Способ и устройство проверки целостности оптических и электрических цепей в системах лазерного инициирования энергетических материалов Российский патент 2023 года по МПК G02B6/42 F42B3/113 F42C13/02 

Изобретение относится к области измерительной техники в части контроля целостности оптических цепей, а также проверки прилегающих электрических цепей, и может использоваться в системах лазерного инициирования пиротехнических средств. Данные системы применяются в изделиях ракетно-космической, авиационной, военно-морской, специальной техники, а также в горнорудной и угледобывающей промышленности, сейсморазведке, нефтедобыче при перфорации скважин и в строительстве. В таких областях волоконно-оптические системы лазерного инициирования предполагают многократное использование и, следовательно, такие системы требуют контроля и проверки целостности оптического тракта и работоспособности прилегающей электроники.

Текущие изобретения для контроля целостности гибридных (волоконно-оптических и электрических) цепей имеют ряд недостатков, большинство из них обусловлено необходимостью использования внешних тестирующих устройств. Указанный способ внешнего теста описан в публикации «Optical pyrotechnology for launchers and satellites / Оптическая пиротехника для ракет-носителей и спутников» (ICSO 2014; DOI: 10.1117/12.2304215). Такому способу проверки целостности требуется временная внешняя установка в систему и наличие дополнительных оптических разъемов. Такое вмешательство может привести к смещению или повреждению компонентов цепи, а также усложняет процедуру проверки и увеличивает габариты системы.

Существует способ проверки, описанный в публикации «Optical Built-in-Test (BIT) for Laser Initiation Systems / Встроенный оптический тест для систем лазерного инициирования» (2002-3797. 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. July 2002. DOI: 10.2514/6.2002-3797). В публикации описана встроенная проверка оптических компонентов таких систем путем измерения уровней отраженного излучения, зарегистрированных фотоприемником, для чего в системе используется источник излучения, два волокна для передачи и отражения излучения и узел лазерного инициирования с двумя линзами и отражающим покрытием. Недостатком такого метода является отсутствие проверки электроники, а также неполная проверка оптической части (проверяется одна из двух градиентных линз в узле лазерного инициирования).

Также известно изобретение под названием «Способ инициирования многоканальной системы лазерного инициирования», №2752408 (МПК F42B 3/113, опубл. 05.08.2020). Данный способ заключается в контроле оптического тракта системы и предполагает инициирование воспламенительных составов. Блок управления подает электрический сигнал на лазерные излучатели, которые генерируют лазерный импульс, распространяемый по оптическому тракту. В тракте имеется два волокна, идущие до лазерных воспламенителей для каждого канала. По первому волокну доставляется контрольный и инициирующий импульсы, по второму волокну распространяются отраженные от лазерного воспламенителя контрольный и инициирующий импульсы в режиме проверки оптических цепей и состояния системы в целом (исходное, сработанное). При этом контрольный и инициирующий импульсы одинаковы по амплитуде и различаются по длительности. В тракте между лазерным излучателем и лазерным воспламенителем содержится оптический включатель. Оптический включатель представляет собой барабан со светофильтрами (для ослабления излучения контрольного импульса) и пустыми окнами (для прохода излучения для инициирования лазерного воспламенителя; RU2691381, опубл. 13.06.2019). При повороте барабана с помощью электромеханического устройства происходит смена светофильтра на окно. Перемещение светофильтра в оптическом включателе определяет два положения: открытое или закрытое. В открытом состоянии оптический включатель обеспечивает пропускание оптического импульса от лазерного излучателя с минимальными оптическими потерями, в закрытом - с максимальными оптическими потерями. Контроль оптического тракта проводится при начальном закрытом оптическом включателе, который поглощает большую часть лазерной энергии, путем подачи сначала контрольного, а потом инициирующего импульсов, которые отражаются от лазерного воспламенителя. Отраженные импульсы попадают во второе волокно и приходят на фотоприемник. Для инициирования оптический включатель переводят в положение «открыт», после чего контролируют оптический тракт путем подачи контрольного импульса и регистрации отраженного импульса фотоприемником. После контроля оптического тракта подается инициирующий импульс с большой длительностью до воспламеняющего устройства. После инициирования проверяют срабатывание инициирующего устройства контрольным импульсом.

Достоинством данного способа является контроль оптического тракта перед инициированием, проверка работоспособности лазера и сопутствующей электроники, контроль срабатывания после инициирования, а также наличие оптического включателя, который выполняет роль дополнительного барьера в оптическом тракте между лазерным излучателем и лазерным воспламенителем для повышения безопасности системы.

К недостаткам данного способа относится сложность конструкции оптического включателя. Наличие подвижных частей снижает надежность системы и требует сложной системы углового позиционирования и фиксации барабана относительно лазерного излучателя. Ошибки электроники под воздействием электромагнитных помех или иных факторов могут привести к некорректному положению оптического включателя. Как следствие, сложность процедуры проверки: сначала проверяется закрытое состояние оптического включателя контрольным импульсом, потом подается инициирующий импульс для проверки оптического тракта, что также является недостатком, т.к. за это время оптический включатель может открыться (смещение барабана) и привести к несанкционированному инициированию. Еще одним недостатком является возможность деградации лучевой стойкости светофильтра при многократном пропускании через него лазерных импульсов. Кроме того, к недостаткам можно отнести использование двух волокон для доставки и отражения оптического излучения. Это может снизить технологичность стыковки волокон с лазерным воспламенителем, а также увеличивает габариты и снижает надежность системы лазерного инициирования, в частности, может привести к ложноотрицательным результатам теста (например, в случае, когда первое волокно целое, а во втором присутствует обрыв).

Заявленное изобретение «Способ проверки целостности оптических и электрических цепей в системах лазерного инициирования энергетических материалов» направлено на решение задачи проверки гибридных цепей в системах лазерного инициирования путем встроенного теста, что позволяет повысить надежность работы таких систем. Встроенный тест имеет ряд преимуществ по сравнению с внешними тестами: не требует дополнительных разъемов для подключения, является встроенным в систему, позволяет проводить проверку непосредственно перед началом инициирования.

Эффективность проверки заявленным способом достигается за счет проведения комплексной проверки узлов и компонентов системы инициирования - проверки лазерного диода и его источника питания, проверки оптических компонентов, доставляющих лазерное излучение до узла лазерного инициирования, и проверки объемной оптики узла инициирования. Это также происходит за счет использования одного лазерного диода в двух режимах излучения большой/малой оптической мощности для инициирования/проверки волоконных систем на их целостность и за счет использования одного волокна для инициирования и проверки оптического тракта от источника лазерного излучения до узла лазерного инициирования.

Увеличение безопасности проверки систем лазерного инициирования достигается путем отключения во время проверки лазерного диода от источника питания большого тока, а также за счет исключения из оптической схемы электромеханических устройств и дополнительного оптического тракта, что позволяет реализовать более простую, по сравнению с прототипом, циклограмму проверки целостности оптических и электрических цепей.

В поданной заявке используется 4 чертежа, краткое их описание представлено ниже.

На Фиг. 1 приведена структурная схема способа проверки целостности оптических и электрических цепей.

На Фиг. 2 приведена структурная схема источника питания для лазерного диода.

На Фиг. 3 приведено увеличенное изображение узла лазерного инициирования, со схематичным построением хода лучей в градиентной линзе, на выходную поверхность которой нанесено отражающее покрытие.

На Фиг. 4 приведено увеличенное изображение узла лазерного инициирования с использованием дополнительного защитного стекла, на выходную поверхность которого нанесено отражающее покрытие. Схематичное построение хода лучей в такой системе: градиентная линза - стекло с покрытием.

Способ проверки целостности оптических и электрических цепей в системах лазерного инициирования энергетических материалов (Фигура 1) состоит из источника питания лазерного диода 1, лазерного диода 2. Во время проверки диод работает в маломощном режиме, т.е. потребляемый ток от источника питания 1 находится на уровне миллиампер. Выходная оптическая мощность лазерного диода в таком режиме находится на уровне микроватт, хорошо различима контрольными фотоприемниками 3, 4 и на несколько порядков меньше той, что требуется для инициирования навески воспламенительного состава. Лазерный диод 2 соединяется с волоконным делителем 5 посредством волокна 6. Выходное волокно 7 делителя 5 подводится к узлу лазерного инициирования 8. На волоконных выходах 9 и 10 делителя находятся фотоприемники 3 и 4, которые передают полученные сигналы на контроллер 11.

Принцип действия заявленного изобретения (фиг. 1): в режиме проверки цепи контроллер 11 подает команду +U_{упр 1} на включение источника малого тока 101 (фиг. 2), находящегося в источнике питания 1. Источник питания подает малый электрический ток на лазерный диод 2, который начинает работать в маломощном режиме. Излучение проходит по волокну 6 через волоконный делитель 5, в делителе разделяется с заданным коэффициентом деления между двумя выходными волокнами 7 и 10; далее через выходное волокно 7 делителя 5 попадает в узел лазерного инициирования 8. Внутри узла лазерного инициирования 8 (фиг. 3) установлена фокусирующая градиентная линза 801, представляющая собой стеклянный цилиндр, в котором падающее на входную поверхность излучение распространяется вдоль цилиндра и фокусируется на выходной поверхности линзы, на которую нанесено отражающее покрытие 802. Фокусирующая градиентная линза 801 установлена вплотную к навеске воспламенительного состава 803. Волокно 7, находящееся в керамической феруле 804, подведено вплотную соосно к линзе 801. Излучение выходит из волокна 7 и попадает в линзу 801, линза фокусирует излучение на отражающее покрытие 802. Частично отраженное от покрытия излучение попадает обратно в волокно 7. Далее отраженное излучение проходит волоконный делитель 5 (Фиг. 1) и распространяется по волокну 9, которое подключено к фотоприемнику 3. Фотоприемник 3 подает полученный сигнал на контроллер 11. Прямое излучение от лазерного диода 2 с делителя 5 через волокно 10 поступает на фотоприемник 4. Контроллер 11 сравнивает значение отраженного излучения с фотоприемника 3 со значением прямого излучения лазерного диода, идущего с фотоприемника 4. Итоговая разница двух сигналов определяет наличие или нарушение целостности оптической цепи, а также работоспособность самого лазерного диода 2.

Фотоприемник 3 принимает отраженное излучение от узла лазерного инициирования. По уровню электрического сигнала на фотоприемнике проверяется целостность оптической цепи. Фотоприемник 4 принимает прямое излучение непосредственно с лазерного диода 2. По уровню электрического сигнала на фотоприемнике проверяется работоспособность лазерного диода.

После проверки оптической части контроллер 11 переходит на проверку источника большого тока 102 (фиг. 2), который находится в составе источника питания 1. Источник большого тока предназначен для режима инициирования навески воспламенительных составов. Для выполнения проверки в качестве нагрузки, вместо лазерного диода, к источнику большого тока 102 подключается электрический эквивалент 103. От контроллера 11 подается команда +U_{упр 2} на включение источника большого тока 102. Далее проводятся необходимые измерения, по результату которых определяется работоспособность источника тока.

Варианты изготовления отражающего покрытия 802 для узла лазерного инициирования 8 (фиг. 3):

1.1 полупрозрачное диэлектрическое покрытие. В режиме проверки излучение малой мощности частично отражается от покрытия и направляется в волокно 7, в режиме инициирования излучение высокой мощности в основном пропускается на навеску воспламенительного состава 803;

1.2 непрозрачное металлическое покрытие. В режиме проверки излучение малой мощности в основном отражается от покрытия и направляется в волокно 7, в режиме инициирования излучение высокой мощности расплавляет участок покрытия и в основном пропускается на навеску воспламенительного состава 803.

Дополнительно в узел лазерного инициирования (Фиг. 4) между градиентной линзой 801 и навеской воспламенительного состава 803 может быть установлено защитное стекло 805, защищающее градиентную линзу при резком наборе давления в момент инициирования навески воспламенительного состава. При этом покрытие 802 наносится на выходную поверхность стекла. Толщина стекла 805 и длина градиентной линзы 801 подбираются таким образом, чтобы проходящее излучение фокусировалось на выходной поверхности стекла 805, а отраженное от покрытия 802 излучение попадало обратно в волокно 7.

Изобретение относится к области измерительной техники и может применяться в изделиях оборонного, специального и гражданского назначения. Заявленный способ проверки целостности оптических и электрических цепей в системах лазерного инициирования энергетических материалов заключается в том, что используется один лазерный диод, одно оптическое волокно между лазерным диодом и узлом лазерного инициирования для режимов инициирования и проверки оптической цепи, и источник питания лазерного диода, имеющий в своем составе два независимых источника тока: источник малого тока и источник большого тока, получающие от контроллера управляющие команды. При этом в режиме проверки целостности лазерного диода и оптического тракта включают источник малого тока, тогда лазерный диод работает при малых токах, по сравнению с режимом инициирования, излучение малой мощности распространяется по оптическому тракту до делителя, разделяется, после чего часть излучения распространяется до отражающего покрытия в узле лазерного инициирования, отражается от указанного покрытия и по тому же оптическому тракту попадает на первый фотоприемник, а другая часть излучения после делителя поступает напрямую на второй фотоприемник после чего сигналы, полученные с указанных фотоприемников, передаются на контроллер для проверки целостности оптических цепей в системах лазерного инициирования. В режиме проверки работоспособности самого источника питания включают источник большого тока, к которому подключают электрический эквивалент лазерного диода, при этом лазерный диод предварительно отключают, сигнал с эквивалента лазерного диода передается на контроллер для проверки целостности электрических цепей в системах лазерного инициирования. Технический результат - повышение надежности системы лазерного инициирования путем использования средств контроля целостности, составляющих систему оптической и электрической цепей. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ проверки целостности оптических и электрических цепей в системах лазерного инициирования энергетических материалов, заключающийся в том, что используется один лазерный диод, одно оптическое волокно между лазерным диодом и узлом лазерного инициирования для режимов инициирования и проверки оптической цепи, и источник питания лазерного диода, имеющий в своем составе два независимых источника тока: источник малого тока и источник большого тока, получающие от контроллера управляющие команды; при этом в режиме проверки целостности лазерного диода и оптического тракта включают источник малого тока, тогда лазерный диод работает при малых токах, по сравнению с режимом инициирования, излучение малой мощности распространяется по оптическому тракту до делителя, разделяется, после чего часть излучения распространяется до отражающего покрытия в узле лазерного инициирования, отражается от указанного покрытия и по тому же оптическому тракту попадает на первый фотоприемник, а другая часть излучения после делителя поступает напрямую на второй фотоприемник, после чего сигналы, полученные с указанных фотоприемников, передаются на контроллер для проверки целостности оптических цепей в системах лазерного инициирования; в режиме проверки работоспособности самого источника питания включают источник большого тока, к которому подключают электрический эквивалент лазерного диода, при этом лазерный диод предварительно отключают, сигнал с эквивалента лазерного диода передается на контроллер для проверки целостности электрических цепей в системах лазерного инициирования.

2. Способ проверки целостности оптических и электрических цепей по п. 1, отличающийся тем, что отражающее покрытие в узле лазерного инициирования выполнено в виде полупрозрачного диэлектрического покрытия или непрозрачного металлического покрытия.

3. Способ проверки целостности оптических и электрических цепей по п. 1, отличающийся наличием в узле лазерного инициирования стекла с отражающим покрытием, которое располагается между градиентной линзой и навеской воспламенительного состава, выполняющим роль защитного элемента для градиентной линзы при режиме инициирования, при этом размеры линзы и стекла подбираются таким образом, чтобы проходящее излучение фокусировалось на выходной поверхности стекла с отражающим покрытием.