激光多点点火系统自诊断检测技术研究

王殿湘，尹国福，贺爱锋，陈建华，李黎明

（1.海军驻西安弹药专业军事代表室，陕西 西安，710043；2.陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

随着激光点火技术的不断发展，以及武器、航空、航天等领域的需求，激光单点点火已不能满足需要，在开展激光多点点火技术研究的同时，国内外为了提高激光点火系统可靠性，在系统自检方面也展开了相应的研究。1993年Jacobs、Richard采用两种不同波长的激光即完成了传输网络的光路完整性检测[1]；1998年美国Wood,Lance A等人提出了一种基于PBIT(Photoluminescence built-in-test)的方案[2]；2005年美国国家航天航空局发布的标准AIAA-S-113-2005《发射和空间飞行器用爆炸系统和装置鉴定》中要求激光火工品应采用系统嵌入式自检，而且检测激光脉冲与起爆激光脉冲的波长应有所不同[3]。1998年Mark F.Folsom的美国专利USP 5914458[4]和2002年太平洋科技Quantic公司开发的光通路连续性检测装置系统[5]采用了双光纤（包括发火光纤和探测光纤）单波长的检测方法。

目前，陕西应用物理化学研究所已开展了激光多点点火系统研究以及系统检测的探索性研究[6-7]，航天692厂联合复旦大学光纤研究中心采用光纤传像原理设计了内窥式光纤成像激光点火检测系统[8]，其不足之处在于未实现对系统光路完整性的定量检测，而且设计结构复杂、体积较大。

本文针对激光点火系统可能因光纤折断、端面污染、光开关损坏等而出现发火光路的不完整，致使系统可靠性降低的问题，建立了具有自诊断检测功能的激光点火系统，实现激光多点点火系统的同步定量检测，对激光点火系统在武器系统中的应用具有重要意义。

1 激光多点点火检测系统

激光多路点火系统主要由控制器、双波长半导体激光器模块、分束器、光纤连接器、双光纤、激光点火器以及多路检测系统构成，如图1所示。双光纤作用原理如图2所示。

图1 具有自检功能的激光多点点火系统Fig.1 Laser multi-point initiation system with built-in test

图2 双光纤光学器件作用原理图Fig.2 Principle of dual fiber optical device

2 双光纤双波长工作模式检测实验

本文以双波长工作模式实现激光多点点火系统的同步检测，实验采用980nm大功率的激光作为激光火工品的发火光源，采用1 310nm小功率的激光作为激光多点点火系统的检测光源，其输出功率必须小于激光点火器最大不发火功率的1/100[3]。实验采用B/KNO3自聚焦激光点火器，其最大不发火功率为40mW，因此，1 310nm检测激光的输出功率最大不超过400μW，否则会在系统检测阶段出现意外发火。自聚焦激光点火器的耦合窗口（自聚焦透镜）处镀有对980nm大功率发火激光全透射，对1 310nm小功率检测激光全反射的分色滤光膜，其透过率如图3所示。

在进行自诊断检测时，测试出双光纤中发火光纤端输入至每个自聚焦激光点火器耦合窗口处的光功率Pout1以及每个自聚焦激光点火器耦合窗口反射到双光纤中反馈光纤的光功率Pout2，由于实验采用的分束器为均匀分束器，且传输光纤的损耗很低，可忽略不计，因此输入至每个自聚焦激点火器的光功率Pout1相等，实验原理样机如图4所示，结果见表1。

表1 双光纤双波长工作模式检测实验数据表Tab.1 Dual-fiber dual-wavelength model test data

图3 分色滤光膜透过率曲线Fig.3 Transmission rate curve of color filter film

图4 双光纤双波长检测激光多点点火系统Fig.4 Laser multi-point initiation system with dual-fiber dual-wavelength test

实验现象：（1）在半导体激光器与双光纤之间连接一条低效率（25.20%）传输光缆时，多路检测系统从双光纤反馈端所接收1 310nm激光功率为0.346nW，接收率为0.000 45%；（2）当半导体激光器与双光纤之间任意一条光缆的弯曲直径φ≤5mm，多路检测系统从双光纤反馈端所接受的光功率随光缆弯曲半径以及弯曲圈数的增加而减小。在弯曲状态下，多路检测系统对1 310nm检测激光的最大接收效率为0.001%；（3）在半导体激光器与双光纤之间连接一条纤芯折断的光缆时，多路检测系统从双光纤反馈端所接受的光功率为0。

3 实验分析与讨论

双光纤结构的激光多点点火系统中，在保证激光多点点火系统光路完整（无光纤折断、端面污染、传输效率低等现象）的情况下，可以从实验结果以及实验现象中得出：（1）由表1可知，在激光多点点火系统双光纤双波长工作模式的检测中，当双光纤的输出为76.45μW时，多路检测系统对1 310nm小功率检测激光的最大接收率为0.005 6%，最小接收率为0.001 7%。所以，在一个确定的双光纤结构的激光多点点火系统中，当1 310nm检测激光的功率小于激光起爆器最大不发火功率的1/100时，如果多路检测系统接收到检测激光的效率在0.001 7%～0.005 6%范围内，则可以确定激光多点点火系统的光路完整；如果多路检测系统接收到检测激光的效率小于0.001 7%，则可以确定激光多点点火系统的光路出现故障；（2）由表1可知，在一个确定的双光纤结构的激光多路多点点火系统中，当1 310nm小功率检测激光的功率小于激光起爆器最大不发火功率的1/100时，如果多路检测系统对1 310nm检测激光的接收率超过0.005 6%，则可以确定激光起爆器耦合窗口自聚焦透镜出现损坏。因为透镜损坏会出现无规则的反射面，使反射到双光纤中反射率增大，因此接收率提高；（3）根据实验现象（1）、（2）可知，在一个确定的双光纤结构的激光多点点火系统中，如果多路检测系统接收检测激光的效率远小于光路完整时的接收效率，则说明激光多点点火系统中某一光缆传输降低，可能出现了端面污染、光缆严重弯曲、光缆本身传输效率低，或者出现了光缆与连接器非正常耦合等问题；（4）根据实验现象（3）可知，如果多路检测系统接收检测激光的功率为0，则激光多点点火系统中某一光缆出现折断。

4 结论

为提高激光多点点火系统的可靠性，本文采用双光纤双波长工作模式实现了激光多点点火系统的同步检测。研究表明，若多路检测系统接收到检测激光的效率在0.001 7%～0.005 6%范围内，则可以确定系统的光路完整；接收效率小于0.001 7%，则可以确定系统光路出现故障；接收率超过0.005 6%，则说明激光火工品耦合窗口自聚焦透镜出现损坏。

[1]Jacobs,Richard.Laser initiated ordance system optical fiber continuity test:US,52 70537[P].1993-12-14.

[2]Wood,Lance A,Caldwell Paul J.Photoluminescence builtin-test for optically initiated systems:US,5572016[P].1996-11-5.

[3]Alexander Bell Drive,Reston.Criteria for explosive systems and devices used on launch and space vehicles [R].AIAA 2005-S-113,2005.

[4]Mark F Folsom,Jerry D Callaghan.Dual fiber laser initiator and optical telescope:US,5914458[P].1999-6-22.

[5]Wm David.Fahey,Joseph.E Carvalho.Optical Built-in-Test(BIT) for Laser (Diode) Initiation Systems[R].AIAA 2002-3797,2002.

[6]尹国福,鲁建存,刘彦义,等.激光火工品系统自动检测技术研究[J].测试技术学报,2010,24(4):344-350.

[7]尹国福,鲁建存,刘彦义,等.激光起爆系统光路完整性检测技术研究[J].激光技术,2011,35(4):554-558.

[8]唐璜,冯阳,赵冬,等.激光点火检测系统研究[J].激光杂志,2010,31(2):46-47.