基于忆阻的光纤式结冰信号检测及处理关键技术研究

Facing the requirement of aircraft icing detection in China, the existing signal detection and processing is unable to satisfy the demand of small size, high-speed and intelligence. This work proposes to adopt the fourth circuit element-memristor, making improvement in icing detection and signal processing. Using the memristor characteristics of memristance-variable and nonvolatile, we construct a memristor-based network structure to realize the differential amplification of the icing detection signal, and combine the memristor with the neural network to realize the nonlinear calibration of detection curves of different ice type. This work satisfies the requirement of aircraft safety protection in icng condition, makes a breakthrough in the existing icing detection and signal processing, and promotes the development of micro-structure fiber-optic sensor.

面对我国对飞机结冰探测技术的巨大需求，现有的信号检测及处理方法无法完全满足体积小、速度快、准确度高的要求，本项目拟采用新型电路元件-忆阻，对探头获取信号的抗干扰检测和后续的信号智能处理方法进行改进。利用忆阻阻值可变、非易失等特性，构建具有差动放大效应的忆阻网络结构，实现探测信号的差动放大检测；将忆阻与传统神经网络结合，形成忆阻突触，实现对冰层厚度特性曲线的非线性校正以及结冰类型的分类识别。本项目研究不仅满足了我国对飞机机载结冰安全防护技术的迫切需求，突破了现有光纤式结冰探测信号检测及处理的局限性，还推动了微结构光纤传感器的发展。

结冰是一种自然现象，它给人们带来美感的同时往往也会对人类生活及安全构成巨大的危害，在易结冰部位安装结冰探测传感器系统可以及早发现结冰并启动加热系统进行除冰融冰。以当前使用最为普遍的光纤式传感器进行结冰探测时，还存在着冰层厚度测量曲线具有双值特性而导致的测量范围小，以及难以进行结冰类型识别等突出问题。本项目以光纤式结冰探测作为研究背景，将新型电路元件—忆阻器应用于信号检测及数据处理过程，为突破现有的结冰信号检测与处理技术瓶颈提供了新的途径。项目基于双光路差动测量的方法，采用方形光纤束探测头分布模式，力求在最小的安装面积上获得最大的通光面积，将经过冰层调制后的光信号转换成差分电压信号，从而获得冰层厚度信息。提出了纳米级尺寸具有放大效应的忆阻桥网络结构，利用网络中感知忆阻器的阻值特性曲线实现冰层厚度测量曲线的线性化，同时通过感知忆阻器两端的电压特性曲线，可以实现结冰类型的有效识别。设计出一种能够进行逻辑运算的忆阻器与CMOS电路混合结构，可结合单层感知机原理实现线性可分逻辑“与”和逻辑“或”分类问题，以此作为结冰类型识别的另一途径。在结冰实验测量数据的支持下，提出了基于单忆阻器突触权值调整机制，将其扩展到忆阻器突触交叉阵列网络结构中，以模拟神经网络中的突触并行处理功能。项目通过将忆阻器与光纤式结冰探测技术相结合，将忆阻器用于光电信号的检测与处理，从而得到一套较为完整的技术方法，既可以实现冰层厚度测量范围的扩展，又能有效识别结冰类型。