基于忆阻桥效应的光纤式双光路结冰探测方法*

李 薇，侯 睿，程 立

(中南民族大学计算机科学学院，武汉430074)

基于忆阻桥效应的光纤式双光路结冰探测方法*

李 薇*，侯 睿，程 立

(中南民族大学计算机科学学院，武汉430074)

近年来，随着防冰、除冰需求的增加，结冰探测技术受到了广泛关注，但传统的结冰传感器量程受限，且后续信号处理电路部分体积较大，难以满足应用需求。基于双光路差动测量的方法，提出一种正方形光纤束探测头分布模式和具有放大效应的忆阻桥网络结构，该网络结构通过对光电探测器的输出光电流信号进行放大，并以网络中感知忆阻器的端电压作为传感输出，从而实现冰层厚度的测量。试验仿真结果表明，该方法探测头端面的安装面积较常用圆形端面光纤束可减小约12.6%，且能够有效消除光路扰动和扩大结冰厚度的测量范围，结冰厚度的测量范围可达到38 mm。

光纤;忆阻器;桥型网络;双光路;结冰探测

飞机结冰探测是飞机机载结冰安全防护系统的前提和关键，光纤式结冰传感器是目前世界上最先进的结冰探测传感器之一［1－2］。实际应用中，在光源功率一定的情况下，接收光纤探测到的光信号较微弱，且输出信号呈现出双值特性［3－4］，对此有些研究者曾提出了改进方法［5－6］，但这些方法通常将集成电路芯片进行互连来完成此类信号处理问题，较大的外形尺寸使其不易于安装在机翼等面积较小以及有一定弧度的探测部位，这无疑成为机载设备微型化、智能蒙皮化的技术瓶颈。本文将新型电路元件－忆阻器与传统的光纤式结冰传感器相结合，基于双光路测量方法，提出了正方形光纤束探测头模式和纳米级尺寸且具有放大效应的忆阻桥网络结构，依据忆阻桥放大效应实现接收光纤中返回光电流信号的放大，并以感知忆阻器两端电压作为传感输出，对冰层厚度进行探测。试验仿真结果表明，基于忆阻桥效应的双光路结冰信号探测方法能有效消除光路扰动和扩大冰层厚度测量范围。

1 忆阻的物理实现及其传感特性

根据电路理论中4个基本变量之间对应关系的完备性，Chua于1971年在电阻、电容和电感之外提出了第4种基本电子元器件—忆阻器，并从理论上对其进行了阐述和定义［7］。直至2008年，惠普实验室的研究人员才意外得到基于金属和金属氧化物的忆阻器实物［8］，并建立了忆阻器数学模型［9］。

在外加电流(压)源的作用下，忆阻器的电阻值会发生改变，其阻值的变化趋势由所加电源的方向决定，阻值的变化大小则由外加电流(压)源的大小及持续时间共同决定。当被测量经过调制后，能够作用在忆阻器上，则可通过忆阻器阻值或其两端电压的变化来感知被测量的变化，于此同时，忆阻器尺寸小、能耗低的特性也更满足机载传感器的实际需求［10］。

2 光纤式双光路结冰传感器的探头结构

光纤式双光路结冰传感器是利用冰层对光的调制原理，将结冰状态(冰层厚度、结冰类型等)信息以光信号的形式返回到光电探测器中，从而转换成电信息，发射光纤和接收光纤汇聚于一端形成探测头端面，如图1所示。为了增强结冰实验过程中各种端面分布模式探测头的互换性，此端面外形仍呈圆形，但通光面则为由正方形单根光纤聚集而成的方形。

图1所示发射光纤束和接收光纤束均由端面为正方形的光纤组成，在获得同样通光面积的情况下，采用正方形端面的光纤较现有的圆形光纤［11］具有更小的安装面积。为了更好地验证这一结论，以下将光纤束简化至由16根单根光纤构成的光纤探头通光面。图2为正方形光纤束通光面分布模式，图3所示则为现有的同心圆分布式圆形光纤束通光面分布模式。

图1 双光路光纤探测头端面示意图

图2 正方形光纤束通光面分布模式示意图

图3 现有的圆形光纤束通光面分布模式示意图

图2中正方形端面单根光纤的通光面积为:

式中:L为正方形端面单根光纤的边长。图3所示圆形端面单根光纤的通光面积为:

式中:R为圆形端面单根光纤的半径。若上述两种单根光纤具有相同的通光面积，即SS=SC，则有:

以图3所示小规模圆形端面光纤束和图2所示的小规模正方形端面光纤束为例来进行比较，两种光纤束均具有相同数量的发射光纤(4根)和接收光纤(12根)，则其具有相同的通光面积。图3中的内、外两个虚线圆分别为内圈单根发射光纤的圆心近似轨迹和外圈单根接收光纤的圆心近似轨迹，其半径分别标识为r1、r2。外圈单根接收光纤的圆心轨迹实为边长为2R的正11边形，其周长为:

则图3中圆形端面光纤束的安装面积为:

将式(4)代入式(5)可得:

图2中正方形端面光纤束的安装面积为:

由以上分析可知，具有同样通光面积的光纤束，正方形端面的安装面积较圆形端面减小约12.6%。

由于采用光强作为信息载体，不可避免地要受光电探测器噪声、前置放大器零漂、光源功率波动、光纤传输损耗以及环境杂散光等因素的影响［12－14］，当端面无结冰发生时，接收光纤中也会有相应的噪声光电流返回。为了消除此类噪声干扰，在光纤束探测头端面上分别设置测量端面和参考端面，如图2所示，右半边的测量端面由2根发射光纤(测量)和6根接收光纤(测量)组成;左半边的参考端面由2根发射光纤(参考)和6根接收光纤(参考)共同构成，该参考端面采用电加热而始终处于无冰状态。由于测量端面和参考端面的安装位置互相紧靠，可认为处于完全相同的结冰环境，且两种端面由相同结构和数量的发射光纤、接收光纤构成，满足差分测量的条件［15］。

3 忆阻桥放大效应分析

忆阻桥网络如图4所示，该网络由5个具有相同特性的忆阻器共同构成惠斯通电桥结构，两个电流源Ir、Ir+Id分别为接收光纤(参考)和接收光纤(测量)中的光信号，经光电探测器返回的光电流。桥臂忆阻器Mi(i=1，2，3，4)和感知忆阻器Mm的初始阻值均为阻值最大状态，由电路叠加原理可知，图4所示电路结构可分别由两个电流源单独作用叠加而成。

当接收光纤(测量)中返回的光电流单独作用于忆阻桥网络时，如图5所示，取此时的光电流方向为参考方向。

图4 忆阻桥网络结构示意图

图5 接收光纤(测量)返回光电流单独作用

接收光纤(测量)中返回的光电流包括两部分:测量端面所结冰层中返回的信号Ir和测量过程中

产生的噪声信号Id，它们依次流经忆阻器M1、Mm、M4，使得它们的阻值均减小。此时感知忆阻器Mm两端的电压为:

式中:RMm为感知忆阻器Mm的阻值，Δd为由Id引起的感知忆阻器Mm阻值减小值，Δr为由Ir引起感知忆阻器Mm阻值减小值。

当接收光纤(参考)中返回的光电流单独作用于放大电路时，如图6所示，此时光电流为测量过程中的噪声及扰动所产生，该电流依次流经忆阻器M3、Mm、M2，使其阻值均减小。

图6 接收光纤(参考)返回光电流单独作用

此时感知忆阻器Mm两端的电压为:

当接收光纤(测量)和接收光纤(参考)中的返回光电流同时作用于忆阻桥网络时，感知忆阻器Mm两端的电压为:

由以上分析可知，一方面，通过在光纤束探测头端面上分别设置测量端面和参考端面，并将接收光纤中返回的光电流通过忆阻桥网络，可进行干扰补偿，使得感知忆阻器Mm两端的电压仅与由冰层状态返回的光电流Ir和感知忆阻Mm有关，能够有效减小背景光等干扰;另一方面，由于忆阻桥网络中桥臂忆阻器和感知忆阻器的初始阻值均较大，当接收光纤中返回的光电流Ir变化较小时，感知忆阻器Mm两端的电压值ΔV也较大，从而具有较高的分辨率。

4 试验验证与仿真分析

为了验证基于忆阻桥效应的双光路结冰信号探测方法的有效性，构建了结冰检测试验平台，以获得忆阻桥网络的光电流输入信号，并对其进行仿真验证分析，试验仿真结构框图如图7所示。试验平台由半导体制冷器件(主要用于在其工作台面生成冰层)、激光测距仪(用于测量冰层厚度)以及具有测量端面和参考端面的正方形光纤端面探头的双通道结冰传感器构成。将按需定制的光纤探头端面与用于生成冰层的工作台面齐平安装并加以固定，工作平台的温度可根据制冷需要设定，且温度箱具有实测温度和设定温度双数码管显示，能够实时显示当前的平台温度，当显示温度与设定温度相同时即可开始结冰实验。工作平台的最低温度可达－60℃，精度为±0.1℃。依照上述试验平台，分别在－10℃和－20℃条件下模拟不同结冰类型的结冰环境，从而得到明冰和霜冰所对应的接收光纤光电流信号。

与明冰和霜冰相对应的感知忆阻器Mm两端的电压特性曲线如图8所示，横坐标为由激光测距仪测得的所结冰层厚度，纵坐标为忆阻桥网络中的感知忆阻器Mm端电压，在两种结冰状态下，端电压特性曲线均呈现出较好的线性度。

图7 结冰检测仿真试验平台结构框图

图8 感知忆阻器Mm端电压特性曲线

在－10℃试验环境下所结冰型为明冰，其外观几乎透明，因此发射光纤中的光进入冰体后在冰层－空气界面发生反射，同时在冰体中发生散射。当冰层很薄时，接收光纤接收(测量)的信号主要为界面的反射光和光路扰动，此时进入忆阻桥型网络的电流Ir、Id均很微弱，而感知忆阻器Mm的初始阻值很大，因而可以得到较大的输出端电压;随着冰厚的增长，散射光和反射光同时增强，此时的光路扰动相对变小且基本保持不变，此时作用于感知忆阻器Mm的光电流也不断增强，直至冰层增长到一定厚度时，进入接收光纤的光不再增加，但感知忆阻的阻值继续减小，此过程可一直持续到感知忆阻器Mm的阻值达到最小值，从而使得其两端电压基本保持不变。

当试验环境为－20℃时，所结冰型为霜冰，其外观较明冰混浊，使得进入到接收光纤中的信号中较明冰包含更多的散射光。在冰层很薄时，两种冰型中发生的光学现象基本相同，但随着冰层厚度的不断增长，霜冰冰体中的散射光不断增强，较之明冰而言，进入到接收光纤中的信号也稍大一些。因而感知忆阻器Mm的端电压较明冰时的下降速度稍慢。表1中分别列出了两种冰型状态下的部分试验数据。

表1 测试试验部分数据

由以上分析可知，不论所结冰型为明冰还是霜冰，均可由忆阻桥型放大电路中感知忆阻Mm的端电压特性曲线来确定所结冰层的厚度。

5 结论

针对当前光纤式结冰传感器设计中存在的光路干扰及实际安装空间狭小等问题，提出了将忆阻器与传统的光纤式结冰传感器相结合的方法。采用正方形光纤束探测头端面，并利用忆阻桥型网络结构的放大效应对冰层厚度进行探测，从而缩小安装尺寸并降低能耗。试验仿真结果表明该双测量通道忆阻桥网络结构能够同时有效消除光路扰动和扩大结冰厚度的测量范围。

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李 薇(1982－)，通讯作者，女，湖北黄石人，中南民族大学计算机科学学院，博士，讲师，主要研究方向为新型传感器、信号处理与数据融合，liwei@mail.scuec.edu.cn;

侯 睿(1977－)，男，云南昆明人，中南民族大学计算机科学学院，博士，教授，主要研究方向为光波导技术、光通信网络。

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

项目来源:国家自然科学基金项目(61503418);中南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(CZY15008)

2016－07－01 修改日期:2016－09－02