ОПТИЧЕСКИЙ КОНЪЮНКТОР НЕПРЕРЫВНЫХ (НЕЧЕТКИХ) МНОЖЕСТВ Российский патент 2011 года по МПК G06E3/00 

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

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

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, - оптические волноводы.

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения операции пересечения (конъюнкции) непрерывных (нечетких) множеств.

Наиболее близким по техническому исполнению является оптическое вычислительное устройство, предназначенное для вычитания оптических сигналов, принятое за прототип и содержащее 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 [Пат. RU 2103721 С1 1998, Устройство для вычитания оптических сигналов. / С.В.Соколов, А.А.Баранник].

Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель, пара оптически связанных волноводов.

Недостатками вышеописанного прототипа являются сложность устройства и невозможность выполнения операции пересечения (конъюнкции) непрерывных (нечетких) множеств.

Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию пересечения (конъюнкции) непрерывных (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 пересечения (конъюнкции) непрерывных (нечетких) множеств при одновременном увеличении вычислительной производительности.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств, содержащий оптический транспарант, оптический разветвитель, пару оптически связанных волноводов, введены m групп по k блоков пространственного распределения оптического потока, k групп по n оптических m-входных объединителей, k групп по n блоков нормирования интенсивности, k оптических n-входных объединителей, оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств имеет m входов, p-м входом оптического конъюнктора непрерывных (нечетких) множеств являются входы блоков пространственного распределения оптического потока p-й группы по k блоков пространственного распределения оптического потока (р=1, 2, …, m), каждый из которых содержит n-1 пар оптически связанных волноводов, группу из n оптических j-выходных разветвителей (j=1, 2, … n), группу из n оптических (n-j+1)-входных объединителей, при этом входом данного блока является вход первого оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов, выход второго оптического волновода j-й пары оптически связанных волноводов подключен ко входу первого оптического волновода (j+1)-й пары оптически связанных волноводов (j=1, 2, … n-2), выход первого оптического волновода j-й пары оптически связанных волноводов подключен ко входу j-го оптического j-выходного разветвителя (j=1, 2, … n-1), выход второго оптического волновода (n-1)-й пары оптически связанных волноводов подключен к n-му оптическому п-выходному разветвителю, каждый j-й выход j-го j-выходного оптического разветвителя подключен к (n-j+1)-му входу j-го (n-j+1)-входного оптического объединителя, выходы которых являются выходами блока, каждый j-й выход i-ro блока пространственного распределения оптического потока в p-й группе по k блоков пространственного распределения оптического потока подключен к р-му входу j-го оптического m-входного объединителя из i-й группы по n оптических m-входных объединителей (i=1, 2, …, k; j=1, 2,.. n; р=1, 2,.., m), выход каждого ij-го оптического m-входного объединителя подключен ко входу ij-го блока нормирования интенсивности (i=1, 2, …, k; j=1, 2, … n), каждый из которых содержит пару оптически связанных волноводов, оптический транспарант, входом блока нормирования интенсивности является вход первого оптического волновода пары оптически связанных волноводов, выход первого оптического волновода пары оптически связанных волноводов является поглощающим, выход второго оптического волновода пары оптически связанных волноводов подключен ко входу оптического транспаранта, выход которого является выходом ij-го блока нормирования интенсивности, выход каждого ij-го блока нормирования интенсивности подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства (i=1, 2, …,k; j=1, 2, …n).

Оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции пересечения (конъюнкции) m непрерывных (нечетких) множеств А1, А2, …, Am и получения результирующего множества А, функция принадлежности которого равна:

где - функции принадлежности, описывающие непрерывные (нечеткие) множества A1, А2,…, Am элементов соответственно, определенных на базовой шкале X∈X₁, x₂, …, X_k, где k - количество элементов множеств A1, А2, …, Am.

Функциональная схема оптического конъюнктора непрерывных (нечетких) множеств показана на фигуре 1.

Оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств содержит:

- 1₁₁, 1₂₁, …, 1_k1; 1₁₂, 1₂₂, …, 1_k2; …; 1_1m, 1_2m, …, 1_km - m групп по k блоков пространственного распределения оптического потока (БПРОП);

- 2₁₁, 2₁₂, …, 2_1n, 2₂₁, 2₂₂, …, 2_2n; …; 2_k1, 2_k2, …, 2_kn - k групп по n оптических m-входных объединителей;

- 3₁₁, 3₁₂, …, 3_1n; 3₂₁, 3₂₂, …, 3_2n; …; 3_k1, 3_k2, …, 2_kn - k групп по n блоков нормирования интенсивности (БНИ);

- 4₁, 4₂, …, 4_k - k оптических n-входных объединителей.

Оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств имеет m входов, p-м входом оптического конъюнктора непрерывных (нечетких) множеств являются входы БПРОП 1_1p, 1_2p, …, 1_km p-й группы по k БПРОП (р=1, 2, …, m).

Каждый j-й выход ip-го БПРОП 1_ip в p-й группе по k БПРОП подключен к p-му входу j-го оптического m-входного объединителя 2_ij из i-й группы по n оптических m-входных объединителей 2_i1, 2_i2, …, 2_in (i=1, 2, …, k; j=1, 2, … n; p=1, 2, …, m).

Выход каждого ij-го оптического m-входного объединителя 2у подключен ко входу ij-го БНИ 3_ij (i=1, 2, …, k; j=1, 2, … n).

Выход каждого ij-го БНИ 3_ij подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя 4_j, выходы которых являются выходами устройства (i=1, 2, …,k; j=1, 2, …n).

Блок пространственного распределения оптического потока (БПРОП) 1_ip предназначен для превращения точечного оптического потока интенсивности j усл.ед. в плоский оптический поток, состоящий из j оптических потоков единичной интенсивности. Схема БПРОП 1_ip показана на фигуре 2.

БПРОП 1_ip содержит:

- 5₁₁, 5₁₂, 5₂₁, 5₂₂, …, 5_n-1,1, 5_n-1,2 - (n-1) пар оптически связанных волноводов (ОСВ); порог переключения оптического потока в j-й паре ОСВ составляет (j+1) m усл.ед. (j=1, 2, … n-1) [Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. / Ю.Р.Носов. - М.: Изд-во «Радио и связь», 1989. - 360 с, страницы 228…230, рисунок 7.7];

- 6₁, 6₂, …, 6_n - группу n оптических j-выходных разветвителей (j=1, 2, … n);

- 7₁, 7₂, …, 7_n - группу n оптических (n-j+1)-входных объединителей (j=1, 2, … n).

Входом ip-го БПРОП 1_ip является вход первого оптического волновода 5₁₁ первой пары ОСВ 5₁₁, 5₁₂.

Выход второго оптического волновода 5_j2 j-й пары ОСВ 5_j1,5_j2 подключен ко входу первого оптического волновода 5_j+1,1 (j+1)-й пары ОСВ 5_j+1,1, 5_j+1,2 (G=1, 2, … n-2).

Выход первого оптического волновода 5_j1 j-й пары ОСВ 5_j1,5_j2 подключен ко входу j-го оптического j-выходного разветвителя 6_j (j=1, 2, … n-1). Выход второго оптического волновода 5_n-1,1 (n-1)-й пары ОСВ 5_n-1,1, 5_n-1,2 подключен к n-му оптическому n-выходному разветвителю 6_n.

Каждый j-й выход j-го j-выходного оптического разветвителя 6j подключен к (n-j+1)-му входу j-го (n-j+1)-входного оптического объединителя 7_(n-j+1), выходы которых являются выходами ip-го БПРОП (j=1, 2, … n-1).

Функциональная схема БНИ 3_ij показана на фигуре 3. БНИ 3_ij содержит:

8₁, 8₂ - пару оптически связанных волноводов (ОСВ) [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации. / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с., страница 148, рисунок 5.2]; порог переключения оптического потока в паре ОСВ 12₁, 12₂ равен m усл(овных) ед(иниц);

9 - оптический транспарант (ОТ) с функцией пропускания, равной .

Входом БНИ 3_ij является вход первого оптического волновода 8₁ пары ОСВ 8₁, 8₂.

Выход первого оптического волновода 8₁ пары ОСВ 8₁,8₂ является поглощающим. Выход второго оптического волновода 8₂ пары ОСВ 8₁, 8₂ подключен ко входу ОТ 9, выход которого является выходом ij-го БНИ 3_ij.

Работа оптического конъюнктора непрерывных (нечетких) множеств происходит следующим образом.

На вход устройства поступает m функций принадлежности, описывающих непрерывные (нечеткие) множества A1, А2, …, Am соответственно в виде плоских оптических потоков некогерентного излучения, распределенных по оси ОХ с интенсивностями, пропорциональными соответственно. Далее эти плоские оптические потоки поступают на входы соответствующих БПРОП 1₁₁, 1₂₁, …, 1_k1; 1₁₂, 1₂₂, …, 1_k2; …; 1_1m, 1_2m, …, 1_km.

БПРОП 1_ip работает следующим образом.

Если на вход i-го БПРОП 1_i поступает оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед., последний попадает на вход первого оптического волновода 5₁₁ первой пары ОСВ 5₁₁,5₁₂ и, не переключаясь во второй оптический волновод 5₁₂ первой пары ОСВ 5₁₁,5₁₂, он проходит на вход первого оптического 1-выходного разветвителя 6₁. Далее через первый оптический n-входной объединитель 7₁ этот оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. поступает на 1-й выход i-го БПРОП 1i.

При поступлении на вход ip-го БПРОП 1_ip оптического потока с интенсивностью j усл. ед. (j=2, 3, … n) он начинает распространяться по цепочке: «первый оптический волновод 5₁₁ первой пары ОСВ 5₁₁,5₁₂ - второй оптический волновод 5₁₂ первой пары ОСВ 5₁₁,6₁₂ -…- вход первого оптического волновода 5_j-1,1 (j-l)-й пары ОСВ 5_j-1,1,5_j-1,2 - второй оптический волновод 5_j-1,1 (j-1)-й пары ОСВ 5_j-1,1,5_j-1,2 - вход первого оптического волновода 5_j1 j-й пары ОСВ 5_j1,5_j2 - выход первого оптического волновода 5_j1 j-й пары ОСВ 5_j1,5_j2» (j=2, 3, … n)». Это обусловлено тем, что в j-й паре ОСВ 5_j1,5_j2 порог переключения оптического потока равен j+1 усл. ед. (j=2, 3, … n-1), следовательно, этот оптический поток с выхода второго оптического волновода 5_j-1,1 (j-1)-й пары ОСВ 5_j-1,1,5_j-1,2 поступает на вход первого оптического волновода 5_j1 j-й пары ОСВ 5_j-1,1,5_j-1,2, и далее поступает на вход j-го j-выходного оптического разветвителя 6_j, с каждого выхода которого снимается поток единичной интенсивности (j=1, 2, … n). Каждый j-й поток единичной интенсивности попадает на (n-j+1)-й вход j-го (n-j+1)-входного оптического объединителя 7j (j=1, 2, … n). Таким образом, на выходах группы оптических (n-j+1)-входных оптических объединителей, начиная с первого оптического объединителя 7₁ формируется распределенный по оси OY оптический поток, состоящий из j точечных оптических потоков единичной интенсивности (j=1, 2, … n).

Следовательно, при поступлении на входы БПРОП 1_ip, 1_2р, …, 1_kp р-й группы по k БПРОП оптического потока, распределенного по оси ОХ, с интенсивностью, пропорциональной ; ; , на выходах БПРОП 1_1p, 1_2р, …, 1_kр р-й группы по k БПРОП формируется изображение графика функции в координатах , x в виде пространственно распределенного оптического потока (состоящего из совокупности единичных потоков), (р=1, 2, …, m).

Каждый из этих единичных потоков поступает на р-й вход соответствующего ij-oго оптического m-входного объединителя 2_ij.

Примеры изображений графиков функции принадлежности µ_А1(х) в координатах µ_А1(x), x и функции принадлежности µ_А2(x) в координатах µ_А2(x), x, а также графика их конъюнкции - результирующей функции принадлежности µ_А(x) в координатах µ_А(x), x, показаны на фигуре 4 (а), (б) и (в) соответственно при объединении двух нечетких множеств с функциями принадлежности, равными µ_А1(x) и µ_А2 (x), (р=2).

Так как каждый j-й выход ip-го БПРОП 1_ip оптически связан - подключен, к р-му входу соответствующего ij-ого оптического m-входного объединителя 2_ij (i=1, 2, …, k; j=1, 2, … n; p=1, 2, …, m), то на выходах всех оптических m-входных объединителей 2₁₁, 2₁₂, …, 2_ln; 2₂₁ 2₂₂, …, 2_2n; …; 2_k1, 2_k2, …, 2_kn за счет объединения единичных оптических потоков от всех БПРОП 1₁₁, 1₂₁, …, 1_k1; 1₁₂, 1₂₂, …, 1_k2; …; 1_1m, 1_2m, …, 1_km будет сформировано изображение наложения m функций принадлежности µ_А1(x), µ_А2(x), …, µ_Аm(x)(фигура 4, в для случая двух функций принадлежности µ_Аl(x), µ_А2(x)) в виде пространственно распределенного оптического потока, состоящего из совокупности оптических потоков со следующими интенсивностями:

p усл. ед. - если µ_A1(x_i)=µ_А2(x_i)=…=µ_Аp(x_i) причем, µ_Аl(X_i)≠0, µ_А2(x_i)≠0, …, µ_Аp(x_i)≠0,(Р=1,2, …, m), ;

0 - во всех остальных случаях.

Таким образом, на выходе того оптического m-входного объединителя 2_ij, на входах которого присутствуют p единичных потока, будет сформирован оптический поток с интенсивностью р усл. ед.

С выходов оптических m-входных объединителей 2₁₁ 2₁₂, …, 2_ln; 2₂₁ 2₂₂, …, 2_2n; …; 2_k1, 2_k2, …, 2_kn оптические потоки поступают на входы соответствующих БНИ 3₁₁, 3₁₂, …, 3_ln; 3₂₁ 3₂₂, …, 3_2n; …; 3_k1, 3_k2, …, 3_kn.

Работа БНИ 3_ij происходит следующим образом (фигура 3).

При поступлении на вход ij-го БНИ 3_ij оптического потока с интенсивностью менее m усл. ед., то этот оптический поток попадает в первый оптический волновод 8₁ пары ОСВ 8₁, 8₂, и, не переключаясь во второй оптический волновод 8₂ пары ОСВ 8₁, 8₂, поглощается. При поступлении на вход ij-го БНИ 3_ij оптического потока с интенсивностью m усл.ед.,, то этот оптический поток из первого оптического волновода 8₁ пары ОСВ 8₁, 8₂ переключается во второй оптический волновод 8₂ пары ОСВ 8₁, 8₂ и поступает на вход ОТ 9, с выхода которого (с выхода ij-го БНИ 3_ij) снимается оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед.

Следовательно, на выходе каждого БНИ 3₁₁, 3₁₂, …, 3_ln; 3₂₁ 3₂₂, …, 3_2n; …; 3_k1, 3_k2, …, 3_kn формируется оптический поток с интенсивностью, равной:

1 усл.ед. - если µ_A1(x_i)=µ_А2(x_i)=…=µ_Аp(x_i), причем µ_Аl(x_i)≠0, µ_А2(x_i)≠0, …, µ_Аp(x_i)≠0,

0 - во всех остальных случаях,

Таким образом, формируется изображение конъюнкции (результата операции, описываемой формулой (1)) функций принадлежности µ_A1(x),µ_А2(x), …,µ_Аm(x) (фигура 4,в для случая двух функций принадлежности µ_А1(x), µ_А2(x)) в виде пространственно распределенного оптического потока.

С выхода каждого из БНИ 3₁₁, 3₁₂, …, 3_ln; 3₂₁ 3₂₂, …, 3_2n; …; 3_k1, 3_k2, …, 3_kn оптический поток поступает на соответствующий j-й вход i-го оптического n-входного объединителя 4{(i=1, 2, …, k; j=1, 2, … n)}.

На выходе каждого оптического n-входного объединителя 4_j за счет суммирования соответствующего числа оптических потоков единичной интенсивности формируется оптический поток, интенсивность которого пропорциональна значению функции принадлежности µ_А(x_i) для конкретного значения x_i (i=1, 2, …, k).

Следовательно, на выходах всех оптических n-входных объединителей 4₁, 4₂, … 4_k - на выходе устройства, формируется плоский оптический поток с интенсивностью по оси OX, пропорциональной функции принадлежности µ_А(x), соответствующей результату операции конъюнкции (пересечения) m непрерывных (нечетких) множеств, определяемой равенством (1).

Быстродействие оптического конъюнктора непрерывных (нечетких) множеств определяется динамическими характеристиками пар оптически связанных волноводов, находящихся в блоке пространственного распределения оптического потока и в блоке нормирования интенсивности. Быстродействие пар оптически связанных волноводов может достигать 10^-12 с. Для существующих непрерывно-логических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Данное изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет создания устройства, выполняющего операцию пересечения (конъюнкции) непрерывных (нечетких) множеств при одновременном увеличении вычислительной производительности. Он достигается тем, что в оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств, содержащий оптический транспарант, оптический разветвитель, пару оптически связанных волноводов, введены m групп по k блоков пространственного распределения оптического потока, k групп по n оптических m-входных объединителей, k групп по n блоков нормирования интенсивности, k оптических n-входных объединителей, оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств имеет m входов, p-м входом оптического конъюнктора непрерывных (нечетких) множеств являются входы блоков пространственного распределения оптического потока p-й группы по k блоков пространственного распределения оптического потока (p=1, 2, …, m). 4 ил.

Оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств, содержащий оптический транспарант, оптический разветвитель, пару оптически связанных волноводов, отличающийся тем, что в него введены m групп по k блоков пространственного распределения оптического потока, k групп по n оптических m-входных объединителей, k групп по n блоков нормирования интенсивности, k оптических n-входных объединителей, оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств имеет m входов, р-м входом оптического конъюнктора непрерывных (нечетких) множеств являются входы блоков пространственного распределения оптического потока р-й группы по k блоков пространственного распределения оптического потока (р=1, 2, …, m), каждый из которых содержит n-1 пар оптически связанных волноводов, группу из n оптических j-выходных разветвителей (j=1, 2, … n), группу из n оптических (n-j+1)-входных объединителей, при этом входом данного блока является вход первого оптического волновода первой пары оптически связанных волноводов, выход второго оптического волновода j-й пары оптически связанных волноводов подключен ко входу первого оптического волновода (j+1)-й пары оптически связанных волноводов (j=1, 2, … n-2), выход первого оптического волновода j-й пары оптически связанных волноводов подключен ко входу j-го оптического j-выходного разветвителя (j=1, 2, … n-1), выход второго оптического волновода (n-1)-й пары оптически связанных волноводов подключен к n-му оптическому n-выходному разветвителю, каждый j-й выход j-го j-выходного оптического разветвителя подключен к (n-j+1)-му входу j-го (n-j+1)-входного оптического объединителя, выходы которых являются выходами блока, каждый j-й выход i-го блока пространственного распределения оптического потока в р-й группе по k блоков пространственного распределения оптического потока подключен к р-му входу j-го оптического m-входного объединителя из i-й группы по n оптических m-входных объединителей (i=1, 2, …, k; j=1, 2, … n; р=1, 2, …, m), выход каждого ij-го оптического m-входного объединителя подключен ко входу ij-го блока нормирования интенсивности (i=1, 2, …, k; j=1, 2, …n), каждый из которых содержит пару оптически связанных волноводов, оптический транспарант, входом блока нормирования интенсивности является вход первого оптического волновода пары оптически связанных волноводов, выход первого оптического волновода пары оптически связанных волноводов является поглощающим, выход второго оптического волновода пары оптически связанных волноводов подключен ко входу оптического транспаранта, выход которого является выходом ij-го блока нормирования интенсивности, выход каждого ij-го блока нормирования интенсивности подключен к j-му входу i-го оптического n-входного объединителя, выходы которых являются выходами устройства (i=1, 2, …, k; j=1, 2, … n).