光電探測激光測距機故障分析

王鵬 趙昊東 尚浩 岳寧博

摘要：針對某型飛機光電探測設備激光測距機輻射能量不滿足要求的故障進行分析研究，查找故障原因，對由激光濺射引起的激光輻射器激光棒端面污染導致激光能量下降問題進行了排除，提出了改進措施建議，對提高光電探測設備工作的可靠性有重要意義。

關鍵詞：光電探測設備；激光濺射；端面污染

Keywords：photoelectric detection equipment；laser sputtering；end pollution

1 故障現象

光電探測設備利用目標飛行中的蒙皮加熱和尾噴口發熱等紅外輻射特性進行目標紅外輻射探測，確定目標方位、俯仰角度信息，并在截獲跟蹤后發射激光脈沖命中目標，接收激光回波進行目標距離測算，從而完成目標的定位。

某型飛機地面檢查光電探測設備激光能量時，發現激光能量較低，不滿足指標要求，且激光光斑不實。更換激光測距機電源部件后，進一步檢查發現故障現象依舊。用強光照射測距機發射接收部件，發現部件光學元件表面完好、潔凈、無損傷。更換激光測距機后檢查，滿足指標要求，隨后將光電探測設備返廠進行檢查。

2 測距機工作機理

激光測距機由電源部件、輻射器部件以及發射接收部件組成。電源部件給輻射器部件提供需要的驅動電流，使輻射器部件發出激光束，激光束經發射接收部件擴束后輸出，為測距機進行目標測距時提供能量載體。

輻射器部件是測距機的激光形成單元，為測距機提供合格的激光光源。電源部件通過連接器向輻射器部件提供驅動電流，驅動陣列部件產生泵浦光，使振蕩級和放大級激光工作物質上能級粒子數反轉，進而發出自發輻射光。振蕩級中的自發輻射光在半反鏡和全反鏡之間形成振蕩，通過開關的控制作用產生種子脈沖激光輸出，經過角錐鏡傳輸到放大級激光工作物質內，經過放大后形成高峰值功率激光輸出至外界。

3 故障原因分析

若電源部件為輻射器部件供電的功能發生故障，將使輻射器部件因無注入功率或功率不足而喪失輸出激光功能或能量下降，進而導致激光測距機無激光能量輸出或能量下降；若發射接收部件中的發射光學鏡組發生不透光的故障，將導致激光分系統激光能量輸出降低；若輻射器部件故障，輸出激光能量下降，將導致激光測距機激光能量下降。

經串換件和光學元件強光檢查后，上述故障初步定位為輻射器故障。

根據輻射器的工作原理，輻射器輸出能量低的主要原因如下。

1）光學元件損傷

光學元件（包括全反鏡、半反鏡、角錐鏡等）的損傷將導致輻射器部件由于有效通光面積變小而部分喪失或全部喪失輸出激光能量的功能。

2）光路失調

光路失調即光學部件發生應力偏轉、緊固松動故障，將導致輻射器部件由于無法有效形成激光振蕩或放大而部分喪失或全部喪失輸出激光能量的功能。

3）光學元件污染

光學元件表面發生污染故障，將導致輻射器部件由于有效通光面積變小而部分喪失輸出激光能量的功能。

根據以上的可能原因建立故障樹，如圖1所示。

3.1 光學元件損傷

拆開激光輻射器部件的大蓋板，使用強光手電檢查諧振腔光學鏡組中各光學元件表面，均未發現表面損傷、晶體碎裂或脫落等異常現象。因此，排除諧振腔光學元件損傷的可能。

3.2 光路失調

拆開輻射器蓋板，檢查光學元件緊固性，無光學部件松動。通過工藝調試孔微調全反鏡后，激光輻射器能量變低，因此排除了這一可能。

3.3光學元件污染

輻射器內通光光學元件若發生表面污染，勢必影響激光的傳輸，從而最終影響輸出能量。光學元件污染的途徑之一是環境污染，即在輻射器裝配調試過程中空氣中漂浮的粉塵附著在光學元件表面。

拆開輻射器蓋板，用手電筒照射檢查光學元件表面，發現除放大級激光棒端面膜層有輕微污染物外，其他光學元件表面無污染，排除了環境污染的可能。擦拭放大級激光棒端面，測試激光能量，滿足指標要求，由此確定是激光棒端面污染造成激光測距機能量下降。

放大級激光棒端面有污染物，而其他光學元件無污染，原因應為激光打擊到激光棒周圍結構件時造成的粉塵濺射污染。

4 故障機理分析

針對激光棒端面污染問題，分析激光器工作機理。振蕩級諧振腔由全反鏡、大角錐、激光棒、半反鏡、小角錐等形成光學諧振腔，激光振蕩產生激光輸出，經小角錐折轉后進入激光放大級形成光放大。小角錐部件在光路中起到光路折轉和振蕩級、放大級光軸對接作用。由于小角錐裝配時未達到最佳位置，諧振腔激光振蕩級光軸與放大級光軸的同軸度存在微小失調。存在光路失調問題就會使振蕩級和放大級光軸不匹配，振蕩級激光光束就不能完全通過放大級激光棒，部分邊緣光會打在激光棒周圍的結構件表面上，形成激光濺射。

在激光擊打下，激光棒周圍的結構件表面飛濺出粉末，部分粉末附著在激光棒表面，長時間積累后，附著物形成污染，導致激光能量下降。

5 故障排除

通過采取光學元件表面清潔手段，在大電流注入功率條件下，通過工藝調試孔微調小角錐部件，使問題產品在第一時間得到了修復，激光能量恢復到滿足要求。

機上繼續開展激光測距試飛驗證，激光測距機工作正常。

6 結束語

通過對某型機光電探測設備激光測距機輻射能量不滿足要求的故障進行分析研究，確定故障原因為光路微小失調引起的激光濺射使擊打到結構件表面而飛濺出的粉末附著在激光棒表面形成污染，導致激光能量下降。

通過對上述故障的分析，建議在后續產品中提高光電探測設備激光測距機內部各光學元件及各部件裝配的精確性和準確度，進而提高光電探測設備的可靠性。

作者簡介

王鵬，工程師，主要從事軍機航空電子系統保障技術研究。

趙昊東，助理工程師，主要從事軍機航空電子系統保障技術研究。

尚浩，助理工程師，主要從事軍機航空電子系統保障技術研究。

岳寧博，助理工程師，主要從事軍機航空電子系統保障技術研究。