激光起爆器检测功率安全上限研究

徐奉一，张 蕊，贺爱锋，陈建华，井 波，李 明

（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）

激光火工品系统自检技术是激光火工品系统可靠性保障的关键技术之一。在激光火工品系统的实际应用中，传输光缆的弯曲、断裂，光纤连接器端面的污染、烧蚀，以及激光火工品光学窗口的结构破损等问题都会造成系统光能传输效率降低，破坏系统传输光路的完整性，影响系统的正常发火。具有自检功能的激光火工品系统能够实现在系统发火之前，以不影响激光火工品性能的连续小功率激光对系统进行光路完整性检测[1-2]，判定系统健康状态，保证系统发火时的可靠性，是一项具有广阔应用前景的高新技术。

目前激光火工品自检技术都是采用小功率连续检测激光来实现的[3-4]，自检时系统控制激光器发射连续检测激光，检测激光通过系统传输光路到达激光火工品光学窗口，经光学窗口上反射膜层的反射进入检测回路中的检测装置，检测装置根据接收到的激光功率大小，给出系统传输光路完整性的判定。在自检系统设计之初，为了确保系统的安全性与可靠性，连续检测激光功率不但必须要远低于激光火工品的发火阈值，而且经反射后进入到检测回路中的连续激光还要具有一定的功率强度，太低的检测激光功率会使得检测信号淹没在噪声中，不利于接收和识别[5]。因此，检测激光功率安全上限设计的合理性就成为自检系统设计中首先要解决的问题。

1 激光火工自检系统检测功率安全上限分析

目前激光火工品自检系统主要有两种实现方式：单波长工作模式和双波长工作模式。在单波长工作模式中，检测激光和点火激光具有相同的波长，系统利用大电流驱动激光器发射大功率脉冲激光用来起爆、点火，用小电流驱动激光器发射小功率连续检测激光来完成光路完整性检测。这种单波长模式的自检通常要在激光火工品的光学窗口上镀部分反射膜（反射率一般为10%左右）来实现。当系统发射小功率连续检测激光时，10%的检测激光被部分反射膜反射进入检测回路完成系统自检，90%的检测激光透过部分反射膜进入到了火工品药剂表面。考虑到自检系统的安全性，目前在激光火工品单波长自检系统的实际应用中，系统检测激光功率的安全上限一般为火工品不发火功率的1/10 000[6]。

在双波长工作模式中，检测激光和点火激光具有不同的波长。系统自检时，采用检测波长激光器输出小功率连续激光，用于系统光路完整性检测；系统发火时，采用发火波长激光器输出大功率脉冲激光，用于起爆、点火。双波长工作模式中激光火工品的光学窗口镀有分色滤光膜，可以实现对发火波长激光的完全透射和对检测波长激光的完全反射。在双波长工作模式中，检测激光几乎被分色滤光膜完全反射进入检测回路，进入到产品药面的检测激光不足 1%。而在单波长检测模式中，有90%的检测激光进入到了产品药面。设两种检测模式实际进入到产品药面的检测激光功率相同，单波长检测的激光功率为T1，双波长检测的激光功率为T2，火工品的不发火功率为E，则有

又因为

所以：

即双波长工作模式的检测激光功率安全上限应为火工品不发火功率的 1/100。这样设计双波长工作模式的检测功率安全上限不但保证了系统的安全性，而且将检测激光的功率提升了100倍，有利于检测装置对回馈信号的检测和识别。

2 激光起爆器不发火功率试验

根据前面的分析，为了确定激光起爆器的自检激光功率安全上限，首先要获得激光起爆器的不发火功率。在目前的研究中，激光起爆器的不发火功率一般是在脉冲点火激光输入下进行测试的，点火激光具有短脉冲、高功率的特点，脉冲时间一般为 10ms。但对于自检系统的安全性而言，输入到激光火工品的检测激光为连续形式，在连续激光输入下，由于激光照射到药剂的时间较长，存在热积累因素的影响，所以产品的不发火功率必然与脉冲激光输入下的产品不发火功率存在差异。因此，本研究根据检测激光的特点，在连续激光输入条件下，对激光起爆器的不发火功率进行了测试。

2.1 试验方法

试验分为2个步骤：第1步先通过感度试验获得激光起爆器在连续激光输入下的感度参数，第2步再根据获得的产品感度参数计算激光起爆器的不发火功率。

由于试验前对激光起爆器的感度均值及标准差信息了解比较少，加之激光火工品的试验成本较高、数量有限，为了在有限的试验样本下得到比较精确的统计结果，采用可靠性感度试验方法对起爆器进行感度试验。相比传统的兰利法、升降法，D优化法较在试验者对样品感度参数没有经验估计值的情况下，也能有效地得出较准确的参数估计值[7]。

在连续激光输入条件下，考虑到热积聚作用的影响，试验中参考电起爆器1A1W5min不发火的安全性要求，控制施加在各个试验功率点上的连续激光时间为5min。

假定激光起爆器的感度服从对数正态分布，通过感度试验得出产品的感度均值μguess和标准差估计值后，产品的0.1%发火功率点即产品的不发火功率，可通过下式计算：

式（5）中：χ001.0为产品不发火功率，μ001.0为标准正态分布的0.001分位数。

2.2 试验装置

激光火工品不发火功率测试系统如图1所示。包括的设备主要有LDX3680激光二极管程控电流源、10W激光二极管、光功率计、Φ100/140µm传输光缆。

图1 激光火工品不发火功率试验系统Fig.1 Test system for the no-fire test of laser initiator

试验对装药为BNCP的激光起爆器，在连续激光输入条件下进行了感度试验。试验中通过激光二极管程控电流源控制施加在各个试验功率点上的连续激光时间为5min，在每个发火点测试前，根据D优化感度试验方法给出的刺激能量值，通过调节程控电流源的输出电流，控制激光二极管的输出，得到各个测试功率点值，并在发火前用光功率计测定记录下输入激光功率值。

2.3 试验结果

表1为在连续激光输入下，按D优化感度试验方法进行的BNCP激光起爆器的感度试验数据。激光起爆器感度分布选择对数正态分布，刺激量上下限分别为100mW和10mW，标准差预估值设为1。

表1 连续激光输入下BNCP激光起爆器感度试验数据Tab.1 Data of no-fire test for BNCP laser initiator with CW laser input

通过计算，连续激光输入形式下BNCP激光起爆器的感度参数估计如表2所示，产品的感度均值μguess为62.9mW，标准差估计值σguess为0.32，将μguess和σguess的值带入式(5)，得到BNCP激光起爆器的不发火功率为23.4mW。

表2 连续激光输入条件下BNCP激光起爆器感度参数估计Tab.2 Data of sensitivity test for BNCP laser initiator with CW laser input

3 激光起爆器检测激光功率安全上限的确定

根据对检测激光功率安全上限的分析，单波长自检系统的检测激光功率安全上限应为激光火工品不发火功率的1/10 000，双波长自检系统的检测激光功率安全上限应为激光火工品不发火功率的 1/100。对于BNCP激光起爆器，其在连续激光输入下的不发火功率为23.4mW。根据上述安全上限原则，在单波长自检系统和双波长自检系统中，BNCP激光起爆器的检测功率安全上限应分别为2.34µW和234µW。

根据得到的激光起爆器检测功率安全上限，采用双波长自检系统对 BNCP激光起爆器进行了自检功能试验。试验中将检测激光的功率设置为220µW，先对10发激光起爆器进行了自检试验，自检完毕后又对激光起爆器进行了发火试验，结果见表3。表3所示10发产品中，5#和9#激光起爆器为已知故障产品，其光能耦合窗口存在结构缺陷，系统发火时输入激光能量为10mJ。

表3 BNCP激光起爆器自检系统功能试验结果Tab.3 Data of BIT test for BNCP laser initiator

由试验结果可以看出当系统检测激光功率为220µW时，反馈回路中的微弱检测激光信号可以被系统检测到，通过检测回馈激光功率的大小可以判断出故障产品，实现了系统光路完整性自检功能，并且在整个自检测试过程中10发产品均未发生意外作用，验证了 BNCP激光起爆器自检激光功率安全上限设计的合理性。此外，在完成自检后的发火试验中，除了2发故障产品外，其余产品都正常作用，说明在双波长检测中，所设定功率的检测激光未对起爆器的药剂性能造成破坏，没有影响系统的正常发火。

4 结 论

（1）双波长自检系统的检测激光功率安全上限应为激光火工品不发火功率的1/100。

（2）采用D优化感度试验方法测定了连续激光输入条件下BNCP激光起爆器的不发火功率，其不发火功率为23.4mW。

（3）对于BNCP起爆器，在单/双波长自检系统中，系统的检测激光功率安全上限分别为2.34µW和234µW。通过BNCP激光起爆器自检系统功能试验，验证了起爆器检测功率安全上限设计的合理性，为激光火工品光路完整性自检系统的设计提供了参考依据。

[1]尹国福,鲁建存,贺爱锋,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．

[2]尹国福,鲁建存,贺爱锋,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．

[3]James L.Hendrix. No moving parts safe&arm appratus and method with monitoring and build-in-test for optical firing of explosive systems:USP:54004820[P].1996-04-03.

[4]Fahey WD, Car valho JE. Optical built-in-test (BIT) for laser(diode) initiation systems. [C]//38th AIAA Joint Propulsion Conference & Exhibit. Washington DC: American Institute of Aeronautics and Astronautics,2002.

[5]尹国福,鲁建存,刘彦义,等.激光火工品系统自动检测电路的噪声分析与抑制[J].火工品,2010(5): 41-45．

[6]Criteria for explosive systems and devices used on launch and space vehicles [R]. AIAA S-113-2005,2005.

[7]付东晓,张蕊.不同先验信息下 D-优化法的估值精度及其适用性[J].含能材料,2009,17(3):340-343．