ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ ДОПОЛНЕНИЯ НЕЧЕТКОГО МНОЖЕСТВА Российский патент 2012 года по МПК G06E3/00 

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

Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для выполнения операции фаззификации («введения нечеткости») - оптический фаззификатор, описанный в [пат. РФ 2432599, МПК G06E 3/00. Оптический фаззификатор. / М.А.Аллес, С.В.Соколов, С.М.Ковалев. - №2010140540/08; заявл. 04.10.2010; опубл. 27.10.2011, Бюл. №30]. Данный аналог содержит селектор минимального сигнала, источник излучения, оптический n-выходной разветвитель, первый линейный оптический транспарант, второй линейный оптический транспарант, резисторную оптопару, генератор стабильного тока.

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

Недостатком вышеописанного аналога является невозможность выполнения операции дополнения (отрицания) нечеткого множества.

Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для выполнения операции объединения (дизъюнкции) двух нечетких множеств - оптический дизъюнктор нечетких множеств, описанный в [пат. РФ 2422876, МПК G06E 3/00, МПК G06N 7/02. Оптический дизъюнктор нечетких множеств. / М.А.Аллес, С.М.Ковалев, С.В.Соколов. - №2009144405/08; заявл. 30.11.2009; опубл. 27.06.2011, Бюл. №18.]. Данный аналог содержит k селекторов минимального сигнала, 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 блоков извлечения квадратного корня, k блоков вычитания.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: группа фотоприемников, источник когерентного излучения, оптический разветвитель, оптический фазовый модулятор, группа оптических Y-объединителей, группа блоков извлечения квадратного корня.

Недостатком вышеописанного аналога является невозможность выполнения операции дополнения (отрицания) нечеткого множества.

Известно оптическое вычислительное устройство, принятое за прототип - оптический фаззификатор, описанный в [пат. РФ 2416119, МПК G06E 3/00. Оптический фаззификатор. / В.М.Курейчик, В.В.Курейчик, М.А.Аллее, С.М.Ковалев, С.В.Соколов - №2009104635/28; заявл. 11.02.2009; опубл. 10.04.2011, Бюл. №10.]. Прототип предназначен для выполнения операции фаззификации («введения нечеткости») и содержит следующие существенные признаки: источник когерентного излучения, оптический Y-разветвитель, первый оптический n-выходной разветвитель, первый линейный оптический транспарант, второй линейный оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, группу оптических Y-объединителей, второй оптический n-выходной разветвитель, селектор минимального сигнала, блок извлечения квадратного корня, блок вычитания.

Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: источник когерентного излучения, оптический Y-разветвитель, первый оптический n-выходной разветвитель, линейный оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, второй оптический n-выходной разветвитель, группа оптических Y-объединителей, блок извлечения квадратного корня, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя, а второй выход оптического Y-разветвителя подключен ко входу оптического фазового модулятора, выходы первого оптического n-выходного разветвителя подключены к соответствующим входам линейного оптического транспаранта, выходы линейного оптического транспаранта подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей, а выход оптического фазового модулятора подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей.

Недостатком вышеописанного прототипа является невозможность выполнения операции дополнения (отрицания) нечеткого множества.

Задачей изобретения является создание оптического устройства, позволяющего выполнять операцию дополнения (отрицания) нечеткого множества 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 дополнения (отрицания) нечеткого множества при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности устройства.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический вычислитель дополнения нечеткого множества, содержащий источник когерентного излучения, оптический Y-разветвитель, первый оптический n-выходной разветвитель, линейный оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, второй оптический n-выходной разветвитель, группу оптических Y-объединителей, блок извлечения квадратного корня, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя, а второй выход оптического Y-разветвителя подключен ко входу оптического фазового модулятора, выходы первого оптического n-выходного разветвителя подключены к соответствующим входам линейного оптического транспаранта, выходы линейного оптического транспаранта подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей, а выход оптического фазового модулятора подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей, введены n фотоприемников, (n-1) блоков извлечения квадратного корня, выходы оптических Y-объединителей подключены ко входам соответствующих фотоприемников, выходы которых подключены ко входам соответствующих блоков извлечения квадратного корня, выходы блоков извлечения квадратного корня являются выходом устройства.

Оптический вычислитель дополнения нечеткого множества - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени операции дополнения (или отрицания) нечеткого множества А и получения результирующего множества ¬А, 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.

Функциональная схема оптического вычислителя дополнения нечеткого множества показана на фигуре 1.

Оптический вычислитель дополнения нечеткого множества (ОВДНМ) содержит:

- 1 - источник когерентного излучения (ИКИ) с амплитудой 2n усл(овных) ед(иниц);

- 2 - оптический Y-разветвитель;

- 3 - первый оптический n-выходной разветвитель;

- 4 - линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания, пропорциональной функции принадлежности µ_A(x) (каждый пиксел линейного оптического транспаранта имеет функцию пропускания, пропорциональную значению функции принадлежности µ_A(x) при конкретном значении x_i, i=1, 2,… n);

- 5 - оптический фазовый модулятор (ОФМ), обеспечивающий постоянный сдвиг фазы оптического потока на π;

- 6 - второй оптический n-выходной разветвитель;

- 7₁, 7₂,…, 7_n-n оптических Y-объединителей;

- 8₁, 8₂,…, 8_n-n фотоприемников (ФП);

- 9₁, 9₂,…, 9_n-n блоков извлечения квадратного корня (БИК), каждый из которых может быть выполнен, например, в виде блока, описанного 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].

Выход ИКИ 1 подключен ко входу оптического Y-разветвителя 2, первый выход 2₁ которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя 3, а второй выход 2₂ подключен ко входу ОФМ 5. Выходы 3₁, 3₂,…, 3_n первого оптического n-выходного разветвителя 3 подключены к соответствующим входам ЛОТ 4, выходы которого подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей 7₁, 7₂,…, 7_n. Выход ОФМ 5 подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя 6. Выходы 6₁, 6₂,…, 6_n второго оптического n-выходного разветвителя 6 подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей 7₁, 7₂,…, 7_n. Выходы оптических Y-объединителей 7₁, 7₂,…, 7_n подключены ко входам соответствующих ФП 8₁, 8₂,…, 8_n. Выходы ФП 8₁, 8₂,…, 8_n подключены ко входам соответствующих БИК 9₁, 9₂,…, 9_n, выходы которых являются выходом устройства.

Работа заявляемого устройства происходит следующим образом. С выхода ИКИ 1 оптический когерентный поток с амплитудой 2×n усл. ед. поступает на оптический Y-разветвитель 2, и, разветвляясь на два, поступает на входы первого оптического n-выходного разветвителя 3 и оптического фазового модулятора 5. С выходов 3₁, 3₂,…, 3_n первого оптического n-выходного разветвителя 3 оптические когерентные потоки единичной амплитуды поступают на входы ЛОТ 4 с функцией пропускания, пропорциональной функции принадлежности µ_A(x), на выходах которого формируется пространственно-распределенный оптический когерентный поток с амплитудой, пропорциональной вдоль оси ОХ функции µ_A(x). Этот оптический когерентный поток поступает на вторые входы оптических Y-объединителей 7₁, 7₂,…, 7_n.

Одновременно оптический когерентный поток с амплитудой n усл. ед. поступает на вход ОФМ 5, сдвигающего фазу волны поступающего светового потока на π. С выхода ОФМ 5 оптический поток поступает на вход второго оптического n-выходного разветвителя 6, с выходов 6₁, 6₂,…, 6_n которого когерентные световые потоки единичной амплитуды и сдвинутые по фазе на π поступают на первые входы оптических Y-объединителей 7₁, 7₂,…, 7_n.

Следовательно, на первом входе i-го оптического Y-объединителя 7_i присутствует оптический когерентный поток с амплитудой µ_A(x_i), а на втором входе - оптический когерентный поток с амплитудой 1 усл. ед. с инвертированной фазой (i=1, 2,… n).

Так как выход i-го оптического Y-объединителя 7_i подключен ко входу i-го ФП 8_i, то на входе последнего поступающие с выхода i-го оптического Y-объединителя 7_i оптические потоки, интерферируя, формируют оптический поток с интенсивностью (1-µ_A(x_i))² усл. ед. (i=1,2,…, n). Следовательно, на выходе i-го ФП 8_i формируется сигнал в виде электрического напряжения с величиной, пропорциональной (1-µ_A(x_i))² (i=1,2,…, n).

Далее совокупность таких электрических сигналов с выходов ФП 8₁, 8₂,…, 8_n поступают на входы соответствующих БИК 9₁, 9₂,…, 9_n, работа которых 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]. На выходе i-го БИК 9_i формируется электрический сигнал в виде напряжения, величина которого пропорциональна (1-µ_A(x_i)) или µ_¬A(x_i) для конкретного значения x_i(i=1,2,…, n). Следовательно, на выходах всех БИК 9₁, 9₂,… 9_n-на выходе устройства формируется вектор электрических сигналов с напряжениями, распределенными по оси ОХ и пропорциональными функции принадлежности µ_¬A(x), соответствующей результату операции дополнения (отрицания) нечеткого множества, определяемой равенством (1).

Быстродействие оптического вычислителя дополнения нечеткого множества определяется динамическими характеристиками фотоприемников и блоков извлечения квадратного корня. Быстродействие фотоприемников, выполненных в традиционном варианте - на основе фотодиодов, составляет порядка 10^-9 с. 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. Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего операцию дополнения (отрицания) нечеткого множества при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности устройства. Такой результат достигается за счет, что в оптический вычислитель дополнения нечеткого множества, содержащий источник когерентного излучения, оптический Y-разветвитель, первый оптический n-выходной разветвитель, линейный оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, второй оптический n-выходной разветвитель, группу оптических Y-объединителей, блок извлечения квадратного корня, введены n фотоприемников, (n-1) блоков извлечения квадратного корня. 1 ил.

Оптический вычислитель дополнения нечеткого множества, содержащий источник когерентного излучения, оптический Y-разветвитель, первый оптический n-выходной разветвитель, линейный оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, второй оптический n-выходной разветвитель, группа оптических Y-объединителей, блок извлечения квадратного корня, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен ко входу первого оптического n-выходного разветвителя, а второй выход оптического Y-разветвителя подключен ко входу оптического фазового модулятора, выходы первого оптического n-выходного разветвителя подключены к соответствующим входам линейного оптического транспаранта, выходы линейного оптического транспаранта подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей, а выход оптического фазового модулятора подключен ко входу второго оптического n-выходного разветвителя, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей, отличающийся тем, что в него введены n фотоприемников, (n-1) блоков извлечения квадратного корня, выходы оптических Y-объединителей подключены ко входам соответствующих фотоприемников, выходы которых подключены ко входам соответствующих блоков извлечения квадратного корня, выходы блоков извлечения квадратного корня являются выходом устройства.