基于双光纤检测技术的激光点火控制系统设计

张 磊 凌 震 项宗友

北京航天自动控制研究所，北京 100854

激光点火技术是采用激光作为点火源，利用光纤传输激光能量，点燃火工品的一种高新火工技术[1]。与传统的电火工品相比，激光火工品可以从根本上解决电磁兼容引起的安全性问题[2]，因此在武器的点火系统中有着广泛的应用前景。一套最简的激光点火系统包含电源、激光器、传能光纤和火工品。在实际的工程应用中，往往需要采用多级光缆连接激光器和火工品，在安装过程中，存在多个可插拔的光连接界面，状态容易发生变化从而导致系统功能异常。为了保证激光点火系统的工作可靠性，要在点火前，在确保测试安全的情况下，对点火系统的光学通路进行在线检测。因此，需要在最简点火系统中，额外引入光能反馈装置和光能探测装置，构成一套可以自诊断的激光点火系统。目前，激光点火系统的自诊断技术包括内置式和外置式2种[3]，本文基于外置式自诊断技术，即双光纤检测技术，对激光点火控制系统进行设计分析，从而给出点火控制系统中激光器输出功率及检测合格判据的设计方法及相关影响因素。

1 双光纤检测技术

基于双光纤检测技术的激光点火系统如图1所示。在点火之前，控制激光器输出一个低能量光脉冲，可以是超窄脉宽的高功率激光，也可以是低功率的脉冲式荧光[4-5]，该检测光脉冲经点火光路传输至激光火工品端面处，由特定的光反射装置反射部分光能量，并耦合进入检测光路返回光探测器。根据输出的检测光脉冲功率和反射回检测端面的光脉冲功率的比值，可以定量检测出点火光路的通路特性。经检测合格后，可由激光器输出高功率激光脉冲，进行火工品点火。可见，引入双光纤检测技术，在点火前进行在线的光学通路检测，可以保证激光点火系统工作的可靠性。

图1 基于双光纤检测技术的激光点火系统示意图

2 最简点火系统激光器输出功率需求分析

βtrans=10(-αloss/10)

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3 双光纤检测的合格判据分析

(3)

4 双光纤检测点火系统的激光器输出功率需求分析

如图1所示，检测环节的引入造成测试结果的不确定性，需要在点火系统设计时加以考虑。假设到达火工品端面的检测光峰值功率为P0，由于检测光路中各光学元件插入损耗的不一致性，导致检测端光探测器接收到的最小和最大光功率分别为：

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(6)

这部分差异性等价于在点火光路中额外引入了损耗，βmea相当于在点火光路中的透射率，需要增加对激光器输出功率的需求进行补偿，即

(7)

5 激光输出功率需求的影响因素

在双光纤检测激光点火控制系统中，需考虑2方面环节对激光输出功率的影响，其中涉及多种影响因素，在前面的公式推导中尚未全部分析，下面具体介绍在实际的点火控制系统设计中，需要全面考虑的各因素对激光输出功率设计的影响。

5.1 点火环节影响因素

1)点火光路中引入的光纤传输损耗。在点火系统中，为适应激光的光纤耦合以及大功率传输，一般采用芯径较大的多模传输光纤，同时激光波长的选择也与传统的光纤通信波段不同，因此传输损耗比单模光纤通信中的光损耗高，当点火光路较长时，需要适当考虑。另外，多模光纤的弯曲对光传输的损耗影响较高[6]，在实际的工程应用中，需要对其弯曲损耗进行测试以统计出可接受的光纤弯曲半径，在光纤铺设时应严格控制转弯半径。

2)各光纤连接器引入的插入损耗。在激光控制器与点火光路的连接处、各级的级间连接处以及点火光路与激光火工品的连接处均会使用光纤连接器进行光纤通路的连接，环节较多，将会引入较高的插入损耗。因此，插入损耗是光纤连接器设计的重要考核指标[7]，同时需要考虑温度环境和力学环境对插损的影响。

3)环境因素及使用寿命对激光器输出功率的影响。在高温及振动环境下，激光器的输出功率将会降低。激光器在高功率输出多次后，受其使用寿命的影响输出功率也会降低。相应的指标在系统设计时需要进行考虑，应设计各影响因素下的最低可接受输出功率。在激光器设计时，需要对激光器进行环境测试和寿命测试，统计其影响程度。

5.2 检测环节影响因素

在考虑检测环节时，对激光器输出功率的影响不是该环节引入的绝对损耗，而是其带来的测试不一致性。

1)检测光路中引入的光纤传输损耗。该损耗一般考虑最大值，最小值难以在实际应用中进行测试，设计时可认为是0，因此光纤传输损耗越大，引入的不一致性越大。

2)各光纤连接器引入的插入损耗。考虑方法同上，插入损耗越大，引入的不一致性越大。由于级间连接器较多，其插损不一致性对激光器输出功率影响较大，同时也引入了较高的虚警风险。考虑采用单光纤检测方案可以解决此影响，即取消检测光路，检测的入射光和反射光都在点火光路中进行传输，但需要解决火工品端反射及耦合装置和探测端分光装置带来的新问题。

3)激光火工品中的光反射装置反射率。为了不影响点火功率，该反射率一般较小，其大小影响可检测到的荧光功率水平，是设计影响光探测器灵敏度的重要指标之一。其反射率范围是影响激光器输出功率需求的关键因素，由于反射率较小，对其一致性的控制难度较高，在设计时需给予关注。

4)激光器输出的检测荧光功率不一致性。在相同驱动电流下，激光器每次输出的检测荧光功率不尽相同，存在一定的输出范围。同时，在温度环境及使用寿命的影响下，其输出功率也会进一步变化，使得荧光输出功率的不确定性增大。根据目前的研究结果，检测荧光输出功率的稳定性较差，考虑各种影响因素后，其输出功率差异约30%，对激光器输出功率的需求提高了1/3，是影响较高的一个环节。在系统可接受的情况下，可考虑增加温控和荧光功率自检测措施来进行补偿。

5)荧光驱动电流不一致性。荧光驱动电流误差会进一步导致荧光功率输出的不稳定性，通过引入输出功率自检测措施可进行补偿。

6)光探测器响应不一致性及光电转换后的电压测试误差。这2个环节都会造成荧光检测功率的测试误差，在设计时需要考虑。

除上述两大环节之外，对激光输出绝对功率的测试误差也需要考虑。激光点火系统比较复杂，参与研制的单位较多，使用的功率测试设备需要进行严格的计量，在系统设计时需要增强意识，对各相关研制单位进行规范。

6 结论

针对基于双光纤检测技术的激光点火控制系统进行了设计分析，给出了激光输出功率需求和检测合格判据的设计方法，并总结了影响激光输出功率需求的各种因素。根据目前的研究结果，光纤连接器的插入损耗、光反射装置反射率不一致性、检测荧光输出功率不一致性是3个较严重的影响因素，需要在设计中进一步深入研究。另外，各种环境因素对点火系统中的激光器、探测器、光纤连接器等各环节的实际应用均造成了不同程度影响，由于我国光学系统在武器工程研制中应用经验的欠缺，对其进行各种环境考核的试验方法和测试手段尚不完备，需要加强对其应用基础的投入和研究。

参 考 文 献

[1] 赵兴海,高杨,程永生.激光点火技术综述[J].激光技术, 2007,31(3): 306-310.(ZHAO Xinghai,GAO Yang,CHENG Yongsheng. A Summary of Laser Ignition Technology[J]. Laser Technology,2007,31(3):306-310.)

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[3] 周浩，鲁建存,刘彦义.激光起爆系统外置式自诊断检测[J].火工品, 2008,(1): 43-45.(ZHOU Hao, LU Jiancun, LIU Yanyi. The Measurement of External Self-testing for Laser Initiation System [J].Initiators & Pyrotechnics, 2008, (1): 43-45.)

[4] 曹军胜,王立军,单肖楠.激光二极管点火系统的设计[J]. 应用激光, 2010, 30(2): 83-85. (CAO Junsheng, WANG Lijun, SHAN Xiaonan. Design of Laser Ignitio System [J].Applied Laser, 2010, 30(2): 83-85.)

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[7] 李乐霞,贺岭.激光起爆与点火系统中光纤连接器[J].火工品,2002,(1):12-14.(LI Lexiang, HE Ling. Optical Fiber Connector in the Laser Initiating and Firing System[J].Initiators & Pyrotechnics, 2002, (1): 12-14.)