Оптическое вычислительное устройство

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК А 4(51) С 06 С 9/ САНИЕ Я Б фф-,ЕТЕЛЬСТ нынсо мон ч а расшпутем г уравн боличблокс осто г ервого, втор ов монохрома записи и стиран чены соответств но к третьему, че ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ(56) 1. Авторское свидетельство СССР 9 1023340, кл. С 06 Р 15/328, 1979.2. Василенко Г.И. Теория восстановления сигналов. М., "Советское радио", 1979, с. 245 (прототип).(54)(57) ОПТИЧЕСКОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее четыре полупрозрачных зеркала, первый и второй источники монохроматического света, первый и второй динамические транспаранты, первый канал оптической обработки информации, состоящий из первого и второго Фурье-преобразующих элементов и пространственно-частотного фильтра, а также генератор тактовых импульсов, причем первый динамический транспарант размещен между первым и вторым полупрозрачными зеркалами, второй динамический транспарант между третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами, пространственно- частотный фильтр первого канала оптической обработки информации - между первым и вторым Фурье-преобразующими элементами в их фокальной плоскости, первый динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного к длине волны второго источника монохроматического света,и снабжен зеркалом, селективным к длине волны первого источника монохроматического света, второй динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного только к длине волны,801144127 первого источника монохроматического света, выход первого источникамонохроматического света через второе полупрозрачное зеркало и зеркалопервого динамического транспаранта,а выход второго источника монохроматического света через третье полупрозрачное зеркало оптически связас входом второго динамического трапаранта, первый и второй выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим м первого и второго источников роматического света, о т л и - ю щ е е с я тем, что, с целью рения класса решаемых задачрешения помимо уравнений.инльного тина дифференциальных ений в частных производных пара еского типа, в него введены записй и стирания информации, ящий из первого, второго и треисточников монохроматического света и входного пространственногомодулятора света, выходной преобразователь оптического сигнала в электрический, два транспаранта комплексного пропускания, второй канал оптической обработки информации, состоящий из последовательно расположенныхпервого транспаранта комплексногопропускания, первого фурье-преобразующего элемента, пространственночастотного фильтра, второго Фурьепреобразующего элемента и второготранспаранта комплексного пропускания, при этом электрические входы . о и третьего источниического света блока ия информации подклю1144127 О вертому и пятому электрическим выходам генератора тактовых импульсов,первый источник монохроматическогосвета блока записи и стирания информации через первое полупрозрачноезеркало оптически связан с первым динамическим транспарантом, второй источник монохроматического света блока записи и стирания информации через входной пространственный модулятор оптически связан с входом второго динамического транспаранта, третийисточник монохроматического светаблока записи и стирания информацииоптически связан с входом второгодинамического .транспаранта, вход выходного преобразователя оптическогосигнала в электрический через четвертое полупрозрачное зеркало оптическисвязан с выходом второго динамического транспаоанта, первый транспаранткомплексного пропускания размещенмежду вторым полупрозрачным зеркаломи первым Фурье-преобразующим элементом первого канала оптической обраИзобретение относится к оптической вычислительной технике и может быть использовано для решения дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа, например диффузионного уравнения Фоккера - Планка-Колмогорова, имеющего фундаментальное значение в теории марковских процессов.Известно устройство для решения дифференциальных уравнений в частных производных, реализующее конечно-разностную схему, полученную в результате аппроксимации исходного дифференциального уравнения как по временной, так и по пространственной координате Щ .Такого рода аппроксимация существенно снижает точность вычислений, технически трудно реализуема, не обеспечивает высокое быстродействие, а следовательно, ограничивает класс решаемых с ее помощью задач.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результатук изобретению является оптическое ботки информации, второй транспаранткомплексного пропускания размещенмежду вторым Фурье-преобразующим элементом первого канала оптической обработки информации и третьим полупрозрачным зеркалом, вход первоготранспаранта комплексного пропускания второго канала оптической обработки информации оптически связан свыходом первого динамического транспаранта, выход второго транспарантакомплексного пропускания второго канала оптической обработки информацииоптически связан с входом второгодинамического транспаранта, причемдлина волны второго и третьего источников монохроматического света блоказаписи и стирания информации равнадлине волны первого источника монохроматического света, а длина волныпервого источника монохроматическогосвета блока записи и стирания информации равна длине волны второгоисточника монохроматического све-.та. устройство, содержащее четыре полупрозрачных зеркала, первый и второй источники монохроматического света,первый и второй динамические транспаранты, канал оптической обработкиинформации, состоящий из первого ивторого Фурье-преобразующих элементов и пространственно-частотногофильтра, а также генератор тактовых импульсов, причем первый динамический транспарант размещен между первым и вторым полупрозрачными зеркалами, второй динамический транспарант -между третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами, пространственночастотный фильтр канала оптическойобработки информации - между первыми вторым Фурье-преобразующими элементами в их фокальной плоскости, первый динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного к длине волны второго. источникамонохроматического света и снабжензеркалом, селективным к длине волныпервого источника монохроматическогосвета, второй динамический транспа3рант выполнен из материала, еенсиби. лизированного только к длине волны первого источника монохроматического света, выход первого источника моно- хроматического света через второе по 5 лупрозрачное зеркало и зеркало первого динамического транспаранта, а выход второго источника монохроматического света через третье полупрозрачное зеркало оптически связан с входом второго динамического транспаранта, а первый и второй выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим вхо- дам первого и второго источников монохроматического света 21.Известное устройство позволяет реализовать итерационный метод восстановления сигналов, основанный на алгоритме последовательных приближений Бургера и Ван Ситтера.Принцип работы устройства состоит в том, что в результате последовательных операций записи и считывания (определяемых работой источников света), на втором динамическом транспаранте регистрируется функция5,(х 1: 1(х)+5(х- Ъ(х 1+5(х); (1) где Г(х) - искаженное 1 зображение;З 0Ь(х) - характеристика каналаобратной связи;Бя(х) - приближение на и-мшаге;Бпн (х) - приблежение на и+1 шаге, 35которая отражает формулу для восстановления сигналов методом последовательных приближений Бургера и ВанСиттера,Однако известное устройство не мо жет использоваться для решения, на-.пример, дифференциального уравненияФоккера-Планка-Колмогорова, т.екласс решаемых задач ограничен.Цель изобретения - расширение 45класса решаемых задач путем решенияпомимо уравнений интегрального типадифференциальных уравнений в частныхпроизводных параболического типа.Указанная цель достигается тем, 50что в оптическое вычислительное устройство, содержащее четыре полупроз. рачных зеркала, первый и. второй источники монохроматического света,первый и второй динамические транспа 55ранты, первый канал оптической обработки информации, состоящий из первого и второго Фурье-преобразующих эле 1274ментов и пространственно-частотного фильтра, а также генератор тактовых импульсов, причем первый динамический транспарант размещен между первым и вторым полупрозрачными зеркалами, второй динамический транспарант между третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами, пространственно- частотный фильтр первого канала оптической обработки информации - между первым и вторым Фурье-преобразующими элементами в их фокальной плоскости, первый динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного к длине волны второго источника монохроматического света, и снабжен зеркалом, селективным к длине волны первого источника моно- хроматического света, второй динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного только к длине волны первого источника моно- хроматического света, выход первого источника монохроматического света через второе полупрозрачное зеркало и зеркало первого динамического тран- .спаранта, а выход второго ист.чника монохроматического света через третье .полупрозрачное зеркало оптически связаны с входом второго динамического транспаранта, первый и второй выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и второго источников монохроматического света, введены блок записи и стирания информации, состоящий из первого, второго и третьего источников монохроматического света и входного пространственного модулятора света, выходной преобразователь оптического сигнала в электрический, два транспаранта комплексного пропускания, второй канал оптической обработки информации, состоящий из последовательно расположенных первого транспаранта комплексного пропускания, первого фурье-преобразующего элемента, пространственно- частотного фильтра, второго Фурьепреобрсзующего элемента и второго транспаранта комплексного пропускания, при этом электрические входы первого, второго и третьего источников монохроматического света блока записи и стирания информации подключены соответственно к третьему, четвертому и пятому электрическим выходам генератора тактовых импульсов, первый источник монохраматическогосвета блока записи и стирания инфор- мации через первое полупрозрачное зеркало оптически связан с первым динамическим транспарантом, второй источник монохроматического света бло ка записи и стирания информации через входной пространственный модулятор оптически связан с входом второго динамического транспаранта, третий источник монохроматического све та блока записи и стирания информации оптически связан с входом второго динамического транспаранта, вход выходного преобразователя оптического сигнала в электрический через четвертое полупрозрачное зеркало оптически связан с выходом второго динамического транспаранта, первый транспарант комплексного пропускания размещен между вторым полупрозрачным . 20 зеркалом и первым фурье-преобразующим элементом первого канала оптической обработки информации, второй транспарант комплексного пропускания размещен между вторым Фурье-преобразующим 25 элементом первого канала оптической обработки информации и третьим полупрозрачным зеркалом, вход первого транспаранта комплексного пропускания второго канала оптической обработки ЗО информации оптически связан с выходом первого динамического транспаранта, выход второго транспаранта комплексного пропускания второго канала оптической обработки информации оптически связан с входом второго динамического транспаранта, причем длина волны второго и третьего источников монохроматического света блока записи и стнрания информации равна длине о волны первого источника монохроматического света, а длина волны первого источника моиохроматического све,та блока записи и стирания информации равна длине волны второго ,источника монохроматического света.На фиг. 1 представлена структур" ная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма работы устройства; на фиг, 3 - структур О ная схема блока записи и стирания информации; на фиг. 4 - структурные схемы первого и второго каналов оптической обработки информации.Оптическое вычислительное устройство содержит генератор 1 тактовыхимпульсов (ГТИ), первый 2 и второй 3источники монохроматического света(ИКС) с длинами волн Л и Лр соответственно, блок 4 записи и стиранияинформации (БЗСИ), первый 5 и второй6 динамические транспаранты (ДТ),первый 7 и второй 8 каналы оптической обработки информации (КООИ) ивыходной преобразователь 9 оптического сигнала в электрический,1Оптическая связь между блокамиосуществляется с помощью полупрозрачных зеркал 3 -3 . Блок 4 записи истирания информации состоит из первого 10, второго 11 и третьего 12 источников монохроматического света сдлинами волн соответственно Х Аи 3. , а также из входного пространственного модулятора 13 света, ПервыйКООИ 7 содержит первый транспарант 14комплексного пропускания, первыйФурье-преобразующий элемент 15, пространственно-частотный фильтр 16,второй Фурье-преобразующий элемент17 и второй транспарант 18 комплексного пропускания, Аналогично второйКООИ 8 также содержит первый транспарант 19 комппексного пропускания,первый Фурье-преобразующий элемент20, пространственно-частотный фильтр21, второй Фурье-преобразующий элемент 22 и второй транспарант 23комплексного пропускания. Основнаяособенность ДТ 5 состоит в том, чтосчитывание с него оптической информации осуществляется светом с длинойволны. Х на отражение. Поэтому вспомогательный вход этого транспарантаи его выход оказываются совмещенными(световой пучок, падающий перпендикулярно плоскости транспаранта, отражаетсяот него в том же направлении, при этом отраженный пучок. светапоступает на входы КООИ 7 и 8). ДТ 6чувствителен к излучению с длинойволны Л, выполняет роль сумматора,складывающего или вычитающего сигналы-иэображения, работает только в режиме запись-считывание (стираниепроисходит после окончания работыустройства). ДТ 5 и 6 установлены впредметные плоскости системы, их применение делает характер функционирования системы активным, т.е. позволяет снизить требования к допустимомупоглощению света оптическими элементами схемы, и, кроме того, устраняется недостаток, присущий пассивнымоптическим схемам - сильное ослабление светового потока после каждого(Н(х,иГ) необходимо вычислить трислагаемыхЮ (х( о) 1-е слагаемое;5(мХХ (х)ккк(хк( х)кя 2-е слагаемое,ф 1 х1 к Хх(х)ф(кх( х)СЩ 3-е слагаемое,и сложить их.Структуры КООИ 7 и 8 (фиг, 4) определяются соответственно видом 2-гои 3-го слагаемых (6), Основными элементами каналов являются линзы прямого и обратного преобразования Фурьеи пространственные модуляторы света(ПМС) с заданным комплексным пропусканием.Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии ГТИ 1.не ра"ботает, ИМС 2 и 3, а также ИМС, вхоцикла прохождения сигнала в цепи. В качестве ДТ 5 может быть использова ДТ типа "Фототитус" а в качестве ДТ 6 - ДТ типа "ПРОМ".Структура других узлов устройства определяется видом моделируемого дифференциального уравнения Фоккера - Планка-Колмогорова+ 1(М2 Д 2 где Щх 1) - одномерная плотностьвероятности скалярногомарковского процесса(искомая функция);К,(х) - стационарный коэффициент сноса;Кх(х) - стационарный коэффициент диффузии.Алгоритм решения (2) может быть задан следующей разностной схемой. . дящне в состав БЗСИ 4, выключена,запись на ДТ 5 и 6 отсутствует, на%х 1+Я=В(х )-ТЧ )шЧ ГК х 1 д(х (И ПМС 13 записано начальное значение25 У(х,о). Первым тактовым импульсомо Ч К (х 1 Я(х С)Й 5 (ТИ) с 4-го выхода ГТИ 1 (фиг.1 ивключаетс П %(х)ш Ч- (ки" Ч (к(к к (Х) дх х, Ч (цК( х 1 ф(хо)Д- х (кЧ (к Мох(х,На ДТ 6 происходит сложение И( и (7), т.е. формируется первое ис мое значение функции Ч(х, С) для х В(х"к)=Ко(,%Ч киЧ Х (х)Ю(к,)1)где и-я производная функции вычисляется в результате применения к функции преобразования Фурье умножения 55полученного Фурье-образа на и-ю степень от хЮ и выполнения обратногопреобразования,где Ч и Ч - операторы прямого и обратного преобразованияфурье.В решении (3) производная по времени замена аппроксимирующим ее разностным отношением1с)а Ю(х,С+к )- Фх 1,35.(+1 Приведение диффузионного уравнения фоккера - Планка-Колмогорова к виду (3) обусловлено тем, что мате матические операции сложения, умножения, прямого и обратного преобразования Фурье над сигналами-изображениями реализуются на оптических элементах довольно просто ("стопкой транспарантов и линз). Основой для перехода от одной записи уравнения к другой служит известная формула)я ИМС 11 и излучение с длиной волны Х =Ха проходит через ЙМС 13,.модулируется в соответствии с У(х,хо) и записывается на ДТ 6. 2-м ТИ ИМС 11 выключается, а 1-м ТИ с 2-го выхода ГТИ .1 включается ИМС 3 и ИЗЛУЧЕНИЕМ С ОДНОЙ ВОЛНЫ х(.5 СЧИтЫ- вает на просвет Ч(х о) с ДТ 6 на ДТ 5, при этом часть световой энергии поступает на вход блока 9, где преобразуется в электрическую и используется для дальнейшей обработки. 2-м ТИ ИМС 3 выключается, Теперь на ДТ 5 и 6 записана одна и та же информация (1 х)(х о) которая согласно (3) используется для дальнейших вычислений (1-е) слагаемое (6). 1-м ТИ с 1-го выхода ГТИ 1 включается ИМС 2 и светом с длиной волны Х 1)(хо) считывается в отраженном свете с ДТ 5, проходит КООИ 7 и 8, на выходах которых формируются соответственно 2-е и 3-е слагаемыех,о) ко=Г114127 еУф ОСИ ф 2-м ТИ ИМС 2 выключается, а 1-и ТИ с 3-го выхода ГТИ 1 включается ИИС 10 и светом с длиной волны з 1,.5 стирает И(хо) на ДТ 5. 2-м ТИ К 1 С 10 выключается. Таким образом, к концу первого шага вычислений элементы устройства находятся в следующем состоянии; на ДТ 5 - запись отсутствует, на ДГ 6 - записывается (8), исТочники света выключаются, а в блоке 9 световая информация Щх,о) преобразовывается в электрическую. Информация с ДТ 6 после каждого шага вычислений не стирается и согласно (3) используется на очередном шаге вычислений как новая начальная информация фВторой и последующие шаги вычислений аналогичны первому. Отличие состоит лишь в том, что теперь перед началом каждого шага вычислений не требуется запись начальных данных на ДТ 6 (в качестве последних испопьзуется результат вычислений на предыдущем шаге) . Световая информация поступает на блок 9 в начале каждого нового шага вычислений при считывании на просвет информации с ДТ 6 на ДТ 5,В конце п-го шага вычислений на ДТ 6 записывается информация%(х рт)=Я(х (ь-) ь) с У тсо ч к (х 1 л ( хй 6 1 Яч м ч к (1/Вк,п-)д 1. Предложенное устройство по сравнению с известным позволяет также решать дифференциальное уравнение параболического типа (уравнение Фоккера. - Планка-Колмогорова), обеспе - чивая при этом высокую точность вычислений из-за отсутствия аппроксимации по пространственной коорди-, нате.1144127 / "ЙиооГТИ Ф Р"Юьц ооГТЮ ,у "РыюУ Ф"ЮьюодГТИ 1 5 "Фыюд ГТИВфюпдимсг Выход Инсу диод осе,27 Т 5 Вод Уса., выход278 Иьиод1144127 Ю(ю,аГ) Составитель Г.Зелинскийозориз Техред Ж.Кастелевич орректор Е.Сирохма Редакт Заказ 932/41ВНИИПИ Подписн Тираж 710Государственного комитета СССРделам изобретений и открытий5, Москва, Ж, Раушская наб., д Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4