ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДЕФАЗЗИФИКАТОР
OPTOELECTRONIC DEFUZZIFICATION APPARATUS

Предлагаемое изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики.
Известно  оптическое вычислительное устройство, предназначенное для умножения оптических сигналов, содержащее оптический RS-триггер, оптический Y-разветвитель, три оптических бистабильных элемента, оптические волноводы с кольцевыми ответвлениями, оптические усилители, оптический компаратор, частотный фильтр, оптический транспарант [пат. RU 2022328 С1 1994. Оптический умножитель. / С.В.Соколов].
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический Y-разветвитель, оптический транспарант.
Недостатками вышеописанного устройства являются сложность и невозможность вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода.
Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для вычитания оптических сигналов, содержащее оптические усилители, входной оптический разветвитель, две группы оптических транспарантов, оптические разветвления, кольцевое ответвление, оптический компаратор, оптическое ответвление, пару связанных оптических волноводов и оптический бистабильный элемент [пат. RU 2103721 С1 1998. Устройство для вычитания оптических сигналов. / С.В.Соколов, А.А.Баранник].
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель.
Недостатками вышеописанного устройства являются сложность и невозможность вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода.
Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь, принятый за прототип [пат. RU 2020550 С1 1994. Оптический функциональный преобразователь. / С.В.Соколов], содержащий источник когерентного излучения, дифференциатор, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, оптический n-входной объединитель, пару оптически связанных волноводов, оптический модулятор.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, выход источника излучения подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, каждый выход оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу оптического транспаранта.
Недостатками вышеописанного устройства являются сложность и невозможность вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода.
5
6
Задачей изобретения является создание оптоэлектронного дефаззификатора, позволяющего повысить вычислительную производительность до 10-10 операций в секунду при одновременной возможности выполнения операции дефаззификации - операции вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода.
Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создании устройства, выполняющего операцию дефаззификации - операции вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптоэлектронный дефаззификатор, содержащий источник когерентного излучения, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, выход источника излучения подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, каждый выход оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу оптического транспаранта, введены n оптических Y-разветвителей, второй оптический транспарант, два оптических интегратора с функцией определенного интегрирования, два фотодиода, полевой транзистор с управляющим р-n-переходом, включенный по схеме с общим истоком, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, каждый выход которого подключен к соответствующему входу первого оптического транспаранта, выходы первого оптического транспаранта подключены к соответствующим входам n оптических Y-разветвителей, первые выходы которых подключены к соответствующим входам второго оптического транспаранта, а вторые выходы подключены к соответствующим входам второго оптического интегратора, выходы второго оптического транспаранта подключены к соответствующим входам первого оптического интегратора, выход которого подключен ко входу первого фотодиода, анод которого подключен к стоку полевого транзистора, а катод - к общей шине, выход второго оптического интегратора подключен ко входу второго фотодиода, анод которого подключен к общей шине, а катод к затвору полевого транзистора, исток полевого транзистора подключен к общей шине, ток стока которого является выходным сигналом устройства.
Оптоэлектронный дефаззификатор (ОДФ) - устройство, предназначенное для вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода по методу центра тяжести, описываемому формулой:
OUT
где y - искомое четкое значение выходной лингвистической переменной (центр площади, ограниченной функцией принадлежности);
Σ
µ(y) - результирующая после процедуры агрегирования функция принадлежности выходной лингвистической переменной у;
Мах - верхняя граница, крайняя правая точка интервала носителя нечеткого множества выходной лингвистической переменной у;
Min - нижняя граница, крайняя левая точка интервала носителя нечеткого множества выходной лингвистической переменной у.
Функциональная схема ОДФ показана на чертеже.
Оптический дефаззификатор содержит:
- 1 - источник когерентного оптического излучения (ИКИ) с амплитудой 2n усл(овных) ед(иниц);
- 2 - оптический n-выходной разветвитель;
Σ
- 3 - первый оптический транспарант (ОТ) T1 функцией пропускания, пропорциональной функции µ(y);
1
2
n
- 4, 4, …, 4 - группу оптических Y-разветвителей;
- 5 - второй оптический транспарант (ОТ) Т2 с функцией пропускания, пропорциональной функции y;
- 6, 7 - первый и второй оптические интеграторы (ОИ), выполняющие функцию определенного интегрирования, которые могут быть реализованы в виде оптического n-входного объединителя или фокусирующей линзы;
- VD 8, VD 9 - первый и второй фотодиоды, работающие в фотогенераторном режиме;
- VT 10 - полевой транзистор с управляющим р-n-переходом, включенный по схеме с общим истоком.
1
2
n
1
2
n
Выход ИКИ 1 подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя 2, выходы 2, 2, …, 2 оптического n-выходного разветвителя 2 подключены ко входам первого ОТ 3. Выходы первого ОТ 3 подключены к соответствующим входам оптических Y-разветвителей 4, 4,…, 4, первые выходы которых подключены ко входам второго ОТ 5, а вторые выходы подключены ко входам второго ОИ 7. Выходы второго ОТ 5 подключены ко входам первого ОИ 6, а выход первого ОИ 6 подключен ко входу первого фотодиода VD 8. Анод первого фотодиода VD 8 подключен к стоку полевого транзистора VT 10, а катод - к общей шине. Выход второго ОИ 7 подключен ко входу второго фотодиода VD 9, анод фотодиода VD 9 подключен к общей шине, а катод подключен к затвору полевого транзистора VT 10, исток полевого транзистора VT10 подключен к общей шине, ток стока является выходным сигналом устройства.
1
2
n
Σ
1
2
n
1
2
n
Σ
2
Работа устройства происходит следующим образом. С выхода ИКИ 1 оптический когерентный поток с амплитудой 2n усл. ед. поступает на вход оптического n-выходного разветвителя 2, на выходах 2, 2, …, 2 которого формируется плоский оптический поток с амплитудой 2 усл. ед. по оси ОУ. Данный поток поступает на входы первого ОТ 3, на выходах которого формируется оптический поток с амплитудой 2µ(y), поступающий на соответствующие входы оптических Y-разветвителей 4, 4, …, 4. На вторых выходах оптических Y-разветвителей 4, 4, …, 4 формируется плоский оптический поток с амплитудой µ(y), поступающий на входы второго ОИ 7, на выходе которого формируется оптический поток с амплитудой, пропорциональной  (или с интенсивностью, пропорциональной ()). Далее выходной оптический поток второго ОИ 7 поступает на второй фотодиод VD 9.
1
2
n
Σ
Σ
На первых выходах оптических Y-разветвителей 4, 4, …, 4 также формируется плоский оптический поток с амплитудой µ(y), поступающий далее на входы второго ОТ 5, на выходах которого формируется плоский оптический поток с амплитудой, пропорциональной µ(y)·y. Данный плоский оптический поток поступает на входы первого ОИ 6, с выхода которого оптический поток с амплитудой, пропорциональной  (с интенсивностью, пропорциональной , поступает на первый фотодиод VD 8.
VD1
VD2
Так как зависимость фотоЭДС на выходе фотодиода от интенсивности поступающего на его вход оптического потока с требуемой точностью аппроксимируется функцией вида  [Бодиловский В.Г. Полупроводниковые и электровакуумные приборы в устройствах автоматики, телемеханики и связи: Учебник для техникумов ж.-д. трансп. - 5-е изд., перераб. и доп./ В.Г.Бодиловский. - М.: Транспорт, 1986. - 440 с.], то на выходе первого фотодиода VD 8 формируется фотоЭДС E, пропорциональная значению , а на выходе второго фотодиода VD 9 - фотоЭДС Е, пропорциональная значению
C
Ток стока I в полевом транзисторе VT 10 определяется как:
CИ
где U - напряжение между истоком и стоком полевого транзистора VT10;
C
R - сопротивление канала полевого транзистора VT 10.
C
CИ
C
СИ
Зависимость I от U, описываемая формулой (2), имеет при R=const линейный характер, что обеспечивается малым диапазоном напряжения U на стоко-затворной характеристике полевого транзистора, соответствующей ее линейному участку.
си
VD1
ЗИ
VD2
Напряжение U полевого транзистора VT 10 пропорционально значению фотоЭДС E, а следовательно, пропорционально значению  Сопротивление канала полевого транзистора VT 10 пропорционально напряжению U ("затвор-исток") на полевом транзисторе VT 12, которое пропорционально фотоЭДС Е, следовательно, сопротивление канала полевого транзистора VT 12 пропорционально .
Таким образом, ток стока полевого транзистора VT 12, являющийся выходным сигналом ОДФ, оказывается пропорциональным значению:
OUT
OUT
С
т.е. искомому значению y (y~I).
9
Быстродействие ОДФ определяется динамическими характеристиками фотодиодов и полевого транзистора. Т.к. фотодиоды имеют частоту среза ~10Гц, а полевой транзистор с управляющим р-n-переходом обладает частотным диапазоном до десятка МГц, то для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.