一种基于耦合腔激光器的腔内激光传能定位一体化系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于耦合腔激光器的腔内激光传能定位一体化系统，包括发射器和集成到远程用户设备中的接收器，并由发射器与接收器中元件构成的主谐振腔以及与主谐振腔相互耦合的自由空间谐振腔；主谐振腔位于发射器中，用于产生腔内激光，由沿光路依次设置的第一回复反射器、增益介质和第二回复反射器构成，增益介质与泵浦源连接；自由空间谐振腔由集成在发射器中的第三回复反射器和集成在接收器中用于提供有效光频电磁场反馈的第四回复反射器构成，第三回复反射器与第二回复反射器相互光束耦合；本发明专利技术通过双腔耦合原理和多反射器的设计，并基于固有的自对准功能实现了3维位置的感知，提高传能效率和视场角FoV，并实现移动定位。动定位。动定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于耦合腔激光器的腔内激光传能定位一体化系统


[0001]本专利技术涉及定位和能量传输
，尤其是涉及一种基于耦合腔激光器的腔内激光传能定位一体化系统。

技术介绍

[0002]在动态的物联网(IoT)场景中，无人机(UAV)、工业机器人、分体式航天器等无人设备的智能感知和协作得到了广泛关注，提出了以下两个关键问题：i)如何保证单个节点维持其计算和通信能力所需的能量消耗；ii)如何实现异构节点之间高精度和高适应性的自主协作。因此，在物联网时代，充足便捷的电力供应和高精度的定位需求正在变得突出。为此，基于声、电、光(可见光或激光)技术的无线电力传输(WPT)、通信、传感和定位的新方法和系统已被广泛开发。然而，现有的技术在提供具有移动性的高功率能量和易于集成的传感功能方面仍然面临挑战。
[0003]为了实现能量和定位信息的同时传输，现有的基于倏失波或非定向辐射的能量信息同时传输技术(SWIPT)上无法兼顾“远距离、高功率、高安全”三个传输特性。基于定向辐射的系统有可能同时满足上述三个要求，典型的方案包括以通信为目标的波束成形和以能量传输为重点的能量聚束。其中，基于分离式单腔激光器(DSCL)的WPT，也被称为共振波束充电(RBC)，它使用腔内激光作为高功率能量和高速率数据传输的载体，已经被提出和研究。RBC也被认为是6代(6G)网络的推动因素之一。
[0004]在过去的几年里，通过腔内激光进行能量和信息传输的系统设计和优化已经得到了越来越多研究。这些研究中，展开了对关键系统指标的分析，包括：升输出功率、发射端视场角、异物表面辐射暴露量、信噪比、通信速率等性能参数。然而，现有的基于DSCL的系统仍然存在视场角受限、端到端能量效率低和信号调制方案不成熟等瓶颈问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于耦合腔激光器的腔内激光传能定位一体化系统。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种基于耦合腔激光器的腔内激光传能定位一体化系统，包括发射器和集成到远程用户设备中的接收器，并由发射器与接收器中元件构成的主谐振腔以及与主谐振腔相互耦合的自由空间谐振腔；
[0008]所述主谐振腔位于发射器中，用于产生腔内激光，由沿光路依次设置的第一回复反射器、增益介质和第二回复反射器构成，所述增益介质与泵浦源连接；
[0009]所述自由空间谐振腔由集成在发射器中的第三回复反射器和集成在接收器中用于提供有效光频电磁场反馈的第四回复反射器构成，所述第三回复反射器与第二回复反射器相互光束耦合；
[0010]所述发射器内还设置有：用于进行到达角AoA估计的光束捕捉单元、测距单元以及
分别接收AoA估计与测距结果并得到定位信息的微控制器单元。
[0011]进一步的，所述光束捕捉单元包括设置在第一回复反射器远离第二回复反射器一端用于捕捉光束的CMOS图像传感器；所述CMOS图像传感器与微控制器单元连接。
[0012]进一步的，所述AoA估计步骤包括：
[0013]获取CMOS图像传感器上的光场分布，根据质心算法得到CMOS图像传感器上光斑位置，通过CMOS图像传感器上光斑的位置确定目标的位置；根据光束强度分布、CMOS响应性和噪声获得到达角AoA的估计误差；进而获取到达角AoA估计。
[0014]进一步的，所述CMOS图像传感器得到的每个像素上的光电子g(p,q)包括了由入射激光束转换的电功率和CMOS上的噪声功率：
[0015]g(p,q)＝s
p,q
+n
p,q
＝μη
QE
I
max
E
p,]+n
p,q
[0016]其中，s
p,q
和n
p,q
分别是由腔内激光上的加载信号和噪声引起的光电子；μ是CMOS的响应率，η
QE
是量子效率；I
max
和E
p,q
是CMOS上发生的最大强度和归一化场分布；
[0017]根据光束强度分布、CMOS响应性和噪声来获得AoA的估计误差；
[0018]其中，沿Y轴的所述估计误差的方差表述为：
[0019][0020]其中，为CMOS中的噪声方差，N是CMOS像素的索引值。
[0021]进一步的，所述CMOS中噪声方差包括由入射激光束引起的冲击噪声σ
s
、读取噪声σ
r
、像素固有噪声σ
f
、暗电流噪声σ
d
和背景光噪声σ
b
，像素(i,j)的噪声方差表述为：
[0022][0023]其中，n
P,q
是由腔内激光上的噪声引起的光电子；μ是CMOS的响应率；I
max
和E
p,q
是CMOS上发生的最大强度和归一化场分布。
[0024]进一步的，所述测距单元基于DCCL的自混合特性和内在的偏振调制进行测距，在第三回复反射器与第四回复反射器之间设置偏振旋转器以诱发偏振模式切换，通过找到反射光束中的切换频率f
PsM
来估计目标的距离。
[0025]进一步的，所述偏振旋转器与第三回复反射器之间设置分束镜子M，并将一部分反向光束送至频谱分析仪以寻找偏振自调制频谱；空间谐振腔的长度d由c/(4f
PSM
)确定，通过确定频率切换的周期t估计d：
[0026]式中，c为光速。
[0027]进一步的，所述分束镜子M分离的部分反向光束由沃拉斯顿棱镜收集并分离成两个偏振分量；其中一个分量的强度由光电二极管检测，并送至频谱分析仪以寻找偏振自调制频谱；另一个分量由另一个光电二极管收集，并送至由计算机PC控制的频率计数器。
[0028]进一步的，所述接收器中集成了用于将腔内激光转换为电能的光伏电池。
[0029]进一步的，所述耦合腔激光器通过设置第二回复反射器与第三回复反射器的反射率，让主谐振腔工作于高阈值条件，从而使主谐振腔不能由泵浦源泵浦后独立激发出激光。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0031]本专利技术在基于DSCL的SWIPT的基础上，提出了一种基于分离式耦合腔激光器(DCCL)的传能定位一体化系统，以提高传能效率和视场角FoV，并实现移动定位。由于双腔耦合原理和多反射器(RR)的设计，直接实现了传能效率的提升，并通过固有的自对准功能实现了3维位置的感知。
[0032]本专利技术耦合的自由空间腔作为有效的反射器，其反射率更接近于最佳值。因此，在一定的泵浦功率下，使用DCCL比使用DSCL可以获得更高的输出功率。
[0033]此外，本专利技术DCCL的设计将增益介质放置在主谐振腔内，DCCL中主谐振腔不需要太大的FoV，因此不需要牺牲增益放大率，并通过扩大自由空间谐振腔中位于发射器侧的回复反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于耦合腔激光器的腔内激光传能定位一体化系统，其特征在于，包括发射器和集成到远程用户设备中的接收器，并由发射器与接收器中元件构成的主谐振腔以及与主谐振腔相互耦合的自由空间谐振腔；所述主谐振腔位于发射器中，用于产生腔内激光，由沿光路依次设置的第一回复反射器、增益介质和第二回复反射器构成，所述增益介质与泵浦源连接；所述自由空间谐振腔由集成在发射器中的第三回复反射器和集成在接收器中用于提供有效光频电磁场反馈的第四回复反射器构成，所述第三回复反射器与第二回复反射器相互光束耦合；所述发射器内还设置有：用于进行到达角AoA估计的光束捕捉单元、测距单元以及分别接收AoA估计与测距结果并得到定位信息的微控制器单元。2.根据权利要求1所述的一种基于耦合腔激光器的腔内激光传能定位一体化系统，其特征在于，所述光束捕捉单元包括设置在第一回复反射器远离第二回复反射器一端用于捕捉光束的CMOS图像传感器；所述CMOS图像传感器与微控制器单元连接。3.根据权利要求2所述的一种基于耦合腔激光器的腔内激光传能定位一体化系统，其特征在于，所述AoA估计步骤包括：获取CMOS图像传感器上的光场分布，根据质心算法得到CMOS图像传感器上光斑位置，通过CMOS图像传感器上光斑的位置确定目标的位置；根据光束强度分布、CMOS响应性和噪声获得到达角AoA的估计误差；进而获取到达角AoA估计。4.根据权利要求3所述的一种基于耦合腔激光器的腔内激光传能定位一体化系统，其特征在于，所述CMOS图像传感器得到的每个像素上的光电子g(p，q)包括了由入射激光束转换的电功率和CMOS上的噪声功率：g(p，q)＝s
p，q
+n
p，q
＝μη
QE
I
max
E
p，q
+n
p，q
其中，s
p，q
和n
p，q
分别是由腔内激光上的加载信号和噪声引起的光电子；μ是CMOS的响应率，η
QE
是量子效率；I
max
和E
p，q
是CMOS上发生的最大强度和归一化场分布；根据光束强度分布、CMOS响应性和噪声来获得AoA的估计误差；其中，沿Y轴的所述估计误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓浩，赵生捷，刘明清，刘庆文，张林，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：