張 磊 凌 震 項(xiàng)宗友

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

激光點(diǎn)火技術(shù)是采用激光作為點(diǎn)火源，利用光纖傳輸激光能量，點(diǎn)燃火工品的一種高新火工技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的電火工品相比，激光火工品可以從根本上解決電磁兼容引起的安全性問(wèn)題[2]，因此在武器的點(diǎn)火系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。一套最簡(jiǎn)的激光點(diǎn)火系統(tǒng)包含電源、激光器、傳能光纖和火工品。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，往往需要采用多級(jí)光纜連接激光器和火工品，在安裝過(guò)程中，存在多個(gè)可插拔的光連接界面，狀態(tài)容易發(fā)生變化從而導(dǎo)致系統(tǒng)功能異常。為了保證激光點(diǎn)火系統(tǒng)的工作可靠性，要在點(diǎn)火前，在確保測(cè)試安全的情況下，對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)的光學(xué)通路進(jìn)行在線檢測(cè)。因此，需要在最簡(jiǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中，額外引入光能反饋裝置和光能探測(cè)裝置，構(gòu)成一套可以自診斷的激光點(diǎn)火系統(tǒng)。目前，激光點(diǎn)火系統(tǒng)的自診斷技術(shù)包括內(nèi)置式和外置式2種[3]，本文基于外置式自診斷技術(shù)，即雙光纖檢測(cè)技術(shù)，對(duì)激光點(diǎn)火控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，從而給出點(diǎn)火控制系統(tǒng)中激光器輸出功率及檢測(cè)合格判據(jù)的設(shè)計(jì)方法及相關(guān)影響因素。

1 雙光纖檢測(cè)技術(shù)

基于雙光纖檢測(cè)技術(shù)的激光點(diǎn)火系統(tǒng)如圖1所示。在點(diǎn)火之前，控制激光器輸出一個(gè)低能量光脈沖，可以是超窄脈寬的高功率激光，也可以是低功率的脈沖式熒光[4-5]，該檢測(cè)光脈沖經(jīng)點(diǎn)火光路傳輸至激光火工品端面處，由特定的光反射裝置反射部分光能量，并耦合進(jìn)入檢測(cè)光路返回光探測(cè)器。根據(jù)輸出的檢測(cè)光脈沖功率和反射回檢測(cè)端面的光脈沖功率的比值，可以定量檢測(cè)出點(diǎn)火光路的通路特性。經(jīng)檢測(cè)合格后，可由激光器輸出高功率激光脈沖，進(jìn)行火工品點(diǎn)火?？梢姡腚p光纖檢測(cè)技術(shù)，在點(diǎn)火前進(jìn)行在線的光學(xué)通路檢測(cè)，可以保證激光點(diǎn)火系統(tǒng)工作的可靠性。

圖1 基于雙光纖檢測(cè)技術(shù)的激光點(diǎn)火系統(tǒng)示意圖

2 最簡(jiǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)激光器輸出功率需求分析

βtrans=10(-αloss/10)

(1)

(2)

3 雙光纖檢測(cè)的合格判據(jù)分析

(3)

4 雙光纖檢測(cè)點(diǎn)火系統(tǒng)的激光器輸出功率需求分析

如圖1所示，檢測(cè)環(huán)節(jié)的引入造成測(cè)試結(jié)果的不確定性，需要在點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。假設(shè)到達(dá)火工品端面的檢測(cè)光峰值功率為P0，由于檢測(cè)光路中各光學(xué)元件插入損耗的不一致性，導(dǎo)致檢測(cè)端光探測(cè)器接收到的最小和最大光功率分別為：

(4)

(5)

目前，墾區(qū)已建成全國(guó)最大的綠色食品產(chǎn)業(yè)集群，北大荒品牌已成為中國(guó)農(nóng)業(yè)第一品牌。2010年墾區(qū)有效綠色食品標(biāo)志產(chǎn)品數(shù)量已達(dá)到257個(gè)，全國(guó)綠色食品標(biāo)準(zhǔn)化原料生產(chǎn)基地60個(gè)。同時(shí)，墾區(qū)可依托北大荒米業(yè)、北大荒豐緣麥業(yè)、九三糧油工業(yè)集團(tuán)、完達(dá)山乳業(yè)、北大荒肉業(yè)和北大荒薯業(yè)等10大重點(diǎn)龍頭企業(yè)，加快綠色食品生產(chǎn)基地建設(shè)，保證農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)與消費(fèi)的安全。墾區(qū)通過(guò)現(xiàn)有的綠色產(chǎn)業(yè)體系可以在產(chǎn)業(yè)鏈下游對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形成一定的約束，形成低碳農(nóng)業(yè)與低碳產(chǎn)業(yè)的相互制約與聯(lián)動(dòng)機(jī)制，從而促進(jìn)墾區(qū)農(nóng)業(yè)向低碳化、可持續(xù)性的現(xiàn)代大農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向發(fā)展。

(6)

這部分差異性等價(jià)于在點(diǎn)火光路中額外引入了損耗，βmea相當(dāng)于在點(diǎn)火光路中的透射率，需要增加對(duì)激光器輸出功率的需求進(jìn)行補(bǔ)償，即

(7)

5 激光輸出功率需求的影響因素

在雙光纖檢測(cè)激光點(diǎn)火控制系統(tǒng)中，需考慮2方面環(huán)節(jié)對(duì)激光輸出功率的影響，其中涉及多種影響因素，在前面的公式推導(dǎo)中尚未全部分析，下面具體介紹在實(shí)際的點(diǎn)火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要全面考慮的各因素對(duì)激光輸出功率設(shè)計(jì)的影響。

5.1 點(diǎn)火環(huán)節(jié)影響因素

1)點(diǎn)火光路中引入的光纖傳輸損耗。在點(diǎn)火系統(tǒng)中，為適應(yīng)激光的光纖耦合以及大功率傳輸，一般采用芯徑較大的多模傳輸光纖，同時(shí)激光波長(zhǎng)的選擇也與傳統(tǒng)的光纖通信波段不同，因此傳輸損耗比單模光纖通信中的光損耗高，當(dāng)點(diǎn)火光路較長(zhǎng)時(shí)，需要適當(dāng)考慮。另外，多模光纖的彎曲對(duì)光傳輸?shù)膿p耗影響較高[6]，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，需要對(duì)其彎曲損耗進(jìn)行測(cè)試以統(tǒng)計(jì)出可接受的光纖彎曲半徑，在光纖鋪設(shè)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)彎半徑。

2)各光纖連接器引入的插入損耗。在激光控制器與點(diǎn)火光路的連接處、各級(jí)的級(jí)間連接處以及點(diǎn)火光路與激光火工品的連接處均會(huì)使用光纖連接器進(jìn)行光纖通路的連接，環(huán)節(jié)較多，將會(huì)引入較高的插入損耗。因此，插入損耗是光纖連接器設(shè)計(jì)的重要考核指標(biāo)[7]，同時(shí)需要考慮溫度環(huán)境和力學(xué)環(huán)境對(duì)插損的影響。

3)環(huán)境因素及使用壽命對(duì)激光器輸出功率的影響。在高溫及振動(dòng)環(huán)境下，激光器的輸出功率將會(huì)降低。激光器在高功率輸出多次后，受其使用壽命的影響輸出功率也會(huì)降低。相應(yīng)的指標(biāo)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行考慮，應(yīng)設(shè)計(jì)各影響因素下的最低可接受輸出功率。在激光器設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)激光器進(jìn)行環(huán)境測(cè)試和壽命測(cè)試，統(tǒng)計(jì)其影響程度。

5.2 檢測(cè)環(huán)節(jié)影響因素

在考慮檢測(cè)環(huán)節(jié)時(shí)，對(duì)激光器輸出功率的影響不是該環(huán)節(jié)引入的絕對(duì)損耗，而是其帶來(lái)的測(cè)試不一致性。

1)檢測(cè)光路中引入的光纖傳輸損耗。該損耗一般考慮最大值，最小值難以在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)時(shí)可認(rèn)為是0，因此光纖傳輸損耗越大，引入的不一致性越大。

2)各光纖連接器引入的插入損耗。考慮方法同上，插入損耗越大，引入的不一致性越大。由于級(jí)間連接器較多，其插損不一致性對(duì)激光器輸出功率影響較大，同時(shí)也引入了較高的虛警風(fēng)險(xiǎn)?？紤]采用單光纖檢測(cè)方案可以解決此影響，即取消檢測(cè)光路，檢測(cè)的入射光和反射光都在點(diǎn)火光路中進(jìn)行傳輸，但需要解決火工品端反射及耦合裝置和探測(cè)端分光裝置帶來(lái)的新問(wèn)題。

3)激光火工品中的光反射裝置反射率。為了不影響點(diǎn)火功率，該反射率一般較小，其大小影響可檢測(cè)到的熒光功率水平，是設(shè)計(jì)影響光探測(cè)器靈敏度的重要指標(biāo)之一。其反射率范圍是影響激光器輸出功率需求的關(guān)鍵因素，由于反射率較小，對(duì)其一致性的控制難度較高，在設(shè)計(jì)時(shí)需給予關(guān)注。

4)激光器輸出的檢測(cè)熒光功率不一致性。在相同驅(qū)動(dòng)電流下，激光器每次輸出的檢測(cè)熒光功率不盡相同，存在一定的輸出范圍。同時(shí)，在溫度環(huán)境及使用壽命的影響下，其輸出功率也會(huì)進(jìn)一步變化，使得熒光輸出功率的不確定性增大。根據(jù)目前的研究結(jié)果，檢測(cè)熒光輸出功率的穩(wěn)定性較差，考慮各種影響因素后，其輸出功率差異約30%，對(duì)激光器輸出功率的需求提高了1/3，是影響較高的一個(gè)環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)可接受的情況下，可考慮增加溫控和熒光功率自檢測(cè)措施來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

5)熒光驅(qū)動(dòng)電流不一致性。熒光驅(qū)動(dòng)電流誤差會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致熒光功率輸出的不穩(wěn)定性，通過(guò)引入輸出功率自檢測(cè)措施可進(jìn)行補(bǔ)償。

6)光探測(cè)器響應(yīng)不一致性及光電轉(zhuǎn)換后的電壓測(cè)試誤差。這2個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)造成熒光檢測(cè)功率的測(cè)試誤差，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮。

除上述兩大環(huán)節(jié)之外，對(duì)激光輸出絕對(duì)功率的測(cè)試誤差也需要考慮。激光點(diǎn)火系統(tǒng)比較復(fù)雜，參與研制的單位較多，使用的功率測(cè)試設(shè)備需要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)量，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要增強(qiáng)意識(shí)，對(duì)各相關(guān)研制單位進(jìn)行規(guī)范。

6 結(jié)論

針對(duì)基于雙光纖檢測(cè)技術(shù)的激光點(diǎn)火控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，給出了激光輸出功率需求和檢測(cè)合格判據(jù)的設(shè)計(jì)方法，并總結(jié)了影響激光輸出功率需求的各種因素。根據(jù)目前的研究結(jié)果，光纖連接器的插入損耗、光反射裝置反射率不一致性、檢測(cè)熒光輸出功率不一致性是3個(gè)較嚴(yán)重的影響因素，需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)一步深入研究。另外，各種環(huán)境因素對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)中的激光器、探測(cè)器、光纖連接器等各環(huán)節(jié)的實(shí)際應(yīng)用均造成了不同程度影響，由于我國(guó)光學(xué)系統(tǒng)在武器工程研制中應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的欠缺，對(duì)其進(jìn)行各種環(huán)境考核的試驗(yàn)方法和測(cè)試手段尚不完備，需要加強(qiáng)對(duì)其應(yīng)用基礎(chǔ)的投入和研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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