光电探测激光测距机故障分析
光电探测激光测距机故障分析
王鹏 赵昊东 尚浩 岳宁博
1 故障现象
光电探测设备利用目标飞行中的蒙皮加热和尾喷口发热等红外辐射特性进行目标红外辐射探测,确定目标方位、俯仰角度信息,并在截获跟踪后发射激光脉冲命中目标,接收激光回波进行目标距离测算,从而完成目标的定位。
某型飞机地面检查光电探测设备激光能量时,发现激光能量较低,不满足指标要求,且激光光斑不实。更换激光测距机电源部件后,进一步检查发现故障现象依旧。用强光照射测距机发射接收部件,发现部件光学元件表面完好、洁净、无损伤。更换激光测距机后检查,满足指标要求,随后将光电探测设备返厂进行检查。
2 测距机工作机理
激光测距机由电源部件、辐射器部件以及发射接收部件组成。电源部件给辐射器部件提供需要的驱动电流,使辐射器部件发出激光束,激光束经发射接收部件扩束后输出,为测距机进行目标测距时提供能量载体。
辐射器部件是测距机的激光形成单元,为测距机提供合格的激光光源。电源部件通过连接器向辐射器部件提供驱动电流,驱动阵列部件产生泵浦光,使振荡级和放大级激光工作物质上能级粒子数反转,进而发出自发辐射光。振荡级中的自发辐射光在半反镜和全反镜之间形成振荡,通过开关的控制作用产生种子脉冲激光输出,经过角锥镜传输到放大级激光工作物质内,经过放大后形成高峰值功率激光输出至外界。
3 故障原因分析
若电源部件为辐射器部件供电的功能发生故障,将使辐射器部件因无注入功率或功率不足而丧失输出激光功能或能量下降,进而导致激光测距机无激光能量输出或能量下降;若发射接收部件中的发射光学镜组发生不透光的故障,将导致激光分系统激光能量输出降低;若辐射器部件故障,输出激光能量下降,将导致激光测距机激光能量下降。
经串换件和光学元件强光检查后,上述故障初步定位为辐射器故障。
根据辐射器的工作原理,辐射器输出能量低的主要原因如下。
1)光学元件损伤
光学元件(包括全反镜、半反镜、角锥镜等)的损伤将导致辐射器部件由于有效通光面积变小而部分丧失或全部丧失输出激光能量的功能。
2)光路失调
光路失调即光学部件发生应力偏转、紧固松动故障,将导致辐射器部件由于无法有效形成激光振荡或放大而部分丧失或全部丧失输出激光能量的功能。
3)光学元件污染
光学元件表面发生污染故障,将导致辐射器部件由于有效通光面积变小而部分丧失输出激光能量的功能。
3.1 光学元件损伤
拆开激光辐射器部件的大盖板,使用强光手电检查谐振腔光学镜组中各光学元件表面,均未发现表面损伤、晶体碎裂或脱落等异常现象。因此,排除谐振腔光学元件损伤的可能。
3.2 光路失调
拆开辐射器盖板,检查光学元件紧固性,无光学部件松动。通过工艺调试孔微调全反镜后,激光辐射器能量变低,因此排除了这一可能。
3.3 光学元件污染
辐射器内通光光学元件若发生表面污染,势必影响激光的传输,从而最终影响输出能量。
光学元件污染的途径之一是环境污染,即在辐射器装配调试过程中空气中漂浮的粉尘附着在光学元件表面。
拆开辐射器盖板,用手电筒照射检查光学元件表面,发现除放大级激光棒端面膜层有轻微污染物外,其他光学元件表面无污染,排除了环境污染的可能。擦拭放大级激光棒端面,测试激光能量,满足指标要求,由此确定是激光棒端面污染造成激光测距机能量下降。
放大级激光棒端面有污染物,而其他光学元件无污染,原因应为激光打击到激光棒周围结构件时造成的粉尘溅射污染。
4 故障机理分析
针对激光棒端面污染问题,分析激光器工作机理。振荡级谐振腔由全反镜、大角锥、激光棒、半反镜、小角锥等形成光学谐振腔,激光振荡产生激光输出,经小角锥折转后进入激光放大级形成光放大。小角锥部件在光路中起到光路折转和振荡级、放大级光轴对接作用。由于小角锥装配时未达到最佳位置,谐振腔激光振荡级光轴与放大级光轴的同轴度存在微小失调。存在光路失调问题就会使振荡级和放大级光轴不匹配,振荡级激光光束就不能完全通过放大级激光棒,部分边缘光会打在激光棒周围的结构件表面上,形成激光溅射。
在激光击打下,激光棒周围的结构件表面飞溅出粉末,部分粉末附着在激光棒表面,长时间积累后,附着物形成污染,导致激光能量下降。
5 故障排除
通过采取光学元件表面清洁手段,在大电流注入功率条件下,通过工艺调试孔微调小角锥部件,使问题产品在第一时间得到了修复,激光能量恢复到满足要求。机上继续开展激光测距试飞验证,激光测距机工作正常。
6 结束语
通过对某型机光电探测设备激光测距机辐射能量不满足要求的故障进行分析研究,确定故障原因为光路微小失调引起的激光溅射使击打到结构件表面而飞溅出的粉末附着在激光棒表面形成污染,导致激光能量下降。通过对上述故障的分析,建议在后续产品中提高光电探测设备激光测距机内部各光学元件及各部件装配的精确性和准确度,进而提高光电探测设备的可靠性。
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