一种可移动自保护的无线数能同传系统

本发明涉及移动通信与能量传输领域，尤其是涉及一种可移动自保护的无线数能同传系统。

背景技术：

1、在“万物互联”的大趋势下，物联网作为通信行业新兴应用产业市场规模不断扩大。如何安全、高效、便捷地为海量移动终端设备提供可持续电力供应和通信服务成为了物联网技术进一步发展的关键。

2、无线数能同传技术被视为极具潜力的物联网赋能技术，通过同一物理介质(如射频、光束等)同时向接收端提供能量和数据。而由于其采用激光或无线电射频作为能量/信息载体，需要额外对准机制。

3、而对于采用共振光作为载体的技术，往往受到制约，难以同时兼顾安全部署、高效传输和移动应用。如公开号为cn115189770a的文献公开了一种带有安全特性的共振波束数能同传系统，但其基于收发端固定的假设，无法满足物联网设备的移动需求。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种可移动自保护的无线数能同传系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种可移动自保护的无线数能同传系统，系统分为发射机和接收机2个部分，发射机包括主发射回复反射器、辅助回复反射器、泵浦源、增益介质和信号调制器，接收机包含主接收回复反射器、辅助光路控制器、逻辑电路触发器、电控相位延迟器、光电转换器和信号解调器；

4、其中，主发射回复反射器、泵浦源、增益介质和信号调制器，以及主接收回复反射器、光电转换器和信号解调器一起组成数能同传子系统，

5、主发射回复反射器、增益介质和主接收回复反射器平行设置，泵浦源向增益介质提供能量；

6、主发射回复反射器和主接收回复反射器在空间中形成激光谐振腔结构，主发射回复反射器和主接收回复反射器之间形成共振光束时，需要满足泵浦功率大于阈值的条件；

7、信号调制器对从发射机到接收机的光路进行电光调制，

8、光电转换器接收透射过主接收回复反射器并经过辅助光路控制器的用于实现数能同传的共振光束，将其转化得到用于实现通信服务的电信号、用于提供充电服务的电信号和用于控制逻辑电路触发器的电信号，

9、信号解调器接收光电转换器的用于对实现通信服务的电信号进行解调，获取发射机发送的信息；

10、辅助回复反射器、辅助光路控制器、逻辑电路触发器和电控相位延迟器组成自保护子系统，

11、辅助光路控制器获取透射过主接收回复反射器的全部光，并进行分离，分离的用于实现数能同传的共振光束进入光电转换器，另一部分光进入电控相位延迟器；

12、逻辑电路触发器接收用于控制逻辑电路触发器的电信号，并向电控相位延迟器输出用于控制电控相位延迟器的电信号；

13、电控相位延迟器和辅助回复反射器之间互相反射光，形成保护光束，保护光束与共振光束发生自混合干涉效应，降低泵浦功率需要满足的阈值。

14、进一步地，主发射回复反射器或辅助回复反射器为远心猫眼结构反射器，远心猫眼结构反射器包括由一个平面镜和一个凸透镜组成，其中凸透镜的焦距为f，凸透镜和平面镜间距为d，且有d>f，当存在任意入射光束经过焦点时，入射光束经过凸透镜聚焦到平面镜上，再由平面镜反射回凸透镜，并最终形成了与入射光束相平行而反向的反射光。

15、进一步地，共振光束的形成条件为泵浦源提供的泵浦功率大于最低功率阈值，最低功率阈值为：

16、

17、其中，rt和rr分别对应主发射回复反射器的反射率和主接收回复反射器的反射率,v表示共振光束在自由空间中传输时的效率，vs表示共振光束在穿过增益介质时的效率，ηex,ag,和is是三个关于增益介质的参数，分别表示激发效率、横截面积和饱和光强。

18、进一步地，保护光束形成后，共振光束的形成需要的泵浦功率阈值记为保护光束未形成时，共振光束的形成需要的泵浦功率阈值记为当泵浦源提供的能量功率pin满足：时，自保护子系统确保当且仅当成功建立了保护光路时，形成共振光束。

19、进一步地，满足：的泵浦源提供的能量功率pin为为保护光束未形成时共振光束的形成需要的泵浦功率。

20、进一步地，逻辑电路触发器在某一时刻的输出qt与当前时刻的输入st和上一时刻的输出qt-1之间的关系为：

21、

22、其中，qt为逻辑电路触发器t时刻的输出，st为逻辑电路触发器t时刻的输入，逻辑电路触发器的输入为光电转换器从用于实现数能同传的共振光束中转化的用于控制逻辑电路触发器的电信号，当电信号为高电平时，逻辑电路触发器保持上一时刻的输出不变，当电信号为低电平时，逻辑电路触发器翻转上一时刻的输出。

23、进一步地，增益介质为掺钕钒酸钇晶体。

24、进一步地，接收端用于实现数能同传的共振光束占透射过主接收回复反射器的光束的功率的85％。

25、进一步地，用于实现通信服务的电信号、用于提供充电服务的电信号和用于控制逻辑电路触发器的电信号之间的功率占比为80％:15％:5％。

26、进一步地，保护光束的条数大于等于三条，并在空间分布上环绕共振光束。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、(1)本发明区别于传统数能同传系统采用激光或无线电射频作为能量/信息载体，本发明所包含的数能同传子系统，采用共振波束作为空间载体，波束定向形成且无需额外对准机制；同时，相较射频技术而言，能够发射更高功率以供能量传输。

29、(2)本发明的自保护子系统，利用激光的自混合干涉原理，无需引入额外的检测与控制器件，即可实现在传输路径被异物入侵时的自动切断，进一步保障使用安全，当异物侵入时，会先于保护光束接触，并切断保护光束，进而共振光束失去与保护光束的自混合干涉，进而不满足光束形成条件，高功率共振光束自动切断，不会对侵入异物造成进一步辐射伤害。

30、(3)本发明的自保护子系统中采用逻辑电路和相位延迟器对保护波束的相位进行调整，可以确保在接收端移动到任意位置后仍然能产生相长的自混合干涉，保持系统能够正常输出，避免由接收端位移带来的相位差导致保护光束与共振光束干涉相消，确保了在移动应用场景下的有效性，相较于以往发明专利所公开的技术，更符合当前移动物联网应用发展需求。

技术特征：

1.一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，系统分为发射机(1)和接收机(2)2个部分，发射机(1)包括主发射回复反射器(10)、辅助回复反射器(11)、泵浦源(12)、增益介质(13)和信号调制器(14)，接收机(2)包含主接收回复反射器(20)、辅助光路控制器(21)、逻辑电路触发器(22)、电控相位延迟器(23)、光电转换器(24)和信号解调器(25)；

2.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，主发射回复反射器(10)或辅助回复反射器(11)为远心猫眼结构反射器，远心猫眼结构反射器包括由一个平面镜(101)和一个凸透镜(102)组成，其中凸透镜的焦距为f，凸透镜(102)和平面镜(101)间距为d，且有d>f，当存在任意入射光束(105)经过焦点(104)时，入射光束(105)经过凸透镜(102)聚焦到平面镜(101)上，再由平面镜(101)反射回凸透镜(102)，并最终形成了与入射光束(105)相平行而反向的反射光。

3.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，共振光束(30)的形成条件为泵浦源(12)提供的泵浦功率大于最低功率阈值，最低功率阈值为：

4.根据权利要求3所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，保护光束(31)形成后，共振光束(30)的形成需要的最低泵浦功率阈值记为保护光束(31)未形成时，共振光束(30)的形成需要的最低泵浦功率阈值记为当泵浦源(12)提供的能量功率pin满足：时，自保护子系统确保当且仅当成功建立了保护光路(31)时，形成共振光束(30)。

5.根据权利要求4所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，满足：的泵浦源(12)提供的能量功率pin为α取值为(0，1)，为保护光束(31)未形成时共振光束(30)的形成需要的泵浦功率阈值。

6.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，逻辑电路触发器(22)在某一时刻的输出qt与当前时刻的输入st和上一时刻的输出qt-1之间的关系为：

7.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，增益介质(13)为掺钕钒酸钇晶体。

8.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，接收端用于实现数能同传的共振光束(32)占透射过主接收回复反射器(20)的光束的功率的85％。

9.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，用于实现通信服务的电信号(41)、用于提供充电服务的电信号(40)和用于控制逻辑电路触发器(22)的电信号(42)之间的功率占比为80％:15％:5％。

10.根据权利要求1所述的一种可移动自保护的无线数能同传系统，其特征在于，保护光束(31)的条数大于等于三条，并在空间分布上环绕共振光束(30)。

技术总结
本发明涉及一种可移动自保护的无线数能同传系统，系统包括发射机和接收机，发射机包含主发射回复反射器、辅助回复反射器、泵浦源、增益介质和信号调制器，接收机包含主接收回复反射器、辅助光路控制器、逻辑电路触发器、电控相位延迟器、光电转换器和信号解调器，主发射回复反射器、泵浦源、增益介质和信号调制器，以及主接收回复反射器、光电转换器和信号解调器一起组成数能同传子系统，辅助回复反射器、辅助光路控制器、逻辑电路触发器和电控相位延迟器组成自保护子系统。与现有技术相比，本发明具有干涉相消，确保了在移动应用场景下的有效性等优点。

技术研发人员：刘庆文,夏帅凡,刘明清,白云峰,韩顺,徐梦圆,李潇哲
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15