ОПТИЧЕСКИЙ ДЕФАЗЗИФИКАТОР
OPTICAL DEPHASING APPARATUS

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, 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 нечетко-логического 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 нечетко-логического 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 системы преобразования Фурье, устройства ввода информации, пространственный операционный фильтр и детектор выходных данных.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым изобретением, следующие: источник когерентного излучения, две последовательно расположенные системы преобразования Фурье и пространственный операционный фильтр.
Недостатками вышеописанного прототипа являются 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 нечетко-логического вывода.
3
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 достигается тем, что в него введены первый оптический Y-разветвитель, первый оптический n-выходной разветвитель, первый линейный оптический транспарант, группа оптических Y-разветвителей, оптический определенный интегратор, второй линейный оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, оптический n-выходной разветвитель, группа оптических Y-объединителей, группа фотоприемников, группа пьезоэлеметов, второй оптический n-выходной разветвитель, третий линейный оптический транспарант, группа пар оптически связанных волноводов, оптический n-входной объединитель, выход источника когерентного излучения подключен ко входу первого 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 к соответствующим входам первого линейного оптического транспаранта, выходы которого подключены ко входам соответствующих оптических Y-разветвителей, вторые выходы оптических Y-разветвителей подключены к соответствующим входам оптического неопределенного интегратора, а первые выходы оптических Y-разветвителей подключены к соответствующим входам оптического определенного интегратора, выход которого подключен ко входу второго линейного оптического транспаранта, выход которого подключен ко входу оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей, а выходы оптического неопределенного интегратора подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей, выходы которых подключены ко входам соответствующих фотоприемников, выходы которых подключены к управляющим входам соответствующих пьезоэлементов, выходы второго оптического n-выходного разветвителя подключены к соответствующим входам третьего линейного оптического транспаранта, выходы которого подключены ко входам соответствующих первых оптических волноводов группы оптически связанных волноводов, интегрированных в соответствующие пьезоэлементы, выходы первых оптических волноводов группы оптически связанных волноводов подключены к соответствующим входам оптического n-входного объединителя, а выходы вторых оптических волноводов группы оптически связанных волноводов являются поглощающими, выход оптического n-входного объединителя является выходом оптического дефаззификатора.
Для достижения технического результата в оптический дефаззификатор, содержащий две последовательно расположенные системы преобразования Фурье и пространственный операционный фильтр, образующие оптический неопределенный интегратор, источник когерентного излучения, дополнительно введены первый оптический Y-разветвитель, первый оптический n-выходной разветвитель, первый линейный оптический транспарант, группа оптических Y-разветвителей, оптический определенный интегратор, второй линейный оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, оптический n-выходной разветвитель, группа оптических Y-объединителей, группа фотоприемников, группа пьезоэлементов, второй оптический n-выходной разветвитель, третий линейный оптический транспарант, группа пар оптически связанных волноводов, оптический n-входной объединитель, выход источника когерентного излучения подключен ко входу первого 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 к соответствующим входам первого линейного оптического транспаранта, выходы которого подключены ко входам соответствующих оптических Y-разветвителей, вторые выходы оптических Y-разветвителей подключены к соответствующим входам оптического неопределенного интегратора, а первые выходы оптических Y-разветвителей подключены к соответствующим входам оптического определенного интегратора, выход которого подключен ко входу второго линейного оптического транспаранта, выход которого подключен ко входу оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей, а выходы оптического неопределенного интегратора подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей, выходы которых подключены ко входам соответствующих фотоприемников, выходы которых подключены к управляющим входам соответствующих пьезоэлементов, выходы второго оптического n-выходного разветвителя подключены к соответствующим входам третьего линейного оптического транспаранта, выходы которого подключены ко входам соответствующих первых оптических волноводов группы оптически связанных волноводов, интегрированных в соответствующие пьезоэлементы, выходы первых оптических волноводов группы оптически связанных волноводов подключены к соответствующим входам оптического n-входного объединителя, а выходы вторых оптических волноводов группы 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 нечетко-логического вывода. Вычисление четкого значения (номера) выходной лингвистической переменной оптоэлектронный 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.
Функциональная схема оптического дефаззификатора показана на чертеже.
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
- 5, 5, …, 5n - n оптических Y-разветвителей;
- 6 - оптический интегратор, выполняющий функцию определенного интегрирования, который может быть реализован в виде оптического n-входного объединителя или фокусирующей линзы (далее - оптический определенный интегратор (ООИ));
- 7 - линейный оптический транспарант Т2 с функцией пропускания, равной 1/2;
- 8 - оптический фазовый модулятор (ОФМ), обеспечивающий постоянный сдвиг фазы оптического потока на π;
- 9 - оптический n-выходной разветвитель;
- 10 - оптический интегратор, выполняющий функцию неопределенного интегрирования, который может быть реализован 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.6.1] (далее - оптический неопределенный интегратор (НОИ));
1
2
n
- 11, 11, …, 11 - n оптических Y-объединителей;
1
2
n
- 12, 12, …, 12 - n фотоприемников (ФП);
- 13 - оптический n-выходной разветвитель;
- 14 - линейный оптический транспарант Т3 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
- 15, 15, 15, 15, …, 15, 15 - n пар оптически связанных волноводов (ОСВ);
1
2
n
11
12
21
22
n1
n2
- 16, 16, …, 16 - n пьезоэлементов (ПЭ), в которые интегрированы соответствующие пары ОСВ 15, 15, 15, 15, …, 15, 15 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;
- 17 - оптический n-входной объединитель.
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
11
21
n1
12
22
n2
12
22
n2
11
21
n1
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 13. Каждый выход 3, 3, …, 3 оптического n-выходного разветвителя 3 подключен к соответствующему входу ЛОТ 4, выход которого подключен ко входам соответствующих оптических Y-разветвителей 5, 5, …, 5. Первые выходы оптических Y-разветвителей 5, 5, …, 5 подключены к соответствующим входам ООИ 6, выход которого подключен ко входу ЛОТ 7. Выход ЛОТ 7 подключен ко входу ОФМ 8. Выход ОФМ 8 подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя 9, соответствующие выходы 9, 9, …, 9 которого подключены к первым входам оптических Y-объединителей 11, 11, …, 11. Вторые выходы оптических Y-разветвителей 5, 5, …, 5 подключены к соответствующим входам НОИ 10, соответствующие выходы которого подключены ко вторым входам оптических Y-объединителей 11, 11…, 11. Выходы оптических Y-объединителей 11, 11, …, 11 подключены ко входам соответствующих ФП 12, 12, …, 12. Выход каждого ФП 12, 12, …, 12 подключен к управляющему входу соответствующего ПЭ 16, 16, …, 16. Выходы 13, 13, …, 13 оптического n-выходного разветвителя 13 подключены ко входам ЛОТ 14, выходы которого подключены ко входам первых оптических волноводов 15, 15, …, 15, оптически связанных со вторыми оптическими волноводами 15, 15, …, 15, в соответствующих парах ОСВ. Выходы вторых оптических волноводов 15, 15, …, 15 соответствующих пар ОСВ являются поглощающими. Выходы первых оптических волноводов 15, 15, …, 15 пар ОСВ подключены к соответствующим входам 17, 17, …, 17 оптического n-входного объединителя 17, выход которого является выходом устройства.
1
2
n
Σ
Σ
1
2
n
Σ
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 - 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, пропорциональной 2×n×µ(y). Этот оптический поток, проходя через оптические Y-разветвители 5, 5,…, 5, разветвляется на две части. Первая часть разветвленного плоского потока с амплитудой, пропорциональной n×µ(y), поступает на соответствующие входы ООИ 6, а вторая часть потока с той же амплитудой поступает на соответствующие входы НОИ 10. С выхода ООИ 6 плоский световой поток с амплитудой, пропорциональной , поступает через ЛОТ 7 с функцией пропускания, равной 1/2, на вход ОФМ 8, сдвигающего фазу светового потока на π. С выхода ОФМ 8 инвертированный плоский световой поток поступает на вход оптического n-выходного разветвителя 9, с каждого выхода которого 9, 9, …, 9 снимается оптический поток с амплитудой, пропорциональной . Данные световые потоки поступают на первые входы соответствующих оптических Y-объединителей 11, 11,…, 11.
1
2
n
С выхода НОИ 10 плоский световой поток с пространственной амплитудой, пропорциональной по оси OY , поступает на вторые входы соответствующих оптических Y-объединителей 11, 11,…, 11.
1
2
n
i
1
2
n
к
1
2
n
1
2
n
Таким образом, на первые входы оптических Y-объединителей 11, 11, …, 11 поступают сдвинутые по фазе на π оптические потоки с амплитудами, пропорциональными определенному интегралу - , а на вторые входы - оптические потоки с амплитудами, пропорциональными по оси OY  (для каждого конкретного значения y из области определения функции . Интерферируя, данные световые потоки формируют на входе соответствующего фотоприемника 12, 12,…, 12 поток оптического излучения с интенсивностью . Наименьший по интенсивности (равный нулю) поток формируется на входе того ФП 12, где выполнено условие, описываемое формулой (1). Сигналы с выходов ФП 12, 12, …, 12 поступают на управляющие входы соответствующих ПЭ 16, 16, …, 16.
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 13, на каждом выходе которого формируется оптический поток с амплитудой K усл. ед. Эти n потоков с амплитудой K усл. ед. поступают на соответствующие входы ЛОТ 14, формируя на его выходах световые потоки с амплитудой, пропорциональной номеру своего входа (или выхода) - 1, 2, …n усл. ед. Далее эти оптические потоки поступают на вход соответствующего первого оптического волновода 15, 15, …, 15 пар ОСВ.
i
i1
i2
i1
i2
i1
Тот ПЭ 16, на управляющем входе которого будет нулевой сигнал (что эквивалентно выполнению условия, описываемого формулой (1)), не изменит начального расстояния между ОСВ 15 и 15, не допускающего переключения оптического потока из первого оптического волновода 15 во второй оптический волновод 15. Этот оптический поток из первого оптического волновода 15 с амплитудой, пропорциональной номеру входа с нулевым сигналом, поступает на соответствующий вход оптического n-входного объединителя 17 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 16, 16, …, 16, на управляющих входах которых будет присутствовать ненулевой сигнал, изменят расстояния между соответствующими ОСВ 15, 15, 15, 15, …, 15, 15, 15, 15, …, 15, 15, что приведет к переключению оптических потоков во вторые соответствующие оптические волноводы ОСВ и дальнейшему их поглощению.
Таким образом, на выходе оптического n-входного объединителя 17 будет сформирован оптический поток с амплитудой, пропорциональной значению (номеру) четкого значения на базовой шкале выходной переменной у из условия, описываемого формулой (1).
9
8
Быстродействие оптического дефаззификатора определяется, в основном, 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.