激光无线能量传输在轨应用方法

申景诗 程坤 马波 贾蕴

（山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670）

1 引言

随着航天技术的发展，单个航天器质量、体积日益庞大，面对各种不确定性要求的响应严重缓慢。围绕空间系统针对诸如政治需求、技术失败以及专项资金流的波动等各种不确定性的响应速度，美国国防先进研究计划局（DARPA）提出了分离模块航天器这一新型结构概念。分离模块航天器技术的突破和实现，将遥感和科学探测等载荷的类型和数量从单个航天器的限制中解放出来；在同一个航天器系统中实现多任务载荷以及载荷的升级换代成为可能；多个卫星可联合实现更多的功能，同时系统的寿命和可靠性成倍提高；新技术试验和新载荷可方便地增加到分布式可重构卫星系统中，基本不会影响已有系统的运行，丰富了空间试验和技术创新验证的手段［1］。

在分离模块航天器的背景下，无线能量传输技术的应用是其发展的必要条件。尤其是激光无线能量传输以激光作为媒介，无需能源输送线，给特定环境下工作的目标器提供能源支持，使其能够顺利完成任务。而激光传能技术的核心指标是电能到电能的转化效率［2-4］。利用无线能量传输技术，航天器能量可由大约100～1000 m 距离远的其它航天器提供，从而降低了能量分系统的成本并提供扩展能力。这对于许多任务（包括地球观测、通信和天文学任务等）来说，此规模的“分离航天器”编队是有吸引力的。

本文根据分离模块航天器系统特点和任务需求，结合无线能量传输的技术能力和水平，开展激光无线能量传输在分离模块航天器系统中应用模式研究，提出应用方案。

2 分离模块航天器编队飞行

空间无线能量传输技术被认为是分离模块航天器系统中成熟度最低的关键技术，其发展对分离模块航天器具有实质性的推动作用。实现相距数百米、数千米甚至更远的分离模块航天器之间的无线能量传输，对未来的卫星设计将产生重要影响。例如未来卫星可不携带电源分系统甚至推进剂，只需要接收其它能量模块航天器通过无线方式传输的能量，从而拥有更多的空间配置专用有效载荷。为了说明分离模块航天器的供能模式，引入能量模块航天器（Resource Vehicle，RV）和任务模块航天器（Mission Vehicle，MV）的概念，能量模块航天器为任务模块航天器提供能量，而任务航天器接收能量。根据传能的任务需求，分离模块航天器可以采取不同的编队模式［5-6］。

分离模块航天器卫星编队模式可分为线性编队和椭圆形编队。线性编队是通过对卫星编队进行配置使航天器相对位置不随时间变化，从而为能量传输创造常规和一致条件。最简单的编队是以固定间隔（见图1）将所有航天器安置于一个单一轨道平面，这被称为简单线性或“主从星”编队。椭圆形编队能够使能量模块航天器与多个任务模块航天器之间保持编队飞行，防止任务模块航天器间的相互遮挡（从能量模块航天器的视角看），并且给立体观察有效载荷提供一个二维编队（见图2）。主从星简单线性编队（见图3），可以使能量模块航天器与任务模块航天器的相对运动最小化。如果此时从能量模块航天器传输能量，任务模块航天器不需要改变姿态，但可能需要操控万向转镜或其它设备以接收能量。

图1 线性卫星编队Fig．1 Linear satellite formations

图2 RV 位于MV 椭圆形编队中Fig．2 RV located within a elliptical formation of MV

图3 主从星简单线性编队Fig．3 Leader-follower simple linear formation

3 能量传输模式

激光是指通过受激辐射而产生、放大的光，即受激辐射的光放大。通常，产生激光需要泵浦源、激光介质、谐振腔，又称为激光三要素。其中，泵浦为英文单词pump的音译，指的是泵浦源激发激光介质由低能级跃迁到高能级的过程（如同把水从低处抽往高处）。激光无线能量传输首先要将太阳能转换成激光，有间接转换和直接转换两种模式。间接转换模式，首先利用太阳能电池将太阳能转换成电能，再利用电能驱动激光系统产生激光。直接转换方式，利用太阳光作为泵浦源直接产生激光，是不经过太阳能转换为电能的过程。

3．1 太阳能间接泵浦激光

所谓太阳能间接泵浦，即首先利用太阳能电池将太阳能转换成电能，再利用电能驱动激光系统产生激光，如图4所示。分析表明，最适合于空间太阳能应用的激光器为可见光段的固体激光器，包括二极管激光器和二极管泵浦的薄片激光器。尤其后者输出已达数千瓦，并且通过消除材料的热梯度克服了高功率二极管激光器热透镜的缺陷。

图4 太阳能间接泵浦激光示意图Fig．4 Scheme of solar indirect pumped laser

总体而言，这类激光器依赖于激光二极管和激光材料如铷钇铝石榴石（Nd：YAG）。目前，激光二极管是效率最高的激光器，插座效率高达80%，出射激光波长795～850nm。对于大规模的激光传能应用而言，包含数千个激光二极管的大面积辐射阵列式是可行的。这种激光系统的主要限制为热控制，而热控制是保证输出激光相干性的必要条件。大多数固体激光器采用晶体作为工作介质（Nd：YAG，铷氧化钇陶瓷Nd：Y2O3，红宝石等），泵浦光源处于可见光波段。其中，Nd：YAG（1064nm）应用最广泛，可利用激光二极管或太阳辐射泵浦。

3．2 太阳能直接泵浦激光

太阳能直接泵浦，即利用太阳光作为泵浦源产生激光，该激光系统包括太阳光采集系统。为了达到粒子数反转所需的功率密度，根据激光介质的不同，需要将太阳光聚集200到几千倍。为了避免太阳光采集系统面积过大，激光系统应满足以下要求：

（1）实现粒子数反转的能量密度较低，所需的太阳光集中度易于实现；

（2）激光棒可在较高温度工作，便于阵列式使用；

（3）高效的散热系统。

激光棒可由多种材料构成，研究较多的有半导体材料和Nd：YAG。直接泵浦的激光输出在根本上取决于太阳辐射光谱与激光介质吸收谱线的重合程度。已经存在的太阳光泵浦固体激光器能量转换效率在1%～4%之间，利用弧形金属卤化物灯泵浦的光学放大器光—光转换效率可达33%，太阳光直接泵浦的半导体激光器效率估计能够达到35%［7-8］。

太阳光直接泵浦的主要技术难点在于激光介质废热的排出系统设计，因为即使转换效率高的激光介质也仅有小部分入射太阳光转换为激光输出，其它能量均变为废热。这部分能量仅增加激光介质内能，不会转换为激光输出。因此，需设计滤光系统，阻止与激光介质吸收谱失配的太阳光到达激光介质。可以选择反射率具有波长依赖性的聚合物薄膜制作滤光系统。

太阳光直接泵浦激光技术具有相当的优势，使其更适合于在空间使用。

（1）空间中，泵浦激光的能量来自于太阳辐射，间接泵浦需经过太阳能电池这一中间环节，空间太阳能电池效率约为30%～40%，因此，效率为15%的直接泵浦激光可与电光转换效率50%的间接泵浦激光相当；

（2）消除了光电转换的中间环节，可免去大多数的电子器件，同时避免了传统的太阳能电站带来的高压限制。

4 激光传能方案

在一些情况下需要能量发射端同时发射多束激光，比如一对多激光传能、通信时，其中比较典型的应用案例是分离模块航天器。分离模块航天器由多个“模块航天器”组成，每个模块航天器有各自的任务功能，可以独立制造及发射，航天器体系更加灵活，发射风险低、成本低，提高了系统的寿命和可靠性。在轨运行时通过无线信息及能量交换将分散的模块功能和资源高效地结合在一起［9］。分离模块航天器通常包含一个高成本、高可靠性的能源航天器，每个能源航天器伴随多个任务航天器，能源航天器与任务航天器间通过无线的方式进行能量传递和信息交互。当前的激光传能系统是点到点的，而分离模块航天器采用多个任务航天器包围能源航天器的椭圆形编队时，就需要点到多点的传能系统。

4．1 多光束发射天线系统

本文设计了一种多光束发射天线系统，能够实现一个发射端对多个接收端的高功率远距离的能量传递。发射端采用激光相控阵技术，通过多束激光合成可以提高电池表面光强和光斑均匀性，从而提高光电池的光电转化效率，进一步提高激光无线传能效率；可以提高传能功率和传输距离；可以同时发射多路传能光束为多个设备供能，且不存在盲区；可用于激光通信发射多路通信光束，每路光束可单独编码；可以完成瞄准、对中，具备相位控制、光束控制功能，实现多路光束的非相干或相干合成。

激光无线能量传输系统，如图5所示，系统包括转台、转台伺服单元、光学相控阵天线、激光发生器和控制器构成。

图5 激光无线传能系统Fig．5 Laser power transmission system

天线如图6所示，转台包括转台A 和转台Bi（i＝1，2，…，N）。转台A 用于控制多光束发射天线系统的整体方位。转台Bi设置在转台A 上，每个转台Bi上安装一副光学相控阵天线，转台Bi用于单独位于其上的光学相控阵天线的方位和俯仰。N的值等于光学相控阵天线的数量，N≥3（在此天线数量未做进一步优化）。N的取值越大，能够同时对更多的接收端发射激光，但是天线越多，遮挡也越多，权衡考虑下本实例采用3副光学相控阵天线，能够基本满足多接收端的传能需求，且遮挡面较小。如图6所示，本实例中3副光学相控阵天线圆形均匀排布于转台A 上，便于对各个方向上的接收端传能，转台B1～B3距离转台A 中心转轴的距离相同。

如图7所示的光学相控阵天线中，每个相控阵元后表面连接光束耦合器，光束耦合器连接相位控制模块。光束耦合器将激光发生器发出的激光束耦合至光学相控阵天线的相控阵元。相位控制模块根据控制器的指令，控制相控阵元发射光束的相位，以实现对同一目标发射多光束间的非相干或相干合成。相控阵元可以实现光束偏转，通过控制，每副相控阵天线发射的光功率为激光器输出总光功率的0～100%。

图6 多光束发射天线系统示意图Fig．6 Multiple laser beam transmission system

图7 光束控制单元示意图Fig．7 Scheme of laser beam controller

4．2 工作流程

转台伺服单元，根据控制器的指令，控制转台A的方位转动，以及转台B1～BN的方位和俯仰转动。

当需要向接收端发射激光时，根据控制器提供的接收端的位置信息，转台伺服单元转动转台中的一个或多个使得光学相控阵天线瞄准接收端，从而完成光束的粗瞄准。根据传输距离和所需光斑的空间分布特征，控制器控制相控阵元的选通和波束偏转，令多路发射光束指向接收端，以实现精瞄准。相位控制模块根据控制器的指令，控制相控阵元发射光束的相位，根据传输距离确定对射向同一接收端的多光束实施非相干合成或相干合成。

当发射端收到交互的请求或指令时，控制器利用转台上设置的传感器测量转台位置信息及转台方向姿态信息，并通过无线通信方式将位置信息传递给接收端；接收端同样通过无线通信方式将自身的位置信息传递给发射端。

发射端的控制器利用光学相控阵天线的位置和姿态信息及接收端的位置信息计算获得接收端相对于发射天线的角度位置，控制转台指向接收端，并准备对目标区域进行扫描，同时，接收端利用本身的位置和姿态数据及发射天线位置信息计算发射天线相对于自身的位置，使接收端的接收光电池板指向发射端的发射天线；接收端开启位于接收光电池板上的LED 指示灯，该指示灯光将入射带有滤光片的发射端观测视场（CCD），并成灰度像；发射端的控制器控制转台转动，从而对目标区域进行扫描，直至LED 指示灯在发射端接收光路观测视场中成像，此时认为光学相控阵天线瞄准接收端，精对准完成。

接着，控制器控制相控阵元偏转将光束指向接收端，并控制光束的空间排布提高光强在光电池板表面的均匀度。相位控制单元根据控制器的指令，控制相控阵元发射光束的相位，实现射向同一接收端的光束的非相干或相干合成，以提高光束的传输距离。

4．3 多光束发射方式

控制器在进行发射控制时，根据接收端的个数、位置和激光输出总功率的大小，采用如下策略进行发射控制。

4．3．1 为单个目标传能

与单个接收端交互时，分为以下两种情况。

1）一对一发射

系统的激光输出总功率是由传输距离、所需光斑大小等信息决定的，当激光输出总功率不超过设定的单天线安全发射功率时，由与接收端方位最近的相控阵天线瞄准接收端并发射光束。发射时，由控制器驱动相控阵元使多路光束指向接收端，并根据与接收端的相对距离采用非相干或相干合束，如图8所示。

2）多对一发射

若所需的激光输出总功率过高，由单副相控阵天线发射有损伤风险时，可根据需要有2副或3副天线瞄准同一接收端并共同发射。发射时，控制相控阵元使得每一接收端均接收多路光束，并根据与接收端的相对距离采用非相干或相干合束，如图9所示。通过调整光学相控阵天线的俯仰角度，可在未被平台遮挡的空间内无盲区瞄准。

图8 单个天线瞄准单个目标Fig．8 One antennae pointing at single object

图9 多个天线瞄准单个目标Fig．9 Several antennas pointing at single object

4．3．2 为多个目标传能

与多个接收端交互时，分为以下两种情况。

1）一对多发射

当所有接收端均在某一光学相控阵天线的寻址范围内，且所需提供的激光输出总功率不超过单副天线安全发射功率，则由此光学相控阵天线发射光束，且通过控制光束偏转进行光束分配，使得所有接收端均接收到光束。并且，根据与接收端的相对距离采用非相干或相干合束，如图10所示。

图10 单个天线瞄准多个目标Fig．10 One antenna pointing at several objects

2）多对多发射

当所需提供的激光输出总功率超过单天线安全发射功率时，或者多接收端的分布超出单副光学相控阵天线的寻址范围，则根据接收端坐标位置和功率需要由2副或2副以上的光学相控阵天线共同发射，每副光学相控阵天线向自身寻址范围内的接收端发射光束。发射时，同样可以根据与接收端的相对距离采用非相干或相干合束，如图11所示。

图11 多个天线瞄准多个目标Fig．11 Several antennae pointing at multiple objects

多个接收端可位于不同平面内，通过调整3副光学相控阵天线的俯仰角度，可在未被平台遮挡的空间内无盲区瞄准。对于上述4种情况，为避免转台Bi转动角度过大或降低目标变换时重定位的复杂度，可转动转台A 加以配合。若要实现多目标无盲区瞄准，需要多套天线系统配合使用，或在转台A背面增加转台，相关的优化设计工作正在进行。

5 结束语

本文设计的多光束激光能量发射天线系统，发射端采用激光相控阵技术，可以完成瞄准、对中，具备相位控制、光束控制功能，实现多路光束的非相干或相干合成，能够提高激光传能的效率，提高传能功率与传能距离，并且可以同时发射多路传能光束为多个设备供能，此外在未被平台遮挡的立体角内不存在盲区，可用于激光传能、激光通信、激光武器、激光雷达等需要多光路发射的激光系统，具有广泛的应用前景。

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