CN112729774A - 共光路激光点火及通路损耗检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了共光路激光点火及通路损耗检测装置，设置有点火与检测激光源、波分复用器（3）、光纤耦合器（4）、起爆系统、数据处理系统以及标准反射器（12），所述点火与检测激光源连接波分复用器（3），波分复用器（3）、起爆系统、数据处理系统以及标准反射器（12）皆与光纤耦合器（4）相连接；本发明采用的发火共光路检测光路损耗的设计结构，通过克服检测激光光功率波动、温度漂移、双光缆不同轴等问题引起的光路损耗干扰，能够更可靠、准确的检测光路损耗值。

Description

共光路激光点火及通路损耗检测装置

技术领域

本发明涉及激光火控技术等领域，具体的说，是共光路激光点火及通路损耗检测装置。

背景技术

激光点火技术由于其特殊的点火机理，相比于传统的电火花点火技术具有以下优势：(1)激光点火技术采用非接触式点火方式，可以有效避免电极老化、腐蚀或积碳所产生的不利影响；(2)激光点火技术的点火位置可以根据需要深入油气混合物内部，减小了传热损失，缩短了火焰行程，能够有效改善燃烧特性，达到节能减排的目的；(3)激光点火技术可以提高点火能量，扩展了稀燃界限，具有较好的适用性和稳定性。

随着激光技术的发展与应用，激光点火技术进入蓬勃发展状态。激光点火、起爆技术先后用于逃生系统、空对地导弹、火箭发动机点火等。激光点火系统中，采用光波导进行能量传输，电磁寄生信号不复存在，点火药剂、炸药等与电源隔离，所以安全性、可靠性得到了加强。从现阶段使用情况来看，因光缆端面清洁度、光缆连接损耗等因素，激光点火装置多采用嵌入式光路检测功能的光路传输方案。

发明内容

本发明的目的在于提供共光路激光点火及通路损耗检测装置，采用与发火共光路检测光路损耗的设计结构，通过克服检测激光光功率波动、温度漂移、双光缆不同轴等问题引起的光路损耗干扰，能够更可靠、准确的检测光路损耗值。

本发明通过下述技术方案实现：共光路激光点火及通路损耗检测装置，设置有点火与检测激光源、波分复用器、光纤耦合器、起爆系统、数据处理系统以及标准反射器，所述点火与检测激光源连接波分复用器，波分复用器、起爆系统、数据处理系统以及标准反射器皆与光纤耦合器相连接。

所述点火与检测激光源包含火药引爆激光源和光路检测激光源；

所述波分复用器使检测激光与发火激光共光路耦合；

所述光纤耦合器对光路上的发射检测激光及返回检测激光分束；

所述起爆系统与火药相连接，用于传输激光并实现火药的起爆；

所述数据处理系统，接收光路中发射的检测激光和返回的检测激光，实现共光路上的发射、返回检测激光功率采样，对功率采样值进行数据处理求得功率值及光路损耗；

所述标准反射器为一种标准百分比反射器件，用来标定光路损耗及设备自检。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述点火与检测激光源包括电源模块、点火激光器及光路检测激光器，所述电源模块分别供电连接点火激光器及光路检测激光器，点火激光器和光路检测激光器皆与波分复用器通过尾纤的熔融焊接方式相连接；其中，电源模块用于向点火激光器及光路检测激光器提供工作电源。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述光路检测激光器的输出功率远远小于点火激光器的输出激光功率且低于安全阈值，能够降低意外发火风险。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述起爆系统设置有相互连接的光纤网络和起爆器，且光纤网络的非起爆器连接端和标准反射器共用光纤耦合器的一个端口；优选的，光纤网络通过光纤连接器分别与光纤耦合器和起爆器相连接，标准反射器亦通过光纤连接器与光纤耦合器相连接；其中，光纤网络用于进行激光的传输，起爆器与火药连接，利用传输过来的激光将火药引爆。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述数据处理系统设置有探测系统、功率采样模块和数据处理模块，所述光纤耦合器通过探测系统连接功率采样模块，功率采样模块连接数据处理模块；优选的，所述光纤耦合器通过尾纤熔融焊接的方式连接探测系统，探测系统连接功率采样模块，功率采样模块连接数据处理模块；其中，探测系统，接收光路中发射的检测激光和光路中返回的检测激光并转化为功率电信号；功率采样模块，实现对共光路上的发射、返回检测激光功率采样；数据处理模块，对功率采样值进行数据处理求得输出功率值及光路损耗。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述探测系统设置有发射激光探测器和反射激光探测器，所述光纤耦合器通过两个端口分别与发射激光探测器和反射激光探测器相连接；优选的，所述光纤耦合器的两个端口分别通过尾纤熔融焊接的方式连接发射激光探测器和反射激光探测器，发射激光探测器和反射激光探测器皆连接功率采样模块；其中，发射激光探测器用于接收光路中发射的检测激光并转化为功率电信号；反射激光探测器，用于接收光路中返回的激光并转化为功率电信号。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述发射激光探测器、反射激光探测器和功率采样模块皆采用相同结构，能够消除温度变化及电噪声带来的干扰。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述光纤耦合器采用分光比为99：1的2×2光纤耦合器，设置有4个端口。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明采用单光纤光路点火系统模型，区别于双光纤光路检测方案，能够直接有效探测光路上激光反射率或损耗值。

(2)本发明发火与光路检测采用不同激光光源，检测激光输出功率远远小于发火激光功率且低于安全阈值，大大降低了意外发火风险。

(3)本发明检测激光在光路上的发射功率、返回功率同时进行探测，避免因检测激光功率不稳定、温度漂移导致的光路损耗干扰

(4)本发明可以在光纤网络的前端根据需要插入标准反射器，用来校准光路损耗及设备自检；

(5)本发明中所用的光纤无源器件之间通过尾纤的熔融焊接相连，可减少连接器带来的损耗及后向反射干扰。

(6)本发明采用相同的功率探测器及采样模块，可消除温度变化及电噪声带来的干扰。

(7)本发明可直接定量的检测光路损耗值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图(起爆系统接入光纤耦合器)。

图2为本发明的结构示意图(标准反射器接入光纤耦合器)。

图3为本发明实现光路损耗值检测的理论模型图。

其中，1-点火激光器、2-光路检测激光器、3-波分复用器、4-光纤耦合器、5-光纤网络、6-起爆器、7-发射激光探测器、8-反射激光探测器、9-电源模块、10-功率采样模块、11-数据处理模块、12-标准反射器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1：

本发明设计出共光路激光点火及通路损耗检测装置，如图1、图2所示，特别采用下述设置方式：设置有点火与检测激光源、波分复用器3、光纤耦合器4、起爆系统、数据处理系统以及标准反射器12，所述点火与检测激光源连接波分复用器3，波分复用器3、起爆系统、数据处理系统以及标准反射器12皆与光纤耦合器4相连接。

所述点火与检测激光源包含火药引爆激光源和光路检测激光源；

所述波分复用器3使检测激光与发火激光共光路耦合；

所述光纤耦合器4对光路上的发射检测激光及返回检测激光分束；

所述起爆系统与火药相连接，用于传输激光并实现火药的起爆；

所述数据处理系统，接收光路中发射的检测激光和返回的检测激光，实现共光路上的发射、返回检测激光功率采样，对功率采样值进行数据处理求得功率值及光路损耗。

所述标准反射器12为一种标准百分比反射器件，用来标定光路损耗及设备自检。

使用时，波分复用器3将作为点火与检测激光源生成的火药引爆激光(即点火激光)和光路检测激光(即检测激光)的共光路耦合器件。

在点火功能模式下，点火与检测激光源生成火药引爆激光(即点火激光)经波分复用器3输出进入到光纤耦合器4中并经过分光输出后至起爆系统中用于进行火药的引爆，完成点火功能；

在光路损耗测量功能模式下，点火与检测激光源生成的光路检测激光(即检测激光)经波分复用器3输出进入到光纤耦合器4中，光纤耦合器4将检测激光输出至起爆系统，经起爆系统的后向反射后，返回到光纤耦合器4中，同时，光纤耦合器4的激光分束功能分别将发射的检测激光和返回的检测激光进行分束，分出发射检测激光的功率参考光和返回检测激光的功率参考光，并通过数据处理系统进行功率采样，进一步对功率采样值进行数据处理并求得光路损耗。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，如图1、图2所示，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述点火与检测激光源包括电源模块9、点火激光器1及光路检测激光器2，所述电源模块9分别供电连接点火激光器1及光路检测激光器2，点火激光器1和光路检测激光器2皆与波分复用器3通过尾纤的熔融焊接方式相连接。其中，电源模块9用于向点火激光器1及光路检测激光器2提供工作电源。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2所示，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述光路检测激光器2的输出功率远远小于点火激光器1的输出激光功率且低于安全阈值，能够降低意外发火风险。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2所示，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述起爆系统设置有相互连接的光纤网络5和起爆器6，且光纤网络5的非起爆器6连接端和标准反射器12共用光纤耦合器4的一个端口，根据所要实现的功能不同，在具体使用时，起爆系统和标准反射器12在光纤耦合器4上可以互换。优选的，光纤网络5通过光纤接口连接方式分别与光纤耦合器4和起爆器6相连接，标准反射器12亦通过光纤接口连接方式与光纤耦合器4相连接，其中，光纤网络用于进行激光的传输，起爆器与火药连接，利用传输过来的激光将火药引爆。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2所示，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述数据处理系统设置有探测系统、功率采样模块10和数据处理模块11，所述光纤耦合器4通过探测系统连接功率采样模块10，功率采样模块10连接数据处理模块11。优选的，所述光纤耦合器4通过尾纤熔融焊接的方式连接探测系统，探测系统连接功率采样模块10，功率采样模块10连接数据处理模块11，其中，探测系统，接收光路中发射的检测激光和光路中返回的检测激光并转化为功率电信号；功率采样模块，实现对共光路上的发射、返回检测激光功率采样；数据处理模块，对功率采样值进行数据处理求得输出功率值及光路损耗。

在设置时，所述探测系统设置有发射激光探测器7和反射激光探测器8，所述光纤耦合器4通过两个端口分别与发射激光探测器7和反射激光探测器8相连接。优选的，所述光纤耦合器4的两个端口分别通过尾纤熔融焊接的方式连接发射激光探测器7和反射激光探测器8，发射激光探测器7和反射激光探测器8连接功率采样模块10；其中，发射激光探测器用于接收光路中发射的检测激光并转化为功率电信号；反射激光探测器，用于接收光路中返回的激光并转化为功率电信号。

进一步的为更好地实现本发明，作为优选的设置方案：所述发射激光探测器7、反射激光探测器8和功率采样模块10皆采用相同结构，能够相互抵消温度及噪声干扰。

实施例6：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2所示，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述光纤耦合器4采用分光比为99：1的2×2光纤耦合器，设置有4个端口。

实施例7：

如图3所示光路损耗值检测的理论模型，2×2耦合器的port1为光输入端，port2、port3、port4端口为激光输出端，经port2端口输出的激光进入到起爆系统；起爆系统对入射光进行反射，反射后的光从port2端口输入，port1、port3、port4端口输出；取port3端口作为发射光的激光功率检测端，port4端口作为反射激光功率检测端。因光路长度较短，相对光的光路传播时间差可忽略不计，可认为整个光路中同时存在发射检测光和反射检测光。设port2端口输出的发射检测光功率为P_s，进入port2端口的反射光功率为P_r，光网络及起爆器模块反射率为R，则反射公式如下：

R＝P_r/P_s；

设port3端口及port4端口输出的发射光功率及反射光功率分别为P_3s，P_3r，P_4s，P_4r；则有以下公式：

P_3S＝K1×P_S；

P_4S＝K2×P_3S；

P_4r＝K3×P_r；

P_3r＝K4×P_4r；

其中K1、K2、K3、K4为耦合器分光参数。port3端口及port4端口的光功率P₃及P₄为：

P₃＝P_3S+P_3r；

P₄＝P_4S+P_4r；

P₃、P₄经光电二极管、运放电路等转化为电压V3、V4。β1、β2为转化常数，V3、V4可通过AD采样获得。

V3＝β1×P₃；

V4＝β2×P₄；

综合以上公式可得：

取常数K，n1，n2，反射率转化为：

考虑电路干扰，在无光情况下，AD采样存在初始值a1，a2，则反射率公式为：

以上公式中常数K、a1、a2、n1、n2为待标定参数，含义及标定方式如下：

a1、a2为无光下的采样初始值，通过无光条件下采样即可得到；

n1为发射激光漏到port4端口的比例参数，可通过有发射而无反射光条件下，收、发采样获得，即：(V4-a1)-n1(V3-a2)＝0，n1＝(V4-a1)/(V3-a2)；

n2为反射激光漏到port3端口的比例参数，可通过无发射光有反向送入的激光条件下，收、发采样获得，即：

(V3-a2)-n2(V4-a1)＝0，n2＝(V3-a2)/(V4-a1)；

K为反射率比例常数，可通过标准反射率的光网络及起爆器模块获得，及已知R0，

K＝R0*[(V3-a2)-n2(V4-a1)]/[(V4-a1)-n1(V3-a2)]。

共光路激光点火及通路损耗检测装置，如图1、图2所示，设置有点火激光器1、光路检测激光器2、波分复用器3、光纤耦合器4、光纤网络5、起爆器6、发射激光探测器7、反射激光探测器8、电源模块9、功率采样模块10、数据处理模块11及标准反射器12，其中，电源模块9分别供电连接点火激光器1和光路检测激光器2，点火激光器1和光路检测激光器2皆与波分复用器3相连接，光纤耦合器4采用2×2光纤耦合器；其中，端口①连接波分复用器3，端口②连接光纤网络5或标准反射器12，端口③连接发射激光探测器，端口④连接反射激光探测器8；光纤网络5的另一端连接起爆器6，发射激光探测器7和反射激光探测器8皆与功率采样模块10相连接，功率采样模块10连接数据出来模块。

作为发火光路的设计具体结构及工作原理如下：

电源模块9，为点火激光器1提供1～5A(1.5～2V)可调恒流源，点火激光器1发出的点火激光通过波分复用器3的一个端口耦合进共光路中；波分复用器3输出的发火激光进入到光纤耦合器4的端口①，并从端口②输出，光纤耦合器4采用的光结构为2×2设计，分光比采用99:1即端口①输入，端口②、端口③输出，端口②、端口③分光比为99:1；光纤耦合器4的端口②输出的发火激光进入到光纤网络5；经光纤网络5传输的发火激光通过起爆器6准直后照射到火药上，进而引爆火药，完成激光点火功能，而后关闭点火激光器1。

作为光路损耗检测光路的设计结构及工作原理如下：

电源模块9为光路检测激光器2提供6～20mA(1～2V)可调恒流源；光路检测激光器2发出的检测激光通过波分复用器3的另一个端口耦合进共光路中；波分复用器3输出的检测激光进入到光纤耦合器4的端口①，并从端口②、端口③输出，端口②输出的激光为发射检测激光，端口③输出激光为发射检测激光的功率参考光；光纤耦合器4的端口②输出的光路检测激光进入到光纤网络5；经光纤网络5传输的检测激光传输到起爆器6，起爆器6的端面镀有针对检测激光的反射膜；经起爆器6反射回的返回检测激光通过光纤网络5后进入到光纤耦合器4的端口②，返回检测激光通过光纤耦合器4的端口①、端口④输出，端口④输出的激光为返回检测激光的功率参考光；光纤耦合器4的端口③输出的发射检测激光的功率参考光进入到发射激光探测器7；光纤耦合器4的端口④输出的返回检测激光的功率参考光进入到反射激光探测器8；发射激光探测器7、反射激光探测器8输出的功率电信号进入到功率采样模块10中进行功率采样，采样结果传到数据处理模块11进行光路损耗计算；标准反射器12取代光纤网络5和起爆器6与光纤耦合器4的端口②相连，耦合器4输出的检测激光进入到标准反射器12中，经标准反射器12反射返回至耦合器4中，标准反射器的反射率为已知量，将反射率带入数据处理模块可实现光路损耗求取过程中的损耗值标定以及设备自检，开启光路检测激光器2，完成光路损耗标定及设备自检功能，而后关闭光路检测激光器2。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.共光路激光点火及通路损耗检测装置，其特征在于：点火与检测激光源、波分复用器（3）、光纤耦合器（4）、起爆系统、数据处理系统以及标准反射器（12），所述点火与检测激光源连接波分复用器（3），波分复用器（3）、起爆系统、数据处理系统以及标准反射器（12）皆与光纤耦合器（4）相连接。

2.根据权利要求1所述的共光路激光点火及通路损耗检测装置，其特征在于：所述点火与检测激光源包括电源模块（9）、点火激光器（1）及光路检测激光器（2），所述电源模块（9）分别供电连接点火激光器（1）及光路检测激光器（2），点火激光器（1）和光路检测激光器（2）皆与波分复用器（3）相连接。

3.根据权利要求2所述的共光路激光点火及通路损耗检测装置，其特征在于：所述光路检测激光器（2）的输出功率远小于点火激光器（1）的输出激光功率且低于安全阈值。

4.根据权利要求1~3任一项所述的共光路激光点火及通路损耗检测装置，其特征在于：所述起爆系统设置有光纤网络（5）和起爆器（6），且光纤网络（5）的非起爆器（6）连接端和标准反射器（12）共用光纤耦合器（4）的一个端口。

5.根据权利要求4所述的共光路激光点火及通路损耗检测装置，其特征在于：所述数据处理系统设置有探测系统、功率采样模块（10）和数据处理模块（11），所述光纤耦合器（4）通过探测系统连接功率采样模块（10），功率采样模块（10）连接数据处理模块（11）。

6.根据权利要求5所述的共光路激光点火及通路损耗检测装置，其特征在于：所述探测系统设置有发射激光探测器（7）和反射激光探测器（8），所述光纤耦合器（4）通过两个端口分别与发射激光探测器（7）和反射激光探测器（8）相连接。

7.根据权利要求1~3任一项所述的共光路激光点火及通路损耗检测装置，其特征在于：所述数据处理系统设置有探测系统、功率采样模块（10）和数据处理模块（11），所述光纤耦合器（4）通过探测系统连接功率采样模块（10），功率采样模块（10）连接数据处理模块（11）。

8.根据权利要求7所述的共光路激光点火及通路损耗检测装置，其特征在于：所述探测系统设置有发射激光探测器（7）和反射激光探测器（8），所述光纤耦合器（4）通过两个端口分别与发射激光探测器（7）和反射激光探测器（8）相连接。

9.根据权利要求8所述的共光路激光点火及通路损耗检测装置，其特征在于：所述发射激光探测器（7）、反射激光探测器（8）和功率采样模块（10）皆采用相同结构。

10.根据权利要求1~3、5~6、8~9任一项所述的共光路激光点火及通路损耗检测装置，其特征在于：所述光纤耦合器（4）采用分光比为99：1的2×2光纤耦合器，设置有4个端口。

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