運動最小化。如果此時從能量模塊航天器傳輸能量，任務模塊航天器不需要改變姿態，但可能需要操控萬向轉鏡或其它設備以接收能量。

圖1 線性衛星編隊Fig．1 Linear satellite formations

圖2 RV 位于MV 橢圓形編隊中Fig．2 RV located within a elliptical formation of MV

圖3 主從星簡單線性編隊Fig．3 Leader-follower simple linear formation

3 能量傳輸模式

激光是指通過受激輻射而產生、放大的光，即受激輻射的光放大。通常，產生激光需要泵浦源、激光介質、諧振腔，又稱為激光三要素。其中，泵浦為英文單詞pump的音譯，指的是泵浦源激發激光介質由低能級躍遷到高能級的過程（如同把水從低處抽往高處）。激光無線能量傳輸首先要將太陽能轉換成激光，有間接轉換和直接轉換兩種模式。間接轉換模式，首先利用太陽能電池將太陽能轉換成電能，再利用電能驅動激光系統產生激光。直接轉換方式，利用太陽光作為泵浦源直接產生激光，是不經過太陽能轉換為電能的過程。

3．1 太陽能間接泵浦激光

所謂太陽能間接泵浦，即首先利用太陽能電池將太陽能轉換成電能，再利用電能驅動激光系統產生激光，如圖4所示。分析表明，最適合于空間太陽能應用的激光器為可見光段的固體激光器，包括二極管激光器和二極管泵浦的薄片激光器。尤其后者輸出已達數千瓦，并且通過消除材料的熱梯度克服了高功率二極管激光器熱透鏡的缺陷。

圖4 太陽能間接泵浦激光示意圖Fig．4 Scheme of solar indirect pumped laser

總體而言，這類激光器依賴于激光二極管和激光材料如銣釔鋁石榴石（Nd：YAG）。目前，激光二極管是效率最高的激光器，插座效率高達80%，出射激光波長795～850nm。對于大規模的激光傳能應用而言，包含數千個激光二極管的大面積輻射陣列式是可行的。這種激光系統的主要限制為熱控制，而熱控制是保證輸出激光相干性的必要條件。大多數固體激光器采用晶體作為工作介質（Nd：YAG，銣氧化釔陶瓷Nd：Y2O3，紅寶石等），泵浦光源處于可見光波段。其中，Nd：YAG（1064nm）應用最廣泛，可利用激光二極管或太陽輻射泵浦。

3．2 太陽能直接泵浦激光

太陽能直接泵浦，即利用太陽光作為泵浦源產生激光，該激光系統包括太陽光采集系統。為了達到粒子數反轉所需的功率密度，根據激光介質的不同，需要將太陽光聚集200到幾千倍。為了避免太陽光采集系統面積過大，激光系統應滿足以下要求：

（1）實現粒子數反轉的能量密度較低，所需的太陽光集中度易于實現；

（2）激光棒可在較高溫度工作，便于陣列式使用；

（3）高效的散熱系統。

激光棒可由多種材料構成，研究較多的有半導體材料和Nd：YAG。直接泵浦的激光輸出在根本上取決于太陽輻射光譜與激光介質吸收譜線的重合程度。已經存在的太陽光泵浦固體激光器能量轉換效率在1%～4%之間，利用弧形金屬鹵化物燈泵浦的光學放大器光—光轉換效率可達33%，太陽光直接泵浦的半導體激光器效率估計能夠達到35%［7-8］。

太陽光直接泵浦的主要技術難點在于激光介質廢熱的排出系統設計，因為即使轉換效率高的激光介質也僅有小部分入射太陽光轉換為激光輸出，其它能量均變為廢熱。這部分能量僅增加激光介質內能，不會轉換為激光輸出。因此，需設計濾光系統，阻止與激光介質吸收譜失配的太陽光到達激光介質。可以選擇反射率具有波長依賴性的聚合物薄膜制作濾光系統。

太陽光直接泵浦激光技術具有相當的優勢，使其更適合于在空間使用。

（1）空間中，泵浦激光的能量來自于太陽輻射，間接泵浦需經過太陽能電池這一中間環節，空間太陽能電池效率約為30%～40%，因此，效率為15%的直接泵浦激光可與電光轉換效率50%的間接泵浦激光相當；

（2）消除了光電轉換的中間環節，可免去大多數的電子器件，同時避免了傳統的太陽能電站帶來的高壓限制。

4 激光傳能方案

在一些情況下需要能量發射端同時發射多束激光，比如一對多激光傳能、通信時，其中比較典型的應用案例是分離模塊航天器。分離模塊航天器由多個“模塊航天器”組成，每個模塊航天器有各自的任務功能，可以獨立制造及發射，航天器體系更加靈活，發射風險低、成本低，提高了系統的壽命和可靠性。在軌運行時通過無線信息及能量交換將分散的模塊功能和資源高效地結合在一起［9］。分離模塊航天器通常包含一個高成本、高可靠性的能源航天器，每個能源航天器伴隨多個任務航天器，能源航天器與任務航天器間通過無線的方式進行能量傳遞和信息交互。當前的激光傳能系統是點到點的，而分離模塊航天器采用多個任務航天器包圍能源航天器的橢圓形編隊時，就需要點到多點的傳能系統。

4．1 多光束發射天線系統

本文設計了一種多光束發射天線系統，能夠實現一個發射端對多個接收端的高功率遠距離的能量傳遞。發射端采用激光相控陣技術，通過多束激光合成可以提高電池表面光強和光斑均勻性，從而提高光電池的光電轉化效率，進一步提高激光無線傳能效率；可以提高傳能功率和傳輸距離；可以同時發射多路傳能光束為多個設備供能，且不存在盲區；可用于激光通信發射多路通信光束，每路光束可單獨編碼；可以完成瞄準、對中，具備相位控制、光束控制功能，實現多路光束的非相干或相干合成。

激光無線能量傳輸系統，如圖5所示，系統包括轉臺、轉臺伺服單元、光學相控陣天線、激光發生器和控制器構成。

圖5 激光無線傳能系統Fig．5 Laser power transmission system

天線如圖6所示，轉臺包括轉臺A 和轉臺Bi（i＝1，2，…，N）。轉臺A 用于控制多光束發射天線系統的整體方位。轉臺Bi設置在轉臺A 上，每個轉臺Bi上安裝一副光學相控陣天線，轉臺Bi用于單獨位于其上的光學相控陣天線的方位和俯仰。N的值等于光學相控陣天線的數量，N≥3（在此天線數量未做進一步優化）。N的取值越大，能夠同時對更多的接收端發射激光，但是天線越多，遮擋也越多，權衡考慮下本實例采用3副光學相控陣天線，能夠基本滿足多接收端的傳能需求，且遮擋面較小。如圖6所示，本實例中3副光學相控陣天線圓形均勻排布于轉臺A 上，便于對各個方向上的接收端傳能，轉臺B1～B3距離轉臺A 中心轉軸的距離相同。

如圖7所示的光學相控陣天線中，每個相控陣元后表面連接光束耦合器，光束耦合器連接相位控制模塊。光束耦合器將激光發生器發出的激光束耦合至光學相控陣天線的相控陣元。相位控制模塊根據控制器的指令，控制相控陣元發射光束的相位，以實現對同一目標發射多光束間的非相干或相干合成。相控陣元可以實現光束偏轉，通過控制，每副相控陣天線發射的光功率為激光器輸出總光功率的0～100%。

圖6 多光束發射天線系統示意圖Fig．6 Multiple laser beam transmission system

圖7 光束控制單元示意圖Fig．7 Scheme of laser beam controller

4．2 工作流程

轉臺伺服單元，根據控制器的指令，控制轉臺A的方位轉動，以及轉臺B1～BN的方位和俯仰轉動。

當需要向接收端發射激光時，根據控制器提供的接收端的位置信息，轉臺伺服單元轉動轉臺中的一個或多個使得光學相控陣天線瞄準接收端，從而完成光束的粗瞄準。根據傳輸距離和所需光斑的空間分布特征，控制器控制相控陣元的選通和波束偏轉，令多路發射光束指向接收端，以實現精瞄準。相位控制模塊根據控制器的指令，控制相控陣元發射光束的相位，根據傳輸距離確定對射向同一接收端的多光束實施非相干合成或相干合成。

當發射端收到交互的請求或指令時，控制器利用轉臺上設置的傳感器測量轉臺位置信息及轉臺方向姿態信息，并通過無線通信方式將位置信息傳遞給接收端；接收端同樣通過無線通信方式將自身的位置信息傳遞給發射端。

發射端的控制器利用光學相控陣天線的位置和姿態信息及接收端的位置信息計算獲得接收端相對于發射天線的角度位置，控制轉臺指向接收端，并準備對目標區域進行掃描，同時，接收端利用本身的位置和姿態數據及發射天線位置信息計算發射天線相對于自身的位置，使接收端的接收光電池板指向發射端的發射天線；接收端開啟位于接收光電池板上的LED 指示燈，該指示燈光將入射帶有濾光片的發射端觀測視場（CCD），并成灰度像；發射端的控制器控制轉臺轉動，從而對目標區域進行掃描，直至LED 指示燈在發射端接收光路觀測視場中成像，此時認為光學相控陣天線瞄準接收端，精對準完成。

接著，控制器控制相控陣元偏轉將光束指向接收端，并控制光束的空間排布提高光強在光電池板表面的均勻度。相位控制單元根據控制器的指令，控制相控陣元發射光束的相位，實現射向同一接收端的光束的非相干或相干合成，以提高光束的傳輸距離。

4．3 多光束發射方式

控制器在進行發射控制時，根據接收端的個數、位置和激光輸出總功率的大小，采用如下策略進行發射控制。

4．3．1 為單個目標傳能

與單個接收端交互時，分為以下兩種情況。

1）一對一發射

系統的激光輸出總功率是由傳輸距離、所需光斑大小等信息決定的，當激光輸出總功率不超過設定的單天線安全發射功率時，由與接收端方位最近的相控陣天線瞄準接收端并發射光束。發射時，由控制器驅動相控陣元使多路光束指向接收端，并根據與接收端的相對距離采用非相干或相干合束，如圖8所示。

2）多對一發射

若所需的激光輸出總功率過高，由單副相控陣天線發射有損傷風險時，可根據需要有2副或3副天線瞄準同一接收端并共同發射。發射時，控制相控陣元使得每一接收端均接收多路光束，并根據與接收端的相對距離采用非相干或相干合束，如圖9所示。通過調整光學相控陣天線的俯仰角度，可在未被平臺遮擋的空間內無盲區瞄準。

圖8 單個天線瞄準單個目標Fig．8 One antennae pointing at single object

圖9 多個天線瞄準單個目標Fig．9 Several antennas pointing at single object

4．3．2 為多個目標傳能

與多個接收端交互時，分為以下兩種情況。

1）一對多發射

當所有接收端均在某一光學相控陣天線的尋址范圍內，且所需提供的激光輸出總功率不超過單副天線安全發射功率，則由此光學相控陣天線發射光束，且通過控制光束偏轉進行光束分配，使得所有接收端均接收到光束。并且，根據與接收端的相對距離采用非相干或相干合束，如圖10所示。

圖10 單個天線瞄準多個目標Fig．10 One antenna pointing at several objects

2）多對多發射

當所需提供的激光輸出總功率超過單天線安全發射功率時，或者多接收端的分布超出單副光學相控陣天線的尋址范圍，則根據接收端坐標位置和功率需要由2副或2副以上的光學相控陣天線共同發射，每副光學相控陣天線向自身尋址范圍內的接收端發射光束。發射時，同樣可以根據與接收端的相對距離采用非相干或相干合束，如圖11所示。

圖11 多個天線瞄準多個目標Fig．11 Several antennae pointing at multiple objects

多個接收端可位于不同平面內，通過調整3副光學相控陣天線的俯仰角度，可在未被平臺遮擋的空間內無盲區瞄準。對于上述4種情況，為避免轉臺Bi轉動角度過大或降低目標變換時重定位的復雜度，可轉動轉臺A 加以配合。若要實現多目標無盲區瞄準，需要多套天線系統配合使用，或在轉臺A背面增加轉臺，相關的優化設計工作正在進行。

5 結束語

本文設計的多光束激光能量發射天線系統，發射端采用激光相控陣技術，可以完成瞄準、對中，具備相位控制、光束控制功能，實現多路光束的非相干或相干合成，能夠提高激光傳能的效率，提高傳能功率與傳能距離，并且可以同時發射多路傳能光束為多個設備供能，此外在未被平臺遮擋的立體角內不存在盲區，可用于激光傳能、激光通信、激光武器、激光雷達等需要多光路發射的激光系統，具有廣泛的應用前景。

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