Оптическое вычислительное устройство

 

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. Обьединение двух контуров позволяет сформировать искомое решение в реальном масштабе времени . 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕ ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (ч) G 06 ЕЗ/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ О (Я

00 (21) 4601458/24 (22) 31.10.88 (46) 15.01.92. Бюл, N. 2 (72) С.В.Соколов (53) 681.3(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 414602, кл. G 06 Е 3/00, 1972.

Авторское свидетельство СССР

N. 643809, кл. G 06 Е 3/00, 1976, (54) ОПТИЧЕСКОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ

УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано для решения дифференциальных уравнений типа Фоккера-ПланкаИзобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано для решения дифференциальных уравнений типа Фоккера-ПланкаКолмогорова (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

5U 1705814 А1

Колмогорова. 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 интегродифференциальное представление уравнения

Фоккера-Планка-Колмогорова. Обьединение двух контуров позволяет сформировать искомое решение в реальном масштабе времени. 2 э.п. ф-лы, 1 ил. через N оптических разветвителей второй группы, Nинтеграторов,,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 эа счет решения уравнения ФПК в реальном масштабе времени.

1705814

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены и оптических волокон и вычислительный транспарант, а и интеграторов выполнены оптическими и подключены входами к выходам соответствующих и 5 оптических разветвителей второй группы, вычислительный транспарант расположен между выходами источника излучения и входами и оптических разветвителей первой группы, соединенными через п оптиче- 10 ских волокон с соответствующими выходами устройства.

В основу работы устройства положена возможность представления уравнения

ФПК 15 "- = — —. - a(y) .р(у t) +

+ - — ", ь(у) р (v,11, (<) где р (уД} — пространственно-временное решение уравнения; а (у), Ь (у) — коэффициенты уравнения (т.н. коэффициенты сноса и диффузии), следующим образом:

Х, Ф1 (з,у) р(уд) а у = - —, (2) где Ф1 (s,у) — известная функция.

Несмотря на непременное выполнение условия р(уД) 0 уД, гдер(уД}- решение уравнения ФПК, для некоторых интер30 валов существования аргумента S левая часть ранеь(стна (2) из-за неположител ности функции Ф1 может оказаться отрицательной, что приведет;< невозможности

35 формирования праной чзсти равенства в виде светового пото(<а. Для устранения возможно..-и возникновения подобной ситуации вместо функции Ф; в устроисгве реализует.я запись функции (Ф1 + А), где

А ЬjC ;(s,y)l, а при формировании оконA,ч чательного решения данное смещение компенсируется уменьшснием лнтенсивности выходного светового потока на величину,„„

А, где — текущее время.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства.

Для наглядности последующего описания устройства введена условная система 50 координат OSYZ .

Устройство содержит линейный (распределенный по оси Y) источник 1 некогерентного излучения, линейный вычислительныл транспарант 2, оптический разветвитель 3, плоский вычислительный транспарант 4, группу N оптических усилитЕлЕй (OY) 51, 52, ...5(ч.

Для случал неположительности функЦИИ Ф1 (З,У) ПРИ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ЭНачЕНИЯХ (s, у) устройство дополнительно содержит контур 6, состоящий из генератора 7 линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), источника 8 некогерентного излучения, оптического волокна 9, группы схем вычитания световых потоков 10t, 10г,...,10м.

Управляющий вход источника 1 излучения соединен с входом устройства, а выход через оптический вычислительный транспарант 2 подключен к входам N оптических волокон 311, За,...,31и, входящих в разветвитель 3. Разветвление i-го волокна Зи на М волокон обеспечивает оптическую связь i-го у (астка (элемента) транспаранта 2 с i-м столбом матрицы транспаранта 4, i = 1, N, Выход транспаранта 4 (матричного on тического преобразователя) оптически связан с входами волокон разветвителя 3 N участков (элементов) )-й строки матрицы 4 оптически связа,ь; с входами N волокон, обьединенных далее в RQJloKHo 32(и-Jet) Bbtход k-го BQRQKHB Рgk оптически связан с входом k-го ОУ 5(<, выход,<оторого связан с входом оптическо о волокна, разветвляющегося на три: Зз(<, 31(<, 35(<, При дополнительном введении контура 6 д. нные волокна разветвляются на два — Зэк, k = 1,N, и волокна, оптически связанные с входами k-х схем вычитания световых потоков 10t;, вторые входы которых оптически связаны с соответствующими оптическими волокнами, обьединенными в волокно Э, вход которого оптически связан с выходом источника 8 иэлуч ния, вход кс-орого через ГЛИН 7 связан с входом устройс;ва; выходы схем 10t< в этом с»у ае оптически ".вязаны с входамл волокон разветвляющихся на два — Зц< и

35к, k =- 1, N. Волокно Зз(, образуя замкнутый оптический контур, обьединено с волокном 3zt< (выход его оп.ически связан с входом k-го ОУ 5(<), аналогичным образом волокно 34k обьединено с волокном Зь до начала у,астка его разветвления. Выходы

Волокон 351,..„35м явля(отся выходом уст ройстна.

С учетом разветвлений выходного светового потока ОУ и затухания светового потока в контурах, образованных волокнами

33t34t ве раэ(равное затухание легко обеспечивается конструктивным путем), коэффициент усиления ОУ 51< равен 3 е, а при введении контура 6 — 2 е, Схема 10t вычитания световых потоков (СВСП) в одном из вариантов исполнения (могут быть также использованы промышленные оптоэлектронные структуры типа

"титус", "фототитус", "t;ром") состоит из фотоприемников, входы которых оптически связаны с волокнами j (с выхода ОУ %)и 9, 1705814 а выходы подключены соответственно к входам уменьшаемого и вычитаемего 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 появленлю светового импульса малой длительности на выходе источника излучения (а при наличии контура 6 — к началу формирования линейно изменятощего ся напряжения на выходе ГЛИН 7)

Интенсивность выходного потока источника 1 выбирается (с учетом последующеп; разветвления волокон Çll) равном M усn.ед.

Световой импульс, сформированный на выходетранспаранта2, потоксиэ.и н-:ющейся по оси OY интенсивнее, l:ю

M p (у,о), через разветвляющиеся волокна

311„,3>w поступает на транспарант 4. На выходе транспаранта 4 формируется световой поток с двумерной интенсивностью

Ф1 (s,у) . p (y,o), который, суммируясь r.c координате Y за счет обьединения волокпн разветвителя в волокна 3zl,...,32и, образует на входах ОУ 5ь...,5ц све1овой поток с ин=тенсивностью - J Ф1 (s,у) р(у,О) а у иву меняющейся в направлении оси 05, Иэ (2) очевидна пропорциональность интенсивности данного потока для лебо о момента времени временной производной р (s,t) решения уравнения ФГ1К дт

3а счет использования эгмкнутог, контура, образованного волокном Зэь осусцествляется непрерывное интегрирование во времени входного светового потока ОУ 5ь

Таким образом, на выходе каждого ОУ 5 формируется световой поток с интенсивностью, пропорциональной в произвольнь,й момент времени значению решения уравнения р ($Д) для соответствующего значения аргумента si.

Если существуют интервалы отрицательных значений функции Ф, т,е. на т анспа ант4 записывается уже функция

Ф1 + А и вводится контур 6, то в соответствии с вышеизложенным на выходе ОУ формируется функция интенсивности р (8Я)+ А t . Это обстоятельство приводит к необходимости вычитания светового потока с интенсивностью, пропорциональной А.t, что реализуется в соответствующих СВСП.

Световой поток с интенсивностью, изменяющейся в направлении оси OS и пропорциональной в произвольный момент времени

1О

1Г, г

55 искомому peu:ению р (ьЛ) поступает по волокнам Зы на выход устройства и по волокнам За — на вход транспаранта 4 работа устройства повторяется в соответствии с вышеизложенным.

Формула изобретения

1. Оптическое вычислительное устройство, содержащее нт.1очник излучения, вход которого является входом устройства. а выходы через и оптических разветвителей первой гоуппы опти с-:: " связаны с входами

cooTBoTct8ólo;öèõ стелбцов матричного оптического преобразователя, выходы строк которого объединен л через r оптических разветвителей второй группы. и интеграторов, выходы котор;.Ix являются выходами устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения ус ройства, повышения течности и быстродействия "а счет решения уравнений в реальном масштабе времени, в него введены A оптических волокон и вы ислигельный транспарант, а и интеграторов выполнены оптическими и подключены Входами к выходам соответс1вующих п оптичесних разветвителей второй группы, вычислительный транспарант расположен между выходами источника излучения и входами и оптических разветвителей первой группы, соединенными через п оптлческих волокон с соответствующими выходами устройства.

2, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью расширения класса решаемых задач эа счет решения уравнения

Фоккера-Планка-Колмогорова .при осу.цествлении отрицательных значений производной решения по времени, в него дополнительно введены и блоков вычитания световых потоков и последовательно соединенные генератор линейно изменяющегося напряжения, источник некогерентного излучения, выход которого через разветвляющееся оптическое воле кно оптически связан с первыми входами п блоков вычитания световых потоков, вторые входы которых оптически непосредственно связаны с выходами соответствующих и оптических интеграторов, а выходы оптически соединены с соответствующими и выходами устройства. вход которого подключен к управляощему входу генератора линейно изменяющегося напряжения

3. Устройство по пп.1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что каждый из и оптических 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.

1705814

Составитель С.Соколов

Редактор А.Маковская Техред M.Mîðãåíòàë Корректор М. Максимишинец

Заказ 193 Тираж Подписное

ВНИИПО Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производств; нно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101