RU2445672C1

RU2445672C1 - Оптоэлектронный нечеткий процессор

Info

Publication number: RU2445672C1
Application number: RU2010145712/08A
Authority: RU
Inventors: Михаил Александрович Аллес (RU); Михаил Александрович Аллес; Сергей Викторович Соколов (RU); Сергей Викторович Соколов; Сергей Михайлович Ковалев (RU); Сергей Михайлович Ковалев
Original assignee: Михаил Александрович Аллес; Сергей Викторович Соколов; Сергей Михайлович Ковалев
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2012-03-20

Abstract

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет возможности выполнять в режиме реального времени этапы нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани при одновременном увеличении вычислительной производительности. Оптоэлектронный нечеткий процессор содержит: оптоэлектронный дефаззификатор; m×n оптоэлектронных блоков фаззификации; m селекторов минимального сигнала; m оптоэлектронных блоков активизации; оптоэлектронный блок аккумуляции; j-м входом оптоэлектронного нечеткого процессора являются объединенные входы ij-х оптоэлектронных блоков фаззификации (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), каждый из которых содержит источник излучения; электрооптический дефлектор; группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов; линейный оптический транспарант; оптический r-входной объединитель и связи между ними. 4 ил., 1 прилож.

Description

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

Известно оптическое нечеткое устройство - оптоэлектронный дефаззификатор [Положительное решение о выдаче патента по заявке №2009124196 от 24.06.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.], выполняющий операцию фаззификации и содержащий источник когерентного излучения, оптический транспарант, оптические Y-разветвители, оптический трехвыходной разветвитель, три оптических n-выходных разветвителя, второй оптический транспарант, две группы n пар оптически связанных волноводов, две группы n фотоприемников, две группы n пьезоэлементов, оптический дифференциатор, группу оптических Y-объединителей, селектор минимального сигнала.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: источник когерентного излучения, оптический транспарант, оптические Y-разветвители, селектор минимального сигнала, оптический разветвитель.

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода.

Известно оптическое нечеткое устройство - оптоэлектронный дефаззификатор [Положительное решение о выдаче патента по заявке №2009112100 от 27.05.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.], принятый за прототип. Оптоэлектронный дефаззификатор выполняет операцию фаззификации и содержит две последовательно расположенные системы преобразования Фурье и пространственный операционный фильтр, образующие оптический неопределенный интегратор, источник когерентного излучения, первый линейный оптический транспарант, группу оптических Y-разветвителей, оптический определенный интегратор, второй линейный оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, оптический n-выходной разветвитель, группу оптических Y-объединителей, группу фотоприемников, группу нуль-индикаторов, шифратор.

Прототип является существенным признаком заявляемого изобретения.

Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода.

Задачей изобретения является создание оптического устройства, предназначенного для выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 10⁵-10⁶ операций в секунду.

Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего в режиме реального времени этапы нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани при одновременном увеличении вычислительной производительности.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптоэлектронный нечеткий процессор, содержащий оптоэлектронный дефаззификатор, введены m×n оптоэлектронных блоков фаззификации, m селекторов минимального сигнала, m оптоэлектронных блоков активизации, оптоэлектронный блок аккумуляции, j-м входом оптоэлектронного нечеткого процессора являются объединенные входы ij-х оптоэлектронных блоков фаззификации (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), каждый из которых содержит источник излучения, электрооптический дефлектор, группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов, линейный оптический транспарант, оптический r-входной объединитель, входом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации является управляющий вход электрооптического дефлектора (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), к информационному входу которого подключен выход источника излучения, выход электрооптического дефлектора оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов, выход каждого а-го равноудаленного оптического волновода подключен через линейный оптический транспарант к а-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации (а=1, 2, …, r, i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход ij-го оптоэлектронного блока фаззификации подключен к j-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход которого подключен ко входу i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, …, m), который содержит управляемый источник оптического излучения, первый и второй оптические s-выходные разветвители, источник излучения, линейный оптический транспарант, s селекторов минимального сигналов, входом блока является управляющий вход управляемого источника оптического излучения, выход которого оптически связан со входом первого оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход первого оптического s-выходного разветвителя подключен к первому входу соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, …s), выход источника излучения 13 подключен ко входу второго оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход которого подключен к соответствующему входу линейного оптического транспаранта (b=1, 2, …s), каждый b-й выход линейного оптического транспаранта оптически связан со вторым входом соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, …s), выходы s селекторов минимального сигналов являются выходом i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, …, m), выход i-го оптоэлектронного блока активизации подключен к i-му входу оптоэлектронного блока аккумуляции (i=1, 2, …, m), который содержит источник когерентного излучения, оптический m-выходной разветвитель, m оптических Y-разветвителей, m оптических фазовых модуляторов, первую и вторую группу по m оптических s-выходных разветвителей, m управляемых оптических транспарантов, m групп по s оптических Y-объединителей, s селекторов минимального сигналов, s блоков извлечения квадратного корня, s блоков вычитания, входами блока являются входы управляемых оптических транспарантов, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя, каждый i-й выход которого подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя (i=1, 2, …, m), первый выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, …, m), второй выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу i-го оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, …, m), выходы 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены к соответствующим входам i-го управляемого оптического транспаранта, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m), выходы 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m), выход ib-го оптического Y-объединителя подключен к i-му входу b-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, m; b=1, 2,, …, s), выходы s селекторов минимального сигналов подключены ко входам соответствующих s блоков извлечения квадратного корня, выходы s блоков извлечения квадратного корня подключены ко входам соответствующих s блоков вычитания, выходы которых являются выходом оптоэлектронного блока аккумуляции, выход оптоэлектронного блока аккумуляции подключен ко входу оптоэлектронного дефаззификатора, выход которого является выходом устройства.

Оптоэлектронный нечеткий процессор - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани [Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. / А.В.Леоненков. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.].

Функционирование оптоэлектронного нечеткого процессора представляет собой процесс функционирования нечеткой продукционной системы (НПС). При выполнении алгоритма нечеткого-логического вывода Мамдани база продукционных правил в общем случае представлена MISO-структурой (multi-in, single-out), причем для построения и реализации оптоэлектронного нечеткого процессора должна быть дана полная, строго определенная и непротиворечивая база правил (смотри приложение 1) в соответствии с решением какой-либо конкретной прикладной задачи.

Алгоритм нечетко-логического вывода Мамдани включает в себя пять основных этапов [Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. / А.В.Леоненков. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.]:

1. Фаззификация - этап «введения нечеткости», процесс получения значения функции принадлежности

нечеткого множества А_ij,.соответствующего значению j-й входной переменной х_j в предпосылке i-го нечеткого продукционного правила НПС (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n); степень истинности нечеткого высказывания «х_j есть А_ij» определяется значением функции принадлежности

по аргументу х_j;

2. Агрегирование - процесс определения степени истинности условия (антецедента) α_i в каждом i-м правиле НПС (i=1, 2, …, m). В алгоритме нечеткого вывода Мамдани степень истинности антецедента α_i в i-м правиле определяется при помощи операции min-конъюнкции по всем нечетким высказываниям «х_j есть А_ij»:

3. Активизация - процесс определения модифицированных функций принадлежностей

выходной переменной y в заключении (консеквенте) каждого i-го правила НПС. В алгоритме Мамдани модификация функций принадлежностей

выходной переменной y осуществляется на основе min-активизации:

(i=1, 2, …, m);

4. Аккумуляция - процесс определения результирующей функции принадлежности µ_Σ(y) выходной переменной y путем объединения (max-дизъюнкция) модифицированных нечетких множеств

по каждому i-му правилу НПС (i=1, 2, …, m). В алгоритме Мамдани процесс объединения функций принадлежностей

выходной переменной y по каждому i-му правилу НПС осуществляется с использованием операции max-дизъюнкции:

, (i=1, 2, …, m);

5. Дефаззификация - этап «приведения к четкости» или процесс определения четкого значения выходной у переменной НПС. В заявляемом устройстве при реализации алгоритма нечеткого вывода Мамдани используется дефаззификация по методу медианы:

где - Y_max, Y_min соответственно наименьшее и наибольшее значения аргумента функции µ_Σ(y) из области ее определения на базовой шкале OY.

Функциональная схема оптоэлектронного нечеткого процессора (ОЭНП) показана на фигуре 1.

Оптоэлектронный нечеткий процессор содержит:

- 1₁₁, 1₂₁, …, 1_1n; 1₁₂, 1₂₂, …, 1_2n; …, 1_m1, 1_m2, …, 1_mn - m групп по n оптоэлектронных блоков фаззификации (ОЭБФ);

- 2₁, 2₂, …, 2_m - m селекторов минимального сигналов (CMC), которые могут быть выполнены в виде CMC, описанного [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.];

- 3₁, 3₂, …, 3_m - m оптоэлектронных блоков активизации (ОЭБАк);

- 4 - оптоэлектронный блок аккумуляции (ОЭБАкк);

- 5 - оптоэлектронный дефаззификатор (ОЭДФ), который может быть реализован в виде ОЭДФ, описанного в [Положительное решение о выдаче патента по заявке №2009112100 от 27.05.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.].

Оптоэлектронный нечеткий процессор имеет n входов, то есть число входов равно количеству входных переменных НПС. Каждый j-й вход устройства подключен ко входу каждого ij-го ОЭБФ 1_ij (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n).

Выход ij-го ОЭБФ 1_ij подключен к j-му входу i-гo CMC 2_i (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n).

Выход i-гo CMC 2_i подключен ко входу каждого i-гo ОЭБАк 3_i (i=1, 2, …, m).

Выход каждого i-гo ОЭБАк 3_i подключен к i-му входу ОЭБАкк 4 (i=1, 2, …, m).

Выход ОЭБАкк 4 подключен ко входу ОЭДФ 5, выход которого является выходом устройства.

Функциональная схема ij-го ОЭБФ 1_ij показана на фигуре 2.

Оптоэлектронный блок фаззификации содержит:

- 6 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 1 усл.ед.;

- 7 - электрооптический дефлектор (ЭОД);

- 8₁, 8₂, …, 8_r - группу r равноудаленных от выхода ЭОД 7 оптических волноводов;

- 9 - линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания, равной

;

- 10 - оптический r-входной объединитель.

Входом ij-го ОЭБФ 1_ij является управляющий вход ЭОД 7, к информационному входу которого подключен выход ИИ 6. Выход ЭОД 7 оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов 8₁, 8₂, …, 8_r. Выход каждого а-го равноудаленного оптического волновода 8_а подключен через ЛОТ 9 к а-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го ОЭБФ 1_ij (а=1, 2, …, r).

Функциональная схема i-го ОЭБАк 3_i показана на фигуре 3.

Оптоэлектронный блок активизации содержит:

- 11 - управляемый источник оптического излучения (УИИ) с линейное передаточной характеристикой и коэффициентом передачи, равным s усл.ед. (под коэффициентом передачи понимается отношение величины интенсивности светового потока на выходе УИИ к величине электрического сигнала на его входе);

- 12₁ и 12₂ - первый и второй оптические s-выходные разветвители;

- 13 - ИИ с интенсивностью s усл.ед.;

- 14 - ЛОТ с функцией пропускания, равной

;

- 15₁, 15₂, …, 15_s - s селекторов минимального сигналов (CMC), которые могут быть выполнены в виде CMC, описанного [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.];

Входом i-го ОЭБАк 3_i является управляющий вход УИИ 11, выход которого оптически связан со входом первого оптического s-выходного разветвителя 12₁. Каждый b-й выход первого оптического s-выходного разветвителя 12₁ подключен к первому входу соответствующего b-гo CMC 15_b (b=1, 2, …s). Выход ИИ 13 подключен ко входу второго оптического s-выходного разветвителя 12₂, каждый b-й выход которого подключен к соответствующему b-му входу ЛОТ 14 (b=1, 2, …s). Каждый b-й выход ЛОТ 14 подключен ко второму входу соответствующего b-гo CMC 15_b (b=1, 2, …s). Выходы CMC 15₁, 15₂, …, 15_s являются выходом i-го ОЭБАк 3_i.

Функциональная схема ОЭБАкк 4 показана на фигуре 4.

Оптоэлектронный блок аккумуляции содержит:

- 16 - источник когерентного излучения (ИКИ) с амплитудой 2×m×s усл.ед.;

- 17 - оптический m-выходной разветвитель;

- 18₁, 18₂, …, 18_m - m оптических Y-разветвителей;

- 19₁, 19₂, …, 19_m - m оптических фазовых модуляторов (ОФМ), каждый осуществляет сдвиг фазы поступающего на его вход оптического потока на угол π;

- 20₁₁, 20₁₂, …, 20_1m - первую группу по m оптических s-выходных разветвителей;

- 20₂₁, 20₂₂, …, 20_2m - вторую группу по m оптических s-выходных разветвителей;

- 21₁, 21₂, …, 21_m - m управляемых оптических транспарантов (УОТ), которые могут быть выполнены в виде электрически управляемых транспарантов, описанных в [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации. / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - M.: Высшая школа, 1988. - 236 с, страница 75…79, рисунок 3.8, 3.9];

- 22₁₁, 22₁₂, …, 22_1s, 22₂₁, 22₂₂, …, 22_2s, …, 22_m1, 22_m2, …, 22_ms - m групп по s оптических Y-объединителей;

- 23₁, 23₂, …, 23_s - s селекторов минимального сигналов (CMC), которые могут быть выполнены в виде CMC, описанного [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.];

- 24₁, 24₂, … 24_s - s блоков извлечения квадратного корня (БИК), которые могут быть выполнены, например, в виде блоков, описанных 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];

- 25₁, 25₂, … 25_s - s блоков вычитания (БВ), которые могут быть выполнены, например, в виде блоков, описанных в [Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Пер. с франц. / Ж.Марше. - Л.: Издательство «Энергия», 1974. - 216 с. - стр.62, 63, 64, рисунки 5.10, 5.13].

Входами ОЭБАкк 4 являются входы УОТ 21₁, 21₂, …, 21_m. Выход ИКИ 16 подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя 17, каждый i-й выход которого подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя 18_i (i=1, 2, …, m). Первый выход i-го оптического Y-разветвителя 18_i подключен ко входу 1i-го оптического s-выходного разветвителя 20_1i из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей 20₁₁, 20₁₂, …, 20_1m (i=1, 2, …, m). Второй выход i-го оптического Y-разветвителя 18_i подключен ко входу i-го ОФМ, выход которого подключен ко входу 2i-гo оптического s-выходного разветвителя 20_2i; из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей 20₂₁, 20₂₂, …, 20_2m (i=1, 2, …, m). Выходы 1i-го оптического s-выходного разветвителя 20_1i из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей 20₁₁, 20₁₂, …, 20_1m подключены к соответствующим входам i-го УОТ 21_i, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей 22_i1, 22_i2, …, 22_is i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m). Выходы 2i-гo оптического s-выходного разветвителя 20_2i из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей 20₂₁, 20₂₂, …, 20_2m подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей 22_i1, 22_i2, …, 22_is i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m). Выход ib-го оптического Y-объединителя 22_ib подключен к i-му входу b-гo CMC 23_b (i=1, 2, …, m; b=1, 2,, …, s). Выходы CMC 23₁, 23₂, …, 23_s подключены ко входам соответствующих БИК 24₁, 24₂, …, 24_s. Выходы БИК 24₁, 24₂, …, 24_s подключены ко входам соответствующих БВ 25₁, 25₂, …, 25_s, выходы которых являются выходом ОЭБАкк 4.

Работа оптоэлектронного нечеткого процессора происходит в соответствии с пятью вышеуказанными этапами нечетко-логического вывода Мамдани и протекает следующим образом.

Первым этапом работы оптоэлектронного нечеткого процессора является этап фаззификации. При этом на вход устройства подаются значения входных переменных НПС x₁, x₂, …, x_n в виде электрических сигналов напряжения (тока). Каждый такой j-й сигнал, пропорциональный значению j-й входной переменной x_j, поступает на вход ij-го ОБФ 1_ij (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n).

Работа ij-го ОБФ 1_ij протекает следующим образом. На информационный вход ЭОД 7 с выхода ИИ 6 постоянно поступает точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед. При отсутствии сигнала на управляющем входе ЭОД 7 (то есть на входе ОЭБФ) оптический точечный поток с интенсивностью 1 усл.ед., пройдя с информационного входа на выход ЭОД 7, не попадает ни на один из входов равноудаленных оптических волноводов 8₁, 8₂, …, 8_r и поглощается. При поступлении на управляющий вход ЭОД 7 электрического сигнала, пропорционального значению j-й входной переменной x_j, этот электрический сигнал отклоняет точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед. на угол φ~arcsin(k·x_j), где k - коэффициент, определяемый типом дефлектора. Смещение Δх точечного оптического потока относительно оси ОХ при этом равно:

Δх=L·sin(φ)=a·k·x_j,

где L - расстояние от выхода ЭОД 7 до входа любого оптического волновода из группы равноудаленных оптических волноводов 8₁, 8₂, …, 8_r.

Так как входы оптических волноводов 8₁, 8₂, …, 8_r равноудалены от выхода ЭОД 7, то L=const и, следовательно:

Δх=L·k·x_j=К·x_j.

Следовательно, точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед. попадет на вход а-го равноудаленного оптического волновода 8_а (а=1, 2, …r), если на входе ЭОД 7 присутствует электрический сигнал, пропорциональный значению j-й входной переменной x_j.

Далее оптический точечный поток с интенсивностью 1 усл.ед. с выхода а-го равноудаленного оптического волновода 8_а (а=1, 2, …r) поступает на а-й вход ЛОТ 9, с а-го выхода которого снимается точечный оптический поток с интенсивностью, пропорциональной значению функции принадлежности

нечеткого множества А_ij, соответствующей j-й входной переменной x_j. Этот оптический поток поступает на а-й вход оптического r-входного объединителя, с выхода которого снимается оптический поток с интенсивностью, пропорциональной значению функции принадлежности

нечеткого множества А_ij, соответствующей j-й входной переменной х_j. На этом первый этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора завершается.

На втором этапе функционирования устройства выполняется этап агрегирования, результатом которого будет определение степени истинности антецедента α_i в каждом i-м правиле НПС (i=1, 2, …, m). В алгоритме нечеткого вывода Мамдани степень истинности антецедента α_i в i-м правиле определяется при помощи операции min-конъюнкции по всем нечетким высказываниям «

есть А_ij»:

, (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n). Вычисление значения α_i в i-м правиле осуществляет i-й CMC 2_i, работа которого описана в [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.]. На каждый j-й вход i-гo CMC 2_i с выхода ij-го ОБФ 1_ij подается сигнал в виде напряжения со значением, пропорциональным

. На выходе i-гo CMC 2_i формируется сигнал в виде напряжения (тока), пропорционального значению α_i. На этом завершается второй этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора.

Третий этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора - этап активизации правил НПС. Процесс определения модифицированных функций принадлежности

выходной переменной y в консеквенте каждого i-го правила НПС в алгоритме Мамдани осуществляется на основе min-активизации:

, (i=1, 2, …, m). Для выходной переменной y в консеквенте каждого i-го правила НПС модифицированная функция принадлежности

определяется i-м ОЭБАк 3_i (i=1, 2, …, n). Работа i-го ОЭБАк 3_i происходит следующим образом. При поступлении на управляющий вход УИИ 11 сигнала от CMC 2_i в виде электрического напряжения (тока) величиной, пропорциональной α_i усл.ед. (что соответствует степени истинности условия (антецедента), в каждом i-м правиле НПС (i=1, 2, …, m)) УИИ 11 на своем выходе формирует оптический поток с интенсивностью, равной α_i×s усл.ед., который поступает на вход первого оптического s-выходного разветвителя 12₁, на каждом выходе которого формируется оптический поток с интенсивностью, равной α_i усл.ед. Совокупность из s таких оптических потоков поступает на первые входы CMC 15₁, 15₂, …, 15_s. Одновременно, с выхода ИИ 13 оптический поток с интенсивностью s усл.ед. поступает на вход второго оптического s-выходного разветвителя 12₂, на каждом выходе которого формируется оптический поток единичной интенсивности. Совокупность этих единичных оптических потоков поступает на входы ЛОТ 14, на выходе которого формируется оптический поток с интенсивностью, распределенной вдоль оси OY и равной

, то есть равной функции принадлежности терма выходной переменной y в i-м правиле НПС (i=1, 2, …, m). Этот оптический поток с интенсивностью, распределенной вдоль оси OY и равной

, поступает на вторые входы CMC 15₁, 15₂, …, 15_s. Работа b-гo CMC описана в [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.] (i=1, 2, …, m, b=1,2,, …, s). Следовательно, на выходах CMC 15₁, 15₂, …, 15_s формируется s электрических сигналов: на выходе ib-гo CMC 15_ib формируется электрический сигнал в виде напряжения, величина которого пропорциональна

, то есть значению функции принадлежности

для конкретного b-го значения выходной переменной y (i=1, 2, …, m, b=1,2,, …, s). Совокупность этих сигналов в виде вектора электрических сигналов напряжения, величиной, распределенной вдоль оси OY и пропорциональной

, поступает с выхода i-го ОЭБАк 3_i на i-й вход ОЭБАкк 4. На этом завершается третий этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора.

Четвертый этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора - этап аккумуляции, то есть процесс определения результирующей функции принадлежности µ_Σ(y) выходной переменной y путем объединения (max-дизъюнкция) модифицированных нечетких множеств

(i=1, 2, …, m). Этап аккумуляции осуществляет ОЭБАкк 4, который функционирует следующим образом. На входы ОЭБАкк 4 с выходов ОЭБАк 3₁,3₂, …, 3_m подаются модифицированные функции принадлежности

в виде совокупности электрических сигналов напряжений, величинами, распределенных вдоль оси OY и пропорциональных

. При этом на i-м входе ОЭБАкк i-й входной сигнал в виде электрического напряжения, величиной, распределенной вдоль оси OY и пропорциональной

, поступает на входы i-го УОТ 21_i. Одновременно, с выхода ИКИ 16 оптический когерентный поток с амплитудой 2×m×s усл.ед. поступает на вход оптического m-выходного разветвителя 17, на каждом i-м выходе которого формируется оптический поток с амплитудой, равной 2×s усл.ед. (i=1, 2, …, m). Такой оптический поток поступает на вход i-го оптического Y-разветвителя 18_i. С первого выхода последнего оптический поток с амплитудой s усл.ед. поступает на вход 1i-го оптического s-выходного разветвителя 20_1i, на каждом b-м выходе которого формируется оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s). Следовательно, на каждый b-й вход i-го УОТ 21_i поступает оптический поток с амплитудой 1 усл.ед., и, с учетом того, что на b-й управляющий вход i-го УОТ 21_i поступает управляющий электрический сигнал напряжения величиной, пропорциональной

, то на b-м выходе i-го УОТ 21_i формируется оптический поток с амплитудой, равной

(i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s). Этот оптический поток поступает на первый вход ib-го оптического Y-объединителя 22_ib (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s). Также, со второго выхода i-го оптического Y-разветвителя 18_i оптический поток с амплитудой s усл.ед. поступает на вход i-го ОФМ 19_i, который поворачивает фазу поступающего оптического потока на угол π (i=1, 2, …, m). Далее, этот инвертированный оптический поток с амплитудой s усл.ед. поступает на вход 2i-гo оптического s-выходного разветвителя 20_2i, на каждом b-м выходе которого формируется оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s). Каждый такой i-й инвертированный единичный поток поступает на второй вход ib-го оптического Y-объединителя 22_ib (i=1, 2,, …, m, b=1, 2,, …, s).

Следовательно, на первом входе ib-го оптического Y-объединителя 22_ib присутствует оптический поток с амплитудой

, а на втором входе - оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. с инвертированной фазой (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s).

Так как выход ib-го оптического Y-объединителя 22_ib подключен к i-му входу b-гo CMC 23_b, то на i-м входе последнего поступающие с выхода ib-го оптического Y-объединителя 22_ib оптические потоки, интерферируя, формируют оптический поток с интенсивностью

усл.ед. (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s).

Работа b-гo CMC 23_b описана в [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.].

Таким образом, с выхода b-гo CMC 23_b снимается сигнал в виде электрического напряжения, величина которого пропорциональна

(i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s).

Для последующего описания работы устройства следует иметь в виду, что в силу неравенства

(по определению

), минимум значения функции

определен для того же значения аргумента у_b, что и максимум

, (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s).

Выходной сигнал b-гo CMC 23_b поступает на вход b-гo БИК 24_b, работа которого 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] (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s).

С выхода b-гo БИК 24_b сигнал, пропорциональный минимальному (для всех b) сигналу

, поступает на вход b-гo БВ 25_b, в котором поступивший сигнал вычитается из единицы (b=1, 2,, …, s). Таким образом, на выходе b-гo БВ 25_b формируется электрический сигнал в виде напряжения, величина которого пропорциональна

для конкретного значения у_b (b=1, 2,, …, s).

Следовательно, на выходах всех БВ 25₁, 25₂, … 25_b - на выходе ОЭБАкк 4, формируется вектор электрических сигналов с напряжениями, распределенными по оси ОХ и пропорциональными функции принадлежности µ_Σ(y_b), соответствующей результату этапа аккумуляции. На этом четвертый этап работы ОЭНП завершается.

Пятым этапом работы оптоэлектронного нечеткого процессора является этап дефаззификации, который выполняет ОЭДФ 5, работа которого описана в [Положительное решение о выдаче патента по заявке №2009112100 от 27.05.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.], осуществляющий процесс определения четкого значения выходной у в соответствии с выражением (1). При этом на выходе ОЭДФ 5 формируется двоичное число, соответствующее значению (номеру) четкого значения на базовой шкале OY выходной переменной y из условия, что является результатом нечетко-логического вывода по алгоритму Мамдани, реализованного в виде НПС, описанной в приложении 1.

Таким образом, ОЭНП осуществляет процесс функционирования нечеткой продукционной системы (НПС) при выполнении алгоритма нечетко-логического вывода Мамдани с MISO-структурой.

Быстродействие оптоэлектронного нечеткого процессора определяется динамическими характеристиками составляющих его блоков и узлов, в частности:

- электрооптического дефлектора, входящего в состав оптоэлектронного блока фаззификации,

- селекторов минимального сигнала, которые также входят в состав оптоэлектронных блоков активизации и оптоэлектронного блока аккумуляции;

- управляемых источников оптического излучения, входящих в состав оптоэлектронных блоков активизации;

- управляемых оптических транспарантов, входящих в состав оптоэлектронного блока аккумуляции;

- блоков извлечения квадратного корня и блоков вычитания, входящих в состав оптоэлектронного блока аккумуляции;

- оптоэлектронного дефаззифкатора.

Быстродействие электрооптических дефлекторов может достигать 10^-12 с. Селектор минимального сигнала, выполненный, например, на лавинных фотодиодах, имеет время срабатывания до 80..100 пс. Управляемые источники оптического излучения, выполненные на основе полупроводниковых источников света, обладают быстродействием порядка 10^-9 с. Управляемые оптические транспаранты, изготовленные на основе PLZT-керамики или на основе жидких кристаллов, имеют быстродействием порядка 10^-6 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. Быстродействие оптоэлектронного дефаззифкатора составляет порядка 10^-6 с.

Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Приложение 1

База правил нечеткой продукционной системы MISO-структуры

Правило 1: ЕСЛИ х₁ есть А₁₁ И х₂ есть А₁₂ И…И х_n есть А_1n, ТО y есть В₁;

Правило 2: ЕСЛИ х₁ есть A₂₁ И х₂ есть А₂₂ И…И x_n есть А_2n ТО y есть В₂;

…

Правило i: ЕСЛИ х₁ есть А_i1 И х₂ есть А_i2 И…И x_n есть А_in, ТО y есть В_i;

…

Правило m: ЕСЛИ х₁ есть А_m1 И х₂ есть А_m2 И…И х_m есть А_mn, ТО y есть В_m.

где x₁, х₂, …, x_n - n входных переменных нечеткой продукционной системы;

А_ij - терм j-й входной переменной х_j в i-м правиле, представленный нечетким множеством с соответствующей функцией принадлежности

(i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n);

y - выходная переменная нечеткой продукционной системы;

В_i - терм выходной переменной y в i-м правиле, представленный нечетким множеством с соответствующей функцией принадлежности (i=1, 2, …, m).

Claims

Оптоэлектронный нечеткий процессор, содержащий оптоэлектронный дефаззификатор, отличающийся тем, что в него введены m×n оптоэлектронных блоков фаззификации, m селекторов минимального сигнала, m оптоэлектронных блоков активизации, оптоэлектронный блок аккумуляции, j-м входом оптоэлектронного нечеткого процессора являются объединенные входы ij-х оптоэлектронных блоков фаззификации (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), каждый из которых содержит источник излучения, электрооптический дефлектор, группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов, линейный оптический транспарант, оптический r-входной объединитель, входом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации является управляющий вход электрооптического дефлектора (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), к информационному входу которого подключен выход источника излучения, выход электрооптического дефлектора оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов, выход каждого a-го равноудаленного оптического волновода подключен через линейный оптический транспарант к a-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации (a=1, 2, …, r, i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход ij-го оптоэлектронного блока фаззификации подключен kj-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход которого подключен ко входу i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, …, m), который содержит управляемый источник оптического излучения, первый и второй оптические s-выходные разветвители, источник излучения, линейный оптический транспарант, s селекторов минимального сигналов, входом блока является управляющий вход управляемого источника оптического излучения, выход которого оптически связан со входом первого оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход первого оптического s-выходного разветвителя подключен к первому входу соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, …s), выход источника излучения 13 подключен ко входу второго оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход которого подключен к соответствующему входу линейного оптического транспаранта (b=1, 2, …s), каждый b-й выход линейного оптического транспаранта оптически связан со вторым входом соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, …s), выходы s селекторов минимального сигналов являются выходом i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, …, m), выход i-го оптоэлектронного блока активизации подключен к i-му входу оптоэлектронного блока аккумуляции (i=1, 2, …, m), который содержит источник когерентного излучения, оптический m-выходной разветвитель, m оптических Y-разветвителей, m оптических фазовых модуляторов, первую и вторую группу по m оптических s-выходных разветвителей, m управляемых оптических транспарантов, m групп по s оптических Y-объединителей, s селекторов минимального сигналов, s блоков извлечения квадратного корня, s блоков вычитания, входами блока являются входы управляемых оптических транспарантов, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя, каждый i-й выход которого подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя (i=1, 2, …, m), первый выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, …, m), второй выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу i-го оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, …, m), выходы 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены к соответствующим входам i-го управляемого оптического транспаранта, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m), выходы 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m), выход ib-го оптического Y-объединителя подключен к i-му входу b-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, m; b=1, 2, …, s), выходы s селекторов минимального сигналов подключены ко входам соответствующих s блоков извлечения квадратного корня, выходы s блоков извлечения квадратного корня подключены ко входам соответствующих s блоков вычитания, выходы которых являются выходом оптоэлектронного блока аккумуляции, выход оптоэлектронного блока аккумуляции подключен ко входу оптоэлектронного дефаззификатора, выход которого является выходом устройства.