一种激光起爆系统检测技术.pdf

爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 1 卷第4 期 一种激光起爆系统检测技术’ 匡治兵 贵州久联民爆器材发展股份有限公司 贵州贵阳，5 5 0 0 0 1 [ 摘要]介绍激光起爆系统的主要构成及研究进展，针对激光起爆系统检测的难点，提出了一种简单、可行的检 测方法。该文重点进行了激光起爆系统的外置式检测技术研究，包括激光起爆器的光路设计、检测光纤设计和耦 合结构设计，并通过试验验证，解决了激光起爆器光路定量反射的问题，可为武器、航空航天等高可靠系统提供一 定借鉴。 [ 关键词] 激光起爆器检测反射 [ 分类号] T J 4 5 0 ．4 引言 近年来，由于静电、射频和杂散电流等因素导致 了大量弹药系统的意外事故，而这些系统中均使用 了电火工品。为此电火工品对电磁环境的适应能力 引起人们的广泛注意。而激光火工品技术的发展， 无疑是解决这一问题的极好途径。据有关资料报 道，在9 0 年代美国国防部、能源部、航天航空局将激 光火工技术列入重点关键技术进行发展，目前已装 备于小型洲际导弹、F 1 6 A 飞机用飞行员逃生系统 以及空空导弹系统；1 9 9 2 年美军M I L s T D 1 9 0 l 首次要求把激光点火用于直列式点火，把激光点火 应用在航空、航天和军事领域J 。 激光起爆系统的自诊断技术，是指在发火前，控 制激光器产生微弱的荧光信号对光纤传输网络进行 无损检测的技术，一直以来都是系统设计的难点。 国外从2 0 世纪8 0 年代开始对激光起爆系统的光纤 传输网络进行光路连续性和完整性的研究。先后提 出了内置式和外置式两种自诊断技术，且已配备于 部分武器型号，如麦道道格拉斯导弹系统公司在为 空空导弹设计的激光起爆子系统中心J ，就采用了外 置式自诊断技术。它利用一条专用的检测光纤，收 集反射光信号并传输至光电探测器，根据接受的光 信号强弱来进行诊断。采用外置式诊断技术的激光 发火系统，其结构原理示意图见图l 。 控制系统 发火光纤 I 激光器I l 探测删 蛤涮辄纤 图1外置式自诊断激光发火系统原理图 激光起爆系统的检测涉及到激光起爆器的结构 以及光纤连接、光学透镜等光学元器件的设计、加工 以及安装∞引。本文结合激光起爆器系统的检测试 验，提出了一种满足外置式系统检测的设计方案。 1 激光起爆系统检测设计 本试验设计了三级多路激光起爆系统，结构见 图2 。 图2 激光起爆系统结构图 激光起爆系统由控制系统、激光器、光纤网络、 激光起爆器等组成。其中控制系统驱动激光器，发 火时给出高功率激光；检测时给出低功率荧光。当 系统自检时，激光器发出功率很小的荧光信号，荧光 信号通过发火光纤传输至激光起爆器。激光起爆器 按照规定的反射比例将荧光信号耦合进入检测光 纤，并传输至探测器。根据探测器接受的荧光信号 强弱，可计算出光纤系统的传输效率，从而诊断光纤 系统的完好性，该检测模式实为定量检测。 因此，激光起爆系统的检测设计主要包括3 个 方面激光起爆器的光路检测设计、检测光纤设计、 耦合结构设计。 1 ．1 激光起爆器检测设计 从系统检测原理可以看出，激光起爆器在系统 收稿日期2 0 1 2 - 0 2 - 2 1 作者筒介匡治兵 1 9 7 7 一 ，男，工程师，主要从事火工品设计及工艺研究。E ．m a i l k a h i b i 1 2 6 ．c o r n 万方数据 2 0 1 2 年8 月 一种激光起爆系统检测技术匡治兵 自检时，起到一个荧光信号反射的作用，为系统诊断 提供一定比例的反射光返回到控制系统的探测器， 使其能判断光路传输连续性。为实现这种定量检测 模式，激光起爆器的反射率，作为激光发火系统自检 的关键技术之一，必须被严格要求。因此，起爆器必 须内置一个光窗口来完成此项功能。 光窗口性能上需要满足在系统发火时可透过大 部分的激光能量；在系统检测时可反射一定量的荧 光信号。激光起爆器的检测光路设计见图3 ，图中 显示了光窗口反射的原理。 H 窗1 1 泔7 ．r掉f J ． 反射光 △堑堂． 图3 激光起爆器检测光路原理图 检测光信号通过光纤网络传输到激光起爆器 中，检测光信号在光纤末端出光后进入光窗口。光窗 口按照预定的光路设计，将检测光信号进行定量反 射，通过结构设计使反射信号耦合进人检测光纤，再 传输至探测器中进行判定。 作为激光起爆器的光窗口，需要满足以下性能 要求一是对透射光能量尽可能地减少损耗- - - 是尽 可能减小对光斑的发散；三是对光有一定的反射作 用，且能够便于将反射光信号耦合进入检测光纤。 为此，采用了光学玻璃材料进行多种平面透镜组合 的设计，比如平面镜、单凸透镜、双凸透镜组[ 7 引，但 是光在这些窗口反射率较低，且个体间差异较大，为 光路检测设计带来问题。自聚焦透镜的引入很好地 满足了上述性能要求，经过多次试验，最后采用l ／ 4 P 自聚焦透镜作为光学窗口【9 】。 根据要求设计了激光起爆器的结构，见图4 。 1 一自聚焦透镜组；2 一双芯陶瓷芯；3 一单芯陶瓷芯； 4 一导销 图4 激光起爆器结构图 激光起爆器的结构设计包括两个单芯陶瓷芯 一个装有检测光纤，一个装有发火光纤；一个双芯陶 瓷芯，它是把检测光纤和发火光纤装入陶瓷插芯的 内孔中，有较好的对称兮布性，其加工的同轴度、尺 寸精度均要求控制在微米的量级；光学窗口采用的 是自聚焦透镜组，两种自聚焦透镜设计状态如下在 第一个透镜后端面镀1 5 ％定量反射膜，在第二个透 镜的两端面镀大于9 9 ％的增透膜。检测时，入射光 通过第一个自聚焦透镜的后端面反射到检测光纤 中，通过反射光通量的大小可以诊断系统的完好性。 1 ．2 检测光纤设计 从自聚焦透镜的光路原理可以看出，通过1 ／4 P 自聚焦透镜后端面反射的光斑位置，始终与入射光 斑位置呈中心对称。因此，检测用的光纤设计上，要 保持与入射光纤的中心对称，这样才有利于接受到 较多的反射光能量。试验采用的方法是使用两根直 径一样的光纤，装入2 倍直径的精密内孔中，周围用 胶液填充固化后再进行端面打磨。 陶瓷插芯是提供精密内孔的理想元件，其优点 是外表光滑且精度很高，便于清洁。目前通信行业 广泛使用于光纤连接的耦合，它们是一种由纳米氧 化锆 Z r O 经一系列配方，加工而成的高精度特种 陶瓷元件，见图5 。 嗨嚼噶嗨噶 飞飞飞飞飞 图5 陶瓷插芯及带金属座陶瓷插针 激光起爆器内装的检测光纤和发火光纤，装入 陶瓷插芯的内孔中，其内孔已经被精确地加工至 0 2 5 0 舭, n 。内装2 根直径为0 1 2 5 1 a J n 的光纤。所以 光纤装人陶瓷插芯后，能较好地对称分布。光纤分 布的结构示意图见图6 。其内孔直径为∞．2 5 盛 m m ，外圆直径为眈．5 p 晰m m 。其加工的同轴度、 尺寸精度均可控制在微米的量级。 1 一光纤；2 一光纤包层；3 一陶瓷插芯；4 一胶粘剂 图6双芯光纤分布图 1 ．3 耦合结构设计 要使得检测光纤收集到检测光信号，必须保证 、Z ∥，。≮ ，■旦 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 1 卷第4 期 反射光路与检测光纤位置重合，匹配方式耦合通过 零件精度来保证。 光纤传输中光连接器的作用是把光纤端面精密 地对接，使传输的能量最大限度地耦合到接收光纤 中。试验采用的光纤耦合技术是C 形陶瓷套管和 陶瓷插芯，因为其加工容易且精度很高。c 形陶瓷 套管的结构示意图见图7 。套管的内孔直径精度在 微米级，为0 2 ．4 9 3 u _ o ．0 0 4 l m 。 图7C 形陶瓷套管示意图 单位，皿 2 试验 试验使用了8 0 8n m 半导体激光器、半导体驱动 电源、光能量计、自制的双光纤等。将合格的激光起 爆器与光缆插座连接，进行重复插拔3 次的反射率 测试。试验规定了入射光纤的能量为1 0 0m w ，检 测光纤的能量大小，根据其比值计算激光起爆器的 反射率 表1 。 表1测试数据 从测试数据看，产品的反射率可控制在4 ．8 2 ％ 一5 ．3 6 ％的范围。重复插拔测试反射率有一定的差 异。最大的范围相差0 ．2 7 ％。这是由于光连接器重 复插拔，导致损耗不一致的原因。 目前，该问题是激光起爆器存在的固有特性，这 是重复连接器插拔损耗不一致的原因。要解决该问 题还有待光连接器的性能的提高。 3 结论 通过对激光起爆系统研制进程的介绍，对激光 起爆系统的检测技术进行研究和试验分析，提出了 一种外置式自诊断系统检测技术，并解决了激光起 爆器的光路定量反射问题。 参考文献 [ 1 ]赵兴海，高杨，赵翔．激光起爆技术研究进展[ J ] ．红外 与激光工程，2 0 0 9 ，3 8 5 7 9 7 - 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t e s tt e c h n i q u eo ft h el a s e ri n i t i a t i o ns y s t e m ， i n c l u d i n gt h ed e s i g no fo p t i c a lp a t hi nl a s e ri n i t i a t i o nd e v i c e ，d e t e c t i o no p t i c a lf i b e ra n de o u p h n gs t r u c t u r e ．I ts o l v e st h e p r o b l e mo fq u o t ar e f l e c t i o no n ] l i n e ri n i t i a t i o nd e v i c eo p 幢c 血p a t hb ym e s n 8o fe x a m i n a t i o nv a l i d a t i o n ．T h ed e s i g nc a l lp r o - v i d er e f e r e n c e dv a l u ef o rh i g l lr e l i a b l e 印p l i c a t i o ns y s t e m ss u c ha Sw e a p o na n da e r o s p a c es y s t e m s ． [ K E YW O R D S ] l s s ．，．ri n i t i a t i o nd e v i s e ，d e t e c t i o n ，r e f l e c t i o n 万方数据