靳晉軍，劉海娜，陸儒培，袁夢(mèng)涵，王軍龍

(北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

激光點(diǎn)火系統(tǒng)利用光纖傳輸點(diǎn)火能量，實(shí)現(xiàn)了含能材料和電系統(tǒng)之間的相互隔離，從根本上消除了電磁環(huán)境給火工品帶來的安全隱患[1-3]。作為新一代的點(diǎn)火系統(tǒng)，激光點(diǎn)火系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)點(diǎn)火通路損耗的測(cè)量[4]，并可依據(jù)點(diǎn)火通路損耗的測(cè)量結(jié)果判斷點(diǎn)火系統(tǒng)是否具備發(fā)火條件[5]以及火工品的發(fā)火狀態(tài)。通常而言，點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火功率為固定值，在火工品發(fā)火前，需要根據(jù)損耗測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算，以判斷火工品是否具備發(fā)火條件；在火工品發(fā)火后，需要根據(jù)損耗測(cè)量值與發(fā)火前測(cè)量值的差值來判斷火工品的發(fā)火狀態(tài)，通常以差值大于10dB作為可靠發(fā)火的判據(jù)。如果損耗測(cè)量存在較大波動(dòng)，則不利于火工品是否具備發(fā)火條件以及發(fā)火狀態(tài)的判斷。因此，點(diǎn)火通路損耗的檢測(cè)精度至關(guān)重要。

激光點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火通路損耗測(cè)量的實(shí)施方案如圖1所示[6]。自聚焦透鏡的尾端鍍有多層介質(zhì)膜，介質(zhì)膜使透鏡對(duì)檢測(cè)激光具有很高的反射率，對(duì)點(diǎn)火激光具有很高的透射率。檢測(cè)激光器可輸出功率小且穩(wěn)定的檢測(cè)激光，激光經(jīng)耦合器、光開關(guān)、光纖連接器被傳輸至自聚焦透鏡的尾端，經(jīng)反射膜被反射，并經(jīng)過輸出光纖到達(dá)光電探測(cè)器被檢測(cè)，可通過檢測(cè)激光返回功率表征點(diǎn)火通路的損耗。

圖1 激光點(diǎn)火系統(tǒng)通路損耗檢測(cè)方案Fig.1 Scheme of laser ignition system loss detection

在實(shí)際使用過程中，考慮到損耗檢測(cè)的安全性以及火工品的污染問題，檢測(cè)激光的輸出功率非常小(通常在微瓦量級(jí))。特別地，當(dāng)火工品發(fā)火后，自聚焦透鏡尾端的反射膜被破壞，僅存在端面反射，檢測(cè)激光的返回功率更加微弱。信號(hào)檢測(cè)電路中器件參數(shù)隨溫度的變化直接影響著不同溫度條件下的檢測(cè)精度。在相同的連接狀態(tài)下，在不同溫度條件下測(cè)得的損耗差別較大，這導(dǎo)致了損耗測(cè)量存在較大波動(dòng)，不利于火工品是否具備發(fā)火條件及發(fā)火狀態(tài)的判斷。因此，必須對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)中的損耗測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償，以提高點(diǎn)火通路損耗檢測(cè)的精度，進(jìn)而提高點(diǎn)火系統(tǒng)狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性。目前，主要可通過提高檢測(cè)激光功率或采用相干檢測(cè)手段來提高損耗檢測(cè)的精度[7]，但檢測(cè)激光功率的增加會(huì)降低點(diǎn)火系統(tǒng)的安全性和可靠性，并且上述兩種方法僅可提高常溫條件下的損耗檢測(cè)精度。

本文對(duì)不同溫度條件下激光點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火通路損耗檢測(cè)精度進(jìn)行了研究。首先，分析了溫度對(duì)信號(hào)處理電路中各器件參數(shù)的影響；其次，綜合溫度對(duì)各參數(shù)的影響，建立了損耗檢測(cè)-溫度誤差模型；最后，針對(duì)誤差模型設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件補(bǔ)償算法，提高了點(diǎn)火通路損耗檢測(cè)精度。

1 研究?jī)?nèi)容及方案

1.1 損耗檢測(cè)原理及影響分析

根據(jù)激光點(diǎn)火系統(tǒng)的損耗檢測(cè)原理，損耗測(cè)量值為

式(1)中，P0為檢測(cè)激光輸出功率，U0為P0經(jīng)過信號(hào)處理電路后的對(duì)應(yīng)電壓，P為檢測(cè)激光返回功率，U為P經(jīng)過信號(hào)處理電路后的對(duì)應(yīng)電壓，B為檢測(cè)激光功率損耗常數(shù)。檢測(cè)激光輸出功率P0為恒定值，因而U0、B均為常數(shù)。

由式(1)可知，損耗測(cè)量值與檢測(cè)返回激光對(duì)應(yīng)的輸出電壓U負(fù)相關(guān)：即U值越大，損耗測(cè)量值越小。由于信號(hào)處理電路中的器件不是理想的參數(shù)器件，因此信號(hào)處理電路實(shí)際輸出的電壓U2與U并不完全相等。此時(shí)，需要對(duì)電路信號(hào)處理參數(shù)進(jìn)行分析，提高損耗檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

在火工品發(fā)火前，自聚焦透鏡尾端的反射膜完好，由檢測(cè)返回激光功率產(chǎn)生的光電流為微安(μA)量級(jí)；在火工品發(fā)火后，自聚焦透鏡尾端的反射膜被破壞，僅存在端面反射，檢測(cè)激光返回功率較火工品發(fā)火前更加微弱，檢測(cè)返回激光功率產(chǎn)生的光電流為100nA左右。因此，器件參數(shù)隨溫度的變化對(duì)火工品發(fā)火后的損耗檢測(cè)精度影響更大。

1.2 溫度對(duì)信號(hào)處理電路參數(shù)的影響分析

信號(hào)處理電路中的主要器件為光電探測(cè)器和運(yùn)算放大器，損耗檢測(cè)中主要關(guān)心的受溫度影響的參數(shù)包括了光電探測(cè)器的暗電流(Id)、第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸入偏置電流(Ib)以及第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓(Uos)。

(1)探測(cè)器暗電流

探測(cè)器暗電流主要由擴(kuò)散電流Idiff、產(chǎn)生-復(fù)合電流Igv、表面漏泄電流Is和隧道電流It組成[8-13]

式(2)中，A為PN結(jié)面積，ni為本征載流子濃度，μN(yùn)和μP分別為非平衡電子與空穴的遷移率，τN和τP分別為非平衡電子與空穴的壽命，Na和Nd分別為P區(qū)與N區(qū)的摻雜濃度，Vd為器件所加偏壓，q為電子電量，k為 Boltzmann常數(shù)，T為溫度，f(b)為一個(gè)積分因子，W0為零偏壓下的空間電荷區(qū)寬度，τ0為耗盡區(qū)少數(shù)載流子的有效壽命，Vbi為內(nèi)建電勢(shì)，s0為表面復(fù)合速度，h為Planck常量，E為電場(chǎng)強(qiáng)度(E＝Vd／d，d為勢(shì)壘厚度)，m*為載流子有效質(zhì)量，Eg為禁帶寬度。

本征載流子濃度ni與溫度T的關(guān)系為

式(3)中，α＝4.73×10－4eV／K，β＝636K，α及β均為常數(shù)，取器件所加偏壓Vd＝5V，將式(3)及電子電量等常數(shù)代入式(2)，忽略小項(xiàng)并做相應(yīng)簡(jiǎn)化可得

式(4)中，K1、K2、K3、K4均為與溫度無關(guān)的常數(shù)。Idiff隨溫度升高而增大，且隨著溫度升高，Idiff逐漸呈現(xiàn)出飽和特性，如圖2(a)所示；Igv也與溫度相關(guān)，且隨溫度升高而增大，不呈現(xiàn)飽和特性，如圖2(b)所示；Is與溫度的關(guān)系與Igv類似，隨溫度升高而增大，不呈現(xiàn)飽和特性；It與溫度基本無關(guān)。因此，隨著溫度升高，暗電流急劇增大，暗電流隨溫度變化基本呈飽和特性。

圖2 探測(cè)器暗電流與溫度關(guān)系的趨勢(shì)曲線(理論值)Fig.2 Relationship trend curve between detector dark current and temperature of detector(in theory)

(2)第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸入偏置電流

運(yùn)算放大器的輸入偏置電流受溫度影響而變化較大，運(yùn)放輸入失調(diào)電流與溫度正相關(guān)，基本呈線性關(guān)系[14]

式(5)中，Ib為輸入偏置電流，Ib0為0℃時(shí)的輸入偏置電流，kbd為輸入偏置電流溫度漂移系數(shù)，T為與0℃的溫度差值。

(3)第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓

運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓與溫度正相關(guān)，基本呈線性關(guān)系

式(6)中，Uos為運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓，Uos0為0℃時(shí)的輸入失調(diào)電壓，TCVos為輸入失調(diào)電壓溫度漂移系數(shù)，T為與0℃的溫度差值。

1.3 誤差模型的建立

激光點(diǎn)火系統(tǒng)損耗檢測(cè)信號(hào)處理電路的誤差源如圖3所示。

圖3 損耗檢測(cè)信號(hào)處理電路的原理圖Fig.3 Schematic diagram of loss detection signal processing circuit

圖3中，P為檢測(cè)激光經(jīng)火工品端面鍍膜反射到達(dá)探測(cè)器的功率，Ip為探測(cè)器接收到光功率后輸出的電流

U1為第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸出電壓信號(hào)，考慮輸入偏置電流的影響，有

式(8)中，R為第一級(jí)運(yùn)算放大器的I／V轉(zhuǎn)換系數(shù)，Ib為第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸入偏置電流。

U2為第二級(jí)運(yùn)算放大器的實(shí)際輸出電壓信號(hào)，考慮輸入失調(diào)電壓的影響，有

式(9)中，A為第二級(jí)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)，Uos為第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓。

輸出電壓信號(hào)U2與溫度T的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

式(10)中，U2表達(dá)式的第1項(xiàng)U為有效信號(hào)，第2項(xiàng)C為固定偏置，第3項(xiàng)D為溫度變化量。隨著溫度的變化，探測(cè)器暗電流、第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸入偏置電流和第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓均會(huì)對(duì)信號(hào)處理電路的輸出電壓值U2產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響點(diǎn)火系統(tǒng)的損耗測(cè)量。

點(diǎn)火系統(tǒng)的真實(shí)損耗為

1.4 補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)

由式(10)可知，輸出電壓U2第二項(xiàng)的固定偏置相對(duì)簡(jiǎn)單，可直接做補(bǔ)償，輸出電壓第三項(xiàng)的溫度變化量包含了探測(cè)器暗電流、第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸入偏置電流和第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量。其中，運(yùn)算放大器的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓隨溫度變化基本呈線性關(guān)系，易于工程實(shí)現(xiàn)。另一方面，可以通過優(yōu)化器件選型來降低其對(duì)損耗檢測(cè)精度的影響。

探測(cè)器暗電流隨溫度變化的情況較為復(fù)雜，不利于工程實(shí)現(xiàn)，因此可采用曲線擬合的方式簡(jiǎn)化誤差模型[15]。

激光點(diǎn)火系統(tǒng)使用InGaAs探測(cè)器進(jìn)行損耗檢測(cè)，探測(cè)器工作于反向偏置電壓(5V)條件下。將InGaAs探測(cè)器置于溫箱中，在每個(gè)設(shè)定的溫度點(diǎn)保溫20min后，使用精密電流測(cè)試設(shè)備測(cè)量其在該溫度點(diǎn)的暗電流數(shù)值并進(jìn)行記錄，得到其典型暗電流的溫度特性，如圖4所示。

圖4 探測(cè)器暗電流溫度關(guān)系曲線(實(shí)測(cè)值)Fig.4 Relationship curves between detector dark current and temperature(measured value)

由圖4可知，探測(cè)器暗電流與溫度關(guān)系的實(shí)測(cè)曲線基本呈飽和特性，與理論分析基本一致。對(duì)其進(jìn)行分段線性擬合，可得到暗電流與溫度的近似關(guān)系表達(dá)式

激光點(diǎn)火系統(tǒng)損耗檢測(cè)中的光電探測(cè)器為In-GaAs探測(cè)器，工作于反向偏置電壓(5V)條件下，第一級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)R為45kΩ，第二級(jí)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)A為10。運(yùn)算放大器經(jīng)器件優(yōu)化后，兩級(jí)均選用LMC6482，第一級(jí)的輸入偏置電流典型值為Ib＝4pA，第二級(jí)的輸入失調(diào)電壓典型值為Uos＝3mV，TCVos＝1μV／℃，kbd＝0.1pA／℃。

將參數(shù)代入式(10)可知，第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸入偏置電流因溫度變化引起的輸出電壓波動(dòng)為微伏(μV)量級(jí)，探測(cè)器暗電流和第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓因溫度變化引起的輸出電壓波動(dòng)為毫伏(mV)量級(jí)。因此，由溫度變化引起的損耗測(cè)量值波動(dòng)主要是由探測(cè)器暗電流和第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓波動(dòng)引起的。

將式(12)及各參數(shù)代入式(11)，可得到損耗檢測(cè)的溫度補(bǔ)償模型

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

激光點(diǎn)火系統(tǒng)讀取信號(hào)處理電路的輸出電壓，在完成計(jì)算后直接輸出損耗值。在溫度補(bǔ)償前，系統(tǒng)直接使用信號(hào)處理電路的輸出電壓U2作為檢測(cè)返回激光對(duì)應(yīng)的輸出電壓，并代入式(1)進(jìn)行損耗計(jì)算。

將激光點(diǎn)火系統(tǒng)置于恒溫溫箱中，在每個(gè)溫度點(diǎn)保溫45min后執(zhí)行損耗檢測(cè)動(dòng)作并記錄損耗檢測(cè)值，得到溫度補(bǔ)償前相同連接狀態(tài)在不同溫度點(diǎn)下的損耗值如表1所示，其變化趨勢(shì)如圖5所示。

表1 補(bǔ)償前不同溫度下的損耗值Table 1 Loss values at different temperature before compensation

圖5 補(bǔ)償前損耗與溫度的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between loss and temperature before compensation

在相同連接狀態(tài)下，隨著溫度升高，暗電流增大，輸出電壓信號(hào)隨之變大，損耗檢測(cè)值變小，其變化趨勢(shì)與理論分析基本一致。發(fā)火前的損耗檢測(cè)偏差(峰峰值)為0.62dB，發(fā)火后的損耗檢測(cè)偏差(峰峰值)為1.45dB。在相同狀態(tài)下，損耗檢測(cè)值波動(dòng)較大，不利于在發(fā)火前判斷火工品是否具備發(fā)火條件，且火工品在發(fā)火后的損耗測(cè)量值與發(fā)火前測(cè)量值的差值已接近發(fā)火狀態(tài)的判斷閾值，出現(xiàn)了η2min(發(fā)火后)－η1max(發(fā)火前)小于10dB的情況，這不利于在發(fā)火后判斷發(fā)火狀態(tài)。

對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)損耗測(cè)量進(jìn)行溫度誤差模型補(bǔ)償，激光點(diǎn)火系統(tǒng)在讀取信號(hào)處理電路輸出電壓U2及當(dāng)前系統(tǒng)溫度值T后，將其代入式(13)進(jìn)行損耗計(jì)算并輸出。在相同連接狀態(tài)、不同溫度點(diǎn)下測(cè)得的損耗值如表2所示，其變化趨勢(shì)如圖6所示，補(bǔ)償前后的對(duì)比圖如圖7所示。

表2 補(bǔ)償后不同溫度下的損耗值Table 2 Loss values at different temperature after compensation

圖6 補(bǔ)償后損耗與溫度關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between loss and temperature after compensation

圖7 補(bǔ)償前后損耗與溫度關(guān)系對(duì)比曲線Fig.7 Relationship curves between loss and temperature before and after compensation

溫度誤差模型的補(bǔ)償基本消除了溫度變化對(duì)損耗檢測(cè)值的影響，發(fā)火前的損耗檢測(cè)偏差(峰峰值)由0.62dB減小到0.16dB，發(fā)火后的損耗檢測(cè)偏差(峰峰值)由1.45dB減小到0.30dB。

試驗(yàn)表明，溫度誤差模型的補(bǔ)償能夠有效提高損耗檢測(cè)精度，且能夠保證火工品在發(fā)火后的損耗測(cè)量值與發(fā)火前測(cè)量值的差值大于發(fā)火狀態(tài)的判斷閾值，不會(huì)出現(xiàn)η2min－η1max小于10dB的情況，能夠?yàn)榧す恻c(diǎn)火系統(tǒng)、火工品是否具備發(fā)火條件及發(fā)火狀態(tài)的判斷提供有效支撐。

3 結(jié)論

本文對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火通路損耗檢測(cè)電路中的參數(shù)進(jìn)行了溫度特性分析，結(jié)果表明：探測(cè)器暗電流、運(yùn)算放大器的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓等均會(huì)影響損耗檢測(cè)的精度。根據(jù)分析結(jié)果建立了點(diǎn)火通路損耗檢測(cè)溫度誤差模型，采用分段線性擬合方法對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在火工品發(fā)火完成狀態(tài)下，采用溫度誤差模型進(jìn)行補(bǔ)償，在－40℃～75℃范圍內(nèi)，損耗檢測(cè)偏差(峰峰值)從1.45dB減小為0.30dB，提高了火工品在發(fā)火完成狀態(tài)下的損耗檢測(cè)精度，為判斷火工品是否具備發(fā)火條件及發(fā)火狀態(tài)提供了有效支撐。