徐奉一，張 蕊，賀愛鋒，陳建華，井 波，李 明

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

激光火工品系統(tǒng)自檢技術(shù)是激光火工品系統(tǒng)可靠性保障的關(guān)鍵技術(shù)之一。在激光火工品系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，傳輸光纜的彎曲、斷裂，光纖連接器端面的污染、燒蝕，以及激光火工品光學(xué)窗口的結(jié)構(gòu)破損等問題都會造成系統(tǒng)光能傳輸效率降低，破壞系統(tǒng)傳輸光路的完整性，影響系統(tǒng)的正常發(fā)火。具有自檢功能的激光火工品系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)發(fā)火之前，以不影響激光火工品性能的連續(xù)小功率激光對系統(tǒng)進行光路完整性檢測[1-2]，判定系統(tǒng)健康狀態(tài)，保證系統(tǒng)發(fā)火時的可靠性，是一項具有廣闊應(yīng)用前景的高新技術(shù)。

目前激光火工品自檢技術(shù)都是采用小功率連續(xù)檢測激光來實現(xiàn)的[3-4]，自檢時系統(tǒng)控制激光器發(fā)射連續(xù)檢測激光，檢測激光通過系統(tǒng)傳輸光路到達激光火工品光學(xué)窗口，經(jīng)光學(xué)窗口上反射膜層的反射進入檢測回路中的檢測裝置，檢測裝置根據(jù)接收到的激光功率大小，給出系統(tǒng)傳輸光路完整性的判定。在自檢系統(tǒng)設(shè)計之初，為了確保系統(tǒng)的安全性與可靠性，連續(xù)檢測激光功率不但必須要遠低于激光火工品的發(fā)火閾值，而且經(jīng)反射后進入到檢測回路中的連續(xù)激光還要具有一定的功率強度，太低的檢測激光功率會使得檢測信號淹沒在噪聲中，不利于接收和識別[5]。因此，檢測激光功率安全上限設(shè)計的合理性就成為自檢系統(tǒng)設(shè)計中首先要解決的問題。

1 激光火工自檢系統(tǒng)檢測功率安全上限分析

目前激光火工品自檢系統(tǒng)主要有兩種實現(xiàn)方式：單波長工作模式和雙波長工作模式。在單波長工作模式中，檢測激光和點火激光具有相同的波長，系統(tǒng)利用大電流驅(qū)動激光器發(fā)射大功率脈沖激光用來起爆、點火，用小電流驅(qū)動激光器發(fā)射小功率連續(xù)檢測激光來完成光路完整性檢測。這種單波長模式的自檢通常要在激光火工品的光學(xué)窗口上鍍部分反射膜（反射率一般為10%左右）來實現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射小功率連續(xù)檢測激光時，10%的檢測激光被部分反射膜反射進入檢測回路完成系統(tǒng)自檢，90%的檢測激光透過部分反射膜進入到了火工品藥劑表面?？紤]到自檢系統(tǒng)的安全性，目前在激光火工品單波長自檢系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，系統(tǒng)檢測激光功率的安全上限一般為火工品不發(fā)火功率的1/10 000[6]。

在雙波長工作模式中，檢測激光和點火激光具有不同的波長。系統(tǒng)自檢時，采用檢測波長激光器輸出小功率連續(xù)激光，用于系統(tǒng)光路完整性檢測；系統(tǒng)發(fā)火時，采用發(fā)火波長激光器輸出大功率脈沖激光，用于起爆、點火。雙波長工作模式中激光火工品的光學(xué)窗口鍍有分色濾光膜，可以實現(xiàn)對發(fā)火波長激光的完全透射和對檢測波長激光的完全反射。在雙波長工作模式中，檢測激光幾乎被分色濾光膜完全反射進入檢測回路，進入到產(chǎn)品藥面的檢測激光不足 1%。而在單波長檢測模式中，有90%的檢測激光進入到了產(chǎn)品藥面。設(shè)兩種檢測模式實際進入到產(chǎn)品藥面的檢測激光功率相同，單波長檢測的激光功率為T1，雙波長檢測的激光功率為T2，火工品的不發(fā)火功率為E，則有

又因為

所以：

即雙波長工作模式的檢測激光功率安全上限應(yīng)為火工品不發(fā)火功率的 1/100。這樣設(shè)計雙波長工作模式的檢測功率安全上限不但保證了系統(tǒng)的安全性，而且將檢測激光的功率提升了100倍，有利于檢測裝置對回饋信號的檢測和識別。

2 激光起爆器不發(fā)火功率試驗

根據(jù)前面的分析，為了確定激光起爆器的自檢激光功率安全上限，首先要獲得激光起爆器的不發(fā)火功率。在目前的研究中，激光起爆器的不發(fā)火功率一般是在脈沖點火激光輸入下進行測試的，點火激光具有短脈沖、高功率的特點，脈沖時間一般為 10ms。但對于自檢系統(tǒng)的安全性而言，輸入到激光火工品的檢測激光為連續(xù)形式，在連續(xù)激光輸入下，由于激光照射到藥劑的時間較長，存在熱積累因素的影響，所以產(chǎn)品的不發(fā)火功率必然與脈沖激光輸入下的產(chǎn)品不發(fā)火功率存在差異。因此，本研究根據(jù)檢測激光的特點，在連續(xù)激光輸入條件下，對激光起爆器的不發(fā)火功率進行了測試。

2.1 試驗方法

試驗分為2個步驟：第1步先通過感度試驗獲得激光起爆器在連續(xù)激光輸入下的感度參數(shù)，第2步再根據(jù)獲得的產(chǎn)品感度參數(shù)計算激光起爆器的不發(fā)火功率。

由于試驗前對激光起爆器的感度均值及標準差信息了解比較少，加之激光火工品的試驗成本較高、數(shù)量有限，為了在有限的試驗樣本下得到比較精確的統(tǒng)計結(jié)果，采用可靠性感度試驗方法對起爆器進行感度試驗。相比傳統(tǒng)的蘭利法、升降法，D優(yōu)化法較在試驗者對樣品感度參數(shù)沒有經(jīng)驗估計值的情況下，也能有效地得出較準確的參數(shù)估計值[7]。

在連續(xù)激光輸入條件下，考慮到熱積聚作用的影響，試驗中參考電起爆器1A1W5min不發(fā)火的安全性要求，控制施加在各個試驗功率點上的連續(xù)激光時間為5min。

假定激光起爆器的感度服從對數(shù)正態(tài)分布，通過感度試驗得出產(chǎn)品的感度均值μguess和標準差估計值后，產(chǎn)品的0.1%發(fā)火功率點即產(chǎn)品的不發(fā)火功率，可通過下式計算：

式（5）中：χ001.0為產(chǎn)品不發(fā)火功率，μ001.0為標準正態(tài)分布的0.001分位數(shù)。

2.2 試驗裝置

激光火工品不發(fā)火功率測試系統(tǒng)如圖1所示。包括的設(shè)備主要有LDX3680激光二極管程控電流源、10W激光二極管、光功率計、Φ100/140μm傳輸光纜。

圖1 激光火工品不發(fā)火功率試驗系統(tǒng)Fig.1 Test system for the no-fire test of laser initiator

試驗對裝藥為BNCP的激光起爆器，在連續(xù)激光輸入條件下進行了感度試驗。試驗中通過激光二極管程控電流源控制施加在各個試驗功率點上的連續(xù)激光時間為5min，在每個發(fā)火點測試前，根據(jù)D優(yōu)化感度試驗方法給出的刺激能量值，通過調(diào)節(jié)程控電流源的輸出電流，控制激光二極管的輸出，得到各個測試功率點值，并在發(fā)火前用光功率計測定記錄下輸入激光功率值。

2.3 試驗結(jié)果

表1為在連續(xù)激光輸入下，按D優(yōu)化感度試驗方法進行的BNCP激光起爆器的感度試驗數(shù)據(jù)。激光起爆器感度分布選擇對數(shù)正態(tài)分布，刺激量上下限分別為100mW和10mW，標準差預(yù)估值設(shè)為1。

表1 連續(xù)激光輸入下BNCP激光起爆器感度試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Data of no-fire test for BNCP laser initiator with CW laser input

通過計算，連續(xù)激光輸入形式下BNCP激光起爆器的感度參數(shù)估計如表2所示，產(chǎn)品的感度均值μguess為62.9mW，標準差估計值σguess為0.32，將μguess和σguess的值帶入式(5)，得到BNCP激光起爆器的不發(fā)火功率為23.4mW。

表2 連續(xù)激光輸入條件下BNCP激光起爆器感度參數(shù)估計Tab.2 Data of sensitivity test for BNCP laser initiator with CW laser input

3 激光起爆器檢測激光功率安全上限的確定

根據(jù)對檢測激光功率安全上限的分析，單波長自檢系統(tǒng)的檢測激光功率安全上限應(yīng)為激光火工品不發(fā)火功率的1/10 000，雙波長自檢系統(tǒng)的檢測激光功率安全上限應(yīng)為激光火工品不發(fā)火功率的 1/100。對于BNCP激光起爆器，其在連續(xù)激光輸入下的不發(fā)火功率為23.4mW。根據(jù)上述安全上限原則，在單波長自檢系統(tǒng)和雙波長自檢系統(tǒng)中，BNCP激光起爆器的檢測功率安全上限應(yīng)分別為2.34μW和234μW。

根據(jù)得到的激光起爆器檢測功率安全上限，采用雙波長自檢系統(tǒng)對 BNCP激光起爆器進行了自檢功能試驗。試驗中將檢測激光的功率設(shè)置為220μW，先對10發(fā)激光起爆器進行了自檢試驗，自檢完畢后又對激光起爆器進行了發(fā)火試驗，結(jié)果見表3。表3所示10發(fā)產(chǎn)品中，5#和9#激光起爆器為已知故障產(chǎn)品，其光能耦合窗口存在結(jié)構(gòu)缺陷，系統(tǒng)發(fā)火時輸入激光能量為10mJ。

表3 BNCP激光起爆器自檢系統(tǒng)功能試驗結(jié)果Tab.3 Data of BIT test for BNCP laser initiator

由試驗結(jié)果可以看出當(dāng)系統(tǒng)檢測激光功率為220μW時，反饋回路中的微弱檢測激光信號可以被系統(tǒng)檢測到，通過檢測回饋激光功率的大小可以判斷出故障產(chǎn)品，實現(xiàn)了系統(tǒng)光路完整性自檢功能，并且在整個自檢測試過程中10發(fā)產(chǎn)品均未發(fā)生意外作用，驗證了 BNCP激光起爆器自檢激光功率安全上限設(shè)計的合理性。此外，在完成自檢后的發(fā)火試驗中，除了2發(fā)故障產(chǎn)品外，其余產(chǎn)品都正常作用，說明在雙波長檢測中，所設(shè)定功率的檢測激光未對起爆器的藥劑性能造成破壞，沒有影響系統(tǒng)的正常發(fā)火。

4 結(jié) 論

（1）雙波長自檢系統(tǒng)的檢測激光功率安全上限應(yīng)為激光火工品不發(fā)火功率的1/100。

（2）采用D優(yōu)化感度試驗方法測定了連續(xù)激光輸入條件下BNCP激光起爆器的不發(fā)火功率，其不發(fā)火功率為23.4mW。

（3）對于BNCP起爆器，在單/雙波長自檢系統(tǒng)中，系統(tǒng)的檢測激光功率安全上限分別為2.34μW和234μW。通過BNCP激光起爆器自檢系統(tǒng)功能試驗，驗證了起爆器檢測功率安全上限設(shè)計的合理性，為激光火工品光路完整性自檢系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

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[2]尹國福,魯建存,賀愛鋒,等.激光火工品系統(tǒng)自動檢測技術(shù)研究[J].測試技術(shù)學(xué)報,2010,24(4):344-350．

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[7]付東曉,張蕊.不同先驗信息下 D-優(yōu)化法的估值精度及其適用性[J].含能材料,2009,17(3):340-343．