ОПТИЧЕСКИЙ ДИЗЪЮНКТОР НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ Российский патент 2011 года по МПК G06E3/00 G06N7/02 

Предлагаемое изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики.

Известно оптическое вычислительное устройство - оптический дифференциатор [Пат. RU 2159461, 2000 г. Оптический дифференциатор / С.В.Соколов и др.], содержащий оптический разветвитель, оптическую линию задержки, оптический фазовый модулятор, оптический объединитель, приемный транспарант.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический разветвитель, оптический фазовый модулятор.

Недостатком вышеописанного аналога является невозможность выполнения операции объединения (дизъюнкции) двух нечетких множеств.

Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь [Пат. RU 2020550 С1, 1994 г., 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 когерентного излучения, оптический разветвитель, оптический модулятор.

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

Известно оптическое вычислительное устройство - селектор минимального сигнала [А.С. №1223259, СССР, 1986 г. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.], принятый за прототип и предназначенный для вычисления минимального сигнала из совокупности оптических сигналов, поданных на его вход. Селектор минимального сигнала содержит дифференциальные оптроны, входные оптические волноводы.

Прототип является существенным признаком предлагаемого изобретения.

Недостатком вышеописанного прототипа является невозможность выполнения операции объединения (дизъюнкции) двух нечетких множеств.

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

Технический результат достигается тем, что в устройство введены m групп по k фотоприемников, m источников когерентного излучения, m оптических 2k-выходных разветвителей, m групп по k оптических амплитудных модуляторов, m групп по k оптических фазовых модуляторов, m групп по k оптических Y-объединителей, k-1 селекторов минимального сигнала, k блоков извлечения квадратного корня, k блоков вычитания, оптический дизъюнктор нечетких множеств имеет m входов, р-м входом оптического дизъюнктора нечетких множеств являются входы фотоприемников р-й группы по k фотоприемников (р=1, 2, …, m), выход i-го фотоприемника в р-й группе по k фотоприемников подключен к управляющему входу i-го оптического амплитудного модулятора в р-й группе по k оптических амплитудных модуляторов (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m), выход р-го источника когерентного излучения подключен ко входу р-го оптического 2k-выходного разветвителя (р=1, 2, …, m), первые k выходы р-го оптического 2k-выходного разветвителя подключены к информационным входам соответствующих оптических амплитудных модуляторов в р-й группе по k оптических амплитудных модуляторов (р=1, 2, …, m), вторые k выходы р-го оптического 2k-выходного разветвителя подключены ко входам соответствующих оптических фазовых модуляторов в р-й группе по k оптических фазовых модуляторов (р=1, 2, …, m), выход ip-го оптического амплитудного модулятора подключен к первому входу ip-го оптического Y-объединителя (i=1, 2, …, k; p=1, 2, …, m), выход ip-го оптического фазового модулятора подключен ко второму входу ip-го оптического Y-объединителя (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m), выход ip-го оптического Y-объединителя подключен к р-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m), выходы селекторов минимального сигнала подключены ко входам соответствующих блоков извлечения квадратного корня, выходы которых подключены ко входам соответствующих блоков вычитания, выходы блоков вычитания являются выходами устройства.

Для достижения технического результата в оптический дизъюнктор нечетких множеств, содержащий селектор минимального сигнала, введены m групп по k фотоприемников, m источников когерентного излучения, m оптических 2k-выходных разветвителей, m групп по k оптических амплитудных модуляторов, m групп по k оптических фазовых модуляторов, m групп по k оптических Y-объединителей, k-1 селекторов минимального сигнала, k блоков извлечения квадратного корня, k блоков вычитания, оптический дизъюнктор нечетких множеств имеет m входов, р-м входом оптического дизъюнктора нечетких множеств являются входы фотоприемников р-й группы по k фотоприемников (р=1, 2, …, m), выход i-го фотоприемника в р-й группе по k фотоприемников подключен к управляющему входу i-го оптического амплитудного модулятора в р-й группе по k оптических амплитудных модуляторов (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m), выход р-го источника когерентного излучения подключен ко входу р-го оптического 2k-выходного разветвителя (р=1, 2, …, m), первые k выходы р-го оптического 2k-выходного разветвителя подключены к информационным входам соответствующих оптических амплитудных модуляторов в р-й группе по k оптических амплитудных модуляторов (р=1, 2, …, m), вторые k выходы р-го оптического 2k-выходного разветвителя подключены ко входам соответствующих оптических фазовых модуляторов в р-й группе по k оптических фазовых модуляторов (р=1, 2, …, m), выход ip-го оптического амплитудного модулятора подключен к первому входу ip-го оптического Y-объединителя (i=1,2,…, k; p=1, 2, …, m), выход ip-го оптического фазового модулятора подключен ко второму входу ip-го оптического Y-объединителя (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m), выход ip-го оптического Y-объединителя подключен к р-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m), выходы селекторов минимального сигнала подключены ко входам соответствующих блоков извлечения квадратного корня, выходы которых подключены ко входам соответствующих блоков вычитания, выходы блоков вычитания являются выходами устройства.

Оптический дизъюнктор нечетких множеств - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции объединения (дизъюнкции) m нечетких множеств A1, A2, …, Am и получения результирующего множества А, функция принадлежности которого равна:

где µ_A1(x), µ_A2(x), …, µ_Am(x) - функции принадлежности, описывающие нечеткие множества A1, A2, …, Am элементов соответственно, определенных на базовой шкале Х ∈ x₁, x₂, …, x_k, где k - количество элементов множеств A1, A2,…, Am.

Функциональная схема оптического дизъюнктора нечетких множеств показана на чертеже.

Оптический дизъюнктор нечетких множеств содержит:

- 1₁₁, 1_2l,…, 1_kl; 1_l2, 1₂₂, …, 1_k2; …; 1_lm, 1_2m, …, 1_km - m групп по k блоков фотоприемников (ФП);

- 2₁, 2₂, …2_m - m источников когерентного излучения (ИКИ) с амплитудой 2×k усл.ед. (условных единиц);

- 3₁, 3₂, …3_m - m оптических 2×k выходных разветвителей;

- 4₁₁, 4₂₁, …, 4_k1; 4₁₂, 4₂₂, …, 4_k2; …; 4_1m, 4_2m, …, 4_km - m групп по k оптических амплитудных модуляторов (ОАМ);

- 5₁₁, 5₂₁, …, 5_k1; 5₁₂, 5₂₂, …, 5_k2; …; 5_1m, 5_2m, …, 5_km - m групп по k оптических фазовых модуляторов (ОФМ), обеспечивающих постоянный сдвиг фазы оптического потока на π;

- 6₁₁, 6₂₁, …, 6_kl; 6₁₂, 6₂₂, …, 6_k2; …; 6_1m, 6_2m, …, 6_km - m групп по k оптических Y-объединителей;

- 7₁, 7₂, … 7_k - k селекторов минимального сигнала (CMC), выполненных в виде CMC, описанного в [А. С. №1223259, СССР, 1986 г. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.];

- 8₁, 8₂,… 8_k - k блоков извлечения квадратного корня (БИК), которые могут быть выполнены, например, в виде блоков, описанных в [Бобровников Л.З. Электроника. Учебник для вузов. 5-е изд. / Л.З.Бобровников. - СПб.: Изд-во «Питер», 2004. - 560 с. - стр.247, рисунок 3.44, д];

- 9₁, 9₂, … 9_k - k блоков вычитания (БВ), которые могут быть выполнены, например, в виде блоков, описанных в [Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Пер. с франц. / Ж.Марше. - Л.: Издательство «Энергия», 1974. - 216 с. - стр.62, 63, 64, рисунки 5.10, 5.13].

Оптический дизъюнктор нечетких множеств имеет m входов, р-м входом оптического дизъюнктора нечетких множеств являются входы ФП 1_1p, 1_2p, …, 1_kp p-й группы по k ФП (р=1, 2, …, m).

Выход i-го ФП 1_ip в р-й группе по k ФП подключен к управляющему входу i-го ОАМ 4_ip в р-й группе по k ОАМ (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m).

Выход р-го ИКИ 2_р подключен ко входу р-го оптического 2k-выходного разветвителя 3_р (р=1, 2, …, m).

Первые k выходы р-го оптического 2k-выходного разветвителя 3_р подключены к информационным входам соответствующих ОАМ 4_1p, 4_2p, …, 4_kp в р-й группе по k ОАМ (р=1, 2, …, m). Вторые k выходы р-го оптического 2k-выходного разветвителя 3_р подключены ко входам соответствующих ОФМ 5_1p, 5_2р, …, 5_kp в р-й группе по k ОФМ (р=1, 2, …, m).

Выход ip-го ОАМ 4_ip подключен к первому входу ip-го оптического Y-объединителя 6_ip (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m). Выход ip-го ОФМ 5_ip подключен ко второму входу ip-го оптического Y-объединителя 6_ip (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m).

Выход ip-го оптического Y-объединителя 6_ip подключен к р-му входу i-го CMC 7_i (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m).

Выходы CMC 7₁, 7₂, … 7_k подключены ко входам соответствующих БИК 8₁, 8₂, … 8_k.

Выходы БИК 8₁, 8₂, … 8_k подключены ко входам соответствующих БВ 9₁, 9₂, … 9_k, выходы которых являются выходами устройства.

Работа оптического дизъюнктора нечетких множеств происходит следующим образом.

На вход устройства поступает m функций принадлежности, описывающих нечеткие множества A1, A2, …, Am соответственно в виде плоских оптических потоков некогерентного излучения, распределенных по оси ОХ с интенсивностями, пропорциональными µ_A1(x), µ_A2(x), …, µ_Am(x) соответственно. Далее эти плоские оптические потоки поступают на входы соответствующих ФП 1₁₁, 1₂₁,…, 1_k1; 1_l2, 1₂₂, …, 1_k2; … ; 1_1m, 1_2m, …, 1_km.

При поступлении на входы ФП 1_1p, 1_2p,…, 1_kp p-й группы по k ФП оптического потока, распределенного по оси ОХ, с интенсивностью, пропорциональной µ_Ap(x); ∀x_i ∈ X; X ∈ x₁, x₂, …, x_k, на выходах ФП 1_1p, 1_2p, …, 1_kp р-й группы по k ФП формируется k электрических сигналов: на выходе ip-го ФП 1_ip формируется электрический сигнал в виде напряжения, величина которого пропорциональна µ_Ap(x_i), т.е. значению р-й функции принадлежности для конкретного i-го значения аргумента x_i (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m).

Каждый из этих электрических сигналов поступает на управляющий вход 1-го 4_ip ОАМ р-й группы по k ОАМ.

Одновременно с выхода р-го ИКИ 2_р оптический когерентный поток с амплитудой 2×k усл.ед. поступает на вход р-го оптического 2×k-выходного разветвителя 3_р, на каждом выходе которого формируется оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. Таким образом, с первого i-го выхода р-го оптического 2×k-выходного разветвителя 3_р один из единичных потоков поступает на вход i-го ОАМ 4_ip р-й группы по k OAM, на выходе которого формируется оптический поток с амплитудой, равной µ_Ap(x_i) (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m). Этот оптический поток поступает на первый вход ip-го оптического Y-объединителя 6_ip (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m). Вместе с этим со второго i-го выхода р-го оптического 2хк-выходного разветвителя 3_р единичный оптический поток поступает на вход i-го ОФМ 5_ip р-й группы по k ОФМ, с выхода которого снимается оптический поток единичной амплитуды, но со сдвинутой на π (инвертированной) фазой (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m). Этот оптический поток поступает на второй вход ip-го оптического Y-объединителя 6_ip (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m).

Следовательно, на первом входе ip-го оптического Y-объединителя 6_ip присутствует оптический поток с амплитудой µ_Ap(x_i), а на втором входе - оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. с инвертированной фазой.

Так как выход ip-го оптического Y-объединителя 6_ip подключен к р-му входу i-го CMC 7_i, то на р-м входе последнего поступающие с выхода ip-го оптического Y-объединителя 6_ip оптические потоки, интерферируя, формируют оптический поток с интенсивностью (1-µ_Ap(x_i))² усл.ед. (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m).

Работа CMC 7 описана в [А.С. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.].

Таким образом, с выхода 1-го CMC 7_i снимается сигнал в виде электрического напряжения, величина которого пропорциональна , (i=1, 2, …, k).

Для последующего описания работы устройства следует иметь в виду, что в силу неравенства µ_Ap(x_i)≤1 (по определению µ_Ap(x_i)) минимум значения функции (1-µ_Ap(x_i)) определен для того же значения аргумента x_i, что и максимум µ_Ap(x_i), (i=1, 2, …, k; p=1, 2, …, m).

Выходной сигнал i-го CMC 7_i поступает на вход i-го БИК 8_i, работа которого описана в [Бобровников Л.З. Электроника. Учебник для вузов. 5-е изд. / Л.З.Бобровников. - СПб.: Изд-во «Питер», 2004. - 560 с. - стр.247, рисунок 3.44, д] (i=1, 2, …, k).

С выхода i-го БИК 8_i сигнал, пропорциональный минимальному (для всех i) сигналу (1-µ_Ap(x_i)), поступает на вход i-го БВ 9_i, в котором поступивший сигнал вычитается из единицы (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m). Таким образом, на выходе i-го БВ 9_i формируется электрический сигнал в виде напряжения, величина которого пропорциональна µ_A(x_i)=MAX{µ_A1(x_i), µ_A2(x), …, µ_Am(x_i)} для конкретного значения x_i (i=1, 2, …, k).

Т.о., на выходах всех БВ 9₁, 9₂,…9_k - на выходе устройства, формируется вектор электрических сигналов с напряжениями, распределенными по оси ОХ и пропорциональными функции принадлежности µ_A(x), соответствующей результату операции дизъюнкции (объединения) m нечетких множеств, определяемой равенством (1).

Быстродействие оптического дизъюнктора нечетких множеств определяется динамическими характеристиками фотоприемников, оптических амплитудных модуляторов, селекторов минимального сигнала, блоков извлечения квадратного корня и блоков вычитания. Быстродействие фотоприемников, выполненных в традиционном варианте - на основе фотодиодов составляет порядка 10^-9 с. Оптический амплитудный модулятор имеет быстродействие порядка 10^-12 с. Селектор минимального сигнала, выполненный, например, на лавинных фотодиодах, имеет время срабатывания до 80…100 пс. Блок извлечения квадратного корня и блок вычитания, выполняемые в традиционном варианте на основе операционных усилителей с обратной связью, имеют частоту среза до 1 МГц. Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики. Техническим результатом является упрощение конструкции и увеличение вычислительной производительности устройства. Устройство содержит m групп по k фотоприемников, m источников когерентного излучения, m оптических 2k-выходных разветвителей, m групп по k оптических амплитудных модуляторов, m групп по k оптических фазовых модуляторов, m групп по k оптических Y-объединителей, k селекторов минимального сигнала, k блоков извлечения квадратного корня, k блоков вычитания. 1 ил.

Оптический дизъюнктор нечетких множеств, содержащий селектор минимального сигнала, отличающийся тем, что в него введены m групп по k фотоприемников, m источников когерентного излучения, m оптических 2k-выходных разветвителей, m групп по k оптических амплитудных модуляторов, m групп по k оптических фазовых модуляторов, m групп по k оптических Y-объединителей, k-1 селекторов минимального сигнала, k блоков извлечения квадратного корня, k блоков вычитания, оптический дизъюнктор нечетких множеств имеет m входов, р-м входом оптического дизъюнктора нечетких множеств являются входы фотоприемников р-й группы по k фотоприемников (р=1, 2, …, m), выход i-го фотоприемника в р-й группе по k фотоприемников подключен к управляющему входу i-го оптического амплитудного модулятора в р-й группе по k оптических амплитудных модуляторов (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m), выход р-го источника когерентного излучения подключен ко входу р-го оптического 2k-выходного разветвителя (р=1, 2, …, m), первые k выхода р-го оптического 2k-выходного разветвителя подключены к информационным входам соответствующих оптических амплитудных модуляторов в р-й группе по k оптических амплитудных модуляторов (р=1, 2, …, m), вторые k выхода р-го оптического 2k-выходного разветвителя подключены ко входам соответствующих оптических фазовых модуляторов в р-й группе по k оптических фазовых модуляторов (р=1, 2, …, m), выход ip-го оптического амплитудного модулятора подключен к первому входу ip-го оптического Y-объединителя (i=1, 2, …, k; р=1, 2, …, m), выход ip-го оптического фазового модулятора подключен ко второму входу ip-го оптического Y-объединителя (i=1, 2, …, k; p=1, 2, …, m), выход ip-го оптического Y-объединителя подключен к р-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, k; p=1, 2, …, m), выходы селекторов минимального сигнала подключены ко входам соответствующих блоков извлечения квадратного корня, выходы которых подключены ко входам соответствующих блоков вычитания, выходы блоков вычитания являются выходами устройства.