激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)自診斷檢測技術(shù)研究

王殿湘，尹國福，賀愛鋒，陳建華，李黎明

（1.海軍駐西安彈藥專業(yè)軍事代表室，陜西 西安，710043；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

隨著激光點(diǎn)火技術(shù)的不斷發(fā)展，以及武器、航空、航天等領(lǐng)域的需求，激光單點(diǎn)點(diǎn)火已不能滿足需要，在開展激光多點(diǎn)點(diǎn)火技術(shù)研究的同時(shí)，國內(nèi)外為了提高激光點(diǎn)火系統(tǒng)可靠性，在系統(tǒng)自檢方面也展開了相應(yīng)的研究。1993年Jacobs、Richard采用兩種不同波長的激光即完成了傳輸網(wǎng)絡(luò)的光路完整性檢測[1]；1998年美國Wood,Lance A等人提出了一種基于PBIT(Photoluminescence built-in-test)的方案[2]；2005年美國國家航天航空局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)AIAA-S-113-2005《發(fā)射和空間飛行器用爆炸系統(tǒng)和裝置鑒定》中要求激光火工品應(yīng)采用系統(tǒng)嵌入式自檢，而且檢測激光脈沖與起爆激光脈沖的波長應(yīng)有所不同[3]。1998年Mark F.Folsom的美國專利USP 5914458[4]和2002年太平洋科技Quantic公司開發(fā)的光通路連續(xù)性檢測裝置系統(tǒng)[5]采用了雙光纖（包括發(fā)火光纖和探測光纖）單波長的檢測方法。

目前，陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所已開展了激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)研究以及系統(tǒng)檢測的探索性研究[6-7]，航天692廠聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)光纖研究中心采用光纖傳像原理設(shè)計(jì)了內(nèi)窺式光纖成像激光點(diǎn)火檢測系統(tǒng)[8]，其不足之處在于未實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)光路完整性的定量檢測，而且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大。

本文針對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)可能因光纖折斷、端面污染、光開關(guān)損壞等而出現(xiàn)發(fā)火光路的不完整，致使系統(tǒng)可靠性降低的問題，建立了具有自診斷檢測功能的激光點(diǎn)火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的同步定量檢測，對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)在武器系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要意義。

1 激光多點(diǎn)點(diǎn)火檢測系統(tǒng)

激光多路點(diǎn)火系統(tǒng)主要由控制器、雙波長半導(dǎo)體激光器模塊、分束器、光纖連接器、雙光纖、激光點(diǎn)火器以及多路檢測系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。雙光纖作用原理如圖2所示。

圖1 具有自檢功能的激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)Fig.1 Laser multi-point initiation system with built-in test

圖2 雙光纖光學(xué)器件作用原理圖Fig.2 Principle of dual fiber optical device

2 雙光纖雙波長工作模式檢測實(shí)驗(yàn)

本文以雙波長工作模式實(shí)現(xiàn)激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的同步檢測，實(shí)驗(yàn)采用980nm大功率的激光作為激光火工品的發(fā)火光源，采用1 310nm小功率的激光作為激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的檢測光源，其輸出功率必須小于激光點(diǎn)火器最大不發(fā)火功率的1/100[3]。實(shí)驗(yàn)采用B/KNO3自聚焦激光點(diǎn)火器，其最大不發(fā)火功率為40mW，因此，1 310nm檢測激光的輸出功率最大不超過400μW，否則會(huì)在系統(tǒng)檢測階段出現(xiàn)意外發(fā)火。自聚焦激光點(diǎn)火器的耦合窗口（自聚焦透鏡）處鍍有對(duì)980nm大功率發(fā)火激光全透射，對(duì)1 310nm小功率檢測激光全反射的分色濾光膜，其透過率如圖3所示。

在進(jìn)行自診斷檢測時(shí)，測試出雙光纖中發(fā)火光纖端輸入至每個(gè)自聚焦激光點(diǎn)火器耦合窗口處的光功率Pout1以及每個(gè)自聚焦激光點(diǎn)火器耦合窗口反射到雙光纖中反饋光纖的光功率Pout2，由于實(shí)驗(yàn)采用的分束器為均勻分束器，且傳輸光纖的損耗很低，可忽略不計(jì)，因此輸入至每個(gè)自聚焦激點(diǎn)火器的光功率Pout1相等，實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)如圖4所示，結(jié)果見表1。

表1 雙光纖雙波長工作模式檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Dual-fiber dual-wavelength model test data

圖3 分色濾光膜透過率曲線Fig.3 Transmission rate curve of color filter film

圖4 雙光纖雙波長檢測激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)Fig.4 Laser multi-point initiation system with dual-fiber dual-wavelength test

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：（1）在半導(dǎo)體激光器與雙光纖之間連接一條低效率（25.20%）傳輸光纜時(shí)，多路檢測系統(tǒng)從雙光纖反饋端所接收1 310nm激光功率為0.346nW，接收率為0.000 45%；（2）當(dāng)半導(dǎo)體激光器與雙光纖之間任意一條光纜的彎曲直徑φ≤5mm，多路檢測系統(tǒng)從雙光纖反饋端所接受的光功率隨光纜彎曲半徑以及彎曲圈數(shù)的增加而減小。在彎曲狀態(tài)下，多路檢測系統(tǒng)對(duì)1 310nm檢測激光的最大接收效率為0.001%；（3）在半導(dǎo)體激光器與雙光纖之間連接一條纖芯折斷的光纜時(shí)，多路檢測系統(tǒng)從雙光纖反饋端所接受的光功率為0。

3 實(shí)驗(yàn)分析與討論

雙光纖結(jié)構(gòu)的激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中，在保證激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)光路完整（無光纖折斷、端面污染、傳輸效率低等現(xiàn)象）的情況下，可以從實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中得出：（1）由表1可知，在激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)雙光纖雙波長工作模式的檢測中，當(dāng)雙光纖的輸出為76.45μW時(shí)，多路檢測系統(tǒng)對(duì)1 310nm小功率檢測激光的最大接收率為0.005 6%，最小接收率為0.001 7%。所以，在一個(gè)確定的雙光纖結(jié)構(gòu)的激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中，當(dāng)1 310nm檢測激光的功率小于激光起爆器最大不發(fā)火功率的1/100時(shí)，如果多路檢測系統(tǒng)接收到檢測激光的效率在0.001 7%～0.005 6%范圍內(nèi)，則可以確定激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的光路完整；如果多路檢測系統(tǒng)接收到檢測激光的效率小于0.001 7%，則可以確定激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的光路出現(xiàn)故障；（2）由表1可知，在一個(gè)確定的雙光纖結(jié)構(gòu)的激光多路多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中，當(dāng)1 310nm小功率檢測激光的功率小于激光起爆器最大不發(fā)火功率的1/100時(shí)，如果多路檢測系統(tǒng)對(duì)1 310nm檢測激光的接收率超過0.005 6%，則可以確定激光起爆器耦合窗口自聚焦透鏡出現(xiàn)損壞。因?yàn)橥哥R損壞會(huì)出現(xiàn)無規(guī)則的反射面，使反射到雙光纖中反射率增大，因此接收率提高；（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（1）、（2）可知，在一個(gè)確定的雙光纖結(jié)構(gòu)的激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中，如果多路檢測系統(tǒng)接收檢測激光的效率遠(yuǎn)小于光路完整時(shí)的接收效率，則說明激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中某一光纜傳輸降低，可能出現(xiàn)了端面污染、光纜嚴(yán)重彎曲、光纜本身傳輸效率低，或者出現(xiàn)了光纜與連接器非正常耦合等問題；（4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（3）可知，如果多路檢測系統(tǒng)接收檢測激光的功率為0，則激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中某一光纜出現(xiàn)折斷。

4 結(jié)論

為提高激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性，本文采用雙光纖雙波長工作模式實(shí)現(xiàn)了激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的同步檢測。研究表明，若多路檢測系統(tǒng)接收到檢測激光的效率在0.001 7%～0.005 6%范圍內(nèi)，則可以確定系統(tǒng)的光路完整；接收效率小于0.001 7%，則可以確定系統(tǒng)光路出現(xiàn)故障；接收率超過0.005 6%，則說明激光火工品耦合窗口自聚焦透鏡出現(xiàn)損壞。

[1]Jacobs,Richard.Laser initiated ordance system optical fiber continuity test:US,52 70537[P].1993-12-14.

[2]Wood,Lance A,Caldwell Paul J.Photoluminescence builtin-test for optically initiated systems:US,5572016[P].1996-11-5.

[3]Alexander Bell Drive,Reston.Criteria for explosive systems and devices used on launch and space vehicles [R].AIAA 2005-S-113,2005.

[4]Mark F Folsom,Jerry D Callaghan.Dual fiber laser initiator and optical telescope:US,5914458[P].1999-6-22.

[5]Wm David.Fahey,Joseph.E Carvalho.Optical Built-in-Test(BIT) for Laser (Diode) Initiation Systems[R].AIAA 2002-3797,2002.

[6]尹國福,魯建存,劉彥義,等.激光火工品系統(tǒng)自動(dòng)檢測技術(shù)研究[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào),2010,24(4):344-350.

[7]尹國福,魯建存,劉彥義,等.激光起爆系統(tǒng)光路完整性檢測技術(shù)研究[J].激光技術(shù),2011,35(4):554-558.

[8]唐璜,馮陽,趙冬,等.激光點(diǎn)火檢測系統(tǒng)研究[J].激光雜志,2010,31(2):46-47.