基于憶阻橋效應的光纖式雙光路結冰探測方法*

李 薇，侯 睿，程 立

(中南民族大學計算機科學學院，武漢430074)

基于憶阻橋效應的光纖式雙光路結冰探測方法*

李 薇*，侯 睿，程 立

(中南民族大學計算機科學學院，武漢430074)

近年來，隨著防冰、除冰需求的增加，結冰探測技術受到了廣泛關注，但傳統的結冰傳感器量程受限，且后續信號處理電路部分體積較大，難以滿足應用需求。基于雙光路差動測量的方法，提出一種正方形光纖束探測頭分布模式和具有放大效應的憶阻橋網絡結構，該網絡結構通過對光電探測器的輸出光電流信號進行放大，并以網絡中感知憶阻器的端電壓作為傳感輸出，從而實現冰層厚度的測量。試驗仿真結果表明，該方法探測頭端面的安裝面積較常用圓形端面光纖束可減小約12.6%，且能夠有效消除光路擾動和擴大結冰厚度的測量范圍，結冰厚度的測量范圍可達到38 mm。

光纖;憶阻器;橋型網絡;雙光路;結冰探測

飛機結冰探測是飛機機載結冰安全防護系統的前提和關鍵，光纖式結冰傳感器是目前世界上最先進的結冰探測傳感器之一［1－2］。實際應用中，在光源功率一定的情況下，接收光纖探測到的光信號較微弱，且輸出信號呈現出雙值特性［3－4］，對此有些研究者曾提出了改進方法［5－6］，但這些方法通常將集成電路芯片進行互連來完成此類信號處理問題，較大的外形尺寸使其不易于安裝在機翼等面積較小以及有一定弧度的探測部位，這無疑成為機載設備微型化、智能蒙皮化的技術瓶頸。本文將新型電路元件－憶阻器與傳統的光纖式結冰傳感器相結合，基于雙光路測量方法，提出了正方形光纖束探測頭模式和納米級尺寸且具有放大效應的憶阻橋網絡結構，依據憶阻橋放大效應實現接收光纖中返回光電流信號的放大，并以感知憶阻器兩端電壓作為傳感輸出，對冰層厚度進行探測。試驗仿真結果表明，基于憶阻橋效應的雙光路結冰信號探測方法能有效消除光路擾動和擴大冰層厚度測量范圍。

1 憶阻的物理實現及其傳感特性

根據電路理論中4個基本變量之間對應關系的完備性，Chua于1971年在電阻、電容和電感之外提出了第4種基本電子元器件—憶阻器，并從理論上對其進行了闡述和定義［7］。直至2008年，惠普實驗室的研究人員才意外得到基于金屬和金屬氧化物的憶阻器實物［8］，并建立了憶阻器數學模型［9］。

在外加電流(壓)源的作用下，憶阻器的電阻值會發生改變，其阻值的變化趨勢由所加電源的方向決定，阻值的變化大小則由外加電流(壓)源的大小及持續時間共同決定。當被測量經過調制后，能夠作用在憶阻器上，則可通過憶阻器阻值或其兩端電壓的變化來感知被測量的變化，于此同時，憶阻器尺寸小、能耗低的特性也更滿足機載傳感器的實際需求［10］。

2 光纖式雙光路結冰傳感器的探頭結構

光纖式雙光路結冰傳感器是利用冰層對光的調制原理，將結冰狀態(冰層厚度、結冰類型等)信息以光信號的形式返回到光電探測器中，從而轉換成電信息，發射光纖和接收光纖匯聚于一端形成探測頭端面，如圖1所示。為了增強結冰實驗過程中各種端面分布模式探測頭的互換性，此端面外形仍呈圓形，但通光面則為由正方形單根光纖聚集而成的方形。

圖1所示發射光纖束和接收光纖束均由端面為正方形的光纖組成，在獲得同樣通光面積的情況下，采用正方形端面的光纖較現有的圓形光纖［11］具有更小的安裝面積。為了更好地驗證這一結論，以下將光纖束簡化至由16根單根光纖構成的光纖探頭通光面。圖2為正方形光纖束通光面分布模式，圖3所示則為現有的同心圓分布式圓形光纖束通光面分布模式。

圖1 雙光路光纖探測頭端面示意圖

圖2 正方形光纖束通光面分布模式示意圖

圖3 現有的圓形光纖束通光面分布模式示意圖

圖2中正方形端面單根光纖的通光面積為:

式中:L為正方形端面單根光纖的邊長。圖3所示圓形端面單根光纖的通光面積為:

式中:R為圓形端面單根光纖的半徑。若上述兩種單根光纖具有相同的通光面積，即SS=SC，則有:

以圖3所示小規模圓形端面光纖束和圖2所示的小規模正方形端面光纖束為例來進行比較，兩種光纖束均具有相同數量的發射光纖(4根)和接收光纖(12根)，則其具有相同的通光面積。圖3中的內、外兩個虛線圓分別為內圈單根發射光纖的圓心近似軌跡和外圈單根接收光纖的圓心近似軌跡，其半徑分別標識為r1、r2。外圈單根接收光纖的圓心軌跡實為邊長為2R的正11邊形，其周長為:

則圖3中圓形端面光纖束的安裝面積為:

將式(4)代入式(5)可得:

圖2中正方形端面光纖束的安裝面積為:

由以上分析可知，具有同樣通光面積的光纖束，正方形端面的安裝面積較圓形端面減小約12.6%。

由于采用光強作為信息載體，不可避免地要受光電探測器噪聲、前置放大器零漂、光源功率波動、光纖傳輸損耗以及環境雜散光等因素的影響［12－14］，當端面無結冰發生時，接收光纖中也會有相應的噪聲光電流返回。為了消除此類噪聲干擾，在光纖束探測頭端面上分別設置測量端面和參考端面，如圖2所示，右半邊的測量端面由2根發射光纖(測量)和6根接收光纖(測量)組成;左半邊的參考端面由2根發射光纖(參考)和6根接收光纖(參考)共同構成，該參考端面采用電加熱而始終處于無冰狀態。由于測量端面和參考端面的安裝位置互相緊靠，可認為處于完全相同的結冰環境，且兩種端面由相同結構和數量的發射光纖、接收光纖構成，滿足差分測量的條件［15］。

3 憶阻橋放大效應分析

憶阻橋網絡如圖4所示，該網絡由5個具有相同特性的憶阻器共同構成惠斯通電橋結構，兩個電流源Ir、Ir+Id分別為接收光纖(參考)和接收光纖(測量)中的光信號，經光電探測器返回的光電流。橋臂憶阻器Mi(i=1，2，3，4)和感知憶阻器Mm的初始阻值均為阻值最大狀態，由電路疊加原理可知，圖4所示電路結構可分別由兩個電流源單獨作用疊加而成。

當接收光纖(測量)中返回的光電流單獨作用于憶阻橋網絡時，如圖5所示，取此時的光電流方向為參考方向。

圖4 憶阻橋網絡結構示意圖

圖5 接收光纖(測量)返回光電流單獨作用

接收光纖(測量)中返回的光電流包括兩部分:測量端面所結冰層中返回的信號Ir和測量過程中

產生的噪聲信號Id，它們依次流經憶阻器M1、Mm、M4，使得它們的阻值均減小。此時感知憶阻器Mm兩端的電壓為:

式中:RMm為感知憶阻器Mm的阻值，Δd為由Id引起的感知憶阻器Mm阻值減小值，Δr為由Ir引起感知憶阻器Mm阻值減小值。

當接收光纖(參考)中返回的光電流單獨作用于放大電路時，如圖6所示，此時光電流為測量過程中的噪聲及擾動所產生，該電流依次流經憶阻器M3、Mm、M2，使其阻值均減小。

圖6 接收光纖(參考)返回光電流單獨作用

此時感知憶阻器Mm兩端的電壓為:

當接收光纖(測量)和接收光纖(參考)中的返回光電流同時作用于憶阻橋網絡時，感知憶阻器Mm兩端的電壓為:

由以上分析可知，一方面，通過在光纖束探測頭端面上分別設置測量端面和參考端面，并將接收光纖中返回的光電流通過憶阻橋網絡，可進行干擾補償，使得感知憶阻器Mm兩端的電壓僅與由冰層狀態返回的光電流Ir和感知憶阻Mm有關，能夠有效減小背景光等干擾;另一方面，由于憶阻橋網絡中橋臂憶阻器和感知憶阻器的初始阻值均較大，當接收光纖中返回的光電流Ir變化較小時，感知憶阻器Mm兩端的電壓值ΔV也較大，從而具有較高的分辨率。

4 試驗驗證與仿真分析

為了驗證基于憶阻橋效應的雙光路結冰信號探測方法的有效性，構建了結冰檢測試驗平臺，以獲得憶阻橋網絡的光電流輸入信號，并對其進行仿真驗證分析，試驗仿真結構框圖如圖7所示。試驗平臺由半導體制冷器件(主要用于在其工作臺面生成冰層)、激光測距儀(用于測量冰層厚度)以及具有測量端面和參考端面的正方形光纖端面探頭的雙通道結冰傳感器構成。將按需定制的光纖探頭端面與用于生成冰層的工作臺面齊平安裝并加以固定，工作平臺的溫度可根據制冷需要設定，且溫度箱具有實測溫度和設定溫度雙數碼管顯示，能夠實時顯示當前的平臺溫度，當顯示溫度與設定溫度相同時即可開始結冰實驗。工作平臺的最低溫度可達－60℃，精度為±0.1℃。依照上述試驗平臺，分別在－10℃和－20℃條件下模擬不同結冰類型的結冰環境，從而得到明冰和霜冰所對應的接收光纖光電流信號。

與明冰和霜冰相對應的感知憶阻器Mm兩端的電壓特性曲線如圖8所示，橫坐標為由激光測距儀測得的所結冰層厚度，縱坐標為憶阻橋網絡中的感知憶阻器Mm端電壓，在兩種結冰狀態下，端電壓特性曲線均呈現出較好的線性度。

圖7 結冰檢測仿真試驗平臺結構框圖

圖8 感知憶阻器Mm端電壓特性曲線

在－10℃試驗環境下所結冰型為明冰，其外觀幾乎透明，因此發射光纖中的光進入冰體后在冰層－空氣界面發生反射，同時在冰體中發生散射。當冰層很薄時，接收光纖接收(測量)的信號主要為界面的反射光和光路擾動，此時進入憶阻橋型網絡的電流Ir、Id均很微弱，而感知憶阻器Mm的初始阻值很大，因而可以得到較大的輸出端電壓;隨著冰厚的增長，散射光和反射光同時增強，此時的光路擾動相對變小且基本保持不變，此時作用于感知憶阻器Mm的光電流也不斷增強，直至冰層增長到一定厚度時，進入接收光纖的光不再增加，但感知憶阻的阻值繼續減小，此過程可一直持續到感知憶阻器Mm的阻值達到最小值，從而使得其兩端電壓基本保持不變。

當試驗環境為－20℃時，所結冰型為霜冰，其外觀較明冰混濁，使得進入到接收光纖中的信號中較明冰包含更多的散射光。在冰層很薄時，兩種冰型中發生的光學現象基本相同，但隨著冰層厚度的不斷增長，霜冰冰體中的散射光不斷增強，較之明冰而言，進入到接收光纖中的信號也稍大一些。因而感知憶阻器Mm的端電壓較明冰時的下降速度稍慢。表1中分別列出了兩種冰型狀態下的部分試驗數據。

表1 測試試驗部分數據

由以上分析可知，不論所結冰型為明冰還是霜冰，均可由憶阻橋型放大電路中感知憶阻Mm的端電壓特性曲線來確定所結冰層的厚度。

5 結論

針對當前光纖式結冰傳感器設計中存在的光路干擾及實際安裝空間狹小等問題，提出了將憶阻器與傳統的光纖式結冰傳感器相結合的方法。采用正方形光纖束探測頭端面，并利用憶阻橋型網絡結構的放大效應對冰層厚度進行探測，從而縮小安裝尺寸并降低能耗。試驗仿真結果表明該雙測量通道憶阻橋網絡結構能夠同時有效消除光路擾動和擴大結冰厚度的測量范圍。

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李 薇(1982－)，通訊作者，女，湖北黃石人，中南民族大學計算機科學學院，博士，講師，主要研究方向為新型傳感器、信號處理與數據融合，liwei@mail.scuec.edu.cn;

侯 睿(1977－)，男，云南昆明人，中南民族大學計算機科學學院，博士，教授，主要研究方向為光波導技術、光通信網絡。

An Icing Detection Method Using Double Optical Paths Based on Memristor-Bridge Effect*

LI Wei*，HOU Rui，CHENG Li
(College of Computer Science，South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074，China)

In recent years，a great effort has been devoted to the study of icing detection technology with the requirement of de-icing.However，the measurement range is limited by the front slope and back slope of detective curve，and the circuit size is large.In order to solve the above problems，this paper presents a square end surface probe distribution mode as well as a memristor-bridge structure which has signification amplification.The memristor-bridge detects the ice thickness by sensing voltage across the perception memristor.Experiment and Simulation results show that the installation area is 12.6%less than the traditional optical fiber probe，and the bridge structure is capable to eliminate optical path disturbance and enlarge ice thickness measurement range to 38 mm.

fiber-optic;memristor;bridge structure;double optical path;icing detection

TP212

A

1004－1699(2017)02－0206－05

C:2100;4125;7210

10.3969/j.issn.1004－1699.2017.02.007

項目來源:國家自然科學基金項目(61503418);中南民族大學中央高校基本科研業務費專項資金項目(CZY15008)

2016－07－01 修改日期:2016－09－02