Управляемый аналоговый оптический процессор для распознания образов в реальном времени

Полезная модель управляемого аналогового оптического процессора для распознания образов в реальном времени относится к области акустики, оптики и радиосвязи и может быть использована для опознавания сигнала в потоке информации и преобразования формы оптических импульсов короткой и предельно-короткой длительности за счет использования эффекта перемещения области пересечения световых импульсов с поверхностью со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, в частности, для анализа и генерации звуков дельфинов и других китообразных, дешифрирования и многомерной обработки в реальном времени сигналов в системах УЗИ разного назначения, сигналов в локаторах для слепых и других устройствах обработки потока информации, представленной в виде световых и/или электрических импульсных и непрерывных во времени сигналов. Технико-экономическая эффективность полезной модели состоит в повышении производительности и расширении функциональных возможностей оптических аналоговых процессоров для опознавания сигнала в потоке информации и преобразования формы оптических импульсов короткой и предельно-короткой длительности за счет использования эффекта перемещения световых импульсов со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, а также в достижении теоретически предельной скорости обработки информации в одноканальной системе при использовании стандартных широко распространенных оптических элементов, что обеспечивает повышение быстродействия, помехозащищенности и невысокую стоимость производства нового устройства. 1 н.п. ф-лы; 4 илл.

Полезная модель относится к области акустики, оптики и радиосвязи и может быть использована для опознавания сигнала в потоке информации и преобразования формы оптических импульсов короткой и предельно-короткой длительности за счет использования эффекта перемещения световых импульсов по поверхности устройства со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, в частности, для анализа и генерации звуков дельфинов и других китообразных, дешифрирования и многомерной обработки в реальном времени сигналов в системах УЗИ разного назначения, сигналов в локаторах для слепых и других устройствах обработки потока информации, представленной в виде световых, электрических импульсных и/или непрерывных во времени сигналов.

Известны различные оптические процессоры, содержащие оптически связанные друг с другом источники коллимированного когерентного излучения и пространственно-временные модуляторы света, соединенные с источником информации. Действие этих процессоров основано на выполнении оптической пространственно-частотной фильтрации, в том числе, интегрального преобразования Фурье, и последующего обратного преобразования Фурье с целью получения корреляционного сигнала [1]. Однако такие корреляторы являются дорогостоящими, сложными оптическими устройствами, требующими применения прецизионной механики, усложняющей и замедляющей работу устройства, а замена фильтрующих элементов пространственно-частотного фильтра медленна, трудоемка и сложна. Применение современных быстродействующих оптических пространственных модуляторов не позволяет уменьшить время данной операции до величины менее 1 мкс.

Известны корреляторы более высокой производительности, которая достигается за счет применения излучателей с разными длинами волн, работающих параллельно и позволяющих решать задачи поиска информационного сигнала по многим признакам [2]. Однако оптические процессоры, основанные на таких принципах, требуют резкого увеличения габаритов системы и вследствие применения квазимонохроматических, узкополосных световых сигналов обнаруживают невозможность использования предельных временных характеристик, которые принципиально могут обеспечивать методы оптической обработки информации,.

Анализ результатов обширного поиска информации показал, что указанным и принципиальным недостатком обладают все известные устройства, основанные на применении фильтрации пространственного спектра, полученного в монохроматическом излучении. Применение промежуточной монохроматизации с последующим сложением результатов обработки компонентов сигнала, полученных в разных частотных составляющих, приводит к сложению ошибок и соответствующему понижению надежности функционирования всей системы, особенно при наличии шумов в исходном канале связи.

Известны устройства современного процессинга оптических сигналов с большими скоростями в области частот повторения световых импульсов до 1 ТГц, основанные на преобразовании входного светового импульса в цепочку импульсов во времени, в том числе с возможностью модуляции амплитуды, и основанные на расщеплении исходного импульса с помощью системы световодов разной длины [3] и последующего объединения выходных сигналов в общий сигнал. Однако устройства данной системы имеют недостаточно высокие скорости обработки информации за счет применения длинных оптических импульсов и, соответственно, недостижимости предельно высоких скоростей. Это обусловлено, в частности, необратимым искажением информации о фазе как непрерывных, так и импульсно-модулированных сигналов в результате дисперсии скорости распространения различных частотных составляющих сигналов в прозрачных материалах, которое приводит к невозможности перехода к световым импульсам предельно малой длительности.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство прямого преобразования пространство-время для изменения формы оптического импульса и генерации цепочки импульсов [4]. Оно состоит из входного порта, получающего импульсный световой пучок; плоского модулятора, оптически присоединенного к указанному входному порту, пространственно структурирующего пучок, спектрального диспергирующего устройства, принимающего пространственно-структурированный пучок, разлагающего его в спектр по разным направлениям; фокусирующего устройства, принимающего разложенный пучок и направляющего его на выходной порт; и выходного порта, имеющего определенную апертуру и принимающего часть сфокусированного пучка.

Недостатками известного устройства [4] являются: ограниченная производительность за счет использования только сигналов телеграфного класса, состоящих, по крайней мере, из нескольких колебаний световой волны, в результате чего понижается скорость обработки информации; невозможность достижения теоретического предела скорости обработки информации вследствие сужения спектра сигналов при промежуточном преобразовании с помощью диспергирующего устройства; высокая вероятность появления перекрестных искажений вследствие дифракционного смешения оптических каналов, образованных при обязательном делении входного фронта волны на отдельные микро-пикселы, что обуславливает и невозможность работы с непрерывными во времени сигналами, а также достаточно высокая стоимость таких устройств.

Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение быстродействия и производительности оптического процессора за счет применения эффектов распространения со скоростью больше скорости света следа импульсной волны на облучаемой поверхности, расширение функциональных возможностей процессора за счет работы с непрерывными сигналами разной длительности и использования полной информации об амплитудно-фазовой структуре входного сигнала при разных типах модуляции и кодирования входных сигналов, а также существенное снижение помех, стоимости устройства при одновременном повышении механической стабильности его работы. В заявляемой полезной модели скорость обработки информации совпадает с теоретически предельной скоростью работы аналоговых оптических процессоров, в нем отсутствуют перекрестные искажения, так как дифракция волн является основой всех преобразований сигнала, в связи с чем оно способно обрабатывать как импульсные, импульсно-модулированные информационные потоки, так и непрерывные сигналы с произвольным типом модуляции.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленной полезной модели осуществляется обобщенное линейное интегральное преобразование, в частности, аналоговое вычисление функции взаимной корреляции, двух входных сигналов, например, полученного акустическим приемником с верхней границей по частоте, которая определяется временем записи сигнала на оптическом пространственном модуляторе и сегодня составляет 1-10 МГц [5], и импульсного оптического, в том числе предельно-короткого, с теоретически предельно большими скоростями, причем заявленное устройство позволяет оптическими методами установить момент времени, соответствующий положению во времени максимума результата преобразования. Указанный технический результат является новым и обеспеченным новым конструктивным исполнением устройства полезной модели.

В заявленной полезной модели существенно уменьшается «расплывание» импульсов вследствие материальной дисперсии; кроме того, в полезной модели для осуществления переменной задержки входящей волны во времени относительно управляемого пространственного модулятора применено наклонное расположение плоскости управляемого пространственного модулятора относительно фронта волны входного сигнала, а для определения момента появления сигнала обнаружения в потоке информации применен дополнительный оптический узел, состоящий из делителя светового пучка и пространственно чувствительного фотоприемника, что обеспечивает дополнительное функциональное преимущество - возможность одновременного обнаружения нескольких сигналов в потоке информации, или ассоциативного поиска сложного сигнала по совокупности нескольких признаков.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется Фиг.1-4; на Фиг.1 и 2 представленные схемы поясняют работоспособность заявленной полезной модели; Фиг.3 и 4 иллюстрируют примеры апробации на модельных устройствах и теоретическое обоснование принципа работы заявленной полезной модели.

На Фиг.1 представлена основная схема управляемого аналогового оптического процессора для распознания образов в реальном времени с плоским пропускающим модулятором.

На Фиг.2 представлена схема, иллюстрирующая основной принцип действия управляемого аналогового оптического процессора для распознавания образов в реальном времени.

На Фиг.3 показан результат эксперимента по преобразованию одного фемтосекундного импульса в цепочку одинаковых импульсов, а на Фиг.4 в виде графиков приведен пример выделения (опознавания) известного сигнала в смеси сигнала с шумом.

Сущность заявленной полезной модели поясняется Фиг.1, на которой представлена схема устройства. На его входе установлен источник первого сигнала 1, генерирующий оптический пучок 2, несущий первый сигнал в виде потока оптической информации и освещающий входной порт 3, принимающий световой пучок 2, устройство оптической связи для создания плоской световой волны, освещающей оптический пространственный модулятор 6 и состоящее из одного или нескольких оптических элементов 4-5, которое оптически связано с пространственным модулятором 6 с управляемыми пропускающими элементами, размещенными на одной плоскости, и расположено между входным портом 3 и пропускающим световой пучок управляемым пространственным модулятором 6, несущим второй сигнал, фокусирующее устройство 7 и выходной порт 8; полученный в результате преобразования оптический сигнал с помощью световода 9 или иного оптического устройства подается на быстродействующий фотоприемник 12; устройство ввода второго сигнала 21 в пространственный модулятор 6 управляется источником сигнала 20; заявленный аналоговый оптический процессор для обработки потока оптической информации содержит разделитель 10 волны выходного светового пучка, расположенный между фокусирующим устройством 7 и выходным портом 8, и пространственно-чувствительный фотоприемник 11, размещенный в плоскости изображения пространственного управляемого модулятора, созданного фокусирующим устройством 7; управляемый пространственный модулятор 6 установлен под углом к оси пучка устройства оптической связи для создания плоской импульсной световой волны 4-5 и под углом к оси пучка фокусирующего устройства 7, которые при определении взаимной корреляции двух сигналов определяются из соотношения: sin()-sin()=1. Импульс тока быстродействующего фотоприемника 12 усиливается усилителем 13 и направляется на пороговое устройство 14, выдающее сигнал на генератор вспомогательного импульса 15, включающий индикатор 16 срабатывания порогового устройства, например, сигнал «тревога», и запускающий управляющий компьютер 17.

Часть потока, выходящего из фокусирующего устройства 7, поданная, например, полупрозрачным зеркалом на пространственно-чувствительный фотоприемник 11, установленный в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью пространственного модулятора 6, формирует на его поверхности действительное изображение распределения интенсивности, возникающее при освещении пространственного модулятора 6 сигналом, поступающим на входной порт 3. Изображение поверхности модулятора 6 через устройство усиления и обработки сигнала 19 передается в управляющий компьютер 17 и производится его обработка с целью, например, определения координаты максимума на пространственном модуляторе.

Система обратных связей, показанная на Фиг.1 штриховыми линиями, предназначена для регулировки коэффициента усиления сигнала фотоприемника 12 и приведения среднего значения множества сигналов к одному уровню, она же устанавливает уровень срабатывания порогового устройства.

Управляемый пространственный модулятор 6 может представлять собой систему с непрерывно меняющимися по поверхности свойствами рассеивать или пропускать падающую световую волну или состоять из отдельных управляемых элементов, расположенных на плоскости. Образец второго сигнала задается в виде изменяющихся вдоль поверхности модулятора 6 параметров (пропускания, отражения или угла поворота плоскости поляризации) непрерывно, как в акусто-оптическом модуляторе или в виде набора дискретных плоских элементов микроскопического размера (как, например, в стандартных конструкциях дисплеев для компьютеров), размеры которых выбираются в соответствии с теоремой отсчетов Котельникова-Шеннона. В этом случае управляемые пропускающие элементы плоского оптического пространственного модулятора 6 могут быть снабжены микропризмами, что позволяет повысить дифракционную эффективность управляемого аналогового оптического процессора. Технология производства таких растров известна. Разместив управляемый пространственный модулятор на искривленной поверхности, можно упростить и повысить механическую стабильность процессора, обеспечив реализацию фокусировки излучения. Такой прием известен из практики нетрадиционных дифракционных решеток, но требует усложнения формы элементов модулятора.

Пространственное распределение пропускания, отражения или поворота плоскости поляризации оптического пространственного модулятора 6 устанавливается пропорциональным амплитуде сигнала устройством 21, которое управляется источником 20 второго сигнала пространственного модулятора, например, заданного образца акустического сигнала. Пробегая по поверхности пространственного модулятора, плоская световая волна от источника 1, рассеиваясь, создает в фокусе устройства 7 сигнал, меняющийся во времени пропорционально, функции взаимной корреляции сигнала, заданного устройством 20, и сигнала входного потока информации.

Частным случаем работы заявленной полезной модели оптического процессора является сжатие во времени медленного второго сигнала, заданного источником 20, в световой импульс, форма зависимости которого от времени сохраняется, но масштаб во времени уменьшен. В качестве источника 1 первого сигнала в этом случае применяется лазер, генерирующий предельно-короткие световые импульсы. Сигнал, полученный в результате такого преобразования на выходе, может использоваться в качестве входного в дополнительном устройстве, аналогичном описанной полезной модели, в том числе, для преобразования или обнаружения.

Работа заявленного оптического процессора в режиме опознавания корреляционным методом известного по форме сигнала в потоке информации, представленной в виде модулированного во времени оптического пучка источника сигнала 1 осуществляется следующим образом.

Теоретической основой скоростной работы заявленной полезной модели является известный в оптике эффект перемещения линии пересечения плоского волнового фронта с реальной плоской поверхностью пространственного модулятора со скоростью превышающей скорость света в вакууме «с». В качестве иллюстрации рассмотрим более детально работу процессора с пропускающим пространственным модулятора (Фиг.2). На оптический пространственный модулятора сигналы поступают по двум входам: первый пучок 2 от источника оптического сигнала 1 через входной порт 3 и второй через вход устройства ввода сигнала 21 для управления пространственным модулятором 6 от источника сигнала 20, например, принятого микрофоном акустического импульсного или непрерывного сигнала. Устройство для создания плоской световой волны 4-5 входного порта 3 с управляемым пространственным модулятором 6 преобразует световой импульс, излученный источником 1, в плоскую световую волну, несущую поток оптической информации. Для наглядности эта волна, как показано на Фиг.2, освещает пропускающий излучение пространственный модулятор 6, который размещается таким образом, чтобы нормаль N к его поверхности составляла определенный не равный нулю угол с нормалью к волновому фронту световой волны, идущей от устройства для создания плоской импульсной световой волны 4-5. В показанном на Фиг.2 случае считается, что входной порт имеет очень маленькие размеры, и поэтому достаточно одной линзы или вогнутого зеркала. В общем случае это должна быть телескопическая система линз или зеркал, как это показано на Фиг.1.

С помощью фокусирующего устройства 7, в главном фокусе которого установлен выходной порт 8 в виде малой диафрагмы, из рассеянного пространственным модулятором 6 пучка выделяется параллельный пучок, распространяющийся под определенным углом к нормали N пространственного модулятора. Размеры диафрагмы выходного порта выбираются предельно малыми, но пропускающими достаточное количество света. При идеальном качестве оптики фокусирующего устройства 7 этому условию соответствует размер диафрагмы, равный размеру дифракционного пятна.

Прошедший через выходной порт 8 преобразованный оптический сигнал направляется на быстродействующий фотоприемник 12, сигнал на который подается с помощью световода 9 или непосредственно, или с помощью иной оптической согласующей системы. Полученный импульс тока усиливается с помощью усилительной электронной системы 13 и направляется на пороговое устройство 14, которое выдает сигнал на генератор вспомогательного сигнала опознания импульса 15, включающий индикатор срабатывания порогового устройства 16, сигнал «тревога», и запускающий управляющий компьютер 17. При достаточно большой мощности источника сигнала 1 в качестве порогового устройства может использоваться нелинейно-оптический элемент, который устанавливается за выходным портом 8 и пропускает свет на фотоприемник 12 только при превышении мощности выходящего из порта 8 светового пучка некоторой заданной заранее величины. Электронное пороговое устройство 14 в этом случае исключается.

Если пропускание управляемого пространственного модулятора 6 меняется от точки к точке как некоторая функция k(x), углы считаются положительными, если они отсчитаны от нормали к поверхности управляемого пространственного модулятора по часовой стрелке, и отрицательными - против, а входной световой импульс имеет настолько малую длительность, что его можно приближенно считать (t)-функцией, то отклик фокусирующего устройства 7 и выходного порта 8 при этом пропорционален интегралу:

.

Величина W, стоящая в последнем выражении, это скорость перемещения светового пятна по поверхности управляемого пространственного модулятора 6, измеренная из точки выходного порта 8. Скорость измеряется как отношение:

,

где c - скорость света в вакууме.

Знаменатель дроби может меняться от 0 до 2 при изменении величины и знака углов, соответственно, скорость W может меняться от половины скорости света c/2 до бесконечности. Бесконечности соответствует волна, прошедшая через управляемый пространственный модулятор без отклонения; она может меняться только по амплитуде и для работы заявленной полезной модели не представляет интереса.

Интеграл вычисляется достаточно просто, пользуясь свойствами -функции:

.

Данное соотношение показывает, как происходит преобразование медленно меняющегося (или стационарного) процесса, записанного на пространственном модуляторе как зависящее от координаты пропускание k(x) в быстро меняющийся во времени сигнал. Коэффициент этого преобразования определяется эффективной скоростью W, которая может меняться от ±c/2 до бесконечности в зависимости от углов , , и медленный сигнал может быть сжат во времени в очень большой степени, например, из акустического диапазона частот преобразован в оптический диапазон и даже инвертирован во времени. Записанный на пространственном модуляторе 6 медленный акустический сигнал превращается в оптический модулированный во времени импульс длительностью не более 0,3 наносекунд (нс) и несущий полную информацию о сигнале, поступившем на вход оптического пространственного модулятора 6 от источника сигнала 21 через устройство ввода сигнала 20. Если вместо пропускающего управляемого пространственного модулятора 6 использовать состоящий из отражающих элементов, то в формуле для эффективной скорости меняется знак: W=c/(sin+sin), в том числе соответственно меняется знак и во всех приведенных ниже соотношениях.

Если заявленная полезная модель оптического процессора предназначается для опознавания определенного сигнала в потоке информации, то на входной порт 3 действует уже не отдельный ультракороткий импульс, а сложный поток информации r(t), созданный внешним источником 1 и поданный на входной порт 3. В этом случае происходит выделение корреляционным или иным линейным методом из потока информации заранее известного сигнала, записанного в виде пропускания управляемого пространственного модулятора 6 устройства.

При современном уровне техники доказано, что с помощью фемтосекундного лазера можно получить световые импульсы длительностью 2-5 фемтосекунд (фс), состоящие из одного колебания светового поля. Если не использовать амплитудную модуляцию, каждый импульс переносит 1 бит информации, и простейшие оптические устройства могут создать поток отдельных импульсов 100 Терабайт в секунду (ТБ/с). При падении такого импульса на управляемый пространственный модулятор под углом 30° ему будет соответствовать элемент модулятора шириной 5-7 мкм, эта величина соответствует состоянию современной технологии. Таким образом, заявляемая полезная модель оптического процессора при длине пространственного модулятора 25 мм обеспечивает обработку бинарного сигнала, состоящего из 4096 элементов за время 80 пикосекунд (пс). С учетом возможности применения амплитудно-модулированных сигналов (1 Байт/элемент) получаем скорость обработки информации не менее 8 Терабайт в секунду в одноканальной системе. Один и тот же образец опознаваемого сигнала в заявляемой полезной модели оптического процессора может использоваться для обработки нескольких информационных потоков, проходящих через управляемый пространственный модулятор под разными углами и при условии выполнения указанных выше требований на величину суммы (разности) синусов этих углов, что в несколько раз увеличивает приведенную выше величину скорости обработки потока информации. Заявленная модель должна быть дополнена соответствующим числом выходных портов с собственными быстродействующими фотоприемниками 12 и световодами 9. Увеличение числа пространственно-чувствительных фотоприемников 11 или переход к двумерным пространственно-чувствительным фотоприемникам необходимы в этом случае только при больших изменениях величин углов и .

Пусть источник сигнала 1 сформировал поток информации r(t), представленной в виде пучка 2 и освещающей входной порт 3 процессора. Плоская волна, сформированная устройством оптической связи 4-5 входного порта 3 с пространственным модулятором 6, например, телескопической зеркальной или линзовой системой, как это показано на Фиг.1, или одной линзой, как на Фиг.2, освещает плоский управляемый пространственный модулятор 6, коэффициент пропускания которого задается устройством усиления и обработки сигнала 21. Величина этого управляющего сигнала прямо пропорциональна амплитуде образцового сигнала, вышедшего из устройства управления 20. В итоге пропускание пространственного модулятора меняется в зависимости от координаты x как функция (x). Предполагаем вновь, что от координаты y пропускание управляемого пространственного модулятора 6 не зависит, т.е. его можно рассматривать как подобие дифракционной решетки со сложной формой профиля пропускания. В процессе прохождения волны через пропускающий управляемый пространственный модулятор 6 при дифракции происходит рассеяние излучения по углам и локальное изменение амплитуды волны в соответствии с заданной функцией (x).

Регистрация рассеянной волны осуществляется под углом к нормали, проведенной через плоскость управляемого пространственного модулятора. Это позволяет изменить наблюдаемую из направления (3 кажущуюся эффективную скорость распространения волны, частично компенсируя ее сверхсветовую величину. Для этого устанавливается высококачественное фокусирующее устройство 7 (безаберрационный объектив, например, линза), фокусирующее излучение, прошедшее под углом , и в заднем его главном фокусе помещается выходной порт 8 в виде малой диафрагмы, выделяющей центральную часть дифракционного пятна.

Полный отклик оптической системы теперь пропорционален интегралу:

.

Выберем углы освещения транспаранта и наблюдения рассеянной волны так, чтобы sin-sin=1, тогда W=c. Наблюдаемая скорость движения сигнала, поступившего на выходной порт 8, равна скорости света, координата точки пересечения фронта волны с плоскостью управляемого пространственного модулятора есть x=ct. Формула для амплитуды сигнала, наблюдаемого в точке фокуса выходного объектива (фокусирующего устройства) 7 в отверстии выходного порта 8, имеет вид:

.

Учитывая, что координата x меняется со скоростью света в вакууме, т.е. x=ct, имеем:

.

Полученный интеграл есть функция взаимной корреляции вещественных функций и r(t). В заявляемой полезной модели впервые при формировании корреляции двух сигналов используется ее амплитуда, а не огибающая волнового сигнала, с которой работают все известные одноканальные оптические корреляторы. Тем самым появляется возможность реализации оптимальной фильтрации сигналов оптического диапазона. Зависимость амплитуды волны от времени с учетом положительных и отрицательных полупериодов может быть передана хорошо известными способами: использованием дополнительно введенных в коррелятор элементов, поляризующих излучение.

Заявляемая полезная модель может выполнять другие интегральные преобразования входного сигнала, например, установив углы и так, что sin-sin=-1, на выходе получим сигнал, пропорциональный свертке двух сигналов:

.

Если при этом входной порт освещается ультракоротким импульсом, то за выходным портом 8 получим инвертированный во времени сигнал r(-t).

Описанная работа заявленной полезной модели оптического процессора показывает, что в нем имеется много возможностей преобразования сигнала, от простого умножения на постоянную или изменения масштаба входного сигнала во времени, инвертирование медленного сигнала во времени до различных типов модуляции и демодуляции входного сигнала.

Вновь подчеркнем, что рассмотренные варианты работы заявленного устройства имеют важное отличие от работы обычных оптических систем, предназначенных для информационного процессинга сигналов: они позволяют работать с сигналами, имеющими как положительные, так и отрицательные амплитуды, с последовательностями импульсных и непрерывных волновых процессов. Знак амплитуды сигнала может передаваться, как уровнем сигнала по отношению к среднему уровню, так и непосредственно. Для этого можно использовать управляемые пространственные модуляторы, поворачивающие плоскость поляризации, или изменяющие степень циркулярной поляризации (например, модуляторы на жидких кристаллах), применив во входных каналах излучение с право- и лево- вращающейся циркулярной поляризацией.

Приведенные выше формулы, описывающие действие управляемого пространственного модулятора на освещающую его световую волну, предполагают непрерывное изменение свойств модулятора вдоль одной координаты, обозначенной как x-координата. Применение такого рода модуляторов известно в устройствах-корреляторах, использующих голографические методы обработки информации, и представляющих собой двумерные пространственные фильтры, требующие механической замены при переходе от одного типа сигналов к другому. Такая замена резко снижает оперативность системы. В заявленной полезной модели для обработки потока информации применен одномерный управляемый пространственный модулятор. Непрерывное оперативное управление в такой системе может быть получено использованием акусто-оптического модулятора. Однако значительно большей оперативностью и гибкость обладают управляемые пространственные модуляторы, состоящие из дискретных элементов, присоединенные к выходу управляющего компьютера. Такие модуляторы возможно применять и в заявленном устройстве, выбирая размеры отдельных элементов из условий теоремы Котельникова-Шеннона и учитывая особенности сверхсветового распространения фронта световой волны по поверхности модулятора.

При рассмотрении процесса формирования интегрального сигнала не принималась во внимание дифракционная эффективность пространственного модулятора. Если предположить, в соответствии со сделанными выше расчетами, что сигнал имеет дискретную форму и одному элементу соответствует 6 мкм поверхности пространственного модулятора, то рассматриваемая под углом 30° система выглядит как дифракционная решетка с периодом в 1,2 раза меньшим, т.е. 5,2 мкм, или приблизительно 200 штр/мм. Рассеянное излучение должно регистрироваться под таким же углом 30°, что приводит к значительному ослаблению светового потока по сравнению с входящим сигналом. Компенсировать это ослабление можно, применив в отражательном пространственном модуляторе технику дифракционных решеток с профилированным штрихом, расположив управляемые отражающие элементы под одинаковым углом к средней поверхности модулятора. Как известно из теории и практики дифракционных решеток, в этом случае до 70-80% падающего излучения направляется в сторону «блеска» решетки.

Роль малой диафрагмы выходного порта 8 заявленного устройства может выполнять входной конец световода 9. В этом случае можно исключить светоделитель и поместить входной конец световода 9, передающего сигнал на быстродействующий фотоприемник 12, в точку заднего главного фокуса фокусирующего устройства 7, а пространственно-чувствительный фотоприемник 11 - в плоскость действительного изображения пространственного модулятора 6 относительно фокусирующего устройства 7. В этом случае реализуется схема деления пучка по фронту волны.

Как было указано, известные технологии изготовления управляемых пространственных модуляторов позволяют искривлять поверхность модулятора. Применение таких управляемых пространственных модуляторов в заявленной полезной модели оптического процессора для обработки потока информации позволяет отказаться от некоторых фокусирующих компонентов системы, упростить конструкцию и повысить механическую стабильность. При этом элементы управляемого пространственного модулятора, расположенные в разных его точках, будут иметь разную ширину, что потребует изменения технологии их изготовления.

Принципы действия и эффективность работы заявленной полезной модели были апробированы экспериментально и методами компьютерного моделирования в Санкт-Петербургском государственном университете в лазерных лабораториях кафедры оптики.

Первый эксперимент относится к реализованному преобразованию одиночного фемтосекундного импульса (длительность на уровне 1/2 максимума равна 30 фс, форма приблизительно гауссова) в цепочку равноотстоящих импульсов с интервалом между импульсами 60 фс. Преобразование осуществлялось по схеме (Фиг.2), причем элементы модулятора были снабжены микропризмами с одинаковым углом при вершине, что повышает дифракционную эффективность устройства. Результаты измерения спектрограммы полученного отклика микропризменной системы показаны на Фиг.3. Верхний график (Фиг.3,а) показывает измеренный спектр, нижний (Фиг.3,б) - расчетный, совпадение спектров подтверждает осуществленное преобразование. Для сравнения на Фиг.3(в) приведен спектр исходного одиночного импульса. Скорость распространения импульса по поверхности мультипризменного элемента модулятора на порядок превосходила скорость света и составляла (8-10) скоростей света в вакууме, т.е. (2,4-3,0) 10⁹ м/с. Эффект подтвержден для двух модуляторов с различной шириной микропризм.

Второй (модельный) компьютерный эксперимент показал возможность выделения известного сигнала из шума. Рассматривалась последовательность импульсов, скрытых потоком шумовых импульсов при среднем соотношении сигнал/шум по мощности равном единице. На (Фиг.4,а) дается исходный сигнал в смеси с аддитивным шумом (черные точки). Сигнал представляет собой единицу, заданную кодом Баркера B₁₁ и совершенно не виден в полученной смеси сигнала с шумом. Результат обработки и определения взаимно-корреляционной функции дается на том же графике (Фиг.4,а) в виде амплитуды большего размера (в оригинале - изображена красными точками, соединенными красными отрезками прямых). Малоинерционный фотоприемник, находящийся за выходным портом и реагирующий на интенсивность сигнала создает ток, приведенный на Фиг.4,б. Хорошо видно, что даже в таком сложном случае, как показанный на Фиг.4,а, обнаружение известного сигнала и его регистрация с помощью простейшего порогового устройства не представляет проблемы. Фиг.4,б хорошо показывает также, что регистрируемое с помощью светоделителя 10 и быстродействующего фотоприемника 11 положение одиночного корреляционного пика на поверхности оптического пространственного модулятора позволяет однозначно определить по сдвигу положения максимума взаимно-корреляционного сигнала момент времени в потоке информации, который соответствует положению в нем зашумленного сигнала.

Параллельно проведенное моделирование работы описанного в патенте [4] устройства, которое было принято в качестве прототипа, показало (Фиг.4,в), что его применение в таких условиях не позволяет сколько-нибудь улучшить отношение сигнал/шум и обнаружить сигнал. Причиной такого резкого различия является использование в заявленной полезной модели полных временных и амплитудно-фазовых характеристик сигнала.

Технико-экономическая эффективность заявленной полезной модели состоит в повышении производительности и расширении функциональных возможностей оптических аналоговых процессоров для опознавание сигнала в потоке информации и преобразования формы оптических импульсов короткой и предельно-короткой длительности за счет использования эффекта перемещения световых импульсов со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, а также в достижении теоретически предельной скорости обработки информации в одноканальной системе при использовании стандартных широко распространенных оптических элементов, что обеспечивает повышение быстродействия и невысокую стоимость разработки и производства управляемого аналогового оптического процессора для распознания образов в реальном времени.

Блоки 20 и 21 (Фиг.1) управления пространственным модулятором, входящие в состав заявленного устройства, могут быть выполнены методами интегральной оптики, значительно повышающими помехозащищенность и механическую стабильность устройства. Пороговое устройство может быть нелинейно-оптическим и установленным непосредственно за портом 8.

Проведенные апробации управляемого аналогового оптического процессора для распознания образов в реальном времени, сопоставительный анализ его с известными аналогами и устройством-прототипом и использование компьютерного моделирования показывают, что оно обеспечивает оптимальную обработку цифровых и непрерывных сигналов в реальном времени и дает широкие перспективы расширения его функциональных возможностей и внедрения в производство. К наиболее значимым среди них следует отнести, например, миниатюризацию заявленного устройства: возможную в интегральном исполнении, она позволит создать на основе нового устройства обучающуюся акусто-локационную систему для слепых; кроме этого, возможно эффективное его использование в системах оптической связи, в частности, для генерации и опознавания сложных сигналов и их комбинаций; для выделения сигналов из шума методами оптимальной фильтрации; для преобразования сигналов разной длительности и имеющих разный физический носитель в сигналы светового диапазона; для генерации кодированной информации и ее декодирования; для обработки сигналов эхо- и радиолокации; распознавания речи, в том числе сильно искаженной помехами и дефектами канала связи; а также медицине и других сферах деятельности, где требуется оперативная переработка потока информации в режиме реального времени.

Список использованной литературы:

1. Патент USA 6965464 (B2) «Optical processor»

2. Патента RU 2037188 «Оптический многоканальный ассоциативный коррелятор»

3. Патент USA 6934445 (B1) «Direct space-to-time pulse shaper and optical word generator»

4. Patent WO-0125849 (A2) «DIRECT SPACE-TO-TIME PULSE SHAPER AND OPTICAL PULSE TRAIN GENERATOR»(прототип)

5. G. Moddel, K.M. Johnson, W. Li, et al "High-speed binary optically addressed spatial; light modulator". Applied Phusics Letters, 1989, Vol.55, 6, p.537-539.

Управляемый аналоговый оптический процессор для распознания образов в реальном времени, содержащий источник оптических сигналов, входной порт, принимающий импульсный световой пучок, устройство оптической связи для создания плоской импульсной световой волны, которое оптически связано с пространственным модулятором с управляемыми пропускающими элементами, размещенными на одной плоскости, и расположено между входным портом и пропускающим световой пучок управляемым пространственным модулятором, фокусирующее устройство и выходной порт, отличающийся тем, что аналоговый оптический процессор для распознания образов содержит разделитель по амплитуде волны выходного пучка, расположенный между фокусирующим устройством и выходным портом, и пространственно-чувствительный фотоприемник, размещенный в плоскости изображения пространственного управляемого модулятора, созданного фокусирующим устройством, управляемый пространственный модулятор, установленный под углом к оси пучка устройства оптической связи для создания плоской импульсной световой волны и под углом к оси пучка фокусирующего устройства, которые определяются из соотношения sin-sin=1, при этом коэффициент пропускания управляемого пространственного модулятора задается устройством усиления и обработки сигнала, устройство ввода сигнала в пространственный модулятор управляется источником сигнала пространственного модулятора, за выходным портом расположен быстродействующий фотоприемник, образованный в быстродействующем фотоприемнике импульс тока усиливается с помощью усилительной электронной системы и направляется на электронное пороговое устройство, которое выдает сигнал на генератор вспомогательного кодового сигнала опознания импульса, включающий индикатор срабатывания порогового устройства, например сигнал «тревога», и запускающий управляющий компьютер.