一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法技术

本发明专利技术提供了一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法，包括设置放置在水面上的发射换能器阵列以及放置在水面下的接收换能器阵列；对发射换能器阵列中的所有阵元设置不同的幅度权值；控制发射换能器阵列的相控波束偏转。本发明专利技术公开的一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法，通过阵元的权值设定以及阵列的相控波束偏转，实现能量的定向聚集，能够有效提高水下无线能量传输效率。能够有效提高水下无线能量传输效率。能够有效提高水下无线能量传输效率。

【技术实现步骤摘要】
一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法


[0001]本专利技术属于无线电能传输领域，尤其是涉及一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法。

技术介绍

[0002]近年来，无线电能传输技术受到了全世界的广泛关注，它打破了传统有线电能传输的固有格局，摆脱了冗杂电线的束缚，使得供电电源和充电设备完全隔离，供电电路和充电电路实现独立封装，较好地解决了有线电能传输存在的电线裸露、易产生接触火花、可移动性差等问题，在某些极端环境和特殊条件下具有独特的优势，在电动汽车、工业生产、生物医疗、航空航天、海洋、高山海岛等多个领域具有广阔的应用前景。
[0003]无线电能传输技术应用在海洋领域，能够提高水下设备的充电安全性、可靠性、灵活性和隐蔽性，增强水下设备的工作能力，其典型应用案例是水下自主航行器与母船对接充电，水下自主航行器由于需要长时间工作，因此需要不断的能源支撑，而有线充电或自带电池的方式，限制了其作业范围和工作时间，因此采用无线充电方式可以扩大巡航时长与巡航范围。
[0004]根据工作原理的不同，无线电能传输技术主要有电场耦合式、磁场耦合式、微波辐射、激光和超声波等方式。水的导电性表明了水下环境中电场耦合技术无法使用。磁场耦合分为感应耦合式和谐振耦合式，基于变压器原理的感应式耦合传输距离仅为毫米级别，而谐振耦合式极易受到海洋环境的影响，如海流冲击、海水温度等，且无法实现远距离无线电能传输。微波辐射和激光方式的无线电能传输依靠电磁波原理，但水下环境复杂，电磁波在水中会迅速衰减，无法作为水中有效的能量载体。
[0005]由此可见，电场耦合式、磁场耦合式、微波辐射以及激光无线电能传输技术都无法在深水高压极端环境下实现远距离、高功率无线充电，而声波在水中能够远距离传播且能量衰减小，同时还可以实现电磁隐身，但现有的超声波耦合式水下无线能量传输的技术，普遍存在着能量方向分散，能量传输效率低的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法，通过阵元的权值设定以及阵列的相控波束偏转，实现能量的定向聚集，有效提高水下无线能量传输效率。
[0007]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：步骤一：设置放置在水面上的发射换能器阵列以及放置在水面下的接收换能器阵列，发射换能器阵列发射声波到接收换能器阵列；步骤二：对发射换能器阵列中的所有阵元设置不同的幅度权值，控制发射换能器阵列发射合成波束的波束宽度和旁瓣级，提高波束的能量定向聚集程度；步骤三：控制发射换能器阵列的相控波束偏转，提高波束的能量定向聚集程度；
步骤四：通过对发射换能器阵列的所有阵元设置不同的幅度权值以及阵列的相控波束偏转，实现发射换能器阵列发射声波到接收换能器阵列的能量定向聚集，提高水下无线能量的传输效率。
[0008]相对于现有技术，本专利技术所述的一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法，具有以下优势：第一，本专利技术公开的一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法，通过对发射换能器阵列中的所有阵元设置不同的幅度权值，控制发射换能器阵列发射合成波束的波束宽度和旁瓣级，提高波束的能量定向聚集程度；第二，本专利技术公开的一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法，通过控制发射换能器阵列的相控波束偏转，进一步提高波束的能量定向聚集程度；第三，本专利技术公开的一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法，非常适用于海洋领域的无线电能传输，特别是对水下设备的无线充电，具有能量传输效率高的特点。
附图说明
[0009]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0010]在附图中：图1为本专利技术实施例所述的一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法流程示意图；图2为本专利技术实施例所述的一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法应用示意图；图3为本专利技术实施例所述的一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法充电原理示意图。
具体实施方式
[0011]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0012]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0013]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0014]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0015]如图1所示，一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法，包括：步骤一：设置放置在水面上的发射换能器阵列以及放置在水面下的接收换能器阵列，发射换能器阵列发射声波到接收换能器阵列；在本实施例中，发射换能器阵列与接收换能器阵列相距3米，发射频率为40kHz。
[0016]在本实施例中，发射换能器阵列通过逆压电效应实现电能到声能的转换，并通过水介质辐射声波；接收换能器阵列接收发射换能器阵列发射的声波，通过压电效应将声能转化为电能，并通过匹配电路实现对负载的充电。
[0017]在本实施例中，发射换能器阵列与单独的发射换能器相比，辐射面增大，波束开角更小，作用距离也更远。
[0018]步骤二：对发射换能器阵列中的所有阵元设置不同的幅度权值，控制发射换能器阵列发射合成波束的波束宽度和旁瓣级，提高波束的能量定向聚集程度；所有阵元设置不同幅度权值的计算过程如下：所有阵元设置不同幅度权值的计算过程如下：设置期望的旁瓣级参数；N是发射换能器阵列的阵元总数；构建N*N阵列流型矩阵：其中：其中：其中：e是自然常数，j是虚数单位；得到权值矢量：权值矢量中各元素即为各阵元加权幅值，其中：
是构造的N*N阵列流型矩阵的自共轭矩阵；步骤三：控制发射换能器阵列的相控波束偏转，提高波束的能量定向聚集程度；发射换能器阵列波束的指向性函数如下：如下：表示未发生偏转时主波束方位角；表示未发生偏转时主波束俯仰角；期望主波束方位角；期望主波束俯仰角；N为阵元数，f是声信号频率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能够实现能量定向聚集的水下无线能量传输方法，其特征在于：包括：步骤一：设置放置在水面上的发射换能器阵列以及放置在水面下的接收换能器阵列，发射换能器阵列发射声波到接收换能器阵列；步骤二：对发射换能器阵列中的所有阵元设置不同的幅度权值，控制发射换能器阵列发射合成波束的波束宽度和旁瓣级，提高波束的能量定向聚集程度；所有阵元设置不同幅度权值的计算过程如下：所有阵元设置不同幅度权值的计算过程如下：设置期望的旁瓣级参数；N是发射换能器阵列的阵元总数；构建N*N阵列流型矩阵：其中：其中：其中：e是自然常数，j是虚数单位；得到权值矢量：权值矢量中各元素即为各阵元加权幅值，其中：其中：是构造的N*N阵列流型矩阵的自共轭矩阵；步骤三：控制发射换能器阵列的相控...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，刘忠正，赵鑫，耿彦章，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：