激光點火系統(tǒng)損耗檢測溫度誤差補償方法

靳晉軍，劉海娜，陸儒培，袁夢涵，王軍龍

(北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

激光點火系統(tǒng)利用光纖傳輸點火能量，實現(xiàn)了含能材料和電系統(tǒng)之間的相互隔離，從根本上消除了電磁環(huán)境給火工品帶來的安全隱患[1-3]。作為新一代的點火系統(tǒng)，激光點火系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對點火通路損耗的測量[4]，并可依據(jù)點火通路損耗的測量結(jié)果判斷點火系統(tǒng)是否具備發(fā)火條件[5]以及火工品的發(fā)火狀態(tài)。通常而言，點火系統(tǒng)的點火功率為固定值，在火工品發(fā)火前，需要根據(jù)損耗測量值進行計算，以判斷火工品是否具備發(fā)火條件；在火工品發(fā)火后，需要根據(jù)損耗測量值與發(fā)火前測量值的差值來判斷火工品的發(fā)火狀態(tài)，通常以差值大于10dB作為可靠發(fā)火的判據(jù)。如果損耗測量存在較大波動，則不利于火工品是否具備發(fā)火條件以及發(fā)火狀態(tài)的判斷。因此，點火通路損耗的檢測精度至關(guān)重要。

激光點火系統(tǒng)點火通路損耗測量的實施方案如圖1所示[6]。自聚焦透鏡的尾端鍍有多層介質(zhì)膜，介質(zhì)膜使透鏡對檢測激光具有很高的反射率，對點火激光具有很高的透射率。檢測激光器可輸出功率小且穩(wěn)定的檢測激光，激光經(jīng)耦合器、光開關(guān)、光纖連接器被傳輸至自聚焦透鏡的尾端，經(jīng)反射膜被反射，并經(jīng)過輸出光纖到達光電探測器被檢測，可通過檢測激光返回功率表征點火通路的損耗。

圖1 激光點火系統(tǒng)通路損耗檢測方案Fig.1 Scheme of laser ignition system loss detection

在實際使用過程中，考慮到損耗檢測的安全性以及火工品的污染問題，檢測激光的輸出功率非常小(通常在微瓦量級)。特別地，當火工品發(fā)火后，自聚焦透鏡尾端的反射膜被破壞，僅存在端面反射，檢測激光的返回功率更加微弱。信號檢測電路中器件參數(shù)隨溫度的變化直接影響著不同溫度條件下的檢測精度。在相同的連接狀態(tài)下，在不同溫度條件下測得的損耗差別較大，這導致了損耗測量存在較大波動，不利于火工品是否具備發(fā)火條件及發(fā)火狀態(tài)的判斷。因此，必須對激光點火系統(tǒng)中的損耗測量結(jié)果進行相應(yīng)的溫度補償，以提高點火通路損耗檢測的精度，進而提高點火系統(tǒng)狀態(tài)判斷的準確性。目前，主要可通過提高檢測激光功率或采用相干檢測手段來提高損耗檢測的精度[7]，但檢測激光功率的增加會降低點火系統(tǒng)的安全性和可靠性，并且上述兩種方法僅可提高常溫條件下的損耗檢測精度。

本文對不同溫度條件下激光點火系統(tǒng)的點火通路損耗檢測精度進行了研究。首先，分析了溫度對信號處理電路中各器件參數(shù)的影響；其次，綜合溫度對各參數(shù)的影響，建立了損耗檢測-溫度誤差模型；最后，針對誤差模型設(shè)計了相應(yīng)的軟件補償算法，提高了點火通路損耗檢測精度。

1 研究內(nèi)容及方案

1.1 損耗檢測原理及影響分析

根據(jù)激光點火系統(tǒng)的損耗檢測原理，損耗測量值為

式(1)中，P0為檢測激光輸出功率，U0為P0經(jīng)過信號處理電路后的對應(yīng)電壓，P為檢測激光返回功率，U為P經(jīng)過信號處理電路后的對應(yīng)電壓，B為檢測激光功率損耗常數(shù)。檢測激光輸出功率P0為恒定值，因而U0、B均為常數(shù)。

由式(1)可知，損耗測量值與檢測返回激光對應(yīng)的輸出電壓U負相關(guān)：即U值越大，損耗測量值越小。由于信號處理電路中的器件不是理想的參數(shù)器件，因此信號處理電路實際輸出的電壓U2與U并不完全相等。此時，需要對電路信號處理參數(shù)進行分析，提高損耗檢測的準確性。

在火工品發(fā)火前，自聚焦透鏡尾端的反射膜完好，由檢測返回激光功率產(chǎn)生的光電流為微安(μA)量級；在火工品發(fā)火后，自聚焦透鏡尾端的反射膜被破壞，僅存在端面反射，檢測激光返回功率較火工品發(fā)火前更加微弱，檢測返回激光功率產(chǎn)生的光電流為100nA左右。因此，器件參數(shù)隨溫度的變化對火工品發(fā)火后的損耗檢測精度影響更大。

1.2 溫度對信號處理電路參數(shù)的影響分析

信號處理電路中的主要器件為光電探測器和運算放大器，損耗檢測中主要關(guān)心的受溫度影響的參數(shù)包括了光電探測器的暗電流(Id)、第一級運算放大器的輸入偏置電流(Ib)以及第二級運算放大器的輸入失調(diào)電壓(Uos)。

(1)探測器暗電流

探測器暗電流主要由擴散電流Idiff、產(chǎn)生-復合電流Igv、表面漏泄電流Is和隧道電流It組成[8-13]

式(2)中，A為PN結(jié)面積，ni為本征載流子濃度，μN和μP分別為非平衡電子與空穴的遷移率，τN和τP分別為非平衡電子與空穴的壽命，Na和Nd分別為P區(qū)與N區(qū)的摻雜濃度，Vd為器件所加偏壓，q為電子電量，k為 Boltzmann常數(shù)，T為溫度，f(b)為一個積分因子，W0為零偏壓下的空間電荷區(qū)寬度，τ0為耗盡區(qū)少數(shù)載流子的有效壽命，Vbi為內(nèi)建電勢，s0為表面復合速度，h為Planck常量，E為電場強度(E＝Vd／d，d為勢壘厚度)，m*為載流子有效質(zhì)量，Eg為禁帶寬度。

本征載流子濃度ni與溫度T的關(guān)系為

式(3)中，α＝4.73×10－4eV／K，β＝636K，α及β均為常數(shù)，取器件所加偏壓Vd＝5V，將式(3)及電子電量等常數(shù)代入式(2)，忽略小項并做相應(yīng)簡化可得

式(4)中，K1、K2、K3、K4均為與溫度無關(guān)的常數(shù)。Idiff隨溫度升高而增大，且隨著溫度升高，Idiff逐漸呈現(xiàn)出飽和特性，如圖2(a)所示；Igv也與溫度相關(guān)，且隨溫度升高而增大，不呈現(xiàn)飽和特性，如圖2(b)所示；Is與溫度的關(guān)系與Igv類似，隨溫度升高而增大，不呈現(xiàn)飽和特性；It與溫度基本無關(guān)。因此，隨著溫度升高，暗電流急劇增大，暗電流隨溫度變化基本呈飽和特性。

圖2 探測器暗電流與溫度關(guān)系的趨勢曲線(理論值)Fig.2 Relationship trend curve between detector dark current and temperature of detector(in theory)

(2)第一級運算放大器的輸入偏置電流

運算放大器的輸入偏置電流受溫度影響而變化較大，運放輸入失調(diào)電流與溫度正相關(guān)，基本呈線性關(guān)系[14]

式(5)中，Ib為輸入偏置電流，Ib0為0℃時的輸入偏置電流，kbd為輸入偏置電流溫度漂移系數(shù)，T為與0℃的溫度差值。

(3)第二級運算放大器的輸入失調(diào)電壓

運算放大器的輸入失調(diào)電壓與溫度正相關(guān)，基本呈線性關(guān)系

式(6)中，Uos為運算放大器的輸入失調(diào)電壓，Uos0為0℃時的輸入失調(diào)電壓，TCVos為輸入失調(diào)電壓溫度漂移系數(shù)，T為與0℃的溫度差值。

1.3 誤差模型的建立

激光點火系統(tǒng)損耗檢測信號處理電路的誤差源如圖3所示。

圖3 損耗檢測信號處理電路的原理圖Fig.3 Schematic diagram of loss detection signal processing circuit

圖3中，P為檢測激光經(jīng)火工品端面鍍膜反射到達探測器的功率，Ip為探測器接收到光功率后輸出的電流

U1為第一級運算放大器的輸出電壓信號，考慮輸入偏置電流的影響，有

式(8)中，R為第一級運算放大器的I／V轉(zhuǎn)換系數(shù)，Ib為第一級運算放大器的輸入偏置電流。

U2為第二級運算放大器的實際輸出電壓信號，考慮輸入失調(diào)電壓的影響，有

式(9)中，A為第二級運算放大器的放大倍數(shù)，Uos為第二級運算放大器的輸入失調(diào)電壓。

輸出電壓信號U2與溫度T的對應(yīng)關(guān)系為

式(10)中，U2表達式的第1項U為有效信號，第2項C為固定偏置，第3項D為溫度變化量。隨著溫度的變化，探測器暗電流、第一級運算放大器的輸入偏置電流和第二級運算放大器的輸入失調(diào)電壓均會對信號處理電路的輸出電壓值U2產(chǎn)生影響，進而影響點火系統(tǒng)的損耗測量。

點火系統(tǒng)的真實損耗為

1.4 補償算法的實現(xiàn)

由式(10)可知，輸出電壓U2第二項的固定偏置相對簡單，可直接做補償，輸出電壓第三項的溫度變化量包含了探測器暗電流、第一級運算放大器的輸入偏置電流和第二級運算放大器的輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量。其中，運算放大器的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓隨溫度變化基本呈線性關(guān)系，易于工程實現(xiàn)。另一方面，可以通過優(yōu)化器件選型來降低其對損耗檢測精度的影響。

探測器暗電流隨溫度變化的情況較為復雜，不利于工程實現(xiàn)，因此可采用曲線擬合的方式簡化誤差模型[15]。

激光點火系統(tǒng)使用InGaAs探測器進行損耗檢測，探測器工作于反向偏置電壓(5V)條件下。將InGaAs探測器置于溫箱中，在每個設(shè)定的溫度點保溫20min后，使用精密電流測試設(shè)備測量其在該溫度點的暗電流數(shù)值并進行記錄，得到其典型暗電流的溫度特性，如圖4所示。

圖4 探測器暗電流溫度關(guān)系曲線(實測值)Fig.4 Relationship curves between detector dark current and temperature(measured value)

由圖4可知，探測器暗電流與溫度關(guān)系的實測曲線基本呈飽和特性，與理論分析基本一致。對其進行分段線性擬合，可得到暗電流與溫度的近似關(guān)系表達式

激光點火系統(tǒng)損耗檢測中的光電探測器為In-GaAs探測器，工作于反向偏置電壓(5V)條件下，第一級運算放大器的設(shè)計轉(zhuǎn)換系數(shù)R為45kΩ，第二級運算放大器的放大倍數(shù)A為10。運算放大器經(jīng)器件優(yōu)化后，兩級均選用LMC6482，第一級的輸入偏置電流典型值為Ib＝4pA，第二級的輸入失調(diào)電壓典型值為Uos＝3mV，TCVos＝1μV／℃，kbd＝0.1pA／℃。

將參數(shù)代入式(10)可知，第一級運算放大器的輸入偏置電流因溫度變化引起的輸出電壓波動為微伏(μV)量級，探測器暗電流和第二級運算放大器的輸入失調(diào)電壓因溫度變化引起的輸出電壓波動為毫伏(mV)量級。因此，由溫度變化引起的損耗測量值波動主要是由探測器暗電流和第二級運算放大器的輸入失調(diào)電壓波動引起的。

將式(12)及各參數(shù)代入式(11)，可得到損耗檢測的溫度補償模型

2 試驗驗證

激光點火系統(tǒng)讀取信號處理電路的輸出電壓，在完成計算后直接輸出損耗值。在溫度補償前，系統(tǒng)直接使用信號處理電路的輸出電壓U2作為檢測返回激光對應(yīng)的輸出電壓，并代入式(1)進行損耗計算。

將激光點火系統(tǒng)置于恒溫溫箱中，在每個溫度點保溫45min后執(zhí)行損耗檢測動作并記錄損耗檢測值，得到溫度補償前相同連接狀態(tài)在不同溫度點下的損耗值如表1所示，其變化趨勢如圖5所示。

表1 補償前不同溫度下的損耗值Table 1 Loss values at different temperature before compensation

圖5 補償前損耗與溫度的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between loss and temperature before compensation

在相同連接狀態(tài)下，隨著溫度升高，暗電流增大，輸出電壓信號隨之變大，損耗檢測值變小，其變化趨勢與理論分析基本一致。發(fā)火前的損耗檢測偏差(峰峰值)為0.62dB，發(fā)火后的損耗檢測偏差(峰峰值)為1.45dB。在相同狀態(tài)下，損耗檢測值波動較大，不利于在發(fā)火前判斷火工品是否具備發(fā)火條件，且火工品在發(fā)火后的損耗測量值與發(fā)火前測量值的差值已接近發(fā)火狀態(tài)的判斷閾值，出現(xiàn)了η2min(發(fā)火后)－η1max(發(fā)火前)小于10dB的情況，這不利于在發(fā)火后判斷發(fā)火狀態(tài)。

對激光點火系統(tǒng)損耗測量進行溫度誤差模型補償，激光點火系統(tǒng)在讀取信號處理電路輸出電壓U2及當前系統(tǒng)溫度值T后，將其代入式(13)進行損耗計算并輸出。在相同連接狀態(tài)、不同溫度點下測得的損耗值如表2所示，其變化趨勢如圖6所示，補償前后的對比圖如圖7所示。

表2 補償后不同溫度下的損耗值Table 2 Loss values at different temperature after compensation

圖6 補償后損耗與溫度關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between loss and temperature after compensation

圖7 補償前后損耗與溫度關(guān)系對比曲線Fig.7 Relationship curves between loss and temperature before and after compensation

溫度誤差模型的補償基本消除了溫度變化對損耗檢測值的影響，發(fā)火前的損耗檢測偏差(峰峰值)由0.62dB減小到0.16dB，發(fā)火后的損耗檢測偏差(峰峰值)由1.45dB減小到0.30dB。

試驗表明，溫度誤差模型的補償能夠有效提高損耗檢測精度，且能夠保證火工品在發(fā)火后的損耗測量值與發(fā)火前測量值的差值大于發(fā)火狀態(tài)的判斷閾值，不會出現(xiàn)η2min－η1max小于10dB的情況，能夠為激光點火系統(tǒng)、火工品是否具備發(fā)火條件及發(fā)火狀態(tài)的判斷提供有效支撐。

3 結(jié)論

本文對激光點火系統(tǒng)點火通路損耗檢測電路中的參數(shù)進行了溫度特性分析，結(jié)果表明：探測器暗電流、運算放大器的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓等均會影響損耗檢測的精度。根據(jù)分析結(jié)果建立了點火通路損耗檢測溫度誤差模型，采用分段線性擬合方法對模型進行了簡化。在火工品發(fā)火完成狀態(tài)下，采用溫度誤差模型進行補償，在－40℃～75℃范圍內(nèi)，損耗檢測偏差(峰峰值)從1.45dB減小為0.30dB，提高了火工品在發(fā)火完成狀態(tài)下的損耗檢測精度，為判斷火工品是否具備發(fā)火條件及發(fā)火狀態(tài)提供了有效支撐。