Оптический дизъюнктор непрерывных множеств

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики. Техническим результатом является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию объединения (дизъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности. Устройство содержит источник излучения, оптический Y-разветвитель, два оптических k×n выходных разветвителей, два матричных оптических транспаранта, k групп по n оптических Y-объединителей, k групп по n блоков нормирования интенсивностей, k оптических n-входных объединителей. 3 ил.

 

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, 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, оптический бистабильный элемент.

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции объединения (дизъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств.

Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь [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, пару оптически связанных волноводов, оптический модулятор.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический транспарант, оптический разветвитель.

Недостатками вышеописанного устройства являются высокая сложность и невозможность выполнения операции объединения (дизъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств.

Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для вычитания оптических сигналов, принятое за прототип [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 связанных оптических волноводов и оптический бистабильный элемент.

Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель, оптический бистабильный элемент.

Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения операции объединения (дизъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств.

Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию объединения (дизъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 10⁵-10⁶ операций в секунду.

Технический результат достигается тем, что в него введены источник излучения, оптический Y-разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k групп оптических n-входных объединителей, выход источника излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, второй выход оптического Y-разветвителя подключен ко входу второго оптического kxn-выходного разветвителя, ij-й выход (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n) первого оптического kxn-выходного разветвителя подключен к ij-му входу первого матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя, ij-й выход (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n) второго оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу второго матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя, выход ij-го оптического Y-объединителя подключен ко входу ij-го блока нормирования интенсивности, содержащего оптический бистабильный элемент, вход которого является входом блока нормирования интенсивности, оптический Y-разветвитель блока нормирования интенсивности, оптический Y-объединитель блока нормирования интенсивности, инверсный выход оптического бистабильного элемента подключен к первому входу оптического Y-объединителя блока нормирования интенсивности, прямой выход оптического бистабильного элемента подключен ко входу оптического Y-разветвителя блока нормирования интенсивности, первый выход которого подключен ко второму входу оптического Y-объединителя блока нормирования интенсивности, а второй является поглощающим, выход оптического Y-объединителя блока нормирования интенсивности является выходом блока нормирования интенсивности, выход ij-го блока нормирования интенсивности подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства.

Для достижения технического результата в оптический дизъюнктор непрерывных (нечетких) множеств, содержащий оптический транспарант, оптический разветвитель, оптический бистабильный элемент, введены источник излучения, оптический Y-разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k групп оптических n-входных объединителей, выход источника излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, второй выход оптического Y-разветвителя подключен ко входу второго оптического kxn-выходного разветвителя, ij-й выход (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n) первого оптического kxn-выходного разветвителя подключен к ij-му входу первого матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя, ij-й выход (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n) второго оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу второго матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя, выход ij-го оптического Y-объединителя подключен ко входу ij-го блока нормирования интенсивности, содержащего оптический бистабильный элемент, вход которого является входом блока нормирования интенсивности, оптический Y-разветвитель блока нормирования интенсивности, оптический Y-объединитель блока нормирования интенсивности, инверсный выход оптического бистабильного элемента подключен к первому входу оптического Y-объединителя блока нормирования интенсивности, прямой выход оптического бистабильного элемента подключен ко входу оптического Y-разветвителя блока нормирования интенсивности, первый выход которого подключен ко второму входу оптического Y-объединителя блока нормирования интенсивности, а второй является поглощающим, выход оптического Y-объединителя блока нормирования интенсивности является выходом блока нормирования интенсивности, выход ij-го блока нормирования интенсивности подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства.

Оптический дизъюнктор непрерывных (нечетких) множеств - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции объединения (дизъюнкции) двух непрерывных (нечетких) множеств А и В и получения результирующего множества D, функция принадлежности которого равна:

где µ_A(x) - функция принадлежности, описывающая непрерывное (нечеткое) множество А элементов, определенных на базовой шкале Х∈x₁,x₂,…,x_k, где k - количество элементов множества А,

µ_B(x) - функция принадлежности, описывающая непрерывное (нечеткое) множество В элементов, определенных на базовой шкале X∈ x₁,x₂,…,x_k, где k - количество элементов множества В.

Функциональная схема оптического дизъюнктора показана на фигуре 1.

Оптический дизъюнктор непрерывных (нечетких) множеств содержит:

- 1 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 2×k×n усл(овных) ед(иниц);

- 2 - оптический Y-разветвитель;

- 3 - первый оптический k×n-выходной разветвитель;

- 4 - второй оптический k×n-выходной разветвитель;

- 5 - первый матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции принадлежности µ_A(x) в координатах µ_A, (x);

- 6 - второй матричный оптический транспарант (МОТ) размерности k×n с записью изображения графика функции принадлежности µ_B(x) в координатах µ_B, (x);

- 7₁₁, 7₁₂,…7_1n; 7₂₁, 7₂₂,…7_2n;…; 7_k1, 7_k2,…7_kn - k групп по n оптических Y-объединителей;

- 8₁₁, 8₁₂,…8_1n; 8₂₁, 8₂₂,…8_2n;…; 8_k1, 8_k2,_...8_kn - k групп по n блоков нормирования интенсивностей;

- 9₁, 9₂,…9_k - k оптических n-входных объединителей.

Выход ИИ 1 подключен ко входу оптического Y-разветвителя 2. Первый выход оптического Y-разветвителя 2 подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя 3, а второй выход - ко входу второго оптического k×n-выходного разветвителя 4.

Каждый ij-й выход первого оптического kxn-выходного разветвителя 3 подключен к ij-му входу первого МОТ 5. Каждый ij-й выход первого МОТ 5 подключен к первому входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7_ij.

Каждый ij-й выход второго оптического kxn-выходного разветвителя 4 подключен к ij-му входу второго МОТ 6. Каждый ij-й выход второго МОТ 6 подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя 7_ij.

Выход ij-го оптического Y-объединителя 7_ij подключен ко входу ij-го блока нормирования интенсивности 8_ij. Выход ij-го блока нормирования интенсивности 8_ij подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя 9_i. Выходы оптических n-входных объединителей 9₁, 9₂,…9_k являются выходами устройства.

Примеры изображений графиков функции принадлежности µ_A(x) в координатах µ_A(x), x и функции принадлежности µ_B(x) в координатах µ_B(x), x, а также графика их дизъюнкции - результирующей функции принадлежности µ_D(x) в координатах µ_D(x), x, показаны на фигуре 2 (а), (б) и (в) соответственно.

Функциональная схема блока нормирования интенсивности 8_ij показана на фигуре 3

Блок нормирования интенсивности 8_ij содержит:

10 - оптический бистабильный элемент (ОБЭ) с функцией переключения в 2 усл.ед., который может быть выполнен, например, в виде трансфазора или в виде оптически связанных волноводов [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с];

11 - оптический Y-разветвитель;

12 - оптический Y-объединитель.

Инверсный выход ОБЭ 10 подключен к первому входу оптического Y-объединителя 12, прямой выход ОБЭ 10 подключен ко входу оптического Y-разветвителя 11, первый выход которого подключен ко второму входу оптического Y-объединителя 12, а второй является поглощающим. Выход оптического Y-объединителя 12 является выходом блока нормирования интенсивности 8_ij.

Работа оптического дизъюнктора непрерывных (нечетких) множеств происходит следующим образом. С выхода ИИ 1 оптический поток с интенсивностью 2×k×n усл.ед. поступает на вход оптического Y-разветвителя 2, с первого выхода которого оптический поток с интенсивностью k×n усл.ед. поступает на вход первого оптического k×n-выходного разветвителя 3. Со второго выхода оптического Y-разветвителя 2 оптический поток с интенсивностью k×n усл.ед. поступает на вход второго оптического k×n-выходного разветвителя 4.

На всех выходах первого оптического k×n-выходного разветвителя 3 формируются оптические потоки единичной интенсивности, поступающие далее на вход первого матричного оптического транспаранта 5. На первом матричном оптическом транспаранте 5 записано изображение графика функции принадлежности µ_A(x) в координатах µ_A(x), x (фигура 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_A(x) в координатах µ_A(x), x 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_ij.

Одновременно, на всех выходах второго оптического kxn-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_B(x) в координатах µ_B(x), x (фигура 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_B(x) в координатах µ_B(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.

Так как каждый ij-й пиксел первого матричного оптического транспаранта 5 оптически связан - подключен к первому входу соответствующего ij-го оптического Y-объединителя 7_ij, а каждый ij-й пиксел второго матричного оптического транспаранта 6 подключен ко второму входу этого же ij-го оптического Y-объединителя 7_ij, то на выходах всех оптических Y-объединителей 7₁₁, 7₁₂,…7_1n; 7₂₁, 7₂₂,…7_2n;…; 7_k1, 7_k2,…7_kn за счет объединения единичных оптических потоков от обоих МОТ 5, 6 будет сформировано изображение наложения двух функций принадлежностей µ_A(x) и µ_B(x) (фигура 2, в) в виде пространственно распределенного оптического потока, состоящего из совокупности оптических потоков со следующими интенсивностями:

1 усл.ед. - если µ_A(x_i)≠µ_B(x_i), причем µ_A(x_i)≠0 и µ_B(x_i)≠0 ∀x_i∈X;

2 усл.ед. - если µ_A(x_i)≠µ_B(x_i), причем µ_A(x_i)≠0 и µ_B(x_i)≠0 ∀x_i∈X;

0 - во всех остальных случаях.

Таким образом, на выходе того оптического Y-объединителя 7_ij, на обоих входах которого присутствуют два единичных потока, будет сформирован оптический поток с интенсивностью 2 усл.ед.

С выходов оптических Y-объединителей 7₁₁, 7₁₂,…7_1n; 7₂₁, 7₂₂,…7_2n; …; 7_k1, 7_k2,…7_kn оптические потоки поступают на входы соответствующих блоков нормирования интенсивности 8₁₁, 8₁₂,…8_1n; 8₂₁, 8₂₂,…8_2n;…; 8_k1, 8_k2,_...8_kn.

Работа блока нормирования интенсивности (БНИ) 8_ij происходит следующим образом (фигура 3). При поступлении на вход БНИ 8_ij оптического потока с интенсивностью 1 усл.ед. поток проходит со входа БНИ 8_ij на его выход, не изменяя своей величины, через инверсный выход ОБЭ 10 и первый вход оптического Y-объединителя 12. Если поступает оптический поток с интенсивностью 2 усл.ед., то ОБЭ 10 пропускает его на вход оптического Y-разветвителя 11, который уменьшает интенсивность потока в 2 раза. С первого выхода оптического Y-разветвителя 11 оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед. поступает на второй вход оптического Y-объединителя 12 и на выходе БНИ 8_ij по-прежнему формируется оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед.

Т.о. на выходе каждого блока нормирования интенсивности 8₁₁, 8₁₂,…8_1n; 8₂₁, 8₂₂,…8_2n;…; 8_k1, 8_k2,_...8_kn формируется оптический поток с интенсивностью, равной:

1 усл.ед. - если µ_A(x_i)≠0 и µ_B(x_i)≠0 ∀x_i∈X;

0 - во всех остальных случаях,

Т.е. формируется изображение дизъюнкции (результата операции, описываемой формулой (1)) двух функций принадлежностей µ_A(x₁) и µ_B(x) (фигура 2, в) в виде пространственно распределенного оптического потока.

С выхода каждого из блоков нормирования интенсивностей 8₁₁, 8₁₂,…8_1n; 8₂₁, 8₂₂,…8_2n;…; 8_k1, 8_k2,_...8_kn оптический поток поступает на соответствующий j-й вход i-го оптического n-входного объединителя 9_i.

На выходе каждого оптического n-входного объединителя 9_i за счет суммирования соответствующего числа оптических потоков единичной интенсивности формируется оптический поток, интенсивность которого пропорциональна значению функции принадлежности µ_D(x_i) для конкретного значения x_i.

Т.о. на выходах всех оптических n-входных объединителей 9₁, 9₂,…9_k - на выходе устройства формируется плоский оптический поток с интенсивностью по оси x, пропорциональной функции принадлежности µ_D(x), соответствующей результату операции дизъюнкции (объединения) двух непрерывных (нечетких) множеств, определяемой равенством (1).

Быстродействие оптического дизъюнктора непрерывных (нечетких) множеств определяется только динамическими характеристиками оптического бистабильного элемента, входящего в блок нормирования интенсивности 8_ij, время задержки которого составляет 10^-12 с. Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Оптический дизъюнктор непрерывных множеств, содержащий оптический транспарант, оптический разветвитель, оптический бистабильный элемент, отличающийся тем, что в него введены источник излучения, оптический Y-разветвитель, k групп по n оптических Y-объединителей, k групп оптических n-входных объединителей, выход источника излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического k×n-выходного разветвителя, второй выход оптического Y-разветвителя подключен ко входу второго оптического k×n-выходного разветвителя, ij-й выход (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n) первого оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу первого матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен к первому входу ij-го оптического Y-объединителя, ij-й выход (i=1, 2, … k; j=1, 2, … n) второго оптического k×n-выходного разветвителя подключен к ij-му входу второго матричного оптического транспаранта размерностью k×n, ij-й выход которого подключен ко второму входу ij-го оптического Y-объединителя, выход ij-го оптического Y-объединителя подключен ко входу ij-го блока нормирования интенсивности, содержащего оптический бистабильный элемент, вход которого является входом блока нормирования интенсивности, оптический Y-разветвитель блока нормирования интенсивности, оптический Y-объединитель блока нормирования интенсивности, инверсный выход оптического бистабильного элемента подключен к первому входу оптического Y-объединителя блока нормирования интенсивности, прямой выход оптического бистабильного элемента подключен ко входу оптического Y-разветвителя блока нормирования интенсивности, первый выход которого подключен ко второму входу оптического Y-объединителя блока нормирования интенсивности, а второй является поглощающим, выход оптического Y-объединителя блока нормирования интенсивности является выходом блока нормирования интенсивности, выход ij-го блока нормирования интенсивности подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства.