一種單光路激光點火系統(tǒng)通路分析方法

葉志鵬　賈睿　吳強(qiáng)　郭聞昊　高雅　李華濱

摘? ?要：研究了激光點火系統(tǒng)通路分析方法，首先給出了單光路激光點火系統(tǒng)光路傳輸模型，接下來提出了一種光通路分析方法，分別分析了光路連接器數(shù)目對光路插入損耗和回波損耗的影響，并給出了不同光路連接器對應(yīng)的光通路判據(jù)和激光火工品正常工作判據(jù)，提高了分析方法的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性.試驗證明，所提出的單光路激光點火系統(tǒng)分析方法的正確性，為箭載控制計算機(jī)軟件提供設(shè)計依據(jù).

關(guān)鍵詞：點火系統(tǒng);固態(tài)激光器;光學(xué)工程;單光路模型;光通路檢測.

中圖分類號：TP391.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

A Single Optical Path Analysis Method for Laser Ignition System

YE Zhipeng，JIA Rui，WU Qiang，GUO Wenhao，GAO Ya，LI Huabin

（Beijing Institution of Astronautic Systems Engineering，Beijing 100076，China）

Abstract：A path analysis method of the laser ignition system was investigated. First，an optical transmission model was given for the single optical path，and an analysis method was proposed by analyzing the effect of the number of optical connectors on the insertion and reflection loss. The criteria of the optical path for different number of connectors and work of laser explosives was deduced to improve the adaption and precision of the method. The experiments of ignition? proves the correctness of the proposed method，which provides a reference for the design of onboard controlling computer software of launch vehicle.

Key words：ignition systems;solid state lasers;optical engineering;single optical path model;optical path test

激光點火系統(tǒng)內(nèi)部電能與光能的換能部件為激光二極管，取消了與藥劑直接接觸的橋絲或橋帶等換能器件，火工品與控制設(shè)備采用光纖連接，消除了外界電磁干擾（電磁脈沖、射頻、雷電、靜電等）在傳輸線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電流，從根本上解決了火工品的電磁環(huán)境安全問題，因而激光火工品內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高[1]，為激光點火裝置小型化提供了良好的前景.

激光點火系統(tǒng)根據(jù)傳輸光路數(shù)量不同可分為雙光纖光路和單光纖光路兩類.雙光纖光路檢測方案發(fā)火通路與檢測通路各用一根光纖，其檢測原理是利用激光器發(fā)出低功率熒光，通過發(fā)火光纖傳輸至起爆器，經(jīng)過光窗口反射后部分反射光再耦合進(jìn)入檢測光纖反向傳輸，到達(dá)光探測器從而判斷光路狀態(tài).雙光纖光路檢測面臨的主要問題是難以證明低功率熒光與高功率點火激光光路狀態(tài)的一致性，不利于準(zhǔn)確檢測光路狀態(tài).單光纖光路檢測方案是一種光纖耦合技術(shù)，即發(fā)火通路與檢測通路共用一根光纖.檢測時控制激光器發(fā)出低功率光并傳輸至激光起爆器光窗口，經(jīng)過反射后大部分反射光沿光纖反向傳輸，經(jīng)分束器到達(dá)光探測器，根據(jù)測量結(jié)果判斷光路狀態(tài).單光路方案解決了雙光路方案的一致性難題，且光路結(jié)構(gòu)簡單可靠，獲得了廣泛的關(guān)注.

國內(nèi)外關(guān)于激光點火技術(shù)的研究已有幾十年的歷史.在早期研究中，Bowden等[2]研究了藥劑熱點（hot spot）與點火溫度和持續(xù)時間之間的關(guān)系.隨著激光器小型化及激光二極管、低損耗光纖的出現(xiàn)，美國在20世紀(jì)八九十年代開展了大量激光火工品的工程應(yīng)用研究，并突破了多項工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù).1992年，美國軍事標(biāo)準(zhǔn)“火箭彈和導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)設(shè)計安全準(zhǔn)則”（MIL-STD-1901）中首次提出了將激光點火系統(tǒng)用于直列式點火的要求;1993年McDonnell Douglas導(dǎo)彈系統(tǒng)公司發(fā)展了用于空空導(dǎo)彈的激光點火子系統(tǒng)[3];Jacobs等[4]采用兩種不同波長的激光完成了光纜網(wǎng)完整性檢測;NASA于1995年在飛馬座空基運載火箭上進(jìn)行了激光起爆試驗，取得了成功，驗證了此類產(chǎn)品的可靠性[5];2002年，Quantic工業(yè)公司開發(fā)了用于激光點火的在線光回路檢測系統(tǒng)[6];NASA發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)《發(fā)射和空間飛行器用爆炸系統(tǒng)和裝置鑒定》[7]中已要求激光火工品應(yīng)采用系統(tǒng)嵌入式自檢.目前，激光點火相關(guān)產(chǎn)品在國外已發(fā)展為較為成熟的貨架產(chǎn)品.

我國陜西物理化學(xué)研究所早在1975年就開展了激光引爆炸藥的實驗研究，在“九·五”期間對激光點火機(jī)理進(jìn)行了初步研究，并實現(xiàn)了用于火炮發(fā)射的激光點火器.魯建存[8]介紹了激光反射率的測定原理，利用45°定向法測定了起爆藥對釹玻璃脈沖的激光反射率;劉貫虹[9]介紹了由殼體、激光雷管和光導(dǎo)索組成的激光起爆器結(jié)構(gòu)及其藥劑組成;2000年，川南機(jī)械廠利用半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)了對煙火藥和鈍感猛炸藥的起爆，邁出了激光發(fā)火技術(shù)在航天火工品應(yīng)用研究領(lǐng)域的第一步.此后，對于激光火工品的研究開始呈現(xiàn)百花齊放的趨勢.崔衛(wèi)東等[10]研究了光纖直徑對起爆閾值和點火閾值的影

響.張秋芳等[11]對固體發(fā)動機(jī)激光點火裝置進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了雙路點火并具備了實際應(yīng)用功能;韋愛勇等[12]對火工品藥劑激光敏感度進(jìn)行了研究，獲得了常用火工藥劑粒徑能量吸收比;張小兵等[13]設(shè)計了一種多點均勻點火模擬裝置，通過光學(xué)玻璃窗耦合將能量分配到各燃點實現(xiàn)同時點火;李芳等[14]對激光起爆系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了仿真研究，并對不同可靠度下所需激光器輸出能量進(jìn)行了模擬計算;賀愛鋒等[15]對階躍與漸變折射多模光纖的軸偏離影響進(jìn)行了理論分析;魏繼鋒等[16]研究了激光二極管閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的規(guī)律;王悅勇等[17]從激光器控制、激光火工品測試、激光起爆及裝藥、激光傳輸及光纜接插件等方面詳細(xì)敘述了激光點火系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù);曹軍勝[18]采用光分路方法和低功率窄脈沖測試技術(shù)研制出一種激光火工品反射率自動測試系統(tǒng)，提高了測試精度;曾雅琴等[19]設(shè)計了一種雙光纖光路自檢系統(tǒng)，建立了一種利用檢測光路損耗推導(dǎo)發(fā)火光路損耗的光能傳輸模型，提高了檢測光的接收率;祝明水等[20]針對激光點火系統(tǒng)的光路檢測問題，在激光火工品與藥劑接觸的光纖端面蒸鍍能透過點火激光而反射檢測激光的濾光膜片，通過判斷檢測激光反射電流大小判斷光路的連續(xù)性.曹軍勝[21- 22]介紹了一種基于雙光路的集成化三路多時序半導(dǎo)體激光點火系統(tǒng);梅崴等[23]對大行程1×2MEMS光開關(guān)驅(qū)動結(jié)構(gòu)及加工工藝進(jìn)行了分析，證明了MEMS光開關(guān)能夠滿足激光點火系統(tǒng)應(yīng)用需求.鄢銼等[24]測定了Al2O3陶瓷對CO2激光的折射率和吸收率.陳剛等[25]研究了CO2激光器對材料力學(xué)性能的影響.

國內(nèi)現(xiàn)有研究大多停留在原理樣機(jī)階段，缺乏從總體角度對光路進(jìn)行分析以及制定光路檢測判據(jù)的方法.本文針對單光路激光點火系統(tǒng)的光路檢測問題，從總體頂層設(shè)計角度提出了一種分析方法，對全光路進(jìn)行了系統(tǒng)分析并給出了不同光路連接器對應(yīng)的光通路判據(jù).

1? ?單光路激光點火系統(tǒng)光通路計算

1.1? ?光通路分析模型

激光點火系統(tǒng)的起爆機(jī)理是在箭載計算機(jī)控制下，通過激光器電源驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)出一定功率的光能，經(jīng)光纖傳輸使激光火工品點火藥劑產(chǎn)生熱量，達(dá)到點火或起爆所需的熱能，從而起爆火工品.

對于單光路激光點火系統(tǒng)，通過在光路中傳輸不同波長的點火和檢測激光實現(xiàn)光路復(fù)用.點火前，利用檢測激光器通過測量光路中光強(qiáng)的衰減實現(xiàn)光路的通路檢測.點火時，利用點火激光器發(fā)出高能激光，沿相同光路傳輸起爆火工品.本文對單光路檢測激光傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了建模，火工品起爆前后光傳輸模型如圖1和圖2所示.圖中：P為發(fā)射光的光強(qiáng);γ為激光器輸出光強(qiáng);α為單個光纖連接器的衰減損耗;β為單個光纖連接器的回波損耗;n為連接器的個數(shù);？準(zhǔn)為反射膜的反射率，規(guī)定從激光器到火工品反射膜的傳播方向為正向.

無反射膜（未掛接激光火工品）時光路的反射光功率如式（1）所示.

P=γβ（α0+α2+…+α2（n-1） ）=γβα2i? ?（1）

有反射膜（掛接激光火工品）時光路的反射光功率按式（2）計算.

P = γβ（α0+α2+…+α2（n-1） ）+γ？準(zhǔn)α2n

= γβα2i + γ？準(zhǔn)α2n（2）

由此可根據(jù)檢測到的反射光功率計算光路衰減，制定光通路判據(jù)，從而判斷光路的通斷狀態(tài).

1.2? ? 光通路分析

本文從總體設(shè)計角度出發(fā)，依據(jù)激光點火系統(tǒng)輸入指標(biāo)，從上游激光點火控制模塊到下游激光火工品的全系統(tǒng)層級對單光路激光點火系統(tǒng)光通路進(jìn)行系統(tǒng)分析，包括全光路衰減、干擾光功率分析和光通路檢測判據(jù)分析.

本文提出的光通路分析方法如圖3所示.首先分析了激光點火系統(tǒng)光纖連接器個數(shù)對全光路光強(qiáng)衰減的影響，得到了不同光路連接器數(shù)對應(yīng)的光路衰減值;接下來聚焦激光點火控制模塊，對其內(nèi)外光路進(jìn)行綜合分析，得到光路連接器產(chǎn)生的回波反射引起的干擾光功率;最后綜合上述分析結(jié)果，給出不同光路連接器對應(yīng)的激光點火系統(tǒng)通路檢測判據(jù).

激光點火系統(tǒng)設(shè)計輸入指標(biāo)如表1所示，其中區(qū)分度為光路中掛接與不掛接激光火工品對應(yīng)的光路衰減的差值，該值越大，兩種情況的差異越明顯，有利于判斷激光火工品是否正常起爆.點火與檢測激光器均采用成熟貨架產(chǎn)品，生產(chǎn)單位包括武漢光迅、中電44所等，廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)產(chǎn)品.激光火工品鍍膜采用蒸鍍方式，相關(guān)參數(shù)要求可參見文獻(xiàn)[20]? .

從頂層設(shè)計中指標(biāo)閉合的角度考慮，需考察最不利條件下光路的衰減，即選取激光點火控制模塊輸出功率最小、激光火工品輸入光功率最小、火工品鍍膜反射率最小、光纖連接器插入和回波損耗最大的情況進(jìn)行分析.

1.2.1? ?全光路分析

對于單光路光纖，點火與檢測激光共用同一條光路，因此可通過點火激光的指標(biāo)估計全光路衰減.根據(jù)式（1）和式（2）分別針對光路有無火工品反射膜（是否掛接火工品）進(jìn)行了仿真計算，取單個光纖連接器的衰減損耗α = 0.6 dB，回波損耗β = 20 dB，反射膜的反射率？準(zhǔn) = 95%，輸出點火激光功率為2.4 W，計算結(jié)果如表2和表3所示，相同連接器對應(yīng)的掛接和不掛接火工品時光路的衰減差值越大，火工品點火起爆前后可區(qū)分性越好.

1.2.2? ?干擾光分析

光路干擾光分析的目的在于獲取光路連接器回波反射產(chǎn)生的干擾光強(qiáng)，從而更加準(zhǔn)確地計算出反射光強(qiáng)，提高通路判據(jù)的準(zhǔn)確性.干擾光傳輸光路如圖4所示.外光路光纜網(wǎng)包含的光纖連接器個數(shù)為n-1，n為外光路包含的光纖連接器總數(shù).

激光經(jīng)過第1個、第2個直至第n個光路連接器由回波反射所產(chǎn)生的光功率按式（3）計算.

P回=P0（β+α2β+α4β+…+α2nβ）? （3）

根據(jù)輸入指標(biāo)，不同光纖連接器個數(shù)對應(yīng)的回波損耗誤差如表4所示.從表中數(shù)據(jù)可以看出，光路中連接器個數(shù)越多，回波損耗產(chǎn)生的干擾光占比

越大.

以光纖連接器個數(shù)n = 6（包含火工品連接器）為例進(jìn)行分析.忽略點火控制模塊內(nèi)部的損耗，回波反射產(chǎn)生的干擾光的功率為：

P回 = P0（β+α2β+α4β+…+α2nβ） = P0 β

= 2.4×0.01×= 0.08 W

由光纖耦合器反向分光損耗為10 dB（換算成光通過率為0.1），可得出到達(dá)光功率計的光功率：

0.08 × 0.871 × 0.1 ≈ 0.007 W

檢測光經(jīng)火工品反射膜反射到達(dá)控制模塊的功率：

P測=P0α2n ×0.95=2.4×0.87112×0.95=0.435 W

經(jīng)過反向分光衰減，到達(dá)光功率計的功率為 0.435×0.871×0.1≈0.038 W.因此實測值中，干擾光占比為×100%=15.62%.

回波損耗造成的誤差為：

出于系統(tǒng)留取余量的考慮，向上取為0.74 dB.

1.2.3? ?光通路檢測判據(jù)分析

1.2.3.1? ?光通路檢測判據(jù)上限分析

以滿足指標(biāo)約束為前提，取各指標(biāo)臨界值進(jìn)行分析.令到達(dá)點火頭反射面的激光功率為1.0 W.由激光器輸出點火功率為2.4 W，可以計算得到到達(dá)點火端面的鏈路最大衰減為-10×log10=3.80 dB;火工品反射膜處光的衰減值可通過火工品反射膜的反射率計算.當(dāng)反射率為95%時，反射膜處光的衰減為-10×log10 0.95 = 0.22 dB;測試光通過激光火工品光連接器時的最大損耗0.6 dB，因此測試光經(jīng)歷來回兩次行程和激光火工品光纖連接器的總衰減率為3.8×2+0.22+0.6×2=9.02 dB.排除干擾光及光電探測器實際測量誤差（±0.5 dB）的影響，不同連接器個數(shù)對應(yīng)的光路總衰減值上限值如表5和表6所示.出于判據(jù)加嚴(yán)的原則，取表5的計算結(jié)果作為判據(jù)上限.

以6個連接器為例，總衰減率應(yīng)不大于（9.02-0.74-0.5） dB=7.78 dB.從頂層設(shè)計角度考慮需留取一定余量，因此對結(jié)果向下取整從而得到通路判據(jù)上限為7 dB.

1.2.3.2? ?光通路檢測判據(jù)下限分析

與判據(jù)上限可根據(jù)理論分析確定不同，通路檢測衰減率下限除受光路連接器個數(shù)、插接損耗和回波損耗的影響外，還與鍍膜反射率、光纖連接器最大耐受光強(qiáng)和火工品最大耐受光強(qiáng)有關(guān).同時，與上限分析具有明確的指標(biāo)約束作為輸入不同，檢測激光器輸出的光功率1 mW小于光纜網(wǎng)最大耐受光強(qiáng)和火工品最大耐受功率，導(dǎo)致分析時沒有有效的光功率下限數(shù)據(jù)作為輸入，給計算帶來困難.

為解決這一問題，針對單光纖光路激光點火系統(tǒng)的特點，在進(jìn)行通路檢測判據(jù)下限分析時，借用火工品掛接狀態(tài)點火激光的功率數(shù)據(jù)，同時忽略全光路最大耐受光強(qiáng)，分析結(jié)果如表7所示.

當(dāng)光路中連接器數(shù)為9個及以上時，光通路判據(jù)上限小于下限導(dǎo)致無實際應(yīng)用意義.因此光路中連接器個數(shù)應(yīng)控制在8個以內(nèi)，表7給出了相應(yīng)光通路檢測判據(jù).對光路進(jìn)行檢測時，若測得的光路衰減值超出了判據(jù)范圍，則認(rèn)為光路出現(xiàn)異常，應(yīng)進(jìn)行排查.

1.2.3.3? ?火工品正常起爆判據(jù)

火工品起爆后反射鍍膜被破壞，光路為無反射膜狀態(tài).因此若測得的光路衰減值同時大于通路判據(jù)和區(qū)分度，即可認(rèn)為火工品正常起爆.例如，光路中包含4個連接器時，若光路衰減大于8 dB，則可認(rèn)為激光火工品正常起爆.

2? ?試驗結(jié)果

發(fā)火試驗前后，分別利用光強(qiáng)計對7路激光火工品檢測光通路衰減值，以驗證上述分析方法所得判據(jù)的正確性.根據(jù)實際安裝需要，光纖連接器數(shù)目為5.試驗結(jié)果如表8、表9所示.從表中數(shù)據(jù)可以看出，全部實測值均滿足指標(biāo)分析推導(dǎo)出的判據(jù)要求，證明了分析模型的合理性和判據(jù)的有效性.

3? ?結(jié)? ?論

本文提出了一種基于單光路激光點火系統(tǒng)的光通路分析方法，從頂層設(shè)計的角度對影響光路判據(jù)的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了不同光路連接器數(shù)目對應(yīng)的光通路判據(jù)和激光火工品正常工作判據(jù).試驗結(jié)果表明，本文給出的單光路激光點火系統(tǒng)指標(biāo)分析方法是有效的.

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