CN114731062A - 具有自适应动态安全管理的无线功率传输*** - Google Patents

具有自适应动态安全管理的无线功率传输*** Download PDF

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CN114731062A CN202080076590.XA CN202080076590A CN114731062A CN 114731062 A CN114731062 A CN 114731062A CN 202080076590 A CN202080076590 A CN 202080076590A CN 114731062 A CN114731062 A CN 114731062A
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R·萨基
O·阿尔珀特
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Abstract

用于安全且高效地从发射机向至少一个接收机供应无线功率的波束的方法和***。通过重复计算在由发射机发射的波束的功率与在接收机处接收到的功率量之间的功率差异来生成增量信号。***动态地生成时间延迟，该时间延迟是比与针对增量信号的功率电平的安全暴露持续时间相关的最大暴露持续时间更短的时间段。如果超出时间延迟，则***改变***的操作参数，例如，终止波束。由于构建完美的时序***的限制，该***被构建为对具有较长安全暴露持续时间的时间延迟更敏感，其中具有较短安全暴露持续时间的大增量信号会被立即响应，而不会过多考虑时间延迟。

Description

具有自适应动态安全管理的无线功率传输***
技术领域
本公开涉及在无线功率传输***中的安全***的领域，并且更具体地，涉及防止由发射机设备发射的功率束的传输引起的波束生成的损害。
背景技术
在本领域中提出了许多无线功率***。然而，这种***似乎尚未成熟到使其能够变得商业可用的程度，即，这些***能够根据安全法规在办公室或家庭环境的合理距离内发送足够的功率以操作便携式电子设备，例如，智能电话和膝上型计算机。这种设备要求大量充电功率，在许多情况下达到10W以上。
人们普遍认为对无线功率传输***的需求是长期存在的，也许从Nikola Tesla在二十世纪初的开创性工作开始就存在。一些这样提出的无线功率***基于将电磁束发送到光伏电池或接收机上的天线，其他的无线功率***基于将超声波束或其他类型的功率束发送到接收机。
这种提出的发送设备在本公开中被称为“发射机”并且可以使用激光束或另一高能束来为接收机供应功率。本公开中提到的“接收机”典型地指代远离发送设备的电子设备，其配备有光伏电池以将由发射机接收到的波束转换为可用能量，以使得能够对其电池充电或为其电子电路供电，而不需要将设备***到物理插座中。在这样的***中，发射机可以通过从接收机接收发送的波束的回射和/或从接收机接收无线通信来识别接收机。典型地，将使用由发射机在低功率设置下发射的激光束或使用单独的RF或超声波束或诸如相机之类的其他方式来扫描期望在其中找到接收机需要充电的空间。一旦发射机已经定位了接收机，发射机就可以使用扫描镜将其全波束定向朝向识别出的接收机以进行充电。
典型地，由发射机发射的波束功率只允许在极短的时间段内或以非常低的功率设置撞击到人或其他敏感对象或设备上。这种限制已经由政府法规设定，例如，当前的美国法规CFR 21～1040和其他类似的公认法规。在常规使用中，只有在功率束被不正确地定向或者如果已经发生人或其他对象对束的侵入时才会发生这种对人或对其他敏感对象或设备的撞击。在任一种情况下，在发送的功率与接收机接收到的功率之间将存在差异。因此，这种***必须能够验证由发射机发射的波束的功率中的大部分由接收机吸收，并且能够在这种情况改变(例如，如果对象位于波束的路径中)时快速响应。
一些现有技术***具有许多问题，这可能暗示着某些情况下存在不可接受的安全隐患。即使在其中接收机的位置对于发射机是已知的***中，波束也可能由在发射机与接收机之间的路径中的对象吸收或反射，特别是如果接收机位于光学复杂环境(例如，家庭环境)中。在与接收机之间的路径中“损失”的波束的任何部分都可能存在隐患，因为许多对象对激光束损害很敏感。例如，如果透明对象(例如，窗户)位于在发射机与接收机之间的路径中，则它可能会将穿过它的波束的一部分反射朝向未知方向。如果发射机通过透明窗户为接收机供电，这种情况可能会发生。窗户可能无法处理如此大的功率电平，因此可能被损坏，甚至可能破裂。此外，透明表面可以将通过其的波束中的一些发送到非预期对象上。发射机还可能错误地将波束定向到易燃对象，从而增加火灾相关损害的风险。
此外，在其中使用多个发射机的***中，反射波束可能与由不同发射机发射的波束相交，即使在将防止直接相交的***中也是如此。这可能具有非预期的甚至危险的后果，因为在相交点处的功率可能比安全要求所允许的更大。此外，如果波束被错误地定向到非预期的表面上，则该表面可能反射波束，从而导致波束被定向到空间周围不需要的方向。可替代地，表面可以将波束分成随机方向，这可能会使敏感对象或设备暴露于波束。因此，如果波束被错误地定向到任何表面(无论是完全反射的还是仅部分反射的还是吸收性材料(例如，镜子、人、动物、相机、玻璃表面、金属表面和敏感设备等))上，这些表面都可能造成危险情况。
此外，典型地，波束简档可以随着波束传播而改变，因此波束直径、光学质量、对边角和其他参数可能改变，从而难以确定针对该功率的可允许的暴露持续时间，因为允许的暴露可能是波束的功率密度的函数。波束简档和直径通常根据检测范围而改变，并且波束的波长可能随激光温度而改变。因此，现有技术***需要在考虑改变针对每个检测范围的值和其他激光发射参数的情况下比较在一段持续时间内的功率损失。
在国际专利申请WO 2017/158605“System for Optical Wireless PowerSupply”和WO 2017/179051“System for Optical Wireless Power Supply”和WO/2019/064305“Fail-safe Optical Wireless Power Supply”(这些全部与本申请共同拥有并且具有共同发明人)中，描述了用于实现与单个或多个接收机一起使用的这种光学无线功率传输***的安全操作的各种***特征和方法。其他出版物也考虑了这种***安全操作的各种方面。然而，现有技术没有直接考虑安全程序与各种安全法规的定量要求结合的确切方法，以及如何高效地实现***与其的合规性。
因此，存在对克服当前可用的功率传输***的缺点中的至少一些的***和方法的需要，特别是实现使激光发射朝向敏感对象或禁区的风险降至最低，而不会过度限制***的预期用途，从而提供高效且不受干扰的功率传输。
在本节和说明书的其他节中提及的出版物的每一个的公开内容各自以其整体通过引用并入本文。
发明内容
公开了一种用于从发射机向至少一个接收机安全且高效地供应无线功率的波束的***。计算在由发射机发射的波束的功率与在接收机处接收到的功率量之间的功率差异，并假设功率在其从发射机到接收机的过程中被转向，因此代表了对在转向的波束部分的路径中的人或动物或对象的安全威胁。控制***被设计为准确地响应于大范围的损失功率信号(其指示在向接收机进行无线功率供应期间损失少量功率)以及大量的波束损失，后者指示发射机与接收机设备之间存在障碍。尽管在发射机设备与接收机设备之间可能出现大范围的功率电平损失，该***仍适于提供可靠的保护。
为了计算在发射机与接收机设备之间损失的功率量，典型地通过功率计来测量由发射机发射的功率的电平，并且使用接收机功率测量或下文描述的***或方法中的任一个来类似地测量在接收机设备处接收到的功率的电平。计算表示这两个功率电平之间的差异的信号，并且此后可以将其称为Δ信号或损失功率信号。
必须解决的主要问题与这种***中允许的功率暴露的监管限制相关，其作为被认为是安全的暴露时间的函数。因此，只有针对非常高电平的杂散功率的暴露时间非常短，才可以允许该功率电平，然后在***中的安全机制将终止暴露。另一方面，可以允许非常低的暴露电平很长一段时间，即使是数小时或数天的足够低的功率电平，然后在***中的安全机制将终止暴露。
在典型的现实生活场景中，即使假设功率恒定，Δ信号也不会显示恒定电平，因为除了从发射机到接收机的总体稳定的功率递送之外，噪声干扰或瞬态和非危险波束障碍可能导致Δ信号上升和下降。当***接收到Δ信号中这些暂时的类似噪声的改变时，***可以得出结论，即，Δ信号的改变指示由发射机发射的波束正在撞击除了接收机单元之外的表面的情况，因此导致对该波束所撞击的任何对象或波束从该非目标表面反射的路径中的对象的波束生成的损害。因此，正确的响应应该是终止波束，或者以其他方式消除Δ功率读数的上升。另一方面，如果已经由这种噪声现象引起增加的Δ，尽管这些功率损失的改变对***来说可能是显著的，则Δ信号可能会在短时间段内返回可接受的低电平，并且如果该短时间段小于对该功率电平的允许暴露时间，则***不需要终止激光发射，或以其他方式修改任何传输参数来减少Δ信号。本申请中公开的指南规定了最大允许暴露时间作为在发射机与接收机之间功率损失电平的函数。
当前公开的***和方法的一个特征是确定根据Δ信号的电平被动态设置的“等待周期”或延迟时间(下文称为Tdelay)。该等待周期是***延迟响应由Δ信号指示的功率损失的时间，以避免***过早关闭，其中这可能不是强制要求的。Tdelay必须等于或小于在Δ信号中测量出的功率损失的最大允许持续时间，如法规中所指示的。除了由Δ信号指示的差异之外，延迟时间还可以是从发射机发射的功率的动态函数。
“事件时钟”也称为时序***，其典型地用于监视Tdelay，使得“事件时钟”用作定时器***以确保不超出Tdelay。“事件时钟”典型地包括放大***或频率选择信号处理器，并且典型地接收Δ信号作为其输入信号。可替代地，输入信号可以是由接收机功率计输出的信号，因此大的输出信号将指示至少波束的一大部分达到接收机。
在其中Δ信号改变(无论是减小还是增大)并因此需要重新计算Tdelay的情况下，利用新的Tdelay来重新设置“事件时钟”。新的Tdelay可以被计算为在紧接在之前的Tdelay周期中的任一个周期中累积的差异功率的函数、在无线传输事件上计算，因为尽管有其他瞬态变化，一些对象可能仍然保留在波束的路径中。非限制性示例是这样的情况：其中第一部分透明的对象被放置在波束的路径中，并且第二部分透明的对象然后被另外放置在波束的路径中。在这种情况下，***必须计算新的Tdelay以匹配在发射机与接收机之间新的功率损失量。然而，***可能必须在第二部分透明的对象的放置之前第一部分透明的对象已经累积的功率量中考虑该新的Tdelay。
Δ信号的环境电平被典型地选择为反映在发射机与接收机之间的清晰波束路径，其没有显著的障碍，这些障碍会阻挡并因此阻止波束的令人满意的部分撞击接收机设备。如果Δ信号下降到环境电平，则可以在不考虑先前功率损失的情况下计算Tdelay，因为这可能指示没有可能需要考虑波束暴露持续时间的显著的波束障碍。为了说明这一点，如果对象从波束的路径移除，导致Δ信号下降到环境电平，并且Δ信号保持在环境电平或低于环境电平一段时间，则***可以得出结论，即，该对象上累积的任何波束功率不再重要，因为该对象已经离开波束路径显著的时间量，因此即使该对象要重新***，也应该开始新的延迟时间。
然而，如果Δ信号下降到环境电平的时间少于预定或计算出的时间，则不应重新设置Tdelay，因为这指示对象重新进入波束路径，因此累积的激光损害可能发生。为了说明这一点，如果对象被***到波束路径中一段时间，然后被移除，然后被重新***，则Tdelay可能是对象对波束的整体暴露的函数，这是因为对象在波束的路径中不存在的无意义间隔导致的，因此，如果不考虑对象对发射机的波束的总暴露时间，则对象可能会遭受累积损害。这与其中重新***对象时计算新的Tdelay的情况相反。
由于设计完美***的限制，即，***既可以监视缓慢、微弱的Δ信号，同时又可以响应于Δ信号的非常快速的改变，当前***被配置为使得频率选择信号处理器或放大***可以最佳地放大或监视的频率范围被偏置为监视和放大低电平Δ信号，如果不会发生导致Δ信号突然跳变的不期望的事件，则该低电平Δ信号仅在很长的时间段内改变。因此，具有较长等待周期或Tdelay的事件示出了在发射机与接收机之间的低功率损失，因此需要监视非常慢的改变，与在高频下发生的信号相比，这些事件以更高的增益放大，这是高电平Δ信号的要求。这种配置在高效地管理与杂散波束暴露相关的安全决策方面为***提供了显著优势。
此外，在当前公开的***的另一实现方式中，可以选择饱和电平，使得如果增量信号示出了高于饱和电平的功率损失，可以绕过事件时钟，或者可替代地，可能需要快速地修改时序***以使事件时钟变得基本上不相关，并且控制***可以终止激光发射或修改***的不同操作参数，而没有任何延迟，无需为新的显著增量信号计算新的Tdelay。这是因为高于饱和电平的增量信号可能被认为具有潜在的危险性，以至于它们强制要求使用不相关的事件时钟的响应时间，因为这些功率损失的最大暴露持续时间非常短。因此，计算出的Tdelay短得可以忽略不计，因此彼此之间难以区分。因此，与事件时钟相关联的放大***的频率响应可以被配置为使其通带偏移到较低频率，从而在较低信号频率处提供有意义的放大，因为需要对与高于饱和电平信号的功率相关联的频率进行响应，而基本上不要求事件时钟的时序操作。这种对放大器或处理器的正常预期频率响应的调整允许***覆盖要求的大动态范围。
可以使用数字电子设备进行计算，也可以使用模拟电子设备甚至其他物理过程进行计算。模拟放大器可以进行积分、求和、加窗求和以及表达延迟。其他组件(例如，电容器、电感器和其他电子组件)也可以用于执行计算中的一部分或全部、与数字电子设备相结合或甚至不需要数字电子设备。
每个Δ信号具有Tdelay设置为反映的其允许的暴露时间。如果Δ改变，则事件时钟或放大***需要被重新设置为新的等待时间，以便在功率波束必须被截短之前不断调整为针对当前由Δ信号示出的功率损失所允许的最大等待时间。事件时钟或定时器可能对改变非常快的信号没有足够快的响应时间，因此信号的快速但潜在的显著改变可能会在放大器的输出信号中出现较晚，因此不会足够快速地重新设置时钟。然而，如果Δ信号显著增加，尽管***无法有意义地保持允许的短延迟的时间，这意味着缺乏足够快速地放大强制要求如此高频率响应的信号的能力，则Δ信号的大功率电平足以让控制器进行响应，尽管在那些高频下的放大率很低，从而使控制器能够足够快地响应以在已经达到允许的暴露时间之前激励安全关闭。
当前描述的***的另一个特征涉及如何处理信号中的外来噪声或异常的方法。为了忽略信号中的这种外来噪声或异常(例如，改变发生得如此之快以至于***将它们识别为噪声)，并且不需要对其进行响应，***可以生成在可变时间段内接收到的信号的平均，而不是必须决定是否实时响应。可以使用求平均计算来确定信号中的改变是否如此短暂以至于可以被忽略，或者Δ信号是否确实发生了显著改变，并且因此需要重新设置事件时钟以反映由新的Δ信号强制要求的新Tdelay。这允许忽略在非常短的时间内发生的改变。
应当理解，Δ信号中的显著改变可以是与Δ信号本身成正比的动态值。这意味着，如果功率的一大部分损失，那么Δ信号中的微小改变可能不需要导致计算新的时间段，这与其中Δ信号指示非常小的功率损失的情况相反，在这种情况下，小的改变可能更显著，从而导致事件时钟或频率选择处理器生成新的时间段。
根据替代过程，可以使用Δ的预定值，使得如果Δ信号改变了该预定值，则总是生成新的时间段。
因此，Tdelay以高重复率动态计算，并考虑了增量信号中的实时改变。在任何时间点处的Tdelay值是在近期不同时间点处测量出的增量信号值的函数。例如，在时间T处的Tdelay通常是时间T处的增量信号的函数，然后在时间Tn处连续，以最高效的方式确保对传输安全的持续监视。
定时器或放大***必须被配置为有意义地跟踪具有低幅度的信号，因为定时器的等待或延迟时间应该足够长，以使放大***或定时器能够有意义地跟踪和响应。该延迟时间或等待周期是必要的，以便允许***忽略来自噪声尖峰的误报，并且因此允许***避免连续且错误地打开和关闭激光器。
另一方面，如果指示了较大的Δ，那么对于这种大的功率损失的允许的暴露时间非常小。因此，如果指示大量波束未解释，则***可能必须根据法规非常迅速地做出反应。***必须将定时器或事件时钟重新设置为针对这种大功率损失的允许的最大持续时间，并且在达到并通过延迟时间之前可能有非常短的时间段。因此，***必须非常快速地确定大的Δ是由噪声的短暂异常或飞过波束路径的蝴蝶等获得的，或者是否确实存在代表危险的对波束路径的侵入。
很难建立一个对大信号动态范围响应足够快而又具有这种大操作带宽的危险预防***。一方面，要求的信号动态范围非常大，因为***必须不断监视非常低功率的信号，同时又不会被非常高功率的信号饱和。除了这个大的动态范围之外，***还必须具有大的响应带宽，使得它维持其在长时间段内监视非常低电平信号的能力，同时在高电平信号出现时不失去快速响应的能力。当检测到低信号时，这样的***会对噪声敏感，并且在需要快速响应时会受到带宽和相位延迟的限制。
根据本公开中描述的满足上述要求的示例性***的实现方式，描述了一种危险预防***，其包括：发射机中的功率计，其用于测量发射机的激光输出功率；接收机中的功率计，其用于测量到接收机的输入激光功率；控制单元，其用于接收来自功率计和功率降低开关两者的两个信号，如果在从发射机发射的功率与由接收机接收到的功率之间的差异超过阈值，该控制单元典型地关闭或重新定向波束以防止危险。
该危险预防***可能具有以下属性：
该***被配置为至少在大多数情况下高估由发射机发射的功率，由此确保通过支持安全方法来解释错误和噪声。
该***被配置为至少在大多数情况下低估由接收机接收到的功率，由此确保通过支持安全方法来解释错误和噪声。
该***具有在从发射机发射的功率与由接收机接收到的功率之间的实际差异的出现与激光***的实际响应(典型地通过降低功率)之间的传递函数，其中传递函数被设置使得其没有“即时响应”的特性。例如，如果在测量出的从发射机发射的功率与测量出的由接收机接收到的功率之间的差异与允许的电平相比很小，则这会延迟响应，从而减少噪声的影响。
当以激光功率或增益方面表示时，相位延迟空间中的传递函数具有以下属性：
当差异信号超过预定阈值时，其具有负增益，因为激光功率响应于***功率损失超过该阈值而降低。
其具有响应于特定值的差分信号的延迟，该延迟通过下面给出的表达式计算：
Figure BDA0003623905740000051
其中，Ptransmitter是由发射机发射的激光功率，以瓦特为单位测量，
其中，Preceiuer是由接收机接收到的激光功率，以瓦特为单位测量，
其中，Ptransmitter-Preceiver是用于生成上述所使用的增量信号的功率差异，
其中，λ是激光波长，以纳米为单位测量，并且
其中，τdelay是针对Ptransmitter与Preceiver之间的给定差异，危险预防***从危险发生的时间到***已经达到安全状态的时间的时间延迟，以秒为单位测量。
其具有饱和电平，针对Ptransmitter和Preceiver被定义为在Ptransmitter与Preceiver之间的差异的电平，在该电平处，电平增加1db或更多所导致的Ptransmitter下降与没有这种增加导致的Ptransmitter下降实质上相同。
饱和电平被定义为高于特定预定功率损失的功率损失电平，例如，对于典型的家庭充电环境而言为10mW。在该示例性饱和电平处，根据上述规定的Tdelay将小于约5μsec，其略大于10mW的允许的最大暴露持续时间，并且5μsec响应时间对应于200Khz的频率响应。因此，根据上述最后一个标准，这意味着如果***指示功率损失高于该饱和电平，则Tdelay的值可以忽略不计，因此在这些高功率损失处的响应时间将彼此无法区分，并且必须以相同的高速执行。因此，如果饱和电平被选择为较高值，则对要求更快响应时间的所有事件的响应将是相同的。这使得能够使用具有其带通在较低频率位置的***，该***仍然响应高频信号。因此，考虑了大信号动态范围，同时保持大的有效带宽。
***对要求快速响应时间(高于所选饱和电平)的增量信号的响应通常根本不涉及延迟机制(也称为事件时钟)。这样就无需区分可能容易产生噪声的这种高幅度增量信号。
最小延迟时间有两个好处，其允许***利用延迟来减少噪声的影响，并且防止发送的功率由于错误而降低，但同时保持***的安全。
因此，根据本公开中描述的设备的示例性实施方式，提供了一种用于向至少一个接收机提供无线功率供应的***，该***包括：
(a)发射机，其被适配为发射无线功率的波束；
(b)功率计，其被配置为生成与所发射的波束的功率电平相对应的第一信号；
(c)检测器，其与至少一个接收机相关联，并且被配置为生成与在接收机处接收到的波束的功率相对应的第二信号；
(d)至少一个控制器，该至少一个控制器被适配为进行以下操作：
(i)生成时间段Tdelay，该时间段Tdelay小于针对由功率计和检测器测量出的功率的差异的最大安全暴露持续时间；
(ii)如果功率的差异已经改变多于显著量，则动态地生成新的Tdelay；以及
(iii)如果超出Tdelay，则修改发射机的至少一个操作参数以减小功率的差异。
这种***可以包括频率选择信号处理器，其用于在生成Tdelay之前处理与功率的差异相对应的信号。在任一种这样的情况下，如果差异高于预定功率电平，则控制器可以被配置为在修改发射机的操作参数以减小增量信号之前进行响应而不等待超出Tdelay。可替代地，频率选择处理器可以被配置为使得其通带被设置为覆盖显著低于范围的频率，该范围是在预期的差异信号的最大电平强制要求的时间段内进行响应所要求的。
此外，根据又一实现方式，频率选择处理器可以被配置为使得其频率响应曲线偏移到与频率的范围的中心指示的那些频率相比更低的频率，该频率的范围是在根据功率传输***所预期的暴露持续时间范围上提供放大所要求的。在这种情况下，频率响应曲线的偏移可以向低电平功率差异信号提供增加的放大，使得处理器可以对这些低电平信号的改变进行响应。另外地，频率响应曲线的偏移可以向低电平功率差异信号提供增加的放大，使得这些低电平功率差异信号可以生成高于噪声电平的足够高的处理器输出，以触发激光安全例程。
在上述***中的任一个中，控制器还可以被配置为将Tdelay计算为先前生成的差异信号的函数。在这种情况下，低于预定环境电平的差异信号可以指示在至少一个发射机与至少一个接收机之间没有显著的波束障碍。如果是这样，则如果差异信号在预定时间量内下降到环境电平以下，则Tdelay的生成不显著地基于任何先前的差异信号。
另外地，在涉及控制器被配置为将Tdelay计算为先前生成的差异信号的函数的***中的任一个中，***可以被配置为通过以下操作来对高于环境电平的任何差异信号进行响应：针对低于预定电平且高于环境电平的信号计算Tdelay，或者如果差异信号高于预定电平则与Tdelay不相关地进行响应。可替代地，该***可以被配置为通过以下操作来对高于环境电平的任何差异信号进行响应：针对低于预定电平且高于环境电平的信号计算Tdelay，或者修改发射机的操作参数以减少增量信号。
在上述***中的任一个中，频率选择处理器可以包括放大器。此外，在这种***中的任一个中，如果从步骤(i)经过的时间超出Tdelay，则可以执行步骤(iii)。
此外，在上述***的其他实施例中，修改发射机的至少一个操作参数可以包括以下各项中的至少一个：
修改波束的功率电平；
完全终止激光发射；
改变所发射的波束的波束简档；
阻挡波束；
通过使用扫描镜引导波束以将波束定向到不同的位置；
扫描当前扫描位置周围的区域，以更好地将波束对齐到接收机上；以及
记录在波束路径中标记对象的位置的扫描位置。
根据本发明描述的设备的另一示例性实现方式，还提供了一种用于向至少一个接收机进行安全无线功率供应的方法，该方法包括：
(a)从至少一个发射机向至少一个接收机发送功率；
(b)生成与由至少一个发射机发射的功率的电平相对应的第一信号；
(c)生成与在至少一个接收机处接收到的功率的电平相对应的第二信号；
(d)生成差异信号，该差异信号为第二信号与第一信号之间的差异；
(e)生成时间段Tdelay，该时间段Tdelay小于与由差异信号指示的功率的安全暴露持续时间相关的最大暴露持续时间；
(f)监视差异信号是否已经改变了预定量，并且如果差异信号已经改变了预定量，则返回步骤(e)；以及
(g)如果超出Tdelay，则修改无线功率供应的至少一个操作参数以便减少差异信号。
在该方法中，***可以对高于预定电平的差异信号进行响应，而不使用Tdelay来确定在修改无线功率供应的至少一个操作参数之前要等待的时间段。另外地，可以通过对在时间量内的差异信号进行平均来计算Tdelay，使得与示出较少功率量的差异信号相比，指示高功率电平的差异信号具有较短的平均时间，该时间量取决于由差异信号指示的功率电平。
在本公开的***的又一实现方式中，描述了一种用于从发射机向至少一个接收机进行激光功率传输的***，该***包括危险预防***，该危险预防***包括：
功率监视器，其测量从发射机发射的激光的光学功率；以及
功率传感器，其用于测量在至少一个接收机处的激光的光学功率；
其中，危险预防***被配置为响应于在功率监视器与功率传感器的测量之间的差异的增加，在差异增加发生后的时间延迟之后，而使激光的功率降低或终止，以秒为单位测量的时间延迟为：
Figure BDA0003623905740000071
其中，Ptransmitter是由功率监视器测量出的激光功率，其以瓦特为单位测量；
其中，Preceiver是在功率传感器处测量出的激光功率，其以瓦特为单位测量；并且
其中，λ是激光波长，其以纳米为单位测量。
又一个示例性***描述了一种用于向至少一个接收机进行安全无线功率供应的***，该***包括：
(a)发射机，其被适配为发射波束；
(b)功率计，其用于测量所发射的波束的功率电平；
(c)检测器，其与接收机相关联，并且被配置为检测在接收机处接收到的波束的至少一部分；以及
(d)频率选择信号处理器，其被适配为：
(i)生成表示时间段Tdelay的输出信号，该时间段Tdelay小于与针对由功率计和检测器测量出的功率的差异的安全暴露持续时间相关的最大暴露持续时间；以及
(ii)监视自生成Tdelay以来经过的时间，并且如果超出Tdelay，则修改发射机的至少一个操作参数以减小差异；
其中，频率选择处理器被配置为使得如果输出信号高于第一预定电平，则频率选择处理器具有这样的响应特性：使得其修改***的操作参数，而不进行显著处理。
在这样的***中，频率选择处理器可以具有被偏置为低频的频率响应，使得差异信号与高于第一预定电平的信号相比被放大更多，该差异信号具有小于第二预定电平的电平并且与暴露持续时间相关联，该暴露持续时间与高于第一预定电平的功率暴露的允许的暴露持续时间水平相比显著更长。
最后，根据这些***的又一实施例，提供了一种用于向至少一个接收机进行安全无线功率供应的***，该***包括：
(a)发射机，其被适配为发射无线功率的波束；
(b)功率计，其被配置为生成与所发射的波束的功率电平相对应的第一信号；
(c)检测器，其与至少一个接收机相关联，并且被配置为生成与在接收机处接收到的波束的功率相对应的第二信号；
(d)至少一个控制器，其被适配为进行以下操作：
(i)确定针对功率电平所允许的累积暴露的能量极限，该功率电平与由功率计和检测器测量出的功率的差异相关；
(ii)如果差异已经改变多于显著量，则动态地生成新的能量极限；以及
(iii)如果超出能量极限，则修改发射机的至少一个操作参数以减小差异。
附图说明
从以下结合附图的具体实施方式中将更全面地理解和认识本发明，在附图中：
图1示出了根据本申请的无线功率供应***的典型示例；
图2示出了在不同激光束功率电平下允许的暴露持续时间的一种特定规定；
图3示出了现有技术放大器、处理器或控制***在图2所示的整个频率范围内的响应曲线的示意图；
图4示出了放大器、处理器或控制***的响应曲线的示意图，该放大器、处理器或控制***被构造为使得其频率响应曲线偏移到比图3的曲线所示的那些频率更低的频率。
图5A是在典型检测场景中获得的差分功率信号作为时间函数的示例图；图5B示出了由图5A中示出的功率简档生成的所得到的控制信号；并且图5C示出了其中***忽略短噪声尖峰“A”的情况；
图6A和图6B示出了具有可能使激光传输的截短或转向成为必要以避免潜在激光损害的危险情况的各种场景；
图7是示出在操作当前公开的***中使用的方法的一种实现方式的流程图；以及图8A和图8B示出了根据美国法规的针对不同功率电平所允许的允许的暴露时间。
具体实施方式
现在参考图1，图1示出了无线功率供应***的典型设置。示出了发射机10，其包括波束发生器12(例如，激光器)，从而将光束17定向朝向接收机15。为了测量由发射机发射的激光束的功率电平，该***包括第一功率计13，其称为发射功率计。发射功率计13可以位于发射机10内部，或者位于发射机出口处的波束路径中。该功率计可以以高采样率(例如，以5kHz或更高的频率)对所发射的波束进行采样，使得***实时获得所发射的波束的功率改变，而没有延迟。
典型地，接收机15包含光伏电池16，该光伏电池16将波束的光能转换成可用电能，通常用于为与接收机相关联的设备充电或供电。如果波束的部分被定向到除了接收机功率吸收孔径以外的表面，则杂散波束可能会导致危险的激光生成的损害。如果波束被错误地定向到任何表面(无论是完全反射的还是仅部分反射的还是吸收性的(例如，镜子、人体、动物、相机、玻璃表面、金属表面和敏感设备等))上，这些表面都可能造成危险情况。
因此，可以结合与接收机相关联的第二功率计14(即，接收机功率计)，以测量接收机是否正在接收被定向到它的所有波束或波束中的至少一大部分，使得***可以确定波束的可观部分甚至波束的任何部分是否正被定向到其他地方，从而产生潜在的危险后果。接收机功率计14可以从位于接收机中的分束器(未示出)接收波束的一部分，或者在其他情况下，电流计、电压计或光伏电池本身可以用作接收机中的功率计。由接收机功率计接收到的波束的一部分与撞击在接收机上的波束功率成正比。
该***还包括控制器18。控制器18从接收机功率计14接收表示在接收机处检测到的功率量的信号14sig。控制器还从发射功率计13接收表示离开发射机10的激光束17的功率量的信号13sig。
控制器18将检测器14检测到的波束的信号14sig与表示由激光器12发射的功率量的信号13sig进行比较。如果这些测量的功率之间的差异显著，则可以通过***生成危险情况的指示，因为由发射机发射的大量功率未被接收机设备考虑，因此可能会撞击除了接收机设备之外的表面，从而可能造成损害。因此，***持续地执行检查以确定未考虑功率的电平。控制器被配置为如果电平超过预定阈值，控制器进行响应以通过引起以下各项中的至少一个来减少或消除这种未考虑的波束功率：
修改波束的功率电平；
完全终止激光发射；
改变所发射的波束的波束简档；
阻挡波束；
典型地通过使用扫描镜引导波束以将波束定向到不同的位置，例如，波束收集器；
直接扫描当前扫描位置周围的区域，以便尝试更好地将波束对齐到接收机上，并且如果扫描找到差异信号下降的位置，则指示发射机使用更优的扫描方向；
记录在波束路径中标记对象的位置的扫描位置；以及
改变***的任何其他操作参数。
在激光发射期间，撞击在接收机上的降低的功率电平通常与穿过波束路径的对象相关联。因此，控制器应该能够根据在发射机与接收机设备之间被指示为损失的功率电平来修改激光输出，以保护已经进入波束路径的任何这种对象。在发射机和接收机处的功率采样应该以足够高的采样率进行，以确保足够快地获得接收到的波束的部分改变的指示，以符合强制要求进行这种保护的安全法规。下文将解释采样率对***在时间上正确响应(无论是对长时间段内出现的低泄漏功率进行响应，还是对必须迅速截短并且因此要求***的快速时间响应的高泄漏功率进行响应)的能力的影响。
现在参考图2，图2示出了在不同激光束功率电平下允许的暴露持续时间的一种特定规定。所示的特定图给出了针对暴露于波长为1050nm和波束直径为7mm且具有高斯简档的照明，以dbm为单位的最大允许暴露电平。横坐标示出了放大器或处理器为成功处理由绘制的暴露电平允许的最大暴露时间隐含的响应时间所要求的以Hz.为单位的带宽。
图1所示的***必须确保未被考虑并且因此可能会撞击人或视野中的其他对象的波束的那些部分(即，在检测器处接收到的信号与由发射机发射的功率量之间的差异)没有超过各种国家法规允许的针对最大允许暴露持续时间的指南。图2中的曲线是从2018年4月1日修订的US Code of Federal Regulations Title 21，Volume 8[CITE：21CFR1040.10]获得的。该图示出了对于波长为1050nm的7mm高斯波束的允许的暴露时间(表示为测量***的有效响应频率)作为对象被暴露于的功率电平(以dbm为单位表示)的函数。
随着波束的功率电平的增加，允许的暴露时间减少。因此，如果控制器指示高功率波束的功率的大部分未被考虑，则非常迅速地修改***参数是必要的。可替代地，如果控制器表示只有波束功率的一小部分丢失，则在控制器必须指示激光器调节波束或使波束转向之前允许经过较长的时间段，如图2所示。因此，例如，对于其允许暴露电平如图2所示的7mm波束，对于0dbm(1mW)的功率电平，根据上述参考规定，允许的暴露时间为10秒的数量级，因此要求在该10秒内响应的控制回路的带宽应扩展到至少0.1Hz。同样，对于相同的波束但功率为10dbm，允许的暴露时间为5ms的数量级，因此要求在该时间内响应的控制回路的带宽应扩展到至少200Hz。
为了根据上述参考法规提供这些保护级别的更多非限制性示例，并示出要求的保护级别如何取决于波束的若干个参数，如果使用具有10mm的直径以及均匀的波束简档(这是由光伏电池转换为电能的优选波束简档)并且波长为1050nm的圆形波束的***示出未考虑6.8毫瓦的功率，则需要在1秒的时间段内终止波束。
另一方面，如果波束简档为高斯分布，如果***仅示出5.35毫瓦的丢失波束功率，则需要在1秒内终止或修改激光束。
类似地，如果使用直径为7mm的高斯波束的类似***指示只有3.3毫瓦的波束未被考虑，则需要在1秒内终止该波束。
如果波束的波长从1050nm变为1060nm(可能是由于激光温度的改变的情况)，则在示出5.6毫瓦功率未被考虑的***中，10mm高斯波束的允许暴露持续时间为1秒
应当注意，用于暴露于特定波束功率的术语“安全暴露时间”在本公开中被理解为指代对于该波束功率小于在使用时有效的法规所允许的最大允许暴露时间的任何时间段。正如在图2的图的整个上下文中观察到的，允许的暴露持续时间可能从纳秒到数十小时变化，这取决于激光束在传输期间损失的功率电平，并且要监视的功率电平范围从几微瓦到10瓦的数量级。
因此，可以处理对表示10W的丢失功率的信号的要求响应的信号处理***的要求是，它必须具有典型地超过60dB的动态范围和扩展到大约10Mhz的频率响应，对应于0.1微秒的数量级的响应时间。如此大的信号动态范围以及覆盖高达这种高频的带宽在目前可用的电子技术中实际上是不可能实现的，无论是模拟的还是数字的。因此，本发明的一个目的是提供一种***，该***具有对如此大的功率动态范围内的所有功率电平敏感的能力，并且具有在由针对期望的最大功率测量的法规要求给出的最有效的时间内做出反应(即，对于上述10W功率范围，最快可达100纳秒左右)的能力。
现在参考图3，图3示出了现有技术放大器、处理器或控制***在图2所示的整个频率范围内的响应曲线的示意图。由于涉及的范围非常大，所以轴以对数方式绘制。在所选择的示例中，峰值放大在以10Hz为中心的频率附近延伸，并且显示为具有显著有用的响应，从而覆盖了两个十进位(decade)或比这略多，无论是高于还是低于该频率。该响应范围并非旨在进行限制，而只是示出了说明当前方法和***试图解决的问题的典型范围。如图3中指示的，对应于其中存在显著放大的响应频率的典型时间暴露范围从几百微秒左右到几十秒左右。在该范围之外放大、或者在频谱的低频端放大***区分真实信号和信号噪声电平的能力可能太小而无法在超过允许的功率的情况下提供需要触发***的安全特征的适当警告。在实践中，放大器***的响应速度不仅由放大和控制电路的电子响应特性实现，还由***对测量功率进行采样以确定是否已经达到阈值的采样率来实现。
应该强调的是，在这个示例中讨论的频率范围可能是日常家庭情况的典型电平，但并不意味着对每种情况进行限制。
现在回到不确定的波束功率暴露电平，其与安全法规定义允许的最大暴露时间相关联，例如，如图2所示，可以看出其电平允许上述示例性暴露时间范围的波束功率范围对于这种典型大小的波束而言范围从几百微瓦到几十毫瓦。因此，落在此范围之外的功率可能不会被***充分放大，因此如果被不确定地定向的波束的功率阈值被超过长于允许的时间，则不能对***生成减少波束或使波束转向的正确指令。关于这种缺乏响应的能力，有两种完全不同的情况。
在响应曲线的高功率端，只允许非常短的暴露，并且如果该功率被超过，则放大***必须非常快速地进行响应以关闭波束传输或使波束传输转向，这种情况使得尽管放大非常低，但是放大的不足不仅仅是由输入到放大器的信号幅度弥补的，这是由非常高的功率电平造成的。因此，尽管***在那些高频处的放大电平明显不足，但高信号电平弥补了该低放大，从而提供了足够的输出信号来触发安全调节步骤以减少辐射。然而，在响应曲线的低功率端，可以允许长时间暴露，对于调节的最低功率运行数小时甚至数天，没有这样的补偿机制，由此功率电平本身可以弥补在如此低的频率下的放大的缺点，如放大***无法区分信号和噪声电平所反映的。此外，尽管所涉及的功率电平听起来几乎可以忽略不计，但仍然存在允许人暴露于如此低功率的最大规定时间段，并且发射机的安全***必须能够确保适当地遵守该标准。此外，在这些低功率下，***必须始终能够快速响应泄漏功率的大幅增加，这必须在允许的暴露时间内触发安全动作。
为了实现该目的，根据本公开的***的第一种实现方式，如图4所示，放大器被构造成使得其频率响应曲线偏移到比由应由放大器处理的频率范围的中心指示的那些频率更低的频率。由于这种向较低频率的偏移，与使用现有技术的放大器选择标准相比，在功率计处由与长的允许暴露周期相关联的低功率电平生成的非常小的信号会经历高于噪声电平的更高的放大电平，因此，为该低信号电平提供补偿，以使它们能够产生高于噪声电平的足够高的输出，从而触发激光安全例程。因此，在图4中，能清楚看出，通过将频率响应的中心偏移到0.1Hz而不是10Hz，显著增加了极低频范围中的放大，由此为那些低功率杂散波束提供足够的输出信号，以致动波束安全***。
在另一方面，如先前所解释的，在波束功率频谱的高功率端，放大器频率响应曲线向较低频率的偏移，从而更进一步降低了在频谱的该端提供的低放大，对安全警告***的效率影响较小，因为由高杂散波束功率生成的信号如此大，以至于即使在该高频范围内降低放大器灵敏度，仍会生成足够的输出来操作安全***。
然而，仍然存在功能问题，即，如何在低功率下实现这种灵敏度的提高，同时确保***足够快速地对高功率进行响应。无论被检测的功率是低还是高，仍然需要对检测到的功率的大幅增加进行快速响应。响应时间以***用来测量功率的采样率的形式表现出来。要求的功率测量响应时间越短，***必须用来测量该功率的采样率就越高。因此，即使在检测到非常低的功率时，也必须保持***对功率增加到***期望的最大值的快速响应时间。采样率可以典型地被选择为针对显示完整波束障碍的功率差异信号的最大允许暴露持续时间的三倍或更多倍。在此频率下使用采样率的***将允许在要求修改激光发射之前针对至少一个样本监视功率差异信号中的突然尖峰，从而允许在获取响应之前进行虽然很短的平均计算，其中信号可能下降到可接受的低电平。
另一方面，采样率可以被选择为基本相同，但决不小于与针对完全损失波束的最大允许暴露持续时间相等的值。在这个时间限制内，采样率甚至可以被选择为两个或更少的样本。
然而，如先前所提到的，快速响应时间和高采样率会增加对噪声的敏感度。如上面所提到的，在低功率下放大器灵敏度的增加会增加这种效果。
为了实现这些目标，可以在本公开的***中使用高效可变的采样率。响应时间以***用来测量功率的采样率的形式表现出来。所要求的功率测量响应时间越短，即，要检测的不确定的功率电平越高，***必须使用更高的采样率来测量该功率。因此，为确保***能够发射的最高功率在针对该功率电平的允许时间限制内得到响应，采样率必须保持在高速率，典型地比样本之间的时间将是最大***功率的最大允许安全时间的速率快几倍。然而，正如已经提到的，快速采样率会导致对噪声的过度敏感，并且在低发射功率下，由检测到的功率生成的信号可能难以从噪声电平中提取，从而可能导致阈值关闭或波束转向程序的过早激活。
为了克服这个问题，控制可以被设计为使得对于低电平的测量功率信号，可以降低采样率，并且功率信号不那么紧急地进行响应。然而，采样率仍必须保持为高于针对预期的最大暴露所允许的最大时间内进行响应所要求的采样率。当***功率本身为低时，采样率可能不那么频繁，因为该波束的最大允许暴露时间较长，因此不需要在这么短的时间内对功率信号的改变进行响应。
控制器可以有利地被配置为使得在接收到功率损失的指示与控制器实际作用于接收到的信号电平并修改***之间可能存在时间延迟。该时间延迟使***能够确定检测到的信号是否真的是由于在整个采样周期内持续的功率损失造成的(这指示功率可能沿着其传输路径被转向到某处的真实实例)，或者它是否是在那些低信号电平处检测到的过度噪声的结果。这是通过对直到时间延迟结束的功率信号进行平均并使用该经平均的信号来决定是否已达到阈值并且是否应该终止激光器或使激光器转向，或者信号是否只是由于噪声拾取或瞬态事件的结果来实现的，并且在确定是否已经达到真正的安全阈值时间时可以忽略考虑。时间延迟是在功率信号处检测到的功率损失的最大允许持续时间的函数。时间延迟必须略小于针对该功率损失的最大允许持续时间。
该程序的有利结果现在在图5A、图5B和图5C中展示。图5A是在典型检测场景中获得的作为时间的函数的差分功率信号的示例图，即，在传输期间损失的波束功率的功率电平。符号Δ表示通过在所发送的功率与入射在接收机上的实际功率之间的差异测量的差分功率。Δ被绘制为经过时间t的函数。图中标记为A、C和E的区域中示出的平均或环境功率电平Δ1非常低，以至于对该泄漏功率电平的允许暴露的时间很长，并且如果没有发生涉及更大差分功率电平的其他事件，则会延长到超过图5A的图中所示的总时间。采样率保持在足够高的速率，与对***发射的最大功率的Δ突然增加进行响应的需求相称，使得功率的这种增加将导致***保持适当的安全保护。
然而，在标记为T1s的时间点，发生了事件，该事件可能是部分吸收的对象短期侵入到所发送的波束的路径中，从而导致Δ上升到电平Δ2，根据针对平均功率为Δ2的波束的强制规定，其具有延伸到点T1r的最大允许暴露时间，因此T1r与T1S之间的差异是允许暴露电平Δ2的时间。根据本描述的***，对于这种由Δ2表示的中等检测功率差异，关于增加的Δ是否表示要求来自***的响应的显著改变的决定被控制器延迟，从而使***适于在终止波束之前等待延迟时间，以确定信号的改变是显著的还是信号的实际上升，或者尖峰是否由***中的噪声或短暂的异常读数引起。延迟由***显示的功率损失电平决定，在中等功率电平Δ2的情况下，该延迟会延伸到T1d，使得T1s与T1d之间的时间差是允许***在达到允许的暴露时间T1r之前等待以确定信号到Δ2的改变是否要求对其进行响应的延迟。实际上，可以看出，信号跳变到Δ2(由时间段“B”标记)不要求修改***的操作参数(例如，终止波束)，因为在达到T1d之前，导致跳变到功率电平Δ2的波束障碍已经过去，并且检测到的功率在时间T2再次下降到其低电平，大约为Δ1。由于这种方法在T1s到T1d之间的整个时间段内对信号进行平均延伸到时间段C，因此控制***不会过早激活***触发以去除激光发射，就像在不使用这种时间延迟标准的情况下执行的那样，并且充电服务不会提前终止。
以类似的方式，在时间T3s，***突然检测到损耗功率的大尖峰，具有显著增加的检测到的功率电平Δ3。使用现有技术的控制***，这样的功率脉冲将被快速检测到，并会立即关闭激光发射(作为要采取的行动的示例)，因为高电平指示大量的波束未考虑，并且可能正在撞击危险目标。这将在不考虑脉冲长度的现有技术***中完成。使用本公开的控制***，阈值决定被延迟超出采样时间到T3d，以便正确评估由增加的功率呈现的危险电平。请注意，区域D中针对该尖峰的Tdelay短于区域B中针对功率增加的Tdelay，因为功率电平较高，因此允许的暴露时间较短。通过使用这种延迟的决策响应时间，急剧的功率尖峰在其时间环境中被平均化，从而允许等待一段时间来确定信号的整体平均电平是否低于强制要求关闭***的电平。
图5B现在示出了由图5A所示的功率简档生成的所得到的控制信号。时间段“B”所示的中等电平事件和时间段“D”期间到Δ3较大的跳变均由***处理，以便在输入控制***之前对其进行平均。现在这两个事件都不触发安全阈值，从而使本公开的***能够继续提供充电服务而不受干扰，其中，在以前的***中，阈值标准将在第一个采样周期发生时立即触发，并且***关闭。
图5C示出了其中短尖峰“A”被***忽略的情况，因为信号的采样及其随后的平均使得能够确定由于信号快速下降到低电平而没有发生显著变化。
然而，当尖峰“B”被放大时，***可以确定这个增加的Δ信号正在迅速超过针对这种未考虑波束功率电平的允许持续时间。随后，***终止激光发射，因此在接收机处没有接收到功率，因此Δ信号下降到零，如时间段“B”结束时所示。
现在参考图6A和图6B，示出了具有可能使激光传输的截短或转向成为必要以避免潜在激光损害的危险情况的各种场景。
图6A示出了其中人60穿过波束67的示例性场景。在这种情况下，在人走进波束路径之前，由接收机功率计接收到的信号将处于其常规高电平，因此由控制器计算出的Δ或在发射机61A与接收机65A之间的功率损失将很低。因此，发射机61A可以在人走进波束之前将全功率束定向到接收机。
当人60然后进入波束路径67时，由检测器接收到的功率的电平将急剧下降，因此在检测到的离开发射机61A的功率与在接收机65A处检测到的功率之间的差异Δ将很高。这意味着高功率电平在传输空间的某处被耗散，而没有达到接收机，这潜在地导致对波束的高电平暴露。按照规定，如此高的功率暴露必须在很短的时间内导致杂散波束的减少。由于功率电平改变较大且***放大必须响应的时间较短，因此***放大器可能无法忠实地处理对应的信号改变并在要求的时间内发出关闭或波束转向指令。然而，尽管在如此高的频率下缺乏有意义的放大，但Δ信号将足够高，以确保***在针对该功率损失的小的允许时间内进行响应。
图6B现在示出了其中透明对象64或仅部分阻挡波束的对象部分阻挡波束路径的情形。由于检测到的功率的改变可能很小，因此根据规定，这种杂散波束功率在相对长的时间段内是可以接受的。
该事件的特性时间段可能很长，因为对于低电平的不确定的功率暴露，对象可能在波束路径中停留数分钟，甚至数百分钟，因此激光发射可以不间断地继续。现有技术***在如此长的时间段内对在发射机与接收机之间的如此小的功率损失不敏感，因为这种功率改变的有效频率对于它们来说太低而无法检测到。然而，即使代表波束未考虑部分的Δ非常小，因此其允许的暴露时间可能非常长，如果在延长的时间段内发生从发射机到接收机的功率传输，则可能会超出最大允许时间水平。
在当前公开的***中，与输入信号的非常缓慢的改变相关且在长时间段内的频率放大与现有技术的***相比增加了，使得它对在长时间段内发生的事件更加敏感。因此，这些特征的组合使***能够在长时间段内正确响应，尽管在那些低检测电平下对噪声的敏感性增加。
因此，如果透明或部分阻挡的对象在长时间段内处于波束路径中，控制器将示出与Δ相关联的信号增加。控制器可以被表征为具有有限的响应，因为对这种微弱波束的暴露的允许电平可能是几分钟甚至几小时。这允许控制器在长时间段内继续准确监视该Δ信号，以确保它不超出指南要求的针对该功率电平的时间限制。
在图6B所示的示例中，可以在已经超出针对由于对象64而损失的功率电平的最大允许时间段之前从波束路径中移除花瓶64。因此，***使用的延迟时间或等待周期确保不会对***执行不必要的改变。
可替代地，如果花瓶64保持在波束路径中接近针对该功率电平的损失的最大允许暴露，使得几乎超出在需要激活关闭或波束偏离***之前允许的最大“等待周期”或延迟时间，则在超出该最大允许暴露时间之前这种动作可能是必要的。
因此，当前公开的***确保考虑到在发射机与接收机之间的小功率损失，并且短时间穿过波束的对象不会像在波束路径中长时间的对象那样受到那么多关注。此外，在考虑到要求的大动态范围的情况下，实现了当前公开的***对要求的大动态范围的灵敏度。
现在参考图7，图7是示出在操作当前公开的***时使用的方法的一种实现方式的流程图。
在步骤701中，开始“事件时钟”，并且***计算“等待周期”(称为Tdelay)，其是如果Δ信号不显示显著的改变，则***将从该“事件时钟”的起点开始到终止波束使波束转向之前等待的时间的长度，如将在下文中解释的。根据规定，TΔ是根据当前接收到的Δ功率下的允许的暴露时间确定的。根据一种示例性方法，为了计算Tdelay，执行对增量信号的平均，其中执行平均的时间小于该功率损失的最大允许持续时间。这确保了异常读数(例如，由短噪声干扰引起的尖峰)不会不必要地导致“事件时钟”被重新设置。
在步骤702中，连续测量Δ信号。
在步骤703中，***确定Δ信号的电平是否已经改变了超过预定量，示为Δch。Δ信号的增加指示发生了比在步骤701处计算出的更多的波束损失，因此必须基于Δ信号的这种增加来计算不同且更短的Tdelay，并且“事件时钟”或时序***必须被重新设置为反映这种改变。相反，Δ信号的减小指示发生了波束损失的下降，因此可以基于Δ信号的这种减小来计算新的更长的Tdelay，并且“事件时钟”或时序***必须被重新设置为反映这种改变。
在***的替代实施例中，如果指示的功率损失大于预定饱和电平(在该饱和电平之上，所有信号都被相同地响应)，在这种情况下，事件时钟基本上不相关地呈现，因为***应该终止，***在没有延迟的情况下阻挡波束或使波束转向。例如，指示95％波束阻塞的增量信号可能导致***与指示99％波束阻塞的增量信号同时响应。饱和电平可以被选择为10W或更高，或9W或更高，或其他功率电平。饱和电平可以取决于无线功率***的环境或其他参数。
在步骤704中，如果指示Δ信号中没有大于Δch的变化，则***评估是否已经超出当前Tdelay。如果不是，则控制返回步骤702，并继续对Δ信号的测量。另一方面，如果指示超出了Tdelay，因此将很快超出当前功率损失的要求的允许暴露持续时间，则控制转到步骤705。
在步骤705中，激活***的操作参数，以例如通过阻挡波束、使波束转向或终止波束来防止过度的波束暴露。
现在参考图8A和图8B，其示出了根据上述美国法规的针对不同功率电平所允许的允许的暴露时间。图8A是波长为1050m的波束所要求的响应时间，图8B是波长为2600nm的波束所要求的响应时间。因此，控制器的等待周期或延迟时间可以被设置为使得在终止波束或影响***的另一个参数之前的最大延迟在针对该功率损失的最大允许时间内。
本领域技术人员应当认识到的是，本发明不受上文具体示出和描述的内容的限制。而是，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及本领域技术人员在阅读以上描述后会想到的并且不在现有技术中的变型和修改。

Claims (22)

1.一种用于向至少一个接收机提供无线功率供应的***，所述***包括：
(a)发射机，其被适配为发射无线功率的波束；
(b)功率计，其被配置为生成与所发射的波束的功率电平相对应的第一信号；
(c)检测器，其与所述至少一个接收机相关联，并且被配置为生成与在所述接收机处接收到的波束的功率相对应的第二信号；
(d)至少一个控制器，所述至少一个控制器被适配为进行以下操作：
(i)生成时间段Tdelay，所述Tdelay小于针对由所述功率计和所述检测器测量出的功率的差异的最大安全暴露持续时间；
(ii)如果所述功率的差异已经改变多于显著量，则动态地生成新的Tdelay；以及
(iii)如果超出Tdelay，则修改所述发射机的至少一个操作参数以减小所述功率的差异。
2.根据权利要求1所述的***，其中，频率选择信号处理器用于：在生成所述Tdelay之前处理与所述功率的差异相对应的信号。
3.根据权利要求1或2所述的***，其中，如果所述差异高于预定功率电平，则所述控制器被配置为在修改所述发射机的所述操作参数以减小增量信号之前进行响应而不等待超出Tdelay。
4.根据权利要求2或3所述的***，其中，所述频率选择处理器被配置为：使得其通带被设置为覆盖显著低于如下范围的频率，所述范围是在由预期的差异信号的最大电平所强制要求的时间段内进行响应所要求的。
5.根据权利要求2或3所述的***，其中，所述频率选择处理器被配置为：使得其频率响应曲线偏移到与所述频率的范围的中心所指示的那些频率相比更低的频率，所述频率的范围是在根据功率传输***所预期的暴露持续时间的范围上提供放大所要求的。
6.根据权利要求5所述的***，其中，所述频率响应曲线的所述偏移向低电平功率差异信号提供增加的放大，使得所述处理器能够对这些低电平信号的改变进行响应。
7.根据权利要求5所述的***，其中，所述频率响应曲线的所述偏移向低电平功率差异信号提供增加的放大，使得这些低电平功率差异信号能够生成高于噪声电平的足够高的处理器输出，以触发激光安全例程。
8.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述控制器还被配置为：将Tdelay计算为先前生成的差异信号的函数。
9.根据权利要求8所述的***，其中，低于预定环境电平的差异信号指示在至少一个发射机与所述至少一个接收机之间没有显著的波束障碍。
10.根据权利要求9所述的***，其中，如果所述差异信号在预定时间量内下降到所述环境电平以下，则Tdelay的所述生成不显著地基于任何先前的差异信号。
11.根据权利要求8所述的***，其中，所述***被配置为：通过以下操作来对高于所述环境电平的任何差异信号进行响应：针对低于预定电平且高于所述环境电平的信号计算Tdelay，或者如果所述差异信号高于所述预定电平则与Tdelay不相关地进行响应。
12.根据权利要求8所述的***，其中，所述***被配置为：通过以下操作来对高于所述环境电平的任何差异信号进行响应：针对低于预定电平且高于所述环境电平的信号计算Tdelay，或者修改所述发射机的所述操作参数以减少所述增量信号。
13.根据权利要求2至12中任一项所述的***，其中，所述频率选择处理器包括放大器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，如果从步骤(i)经过的时间超出Tdelay，则执行步骤(iii)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，对所述发射机的至少一个操作参数的所述修改包括以下各项中的至少一个：
修改所述波束的所述功率电平；
完全终止激光发射；
改变所发射的波束的波束简档；
阻挡所述波束；
通过使用扫描镜引导所述波束以将所述波束定向到不同的位置；
扫描当前扫描位置周围的区域，以更好地将所述波束对齐到所述接收机上；以及
记录在波束路径中标记对象的位置的扫描位置。
16.一种用于向至少一个接收机进行安全无线功率供应的方法，所述方法包括：
(a)从至少一个发射机向至少一个接收机发送功率；
(b)生成与由所述至少一个发射机发射的功率的电平相对应的第一信号；
(c)生成与在所述至少一个接收机处接收到的功率的电平相对应的第二信号；
(d)生成差异信号，所述差异信号为所述第二信号与所述第一信号之间的差异；
(e)生成时间段Tdelay，所述Tdelay小于与由所述差异信号所指示的功率的安全暴露持续时间相关的最大暴露持续时间；
(f)监视所述差异信号是否已经改变了预定量，并且如果所述差异信号已经改变了预定量，则返回步骤(e)；以及
(g)如果超出Tdelay，则修改无线功率供应的至少一个操作参数以便减少所述差异信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述***对高于预定电平的差异信号进行响应，而不使用Tdelay来确定在修改所述无线功率供应的至少一个操作参数之前要等待的时间段。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，通过对在时间量内的所述差异信号进行平均来计算所述Tdelay，使得与示出较少功率量的差异信号相比，指示高功率电平的差异信号具有较短的平均时间，所述时间量取决于由所述差异信号指示的功率电平。
19.一种用于从发射机向至少一个接收机进行激光功率传输的***，所述***包括危险预防***，所述危险预防***包括：
功率监视器，其测量从所述发射机发射的激光的光学功率；以及
功率传感器，其用于测量在所述至少一个接收机处的激光的光学功率；
所述危险预防***被配置为响应于在所述功率监视器的测量与所述功率传感器的测量之间的差异的增加，在所述差异的增加发生后的时间延迟之后，而使所述激光的功率降低或终止，所述时间延迟如下，其以秒为单位测量：
Figure FDA0003623905730000031
其中，Ptransmitter是由所述功率监视器测量出的激光功率，其以瓦特为单位测量；
其中，Preceiver是在所述功率传感器处测量出的激光功率，其以瓦特为单位测量；并且
其中，λ是激光波长，其以纳米为单位测量。
20.一种用于向至少一个接收机进行安全无线功率供应的***，所述***包括：
(a)发射机，其被适配为发射波束；
(b)功率计，其用于测量所发射的波束的功率电平；
(c)检测器，其与接收机相关联，并且被配置为检测在所述接收机处接收到的波束的至少一部分；以及
(d)频率选择信号处理器，其被适配为：
(i)生成表示时间段Tdelay的输出信号，所述Tdelay小于与针对由所述功率计和所述检测器测量出的功率的差异的安全暴露持续时间相关的最大暴露持续时间；以及
(ii)监视自生成Tdelay以来经过的时间，并且如果超出Tdelay，则修改所述发射机的至少一个操作参数以减小差异；
其中，所述频率选择处理器被配置为使得如果所述输出信号高于第一预定电平，则所述频率选择处理器具有如下的响应特性：使得所述频率选择处理器修改所述***的操作参数，而不进行显著处理。
21.根据权利要求20所述的***，其中，所述频率选择处理器具有被偏置为低频的频率响应，使得差异信号与高于所述第一预定电平的信号相比被放大更多，所述差异信号具有小于第二预定电平的电平并且与暴露持续时间相关联，所述暴露持续时间与高于所述第一预定电平的功率暴露的允许的暴露持续时间水平相比显著更长。
22.一种用于向至少一个接收机进行安全无线功率供应的***，所述***包括：
(a)发射机，其被适配为发射无线功率的波束；
(b)功率计，其被配置为生成与所发射的波束的功率电平相对应的第一信号；
(c)检测器，其与至少一个接收机相关联，并且被配置为生成与在所述接收机处接收到的波束的功率相对应的第二信号；
(d)至少一个控制器，其被适配为进行以下操作：
(i)确定针对与由所述功率计和所述检测器测量出的功率的差异相关的功率电平所允许的累积暴露的能量极限；
(ii)如果所述差异已经改变多于显著量，则动态地生成新的能量极限；以及
(iii)如果超出所述能量极限，则修改所述发射机的至少一个操作参数以减小所述差异。
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