ОПТИЧЕСКИЙ ДЕФАЗЗИФИКАТОР
OPTICAL DEFUZZIFICATOR

Предлагаемое изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики, а также в статистическом оценивании при вычислении медианных оценок.
Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для умножения оптических сигналов, содержащее оптический RS-триггер, транспаранты, оптический Y-разветвитель, три оптических бистабильных элемента, оптические волноводы с кольцевыми ответвлениями, оптические усилители, оптический компаратор, частотный фильтр [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 - нелинейный степенной преобразователь [Пат. RU 1774323 С1 1992. Оптический функциональный преобразователь / С.В.Соколов], содержащий источник излучения, оптические Y-разветвители, оптический линейный модулятор, оптический транспарант, оптический объединитель.
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический транспарант, оптический Y-разветвитель, оптический объединитель, выход источника излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, каждый выход оптического транспаранта подключен ко входу соответствующего оптического Y-разветвителя.
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 - оптический интегратор, выполняющий функцию неопределенного интегрирования, реализованный в виде Фурье-интегратора, описанного в [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с., страница 168, рис.6.2], принятый за прототип. Прототип содержит источник когерентного плоского светового потока, две последовательно расположенные оптические системы преобразования Фурье, устройство ввода информации (например, оптический транспарант), пространственный операционный фильтр и детектор выходных данных (например, фотоприемник).
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым изобретением, следующие: источник когерентного излучения, две последовательно расположенные оптические системы преобразования Фурье и пространственный операционный фильтр. При последующем описании устройства две последовательно расположенные оптические системы преобразования Фурье и пространственный операционный фильтр именуются как "оптический неопределенный интегратор".
Недостатками вышеописанного прототипа является 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 оптического дефаззификатора, позволяющего повысить вычислительную производительность процесса дефаззификации до 10-10 операций в секунду при одновременном упрощении конструкции и состава дефаззификатора.
Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего операцию 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 при одновременном увеличении вычислительной производительности.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический дефаззификатор, содержащий оптический неопределенный интегратор и источник когерентного излучения, введены оптический Y-разветвитель, первый и второй оптические n-выходные разветвители, первый и второй линейные оптические транспаранты, группа n оптических Y-разветвителей, группа n оптических фазовых модуляторов, группа n оптических Y-объединителей, группа n фотоприемников, группа n пьезоэлементов, группа n пар оптически связанных волноводов, оптический n-входной объединитель, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя, а второй выход подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя, выходы первого оптического n-выходного разветвителя подключены ко входам первого линейного оптического транспаранта, выходы которого подключены ко входам группы n оптических Y-разветвителей, первый выход i-ого оптического Y-разветвителя (i=1, 2, … n) из группы n оптических Y-разветвителей подключен к первому входу i-ого оптического Y-объединителя из группы n оптических Y-объединителей, второй выход i-ого оптического Y-разветвителя из группы n оптических Y-разветвителей подключен ко входу (n-i+1)-го оптического фазового модулятора, выход каждого i-го фазового модулятора подключен ко второму входу i-ого оптического Y-объединителя из группы n оптических Y-объединителей, выходы группы n оптических Y-объединителей подключены ко входам оптического неопределенного интегратора, выходы которого подключены ко входам группы n фотоприемников, выход каждого i-го фотоприемника из группы n фотоприемников подключен к управляющему входу i-го пьезоэлемента из группы n пьезоэлементов, выходы второго оптического n-выходного разветвителя подключены ко входам второго линейного оптического транспаранта, выходы которого подключены ко входам первых оптических волноводов группы n пар оптически связанных волноводов, интегрированных в соответствующие пьезоэлементы, выходы первых оптических волноводов группы n пар оптически связанных волноводов подключены к соответствующим входам оптического n-входного объединителя, а выходы вторых оптических волноводов группы n пар оптически связанных волноводов являются поглощающими, выход оптического n-входного объединителя является выходом оптического дефаззификатора.
out
Оптический дефаззификатор - 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. Вычисление четкого значения (номера) выходной лингвистической переменной оптический дефаззификатор выполняет по методу медианы, значение y которой определяется из интегрального уравнения:
out
Σ
OUT
1
2
где y - искомое четкое значение выходной лингвистической переменной (точка, в которой площадь поверхности, ограниченной осью y и функцией µ (y), делится пополам; y∈[y, y]);
1
2
Σ
y, y - соответственно наименьшее и наибольшее значения аргумента функции µ(y) из области ее определения;
Σ
µ(y) - результирующая после процедуры агрегирования функция принадлежности выходной лингвистической переменной y, определенная на оси OY.
Функциональная схема оптического дефаззификатора показана на фигуре.
Оптический дефаззификатор содержит:
- 1 - источник плоского когерентного излучения (ИКИ) с амплитудой (2+K)×n усл(овных) ед(иниц);
-1
-1
- 2 - оптический Y-разветвитель, имеющий по первому выходу коэффициент разветвления 2×n/(2+K)×n=2×(2+K), а по второму выходу - K×n/(2+K)×n=K×(2+K);
- 3 - оптический n-выходной разветвитель;
Σ
- 4 - линейный оптический транспарант (ЛОТ) Т1 с функцией пропускания, пропорциональной функции принадлежности µ(y);
1
2
n
- 5, 5, …, 5 - n оптических Y-разветвителей;
1
2
n
- 6, 6, …, 6 - n оптических фазовых модуляторов (ОФМ), обеспечивающих постоянный сдвиг фазы оптического потока на π;
1
2
n
- 7, 7, …, 7 - n оптических Y-объединителей;
- 8 - оптический неопределенный интегратор (ОИ);
1
2
n
- 9, 9, …, 9 - n фотоприемников (ФП);
- 10 - оптический n-выходной разветвитель;
- 11 - ЛОТ Т2 с функцией пропускания, обеспечивающей при поступлении на все его входы постоянного потока с амплитудой К усл. ед. амплитуду оптических потоков на его выходах, совпадающую с целочисленными значениями линейной функции (1, 2, …, n) усл. ед.;
11
12
21
22
n1
n2
- 12, 12, 12, 12, …, 12, 12, - n пар оптически связанных волноводов (ОСВ);
1
2
n
11
12
21
22
n1
n2
- 13, 13, …, 13 - n пьезоэлементов (ПЭ), в которые интегрированы соответствующие пары ОСВ 12, 12, 12, 12, …, 12, 12 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;
- 14 - оптический n-входной объединитель.
1
2
n
1
2
n
i
i
i
n-i+1
i
i
1
2
1
2
n
1
2
n
1
2
n
Выход ИКИ 1 подключен ко входу оптического Y-разветвителя 2, первый выход которого подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя 3, а второй выход подключен ко входу n-выходного разветвителя 10. Каждый выход 3, 3, …, 3 оптического n-выходного разветвителя 3 подключен к соответствующему входу ЛОТ 4, выходы которого подключены ко входам соответствующих оптических Y-разветвителей 5, 5, …, 5. Первый выход каждого i-ого оптического Y-разветвителя 5 подключен к первому входу i-ого оптического Y-объединителя 7, а второй выход каждого i-ого оптического Y-разветвителя 5 подключен ко входу (n-i+1)-го ОФМ 6 (i=1, 2, … n). Выход каждого i-ого ОФМ 6 подключен ко второму входу оптического Y-объединителя 7 (i=1, 2, … n). Выходы оптических Y-объединителей 7, 7, …, 7n подключены к соответствующим входам ОИ 8, выходы которого подключены ко входам соответствующих ФП 9, 9, …, 9. Выход каждого ФП 9, 9, …, 9 подключен к управляющему входу соответствующего ПЭ 13, 13, …, 13.
1
2
n
11
21
n1
12
22
n2
12
22
n2
11
21
n1
1
2
n
Выходы 10, 10, …, 10 оптического n-выходного разветвителя 10 подключены ко входам ЛОТ 11, выходы которого подключены ко входам первых оптических волноводов 12, 12, …, 12, оптически связанных со вторыми оптическими волноводами 12, 12, …, 12 в соответствующих парах ОСВ. Выходы вторых оптических волноводов 12и, 12, 12, …, 12 соответствующих пар ОСВ являются поглощающими. Выходы первых оптических волноводов 12, 12, …, 12пар ОСВ подключены к соответствующим входам 14, 14, …, 14 оптического n-входного объединителя 14, выход которого является выходом устройства.
1
2
n
Σ
Σ
1
2
n
Σ
1
2
n
1
2
n
i
n-i+1
1
2
n
1
2
n
Работа оптического дефаззификатора происходит следующим образом. С выхода ИКИ 1 когерентный плоский световой поток с амплитудой (2+K)×n усл. ед. поступает на вход оптического Y-разветвителя 2, с первого выхода которого снимается оптический поток с амплитудой 2×n усл. ед., а со второго выхода - световой поток с амплитудой K×n усл. ед. Оптический поток с амплитудой 2×n усл. ед. поступает на вход оптического n-выходного разветвителя 3. С каждого выхода 3, 3, …, 3 n-выходного разветвителя 3 оптический поток с амплитудой 2 усл. ед. поступает на соответствующий вход ЛОТ 4 с функцией пропускания, пропорциональной функции принадлежности µ(y). На выходе ЛОТ 4 формируется плоский оптический поток с амплитудой по оси OY, пропорциональной 2×µ(y). Этот оптический поток, проходя через оптические Y-разветвители 5, 5, …, 5, разветвляется на два потока с амплитудой, пропорциональной µ(y). Первая часть разветвленного оптического потока поступает на первые входы оптических Y-объединителей 7, 7, …, 7. Вторая часть разветвленного оптического потока поступает на входы ОФМ 6, 6, …, 6, транспонируясь по оси OY следующим образом: оптический поток со второго выхода i-ого оптического Y-разветвителя 5 поступает на вход (n-i+1)-го ОФМ 6 (i=1, 2, …n). С выходов ОФМ 6, 6, …, 6 вторая часть разветвленного оптического потока, инвертированная по фазе (сдвинутая на π), поступает на вторые входы соответствующих оптических Y-объединителей 7, 7, …, 7.
1
2
n
Σ
1
2
n
Σ
Таким образом, на первых входах оптических Y-объединителей 7, 7, …, 7 формируется плоский оптический поток с амплитудой, пропорциональной µ(y) в направлении оси OY, а на вторых входах оптических Y-объединителей 7, 7, …, 7 формируется инвертированный по фазе плоский оптический поток с амплитудой, также пропорциональной µ(y), но уже в направлении оси YO - обратном по отношению к оси OY.
1
2
n
i
Проходя через ОИ 8 и интерферируя на входах соответствующих ФП 9, 9, …, 9, данные оптические потоки формируют на входе i-го ФП 9 оптический сигнал с интенсивностью:
i
где y - i-e значение аргумента y по оси OY.
к
1
2
n
1
2
n
Наименьший по интенсивности (равный нулю) оптический сигнал формируется на входе того ФП 9, где выполнено условие, описываемое формулой (1). Сигналы с выходов ФП 9, 9, …, 9 поступают на управляющие входы соответствующих ПЭ 13, 13, …, 13.
11
21
n1
Одновременно оптический поток с амплитудой K×n усл. ед. со второго выхода оптического Y-разветвителя 2 поступает на вход оптического n-выходного разветвителя 10, на каждом выходе которого формируется оптический поток с амплитудой K усл. ед. Эти т потоков с амплитудой K усл. ед. поступают на соответствующие входы ЛОТ 11, формируя на его выходах световые потоки с амплитудами, пропорциональными номерам своих входов (или выходов) - 1, 2, … n усл. ед. Далее эти оптические потоки поступают на вход соответствующего первого оптического волновода 12, 12, …, 12 пар ОСВ.
i
i1
i2
i1
i2
i1
Тот ПЭ 13, на управляющем входе которого будет нулевой сигнал (что эквивалентно выполнению условия, описываемого формулой (1)), не изменит начального расстояния между ОСВ 12 и 12 (i=1, 2, … n), недопускающего переключения оптического потока из первого оптического волновода 12 во второй оптический волновод 12. Этот оптический поток из первого оптического волновода 12 с амплитудой, пропорциональной номеру входа с нулевым сигналом, поступает на соответствующий вход оптического n-входного объединителя 14 и далее - на выход устройства.
1
2
n
11
12
21
22
(i-1)1
(i-1)2
(i+1)1
(i+1)2
n1
n2
Остальные ПЭ 13, 13, …, 13, на управляющих входах которых будет присутствовать ненулевой сигнал, изменят расстояния между соответствующими ОСВ 12, 12, 12, 12, …, 12, 12, 12, 12, …, 12, 12, что приведет к переключению оптических потоков во вторые соответствующие оптические волноводы ОСВ и дальнейшему их поглощению.
OUT
Таким образом, на выходе оптического n-входного объединителя 14 будет сформирован оптический поток с амплитудой, пропорциональной значению (номеру) четкого значения на базовой шкале выходной переменной y из условия, описываемого формулой (1).
9
8
Быстродействие оптического дефаззификатора определяется динамическими характеристиками фотоприемников и пьезоэлементов. Фотоприемники, выполняемые в традиционном варианте на основе фотодиодов, имеют частоту среза порядка 10 Гц, а быстродействие пьезоэлементов составляет порядка 10 Гц. Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.