Оптоэлектронная гибридная вычислительная система.

 

Основные достоинства когерентных оптических процессоров в сравнении с электронными обусловлены параллельностью работы и возможностью осуществлять сложные двумерные операции типа комплексного преобразования Фурье, корреляции и свертки, которые лежат в основе методов решения важных прикладных задач. Аналоговые оптические процессоры особенно эффективны в системах обработки изображений, поскольку для них изображение является естественным двумерным операндом, а основные операции обработки изображений - преобразование Фурье и пространственная фильтрация - осуществляются за один такт работы. Поэтому оптическая обработка изображений методами пространственной фильтрации находит все более широкое применение в задачах распознавания и идентификации образов, анализа изображений земной поверхности, полученных при аэрофотосъемке, анализа движения облаков и воздушных масс по изображениям, полученным с метеорологических спутников. Однако оптические процессоры в настоящее время еще не обладают эффективными логическими средствами и оперативными устройствами ввода - вывода данных. Поэтому техническая реализация оптических методов обработки информации осуществляется путем создания оптоэлектронных гибридных вычислительных систем (ГВС). В состав оптоэлектронной ГВС входит цифровой электронный процессор, который обеспечивает ввод - вывод данных, программное управление процессом обработки, а также цифровую обработку и когерентный аналоговый оптический процессор, выполняющий основные операции по паралелльной обработке двумерного потока данных. Одной из основных функций оптического, процессора в ГВС является сжатие информации, благодаря чему существенно облегчается задача согласования скоростей обработки данных в оптическом и электронном процессорах.

Структура оптоэлектронной ГВС представлена на рис. 4.8. В оптический процессор ГВС информация поступает из видеоканала 18, кинопленки 10 через преобразователи 11, 12 из аналоговой памяти 7, оперативной или внешней цифровой памяти 8 электронного процессора 9. Входная информация загружается через блоки сопряжения 16, 17 и канал данных 15 в устройство ввода 2, которое представляет собой матричный пространственный модулятор света. Далее информация вносится в коллимированный световой пучок и поступает в оптическую систему процессора для фильтрации.

Рис.4.8. Структура оптоэлектронной ГВС.

 

Операционные фильтры могут быть записаны на обычную фотопластинку или оперативный носитель в виде библиотеки стандартных фильтров, а также синтезированы в процессе обработки информации. Библиотека стандартных фильтров записывается в виде двумерной матрицы подобно матрице фурье-голограмм ГЗУ.

Спектр входного сигнала направляется на нужный операционный фильтр с помощью дефлектора, управляющего излучением лазера 1. В спектральной плоскости оптического процессора может храниться до 10² и более операционных фильтров, предназначенных для выполнения стандартных операций. Необходимость синтеза операционного фильтра в реальном масштабе времени возникает часто, например при осуществлении согласованной фильтрации. Поэтому для записи операционных фильтров, синтезируемых электронным процессором, требуются оперативный носитель 8 и устройство, производящее запись в электронном масштабе времени. Вывод информации осуществляется как в выходной, так и в спектральной плоскости оптического процессора. Для этой цели используются интегральные фотоматрицы 4 и 14. Можно воспользоваться также и обычными видиконами. Информация с выхода этих устройств передается на цифровой электронный процессор для логического анализа, выработки дальнейших управляющих сигналов и отображения результатов.

Результаты обработки могут быть переданы в аналоговую или цифровую память для хранения, отображены на дисплее 5 и выведены на печать 6. Необходимо отметить, что выходные детекторы 4 и 14 способны зарегистрировать только интенсивность падающего на них светового поля. Амплитуду и фазу выходного сигнала следует определять из известных характеристик опорного пучка путем смещения его с выходным сигналом и детектирования суммарного поля. Амплитуда и фаза выходного сигнала при этом могут быть выделены из суммарного сигнала с помощью цифровых методов восстановления на электронном процессоре.

Технический прогресс в создании оптоэлектронных ГВС до недавнего времени был незначительным главным образом из-за отсутствия эффективных и доступных оперативных устройств ввода информации и синтеза операционных фильтров. В настоящее время созданы устройства ввода как с оптическим, так и с электрическим входом. Устройство работает следующим образом. Управляемый электронный луч записывает потенциальный рельеф на поверхности мишени - электрооптического кристалла KD₂PO₄ размерами 50 х 50 х О,25 мм. Этот рельеф изменяет оптические свойства кристалла в соответствии с линейным продольным электрооптическим эффектом и приводит к пространственной модуляции проходящего когерентного светового пучка по амплитуде и фазе. Устройство позволяет осуществить ввод растра размером 10³ х 10³ точек с контрастностью 60: 1 со скоростью 30 кадров/с или 30 Мбит/с. Оперативный режим работы модулятора достигается путем использования дополнительной электронной пушки с широким пучком, снимающим поверхностный заряд с кристалла. В целом оптоэлектронная ГВС представляет собой высокопроизводительную и эффективную систему, предназначенную для решения трудоемких задач специального назначения. Оптоэлектронные ГВС особенно эффективны при обработке изображений, распознавании или идентификации образов (символов), а также при экспрессном решении краевых задач математической физики из различных областей техники.