基于雙光纖檢測技術的激光點火控制系統設計

張 磊 凌 震 項宗友

北京航天自動控制研究所，北京 100854

激光點火技術是采用激光作為點火源，利用光纖傳輸激光能量，點燃火工品的一種高新火工技術[1]。與傳統的電火工品相比，激光火工品可以從根本上解決電磁兼容引起的安全性問題[2]，因此在武器的點火系統中有著廣泛的應用前景。一套最簡的激光點火系統包含電源、激光器、傳能光纖和火工品。在實際的工程應用中，往往需要采用多級光纜連接激光器和火工品，在安裝過程中，存在多個可插拔的光連接界面，狀態容易發生變化從而導致系統功能異常。為了保證激光點火系統的工作可靠性，要在點火前，在確保測試安全的情況下，對點火系統的光學通路進行在線檢測。因此，需要在最簡點火系統中，額外引入光能反饋裝置和光能探測裝置，構成一套可以自診斷的激光點火系統。目前，激光點火系統的自診斷技術包括內置式和外置式2種[3]，本文基于外置式自診斷技術，即雙光纖檢測技術，對激光點火控制系統進行設計分析，從而給出點火控制系統中激光器輸出功率及檢測合格判據的設計方法及相關影響因素。

1 雙光纖檢測技術

基于雙光纖檢測技術的激光點火系統如圖1所示。在點火之前，控制激光器輸出一個低能量光脈沖，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]，該檢測光脈沖經點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，并耦合進入檢測光路返回光探測器。根據輸出的檢測光脈沖功率和反射回檢測端面的光脈沖功率的比值，可以定量檢測出點火光路的通路特性。經檢測合格后，可由激光器輸出高功率激光脈沖，進行火工品點火?？梢?，引入雙光纖檢測技術，在點火前進行在線的光學通路檢測，可以保證激光點火系統工作的可靠性。

圖1 基于雙光纖檢測技術的激光點火系統示意圖

2 最簡點火系統激光器輸出功率需求分析

βtrans=10(-αloss/10)

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(2)

3 雙光纖檢測的合格判據分析

(3)

4 雙光纖檢測點火系統的激光器輸出功率需求分析

如圖1所示，檢測環節的引入造成測試結果的不確定性，需要在點火系統設計時加以考慮。假設到達火工品端面的檢測光峰值功率為P0，由于檢測光路中各光學元件插入損耗的不一致性，導致檢測端光探測器接收到的最小和最大光功率分別為：

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目前，墾區已建成全國最大的綠色食品產業集群，北大荒品牌已成為中國農業第一品牌。2010年墾區有效綠色食品標志產品數量已達到257個，全國綠色食品標準化原料生產基地60個。同時，墾區可依托北大荒米業、北大荒豐緣麥業、九三糧油工業集團、完達山乳業、北大荒肉業和北大荒薯業等10大重點龍頭企業，加快綠色食品生產基地建設，保證農產品生產與消費的安全。墾區通過現有的綠色產業體系可以在產業鏈下游對農業生產形成一定的約束，形成低碳農業與低碳產業的相互制約與聯動機制，從而促進墾區農業向低碳化、可持續性的現代大農業的發展方向發展。

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這部分差異性等價于在點火光路中額外引入了損耗，βmea相當于在點火光路中的透射率，需要增加對激光器輸出功率的需求進行補償，即

(7)

5 激光輸出功率需求的影響因素

在雙光纖檢測激光點火控制系統中，需考慮2方面環節對激光輸出功率的影響，其中涉及多種影響因素，在前面的公式推導中尚未全部分析，下面具體介紹在實際的點火控制系統設計中，需要全面考慮的各因素對激光輸出功率設計的影響。

5.1 點火環節影響因素

1)點火光路中引入的光纖傳輸損耗。在點火系統中，為適應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，同時激光波長的選擇也與傳統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，當點火光路較長時，需要適當考慮。另外，多模光纖的彎曲對光傳輸的損耗影響較高[6]，在實際的工程應用中，需要對其彎曲損耗進行測試以統計出可接受的光纖彎曲半徑，在光纖鋪設時應嚴格控制轉彎半徑。

2)各光纖連接器引入的插入損耗。在激光控制器與點火光路的連接處、各級的級間連接處以及點火光路與激光火工品的連接處均會使用光纖連接器進行光纖通路的連接，環節較多，將會引入較高的插入損耗。因此，插入損耗是光纖連接器設計的重要考核指標[7]，同時需要考慮溫度環境和力學環境對插損的影響。

3)環境因素及使用壽命對激光器輸出功率的影響。在高溫及振動環境下，激光器的輸出功率將會降低。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降低。相應的指標在系統設計時需要進行考慮，應設計各影響因素下的最低可接受輸出功率。在激光器設計時，需要對激光器進行環境測試和壽命測試，統計其影響程度。

5.2 檢測環節影響因素

在考慮檢測環節時，對激光器輸出功率的影響不是該環節引入的絕對損耗，而是其帶來的測試不一致性。

1)檢測光路中引入的光纖傳輸損耗。該損耗一般考慮最大值，最小值難以在實際應用中進行測試，設計時可認為是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?？紤]方法同上，插入損耗越大，引入的不一致性越大。由于級間連接器較多，其插損不一致性對激光器輸出功率影響較大，同時也引入了較高的虛警風險?？紤]采用單光纖檢測方案可以解決此影響，即取消檢測光路，檢測的入射光和反射光都在點火光路中進行傳輸，但需要解決火工品端反射及耦合裝置和探測端分光裝置帶來的新問題。

3)激光火工品中的光反射裝置反射率。為了不影響點火功率，該反射率一般較小，其大小影響可檢測到的熒光功率水平，是設計影響光探測器靈敏度的重要指標之一。其反射率范圍是影響激光器輸出功率需求的關鍵因素，由于反射率較小，對其一致性的控制難度較高，在設計時需給予關注。

4)激光器輸出的檢測熒光功率不一致性。在相同驅動電流下，激光器每次輸出的檢測熒光功率不盡相同，存在一定的輸出范圍。同時，在溫度環境及使用壽命的影響下，其輸出功率也會進一步變化，使得熒光輸出功率的不確定性增大。根據目前的研究結果，檢測熒光輸出功率的穩定性較差，考慮各種影響因素后，其輸出功率差異約30%，對激光器輸出功率的需求提高了1/3，是影響較高的一個環節。在系統可接受的情況下，可考慮增加溫控和熒光功率自檢測措施來進行補償。

5)熒光驅動電流不一致性。熒光驅動電流誤差會進一步導致熒光功率輸出的不穩定性，通過引入輸出功率自檢測措施可進行補償。

6)光探測器響應不一致性及光電轉換后的電壓測試誤差。這2個環節都會造成熒光檢測功率的測試誤差，在設計時需要考慮。

除上述兩大環節之外，對激光輸出絕對功率的測試誤差也需要考慮。激光點火系統比較復雜，參與研制的單位較多，使用的功率測試設備需要進行嚴格的計量，在系統設計時需要增強意識，對各相關研制單位進行規范。

6 結論

針對基于雙光纖檢測技術的激光點火控制系統進行了設計分析，給出了激光輸出功率需求和檢測合格判據的設計方法，并總結了影響激光輸出功率需求的各種因素。根據目前的研究結果，光纖連接器的插入損耗、光反射裝置反射率不一致性、檢測熒光輸出功率不一致性是3個較嚴重的影響因素，需要在設計中進一步深入研究。另外，各種環境因素對點火系統中的激光器、探測器、光纖連接器等各環節的實際應用均造成了不同程度影響，由于我國光學系統在武器工程研制中應用經驗的欠缺，對其進行各種環境考核的試驗方法和測試手段尚不完備，需要加強對其應用基礎的投入和研究。

參 考 文 獻

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