恒壓驅(qū)動(dòng)對激光陣列起爆系統(tǒng)性能的影響

任 鵬，張 蕊，賀愛鋒，王浩宇，徐奉一

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

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恒壓驅(qū)動(dòng)對激光陣列起爆系統(tǒng)性能的影響

任 鵬，張 蕊，賀愛鋒，王浩宇，徐奉一

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

摘 要：為解決傳統(tǒng)的多路激光起爆系統(tǒng)體積大、光能量損失的問題，設(shè)計(jì)了一種基于恒壓驅(qū)動(dòng)模式的激光陣列起爆電路。通過激光陣列同步實(shí)驗(yàn)、起爆性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了恒壓驅(qū)動(dòng)模式對整個(gè)起爆系統(tǒng)的影響，并對恒壓驅(qū)動(dòng)提出了改進(jìn)措施。結(jié)果表明恒壓驅(qū)動(dòng)模式能夠?qū)崿F(xiàn)多路選擇、時(shí)序邏輯起爆，采用均流法可減小多路激光同步輸出的差異性。

關(guān)鍵詞：激光陣列；起爆系統(tǒng)；恒壓；均流

傳統(tǒng)的多路激光起爆系統(tǒng)主要由激光器、控制器、光纖分束器、光開關(guān)等器件組成[1-2]。由于存在外部光器件和光分束現(xiàn)象，使得整個(gè)起爆系統(tǒng)的體積大，存在光能量損失大等缺點(diǎn)，因此，這種起爆系統(tǒng)的應(yīng)用有一定的局限性。

本文基于國內(nèi)外多路激光起爆技術(shù)的分析[3-5]和大功率激光二極管電源技術(shù)的研究[6]，設(shè)計(jì)了基于恒壓驅(qū)動(dòng)模式的激光陣列起爆系統(tǒng)。在激光二極管陣列兩端電壓保持恒定的情況下，采用單片機(jī)控制激光二極管陣列輸出激光能量，這種恒壓驅(qū)動(dòng)模式省去了光纖分束器，不需要光開關(guān)選擇控制，大大減小了激光二極管的總功率和激光傳輸能量損失，縮小了起爆系統(tǒng)的體積 。

1　基于恒壓源的激光陣列起爆系統(tǒng)

圖1為基于恒壓源的激光陣列起爆系統(tǒng)框圖。整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊、邏輯控制模塊、恒壓驅(qū)動(dòng)模塊、激光陣列模塊、光纖、火工品6個(gè)主要模塊構(gòu)成。電源模塊為激光起爆系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流。

圖1　恒壓驅(qū)動(dòng)激光陣列起爆系統(tǒng)Fig.1 Structure diagram of constant-voltage laser array initiation system

起爆系統(tǒng)采用LDO降壓電源為邏輯控制模塊提供3.3V的工作電壓，DC-DC降壓電源為恒壓驅(qū)動(dòng)模塊和激光二極管陣列提供5V的工作電壓，使單片機(jī)系統(tǒng)控制恒壓驅(qū)動(dòng)電路按照程序指令工作，激光二極管陣列在接受到邏輯控制指令后，發(fā)出波長為980 nm、工作脈寬為10ms的激光脈沖，通過光纖傳輸，作用于火工品。

2　實(shí)驗(yàn)

2.1恒壓驅(qū)動(dòng)激光陣列模式驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

恒壓驅(qū)動(dòng)陣列主要由控制系統(tǒng)、恒壓源系統(tǒng)、光電耦合器、MOS管主要部分構(gòu)成。通過恒壓源給激光二極管的兩端提供恒定的電壓，由控制系統(tǒng)的程序指令控制光電耦合器、MOS管給出一定的邏輯順序，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制模塊的恒電壓驅(qū)動(dòng)。圖2是恒壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原理圖。

圖2　恒壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of constant-voltage circuit

2.2實(shí)驗(yàn)儀器

2.2.1實(shí)驗(yàn)儀器

（1）INSTEK的PSP2010直流電源，用來為恒壓驅(qū)動(dòng)電路提供穩(wěn)定的電能。電壓范圍：0～20V，輸出電流范圍：0～10A。（2）NEWPORT公司的OPHIR激光能量計(jì)，用來測量激光能量輸出大小。波長范圍：0～2.5μ m；測量范圍：1×10-6～10J。（3）TEK公司的DPO4102B示波器，用來記錄激光能量和起爆波形。采樣率為5Gs/s，帶寬為1GHz。（4）光電轉(zhuǎn)換器，使用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備將采集到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，對激光和起爆信號進(jìn)行詳細(xì)記錄。

2.2.2實(shí)驗(yàn)藥劑

激光起爆器選用摻C的BNCP作為始發(fā)藥劑、造粒的BNCP作為輸出藥裝配而成，換能窗口鍍制了980nm波長的增透膜，用于提高激光能量的利用率。

2.2.3實(shí)驗(yàn)方法

半導(dǎo)體激光起爆機(jī)理是激光直接作用在火工品上發(fā)生熱效應(yīng)起爆的，所以激光能量的大小將主要決定起爆時(shí)間長短。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2路、3路起爆實(shí)驗(yàn)，4路同步出光程控實(shí)驗(yàn)及均流實(shí)驗(yàn)。

2路起爆實(shí)驗(yàn)采用第1、2路同步，間隔50ms，第3、4路同步，第1、3路作觸發(fā)，2、4路起爆；3路起爆實(shí)驗(yàn)采用第1路輸出激光，間隔50ms，2、3、4路同步輸出，第3路觸發(fā)，第2、4路起爆；4路同步試驗(yàn)及均流試驗(yàn)為對1、2、3、4進(jìn)行同步輸出激光，并對恒壓模式的激光陣列出光不均勻現(xiàn)象進(jìn)行均流改進(jìn)。

根據(jù)示波器激光輸出波形的邏輯性，分析恒壓驅(qū)動(dòng)模式激光陣列起爆系統(tǒng)的程控性能；通過起爆波形的時(shí)間長短和電壓大小，分析恒壓驅(qū)動(dòng)對激光陣列起爆性能的影響。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3是2路同步實(shí)驗(yàn)波形，1、2、3、4路激光起爆脈寬均為10ms。

圖3　2路同步激光波形圖Fig.3 Oscillogram of two channels synchronous laser

其中1、2路同步，3、4路同步，1、2路與3、4路為50ms間隔的邏輯控制。1、3路為觸發(fā)，2、4路為起爆波形。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本次實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)間隔為50ms的時(shí)序程控功能。2、4路輸出激光能量大小分別為32.0mJ，32.3mJ，其中第2路起爆器作用時(shí)間的測量結(jié)果為31.40μs，第4路起爆器作用時(shí)間為20.2μs，兩者相差11.2μs。因?yàn)閮陕菲鸨哪芰肯嗖钪挥?.3 mJ，能量基本一致，因此可以確定作用時(shí)間差異為起爆器本身造成的差異。圖4為3路同步實(shí)驗(yàn)波形，第1路先觸發(fā)，延時(shí)50ms，2、3、4路同步輸出激光能量，其中，第3路用來同步觸發(fā)，第2、4路終端接起爆器。通過分析，本次實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)間隔為50ms的時(shí)序、同步程控功能。第2、3、4路同步激光輸出能量分別為： 23.2 mJ，29.2 mJ，23.6 mJ，第2路火工品作用時(shí)間為22.4μs，第4路火工品作用時(shí)間為32.2μs，邏輯性和同步性較好。

圖4　3路激光同步試驗(yàn)Fig.4 Oscillogram of three channels synchronous laser

以上實(shí)驗(yàn)分析表明，恒壓驅(qū)動(dòng)激光陣列起爆系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同步、選擇、時(shí)序邏輯控制和起爆，但是從作用時(shí)間分析可以得出：恒壓驅(qū)動(dòng)模式下，同步作用時(shí)，每一路的激光能量輸出不均勻，輸出能量的最大不均勻度η為32.5％，這樣會導(dǎo)致火工品作用時(shí)間長短不一，同步起爆效果不佳。

4　恒壓模式改進(jìn)方法

由于起爆電路中的各個(gè)電子元器件存在誤差（5％～20％），激光二極管在工藝制造時(shí)內(nèi)阻也不可能完全相等，再者二極管本身的特性使得激光二極管容易受到溫度的影響，阻抗會隨著溫度的變化而漂移[7]，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光二極管在輸出光時(shí)也會存在能量不等的現(xiàn)象，這些缺陷對于激光火工品系統(tǒng)來說是致命的。因此，通過測量同步輸出激光時(shí)每一通道的能量值推導(dǎo)出對應(yīng)通道的阻抗大小，依據(jù)電路的阻抗大小添加相應(yīng)的均流電阻，使同步輸出時(shí)每一路的激光能量在一個(gè)固定值的附近，以解決恒壓驅(qū)動(dòng)模式下的電流不均衡的問題。

表1為改進(jìn)前4路激光二極管陣列同時(shí)工作時(shí)每一路輸出的激光能量測量結(jié)果。由表1可見，恒壓模式能夠驅(qū)動(dòng)激光二極管陣列每一路產(chǎn)生13.9～26.5mJ范圍內(nèi)的能量，并且ELD2＞ELD1＞ELD3＞ELD4＞13mJ，4路激光輸出能量均可起爆激光火工品。

表1表明恒電壓模式下，4路激光同步輸出能量存在差異性。使用4個(gè)固定型號的激光二極管對應(yīng)安裝在4個(gè)不同的通道，用來測試整個(gè)電路的阻抗輸出的激光能量。激光二極管輸出激光能量越大，則表明此電路阻抗越小。根據(jù)式（1）計(jì)算可以得出：Rp4< Rp3< Rp1< Rp2。其中Rpx表示第px通道的阻抗。

式（1）中：E為激光輸出能量值；V為激光二極管兩端端電壓；R為激光二極管內(nèi)阻；t為激光脈寬。在電壓U和脈寬t恒定時(shí)，R越小，輸出光能量越大，所需要的均流電阻越大。

改進(jìn)措施：在激光二極管的光電裝換效率確定的情況下，只需測得激光陣列每一路的激光輸出能量，再通過轉(zhuǎn)換率計(jì)算出對應(yīng)的電能，由于時(shí)間t為激光輸出脈寬10ms，用萬用表測量出激光二極管兩端的電壓，就可以求得每一路的阻抗值。本實(shí)驗(yàn)需要每一路的激光輸出能量值盡量相同，因此，設(shè)計(jì)的均流電阻值與R成反比關(guān)系，通過比例關(guān)系即可求出每一路的均流電阻值。表2是加上均流電阻后的4路激光輸出能量結(jié)果。

表1　改進(jìn)前4路激光同步輸出結(jié)果?。╩J）Tab.1 Result of four channels laser synchronous output before improvement

從表1和表2的數(shù)據(jù)對比，分析得出，通過均流法可以改進(jìn)激光同步輸出能量差異大的問題，改進(jìn)效果使差異性從32.5％減小到10％，最大能量差異從6.5 mJ減小到2mJ，但是仍然存在比較大的差異性，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

表2　改進(jìn)后的4路激光同步輸出結(jié)果　（mJ）Tab.2 Result of four channels laser synchronous output after improvement

5　結(jié)論

（1）基于恒壓驅(qū)動(dòng)模式的激光陣列起爆系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)2路、3路、4路同步起爆，每一路輸出激光能量不小于13mJ，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)2路、3路、4路選擇、時(shí)序邏輯起爆。但是恒壓模式存在輸出激光能量差異很大，這種現(xiàn)象會導(dǎo)致系統(tǒng)起爆時(shí)間差異變大。

（2）采用均流法可以很好地抑制恒壓模式下由外界和自身因素引起的電流不均勻現(xiàn)象的影響，4路同步差異性從32.5％減小到10％，最大能量差異從6.5 mJ減小到2mJ，起爆系統(tǒng)的激光輸出穩(wěn)定性顯著提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]James Lee Hendris.No moving parts safe & arm apparatus and method with monitoring and built-in-test for optical firing of explosive system:USP,5404820[P].1995.

[2]漆莉莉,魯建存,劉彥義,等.激光起爆點(diǎn)火控制技術(shù)[J].火工品,2008(增刊):106-110.

[3]B.A.Stoitz,D.F.Waldo.Proposed system safety design and test requirements for the mcro-laser ordnance system[J].Preceding Page Blank Not Filmed,1992(N93):203-214.

[4]J.Carvvalho,D Fahey,K.Willis et al.A Multi-output light weight diode laser initiation system with built-in-test[C]//32nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Jiont Propulsion Conference.Lake Buena Vista,FL,1996.

[5]Y.Lien,G.Thoen,O.Grasvik,et al.Opto-pyrotecnics for space applications[C]//International Conference on Space Optics.Rhodes,2010.

[6]盧凱.大功率半導(dǎo)體激光二極管驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[D].西安:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密雞機(jī)械研究所,2012.

[7]鄧軍.半導(dǎo)體激光二極管驅(qū)動(dòng)模式與可靠性研究[D].吉林:吉林大學(xué),2008.

Effect of Constant-voltage Drive on Laser Array Initiation System Performance

REN Peng,ZHANG Rui,HE Ai-feng,WANG Hao-yu,XU Feng-yi
(National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry,Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute,Xi’an,710061)

Abstract：In order to solve the problems of large volume and light energy loss of the traditional multi-channel laser initiation system,the laser array initiation circuit based on a constant-voltage drive mode was designed.The influence of constant -voltage drive mode on the whole initiation system was verified,by the experimental results of laser array synchronization test and detonation performance test,and the corresponding improvement measure was also put forward.The result shows that the constant-voltage drive mode can realize the multi-channel selection and sequential logic initiation,using average current method can reduce the synchronous output difference of the multi-channel laser.

Key words：Laser array；Initiation system；Constant-voltage；Equalizing current

作者簡介：任鵬（1987-），男，在讀碩士研究生，主要從事安全性可靠性評估技術(shù)。

收稿日期：2015-11-30

中圖分類號：TJ450.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-1480（2016）01-0029-04