一種單光路激光點(diǎn)火系統(tǒng)通路分析方法

葉志鵬　賈睿　吳強(qiáng)　郭聞昊　高雅　李華濱

摘? ?要：研究了激光點(diǎn)火系統(tǒng)通路分析方法，首先給出了單光路激光點(diǎn)火系統(tǒng)光路傳輸模型，接下來(lái)提出了一種光通路分析方法，分別分析了光路連接器數(shù)目對(duì)光路插入損耗和回波損耗的影響，并給出了不同光路連接器對(duì)應(yīng)的光通路判據(jù)和激光火工品正常工作判據(jù)，提高了分析方法的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性.試驗(yàn)證明，所提出的單光路激光點(diǎn)火系統(tǒng)分析方法的正確性，為箭載控制計(jì)算機(jī)軟件提供設(shè)計(jì)依據(jù).

關(guān)鍵詞：點(diǎn)火系統(tǒng);固態(tài)激光器;光學(xué)工程;單光路模型;光通路檢測(cè).

中圖分類號(hào)：TP391.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

A Single Optical Path Analysis Method for Laser Ignition System

YE Zhipeng，JIA Rui，WU Qiang，GUO Wenhao，GAO Ya，LI Huabin

（Beijing Institution of Astronautic Systems Engineering，Beijing 100076，China）

Abstract：A path analysis method of the laser ignition system was investigated. First，an optical transmission model was given for the single optical path，and an analysis method was proposed by analyzing the effect of the number of optical connectors on the insertion and reflection loss. The criteria of the optical path for different number of connectors and work of laser explosives was deduced to improve the adaption and precision of the method. The experiments of ignition? proves the correctness of the proposed method，which provides a reference for the design of onboard controlling computer software of launch vehicle.

Key words：ignition systems;solid state lasers;optical engineering;single optical path model;optical path test

激光點(diǎn)火系統(tǒng)內(nèi)部電能與光能的換能部件為激光二極管，取消了與藥劑直接接觸的橋絲或橋帶等換能器件，火工品與控制設(shè)備采用光纖連接，消除了外界電磁干擾（電磁脈沖、射頻、雷電、靜電等）在傳輸線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電流，從根本上解決了火工品的電磁環(huán)境安全問(wèn)題，因而激光火工品內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高[1]，為激光點(diǎn)火裝置小型化提供了良好的前景.

激光點(diǎn)火系統(tǒng)根據(jù)傳輸光路數(shù)量不同可分為雙光纖光路和單光纖光路兩類.雙光纖光路檢測(cè)方案發(fā)火通路與檢測(cè)通路各用一根光纖，其檢測(cè)原理是利用激光器發(fā)出低功率熒光，通過(guò)發(fā)火光纖傳輸至起爆器，經(jīng)過(guò)光窗口反射后部分反射光再耦合進(jìn)入檢測(cè)光纖反向傳輸，到達(dá)光探測(cè)器從而判斷光路狀態(tài).雙光纖光路檢測(cè)面臨的主要問(wèn)題是難以證明低功率熒光與高功率點(diǎn)火激光光路狀態(tài)的一致性，不利于準(zhǔn)確檢測(cè)光路狀態(tài).單光纖光路檢測(cè)方案是一種光纖耦合技術(shù)，即發(fā)火通路與檢測(cè)通路共用一根光纖.檢測(cè)時(shí)控制激光器發(fā)出低功率光并傳輸至激光起爆器光窗口，經(jīng)過(guò)反射后大部分反射光沿光纖反向傳輸，經(jīng)分束器到達(dá)光探測(cè)器，根據(jù)測(cè)量結(jié)果判斷光路狀態(tài).單光路方案解決了雙光路方案的一致性難題，且光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，獲得了廣泛的關(guān)注.

國(guó)內(nèi)外關(guān)于激光點(diǎn)火技術(shù)的研究已有幾十年的歷史.在早期研究中，Bowden等[2]研究了藥劑熱點(diǎn)（hot spot）與點(diǎn)火溫度和持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系.隨著激光器小型化及激光二極管、低損耗光纖的出現(xiàn)，美國(guó)在20世紀(jì)八九十年代開展了大量激光火工品的工程應(yīng)用研究，并突破了多項(xiàng)工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù).1992年，美國(guó)軍事標(biāo)準(zhǔn)“火箭彈和導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全準(zhǔn)則”（MIL-STD-1901）中首次提出了將激光點(diǎn)火系統(tǒng)用于直列式點(diǎn)火的要求;1993年McDonnell Douglas導(dǎo)彈系統(tǒng)公司發(fā)展了用于空空導(dǎo)彈的激光點(diǎn)火子系統(tǒng)[3];Jacobs等[4]采用兩種不同波長(zhǎng)的激光完成了光纜網(wǎng)完整性檢測(cè);NASA于1995年在飛馬座空基運(yùn)載火箭上進(jìn)行了激光起爆試驗(yàn)，取得了成功，驗(yàn)證了此類產(chǎn)品的可靠性[5];2002年，Quantic工業(yè)公司開發(fā)了用于激光點(diǎn)火的在線光回路檢測(cè)系統(tǒng)[6];NASA發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)《發(fā)射和空間飛行器用爆炸系統(tǒng)和裝置鑒定》[7]中已要求激光火工品應(yīng)采用系統(tǒng)嵌入式自檢.目前，激光點(diǎn)火相關(guān)產(chǎn)品在國(guó)外已發(fā)展為較為成熟的貨架產(chǎn)品.

我國(guó)陜西物理化學(xué)研究所早在1975年就開展了激光引爆炸藥的實(shí)驗(yàn)研究，在“九·五”期間對(duì)激光點(diǎn)火機(jī)理進(jìn)行了初步研究，并實(shí)現(xiàn)了用于火炮發(fā)射的激光點(diǎn)火器.魯建存[8]介紹了激光反射率的測(cè)定原理，利用45°定向法測(cè)定了起爆藥對(duì)釹玻璃脈沖的激光反射率;劉貫虹[9]介紹了由殼體、激光雷管和光導(dǎo)索組成的激光起爆器結(jié)構(gòu)及其藥劑組成;2000年，川南機(jī)械廠利用半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙火藥和鈍感猛炸藥的起爆，邁出了激光發(fā)火技術(shù)在航天火工品應(yīng)用研究領(lǐng)域的第一步.此后，對(duì)于激光火工品的研究開始呈現(xiàn)百花齊放的趨勢(shì).崔衛(wèi)東等[10]研究了光纖直徑對(duì)起爆閾值和點(diǎn)火閾值的影

響.張秋芳等[11]對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)激光點(diǎn)火裝置進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了雙路點(diǎn)火并具備了實(shí)際應(yīng)用功能;韋愛(ài)勇等[12]對(duì)火工品藥劑激光敏感度進(jìn)行了研究，獲得了常用火工藥劑粒徑能量吸收比;張小兵等[13]設(shè)計(jì)了一種多點(diǎn)均勻點(diǎn)火模擬裝置，通過(guò)光學(xué)玻璃窗耦合將能量分配到各燃點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同時(shí)點(diǎn)火;李芳等[14]對(duì)激光起爆系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了仿真研究，并對(duì)不同可靠度下所需激光器輸出能量進(jìn)行了模擬計(jì)算;賀愛(ài)鋒等[15]對(duì)階躍與漸變折射多模光纖的軸偏離影響進(jìn)行了理論分析;魏繼鋒等[16]研究了激光二極管閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的規(guī)律;王悅勇等[17]從激光器控制、激光火工品測(cè)試、激光起爆及裝藥、激光傳輸及光纜接插件等方面詳細(xì)敘述了激光點(diǎn)火系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù);曹軍勝[18]采用光分路方法和低功率窄脈沖測(cè)試技術(shù)研制出一種激光火工品反射率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，提高了測(cè)試精度;曾雅琴等[19]設(shè)計(jì)了一種雙光纖光路自檢系統(tǒng)，建立了一種利用檢測(cè)光路損耗推導(dǎo)發(fā)火光路損耗的光能傳輸模型，提高了檢測(cè)光的接收率;祝明水等[20]針對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)的光路檢測(cè)問(wèn)題，在激光火工品與藥劑接觸的光纖端面蒸鍍能透過(guò)點(diǎn)火激光而反射檢測(cè)激光的濾光膜片，通過(guò)判斷檢測(cè)激光反射電流大小判斷光路的連續(xù)性.曹軍勝[21- 22]介紹了一種基于雙光路的集成化三路多時(shí)序半導(dǎo)體激光點(diǎn)火系統(tǒng);梅崴等[23]對(duì)大行程1×2MEMS光開關(guān)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及加工工藝進(jìn)行了分析，證明了MEMS光開關(guān)能夠滿足激光點(diǎn)火系統(tǒng)應(yīng)用需求.鄢銼等[24]測(cè)定了Al2O3陶瓷對(duì)CO2激光的折射率和吸收率.陳剛等[25]研究了CO2激光器對(duì)材料力學(xué)性能的影響.

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究大多停留在原理樣機(jī)階段，缺乏從總體角度對(duì)光路進(jìn)行分析以及制定光路檢測(cè)判據(jù)的方法.本文針對(duì)單光路激光點(diǎn)火系統(tǒng)的光路檢測(cè)問(wèn)題，從總體頂層設(shè)計(jì)角度提出了一種分析方法，對(duì)全光路進(jìn)行了系統(tǒng)分析并給出了不同光路連接器對(duì)應(yīng)的光通路判據(jù).

1? ?單光路激光點(diǎn)火系統(tǒng)光通路計(jì)算

1.1? ?光通路分析模型

激光點(diǎn)火系統(tǒng)的起爆機(jī)理是在箭載計(jì)算機(jī)控制下，通過(guò)激光器電源驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器發(fā)出一定功率的光能，經(jīng)光纖傳輸使激光火工品點(diǎn)火藥劑產(chǎn)生熱量，達(dá)到點(diǎn)火或起爆所需的熱能，從而起爆火工品.

對(duì)于單光路激光點(diǎn)火系統(tǒng)，通過(guò)在光路中傳輸不同波長(zhǎng)的點(diǎn)火和檢測(cè)激光實(shí)現(xiàn)光路復(fù)用.點(diǎn)火前，利用檢測(cè)激光器通過(guò)測(cè)量光路中光強(qiáng)的衰減實(shí)現(xiàn)光路的通路檢測(cè).點(diǎn)火時(shí)，利用點(diǎn)火激光器發(fā)出高能激光，沿相同光路傳輸起爆火工品.本文對(duì)單光路檢測(cè)激光傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了建模，火工品起爆前后光傳輸模型如圖1和圖2所示.圖中：P為發(fā)射光的光強(qiáng);γ為激光器輸出光強(qiáng);α為單個(gè)光纖連接器的衰減損耗;β為單個(gè)光纖連接器的回波損耗;n為連接器的個(gè)數(shù);？準(zhǔn)為反射膜的反射率，規(guī)定從激光器到火工品反射膜的傳播方向?yàn)檎?

無(wú)反射膜（未掛接激光火工品）時(shí)光路的反射光功率如式（1）所示.

P=γβ（α0+α2+…+α2（n-1） ）=γβα2i? ?（1）

有反射膜（掛接激光火工品）時(shí)光路的反射光功率按式（2）計(jì)算.

P = γβ（α0+α2+…+α2（n-1） ）+γ？準(zhǔn)α2n

= γβα2i + γ？準(zhǔn)α2n（2）

由此可根據(jù)檢測(cè)到的反射光功率計(jì)算光路衰減，制定光通路判據(jù)，從而判斷光路的通斷狀態(tài).

1.2? ? 光通路分析

本文從總體設(shè)計(jì)角度出發(fā)，依據(jù)激光點(diǎn)火系統(tǒng)輸入指標(biāo)，從上游激光點(diǎn)火控制模塊到下游激光火工品的全系統(tǒng)層級(jí)對(duì)單光路激光點(diǎn)火系統(tǒng)光通路進(jìn)行系統(tǒng)分析，包括全光路衰減、干擾光功率分析和光通路檢測(cè)判據(jù)分析.

本文提出的光通路分析方法如圖3所示.首先分析了激光點(diǎn)火系統(tǒng)光纖連接器個(gè)數(shù)對(duì)全光路光強(qiáng)衰減的影響，得到了不同光路連接器數(shù)對(duì)應(yīng)的光路衰減值;接下來(lái)聚焦激光點(diǎn)火控制模塊，對(duì)其內(nèi)外光路進(jìn)行綜合分析，得到光路連接器產(chǎn)生的回波反射引起的干擾光功率;最后綜合上述分析結(jié)果，給出不同光路連接器對(duì)應(yīng)的激光點(diǎn)火系統(tǒng)通路檢測(cè)判據(jù).

激光點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入指標(biāo)如表1所示，其中區(qū)分度為光路中掛接與不掛接激光火工品對(duì)應(yīng)的光路衰減的差值，該值越大，兩種情況的差異越明顯，有利于判斷激光火工品是否正常起爆.點(diǎn)火與檢測(cè)激光器均采用成熟貨架產(chǎn)品，生產(chǎn)單位包括武漢光迅、中電44所等，廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)產(chǎn)品.激光火工品鍍膜采用蒸鍍方式，相關(guān)參數(shù)要求可參見文獻(xiàn)[20]? .

從頂層設(shè)計(jì)中指標(biāo)閉合的角度考慮，需考察最不利條件下光路的衰減，即選取激光點(diǎn)火控制模塊輸出功率最小、激光火工品輸入光功率最小、火工品鍍膜反射率最小、光纖連接器插入和回波損耗最大的情況進(jìn)行分析.

1.2.1? ?全光路分析

對(duì)于單光路光纖，點(diǎn)火與檢測(cè)激光共用同一條光路，因此可通過(guò)點(diǎn)火激光的指標(biāo)估計(jì)全光路衰減.根據(jù)式（1）和式（2）分別針對(duì)光路有無(wú)火工品反射膜（是否掛接火工品）進(jìn)行了仿真計(jì)算，取單個(gè)光纖連接器的衰減損耗α = 0.6 dB，回波損耗β = 20 dB，反射膜的反射率？準(zhǔn) = 95%，輸出點(diǎn)火激光功率為2.4 W，計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示，相同連接器對(duì)應(yīng)的掛接和不掛接火工品時(shí)光路的衰減差值越大，火工品點(diǎn)火起爆前后可區(qū)分性越好.

1.2.2? ?干擾光分析

光路干擾光分析的目的在于獲取光路連接器回波反射產(chǎn)生的干擾光強(qiáng)，從而更加準(zhǔn)確地計(jì)算出反射光強(qiáng)，提高通路判據(jù)的準(zhǔn)確性.干擾光傳輸光路如圖4所示.外光路光纜網(wǎng)包含的光纖連接器個(gè)數(shù)為n-1，n為外光路包含的光纖連接器總數(shù).

激光經(jīng)過(guò)第1個(gè)、第2個(gè)直至第n個(gè)光路連接器由回波反射所產(chǎn)生的光功率按式（3）計(jì)算.

P回=P0（β+α2β+α4β+…+α2nβ）? （3）

根據(jù)輸入指標(biāo)，不同光纖連接器個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的回波損耗誤差如表4所示.從表中數(shù)據(jù)可以看出，光路中連接器個(gè)數(shù)越多，回波損耗產(chǎn)生的干擾光占比

越大.

以光纖連接器個(gè)數(shù)n = 6（包含火工品連接器）為例進(jìn)行分析.忽略點(diǎn)火控制模塊內(nèi)部的損耗，回波反射產(chǎn)生的干擾光的功率為：

P回 = P0（β+α2β+α4β+…+α2nβ） = P0 β

= 2.4×0.01×= 0.08 W

由光纖耦合器反向分光損耗為10 dB（換算成光通過(guò)率為0.1），可得出到達(dá)光功率計(jì)的光功率：

0.08 × 0.871 × 0.1 ≈ 0.007 W

檢測(cè)光經(jīng)火工品反射膜反射到達(dá)控制模塊的功率：

P測(cè)=P0α2n ×0.95=2.4×0.87112×0.95=0.435 W

經(jīng)過(guò)反向分光衰減，到達(dá)光功率計(jì)的功率為 0.435×0.871×0.1≈0.038 W.因此實(shí)測(cè)值中，干擾光占比為×100%=15.62%.

回波損耗造成的誤差為：

出于系統(tǒng)留取余量的考慮，向上取為0.74 dB.

1.2.3? ?光通路檢測(cè)判據(jù)分析

1.2.3.1? ?光通路檢測(cè)判據(jù)上限分析

以滿足指標(biāo)約束為前提，取各指標(biāo)臨界值進(jìn)行分析.令到達(dá)點(diǎn)火頭反射面的激光功率為1.0 W.由激光器輸出點(diǎn)火功率為2.4 W，可以計(jì)算得到到達(dá)點(diǎn)火端面的鏈路最大衰減為-10×log10=3.80 dB;火工品反射膜處光的衰減值可通過(guò)火工品反射膜的反射率計(jì)算.當(dāng)反射率為95%時(shí)，反射膜處光的衰減為-10×log10 0.95 = 0.22 dB;測(cè)試光通過(guò)激光火工品光連接器時(shí)的最大損耗0.6 dB，因此測(cè)試光經(jīng)歷來(lái)回兩次行程和激光火工品光纖連接器的總衰減率為3.8×2+0.22+0.6×2=9.02 dB.排除干擾光及光電探測(cè)器實(shí)際測(cè)量誤差（±0.5 dB）的影響，不同連接器個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的光路總衰減值上限值如表5和表6所示.出于判據(jù)加嚴(yán)的原則，取表5的計(jì)算結(jié)果作為判據(jù)上限.

以6個(gè)連接器為例，總衰減率應(yīng)不大于（9.02-0.74-0.5） dB=7.78 dB.從頂層設(shè)計(jì)角度考慮需留取一定余量，因此對(duì)結(jié)果向下取整從而得到通路判據(jù)上限為7 dB.

1.2.3.2? ?光通路檢測(cè)判據(jù)下限分析

與判據(jù)上限可根據(jù)理論分析確定不同，通路檢測(cè)衰減率下限除受光路連接器個(gè)數(shù)、插接損耗和回波損耗的影響外，還與鍍膜反射率、光纖連接器最大耐受光強(qiáng)和火工品最大耐受光強(qiáng)有關(guān).同時(shí)，與上限分析具有明確的指標(biāo)約束作為輸入不同，檢測(cè)激光器輸出的光功率1 mW小于光纜網(wǎng)最大耐受光強(qiáng)和火工品最大耐受功率，導(dǎo)致分析時(shí)沒(méi)有有效的光功率下限數(shù)據(jù)作為輸入，給計(jì)算帶來(lái)困難.

為解決這一問(wèn)題，針對(duì)單光纖光路激光點(diǎn)火系統(tǒng)的特點(diǎn)，在進(jìn)行通路檢測(cè)判據(jù)下限分析時(shí)，借用火工品掛接狀態(tài)點(diǎn)火激光的功率數(shù)據(jù)，同時(shí)忽略全光路最大耐受光強(qiáng)，分析結(jié)果如表7所示.

當(dāng)光路中連接器數(shù)為9個(gè)及以上時(shí)，光通路判據(jù)上限小于下限導(dǎo)致無(wú)實(shí)際應(yīng)用意義.因此光路中連接器個(gè)數(shù)應(yīng)控制在8個(gè)以內(nèi)，表7給出了相應(yīng)光通路檢測(cè)判據(jù).對(duì)光路進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，若測(cè)得的光路衰減值超出了判據(jù)范圍，則認(rèn)為光路出現(xiàn)異常，應(yīng)進(jìn)行排查.

1.2.3.3? ?火工品正常起爆判據(jù)

火工品起爆后反射鍍膜被破壞，光路為無(wú)反射膜狀態(tài).因此若測(cè)得的光路衰減值同時(shí)大于通路判據(jù)和區(qū)分度，即可認(rèn)為火工品正常起爆.例如，光路中包含4個(gè)連接器時(shí)，若光路衰減大于8 dB，則可認(rèn)為激光火工品正常起爆.

2? ?試驗(yàn)結(jié)果

發(fā)火試驗(yàn)前后，分別利用光強(qiáng)計(jì)對(duì)7路激光火工品檢測(cè)光通路衰減值，以驗(yàn)證上述分析方法所得判據(jù)的正確性.根據(jù)實(shí)際安裝需要，光纖連接器數(shù)目為5.試驗(yàn)結(jié)果如表8、表9所示.從表中數(shù)據(jù)可以看出，全部實(shí)測(cè)值均滿足指標(biāo)分析推導(dǎo)出的判據(jù)要求，證明了分析模型的合理性和判據(jù)的有效性.

3? ?結(jié)? ?論

本文提出了一種基于單光路激光點(diǎn)火系統(tǒng)的光通路分析方法，從頂層設(shè)計(jì)的角度對(duì)影響光路判據(jù)的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了不同光路連接器數(shù)目對(duì)應(yīng)的光通路判據(jù)和激光火工品正常工作判據(jù).試驗(yàn)結(jié)果表明，本文給出的單光路激光點(diǎn)火系統(tǒng)指標(biāo)分析方法是有效的.

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