本发明属于激光，具体涉及一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形系统及方法。
背景技术：
1、激光无线能量传输(laser wireless power transmission，lwpt)是一种利用激光作为能量载体，实现电能在自由空间中无线传输的技术。相比传统方式，lwpt不需要考虑线缆的铺设及日常维护，同时能够动态调整电力传输方向，因此在海岛、核电站、油井矿田、事故灾害现场等特殊场景中具有不可比拟的优势。此外，lwpt技术还能够对无人机、新能源汽车、救援机器人等移动载具进行远程电力补充，延长其续航时间，扩展其任务场景。可以预见的是，lwpt技术在未来必然会像无线通信技术一样，深刻地改变人类生产生活方式，推动人类历史文明进程。
2、在lwpt链路中，覆盖地球表面的大气层是激光束无法回避的传输介质。大气中的湍流效应会使得激光束的波前发生畸变，继而使得到达目标处的光束强度分布不断变化。除此之外，lwpt链路中的能量收发端通常还会存在大范围的相对运动，从而使得光伏电池阵列的投影形状不断变化。为了保证能量转换效率，lwpt链路中光伏电池阵列的形状及尺寸都是根据光束强度分布来优化设计的。当强度分布动态变化的能量光斑照射到投影形状动态变化的光伏电池阵列上时，处于弱光处的光伏电池会变成一个等效负载，最终形成热斑效应。这种现象会降低lwpt链路的能量传输效率，甚至对光伏电池造成永久损坏。可以预见的是，随着未来lwpt链路的作用距离越来越远，湍流效应以及能量收发端相对运动引起的传输效率及可靠性下降问题也会更加严重。因此，需要发展一种能够实现激光束远场光强分布动态控制的新技术，即自适应光束赋形。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形系统及方法，包括激光器、光纤分束器、相位调制器阵列、光束准直器阵列、光电跟踪转台、光伏电池阵列、光电信号探测器阵列、无线通信模块和算法控制器；激光器的出射光束经过光纤分束器后被分为多束；光纤分束器出射光束连接至相位调制器阵列；相位调制器阵列出射光束连接至光束准直器阵列；光电跟踪转台对光束的光轴进行指向控制；光束准直器阵列出射光束经过远距离大气传输后到达光伏电池阵列；光伏电池阵列表面安装有光电信号探测器阵列；经光电信号探测器阵列输出的电信号连接至无线通信模块；算法控制器根据远场光强分布信息计算出相位调制器阵列的控制信号，实现自适应光束赋形控制。本发明能够提高能量传输链路的有效性以及可靠性。
2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
3、一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形系统，包括激光器、光纤分束器、相位调制器阵列、光束准直器阵列、光电跟踪转台、光伏电池阵列、光电信号探测器阵列、无线通信模块和算法控制器；
4、所述光纤分束器、相位调制器阵列、光束准直器阵列、无线通信模块的接收端、算法控制器安装在光电跟踪转台上；光伏电池阵列、光电信号探测器阵列、无线通信模块的发射端安装在旋翼无人机上；光电信号探测器阵列安装在光伏电池阵列的表面；
5、所述激光器的出射光束经过光纤分束器后被分为多束；
6、所述光纤分束器出射光束连接至相位调制器阵列，用来实现光束波前相位分布控制；
7、所述相位调制器阵列出射光束连接至光束准直器阵列，用来实现激光束的准直合束发射；
8、所述光电跟踪转台对光束的光轴进行指向控制；
9、所述光束准直器阵列出射光束经过大气传输后到达光伏电池阵列；
10、所述光伏电池阵列表面安装有光电信号探测器阵列；光伏电池阵列将大部分光能转换为电能，并且连接至负载用于实现能量补充；
11、所述光电信号探测器阵列将少部分光能转换为电信号，用于实现远场光强分布探测；光电信号探测器阵列输出的电信号连接至无线通信模块，用于实现远场误差扰动信息的实时回传；
12、所述算法控制器根据远场光强分布信息计算出相位调制器阵列的控制信号，实现自适应光束赋形控制。
13、优选地，所述激光器为单频窄线宽光纤耦合激光器。
14、优选地，所述光纤分束器为单模保偏光纤分束器。
15、优选地，所述光伏电池阵列包括单晶/多晶硅光伏电池、铜铟镓硒光伏电池、砷化镓光伏电池、钙钛矿光伏电池，这些能够将光能转换为电能的光电子器件。
16、优选地，所述光电探测器阵列包括硅探测器阵列、砷化镓探测器阵列、铜铟镓硒探测器阵列、铟镓砷探测器阵列，这些能够对光强进行实时采集并且转换为电信号的光电子器件。
17、优选地，所述无线通信模块包括射频通信模块、蓝牙通信模块、wifi通信模块、光通信模块，这些能够实现自由空间无线信号传输的通信器件。
18、优选地，所述算法控制器包括fpga、dsp、cpu，这些能够执行信号处理算法的芯片及外围电路。
19、优选地，所述算法控制器根据远场光强分布信息计算出相位调制器阵列控制信号的过程中，控制算法包括随机并行梯度下降算法、爬山法、多抖动法、模式搜索算法、遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、粒子群算法、进化算法、神经网络算法、禁忌搜索算法，这些能够实现迭代/非迭代式波前相位计算的控制算法。
20、一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形方法，具体步骤如下：
21、步骤1：激光器输出的激光束经过光纤分束器后，到达相位调制器阵列，然后经过光束准直器阵列进行准直；
22、步骤2：光电跟踪转台将光束准直器出射的光束定向发射至无人机；
23、步骤3：到达无人机的激光束首先作用在光伏电池阵列上；光伏电池阵列转换后的电能为无人机提供电力补充；
24、步骤4：光电探测器阵列转换后的电信号分别经过无线通信模块的发射和接收后到达算法控制器；
25、步骤5：算法控制器计算出相位调制器阵列的控制电压，实现波前相位自适应操控，将随机变化的远场光强分布实时锁定在随机变化的光伏阵列投影上，动态补偿大气湍流扰动与能量收发端相对运动的影响。
26、本发明的有益效果如下：
27、本发明提供的自适应光束赋形系统和方法，能够根据远场光强分布信息主动调整发射光束的波前相位分布，在光伏电池阵列表面形成强度分布均匀、形状动态可控的能量光斑，动态补偿大气湍流扰动以及能量收发端相对运动的影响，提高能量传输链路的有效性以及可靠性。
1.一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形系统，其特征在于，包括激光器、光纤分束器、相位调制器阵列、光束准直器阵列、光电跟踪转台、光伏电池阵列、光电信号探测器阵列、无线通信模块和算法控制器；
2.根据权利要求1所述的一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形系统，其特征在于，所述激光器为单频窄线宽光纤耦合激光器。
3.根据权利要求1所述的一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形系统，其特征在于，所述光纤分束器为单模保偏光纤分束器。
4.根据权利要求1所述的一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形系统，其特征在于，所述光伏电池阵列包括单晶/多晶硅光伏电池、铜铟镓硒光伏电池、砷化镓光伏电池、钙钛矿光伏电池，这些能够将光能转换为电能的光电子器件。
5.根据权利要求1所述的一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形系统，其特征在于，所述光电探测器阵列包括硅探测器阵列、砷化镓探测器阵列、铜铟镓硒探测器阵列、铟镓砷探测器阵列，这些能够对光强进行实时采集并且转换为电信号的光电子器件。
6.根据权利要求1所述的一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形系统，其特征在于，所述无线通信模块包括射频通信模块、蓝牙通信模块、wifi通信模块、光通信模块，这些能够实现自由空间无线信号传输的通信器件。
7.根据权利要求1所述的一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形系统，其特征在于，所述算法控制器包括fpga、dsp、cpu，这些能够执行信号处理算法的芯片及外围电路。
8.根据权利要求1所述的一种应用于激光无线能量传输的自适应光束赋形系统，其特征在于，所述算法控制器根据远场光强分布信息计算出相位调制器阵列控制信号的过程中，控制算法包括随机并行梯度下降算法、爬山法、多抖动法、模式搜索算法、遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、粒子群算法、进化算法、神经网络算法、禁忌搜索算法，这些能够实现迭代/非迭代式波前相位计算的控制算法。
9.一种采用权利要求1所述自适应光束赋形系统的赋形方法，其特征在于，具体步骤如下：
