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

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 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.

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции граничной дизъюнкции (объединения) двух 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 n-выходной разветвитель, оптический транспарант, каждый выход оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу оптического транспаранта.

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

Известно оптическое вычислительное устройство - селектор минимального сигнала [А.с. №1223259, СССР, 1986. 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. CMC содержит дифференциальные оптроны, входные оптические волноводы.

Прототип является существенным признаком предлагаемого изобретения.

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

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

Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего операцию граничной дизъюнкции (объединения) двух нечетких множеств при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности устройства.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический граничный дизъюнктор нечетких множеств, содержащий селектор минимального сигнала, введены источник излучения, оптический трехвыходной разветвитель, первый оптический n-выходной разветвитель, первый линейный оптический транспарант, второй оптический n-выходной разветвитель, второй линейный оптический транспарант, третий оптический n-выходной разветвитель, группа n блоков вычисления результата, каждый из которых содержит оптический Y-объединитель, селектор минимального сигнала и светоизлучающий диод, первым входом блока вычисления результата является первый вход оптического Y-объединителя, вторым входом блока вычисления результата является второй вход оптического Y-объединителя, третьим входом блока вычисления результата является второй вход селектора минимального сигнала, выход оптического Y-объединителя подключен к первому входу селектора минимального сигнала, выход селектора минимального сигнала подключен ко входу светоизлучающего диода, выход которого является выходом блока вычисления результата, выход источника излучения подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя, второй выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя, третий выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу третьего оптического n-выходного разветвителя, каждый выход первого оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу первого линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен к первому входу соответствующего блока вычисления результата, каждый выход второго оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу второго линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен ко второму входу соответствующего блока вычисления результата, каждый выход третьего оптического п-выходного разветвителя подключен к третьему входу соответствующего блока вычисления результата, а выходы всех блоков вычисления результата являются выходами устройства.

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

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

µ_B(x) - функция принадлежности, описывающая нечеткое множество В элементов, определенных на базовой шкале Х∈x₁, x₂, …, x_n, где n - количество элементов множества В.

Функциональная схема оптического граничного дизъюнктора нечетких множеств показана на фигуре 1.

Оптический граничный дизъюнктор нечетких множеств содержит:

- 1 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 3×n усл(овных) ед(иниц);

- 2 - оптический трехвыходной разветвитель;

- 3 - первый оптический n-выходной разветвитель;

- 4 - первый линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания ;

- 5 - второй оптический n-выходной разветвитель;

- 6 - второй ЛОТ с функцией пропускания ;

- 7 - третий оптический n-выходной разветвитель;

- 8₁, 8₂, …, 8n - группу n блоков вычисления результата (БВР).

Выход ИИ 1 подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя 2. Первый выход оптического трехвыходного разветвителя 2 подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя 3. Второй выход оптического трехвыходного разветвителя 2 подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя 5. Третий выход оптического трехвыходного разветвителя 2 подключен ко входу третьего оптического n-выходного разветвителя 7.

Каждый выход 3₁, 3₂, …, 3_n первого оптического n-выходного разветвителя 3 подключен к соответствующему входу первого ЛОТ 4. Каждый i-й выход ЛОТ 4 подключен к первому входу i-го БВР 8_i (i=1, 2, … n).

Каждый выход 5₁, 5₂, …, 5_n второго оптического n-выходного разветвителя 5 подключен к соответствующему входу второго ЛОТ 6. Каждый i-й выход ЛОТ 6 подключен ко второму входу i-го БВР 8_i (i=1, 2, … n).

Каждый i-й выход 7_i третьего оптического n-выходного разветвителя 7 подключен к третьему входу i-го БВР 8_i (i=1, 2, … n).

Выходы БВР 8₁, 8₂, …, 8_n являются выходами устройства.

Функциональная схема БВР 8_i показана на фигуре 2.

БВР 8_i содержит:

- 9 - оптический Y-объединитель;

- 10 - селектор минимального сигнала (CMC), выполненный в виде CMC, описанного в [А.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.];

- VD11 - светоизлучающий диод (СД).

Первым входом БВР 8_i является первый вход оптического Y-объединителя 9. Вторым входом БВР 8_i является второй вход оптического Y-объединителя 9. Третьим входом БВР 8_i является второй вход CMC 10.

Выход оптического Y-объединителя 9 подключен к первому входу CMC 10, выход которого подключен ко входу СД VD11. Выход СД VD11 является выходом БВР 8_i.

Работа оптического граничного дизъюнктора нечетких множеств происходит следующим образом. С выхода ИИ 1 оптический поток с интенсивностью 3×n усл. ед. поступает на вход оптического трехвыходного разветвителя 2, с первого выхода которого оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на вход первого оптического n-выходного разветвителя 3. Со второго выхода оптического трехвыходного разветвителя 2 оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на вход второго оптического n-выходного разветвителя 5. С третьего выхода оптического трехвыходного разветвителя 2 оптический поток с интенсивностью n усл. ед. поступает на вход третьего оптического n-выходного разветвителя 7.

На всех выходах 3₁, 3₂, …, 3n первого оптического n-выходного разветвителя 3 формируются оптические потоки с интенсивностью 1 усл. ед. Эти n потоков с интенсивностью 1 усл. ед. каждый поступают на соответствующие входы ЛОТ 4, формируя на каждом его i-ом выходе оптический поток с интенсивностью µ_A(x_i) усл. ед., т.е. равной значению функции принадлежности µ_A(x) при конкретном i-м значении аргумента х_i (i=1, 2, … n). Далее эти оптические потоки поступают на первые входы соответствующих БВР 8₁, 8₂, …, 8_n.

Одновременно на всех выходах 5₁, 5₂, …, 5_n второго оптического n-выходного разветвителя 5 формируются оптические потоки с интенсивностью 1 усл. ед. Эти n потоков с интенсивностью 1 усл. ед. каждый поступают на соответствующие входы ЛОТ 6, формируя на каждом его i-ом выходе оптический поток с интенсивностью µ_B(x_i) усл. ед., т.е. равной значению функции принадлежности µ_B(x) при конкретном i-м значении аргумента x_i(i=1, 2, … n). Далее эти оптические потоки поступают на вторые входы соответствующих БВР 8₁, 8₂, …, 8_n.

Вместе с этим на всех выходах 7₁, 7₂, …, 7_n третьего оптического n-выходного разветвителя 7 формируются оптические потоки с интенсивностью 1 усл. ед. Эти n потоков с интенсивностью 1 усл. ед. каждый поступают на третьи входы соответствующих БВР 8₁, 8₂, …, 8_n.

Работа i-го БВ 8_i происходит следующим образом.

На первый вход i-го БВ 8_i, а следовательно, на первый вход оптического Y-объединителя 9 поступает оптический поток с интенсивностью µ_A(x_i) усл. ед. Одновременно на второй вход i-го БВР 8_i, а следовательно, на второй вход оптического Y-объединителя 9, поступает оптический поток с интенсивностью µ_B(x_i) усл. ед. Следовательно, на выходе оптического Y-объединителя 9 формируется оптический поток с интенсивностью (µ_A(x_i)+µ_B(x_i)) усл. ед.

Также на третий вход i-го БВР 8_i, а следовательно, на второй вход CMC 10 поступает оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед.

Таким образом, на первом входе CMC 10 будет присутствовать оптический поток с интенсивностью (µ_A(x_i)+µ_B(х_i)) усл. ед., а на втором входе - оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. Работа CMC 10 описана в [А.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.]. С выхода CMC 10 снимается сигнал в виде тока, значение которого пропорционально:

I~min(µ_A(x_i)+µ_B(x_i); 1), K=1, …, n.

Выходной сигнал CMC 10 поступает на светоизлучающий диод СД VD11, на выходе которого формируется оптический поток с интенсивностью I_C, пропорциональной значению:

I_C~min(µ_A(х_i)+µ_B(х_i); 1).

Таким образом, на выходе каждого i-го БВР 8_i формируется оптический поток, интенсивность которого пропорциональна значению функции принадлежности µ_D(x_i) для конкретного значения х_i (i=1, 2, … n).

Следовательно, на выходах всех БВР 8₁, 8₂, … 8_n - на выходе устройства формируется плоский оптический поток с распределением интенсивности по оси Ох, пропорциональным функции принадлежности µ_D(х), соответствующей результату операции граничной дизъюнкции двух нечетких множеств (1).

Быстродействие оптического граничного дизъюнктора нечетких множеств определяется динамическими характеристиками селектора минимального сигнала, входящего в состав блока вычисления результата. Селектор минимального сигнала, выполненный, например, на лавинных фотодиодах, имеет время срабатывания до 80…100 пс. Для существующих непрерывно-логических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает функционирование практически в реальном масштабе времени.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики. Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего операцию граничной дизъюнкции (объединения) двух нечетких множеств при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности устройства. Технический результат достигается за счет того, что в оптический граничный дизъюнктор нечетких множеств, содержащий селектор минимального сигнала, введены источник излучения, оптический трехвыходной разветвитель, первый оптический n-выходной разветвитель, первый линейный оптический транспарант, второй оптический п-выходной разветвитель, второй линейный оптический транспарант, третий оптический n-выходной разветвитель, группа n блоков вычисления результата, каждый из которых содержит оптический Y-объединитель, селектор минимального сигнала и светоизлучающий диод. 2 ил.

Оптический граничный дизъюнктор нечетких множеств, содержащий селектор минимального сигнала, отличающийся тем, что в него введены источник излучения, оптический трехвыходной разветвитель, первый оптический n-выходной разветвитель, первый линейный оптический транспарант, второй оптический n-выходной разветвитель, второй линейный оптический транспарант, третий оптический n-выходной разветвитель, группа n блоков вычисления результата, каждый из которых содержит оптический Y-объединитель, селектор минимального сигнала и светоизлучающий диод, первым входом блока вычисления результата является первый вход оптического Y-объединителя, вторым входом блока вычисления результата является второй вход оптического Y-объединителя, третьим входом блока вычисления результата является второй вход селектора минимального сигнала, выход оптического Y-объединителя подключен к первому входу селектора минимального сигнала, выход селектора минимального сигнала подключен ко входу светоизлучающего диода, выход которого является выходом блока вычисления результата, выход источника излучения подключен ко входу оптического трехвыходного разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя, второй выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя, третий выход оптического трехвыходного разветвителя подключен ко входу третьего оптического n-выходного разветвителя, каждый выход первого оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу первого линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен к первому входу соответствующего блока вычисления результата, каждый выход второго оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу второго линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен ко второму входу соответствующего блока вычисления результата, каждый выход третьего оптического n-выходного разветвителя подключен к третьему входу соответствующего блока вычисления результата, а выходы всех блоков вычисления результата являются выходами устройства.