一種單光路激光點火系統通路分析方法

葉志鵬　賈睿　吳強　郭聞昊　高雅　李華濱

摘? ?要：研究了激光點火系統通路分析方法，首先給出了單光路激光點火系統光路傳輸模型，接下來提出了一種光通路分析方法，分別分析了光路連接器數目對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應的光通路判據和激光火工品正常工作判據，提高了分析方法的適應性和準確性.試驗證明，所提出的單光路激光點火系統分析方法的正確性，為箭載控制計算機軟件提供設計依據.

關鍵詞：點火系統;固態激光器;光學工程;單光路模型;光通路檢測.

中圖分類號：TP391.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：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

激光點火系統內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）在傳輸線路上產生的感應電流，從根本上解決了火工品的電磁環境安全問題，因而激光火工品內部結構簡單，可靠性高[1]，為激光點火裝置小型化提供了良好的前景.

激光點火系統根據傳輸光路數量不同可分為雙光纖光路和單光纖光路兩類.雙光纖光路檢測方案發火通路與檢測通路各用一根光纖，其檢測原理是利用激光器發出低功率熒光，通過發火光纖傳輸至起爆器，經過光窗口反射后部分反射光再耦合進入檢測光纖反向傳輸，到達光探測器從而判斷光路狀態.雙光纖光路檢測面臨的主要問題是難以證明低功率熒光與高功率點火激光光路狀態的一致性，不利于準確檢測光路狀態.單光纖光路檢測方案是一種光纖耦合技術，即發火通路與檢測通路共用一根光纖.檢測時控制激光器發出低功率光并傳輸至激光起爆器光窗口，經過反射后大部分反射光沿光纖反向傳輸，經分束器到達光探測器，根據測量結果判斷光路狀態.單光路方案解決了雙光路方案的一致性難題，且光路結構簡單可靠，獲得了廣泛的關注.

國內外關于激光點火技術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（hot spot）與點火溫度和持續時間之間的關系.隨著激光器小型化及激光二極管、低損耗光纖的出現，美國在20世紀八九十年代開展了大量激光火工品的工程應用研究，并突破了多項工程應用關鍵技術.1992年，美國軍事標準“火箭彈和導彈發動機點火系統設計安全準則”（MIL-STD-1901）中首次提出了將激光點火系統用于直列式點火的要求;1993年McDonnell Douglas導彈系統公司發展了用于空空導彈的激光點火子系統[3];Jacobs等[4]采用兩種不同波長的激光完成了光纜網完整性檢測;NASA于1995年在飛馬座空基運載火箭上進行了激光起爆試驗，取得了成功，驗證了此類產品的可靠性[5];2002年，Quantic工業公司開發了用于激光點火的在線光回路檢測系統[6];NASA發布的標準《發射和空間飛行器用爆炸系統和裝置鑒定》[7]中已要求激光火工品應采用系統嵌入式自檢.目前，激光點火相關產品在國外已發展為較為成熟的貨架產品.

我國陜西物理化學研究所早在1975年就開展了激光引爆炸藥的實驗研究，在“九·五”期間對激光點火機理進行了初步研究，并實現了用于火炮發射的激光點火器.魯建存[8]介紹了激光反射率的測定原理，利用45°定向法測定了起爆藥對釹玻璃脈沖的激光反射率;劉貫虹[9]介紹了由殼體、激光雷管和光導索組成的激光起爆器結構及其藥劑組成;2000年，川南機械廠利用半導體激光器實現了對煙火藥和鈍感猛炸藥的起爆，邁出了激光發火技術在航天火工品應用研究領域的第一步.此后，對于激光火工品的研究開始呈現百花齊放的趨勢.崔衛東等[10]研究了光纖直徑對起爆閾值和點火閾值的影

響.張秋芳等[11]對固體發動機激光點火裝置進行了研究，實現了雙路點火并具備了實際應用功能;韋愛勇等[12]對火工品藥劑激光敏感度進行了研究，獲得了常用火工藥劑粒徑能量吸收比;張小兵等[13]設計了一種多點均勻點火模擬裝置，通過光學玻璃窗耦合將能量分配到各燃點實現同時點火;李芳等[14]對激光起爆系統的可靠性進行了仿真研究，并對不同可靠度下所需激光器輸出能量進行了模擬計算;賀愛鋒等[15]對階躍與漸變折射多模光纖的軸偏離影響進行了理論分析;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律;王悅勇等[17]從激光器控制、激光火工品測試、激光起爆及裝藥、激光傳輸及光纜接插件等方面詳細敘述了激光點火系統的關鍵技術;曹軍勝[18]采用光分路方法和低功率窄脈沖測試技術研制出一種激光火工品反射率自動測試系統，提高了測試精度;曾雅琴等[19]設計了一種雙光纖光路自檢系統，建立了一種利用檢測光路損耗推導發火光路損耗的光能傳輸模型，提高了檢測光的接收率;祝明水等[20]針對激光點火系統的光路檢測問題，在激光火工品與藥劑接觸的光纖端面蒸鍍能透過點火激光而反射檢測激光的濾光膜片，通過判斷檢測激光反射電流大小判斷光路的連續性.曹軍勝[21- 22]介紹了一種基于雙光路的集成化三路多時序半導體激光點火系統;梅崴等[23]對大行程1×2MEMS光開關驅動結構及加工工藝進行了分析，證明了MEMS光開關能夠滿足激光點火系統應用需求.鄢銼等[24]測定了Al2O3陶瓷對CO2激光的折射率和吸收率.陳剛等[25]研究了CO2激光器對材料力學性能的影響.

國內現有研究大多停留在原理樣機階段，缺乏從總體角度對光路進行分析以及制定光路檢測判據的方法.本文針對單光路激光點火系統的光路檢測問題，從總體頂層設計角度提出了一種分析方法，對全光路進行了系統分析并給出了不同光路連接器對應的光通路判據.

1? ?單光路激光點火系統光通路計算

1.1? ?光通路分析模型

激光點火系統的起爆機理是在箭載計算機控制下，通過激光器電源驅動半導體激光器發出一定功率的光能，經光纖傳輸使激光火工品點火藥劑產生熱量，達到點火或起爆所需的熱能，從而起爆火工品.

對于單光路激光點火系統，通過在光路中傳輸不同波長的點火和檢測激光實現光路復用.點火前，利用檢測激光器通過測量光路中光強的衰減實現光路的通路檢測.點火時，利用點火激光器發出高能激光，沿相同光路傳輸起爆火工品.本文對單光路檢測激光傳輸系統進行了建模，火工品起爆前后光傳輸模型如圖1和圖2所示.圖中：P為發射光的光強;γ為激光器輸出光強;α為單個光纖連接器的衰減損耗;β為單個光纖連接器的回波損耗;n為連接器的個數;？準為反射膜的反射率，規定從激光器到火工品反射膜的傳播方向為正向.

無反射膜（未掛接激光火工品）時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）時光路的反射光功率按式（2）計算.

P = γβ（α0+α2+…+α2（n-1） ）+γ？準α2n

= γβα2i + γ？準α2n（2）

由此可根據檢測到的反射光功率計算光路衰減，制定光通路判據，從而判斷光路的通斷狀態.

1.2? ? 光通路分析

本文從總體設計角度出發，依據激光點火系統輸入指標，從上游激光點火控制模塊到下游激光火工品的全系統層級對單光路激光點火系統光通路進行系統分析，包括全光路衰減、干擾光功率分析和光通路檢測判據分析.

本文提出的光通路分析方法如圖3所示.首先分析了激光點火系統光纖連接器個數對全光路光強衰減的影響，得到了不同光路連接器數對應的光路衰減值;接下來聚焦激光點火控制模塊，對其內外光路進行綜合分析，得到光路連接器產生的回波反射引起的干擾光功率;最后綜合上述分析結果，給出不同光路連接器對應的激光點火系統通路檢測判據.

激光點火系統設計輸入指標如表1所示，其中區分度為光路中掛接與不掛接激光火工品對應的光路衰減的差值，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.點火與檢測激光器均采用成熟貨架產品，生產單位包括武漢光迅、中電44所等，廣泛應用于各類工業產品.激光火工品鍍膜采用蒸鍍方式，相關參數要求可參見文獻[20]? .

從頂層設計中指標閉合的角度考慮，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行分析.

1.2.1? ?全光路分析

對于單光路光纖，點火與檢測激光共用同一條光路，因此可通過點火激光的指標估計全光路衰減.根據式（1）和式（2）分別針對光路有無火工品反射膜（是否掛接火工品）進行了仿真計算，取單個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 = 95%，輸出點火激光功率為2.4 W，計算結果如表2和表3所示，相同連接器對應的掛接和不掛接火工品時光路的衰減差值越大，火工品點火起爆前后可區分性越好.

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生的干擾光強，從而更加準確地計算出反射光強，提高通路判據的準確性.干擾光傳輸光路如圖4所示.外光路光纜網包含的光纖連接器個數為n-1，n為外光路包含的光纖連接器總數.

激光經過第1個、第2個直至第n個光路連接器由回波反射所產生的光功率按式（3）計算.

P回=P0（β+α2β+α4β+…+α2nβ）? （3）

根據輸入指標，不同光纖連接器個數對應的回波損耗誤差如表4所示.從表中數據可以看出，光路中連接器個數越多，回波損耗產生的干擾光占比

越大.

以光纖連接器個數n = 6（包含火工品連接器）為例進行分析.忽略點火控制模塊內部的損耗，回波反射產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（換算成光通過率為0.1），可得出到達光功率計的光功率：

0.08 × 0.871 × 0.1 ≈ 0.007 W

檢測光經火工品反射膜反射到達控制模塊的功率：

P測=P0α2n ×0.95=2.4×0.87112×0.95=0.435 W

經過反向分光衰減，到達光功率計的功率為 0.435×0.871×0.1≈0.038 W.因此實測值中，干擾光占比為×100%=15.62%.

回波損耗造成的誤差為：

出于系統留取余量的考慮，向上取為0.74 dB.

1.2.3? ?光通路檢測判據分析

1.2.3.1? ?光通路檢測判據上限分析

以滿足指標約束為前提，取各指標臨界值進行分析.令到達點火頭反射面的激光功率為1.0 W.由激光器輸出點火功率為2.4 W，可以計算得到到達點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火工品反射膜的反射率計算.當反射率為95%時，反射膜處光的衰減為-10×log10 0.95 = 0.22 dB;測試光通過激光火工品光連接器時的最大損耗0.6 dB，因此測試光經歷來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器實際測量誤差（±0.5 dB）的影響，不同連接器個數對應的光路總衰減值上限值如表5和表6所示.出于判據加嚴的原則，取表5的計算結果作為判據上限.

以6個連接器為例，總衰減率應不大于（9.02-0.74-0.5） dB=7.78 dB.從頂層設計角度考慮需留取一定余量，因此對結果向下取整從而得到通路判據上限為7 dB.

1.2.3.2? ?光通路檢測判據下限分析

與判據上限可根據理論分析確定不同，通路檢測衰減率下限除受光路連接器個數、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和火工品最大耐受光強有關.同時，與上限分析具有明確的指標約束作為輸入不同，檢測激光器輸出的光功率1 mW小于光纜網最大耐受光強和火工品最大耐受功率，導致分析時沒有有效的光功率下限數據作為輸入，給計算帶來困難.

為解決這一問題，針對單光纖光路激光點火系統的特點，在進行通路檢測判據下限分析時，借用火工品掛接狀態點火激光的功率數據，同時忽略全光路最大耐受光強，分析結果如表7所示.

當光路中連接器數為9個及以上時，光通路判據上限小于下限導致無實際應用意義.因此光路中連接器個數應控制在8個以內，表7給出了相應光通路檢測判據.對光路進行檢測時，若測得的光路衰減值超出了判據范圍，則認為光路出現異常，應進行排查.

1.2.3.3? ?火工品正常起爆判據

火工品起爆后反射鍍膜被破壞，光路為無反射膜狀態.因此若測得的光路衰減值同時大于通路判據和區分度，即可認為火工品正常起爆.例如，光路中包含4個連接器時，若光路衰減大于8 dB，則可認為激光火工品正常起爆.

2? ?試驗結果

發火試驗前后，分別利用光強計對7路激光火工品檢測光通路衰減值，以驗證上述分析方法所得判據的正確性.根據實際安裝需要，光纖連接器數目為5.試驗結果如表8、表9所示.從表中數據可以看出，全部實測值均滿足指標分析推導出的判據要求，證明了分析模型的合理性和判據的有效性.

3? ?結? ?論

本文提出了一種基于單光路激光點火系統的光通路分析方法，從頂層設計的角度對影響光路判據的因素進行了詳細分析，并給出了不同光路連接器數目對應的光通路判據和激光火工品正常工作判據.試驗結果表明，本文給出的單光路激光點火系統指標分析方法是有效的.

參考文獻

[1]? ? 王凱民，符綠化，楊志強. 激光點火系統的設計[J].火工品，1996（2）：31—37.

WANG K M，FU L H，YANG Z Q. Design of laser ignition system [J]. Initiators & Pyrotechnics，1996（2）：31—37.（In Chinese）

[2]? ? BOWDEN F P，YOFFE A D. Hot spots and the initiation of explosion[J]. Symposium on Combustion and Flame，and Explosion Phenomena，1948，3（1）：551—560.

[3]? ? SOLTZ B A. Laser diode apparatus for initiation of explosive devices：USA，5204490[P]. 1993-12-14.

[4]? ? JACOBS R. Laser initiated ordnance system optical fiber continuity test：USA，527053[P]. 1993-12-14.

[5]? ? BOUCHER C，SCHULZE N. Flight demonstration of laser diode initiated ordnance [C]// Proceedings of the 31st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Washington D C：AIAA，1995：1—14.

[6]? ? FAHEY W D，CARVALHO J E. Optical built-in-test（BIT） for laser（Diode） initiation systems [C]// Proceedings of the 38st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Indiana：AIAA，2002—3797.

[7]? ? ALEXANDER B D R. Criteria for explosive systems and devices used on space and launch vehicles：USA，AIAA S-113-2005 [P]. 2005-11-10.

[8]? ? 魯建存. 起爆藥的激光反射率[J].激光技術，1987，11（1）：51—54.

LU J C. Reflection rate of explosives [J]. Laser Technology，1987，11（1）：51—54.（In Chinese）

[9]? ? 劉貫虹. 激光起爆器[J].西北大學學報（自然科學版），1988，18（2）：69—73.

LIU G H. Laser ignitors [J]. Journal of Northwest University （Natural Science Edition），1988，18（2）：69—73.（In Chinese）

[10]? 崔衛東，朱升成，史紅漫，等. 光纖對激光起爆系統的影響[J].火工品，2000（3）：34—37.

CUI W D，ZHU S C，SHI H M，et al. Effects of optical fiber on laser firing and initiating system [J]. Initiators & Pyrotechnics，2000（3）：34—37.（In Chinese）

[11]? 張秋芳，黃強，梁月玫，等. 固體火箭發動機激光點火裝置研究[J].固體火箭技術，2001，24（2）：16—18.

ZHANG Q F，HUANG Q，LIANG Y M，et al. Research of laser ignition device for solid rocket motors [J]. Journal of Solid Rocket Technology，2001，24（2）：16—18.（In Chinese）

[12]? 韋愛勇，郭學彬，張杰濤. 常用火工品藥劑激光起爆試驗研究[J].含能材料，2004，12（4）：243—245.

WEI A Y，GUO X B，ZHANG J T. Experimental study on laser initiation of common explosive initiator composition [J]. Energetic Materials，2004，12（4）：243—245.（In Chinese）

[13]? 張小兵，袁亞雄，楊均勻，等. 激光點火技術的實驗研究和數值仿真[J].兵工學報，2006，27（3）：533—536.

ZHANG X B，YUAN Y X，YANG J Y，et al. Experimental study and numerical simulation on laser ignition processes [J]. Acta Armamentarii，2006，27（3）：533—536.（In Chinese）

[14]? 李芳，張蕊，李庚，等. 激光起爆系統可靠性模擬計算[J].火工品，2007（4）：39—42.

LI F，ZHANG R，LI G，et al. Reliability simulation of multi-way semiconductor laser initiation system [J]. Initiators & Pyrotechnics，2007（4）：39—42.（In Chinese）

[15]? 賀愛鋒，魯建存，劉舉鵬，等. 光纖軸偏離對激光能量傳輸的影響[J].火工品，2008（6）：42—44.

HE A F，LU J C，LIU J P，et al. Influence of axial offset in optical fiber connection on laser energy transmission[J]. Initiators & Pyrotechnics，2008 （6）：42—44.（In Chinese）

[16]? 魏繼鋒，嚴楠，華光，等. 激光點火系統溫度效應及其控制技術的研究[J].光學技術，2008，34（s1）：254—256.

WEI J F，YAN N，HUA G，et al.? Temperature effect of laser ignition system and control technology [J]. Optical Technique，2008，34（s1）：254—256.（In Chinese）

[17]? 王悅勇，麻永平，程偉民，等. 激光點火多路起爆關鍵技術及發展[J]. 火工品，2010（1）：53—56.

WANG Y Y，MA Y P，CHENG W M，et al.? Key technology and development of laser multi-initiation system [J]. Initiators & Pyrotechnics，2010（1）：53—56.（In Chinese）

[18]? 曹軍勝. 激光火工品反射特性的高精度自動測試[J].應用科技，2011，38（12）：1—4.

CAO J S. High-precision automatic test for laser initiators[J]. Applied Science and Technology，2011，38（12）：1—4.（In Chinese）

[19]? 曾雅琴，嚴楠，許燦■，等. 光路失效分析的檢測方法研究[J].北京理工大學學報，2012，32（8）：833—837.

ZENG Y Q，YAN N ，XU C Q，et al. Failure analysis of optical path with the help of built-in-test system [J]. Transactions of Beijing Institute of Technology，2012，32（8）：833—837.（In Chinese）

[20]? 祝明水，邢宗仁，蔣明，等. 激光火工品單光纖光路檢測技術

[J].含能材料，2014，22（4）：525—528.

ZHU M S，XING Z R，JIANG M，et al. Light path checking technology of laser ignited initiators with single optical fiber [J].Chinese Journal of Energetic Materials，2014，22（4）： 525—528. （In Chinese）

[21] 曹軍勝. 集成化半導體激光點火系統[J].儀器儀表學報，2014，35（6）：54—58.

CAO J S. Integrated semiconductor laser ignition system [J].? Chinese Journal of Scientific Instrument， 2014， 35（6）： 54—58. （In Chinese）

[22]? 曹軍勝. 半導體激光起爆試驗研究[J].激光雜志，2014，35（10）：29—32.

CAO J S. Experimental study on the initiation of semiconductor laser [J]. Lasernal，2014，35（10）：29—32.（In Chinese）

[23]? 梅崴，徐宇新，邢朝洋，等. 激光點火系統用1×2MEMS光開關研究[J].導航與控制，2017，16（1）：85—90.

MEI W，XU Y X，XING C Y，et al. Research of 1 ×2 MEMS optical switch for laser ignition system [J]. Navigation & Control，2017，16（1）：85—90.（In Chinese）

[24]? 鄢銼，李力鈞，李大生. Al2O3陶瓷對CO2激光吸收率試驗測定[J].湖南大學學報（自然科學版），2008，35（1）：41—44.

YAN C，LI L J，LI D S. Experimental measurement on the absorption coefficients of Al2O3 ceramics to CO2 laser radiation [J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences），2008，35（1）：41—44.（In Chinese）

[25]? 陳剛，黃宇，周明哲，等.如硬質合金YG8與D6A異種金屬CO2激光焊接接頭組織和性能的研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2017，44（12）：34—39

CHEN G，HUANG Y，ZHOU M Z，et al. Study of the microstructure and properties of YG8/D6A dissimilar metal CO2 laser welding joints[J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences），2017， 44（12）：34—39.（In Chinese）