ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДЕФАЗЗИФИКАТОР
OPTOELECTRONIC DEPHASING 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 C1, 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 C1, 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 1774323 C1, 1992. Оптический функциональный преобразователь. С.В.Соколов], содержащий источник излучения, оптические Y-разветвители, оптический линейный модулятор, оптический транспарант, оптический объединитель.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический транспарант, оптический Y-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.
5
6
Задачей изобретения является повышение вычислительной производительности процесса дефаззификации до 10-10 операций в секунду при одновременном упрощении конструкции дефаззификатора.
Технический результат достигается тем, что в устройство введены оптический трехвыходной разветвитель, три оптических n-выходных разветвителя, второй оптический транспарант, две группы n пар оптически связанных волноводов, две группы n фотоприемников, две группы n пьезоэлементов, оптический дифференциатор, группа оптических Y-объединителей, селектор минимального сигнала, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя, второй выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя, третий выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу третьего оптического n-выходного разветвителя, выходы первого оптического n-выходного разветвителя подключены ко входам соответствующих первых оптических волноводов первой группы оптически связанных волноводов, интегрированных в соответствующие пьезоэлементы первой группы, выходы первых оптических волноводов первой группы оптически связанных волноводов подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей, а выходы вторых оптических волноводов первой группы оптически связанных волноводов являются поглощающими, выходы второго оптического n-выходного разветвителя подключены ко входам первого оптического транспаранта, выходы которого подключены ко входам соответствующих первых оптических волноводов второй группы оптически связанных волноводов, интегрированных в соответствующие пьезоэлементы второй группы, выходы вторых оптических волноводов второй группы оптически связанных волноводов являются поглощающими, а выходы первых оптических волноводов второй группы оптически связанных волноводов подключены ко входам соответствующих оптических Y-разветвителей, первый выход каждого из которых подключен ко входу соответствующего фотоприемника первой группы, выход которого подключен к управляющему входу соответствующего пьезоэлемента первой группы, а выходы третьего оптического n-выходного разветвителя подключены ко входам второго оптического транспаранта, выходы которого подключены ко входам оптического дифференциатора, выходы которого подключены ко входам соответствующих фотоприемников второй группы, выходы которых подключены к управляющим входам соответствующих пьезоэлементов второй группы, а вторые выходы оптических Y-разветвителей подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей, выходы которых подключены к соответствующим входам селектора минимального сигнала, выход которого является выходом устройства.
Для достижения технического результата в оптоэлектронный дефаззификатор, содержащий источник когерентного излучения, оптический транспарант, оптические Y-разветвители, введены оптический трехвыходной разветвитель, три оптических n-выходных разветвителя, второй оптический транспарант, две группы n пар оптически связанных волноводов, две группы n фотоприемников, две группы n пьезоэлементов, оптический дифференциатор, группа оптических Y-объединителей, селектор минимального сигнала, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя, второй выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя, третий выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу третьего оптического n-выходного разветвителя, выходы первого оптического n-выходного разветвителя подключены ко входам соответствующих первых оптических волноводов первой группы оптически связанных волноводов, интегрированных в соответствующие пьезоэлементы первой группы, выходы первых оптических волноводов первой группы оптически связанных волноводов подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей, а выходы вторых оптических волноводов первой группы оптически связанных волноводов являются поглощающими, выходы второго оптического n-выходного разветвителя подключены ко входам первого оптического транспаранта, выходы которого подключены ко входам соответствующих первых оптических волноводов второй группы оптически связанных волноводов, интегрированных в соответствующие пьезоэлементы второй группы, выходы вторых оптических волноводов второй группы оптически связанных волноводов являются поглощающими, а выходы первых оптических волноводов второй группы оптически связанных волноводов подключены ко входам соответствующих оптических Y-разветвителей, первый выход каждого из которых подключен ко входу соответствующего фотоприемника первой группы, выход которого подключен к управляющему входу соответствующего пьезоэлемента первой группы, а выходы третьего оптического n-выходного разветвителя подключены ко входам второго оптического транспаранта, выходы которого подключены ко входам оптического дифференциатора, выходы которого подключены ко входам соответствующих фотоприемников второй группы, выходы которых подключены к управляющим входам соответствующих пьезоэлементов второй группы, а вторые выходы оптических Y-разветвителей подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей, выходы которых подключены к соответствующим входам селектора минимального сигнала, выход которого является выходом 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 левого модального значения, описываемому формулой (1), или по методу правого модального значения, описываемому формулой (2):
OUT
_
где y искомое четкое значение выходной лингвистической переменной;
m
y - модальное значение (мода) нечеткого множества, соответствующего выходной переменной на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной (ось OY на чертеже).
Функциональная схема ОДФ показана на чертеже.
Оптоэлектронный дефаззификатор содержит:
- 1 - источник когерентного излучения (ИКИ) с амплитудой (K+2M+1)×n усл(овных) ед(иниц);
- 2 - оптический трехвыходной разветвитель, первый выход которого имеет коэффициент разветвления K/(K+2M+1), второй - 2M/(K+2M+1) и третий - 1/(K+2M+1);
- 3, 6, 13 - соответственно, первый, второй и третий оптические n-выходные разветвители;
11
12
21
22
n1
n2
11
12
21
22
n1
n2
- 4, 4; 4, 4, …, 4, 4; 8, 8; 8, 8, …, 8, 8 - соответственно, первая и вторая группы n пар оптически связанных волноводов (ОСВ);
1
2
n
1
2
n
11
12
21
22
n1
n2
11
12
21
22
n1
n2
- 5, 5, …, 5; 9, 9, …, 9 - соответственно, первая и вторая группы n пьезоэлементов (ПЭ), в которые интегрированы соответствующие пары ОСВ 4, 4; 4, 4, …, 4, 4 и 8, 8; 8, 8, …, 8, 8 таким образом, что при отсутствии на управляющем входе ПЭ управляющего сигнала, изменяющего расстояние между ОСВ, оптическая связь в парах ОСВ отсутствует, появляясь только при наличии управляющего сигнала выше порогового уровня срабатывания ПЭ;
- 7 - первый оптический транспарант (ОТ) с функцией пропускания, обеспечивающей при поступлении на все его входы постоянного потока с амплитудой M усл.ед. амплитуды оптических потоков на его выходах, пропорциональные значениям аргумента на шкале выходной лингвистической переменной (по возрастанию) - в случае, если дефаззификация осуществляется по методу левого модального значения (1), или пропорциональные значениям аргумента на шкале выходной лингвистической переменной в обратном порядке (по убыванию) - в случае, если дефаззификация осуществляется по методу правого модального значения (2);
1
2
n
- 10, 10, …, 10 - n оптических Y-разветвителей;
1
2
n
1
2
n
- 11, 11, …, 11; 16, 16, …, 16 - соответственно, первая и вторая группы n фотоприемников (ФП);
1
2
n
- 12, 12, …, 12 - n оптических Y-объединителей;
Σ
- 14 - второй оптический транспарант с функцией пропускания, пропорциональной функции принадлежности µ(у);
- 15 - оптический дифференциатор (ОД), который может быть выполнен, например, в виде ОД [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации. А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с., страница 168, рис.6.2] или [пат. RU 2159461 C1, 2000. - БИ №32. Оптический дифференциатор. С.В.Соколов, П.С.Шевчук, Р.Н.Ганеев, А.В.Момот];
- 17 - селектор минимального сигнала (CMC), который может быть выполнен, например, в виде CMC, описанного в [а.с. СССР №1223259, 1986. Селектор минимального сигнала. Соколов С.В. и др.].
1
2
3
1
2
n
11
21
n1
1
2
n
11
21
n1
1
2
n.
1
2
n
11
21
n1
1
2
n
11
21
n1
1
2
n.
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
Выход ИКИ 1 подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя 2, первый выход 2 которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя 3, второй выход оптического трехвыходного разветвителя 2 подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя 6, третий выход 2 оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу третьего оптического n-выходного разветвителя 13. Выходы 3, 3, …, 3 первого оптического n-выходного разветвителя 3 подключены ко входам соответствующих первых волноводов 4, 4,…,4 ОСВ первой группы, интегрированных в соответствующие пьезоэлементы 5, 5, …, 5 первой группы, выходы первых волноводов 4, 4, …, 4 ОСВ первой группы подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей 12, 12, …, 12Выходы 6, 6, …, 6 второго оптического n-выходного разветвителя 6 подключены к соответствующим входам первого ОТ 7, выходы которого подключены ко входам соответствующих первых волноводов 8, 8,…,8 ОСВ второй группы, интегрированных в соответствующие пьезоэлементы 9, 9, …, 9второй группы. Выходы первых волноводов 8, 8, …, 8 ОСВ второй группы подключены ко входам соответствующих оптических Y-разветвителей 10, 10, …, 10Первый выход каждого оптического Y-разветвителя 10, 10, …, 10 подключен ко входу соответствующего ФП 11, 11, …, 11 первой группы, выход каждого ФП 11, 11, …, 11 первой группы подключен к управляющему входу соответствующего ПЭ 5, 5,…,5 первой группы. Вторые выходы каждого оптического Y-разветвителя 10, 10, …, 10 подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей 12, 12, …, 12. Выходы 13, 13, …, 13 третьего оптического n-выходного разветвителя 13 подключены ко входам второго ОТ 14, выходы которого подключены ко входам ОД 15, каждый выход которого подключен ко входу соответствующего ФП 16, 16, …, 16 второй группы. Выход каждого ФП 16, 16, …, 16 второй группы подключен к управляющему входу соответствующего пьезоэлемента ПЭ 9, 9, …, 9 второй группы. Выход каждого оптического Y-объединителя 12, 12, …, 12 подключен к соответствующему входу CMC 17, выход которого является выходом устройства.
Работа устройства происходит следующим образом. С выхода ИКИ 1 световой поток с амплитудой (K+2M+1)×n поступает на вход оптического трехвыходного разветвителя 2.
3
1
2
n
Σ
Σ
1
2
n
Σ
1
2
n
1
2
n
С третьего выхода 2 оптического трехвыходного разветвителя 2, коэффициент разветвления которого равен 1/(K+2M+1), оптический поток с амплитудой n усл.ед. поступает на вход третьего оптического n-выходного разветвителя 13, на выходах 13, 13, …, 13 которого формируются потоки единичной амплитуды, поступающие на вход второго ОТ 14. С выхода второго ОТ 14 плоский оптический поток с пространственной амплитудой (по оси OY), пропорциональной функции принадлежности µ(у), поступает на вход ОД 15, на выходе которого формируется плоский оптический поток с пространственной амплитудой, пропорциональной производной функции принадлежности µ(у), поступающий далее на входы соответствующих ФП первой группы 16, 16, …, 16. При этом в точках максимумов функции принадлежности µ(у) (точках мод) и минимумов амплитуда выходного оптического потока ОД 15 равна нулю. С выходов ФП первой группы 16, 16, …, 16 сигналы поступают на управляющие входы соответствующих ПЭ 9, 9, …, 9 второй группы.
2
1
2
n
11
21
n1
Одновременно, со второго выхода 2 оптического трехвыходного разветвителя 2, коэффициент разветвления которого равен 2M/(K+2M+1), оптический поток с амплитудой 2M×n усл.ед. поступает на вход второго оптического n-выходного разветвителя 6, на каждом 6, 6, …, 6 выходе которого формируется оптический поток с амплитудой 2×M усл.ед. Эти оптические потоки, поступая на соответствующие входы первого ОТ 7, формируют на его выходах оптические потоки с амплитудами, пропорциональными удвоенным значениям аргумента на шкале выходной лингвистической переменной (т.е. в естественном порядке - по возрастанию) в случае, если дефаззификация осуществляется по методу левого модального значения (1), или пропорциональные удвоенным значениям аргумента на шкале выходной лингвистической переменной в обратном порядке (по убыванию) - в случае, если дефаззификация осуществляется по методу правого модального значения (2). Выходные оптические потоки первого ОТ 7 поступают на входы первых оптических волноводов 8, 8, …, 8соответствующих пар ОСВ второй группы.
i
к
i
к
Σ
i1
i2
к1
i2
i1
к1
i2
к2
i1
к1
i
к
Т.е. пьезоэлементы 9, …, 9 второй группы, на управляющих входах которых будут нулевые сигналы (что эквивалентно наличию в точках y, …, ушкалы лингвистической переменной экстремумов функции µ(у)), не изменят начального расстояния между ОСВ второй группы 8 и 8, … 8, и 8, исключающего переключение оптического потока из первого оптического волновода 8 (8) во второй оптический волновод 8 (8). Такие (непереключенные) оптические потоки из первых оптических волноводов 8, …, 8 второй группы с амплитудами, пропорциональными удвоенным значениям аргумента на шкале лингвистической переменной, поступают на входы соответствующих оптических Y-разветвителей 10, …, 10.
1
2
i-1
i+1
к-1
к+1
n
11
12
21
22
(i-1)1
(i-1
2
(i+1)1
(i+1)2
(к-1)1
к-1)2
(к+1)1
к+1)2
n1
n2
Остальные пьезоэлементы 9, 9, …, 9, 9, …, 9, 9, …, 9второй группы, на управляющих входах которых будет присутствовать ненулевой сигнал, изменят расстояния между соответствующими ОСВ второй группы 8, 8, 8, 8, …, 8, 8), 8, 8, …, 8, 8(, 8, 8(, …, 8, 8, что приведет к переключению оптических потоков в соответствующие вторые оптические волноводы ОСВ второй группы и дальнейшему их поглощению.
1
1,
2
n
11
21
n1
С первого выхода 2 оптического трехвыходного разветвителя 2, коэффициент разветвления которого равен K/(K+2M+1), оптический поток с амплитудой K×n усл.ед. поступает на вход первого оптического n-выходного разветвителя 3, на каждом выходе 33, …, 3 которого формируется поток амплитуды K усл.ед. Эти n потоков поступают на входы соответствующих первых оптических волноводов 4, 4, …, 4 пар ОСВ первой группы.
i
к
i
к
Σ
i
к
i
к
Одновременно, с первых выходов оптических Y-разветвителей 10, …, 10 оптические потоки с амплитудами, пропорциональными значениям y, …, у точек экстремумов функции принадлежности µ(у) на шкале выходной лингвистической переменной, поступают на входы соответствующих ФП 11, …, 11 первой группы, выходные сигналы которых поступают на управляющие входы соответствующих ПЭ 5, … 5 первой группы.
i
к
i
к
Σ
i
к
Со вторых выходов оптических Y-разветвителей 10, …, 10оптические потоки с амплитудами, пропорциональными значениям y, …, уточек экстремумов функции принадлежности µ(у) на шкале выходной лингвистической переменной, поступают на вторые входы соответствующих оптических Y-объединителей 12, …, 12, выходные оптические сигналы которых поступают на соответствующие входы CMC 17.
1
2
i-1
i+1
к-1
к+1
n
Σ
11
12
21
22
(i-1)1
(i-1)2
(i+1)1
(i+1)2
(к-1)1
(к-1)2
(к+1)1
(к+1)2
n1
n2
11
21
(i-1)1
(i+1)1
(к-1)1
(к+1)1
n1
1
2
i-1
i+1
к-1
к+1
n
Т.е. пьезоэлементы 5, 5, …, 5, 5, …5, 5, …, 5 первой группы, на управляющих входах которых будут нулевые сигналы (что эквивалентно отсутствию в соответствующей точке оси аргумента экстремумов функции принадлежности µ(у)), не изменят начального расстояния между ОСВ первой группы 4, 4, 4, 4, …, 4, 4, 4, 4,…,4, 4, 4, 4, …, 4, 4, исключающего переключение оптического потока из первого оптического волновода во второй оптически с ним связанный волновод. Таким образом, оптические потоки амплитуды K усл.ед. из первых оптических волноводов 4, 4, …, 4, 4, …, 4, 4, …, 4 ОСВ первой группы поступают на первые входы соответствующих оптических Y - объединителей 12, 12, …, 12, 12, …, 12, 12, …, 12.
i
к
i
к
Σ
i1
i2
к1
к2
Остальные пьезоэлементы 5, …, 5 первой группы, на управляющих входах которых будет присутствовать ненулевой сигнал (что эквивалентно наличию в точках y, …, у значений экстремумов функции принадлежности µ(у)), изменят расстояния между соответствующими ОСВ первой группы 4, 4, …,4, 4, что приведет к переключению оптических потоков амплитуды K усл.ед. в соответствующие вторые оптические волноводы ОСВ первой группы и дальнейшему их поглощению.
1
2
n
Σ
11
12
21
22
n1
n2
11
21
(i-1)1
(i+1)1
(к-1)1
(к+1)1
(к+1)2
n1
Σ
Подобным образом обеспечивается прохождение на каждый вход CMC 17 через оптические Y-объединители 12, 12, …, 12 или только оптического сигнала, соответствующего значению точки экстремума функции принадлежности µ(у), или максимально возможного в диапазоне работы CMC 17 оптического сигнала с амплитудой K усл.ед. (который в последующем не пройдет на выход CMC 17). Это необходимо в силу того, что с выходов первых оптических волноводов соответствующих пар ОСВ второй группы 8, 8; 8, 8, …, 8, 8 снимаются нулевые сигналы для оптических волноводов 8, 8, …, 8, 8, …, 8, 8, 8, …, 8, не соответствующих точкам экстремумов функции принадлежности µ(у) (которые в последующем обязательно пройдут на выход CMC 17 вместо значений точек экстремумов).
Σ
m
m
Таким образом, на вход CMC 17 поступают оптические потоки с максимально возможными амплитудами K усл.ед. и амплитудами, пропорциональными значениям точек экстремумов функции принадлежности µ(у). Т.к. выходной сигнал CMC 17 пропорционален минимальному входному оптическому сигналу, то на выходе устройства будет сформировано значение, пропорциональное min{y} в случае, если дефаззификация осуществляется по методу левого модального значения, или max{y} в случае, если дефаззификация осуществляется по методу правого модального значения (2). (При этом следует иметь в виду, что в силу характера функции принадлежности крайним левым (правым) значением всех точек экстремумов всегда будет значение точки максимума функции принадлежности).
9
8
Быстродействие ОДФ определяется динамическими характеристиками фотоприемников, пьезоэлементов и селектора минимального сигнала. Фотоприемники, выполняемые в традиционном варианте на основе фотодиодов, имеют частоту среза порядка 10 Гц, а быстродействие пьезоэлементов составляет порядка 10 Гц. Селектор минимального сигнала, выполненный на лавинных фотодиодах, имеет время срабатывания ≈80-100 пс. Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.