等離子體特征參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

宋 鵬，鐘孟春，毛保全，李曉剛，蘭 圖（裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京，100072）

設(shè)計(jì)與研發(fā)

等離子體特征參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

宋 鵬，鐘孟春，毛保全，李曉剛，蘭 圖
（裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京，100072）

為了研究火藥燃燒產(chǎn)生的等離子體的特性，本設(shè)計(jì)采用光譜診斷法對等離子體的電子溫度和電子密度進(jìn)行檢測，設(shè)計(jì)了等離子體特征參數(shù)檢測系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)在光譜檢測法的基礎(chǔ)上，根據(jù)光譜分析原理和檢測總體方案，先后進(jìn)行了傳感器的設(shè)計(jì)、光譜儀的設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)的處理。設(shè)計(jì)以ZEMAX為工具，使用探頭光路追跡和光纖中光路仿真設(shè)計(jì)了新型的傳感器光學(xué)探頭；使用光譜儀結(jié)構(gòu)函數(shù)優(yōu)化、消散像處理以及波長點(diǎn)列圖分析等方法設(shè)計(jì)了光譜儀的初始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。對光譜診斷獲得的光譜圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到等離子體的電子密度和電子溫度，提出了一套能夠適用于火藥燃燒產(chǎn)生的等離子體的光譜檢測方案。為進(jìn)一步研究火藥燃燒產(chǎn)生的等離子體的特性提供一定基礎(chǔ)。

等離子體；光譜法；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0　引言

火藥燃燒時(shí)，熱電離產(chǎn)生的等離子體位于火炮內(nèi)部，并且具有瞬間產(chǎn)生和瞬間消逝的特點(diǎn)，對于檢測裝置提出了較高的要求。燃燒的火焰分為發(fā)光火焰和透明火焰兩大部分。通常來說，火焰的氣體組分是輻射光譜的重要原因，火焰的微粒成分會(huì)導(dǎo)致光譜的連續(xù)性，本設(shè)計(jì)研究的是火藥燃燒時(shí)產(chǎn)生的連續(xù)光譜。

根據(jù)研究對象和火藥燃燒的相關(guān)計(jì)算得出以下準(zhǔn)確參數(shù)：

表1　等離子體的參數(shù)

根據(jù)被測對象的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的等離子體特征參數(shù)檢測系統(tǒng)具有以下功能： 1.高響應(yīng)和高靈敏度，能夠?qū)λ查g消逝的光進(jìn)行捕獲； 2.高分辨率，能夠獲得等離子體的光譜圖，數(shù)據(jù)處理得到電子密度和電子溫度。

1　總體方案

本設(shè)計(jì)旨在提出對火藥燃燒產(chǎn)生的等離子體特征參數(shù)檢測的方案，因此對于作業(yè)的環(huán)境和條件有相應(yīng)的要求。假定火藥燃?xì)怆婋x的等離子體是必然存在的，不考慮無法產(chǎn)生的情況，并且測試過程中沒有外界因素干擾（如溫度和壓強(qiáng)等因素）。得到測量系統(tǒng)組成如圖1所示。

（1）藍(lán)寶石窗口為試驗(yàn)方案采光通道，是密閉爆發(fā)器的一個(gè)窗口。

（2）光線被采集之后通過入射狹縫進(jìn)入光譜儀內(nèi)部進(jìn)行光路的傳播。

（3）通過光電轉(zhuǎn)換將電信號(hào)由CCD探測器傳入選用的計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，處理方法將單獨(dú)列出與此處的計(jì)算終端不相沖突。

2　光纖傳感器的設(shè)計(jì)

光纖傳感器是一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)中選用的傳感器類型為拾光型傳感器，通過設(shè)計(jì)特殊的探頭和選用適用的光纖組合成的探測器是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.1光纖探頭的設(shè)計(jì)

圖1　測量系統(tǒng)組成

圖2　光纖探頭形狀剖面圖

光纖探頭作為傳感器的傳感部分，影響著儀器的靈敏度及可靠性，因此光纖傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于探頭的形狀和直徑的選擇，探頭的設(shè)計(jì)也是應(yīng)用于本課題測量環(huán)境中的重要前提。

本設(shè)計(jì)中提出四種不同形狀的探頭，分別是圓錐形、球形、拋物線形和橢圓形四種。選用這四種形狀的探頭進(jìn)行模擬是因?yàn)樗姆N探頭形狀最具有典型性和可加工性。

在ZEMAX軟件平臺(tái)上，通過光線追跡表征光纖探頭內(nèi)部光線的傳輸，將四種不同形狀的探頭放入設(shè)定的系統(tǒng)光路，進(jìn)行數(shù)萬次的追跡。光纖由纖芯與包層組成，內(nèi)外均為圓柱形。因此光纖的模擬采用標(biāo)準(zhǔn)鏡片最為簡單，光纖的纖芯材料設(shè)置為SILICA（二氧化硅）。在ZEMAX中，標(biāo)準(zhǔn)面的各個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)可由下面公式?jīng)Q定，得到圖3所示：

圖3　四種探頭光線追跡模擬

表2　探頭參數(shù)特征值

四種探頭的能量回光均在探測器中心±0.5mm的矩形范圍內(nèi)。

圖4　集光本領(lǐng)

由圓錐形光纖探頭最終得到參數(shù)特征可知，其最值要明顯高于其它三種形狀的光纖探頭。

綜合上述分析，四種不同形狀的光纖探頭中，不論是收集到的回光能量總和還是照度最大值，均為圓錐形光纖探頭最大。因此，對于火藥燃燒產(chǎn)生的等離子體的檢測即光纖傳感器的核心器件光纖探頭的形狀設(shè)計(jì)為圓錐形。

2.2光纖的設(shè)計(jì)

光纖的數(shù)值孔徑反映光纖的集光本領(lǐng)，其關(guān)系理論分析如圖4所示，光從空氣中入射到光纖端面時(shí)的光錐半角的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑NA，即：

在此角錐內(nèi)所有方位的光線一旦進(jìn)入光纖，就被截留在纖芯中，沿著光纖傳播。

對于階躍型光纖，其數(shù)值孔徑可表示為：

由式分析得出，當(dāng)光纖的數(shù)值孔徑最大時(shí)，光纖的集光本領(lǐng)也最強(qiáng)。本文所設(shè)計(jì)的光纖傳感器采用的光纖數(shù)值孔徑設(shè)定為0.22，符合石英材料的數(shù)值孔徑范圍。數(shù)值孔徑只決定于光纖的折射率，與尺寸無關(guān)。

3　光譜儀的設(shè)計(jì)

整個(gè)光譜儀具體工作原理為：火藥在火炮內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱電等離子體輻射的光通過入射狹縫進(jìn)入準(zhǔn)直鏡，光柵分光后，光線匯聚到聚焦鏡上，在 CCD 表面成像，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最后由計(jì)算終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.1光柵設(shè)計(jì)

光柵方程是衡量光柵的一個(gè)重要的參考量，通過光柵方程可以計(jì)算光線射入光柵的入射角和出射角，以便對其他參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。如圖4-1所示，光柵法線垂直于平面，入射波前與入射波后產(chǎn)生的偏差是根據(jù)不同波長的光在光柵上的衍射角不同造成的，以此達(dá)到分光的目的。輻射與光柵法線衍射角為β，入射角為α，刻槽間距為d，衍射級(jí)次為m，得到干涉的極大值：

圖5　光柵入射光與衍射光示意圖

由上式得，設(shè)φ為入射光線與衍射光線夾角的一半，即φ=（α-β）/2；θ為相對于零級(jí)光譜位置的光柵角，即θ=（α+β）/2，簡化上式得到光柵方程：

所設(shè)計(jì)的光柵衍射級(jí)次m的取值可正可負(fù)。

3.2光譜儀參數(shù)

通過上述步驟的分析和計(jì)算，獲得基于ZEMAX軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化的光譜儀的具體參數(shù)如下：

（1） 光學(xué)結(jié)構(gòu)參量

入射狹縫到準(zhǔn)直鏡距離為73.5mm，準(zhǔn)直鏡到光柵距離為62mm，光柵到聚焦鏡距離為50mm，聚焦鏡到柱透鏡距離為61.9mm，柱透鏡到像面距離為5mm。

（2）光學(xué)元件尺寸

入射狹縫50um：控制進(jìn)入光譜儀的光通量，狹縫越寬進(jìn)入的能量越大。狹縫寬度也影響光譜儀的分辨率，狹縫越寬，其分辨率越低。在滿足分辨率要求的前提下，入射狹縫越寬越好，但是也不能太寬，不然探測器會(huì)飽和（超過量程）。

準(zhǔn)直鏡8mm 圓形：使從入射狹縫進(jìn)來的輻射光束準(zhǔn)直并均勻照射到分光光柵上，以提高光柵的分光精度。

光柵8mm×8mm 方形：具有高精度分光本領(lǐng)，能夠有效去除目標(biāo)光譜信號(hào)中的雜散信號(hào)，將有效光譜信號(hào)分離并提取出來。

聚焦鏡8mm×18mm 長方形：將光柵分離出的不同波長的有效光譜信號(hào)聚焦，使之匯聚到出射狹縫。

4　結(jié)束語

為研究火藥燃燒生成等離子體設(shè)計(jì)了等離子體特征參數(shù)檢測系統(tǒng)。對傳感器探頭的形狀、材料以及光通路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并分析了光柵，達(dá)到了高靈敏度和高分辨率的要求。 利用ZEMAX軟件對光譜儀初步結(jié)構(gòu)進(jìn)行建立，設(shè)計(jì)了光譜儀。為下一步利用光譜法診斷等離子體特征參數(shù)打下一定的基礎(chǔ)。

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Research on the design of the plasma characteristic parameter detection system

Song Peng，Zhong Mengchun，Mao Baoquan，Li Xiaogang，Lan Tu
（Academy of Armored Forces Engineering，Bei jing，100072，China）

In order to study the characteristics of plasma generated by the combustion of propellant，the plasma temperature and electron density were detected by spectroscopic diagnostic method，and the plasma characteristic parameter detection system was designed.Based on the spectral detection method，the design of the sensor，the design of the spectrometer and the data processing were carried out according to the principle of the spectrum analysis and the overall scheme of the detection. Design with ZEMAX to tools，chase trace and fiber optical system design the new sensor optical probe using the optical path of the probe； using a spectrometer structure function optimization，dissipated like processing and wavelength spot diagram analysis method design spectrometer of the initial structure and optimize the structure.Based on the spectrum diagnosis，a set of spectrum detection scheme which can be applied to the combustion of propellants is presented，which provides a basis for further research on the characteristics of the plasma produced by the combustion of propellant.

plasma；spectral method；structure optimization

0531

A