ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ РАЗНОСТИ НЕПРЕРЫВНЫХ МНОЖЕСТВ
OPTICAL COMPUTING DEVICE FOR CALCULATING DIFFERENCE BETWEEN CONTINUOUS SETS

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики, а также в оптических компьютерах при выполнении операции разности двух непрерывных множеств.
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 транспарант.
Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность вычисления разности двух непрерывных (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]. Устройство для вычитания оптических сигналов содержит 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 аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель, оптически связанные волноводы.
Недостатками вышеописанного устройства являются высокая сложность и невозможность вычисления разности двух непрерывных (нечетких) множеств.
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, оптически связанные волноводы, оптический модулятор.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический транспарант, оптический разветвитель, оптически связанные волноводы.
Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность вычисления разности двух непрерывных (нечетких) множеств.
5
6
Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию вычисления разности двух 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 вычисления разности двух непрерывных (нечетких) множеств при одновременном увеличении вычислительной производительности.
1
2
Сущность изобретения состоит в том, что в оптический вычислитель разности непрерывных множеств, содержащий первый источник излучения с длиной волны λ, первый оптический транспарант, первый оптический k×n-выходной разветвитель, оптически связанные волноводы, введены второй источник излучения с длиной волны λ, второй оптический k×n-выходной разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k оптических n-входных объединителей, второй оптический транспарант, k оптических диспергирующих элементов, выход первого источника излучения подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, выход второго источника излучения подключен ко входу второго оптического k×n-выходного разветвителя, ij-ый выход (i=1,2, … k; j=1,2, … n) первого оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-ому входу первого матричного оптического транспаранта размерности k×n, ij-ый выход которого подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя, ij-ый выход (i=1,2, … k; j=1,2, … n) второго оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу второго матричного оптического транспаранта размерности k×n, ij-ый выход которого подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя, 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, выход i-го оптического n-входного объединителя подключен ко входу i-го оптического диспергирующего элемента, первые и вторые выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами устройства.
Оптический вычислитель разности непрерывных множеств - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции разности двух непрерывных (нечетких) множеств А и В (В и А) и получения результирующего множества D (Е), функция принадлежности которого равна:
A
1
2
k
где µ(x) - функция принадлежности, описывающая непрерывное (нечеткое) множество А элементов, определенных на базовой шкале Х∈x,x, …, x, где k - количество элементов множества А,
B
1
2
k
µ(x) - функция принадлежности, описывающая непрерывное (нечеткое) множество В элементов, определенных на базовой шкале Х∈x,x, …, x, где k - количество элементов множества В.
Функциональная схема устройства показана на фиг.1.
Оптический вычислитель разности непрерывных множеств содержит:
1
- 1 - первый источник излучения (ИИ) с интенсивностью k×n усл. ед. (условных единиц) и длиной волны λ;
2
- 2 - второй ИИ с интенсивностью k×n усл. ед. и длиной волны λ;
- 3 - первый оптический k×n-выходной разветвитель;
- 4 - второй оптический k×n-выходной разветвитель;
A
A
- 5 - первый матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции принадлежности µ(x) в координатах µ, х;
B
B
- 6 - второй матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции принадлежности µ(x) в координатах µ, х;
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
- 7, 7, … 7; 7, 7, … 7; …; 7, 7, … 7 - k групп по n оптических Y-объединителей;
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
- 8, 8, … 8; 8, 8, … 8; …; 8, 8, … 8 - k групп по 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
- 9, 9, … 9 - k оптических n-входных объединителей;
1
2
k
- 10, 10, … 10 - k оптических диспергирующих элементов (ОДЭ).
ОДЭ могут быть выполнены в виде призм, дифракционных решеток и т.п.
Выход первого ИИ 1 подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя 3, а выход второго ИИ 2 подключен ко входу второго оптического k×n-выходного разветвителя 4.
ij
Каждый ij-ый выход первого оптического k×n-выходного разветвителя 3 подключен к ij-му входу первого МОТ 5. Каждый ij-ый выход первого МОТ 5 подключен к первому входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7; i, j=k, n.
ij
Каждый ij-ый выход второго оптического k×n-выходного разветвителя 4 подключен к ij-му входу второго МОТ 6. Каждый ij-ый выход второго МОТ 6 подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя 7; i, j=k, n.
ij
ij
ij
i
ij
Выход ij-го оптического Y-объединителя 7 подключен ко входу ij-ой пары ОСВ 8. Второй выход ij-ой пары ОСВ 8 подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя 9; i, j=k, n, первый выход каждой ij-ой пары ОСВ 8 является поглощающим.
1
2
k
1
2
k
11
12
1k
21
22
2k
Выходы оптических n-входных объединителей 9, 9, … 9 подключены ко входам соответствующих ОДЭ 10, 10, … 10, первые 10, 10, … 10 и вторые 10, 10, … 10 выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами устройства.
A
A
B
B
D
D
E
E
Примеры изображений графиков функции принадлежности µ(x) в координатах µ(x), х и функции принадлежности µ(x) в координатах µ(x), х, а также графиков их разностей - результирующих функций принадлежности µ(x) в координатах µ(x), х и µ(x) в координатах µ(x), х, показаны на фиг.2 (а), (б) и (в) соответственно.
ij
Схема ij-ой пары ОСВ 8 показана на фиг.3.
1
2
Работа оптического вычислителя разности непрерывных множеств происходит следующим образом. С выхода ИИ 1 оптический поток с интенсивностью k×n усл. ед. и длиной волны λ поступает на вход первого оптического k×n-выходного разветвителя 3. С выхода ИИ 2 оптический поток с интенсивностью k×n усл. ед. и длиной волны λ поступает на вход второго оптического k×n-выходного разветвителя 4.
1
A
A
A
A
ij
На всех выходах первого оптического k×n-выходного разветвителя 3 формируются оптические потоки единичной интенсивности с длиной волны λ, поступающие далее на вход первого матричного оптического транспаранта 5. На первом матричном оптическом транспаранте 5 записано изображение графика функции принадлежности µ(x) в координатах µ(x), х (фиг.2, а), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе первого матричного оптического транспаранта 5 будет сформировано изображение графика функции принадлежности µ(x) в координатах µ(x), 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 7.
B
B
B
B
ij
Одновременно, на всех выходах второго оптического k×n-выходного разветвителя 4 формируются оптические потоки единичной интенсивности, поступающие далее на вход второго матричного оптического транспаранта 6. На втором матричном оптическом транспаранте 6 записано изображение графика функции принадлежности µ(x) в координатах µ, x (фиг.2, б), имеющее единичную функцию пропускания (остальная часть транспаранта является поглощающей). Следовательно, на выходе второго матричного оптического транспаранта 6 будет сформировано изображение графика функции принадлежности µ(x) в координатах µ(x), x 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 7.
ij
ij
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
A
B
Так как каждый ij-й пиксел первого матричного оптического транспаранта 5 оптически связан - подключен к первому входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7, а каждый ij-й пиксел второго матричного оптического транспаранта 6 подключен ко второму входу этого же ij-го оптического Y-объединителя 7, то на выходах всех оптических Y-объединителей 7, 7, … 7; 7, 7, … 7; …; 7, 7, … 7 за счет объединения единичных оптических потоков от обоих МОТ 5, 6 будет сформировано изображение наложения двух функций принадлежностей µ(x) и µ(x) (показано на фиг.2 (в)) в виде пространственно распределенного оптического потока, состоящего из совокупности оптических потоков со следующими интенсивностями и длинами волн:
1
2
A
i
B
i
A
i
B
i
i
1 усл. ед. с длиной волны λ (или λ) - если µ(x)≠µ(x), причем µ(x)≠0 и µ(x)≠0 ∀x∈X;
1
2
A
i
B
i
A
i
B
i
i
2 усл. ед. с длинами волн λ, λ - если µ(x)=µ(x), причем µ(x)≠0 и µ(x)≠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 7, 7, … 7; 7, 7, … 7; …; 7, 7, … 7 оптические потоки поступают на входы соответствующих пар ОСВ 8, 8, … 8; 8, 8, … 8; …; 8, 8, … 8.
ij
ij
ij
ij
ij
Если на вход пары ОСВ 8 поступает оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед., то он проходит через входной оптический волновод на второй выход пары ОСВ 8, переключения оптического потока не происходит. Если на вход пары ОСВ 8 поступает оптический поток с интенсивностью 2 усл. ед., то происходит переключение оптического потока из входного оптического волновода в выходной, оптически связанный со входным, - т.е. на первый выход пары ОСВ 8, где этот поток поглощается (при этом на втором выходе пары ОСВ 8 оптический поток отсутствует).
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
Таким образом, на выходе каждой пары ОСВ 8, 8, … 8; 8, 8, … 8; …; 8, 8, … 8 формируется оптический поток с интенсивностью и длиной волны, равными:
1
2
A
i
B
i
A
i
B
i
i
1 усл. ед. с длиной волны λ (или λ) - если µ(x)≠0 или µ(x)≠0 и µ(x)≠µ(x) ∀x∈X;
0 - во всех остальных случаях.
A
B
1
Следовательно, одновременно формируются изображения как разности множеств А и В (результата операции, описываемой формулой (1)) - двух функций принадлежностей µ(x) и µ(x) в виде пространственно распределенного оптического потока единичной интенсивности с длиной волны λ (фиг.2, в - область правой штриховки),
B
A
2
так и разности множеств В и А (результата операции, описываемой формулой (2)) - двух функций принадлежностей µ(x) и µ(x), в виде пространственно распределенного оптического потока единичной интенсивности с длиной волны λ (фиг.2, в - область левой штриховки).
11
12
1n
21
22
2n
k1
k2
kn
i
С выхода каждой из пары ОСВ 8, 8, … 8; 8, 8, … 8; …; 8, 8, … 8 оптический поток поступает на соответствующий j-й вход i-го оптического n-входного объединителя 9.
i
1
2
D
E
i
На выходе каждого оптического n-входного объединителя 9 за счет суммирования соответствующего числа оптических потоков единичной интенсивности формируются оптические потоки с длинами волн λ и λ, интенсивности которых пропорциональны значениям функций принадлежности µ(x) и µ(x) соответственно для конкретного значения x.
1
2
k
1
2
D
E
Т.о. на выходах всех оптических n-входных объединителей 9, 9, … 9 формируются два плоских разнохроматических оптических потока с длинами волн λ и λ и с интенсивностями по оси x, пропорциональным функциям принадлежности µ(x) и µ(x) соответственно.
1
2
D
E
1
2
k
1
2
k
1i
2i
i
Далее эти два плоских оптических потока с длинами волн λ и λ и с интенсивностями, пропорциональными функциям принадлежности µ(x) и µ(x), с выходов оптических n-входных объединителей 9, 9, … 9 поступают на входы ОДЭ 10, 10, … 10, которые осуществляют их пространственное разделение, направляя на первый и второй выходы 10, 10 ОДЭ 10 соответственно.
11
12
k
1
D
21
22
2k
2
E
Таким образом, на первых выходах ОДЭ 10, 10, … 10 - первом выходе устройства формируется оптический поток с длиной волны λ и с интенсивностью по оси x, пропорциональной функции принадлежности µ(x), а на вторых выходах ОДЭ 10, 10, …10 - втором выходе устройства формируется плоский оптический поток с длиной волны λ и с интенсивностью по оси x, пропорциональной функции принадлежности µ(x).
-12
Быстродействие оптического вычислителя разности непрерывных множеств определяется только динамическими характеристиками пар оптически связанных волноводов, время задержки которых составляет 10 с. Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.