基于雙光纖檢測技術(shù)的激光點火控制系統(tǒng)設(shè)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(shù)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(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題[2]，因此在武器的點火系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。一套最簡的激光點火系統(tǒng)包含電源、激光器、傳能光纖和火工品。在實際的工程應(yīng)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(tài)容易發(fā)生變化從而導致系統(tǒng)功能異常。為了保證激光點火系統(tǒng)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(tǒng)的光學通路進行在線檢測。因此，需要在最簡點火系統(tǒng)中，額外引入光能反饋裝置和光能探測裝置，構(gòu)成一套可以自診斷的激光點火系統(tǒng)。目前，激光點火系統(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)，即雙光纖檢測技術(shù)，對激光點火控制系統(tǒng)進行設(shè)計分析，從而給出點火控制系統(tǒng)中激光器輸出功率及檢測合格判據(jù)的設(shè)計方法及相關(guān)影響因素。

1 雙光纖檢測技術(shù)

基于雙光纖檢測技術(shù)的激光點火系統(tǒng)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(jīng)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(jù)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(jīng)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。可見，引入雙光纖檢測技術(shù)，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(tǒng)工作的可靠性。

圖1 基于雙光纖檢測技術(shù)的激光點火系統(tǒng)示意圖

2 最簡點火系統(tǒng)激光器輸出功率需求分析

βtrans=10(-αloss/10)

(1)

(2)

3 雙光纖檢測的合格判據(jù)分析

(3)

4 雙光纖檢測點火系統(tǒng)的激光器輸出功率需求分析

如圖1所示，檢測環(huán)節(jié)的引入造成測試結(jié)果的不確定性，需要在點火系統(tǒng)設(shè)計時加以考慮。假設(shè)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：

(4)

(5)

目前，墾區(qū)已建成全國最大的綠色食品產(chǎn)業(yè)集群，北大荒品牌已成為中國農(nóng)業(yè)第一品牌。2010年墾區(qū)有效綠色食品標志產(chǎn)品數(shù)量已達到257個，全國綠色食品標準化原料生產(chǎn)基地60個。同時，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、完達山乳業(yè)、北大荒肉業(yè)和北大荒薯業(yè)等10大重點龍頭企業(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)與消費的安全。墾區(qū)通過現(xiàn)有的綠色產(chǎn)業(yè)體系可以在產(chǎn)業(yè)鏈下游對農(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)動機制，從而促進墾區(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(tǒng)中，需考慮2方面環(huán)節(jié)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(tǒng)設(shè)計中，需要全面考慮的各因素對激光輸出功率設(shè)計的影響。

5.1 點火環(huán)節(jié)影響因素

1)點火光路中引入的光纖傳輸損耗。在點火系統(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，同時激光波長的選擇也與傳統(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?shù)膿p耗影響較高[6]，在實際的工程應(yīng)用中，需要對其彎曲損耗進行測試以統(tǒng)計出可接受的光纖彎曲半徑，在光纖鋪設(shè)時應(yīng)嚴格控制轉(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(huán)節(jié)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(shè)計的重要考核指標[7]，同時需要考慮溫度環(huán)境和力學環(huán)境對插損的影響。

3)環(huán)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(huán)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(yīng)的指標在系統(tǒng)設(shè)計時需要進行考慮，應(yīng)設(shè)計各影響因素下的最低可接受輸出功率。在激光器設(shè)計時，需要對激光器進行環(huán)境測試和壽命測試，統(tǒng)計其影響程度。

5.2 檢測環(huán)節(jié)影響因素

在考慮檢測環(huán)節(jié)時，對激光器輸出功率的影響不是該環(huán)節(jié)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(yīng)用中進行測試，設(shè)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(shè)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(guān)鍵因素，由于反射率較小，對其一致性的控制難度較高，在設(shè)計時需給予關(guān)注。

4)激光器輸出的檢測熒光功率不一致性。在相同驅(qū)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(huán)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(jù)目前的研究結(jié)果，檢測熒光輸出功率的穩(wěn)定性較差，考慮各種影響因素后，其輸出功率差異約30%，對激光器輸出功率的需求提高了1/3，是影響較高的一個環(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措施來進行補償。

5)熒光驅(qū)動電流不一致性。熒光驅(qū)動電流誤差會進一步導致熒光功率輸出的不穩(wěn)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(yīng)不一致性及光電轉(zhuǎn)換后的電壓測試誤差。這2個環(huán)節(jié)都會造成熒光檢測功率的測試誤差，在設(shè)計時需要考慮。

除上述兩大環(huán)節(jié)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(tǒng)比較復雜，參與研制的單位較多，使用的功率測試設(shè)備需要進行嚴格的計量，在系統(tǒng)設(shè)計時需要增強意識，對各相關(guān)研制單位進行規(guī)范。

6 結(jié)論

針對基于雙光纖檢測技術(shù)的激光點火控制系統(tǒng)進行了設(shè)計分析，給出了激光輸出功率需求和檢測合格判據(jù)的設(shè)計方法，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(shè)計中進一步深入研究。另外，各種環(huán)境因素對點火系統(tǒng)中的激光器、探測器、光纖連接器等各環(huán)節(jié)的實際應(yīng)用均造成了不同程度影響，由于我國光學系統(tǒng)在武器工程研制中應(yīng)用經(jīng)驗的欠缺，對其進行各種環(huán)境考核的試驗方法和測試手段尚不完備，需要加強對其應(yīng)用基礎(chǔ)的投入和研究。

參 考 文 獻

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