李 薇，侯 睿，程 立

(中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，武漢430074)

基于憶阻橋效應(yīng)的光纖式雙光路結(jié)冰探測(cè)方法*

李 薇*，侯 睿，程 立

(中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，武漢430074)

近年來，隨著防冰、除冰需求的增加，結(jié)冰探測(cè)技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，但傳統(tǒng)的結(jié)冰傳感器量程受限，且后續(xù)信號(hào)處理電路部分體積較大，難以滿足應(yīng)用需求?；陔p光路差動(dòng)測(cè)量的方法，提出一種正方形光纖束探測(cè)頭分布模式和具有放大效應(yīng)的憶阻橋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過對(duì)光電探測(cè)器的輸出光電流信號(hào)進(jìn)行放大，并以網(wǎng)絡(luò)中感知憶阻器的端電壓作為傳感輸出，從而實(shí)現(xiàn)冰層厚度的測(cè)量。試驗(yàn)仿真結(jié)果表明，該方法探測(cè)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(dòng)和擴(kuò)大結(jié)冰厚度的測(cè)量范圍，結(jié)冰厚度的測(cè)量范圍可達(dá)到38 mm。

光纖;憶阻器;橋型網(wǎng)絡(luò);雙光路;結(jié)冰探測(cè)

飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)是飛機(jī)機(jī)載結(jié)冰安全防護(hù)系統(tǒng)的前提和關(guān)鍵，光纖式結(jié)冰傳感器是目前世界上最先進(jìn)的結(jié)冰探測(cè)傳感器之一［1－2］。實(shí)際應(yīng)用中，在光源功率一定的情況下，接收光纖探測(cè)到的光信號(hào)較微弱，且輸出信號(hào)呈現(xiàn)出雙值特性［3－4］，對(duì)此有些研究者曾提出了改進(jìn)方法［5－6］，但這些方法通常將集成電路芯片進(jìn)行互連來完成此類信號(hào)處理問題，較大的外形尺寸使其不易于安裝在機(jī)翼等面積較小以及有一定弧度的探測(cè)部位，這無疑成為機(jī)載設(shè)備微型化、智能蒙皮化的技術(shù)瓶頸。本文將新型電路元件－憶阻器與傳統(tǒng)的光纖式結(jié)冰傳感器相結(jié)合，基于雙光路測(cè)量方法，提出了正方形光纖束探測(cè)頭模式和納米級(jí)尺寸且具有放大效應(yīng)的憶阻橋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，依據(jù)憶阻橋放大效應(yīng)實(shí)現(xiàn)接收光纖中返回光電流信號(hào)的放大，并以感知憶阻器兩端電壓作為傳感輸出，對(duì)冰層厚度進(jìn)行探測(cè)。試驗(yàn)仿真結(jié)果表明，基于憶阻橋效應(yīng)的雙光路結(jié)冰信號(hào)探測(cè)方法能有效消除光路擾動(dòng)和擴(kuò)大冰層厚度測(cè)量范圍。

1 憶阻的物理實(shí)現(xiàn)及其傳感特性

根據(jù)電路理論中4個(gè)基本變量之間對(duì)應(yīng)關(guān)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(duì)其進(jìn)行了闡述和定義［7］。直至2008年，惠普實(shí)驗(yàn)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(shí)物［8］，并建立了憶阻器數(shù)學(xué)模型［9］。

在外加電流(壓)源的作用下，憶阻器的電阻值會(huì)發(fā)生改變，其阻值的變化趨勢(shì)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(xù)時(shí)間共同決定。當(dāng)被測(cè)量經(jīng)過調(diào)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(cè)量的變化，于此同時(shí)，憶阻器尺寸小、能耗低的特性也更滿足機(jī)載傳感器的實(shí)際需求［10］。

2 光纖式雙光路結(jié)冰傳感器的探頭結(jié)構(gòu)

光纖式雙光路結(jié)冰傳感器是利用冰層對(duì)光的調(diào)制原理，將結(jié)冰狀態(tài)(冰層厚度、結(jié)冰類型等)信息以光信號(hào)的形式返回到光電探測(cè)器中，從而轉(zhuǎn)換成電信息，發(fā)射光纖和接收光纖匯聚于一端形成探測(cè)頭端面，如圖1所示。為了增強(qiáng)結(jié)冰實(shí)驗(yàn)過程中各種端面分布模式探測(cè)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(fā)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(xiàn)有的圓形光纖［11］具有更小的安裝面積。為了更好地驗(yàn)證這一結(jié)論，以下將光纖束簡化至由16根單根光纖構(gòu)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(xiàn)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(cè)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(xiàn)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(guī)模圓形端面光纖束和圖2所示的小規(guī)模正方形端面光纖束為例來進(jìn)行比較，兩種光纖束均具有相同數(shù)量的發(fā)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(nèi)、外兩個(gè)虛線圓分別為內(nèi)圈單根發(fā)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(biāo)識(shí)為r1、r2。外圈單根接收光纖的圓心軌跡實(shí)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(qiáng)作為信息載體，不可避免地要受光電探測(cè)器噪聲、前置放大器零漂、光源功率波動(dòng)、光纖傳輸損耗以及環(huán)境雜散光等因素的影響［12－14］，當(dāng)端面無結(jié)冰發(fā)生時(shí)，接收光纖中也會(huì)有相應(yīng)的噪聲光電流返回。為了消除此類噪聲干擾，在光纖束探測(cè)頭端面上分別設(shè)置測(cè)量端面和參考端面，如圖2所示，右半邊的測(cè)量端面由2根發(fā)射光纖(測(cè)量)和6根接收光纖(測(cè)量)組成;左半邊的參考端面由2根發(fā)射光纖(參考)和6根接收光纖(參考)共同構(gòu)成，該參考端面采用電加熱而始終處于無冰狀態(tài)。由于測(cè)量端面和參考端面的安裝位置互相緊靠，可認(rèn)為處于完全相同的結(jié)冰環(huán)境，且兩種端面由相同結(jié)構(gòu)和數(shù)量的發(fā)射光纖、接收光纖構(gòu)成，滿足差分測(cè)量的條件［15］。

3 憶阻橋放大效應(yīng)分析

憶阻橋網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，該網(wǎng)絡(luò)由5個(gè)具有相同特性的憶阻器共同構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電流源Ir、Ir+Id分別為接收光纖(參考)和接收光纖(測(cè)量)中的光信號(hào)，經(jīng)光電探測(cè)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(tài)，由電路疊加原理可知，圖4所示電路結(jié)構(gòu)可分別由兩個(gè)電流源單獨(dú)作用疊加而成。

當(dāng)接收光纖(測(cè)量)中返回的光電流單獨(dú)作用于憶阻橋網(wǎng)絡(luò)時(shí)，如圖5所示，取此時(shí)的光電流方向?yàn)閰⒖挤较颉?/p>

圖4 憶阻橋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 接收光纖(測(cè)量)返回光電流單獨(dú)作用

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

產(chǎn)生的噪聲信號(hào)Id，它們依次流經(jīng)憶阻器M1、Mm、M4，使得它們的阻值均減小。此時(shí)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(dāng)接收光纖(參考)中返回的光電流單獨(dú)作用于放大電路時(shí)，如圖6所示，此時(shí)光電流為測(cè)量過程中的噪聲及擾動(dòng)所產(chǎn)生，該電流依次流經(jīng)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(dú)作用

此時(shí)感知憶阻器Mm兩端的電壓為:

當(dāng)接收光纖(測(cè)量)和接收光纖(參考)中的返回光電流同時(shí)作用于憶阻橋網(wǎng)絡(luò)時(shí)，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(cè)頭端面上分別設(shè)置測(cè)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(wǎng)絡(luò)，可進(jìn)行干擾補(bǔ)償，使得感知憶阻器Mm兩端的電壓僅與由冰層狀態(tài)返回的光電流Ir和感知憶阻Mm有關(guān)，能夠有效減小背景光等干擾;另一方面，由于憶阻橋網(wǎng)絡(luò)中橋臂憶阻器和感知憶阻器的初始阻值均較大，當(dāng)接收光纖中返回的光電流Ir變化較小時(shí)，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(yàn)驗(yàn)證與仿真分析

為了驗(yàn)證基于憶阻橋效應(yīng)的雙光路結(jié)冰信號(hào)探測(cè)方法的有效性，構(gòu)建了結(jié)冰檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，以獲得憶阻橋網(wǎng)絡(luò)的光電流輸入信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析，試驗(yàn)仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。試驗(yàn)平臺(tái)由半導(dǎo)體制冷器件(主要用于在其工作臺(tái)面生成冰層)、激光測(cè)距儀(用于測(cè)量冰層厚度)以及具有測(cè)量端面和參考端面的正方形光纖端面探頭的雙通道結(jié)冰傳感器構(gòu)成。將按需定制的光纖探頭端面與用于生成冰層的工作臺(tái)面齊平安裝并加以固定，工作平臺(tái)的溫度可根據(jù)制冷需要設(shè)定，且溫度箱具有實(shí)測(cè)溫度和設(shè)定溫度雙數(shù)碼管顯示，能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前的平臺(tái)溫度，當(dāng)顯示溫度與設(shè)定溫度相同時(shí)即可開始結(jié)冰實(shí)驗(yàn)。工作平臺(tái)的最低溫度可達(dá)－60℃，精度為±0.1℃。依照上述試驗(yàn)平臺(tái)，分別在－10℃和－20℃條件下模擬不同結(jié)冰類型的結(jié)冰環(huán)境，從而得到明冰和霜冰所對(duì)應(yīng)的接收光纖光電流信號(hào)。

與明冰和霜冰相對(duì)應(yīng)的感知憶阻器Mm兩端的電壓特性曲線如圖8所示，橫坐標(biāo)為由激光測(cè)距儀測(cè)得的所結(jié)冰層厚度，縱坐標(biāo)為憶阻橋網(wǎng)絡(luò)中的感知憶阻器Mm端電壓，在兩種結(jié)冰狀態(tài)下，端電壓特性曲線均呈現(xiàn)出較好的線性度。

圖7 結(jié)冰檢測(cè)仿真試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

圖8 感知憶阻器Mm端電壓特性曲線

在－10℃試驗(yàn)環(huán)境下所結(jié)冰型為明冰，其外觀幾乎透明，因此發(fā)射光纖中的光進(jìn)入冰體后在冰層－空氣界面發(fā)生反射，同時(shí)在冰體中發(fā)生散射。當(dāng)冰層很薄時(shí)，接收光纖接收(測(cè)量)的信號(hào)主要為界面的反射光和光路擾動(dòng)，此時(shí)進(jìn)入憶阻橋型網(wǎng)絡(luò)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(shí)增強(qiáng)，此時(shí)的光路擾動(dòng)相對(duì)變小且基本保持不變，此時(shí)作用于感知憶阻器Mm的光電流也不斷增強(qiáng)，直至冰層增長到一定厚度時(shí)，進(jìn)入接收光纖的光不再增加，但感知憶阻的阻值繼續(xù)減小，此過程可一直持續(xù)到感知憶阻器Mm的阻值達(dá)到最小值，從而使得其兩端電壓基本保持不變。

當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境為－20℃時(shí)，所結(jié)冰型為霜冰，其外觀較明冰混濁，使得進(jìn)入到接收光纖中的信號(hào)中較明冰包含更多的散射光。在冰層很薄時(shí)，兩種冰型中發(fā)生的光學(xué)現(xiàn)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(qiáng)，較之明冰而言，進(jìn)入到接收光纖中的信號(hào)也稍大一些。因而感知憶阻器Mm的端電壓較明冰時(shí)的下降速度稍慢。表1中分別列出了兩種冰型狀態(tài)下的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 測(cè)試試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)

由以上分析可知，不論所結(jié)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(jié)冰層的厚度。

5 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前光纖式結(jié)冰傳感器設(shè)計(jì)中存在的光路干擾及實(shí)際安裝空間狹小等問題，提出了將憶阻器與傳統(tǒng)的光纖式結(jié)冰傳感器相結(jié)合的方法。采用正方形光纖束探測(cè)頭端面，并利用憶阻橋型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的放大效應(yīng)對(duì)冰層厚度進(jìn)行探測(cè)，從而縮小安裝尺寸并降低能耗。試驗(yàn)仿真結(jié)果表明該雙測(cè)量通道憶阻橋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)有效消除光路擾動(dòng)和擴(kuò)大結(jié)冰厚度的測(cè)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(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，博士，講師，主要研究方向?yàn)樾滦蛡鞲衅鳌⑿盘?hào)處理與數(shù)據(jù)融合，liwei@mail.scuec.edu.cn;

侯 睿(1977－)，男，云南昆明人，中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣獠▽?dǎo)技術(shù)、光通信網(wǎng)絡(luò)。

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(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61503418);中南民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(CZY15008)

2016－07－01 修改日期:2016－09－02