ОПТИЧЕСКИЙ ДИЗЪЮНКТОР НЕПРЕРЫВНЫХ (НЕЧЕТКИХ) МНОЖЕСТВ
OPTICAL DISJUNCTOR FOR CONTINUOUS (FUZZY) SETS

Предлагаемое изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики.
Известно оптическое устройство - оптический компаратор [Пат. RU 2020501 С1, Оптический компаратор / С.В. Соколов], содержащий источник излучения, коллимирующую линзу, прямоугольную призму, два электрооптических дефлектора и оптические объединители.
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым изобретением, следующие: источник излучения, электрооптический дефлектор, оптический объединитель.
Недостатком вышеописанного аналога является невозможность выполнения операции объединения (дизъюнкции) непрерывных (нечетких) множеств.
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, пара оптически связанных волноводов.
Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции объединения (дизъюнкции) непрерывных (нечетких) множеств.
Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь, принятый за прототип [Пат. RU 2020550 С1, 1994, Оптический функциональный преобразователь / С.В. Соколов] и 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 транспарант, оптический разветвитель, оптический объединитель, пара оптически связанных волноводов.
Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения операции объединения (дизъюнкции) непрерывных (нечетких) множеств.
5
6
Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию объединения (дизъюнкции) непрерывных (нечетких) множеств при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 10-10 операций в секунду.
Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего операцию объединения (дизъюнкции) непрерывных (нечетких) множеств при одновременном увеличении вычислительной производительности и упрощении конструкции устройства.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический дизъюнктор непрерывных (нечетких) множеств, содержащий источник излучения, оптический транспарант, оптический разветвитель, оптический n-входной объединитель, введены m групп по k блоков пространственного распределения оптического потока, k групп по n оптических m-входных объединителей, k групп по n блоков нормирования интенсивности, k-1 оптических n-входных объединителей, оптический дизъюнктор непрерывных (нечетких) множеств имеет m входов, р-м входом оптического дизъюнктора непрерывных (нечетких) множеств являются входы блоков пространственного распределения оптического потока р-й группы по k блоков пространственного распределения оптического потока (р=1, 2, …, m), каждый из которых содержит фотоприемник, источник излучения, электрооптический дефлектор, группу из n равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов, линейный оптический транспарант, группу из n оптических j-выходных разветвителей (j=1, 2, …, n), группу из n оптических (n-j+1)-входных объединителей, при этом входом данного блока будет фотоприемник, выход фотоприемника подключен к управляющему входу электрооптического дефлектора, выход источника излучения подключен к информационному входу электрооптического дефлектора, выход которого подключен ко входам равноудаленных от него оптических волноводов, выход каждого равноудаленного оптического волновода подключен к соответствующему входу линейного оптического транспаранта, каждый j-й выход линейного оптического транспаранта подключен ко входу j-го j-выходного оптического разветвителя, каждый j-й выход j-го j-выходного оптического разветвителя подключен к (n-j+1)-му входу j-го (n-j+1)-входного оптического объединителя, выходы которых являются выходами блока, каждый j-й выход i-го блока пространственного распределения оптического потока в р-й группе по k блоков пространственного распределения оптического потока подключен к р-му входу j-гo оптического m-входного объединителя из i-й группы по n оптических m-входных объединителей (i=1, 2, …, k; j=1, 2, …, n; р=1, 2, …, m), выход каждого ij-го оптического m-входного объединителя подключен ко входу ij-го блока нормирования интенсивности (i=1, 2, …, k; j=1, 2, …, n), каждый из которых содержит m-1 пар оптически связанных волноводов, m-1 оптических транспарантов, оптический m-входной объединитель, входом блока нормирования интенсивности является вход первого оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов, выход первого оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов подключен к первому входу оптического m-входного объединителя, выход второго оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов подключен ко входу первого оптического волновода второй пары оптически связанных волноводов, выход первого оптического волновода р-й пары оптически связанных волноводов подключен к (р-1) оптическому транспаранту (р=2, 3, …, m-1), выход второго оптического волновода (р-1)-й пары оптически связанных волноводов подключен ко входу первого оптического волновода р-й пары оптически связанных волноводов (р=3, 4, …, m-1), выход второго оптического волновода m-й пары оптически связанных волноводов подключен к (m-1)-му оптическому транспаранту, выход р-го оптического транспаранта подключен к (р+1) входу оптического m-входного объединителя (р=1, 2, …, m-1), выход которого является выходом ij-го блока нормирования интенсивности, выход каждого ij-го блока нормирования интенсивности подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства (i=1, 2, …, k; j=1, 2, …, n).
Оптический дизъюнктор непрерывных (нечетких) множеств - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции объединения (дизъюнкции) m непрерывных (нечетких) множеств А1, А2, …, Am и получения результирующего множества А, функция принадлежности которого равна:
A1
A2
Am
1
2
k
где µ(x), µ(x), …, µ(x) - функции принадлежности, описывающие непрерывные (нечеткие) множества А1, А2, …, Am элементов соответственно, определенных на базовой шкале Х∈x, x, …, x, где k - количество элементов множеств А1, А2, …, Am.
Функциональная схема оптического дизъюнктора непрерывных (нечетких) множеств показана на фиг.1.
Оптический дизъюнктор непрерывных (нечетких) множеств содержит:
11
21
k1
12
22
k2
1m
2m
km
- 1, 1, …, 1; 1, 1, …, 1; …; 1, 1, …, 1 - m групп по k блоков пространственного распределения оптического потока (БПРОП);
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
- 2, 2, …, 2; 2, 2, …, 2; …; 2, 2, …, 2 - k групп по n оптических m-входных объединителей;
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
- 3, 3, …, 3; 3, 3, …, 3; …; 3, 3, …, 3 - k групп по n блоков нормирования интенсивности (БНИ);
1
2
k
- 4, 4, …, 4 - k оптических n-входных объединителей.
1p
2p
km
Оптический дизъюнктор непрерывных (нечетких) множеств имеет m входов, р-м входом оптического дизъюнктора непрерывных (нечетких) множеств являются входы БПРОП 1, 1, …, 1 p-й группы по k БПРОП (р=1, 2, …, m).
iр
ij
i1
i2
in
Каждый j-й выход i-го БПРОП 1 в р-й группе по k БПРОП подключен к р-му входу j-го оптического m-входного объединителя 2 из i-й группы по n оптических m-входных объединителей 2, 2, …, 2 (i=1, 2, …, k; j=1, 2, …, n; р=1, 2, …, m).
ij
Выход каждого ij-го оптического m-входного объединителя 2 подключен ко входу ij-го БНИ (i=1, 2, …, k; j=1, 2, …, n).
j
Выход каждого ij-го БНИ подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя 4, выходы которых являются выходами устройства (i=1, 2, …, k; j=1, 2, …, n).
iр
iр
Блок пространственного распределения оптического потока (БПРОП) 1 предназначен для превращения точечного оптического потока интенсивности j усл. ед. в плоский оптический поток, состоящий из j оптических потоков единичной интенсивности. Схема блока пространственного распределения оптического потока 1 показана на фиг.2.
ip
БПРОП 1 содержит:
5 - фотоприемник (ФП);
6 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью f усл. ед.;
7 - электрооптический дефлектор (ЭОД);
1
2
n
8, 8, …, 8 - группу n равноудаленных от выхода ЭОД 16 оптических волноводов;
9 - линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания, обеспечивающей при поступлении на все его входы постоянного потока с амплитудой f усл. ед. амплитуду оптических потоков на его выходах, совпадающую с целочисленными значениями линейной функции (1, 2, …, n) усл. ед.;
1
2
10, 10, …, 10n - группу n оптических j-выходных разветвителей (j=1, 2, …, n);
1
2
n
11, 11, …, 11 - группу n оптических (n-j+1)-входных объединителей (j=1, 2, …, n).
iр
1
2
n
j
j
j
j
ip
Вход ФП 5 является входом БПРОП 1, выход ФП 5 подключен к управляющему входу ЭОД 7, выход ИИ 6 подключен к информационному входу ЭОД 7, выход которого оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов 8, 8, …, 8. Выход каждого j-го равноудаленного оптического волновода 8 подключен через ЛОТ 9 ко входу j-го j-выходного оптического разветвителя 10 (j=1, 2, …, n); j-й выход j-го j-выходного оптического разветвителя 10 подключен к (n-j+1)-му входу j-го (n-j+1)-входного оптического объединителя 11, выходы которых являются выходами БПРОП 1.
ij
ij
Функциональная схема БНИ 3 показана на фиг.3. БНИ 3 содержит:
11
12
21
22
m-1,1
m-1,2
p1
р2
12, 12; 12, 12, …, 12, 12 - m пар оптически связанных волноводов (ОСВ) [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А. Акаев, С.А. Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с., страница 148, рисунок 5.2]; порог переключения оптического потока в (р-1)-й паре ОСВ 12, 12 равен р усл(овных) ед(иниц), (р=2, 3, …, m);
1
2
m-1
13, 13, …, 13 - (m-1) оптических транспарантов (ОТ); функция пропускания (p-1)-го ОТ равна , (р=2, 3, …, m);
14 - оптический m-входной объединитель.
ij
11
11
12
Входом БНИ 3 является вход первого оптического волновода 12 первой пары ОСВ 12, 12.
11
11
12
12
11
12
21
21
22
Выход первого оптического волновода 12 первой пары ОСВ 12, 12 подключен к первому входу оптического m-входного объединителя 14, а выход второго оптического волновода 12 первой пары ОСВ 12, 12 подключен ко входу первого оптического волновода 12 второй пары ОСВ 12, 12.
p1
p1
p2
p-1
Выход первого оптического волновода 12 р-й пары ОСВ 12, 12 подключен к (р-1)-му ОТ 13 (р=2, 3, …, m-1).
p-1,1
p-1,1
p-1,2
p1
p1
р2
Выход второго оптического волновода 12 (р-1)-й пары ОСВ 12, 12 подключен ко входу первого оптического волновода 12 р-й пары ОСВ 12, 12 (р=3, 4, …, m-1).
m-1,1
m1
m2
m-1
Выход второго оптического волновода 12 (m-1)-й пары ОСВ 12, 12 подключен ко входу (m-1)-му ОТ 13.
р
ij
Выход р-го ОТ 13 подключен к (р+1) входу оптического m-входного объединителя 14 (р=1, 2, …, m-1), выход которого является выходом ij-го БНИ 3.
Работа оптического дизъюнктора непрерывных (нечетких) множеств
происходит следующим образом.
A1
A2
Am
11
21
k1
12
22
k2
1m
2m
km
На вход устройства поступает m функций принадлежности, описывающих непрерывные (нечеткие) множества A1, A2, …, Am соответственно в виде плоских оптических потоков некогерентного излучения, распределенных по оси ОХ с интенсивностями, пропорциональными µ(х), µ(x), …, µ(x) соответственно. Далее эти плоские оптические потоки поступают на входы соответствующих БПРОП 1, 1, …, 1; 1, 1, …, 1; …; 1, 1, …, 1.
ip
1
2
n
БПРОП 1 работает следующим образом. На информационный вход ЭОД 7 с выхода ИИ 6 постоянно поступает точечный оптический поток с интенсивностью f усл. ед. При отсутствии оптического сигнала на входе ФП 5 (т.е. на входе БПРОП) на управляющем входе ЭОД 7 отсутствует сигнал управления Uупр, и оптический точечный поток интенсивностью f усл. ед., пройдя с информационного входа на выход ЭОД 7, не попадает ни на один из входов равноудаленных оптических волноводов 8, 8, …, 8 и поглощается. При поступлении на вход ФП 5 оптического потока интенсивности j усл. ед. (j=1, 2, …, n) на управляющем входе ЭОД 7 формируется сигнал управления Uупр ~ j, отклоняющий точечный оптический поток с интенсивностью f усл. ед. на угол φ ~ arcsin(k·Uупр), где k - коэффициент, определяемый типом дефлектора. Смещение Δy точечного оптического потока относительно оси OY при этом равно:
Δy=a·sin(φ)=a·k·Uупр,
1
2
n
где а - расстояние от выхода ЭОД 7 до входа любого оптического волновода из группы равноудаленных оптических волноводов 8, 8, …, 8.
1
2
Так как входы оптических волноводов 8, 8, …, 8n равноудалены от выхода ЭОД 7, то а=const и, следовательно:
Δy=а·k·Uупр=K·j.
j
Следовательно, точечный оптический поток с интенсивностью f усл. ед. попадет на вход j-го равноудаленного оптического волновода 8 (j=1, 2, …, n), если на входе ФП 7 присутствует оптический поток интенсивности j усл. ед.
j
Далее оптический точечный поток с интенсивностью f усл. ед. с выхода j-го равноудаленного оптического волновода 8 (j=1, 2, …, n) поступает на j-й вход ЛОТ 9, с j-го выхода которого снимается точечный оптический поток с интенсивностью, пропорциональной номеру входа (выхода) ЛОТ 9, т.е. пропорциональной j.
j
j
1
Этот оптический поток с интенсивностью, пропорциональной j, поступает на вход j-го j-выходного оптического разветвителя 10, с каждого выхода которого снимается поток единичной интенсивности. Каждый j-й поток единичной интенсивности попадает на (n-j+1)-й вход j-го (n-j+1)-входного оптического объединителя 11. Таким образом, на выходах группы оптических (n-j+1)-входных оптических объединителей, начиная с первого оптического объединителя 11, формируется распределенный по оси OY оптический поток, состоящий из j точечных оптических потоков единичной интенсивности.
1p
2р
kp
Aр
i
1
2
k
1p
2р
kp
A1
A1
Таким образом, при поступлении на входы БПРОП 1, 1, …, 1 p-й группы по k БПРОП оптического потока, распределенного по оси ОХ, с интенсивностью, пропорциональной µ(x); ∀x∈Х; Х∈x, x, …, x, на выходах БПРОП 1, 1, …, 1 р-й группы по k БПРОП формируется изображение графика функции (µ(x)) в координатах µ(х), х в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков), (р=1, 2, …, m).
ij
Каждый из этих единичных потоков поступает на р-й вход соответствующего ij-го оптического m-входного объединителя 2.
A1
A1
A2
A2
A
A
A1
A2
Примеры изображений графиков функции принадлежности µ(x) в координатах µ(x), x и функции принадлежности µ(x) в координатах µ(x), x, а также графика их дизъюнкции - результирующей функции принадлежности µ(x) в координатах µ(x), x, показаны на фиг.4 (а), (б) и (в) соответственно при объединении двух нечетких множеств с функциями принадлежности, равными µ(a) и µ(x), (р=2).
iр
ij
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
11
21
k1
12
22
k2
1m
2m
km
A1
A2
Am
A1
A2
Так как каждый j-й выход ip-го БПРОП 1 оптически связан - подключен к р-му входу соответствующего ij-го оптического m-входного объединителя 2 (i=1, 2, …, k; j=1, 2, …, n; р=1, 2, …, m), то на выходах всех оптических m-входных объединителей 2, 2,.…, 2; 2, 2, …, 2; …; 2, 2, …, 2 за счет объединения единичных оптических потоков от всех БПРОП 1, 1, …, 1; 1, 1, …, 1; …; 1, 1, …, 1 будет сформировано изображение наложения m функций принадлежности µ(x), µ(x), …, µ(x) (фиг.4, в для случая двух функций принадлежности µ(x), µ(x)) в виде пространственно распределенного оптического потока, состоящего из совокупности оптических потоков со следующими интенсивностями:
A1
i
A2
i
Ap
i
A1
i
A2
i
Ap
i
i
p усл. ед. - если µ(x)=µ(x)=…=µ(x), причем µ(x)≠0, µ(x)≠0, …, µ(x)≠0, (p=1, 2, …, m), ∀x∈X;
0 - во всех остальных случаях.
ij
Таким образом, на выходе того оптического m-входного объединителя 2, на входах которого присутствуют р единичных потоков, будет сформирован оптический поток с интенсивностью р усл. ед.
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
11
12
1n
21
22
2n
k1,
k2
kn
С выходов оптических m-входных объединителей 2, 2, …, 2; 2, 2, …, 2; …; 2, 2, …, 2 оптические потоки поступают на входы соответствующих БНИ 3, 3, …, 3; 3, 3, …, 3; …; 3 3, …, 3.
ij
ij
11
11
12
12
11
12
ij
ij
11
11
12
12
11
12
11
12
21
22
m-1,1
m-1,2
p1
p1
р2
p-1,1
p-1,2
p-1,1
p-1,1
р-1,2
p-1,2
p-1,1
p-1,2
p1
p1
р2
р2
p1
р2
p-1
ij
Работа БНИ 3 происходит следующим образом (фиг.3). При поступлении на вход БНИ 3 оптического потока с интенсивностью 1 усл. ед., а следовательно, на вход первого оптического волновода 12 первой пары ОСВ 12, 12. Этот поток проходит, не переключаясь во второй оптический волновод 12 первой пары ОСВ 12, 12, на первый вход оптического m-входного объединителя 14 и далее на его выход, а следовательно, и на выход ij-го БНИ 3. Если поступает оптический поток с интенсивностью р усл. ед. (р=2, 3, …, m) на вход БНИ 3, а следовательно, на вход первого оптического волновода 12 первой пары ОСВ 12, 12, то этот оптический поток переключается во второй оптический волновод 12 первой пары ОСВ 12, 12 и далее аналогично, проходя следующие пары ОСВ 12, 12; 12, 12, …, 12, 12, попадет на вход первого оптического волновода 12 р-й пары ОСВ 12, 12 (р=3, 4, …, m-1). Так как в (р-1)-й паре ОСВ 12, 12 порог переключения оптического потока равен р усл(овных) ед(иниц), (р=2, 3, …, m), то тогда оптический поток с интенсивностью р усл. ед. переключается из первого оптического волновода 12 (р-1)-й пары ОСВ 12, 12 во второй оптический волновод 12 (р-1)-й пары ОСВ 12, 12 (р=2, 3, …, m). Далее этот оптический поток интенсивностью р условных единиц попадает на вход первого оптического волновода 12 р-й пары ОСВ 12, 12 и, не переключаясь во второй оптический волновод 12 р-й пары ОСВ 12, 12, попадает на вход (p-1)-го ОТ 13 с функцией пропускания, равной , (р=2, 3, …, m). С выхода последнего оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. поступает на р-й вход оптического m-входного объединителя (р=2, 3, …, m), и на выходе ij-го БНИ 3 по-прежнему формируется оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед.
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
Таким образом на выходе каждого блока нормирования интенсивности 3, 3, …, 3; 3, 3, …, 3; …; 3, 3, …, 3 формируется оптический поток с интенсивностью, равной:
A1
i
A2
i
Am
i
i
1 усл. ед. - если µ(x)≠0, или µ(x)≠0, или …, или µ(x)≠0, ∀x∈X;
0 - во всех остальных случаях,
A1
A2
Am
A2
Am
A1
А2
То есть формируется изображение дизъюнкции (результата операции, описываемой формулой (1)) функций принадлежности µ(x), µ(x), …, µ(x)(µ(x), …, µ(x) (фиг.4,в для случая двух функций принадлежности µ(х), µ(x)) в виде пространственно распределенного оптического потока.
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
i
С выхода каждого из БНИ 3, 3, …, 3; 3, 3, …, 3; …; 3, 3, …, 3 оптический поток поступает на соответствующий j-й вход i-го оптического n-входного объединителя 4 (i=1, 2, …, k; j=1, 2, …, n).
i
A
i
i
На выходе каждого оптического n-входного объединителя 4 за счет суммирования соответствующего числа оптических потоков единичной интенсивности формируется оптический поток, интенсивность которого пропорциональна значению функции принадлежности µ(х) для конкретного значения х (i=1, 2, …, k).
1
2
k
A
Таким образом на выходах всех оптических n-входных объединителей 4, 4, …, 4 - на выходе устройства формируется плоский оптический поток с интенсивностью по оси ОХ, пропорциональной функции принадлежности µ(x), соответствующей результату операции дизъюнкции (объединения) m непрерывных (нечетких) множеств, определяемой равенством (1).
-9
-12
Быстродействие оптического дизъюнктора непрерывных (нечетких) множеств определяется динамическими характеристиками фотоприемников и электрооптических дефлекторов, находящихся в блоке пространственного распределения оптического потока. Быстродействие фотоприемников, выполненных в традиционном варианте - на основе фотодиодов составляет порядка 10 с, а быстродействие электрооптических дефлекторов может достигать 10 с. Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.