Оптическое вычислительное устройство Советский патент 1992 года по МПК G06E3/00 

Ј

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано для решения дифференциальных уравнений типа Фоккера-ПланкаКолмогорова. Цель изобретения - упрощение устройства, повышение точности и быстродействия за счет решения уравнений в реальном масштабе времени. Это достигается введением внутреннего замкнутого оптического контура, реализующего операцию текущего интегрирования по времени функции интенсивности светового потока, и внешнего контура, реализующего пространственно-временное инт егро дифференциальное представление уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова. Обьедине- ние двух контуров позволяет сформировать искомое решение в реальном масштабе времени. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано для решения дифференциальных уравнений типа Фоккера-Планка- Колмогорова (ФПК).

Известны устройства, позволяющие приближенно решать линейные дифференциальные уравнения в частных производных (ЛДУЧП) на основе использования пары преобразования Фурье.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое вычислительное устройство, содержащее источник излучения, вход которого является входом устройства, а выходы через N оптических разветвителей первой группы оптически связаны с входами соответствующих столбцов матричного оптического преобразователя, выходы строк которого объединены

через N оптических разветвителей второй группы, N интеграторов, выходы которых являются выходами устройства.

Недостатками данных устройств являются их сложность, обусловленная необходимостью использования блоков формирования, обработки, передачи и приема когерентных монохроматических световых потоков; принципиальное отсутствие возможности формирования точного решения ЛДУЧП из-за сингулярности пространственно-частотного фильтра в начале координат; невозможность решения ЛДУЧП, содержащих частную производную по времени, в реальном масштабе времени.

Цель изобретения - упрощение устройства, повышение точности и быстродействия за счет решения уравнения ФПК в реальном масштабе времени.

2

ел

00

.N

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены п оптических волокон и вычислительный транспарант, а п интеграторов выполнены оптическими и подключены входами к выходам соответствующих п оптических разветвителей второй группы, вычислительный транспарант расположен между выходами источника излучения и входами п оптических разветвителей первой группы, соединенными через п оптических волокон с соответствующими выходами устройства.

В основу работы устройства положена возможность представления уравнения ФПК

(7)-/ХУД) +

+ | A2fb(y)-p(y,t) ,

оу

0)

где /э(уД) - пространственно-временное решение уравнения;

а (у), b (у) - коэффициенты уравнения (т.н. коэффициенты сноса и диффузии), следующим образом:

/о°°Ф1 у)-р(УД),(2)

где Ф| (s,y)- известная функция.

Несмотря на непременное выполнение условия р (y,t) OVy.t, где р (y,t) решение уравнения ФПК, для некоторых интервалов существования аргумента S левая часть равенства (2) из-за неположительности функции Ф1 может оказаться отрицательной, что приведет к невозможности формирования правой части равенства в виде светового потока. Для устранения возможности возникновения подобной ситуации вместо функции Ф; в устройстве реализуется запись функции (Фт + А), где А (s,y)i, а при формировании оконУ/,ч

чательиого решения данное смещение компенсируется уменьшением интенсивности выходного светового потока на величину А t, где t - текущее время.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства.

Для наглядности последующего описания устройства введена условная система координат OSYZ.

Устройство содержит линейный (распределенный по оси Y) источник 1 некогерентного излучения, линейный зычкслмтельиый транспарант 2, оптический разветвитель 3, плоский вычислительный транспарант 4, группу N оптических усилителей (ОY) 51, 52,...5м.

Для случ&я неположительности функции Ф1 (s,y) при определенных значениях

(s, у) устройство дополнительно содержит контур 6, состоящий из генератора 7 линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), источника 8 некогерентного излучения,

5 оптического волокна 9, группы схем вычитания световых потоков 10i, 102,...,Юм.

Управляющий вход источника 1 излучения соединен с входом устройства, а выход через оптический вычислительный транспа10 рант 2 подключен к входам N оптических волокон 3ц, 3i2,...,3iN, входящих в раэветви- тель 3. Разветвление i-ro волокна Зц на М волокон обеспечивает оптическую связь 1-го участка (элемента) транспаранта 2 cj;M стол15 бом матрицы транспаранта 4, I 1, N.

Выход транспаранта 4 (матричного оп тического преобразователя) оптически связан с входами волокон рэзветяителя 3 N участков (элементов) j-й строки матрицы 4

20 оптически связаны с входами N волокон, объединенных далее в волокно 32(N-j-H) Выход k-ro волокна 2U оптически связан с входом k-ro ОУ 5k, выход которого связан с входом оптического оолокна, разветвляю25 щегося на три: 33k, 3ik, 3sk. При дополнительном введении контура 6 д нные волокна разветвляются на два - 33k, k 1 ,N, и волокна, оптически связанные с входами k-x схем вычитания световых потоков 10k. вторые

30 входы которых оптически связаны с соответствующими оптическими волокнами, объединенными в волокно Э, вход которого оптически связан с выходом источника 8 излучения, вход которого через ГЛИН 7 свя35 зян с входом устройства; выходы схем 10k в этом случае оптически связаны с входами волокон зветвляющихся на два 34k и 3sk, k 1, N. Волокно 3,3k. образуя замкнутый оптический контур, обьедмнено с волок40 ном 32k (выход его оптически связан с входом k-ro ОУ 5k), аналогичным образом волокно объединено с волокном 3ik до начала участка его разветвления. Выходы волокон 3sii....35N являются выходом уст45 ройстаа.

С учетом разветвлений выходного светового потока ОУ и затухания светового потока в контурах, образованных волокнами Зз, З-ik в Ј раз (равное затухание легко обес50 печивается конструктивным путем), коэффициент усиления ОУ 5k равен 3 Ј , а при введении контура б - 2 е .

Схема 10i вычитания световых потоков (СВСП) в одном из вариантов исполнения

55 (могут быть также использованы промышленные оптозлектронные структуры типа титус, фототигус, пром) состоит из фотоприемников, входы которых оптически связаны с волокнами 3i (с выхода ОУ &)и 9,

а выходы подключены соответственно к входам уменьшаемого и вычитаемого блока вычитания, выход которого подключен к входу управляемого источника излучения, например светодиода, выход которого является выходом СВСП.

Устройство работает следующим образом.

Управляющий сигнал с входа устройства приводит к появлению светового импульса малой длительности на выходе источника излучения (а при наличии контура 6 к началу формирования линейно изменяющрго ся напряжения на выходе ГЛИН 7) Интенсивность выходного потока источника 1 выбирается (с учетом последующего разветвления волокон Зц) равном М усл.ед.

Световой импульс, сформированный на выходе транспаранта 2, поток с из.нл - ющейся по оси OY интенсивностью М р (у,о), через разветвляющиеся волокна 3n,...,3iN поступает на транспарант А. На выходе транспаранта 4 формируется световой поток с двумерной интенсивностью Фт (s,y) -/o(y,o) , который, суммируясь по координате Y за счет объединения волокон разветвителя в волокна 321.....32N. образует на входах ОУ 5),...,5м световой поток с интенсивностью / Ф) (s,у) р (у,О) а у изменяющейся в направлении оси OS.

Из (2) очевидна пропорциональность интенсивности данного потока для любого момента времени временной производной

решения уравнения ФПК

п

За счет использования замкнутого контура, образованного волокном Зз(, осуществляется непрерывное интегрирование во времени входного светового потока ОУ Si. Таким образом, на выходе каждого ОУ 5j формируется световой поток с интенсивностью, пропорциональной в произвольный момент времени значению решения уравнения p(s,t) для соответствующего значения аргумента si.

Если существуют интервалы отрицательных значений функции Ф1 , т.е. на транспарант 4 записывается уже функция УФ1 + А и вводится контур 6, то в соответствии с вышеизложенным на выходе ОУ формируется функция интенсивности р (S,t) + A -t. Это обстоятельство приводит к необходимости вычитания светового потока с интенсивностью, пропорциональной A-t, что реализуется в соответствующих СВСП. Световой поток с интенсивностью, изменяющейся в направлении оси OS и пропорциональной в произвольный момент времени

искомому решению р (s.t) поступает по волокнам 3si на выход устройства и по волокнам - на вход транспаранта 4: работа устройства повторяется в соответствии с 5 вышеизложенным.

Формула изобретения

5 разветвителей второй группы, л интеграторов, выходы которых являются выходами устройства, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства, повышения точности и быстродействия -,а счет решения

0 уравнений в реальном масштабе времени, в него введены п оптических волокон и вы«ис- лигепьный транспарант, а п интеграторов выполнены оптическими и подключены входами к выходам соответствующих п оптиче5 ских разветвителей второй группы, вычислительный транспарант расположен между выходами источника излучения и входами п оптических разветвителей первой группы, соединенными через п оптических

0 волокон с соответствующими выходами устройства.

5 Фоккера-Планка-Колмогорова -при осуществлении отрицательных значений производной решения по времени, в него дополнительно введены п блоков вычитания светопых потоков и последовательно соеди0 ненные генератор линейно изменяющегося напряжения, источник некогерентного кэ- пучения, выход которого через разветвляющееся оптическое волсхно оптически связан с первыми входами п блоков аычита5 ния световых потоков, вторые входы которых оптически непосредственно связаны с выходами соответствующих п оптических интеграторов, а выходы оптически соединены с соответствующими п выходами ус0 тройства, вход которого подключен к управляющему входу генератора линейно изменяющегося напряжения

3. Устройство по пп.1 и 2, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что каждый из п оптических 5 интеграторов содержит оптический усилитель, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом оптического интегратора, а выход оптического усилителя через оптическое волокно оптически связан с его выходом.