激光输能光电转换增效方法研究现状

光电转换效率是激光输能技术的重要指标,如何提高光电转换效率是目前激光输能技术研究的重点。在光电转换基本原理的基础上,分析了光电转换效率的影响因素,介绍了光电转换增效方法,以期为解决光电转换效率较低问题及推进激光输能技术实用化提供参考。     

空间热辐射对激光输能光电池特性影响研究

从激光辐照功率密度、光电池温度和光电转换效率的相互关系出发,基于热辐射平衡原理,建立了空间热辐射环境下光电池热辐射稳态平衡模型,根据该模型可以分析激光辐照功率密度、光电转换效率和光电池温度的相互影响。对已有的光电转换效率模型做温度上的修正,得到温度修正后的转换效率模型,将上述两个模型结合,即得到空间热辐射环境下激光辐照功率密度、光电池温度和转换效率的关系。通过MATLAB软件对模型进行仿真,仿真结果表明,随着激光辐照功率密度增加,光电池温度不断上升,光电转换效率和输出功率密度先上升后下降,但最大光电转换效率对应的激光辐照功率密度远小于最大输出功率密度对应的激光辐照功率密度,且日照区光电池温度高于地影区,日照区转换效率低于地影区。     

激光输能光电池温度场数值模拟

温升效应是影响激光输能光电转换效率的重要原因。为了分析温升效应对光电转换效率的影响,采用基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件和MATLAB软件联合仿真的数值模拟方法,建立了光电池的物理模型和热模型,得到了激光辐照时间、功率密度、光斑面积、入射角以及热辐射和热对流对温度场的影响结果。结果表明,2000W/m2激光功率密度辐照下,光电池温度随辐照时间先快速上升,20s后缓慢增加,100s达到热平衡态后温度稳定在343K;随着激光功率密度增大,电池温升速度越快,达到热平衡态时的温度值越高;激光光斑全部覆盖电池表面时,电池表面温度差值最小;入射角通过影响有效激光辐照功率密度来影响电池温升;热辐射和热对流对降低光电池温度十分有利;当激光入射角为0°、激光功率密度辐照约为2000W/m2、激光光斑面积近似为电池表面面积时,光电池能获得最佳的光电转换效率。可见对光电池温度场进行仿真分析为研究提高激光输能光电转换效率的方法提供了理论参考。     

一种近场无线激光携能通信系统的研究与设计

介绍了一种综合利用无线激光通信技术、无线激光传能技术设计的无线激光携能通信系统,给出了系统结构和原理,结合光电信号转换、光电能量转换电路,设计了通信、传能一体化的硬件电路和光路结构,能实现近距离无连接、非接触的双向通信、传能,为无连接、无供电条件设备接入提供了分离脱落连接器(又称脱插连接器)之外的解决方案,最后指出系统继续研究发展面临的问题和挑战。     

激光传能系统用激光能量转换器的研究与设计

针对远距离激光传能及光电转换问题,通过对传输过程中光纤损耗、波长选择、光电转换材料匹配等影响系统传输效率的各环节因素进行分析,采用在半绝缘InP衬底上外延生长InGaAs PIN的方式设计了光电转换芯片,并对芯片结构及互联工艺进行了优化,最终成功研制出了高效激光能量转换器。试验结果表明,在1550 nm激光照射的条件下,该激光能量转换器的光电转换效率能够达到28%。     

激光辐照下光电电池的极限能量转化效率研究

采用激光输能技术解决临近空间飞行器的能源供给问题的研究正在广泛开展。为研究激光辐照下的光电电池的极限性能,基于细致平衡理论,分析了激光辐照条件下光电材料禁带宽度与最佳激光波长的关系,得到了光电电池各类输出性能参数的计算方法。通过计算,得到了激光波长、激光功率密度和电池温度对能量转化效率等参数的影响规律。结果表明对于特定材料的光电电池存在最佳的激光波长使其获得极限能量转化效率;激光功率密度的增加可以提高光电电池的能量转化效率,但达到一定数值后提高不再明显;对于电池温度的影响,不同的输出性能参数具有不同的温度系数。     

俄罗斯成功研制出发射航天器的激光推进器实验装置

俄罗斯圣彼得堡光电仪器综合试验研究所成功研制出用于发射航天器的激光推进器实验装置。激光发动机的优势在于：动力源在地面或在轨道上，航天器将无需随身携带超过本身重量的大量发动机燃料；同时，使用激光发动机发射航天器时，由于只燃烧了少量的氧气而不污染环境；很容易借助激光站调整卫星的运行轨道，容易保护航天器避免与太空垃圾碰撞，     

空间行波管输能窗组件贮存失效分析

高频组件是空间行波管的主要部件,是管内传播高频电磁波的重要传输部件,其中陶瓷封接部位一般采用银焊料进行焊接,它一般存放于真空柜中。存放一段时间后,组件表面出现了发黑现象。分析表明真空柜中放置的橡胶制品导致了高频组件银焊料焊接部位发生硫化,导致贮存失效。结合实验结果和理论分析,在大气状态下,橡胶套中的硫是比较稳定的。然而在真空状态下,硫是比较容易从橡胶套中升华进入真空柜中的,从而会在真空柜中弥漫大量硫蒸气,这些硫蒸气与银焊料发生化学反应形成Ag₂S,因此含硫的橡胶套不宜放入真空柜。     

激光无线能量传输效率的实验研究

为了提高激光无线能量传输系统的转换效率,基于单结GaAs光电池的工作原理,用调节照射光电池的激光参量的方法,从理论上对激光无线能量传输系统的有关部分进行了优化设计,并通过实验研究了激光波长、激光强度等因素对光电池能量转换效率的影响。结果表明,单结GaAs光电池对单色激光的光电转换效率远高于传统的单晶硅电池,最高转化效率可达61.2%。该结果对于激光无线能量传输技术的应用具有一定参考价值。     

基于全息技术的激光透射塑料焊接研究

介绍了激光透射塑料焊接及全息技术的基本原理,提出了一种基于全息原理的激光同步焊接技术。为了达到塑料微小焊缝的同步焊接,采用干涉方法记录下预知焊缝特征形状,再利用衍射方法使得焊缝图形特征再现,同时激光束光斑形状被调制为与预知焊缝形状相同。利用调制完成后的激光束对塑料进行同步焊接,得到理想焊缝与预知焊缝形状相同的结果。结果表明,此项技术适用于焊缝图形小且复杂的场合。     

太赫兹波应用于临近空间高速飞行器测控研究

临近空间高速飞行器测控需要解决“黑障”、超视距时空连续覆盖和多目标等难题,根据太赫兹电磁波可以穿透等离子体而大气传输损耗大的特点,研究以飞机和飞艇为主要平台的空基太赫兹测控系统,提出采用扩频体制实现对高速飞行器进行测距、测速、遥测和遥控的综合测控以及多目标测控,采用 nRR(n≥3)测量体制实现高速飞行器的外弹道测量,分析表明空基太赫兹扩频测控系统技术可行,但离工程应用还有较大差距。     

海上大气激光传输特性仿真研究

大气光学效应是影响激光器作用效能的重要因素之一。基于多层相位屏法,针对海上大气环境下激光水平传输做了大量数值仿真,通过在湍流相位屏上叠加热晕以及衰减引起的相位变化,综合考虑三者对激光传输特性的影响;分析了不同激光初始功率、不同折射率结构常数、不同能见度以及有无热晕情况下接收面处激光光斑半径,质心漂移均方根和环围功率比的变化规律。仿真结果表明:激光初始功率越强,热晕效应越明显,光斑畸变越严重,光束质量变差;折射率结构常数越大,湍流效应越强,光斑扩展与光束漂移现象越明显,平均功率密度下降,环围功率比增加;能见度越小,激光能量衰减越严重,环围功率比越大;热晕效应会加大光斑扩展程度,增加光束漂移量和环围功率比。研究结果可为海上大气环境对激光器作用效能评估提供一定的理论依据。     

基于信号发生卡的激光编码技术研究

针对目前主要的激光制导信号编码方式,研究基于通用信号发生卡产生特定编码的实现方法。通过研究编码的特点,设计激光编码控制程序,成功实现了精确频率码、脉冲调制码和任意时间码三种主要编码方式的产生。最后,设计了激光编码测试试验,通过激光编码控制程序以外触发方式对激光脉冲进行调制,使目标激光器按照要求输出了特定编码的激光信号。结果表明,本方法产生的激光编码波形稳定,性能优良,可应用性较强。该技术已成功应用到激光制导半实物仿真试验系统中。     

基于激光雷达技术的输电线路山火监测方法

针对现有架空输电线路通道山火监测方法的不足,基于激光雷达技术,提出采用激光雷达系统对输电线路通道引发的山火进行监测。通过在距离监测点560 m、460 m、360 m及260 m处分别进行激光雷达系统监测烟雾的模拟实验,实验结果充分验证了该系统可实现对线路周边区域引发的山火状态进行宽范围、较高精度的监测和评估,为输电线路的安全运行和维护提供决策信息,进而能够提高整个输电网络的供电可靠性,降低输电通道的山火事故发生率。     

一种基于随机森林的激光大气传输效应评估方法北大核心CSCD

针对现有的激光大气传输效应评估方法(定标律评估和波动光学仿真评估)较难有良好的模型正则性和应用普适性的困难,提出一种基于随机森林的激光大气传输效应评估方法。该方法首先以烟台某地大气环境数据(温度、风速、湍流强度(C^(2)_(n))等)的随机采样和激光发射参数(传输距离、激光功率等)作为输入数据和多层相位屏模型仿真生成的环围功率(PIB)作为输出数据,然后利用随机森林进行训练和预测。结果表明,随机森林较支持向量机能更好的表征输入与输出间的多元回归关系,预测均方根误差优于0.021%;传输距离、C^(2)_(n)与PIB相关性最强,对PIB影响最大。本方法可为机器学习在激光大气传输效应评估的应用提供更加完善的理论依据,具备一定的应用价值。     

基于注入锁定激光器的低噪声微波光子变频技术

提出并仿真论证了一种利用马赫-曾德尔调制器(MachZehnder modulator,MZM)以及注入锁定激光器的微波光子变频方法。上支路激光经射频(radio frequency,RF)信号调制实现载波抑制调制后经过滤波器滤出光边带,下支路激光经本振(local oscillator,LO)信号调制实现单边带调制后通过注入锁定激光器实现光的滤波放大,两束光耦合后进入光电探测器(photodetector,PD)拍频实现上下变频。该结构充分利用了注入锁定激光器能够被输入激光锁定的特性,可以获得完美的本振光,因此,能够通过差频产生更好的微波信号。仿真结果表明,该系统无杂散动态范围(spurious free dynamic range,SFDR)大于90 dB·Hz2/3,噪声系数(noise figure,NF)小于30 dB。     

基于激光通信的视频信号传输速度预测方法

为了提高激光通信系统视频信号传输速度自动预测能力,提出一种基于小波分析和高阶谱特征提取的激光通信系统视频信号传输速度自动预测方法。采用一阶近似分布源视频检测方法进行激光通信系统视频传输信号的降噪处理,对降噪输出的视频传输信号进行特征分解和多维测度信息配准,结合小波多层重构方法进行激光通信视频信号的重组,提取视频传输信号的相干分布源特征,根据提取的激光通信视频信号的相干分布源特征进行自动匹配,实现对激光通信系统视频信号传输速度的自动预测。仿真结果表明,采用该方法进行激光通信系统视频信号传输速度自动预测的准确性较好,对激光通信视频信号的分辨能力较好,提高了激光通信系统的视频信号传输速度的预测性能。