Оптоэлектронный дефаззификатор

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики. Технический результат заключается в повышении вычислительной производительности до 10⁵-10⁶ операций в секунду при одновременной возможности выполнения операции дефаззификации - операции вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода. Сущность изобретения состоит в том, что в оптоэлектронный дефаззификатор, содержащий источник когерентного излучения, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, введены n оптических Y-разветвителей, второй оптический транспарант, два оптических интегратора с функцией определенного интегрирования, фотодиод, фоторезистор, резистор, инвертирующий операционный усилитель. 1 ил.

 

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, предназначенное для умножения оптических сигналов, содержащее оптический RS-триггер, оптический Y-разветвитель, три оптических бистабильных элемента, оптические волноводы с кольцевыми ответвлениями, оптические усилители, оптический компаратор, частотный фильтр, оптический транспарант [Пат. RU 2022328 С1 1994, Оптический умножитель/С.В.Соколов].

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический Y-разветвитель, оптический транспарант.

Недостатками вышеописанного устройства являются сложность и невозможность вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода.

Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для вычитания оптических сигналов, 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 аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель.

Недостатками вышеописанного устройства являются сложность и невозможность вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода.

Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь, принятый за прототип [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 прототипа, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, выход источника излучения подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, каждый выход оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу оптического транспаранта.

Недостатками вышеописанного устройства являются сложность и невозможность вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода.

Задачей изобретения является создание оптоэлектронного дефаззификатора, позволяющего повысить вычислительную производительность до 10⁵-10⁶ операций в секунду при одновременной возможности выполнения операции дефаззификации - операции вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода.

Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создании устройства, выполняющего операцию дефаззификации - операции вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптоэлектронный дефаззификатор, содержащий источник когерентного излучения, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, выход источника излучения подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, каждый выход оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу оптического транспаранта, введены n оптических Y-разветвителей, второй оптический транспарант, два оптических интегратора с функцией определенного интегрирования, фотодиод, фоторезистор, резистор, инвертирующий операционный усилитель, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, каждый выход которого подключен к соответствующему входу первого оптического транспаранта, выходы первого оптического транспаранта подключены к соответствующим входам n оптических Y-разветвителей, первые выходы которых подключены к соответствующим входам второго оптического транспаранта, а вторые выходы подключены к соответствующим входам второго оптического интегратора, выходы второго оптического транспаранта подключены к соответствующим входам первого оптического интегратора, выход которого подключен ко входу фотодиода, анод которого через резистор подключен к инвертирующему входу инвертирующего операционного усилителя, а катод - к общей шине, выход второго оптического интегратора подключен ко входу фоторезистора, включенному в цепь отрицательной обратной связи инвертирующего операционного усилителя - между выходом и инвертирующим входом инвертирующего операционного усилителя, выход которого является выходом устройства.

Оптоэлектронный дефаззификатор (ОДФ) - устройство, предназначенное для вычисления четкого значения выходной лингвистической переменной (или номера на заранее определенной шкале выходной лингвистической переменной) после процедуры агрегирования всех термов этой лингвистической переменной в результате нечеткологического вывода по методу центра тяжести, описываемому формулой:

где У_OUT - искомое четкое значение выходной лингвистической переменной (центр площади, ограниченной функцией принадлежности);

µ_Σ(у) - результирующая после процедуры агрегирования функция принадлежности выходной лингвистической переменной у;

Мах - верхняя граница - крайняя правая точка, интервала носителя нечеткого множества выходной лингвистической переменной у;

Min - нижняя граница - крайняя левая точка, интервала носителя нечеткого множества выходной лингвистической переменной у.

Функциональная схема ОДФ показана на фигуре 1.

Оптический дефаззификатор содержит:

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

- 2 - оптический n-выходной разветвитель;

- 3 - первый оптический транспарант (ОТ) Т1 с функцией пропускания, пропорциональной функции принадлежности µ_Σ(у);

- 4₁, 4₂,…, 4_n - группу оптических Y-разветвителей;

- 5 - второй оптический транспарант (ОТ) Т2 с функцией пропускания, пропорциональной функции у;

- 6, 7 - первый и второй оптические интеграторы (ОИ), выполняющие функцию определенного интегрирования, которые могут быть реализованы в виде оптического n-входного объединителя или фокусирующей линзы;

- VD 8 - фотодиод, работающий в фотогенераторном режиме;

- VR 9 - фоторезистор;

- R 10 - резистор;

- DA11 - операционный усилитель, включенный совместно с резистором

R10 во входной цепи и фоторезистором VR 9 в цепи отрицательной обратной связи по схеме инвертирующего усилителя.

Выход ИКИ 1 подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя 2, выходы 2₁, 2₂,…,2_n оптического n-выходного разветвителя 2 подключены ко входам первого ОТ 3. Выходы первого ОТ 3 подключены к соответствующим входам оптических Y-разветвителей 4₁, 4₂,…,4_n, первые выходы которых подключены ко входам второго ОТ 5, а вторые выходы подключены ко входам второго ОИ 7. Выходы второго ОТ 5 подключены ко входам первого ОИ 6, а выход первого ОИ 6 подключен ко входу фотодиода VD 8. Анод фотодиода VD 8 подключен через резистор R10 к инвертирующему входу инвертирующего операционного усилителя DA 11, а катод - к общей шине. Выход второго ОИ 7 подключен ко входу фоторезистора VR 9, включенного в цепь отрицательной обратной связи инвертирующего операционного усилителя DA11, выход инвертирующего операционного усилителя DA11 является выходом устройства.

Работа устройства происходит следующим образом. С выхода ИКИ 1 оптический когерентный поток с амплитудой 2n усл. ед. поступает на вход оптического n-выходного разветвителя 2, на выходах 2₁, 2₂,…,2_n которого формируется плоский оптический поток с амплитудой 2 усл. ед. по оси ОУ. Данный поток поступает на входы первого ОТ 3, на выходах которого формируется оптический поток с амплитудой 2µ_Σ(у), поступающий на соответствующие входы оптических Y-разветвителей 4₁, 4₂, …, 4_n. На вторых выходах оптических Y-разветвителей 4₁, 4₂, …, 4_n формируется плоский оптический поток с амплитудой µ_Σ(у), поступающий на входы второго ОИ 7, на выходе которого формируется оптический поток с амплитудой, пропорциональной (или с интенсивностью, пропорциональной . Далее выходной оптический поток второго ОИ 7 поступает на фоторезистор VR9.

На первых выходах оптических Y-разветвителей 4₁, 4₂,…,4_n также формируется плоский оптический поток с амплитудой µ_Σ(у), поступающий далее на входы второго ОТ 5, на выходах которого формируется плоский оптический поток с амплитудой, пропорциональной µ_Σ(у)·у. Данный плоский оптический поток поступает на входы первого ОИ 6, с выхода которого оптический поток с амплитудой, пропорциональной (с интенсивностью, пропорциональной , поступает на фотодиод VD 8.

Так как зависимость фотоЭДС на выходе фотодиода от интенсивности поступающего на его вход оптического потока с требуемой точностью аппроксимируется функцией вида [Бодиловский В.Г. Полупроводниковые и электровакуумные приборы в устройсвах автоматики, телемеханики и связи: Учебник для техникумов ж.-д. трансп. - 5-е изд., перераб. и доп. / В.Г.Бодиловский. - М.: Транспорт, 1986. - 440 с.], то на выходе фотодиода VD 8 формируется фотоЭДС Е_VD1, пропорциональная значению . Так как зависимость сопротивления фоторезистора от интенсивности падающего на него светового потока с требуемой точностью аппроксимируется функцией вида [Либерман Ф.Я. Электроника на железнодорожном транспорте: Учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. / Ф.Я.Либерман. - М.: Транспорт, 1987. - 288 с.], то сопротивление фоторезистора VR 9 будет обратно пропорционально значению .

Напряжение на выходе инвертирующего операционного усилителя U_ВЫХ определяется как:

где U_ВХ - напряжение на инвертирующем входе инвертирующего операционного усилителя DA11,

К - коэффициент усиления инвертирующего усилителя, который определяется как:

где R_VR9 - сопротивление фоторезистора VR9;

R_R10 - сопротивление резистора R10.

С учетом равенств (2) и (3) напряжение на выходе инвертирующего операционного усилителя DA11 U_ВЫХ определяется как:

Так как U_ВХ равно E_VD1, которое пропорционально , a R_VR9 обратно пропорционально , то с учетом выражения (4) напряжение на выходе инвертирующего операционного усилителя DA11 будет равно:

т.е. пропорционально искомому модулю значения У_OUT: У_OUT ~ |U_ВЫХ|.

Быстродействие ОДФ определяется динамическими характеристиками фотодиода, фоторезистора и операционного усилителя. Т.к. фотодиоды имеют частоту среза ~ 10⁹ Гц, фоторезисторы обладают временем задержки ~ 10^-3…10^-8 с, операционные усилители, реализованные на основе ПЛИС (ПАИС), имеют быстродействие ~ 2,5-3 мкс [Щерба А. Программируемые аналоговые ИС Anadigm: применение конфигурируемых аналоговых модулей в составе программы AnadigmDesigner2 / А.Щерба // Компоненты и технологии. - 2007. - №12], то для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Оптоэлектронный дефаззификатор, содержащий источник когерентного излучения, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, выход источника излучения подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, каждый выход оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу оптического транспаранта, отличающийся тем, что в него введены n оптических Y-разветвителей, второй оптический транспарант, два оптических интегратора с функцией определенного интегрирования, фотодиод, фоторезистор, резистор, инвертирующий операционный усилитель, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, каждый выход которого подключен к соответствующему входу первого оптического транспаранта, выходы первого оптического транспаранта подключены к соответствующим входам n оптических Y-разветвителей, первые выходы которых подключены к соответствующим входам второго оптического транспаранта, а вторые выходы подключены к соответствующим входам второго оптического интегратора, выходы второго оптического транспаранта подключены к соответствующим входам первого оптического интегратора, выход которого подключен ко входу фотодиода, анод которого через резистор подключен к инвертирующему входу инвертирующего операционного усилителя, а катод - к общей шине, выход второго оптического интегратора подключен ко входу фоторезистора, включенному в цепь отрицательной обратной связи инвертирующего операционного усилителя - между выходом и инвертирующим входом инвертирующего операционного усилителя, выход которого является выходом устройства.