ОПТИЧЕСКИЙ АЛГЕБРАИЧЕСКИЙ ОБЪЕДИНИТЕЛЬ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ
OPTICAL ALGEBRAIC FUZZY SET COUPLER

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе 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 аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции алгебраического объединения двух нечетких множеств.
Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для вычитания оптических сигналов [Пат. RU 2103721 С1, 1998. Устройство для вычитания оптических сигналов / С.В.Соколов, А.А.Баранник], содержащее оптические усилители, входной оптический разветвитель, две группы оптических транспарантов, оптические разветвления, кольцевое ответвление, оптический компаратор, оптическое ответвление, пару оптически связанных волноводов и оптический бистабильный элемент.
Существенные признаки вышеописанного аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель, пара оптически связанных волноводов.
Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции алгебраического объединения двух нечетких множеств.
Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь, принятый за прототип [Пат. RU 2020550 С1, 1994. Оптический функциональный преобразователь / С.В.Соколов]. Нелинейный степенной преобразователь содержит 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 алгебраического объединения двух нечетких множеств.
5
6
Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию алгебраического объединения двух 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 алгебраического объединения двух нечетких множеств при одновременном увеличении вычислительной производительности.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический алгебраический объединитель нечетких множеств, содержащий источник излучения, первый линейный оптический транспарант, первый оптический k-выходной разветвитель, оптический k-входной объединитель, пару оптически связанных волноводов, введены оптический Y-объединитель, группа из k оптических Y-разветвителей, группа из k оптических Y-объединителей, две группы из k блоков пространственного распределения оптического потока, второй оптический k-выходной разветвитель, второй линейный оптический транспарант, группа из k оптических волноводов, k групп по n оптических Y-объединителей, k групп из n пар оптически связанных волноводов, (k-1) оптических n-входных объединителей, выход источника излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического k-выходного разветвителя, а второй выход подключен ко входу второго оптического k-выходного разветвителя, каждый выход первого оптического k-выходного разветвителя подключен ко входу соответствующего оптического Y-разветвителя из группы оптических Y-разветвителей через первый линейный оптический транспарант, первые выходы оптических Y-разветвителей из группы оптических Y-разветвителей подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей из группы оптических Y-объединителей, а вторые выходы оптических Y-разветвителей из группы оптических Y-разветвителей подключены ко входам соответствующих оптических волноводов из группы оптических волноводов через второй линейный оптический транспарант, выходы оптических волноводов из группы оптических волноводов подключены ко входам соответствующих блоков пространственного распределения оптического потока второй группы, причем блок пространственного распределения оптического потока из обеих групп 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 вход фотоприемника является входом данного блока, 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 второй группы подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя из k групп по n оптических Y-объединителей (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n), каждый выход второго k-выходного оптического разветвителя подключен ко второму входу соответствующего оптического Y-объединителя из группы оптических Y-объединителей через второй линейный оптический транспарант, выход каждого оптического Y-объединителя подключен ко входу соответствующего блока пространственного распределения оптического потока первой группы, j-й выход i-го блока пространственного распределения оптического потока первой группы подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя из к групп по n оптических Y-объединителей (i=1, 2, … k; j=1,2, … n), выход ij-го оптического Y-объединителя подключен ко входному оптическому волноводу ij-й пары оптически связанных волноводов, первый выход которой является поглощающим, а второй выход ij-й пары оптически связанных волноводов подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n), выходы которых являются выходами устройства.
D
Оптический алгебраический объединитель нечетких множеств -устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции алгебраического объединения двух нечетких множеств А и В и получения результирующего множества D, функция принадлежности µ(х)≤1 которого равна
A
1
2
k
где µ(х)≤1 - функция принадлежности, описывающая нечеткое множество А элементов, определенных на базовой шкале X∈х, х, …, x, где k - количество элементов множества А,
B
1
2
k
µ(x)≤1 - функция принадлежности, описывающая нечеткое множество В элементов, определенных на базовой шкале X∈х, х, …, x, где k - количество элементов множества В.
Функциональная схема оптического алгебраического объединителя нечетких множеств показана на фиг.1.
Оптический алгебраический объединитель нечетких множеств содержит
- 1 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 4×k усл(овных) ед(иниц);
- 2 - оптический Y-разветвитель, второй выход которого имеет коэффициент пропускания 1/2;
- 3 - первый k-выходной оптический разветвитель;
A
1/2
- 4 - первый линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания, пропорциональной функции µ(х);
1
2
k
- 5, 5, …, 5 - k оптических Y-разветвителей;
1
2
k
- 6, 6, …, 6 - k оптических Y-объединителей;
1
2
k
- 7, 7, …, 7 - первую группу из k блоков пространственного распределения оптического потока;
- 8 - второй k-выходной оптический разветвитель;
B
1/2
- 9 - второй линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания, пропорциональной функции µ(х);
1
2
k
- 10, 10, …, 10 - группу оптических волноводов;
1
2
k
- 11, 11, …, 11 - вторую группу из k блоков пространственного распределения оптического потока (БПРОП);
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
- 12, 12, … 12; 12, 12, … 12; …; 12, 12, … 12 - k групп по n оптических Y-объединителей;
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
- 13, 13, … 13; 13, 13, … 13; …; 13, 13, … 13 - k групп из n пар оптически связанных волноводов (ОСВ) с порогом переключения оптического потока 2 усл. ед. [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с., страница 148, рисунок 5.2];
1
2
k
- 14, 14, … 14 - k n-входных оптических объединителей.
Выход ИИ 1 подключен ко входу оптического Y-разветвителя 2, первый выход которого подключен ко входу первого k-выходного оптического разветвителя 3, а второй выход подключен ко входу второго k-выходного оптического разветвителя 8.
1
2
k
1
2
k
i
i
i
i
i
Каждый выход 3, 3, …, 3 первого k-выходного оптического разветвителя 3 подключен ко входу соответствующего оптического Y-разветвителя 5, 5, …, 5 через первый ЛОТ 4. Первый выход каждого i-го оптического Y-разветвителя 5 подключен к первому входу i-го оптического Y-объединителя 6, а второй выход каждого i-го оптического Y-разветвителя 5 подключен через второй ЛОТ 9 ко входу i-го оптического волновода 10, выход которого подключен ко входу i-го БПРОП 11 второй группы (i=1, 2, … k).
1
2
1
2
k
Выходы 8, 8, …, 8k второго k-выходного оптического разветвителя 8 подключены через второй ЛОТ 9 ко вторым входам оптических Y-объединителей 6, 6, …, 6 (i=1, 2, … k).
i
i
Выход i-го оптического Y-объединителя 6 подключен ко входу i-го БПРОП 7 первой группы (i=1, 2, … k).
i
ij
Каждый j-й выход i-го БПРОП 7 первой группы подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя 12 из k групп по n оптических Y-объединителей (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n).
i
ij
Каждый j-й выход i-го БПРОП 11 второй группы подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя 12 из k групп по n оптических Y-объединителей (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n).
ij
ij
ij
i
ij
Выход ij-го оптического Y-объединителя 12 подключен ко входу ij-й пары ОСВ 13. Второй выход ij-й пары ОСВ 13 подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя 14; первый выход каждой ij-й пары ОСВ 13 является поглощающим (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n).
1
2
k
Выходы оптических n-входных объединителей 14, 14, … 14 являются выходами устройства.
Блок пространственного распределения оптического потока (БПРОП) 7 (11) 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 7 (11) показана на фиг.2.
БПРОП 7 (11) содержит:
- 15 - фотоприемник (ФП);
- 16 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью f усл. ед.;
- 17 - электрооптический дефлектор (ЭОД);
1
2
n
- 18, 18, …, 18 - группу n равноудаленных от выхода ЭОД 16 оптических волноводов;
- 19 - 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
0n
- 20, 20, …, 2 - группу n оптических j-выходных разветвителей (j=1, 2, … n);
1
2
n
- 21, 21, …, 21 - группу n оптических (n-j+1)-входных объединителей (j=1, 2, … n).
1
2
n
j
j
j
j
Вход ФП 15 является входом БПРОП 7 (11), выход ФП 15 подключен к управляющему входу ЭОД 17, выход ИИ 16 подключен к информационному входу ЭОД 17, выход которого оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов 18, 18, …, 18. Выход каждого j-го равноудаленного оптического волновода 18 подключен через ЛОТ 19 ко входу j-го j-выходного оптического разветвителя 20 (j=1, 2, … n); j-й выход j-го j-выходного оптического разветвителя 20 подключен к (n-j+1)-му входу j-го (n-j+1)-входного оптического объединителя 21, выходы которых являются выходами БПРОП 7(11).
ij
Схема ij-й пары ОСВ 13 показана на фиг.3.
Работа оптического алгебраического объединителя нечетких множеств происходит следующим образом.
С выхода ИИ 1 световой поток с интенсивностью 4×k усл.ед. поступает на вход оптического Y-разветвителя 2, с первого выхода которого оптический поток с интенсивностью 2×k усл.ед. поступает на вход первого k-выходного оптического разветвителя 3, а со второго выхода оптического Y-разветвителя 2 световой поток с интенсивностью k усл.ед. поступает на вход второго k-выходного оптического разветвителя 8.
1
2
А
A
1
2
k
A
1
2
k
1
2
k
A
A
B
1
2
k
1
2
k
1/2
С каждого выхода 3, 3, …, 3k первого k-выходного оптического разветвителя 3 оптический поток интенсивности 2 усл.ед. поступает на соответствующий вход первого ЛОТ 4 с функцией пропускания, пропорциональной функции µ(х). На выходе ЛОТ 4 формируется плоский оптический поток с интенсивностью, пропорциональной 2×µ(х). Этот оптический поток, проходя через оптические Y-разветвители 5, 5, …, 5, разветвляется на две части. Первая часть оптического потока с интенсивностью, пропорциональной µ(х), с первых выходов оптических Y-разветвителей 5, 5, …, 5 поступает на первые входы оптических Y-объединителей 6, 6, …, 6. Вторая часть разветвленного оптического потока с интенсивностью, пропорциональной µ(х), поступает на входы ЛОТ 9, на выходах которого формируется плоский оптический поток с интенсивностью, пропорциональной µ(х)·µ(х). Этот оптический поток через соответствующие оптические волноводы 10, 10, …, 10 поступает на соответствующие входы БПРОП 11, 11, …, 11 второй группы.
1
2
k
B
B
1
2
k
A
B
1
2
k
1/2
Одновременно с выходов 8, 8, …, 8 второго k-выходного оптического разветвителя 8 оптические потоки с интенсивностью 1 усл.ед. поступают на входы второго ЛОТ 9 с функцией пропускания, пропорциональной функции µ(х). На выходах ЛОТ 9 формируется плоский оптический поток с интенсивностью, пропорциональной µ(х), который поступает на соответствующие вторые входы оптических Y-объединителей 6, 6, …, 6, на выходах которых формируется оптический поток с интенсивностью, пропорциональной µ(х)+µ(x). Этот оптический поток поступает на входы БПРОП 7, 7, …, 7 первой группы.
i
i
1
2
n
БПРОП 7 (11) работает следующим образом. На информационный вход ЭОД 17 с выхода ИИ 16 постоянно поступает точечный оптический поток интенсивности f усл.ед. При отсутствии оптического сигнала на входе ФП 15 (т.е. на входе БПРОП) на управляющем входе ЭОД 17 отсутствует сигнал управления Uупр, и оптический точечный поток интенсивностью f усл.ед., пройдя с информационного входа на выход ЭОД 17, не попадает ни на один из входов равноудаленных оптических волноводов 18, 18, …, 18 и поглощается. При поступлении на вход ФП 15 оптического потока интенсивности j усл.ед. (j=1, 2, … n) на управляющем входе ЭОД 17 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 Δу точечного оптического потока относительно оси OY при этом равно
Δу=a·sin(φ)=a·k·Uупр,
1
2
n
где а - расстояние от выхода ЭОД 17 до входа любого оптического волновода из группы равноудаленных оптических волноводов 18, 18, …, 18.
1
2
n
Так как входы оптических волноводов 18, 18, …, 18 равноудалены от выхода ЭОД 17, то а=const и, следовательно
Δу=a·k·Uупр=K·j.
j
Следовательно, точечный оптический поток с интенсивностью f усл. ед. попадет на вход j-го равноудаленного оптического волновода 18 (j=1, 2, … n), если на входе ФП 17 присутствует оптический поток интенсивности j усл. ед.
j
Далее оптический точечный поток с интенсивностью f усл.ед. с выхода j-го равноудаленного оптического волновода 18 (j=1, 2, … n) поступает на j-й вход ЛОТ 19, с j-го выхода которого снимается точечный оптический поток с интенсивностью, пропорциональной номеру входа (выхода) ЛОТ 19, т.е. пропорциональной j.
j
j
1
Этот оптический поток с интенсивностью, пропорциональной j, поступает на вход j-го j-выходного оптического разветвителя 20, 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 21. Таким образом, на выходах группы оптических (n-j+1)-входных оптических объединителей, начиная с первого оптического объединителя 21, формируется распределенный по оси OY оптический поток, состоящий из j точечных оптических потоков единичной интенсивности.
1
2
k
A
B
1
1
2
k
1
2
k
A
B
A
B
ij
Таким образом, при поступлении на входы БПРОП 7, 7, …, 7 первой группы оптического потока, распределенного по оси ОХ, с интенсивностью, пропорциональной µ(х)+µ(х); ∀х∈X; X∈х, х, …, х, на выходах БПРОП 7, 7, …, 7 первой группы формируется изображение графика функции (µ(х)+µ(х)) в координатах (µ(х)+µ(х)), х в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков). Каждый из этих единичных потоков поступает на первый вход соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 12.
1
2
k
A
B
1
1
2
k
1
2
k
A
B
A
B
ij
Аналогично, при поступлении на входы БПРОП 11, 11, …, 11 второй группы оптического потока, распределенного по оси ОХ, с интенсивностью, пропорциональной µ(х)·µ(х); ∀х∈Х; X∈х, х, …, х, на выходах БПРОП 10, 10, …, 10 второй группы формируется изображение графика функции (µ(х)·µ(x)) в координатах (µ(х)·µ(х)), х в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков). Каждый из этих единичных потоков поступает на второй вход соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 12.
A
B
A
B
А
B
A
B
D
D
Примеры изображений графиков функции (µ(х)+µ(x)) в координатах (µ(х)+µ(х)), х и функции (µ(х)·µ(х)) в координатах (µ(х)·µ(х)), х, а также графика их разности - результирующей функции принадлежности µ(х) в координатах µ(х), х, показаны на фиг.4(а), (б) и (в) соответственно.
i
ij
i
ij
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
А
В
A
B
А
B
A
B
A
B
i
Так как j-й выход i-го БПРОП 7 оптически подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя 12, а j-й выход i-го БПРОП 11 подключен ко второму входу этого же ij-го оптического Y-объединителя 12, то на выходах всех оптических Y-объединителей 12, 12, … 12; 12, 12, … 12; …; 12, 12, … 12 за счет объединения единичных оптических потоков от выходов БПРОП обеих групп будет сформировано изображение наложения двух функций (µ(х)+µ(х)) и (µ(х)·µ(х)) (показано на фиг.4(в)) в виде пространственно распределенного оптического потока, состоящего из совокупности оптических потоков со следующими интенсивностями (здесь учтено то очевидное обстоятельство, что при выполнении условий µ(х)≤1 и µ(х)≤1 всегда справедливо неравенство µ(x)+µ(x)≥µ(x)·µ(x); ∀x∈Х):
А
B
A
в
А
B
А
B
i
1 усл. ед. - если µ(х)+µ(х)≠µ(х)·µ(х), причем µ(х)+µ(х)≠0 и µ(х)·µ(х)≠0, ∀x∈Х;
А
B
А
B
А
B
А
B
i
2 усл. ед. - если µ(х)+µ(х)=µ(х)·µ(х), причем µ(х)+µ(х)≠0 и µ(х)·µ(х)≠0 ∀x∈X;
0 - во всех остальных случаях.
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
С выходов оптических Y-объединителей 12, 12, … 12; 12, 12, … 12; …; 12, 12, … 12 оптические потоки поступают на входы соответствующих пар ОСВ 13, 13, … 13; 13, 13, … 13; …; 13, 13, … 13.
ij
ij
ij
ij
ij
Если на вход пары ОСВ 13 поступает оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед., то он проходит через входной оптический волновод на второй выход пары ОСВ 13, переключения оптического потока не происходит. Если же на вход пары ОСВ 13 поступает оптический поток с интенсивностью 2 усл.ед., то происходит переключение оптического потока из входного оптического волновода на первый выход пары ОСВ 13, где этот поток поглощается. (При этом на втором выходе пары ОСВ 13 оптический поток отсутствует).
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
Таким образом, на выходе каждой пары ОСВ 13, 13, … 13; 13, 13, … 13; …; 13, 13, … 13 формируется оптический поток с интенсивностью, равной
A
B
A
B
A
B
A
B
i
1 усл. ед. - если µ(х)+µ(х)≠0 или µ(х)·µ(х)≠0 и µ(х)+µ(х)≠µ(х)·µ(х) ∀x∈X;
0 - во всех остальных случаях.
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
D
A
B
Таким образом, на выходах пар ОСВ 13, 13, … 13; 13, 13, … 13; …; 13, 13, … 13 формируется изображение графика функции принадлежности µ(х) множества D, полученного в результате операции алгебраического объединения двух множеств А и В с функциями принадлежности µ(х) и µ(х) соответственно - т.е. результата операции, описываемой формулой (1).
ij
i
С выхода каждой пары ОСВ 13 оптический поток поступает на j-й вход i-го n-входного оптического объединителя 14 (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n).
i
D
i
i
На выходе каждого n-входного оптического объединителя 14 за счет суммирования соответствующего числа оптических потоков единичной интенсивности формируются оптические потоки, интенсивности которых пропорциональны значениям функций принадлежности µ(х) для конкретного значения X.
1
2
k
D
Т.о. на выходах всех n-входных оптических объединителей 14, 14, … 14 формируется плоский оптический поток с интенсивностью по оси ОХ, пропорциональной функции принадлежности µ(х).
-9
-12
Быстродействие оптического алгебраического объединителя нечетких множеств определяется, в основном, 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.