оптическое цифровое устройство для перемножения матриц

Формула изобретения

1. Оптическое цифровое устройство перемножения матриц, содержащее блок ввода матрицы-множимого, вход которого является входом множимого устройства, и блок ввода матрицы-множителя, первый вход которого является входом множителя устройства, отличающееся тем, что в него введены спектрально-смесительный блок, спектрально-разделительный блок, блок разведения изображений, блок оптических преобразователей и блок суммирования, причем выход блока ввода матрицы-множимого через последовательно расположенные и оптически связанные спектрально-смесительный блок и спектрально-разделительный блок оптически связан с вторым входом блока ввода матрицы-множителя, выход которого через последовательно расположенные и оптически связанные блок разведения изображений, блок оптических преобразователей оптически связан с входом блока суммирования, выход которого является выходом устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок ввода матрицы-множителя выполнен в виде спектральной матрицы излучательных элементов, причем каждая линейка излучательных элементов этой матрицы имеет свою определенную спектральную составляющую матрицы, отличную от всех остальных.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что спектрально-смесительный блок выполнен в виде матрицы оптически связанных волоконных объединителей и разветвителей.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что спектрально-разделительный блок состоит из последовательно расположенных и оптически связанных линейчатого растра дифракционных решеток и оптического анаморфозного узла.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок разведения изображений состоит из спектрально-разделительного поликубического узла, на каждом выходе которого расположен проекционный узел.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в оптических, оптоэлектронных и электронных вычислительных и поисковых системах для перемножения двух матриц в цифровой двоичной форме.

Известно оптическое устройство для умножения квадратных матриц картин-изображений, содержащее когерентный источник света, матричные транспаранты, светоделитель, картинные логические элементы И, элементы разложения строки и столбца, множительный картинный блок и выходной накапливающий сумматор.

Основными недостатками данного устройства являются относительно невысокая его надежность, точность и невозможность выполнения вычислений в парафазном двоичном коде.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является оптическое устройство для вычисления произведения трех матриц, содержащее блок ввода матрицы-множимого, вход которого является входом множимого, и блок ввода матрицы-множителя, первый вход которого является входом множителя.

Основным недостатком данного устройства является относительно невысокие точность вычисления и производительность.

Техническим результатом является повышение точности вычислений и производительности устройства.

Это достигается тем, что в оптическое цифровое устройство перемножения матриц, содержащее блок ввода матрицы-множимого, вход которого является входом множимого, и блок ввода матрицы-множителя, первый вход которого является входом множителя, введены спектрально-смесительный блок, спектрально-разделительный блок, блок разведения изображений, блок оптических преобразователей и блок суммирования, причем выход блока ввода матрицы-множимого через последовательно расположенные и оптически связанные спектрально-смесительный блок и спектрально-разделительный блок оптически связан с вторым входом блока ввода матрицы-множителя, выход которого через последовательно расположенные и оптически связанные блок разведения изображений и блок оптических преобразователей оптически связан с входом блока суммирования, выход которого является выходом устройства,

а также тем, что блок ввода матрицы-множимого выполнен в виде спектральной матрицы излучательных элементов, причем каждая линейка излучательных элементов этой матрицы имеет свою определенную спектральную составляющую матрицу, отличную от всех остальных,

а также тем, что спектрально-смесительный блок выполнен в виде матрицы оптически связанных волоконных объединителей и разветвителей,

а также тем, что спектрально-разделительный блок состоит из последовательно расположенных и оптически связанных линейчатого растра дифракционных решеток и оптического анаморфозного узла,

а также тем, что блок разведения изображений состоит из спектрально-разделительного поликубического узла, на каждом выходе которого расположен проекционный узел,

а также тем, что блок оптических преобразователей состоит из оптических преобразователей, каждый из которых содержит узел волоконных разветвителей, узел волоконных объединителей, фотоприемный узел, излучательный узел и узел электронных инверторов, причем вход узла волоконных разветвителей является входом блока оптических преобразователей, выходом которого является выход узла волоконных объединителей, первый вход которого оптически связан с первым выходом узла волоконных разветвителей, второй выход которого через последовательно расположенные и электрически связанные фотоприемный узел, узел электронных инверторов и излучательный узел оптически связан с вторым входом узла волоконных объединителей.

Технических решений с совокупностью признаков, сходной с совокупностью отличительных признаков изобретения, не имеется.

Сравнение предлагаемого устройства с известными говорит о соответствии его критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков предлагаемого устройства говорит о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Данная совокупность существенных признаков и связей между ними позволяет получить устройство, обладающее в 10² 10⁴ раз большей производительностью и точностью вычислений по сравнению с известными устройствами и прототипом.

Таким образом, предложенное устройство обладает свойствами, не присущими известным устройствам. Это объясняется новой совокупностью существенных признаков и новыми связями.

В виду того, что предложенное техническое решение по сравнению с известными выполняет оптическими методами операцию перемножения матриц в цифровой форме за один такт ввода информации, значительно повышаются быстродействие, производительность и точность вычислений, а также обеспечивается компактность конструкции устройств.

На фиг. 1 приведена функциональная схема оптического цифрового устройства перемножения матриц; на фиг. 2 схема блока разведения изображений, блока оптических преобразователей и блока суммирования; на фиг. 3 блок-схема блока управления.

Оптическое цифровое устройство перемножения матриц содержит блок ввода матрицы-множимого 1, спектрально-смесительный блок 2, спектрально-разделительный блок 3, блок ввода матрицы-множителя 4, блок разведения изображений 5, блок оптических преобразователей 6, блок суммирования 7 и блок управления 8, который имеет входы 9-1, 9-2 и четыре выхода 10-1.10-4.

Блок ввода матрицы-множимого 1 предназначен для ввода матрицы-множимого в устройство в виде световых пучков, например, таким образом, чтобы каждый столбец матрицы отображался оптическими сигналами с одной и той же длиной волны, отличной от длины волн оптических сигналов, на которых отображаются остальные столбцы в устройстве, и преобразует, например, входные электрические сигналы в оптические. Блок 1 может состоять, например, из линеек лазерных диодов, каждая из которых излучает на своей определенной длине волны.

Спектрально-смесительный блок 2 предназначен для спектрального смещения оптических сигналов, отображающих элементы каждой отдельной строки матрицы-множимого, и представления каждой строки в виде того же количества, но уже многоволновых (многоцветных) оптических сигналов. Блок 2 может быть выполнен, например, в виде матрицы волоконно-оптических или интегрально-оптических объединителей, спектрально объединяющих оптические сигналы каждой отдельной строки в соответствующий многоволновой (многоцветный) оптический сигнал, и матрицы световодных разветвителей, которая размножает полученный многоволновой (многоцветный) оптический сигнал на число элементов в строке матрицы-множителя.

Спектрально-разделительный блок 3 предназначен для разделения многоволновых (многоцветных) оптических сигналов, отображающих каждую строку матрицы-множимого, на составляющие ее строки одноволновых (одноцветных) оптических сигналов и разделения их в пространстве. Блок 3 может быть выполнен, например, из линейчатого растра дифракционных решеток, расположенного в главной плоскости первого цилиндрического объекта и второго цилиндрического объекта, находящегося с первым взаимно в фокальных плоскостях друг друга.

Блок ввода матрицы-множителя 4 предназначен для модуляции оптических сигналов матрицы-множимого в соответствии с сигналами, отображающими матрицу-множитель, и может быть выполнен, например, в виде пространственно-временного модулятора света на основе жидких кристаллов или электрооптического кристалла, на выходе которого расположен растр цилиндрических линз.

Блок разведения изображений 5 предназначен для разделения в пространстве изображений, формируемых на выходе блока 4, и формирования из них полноразмерных изображений. Блок 5 может состоять, например, из (фиг. 2) светоделительной поликубической системы 11, каждый куб которой селективно пропускает или отражает часть входных пучков, переносящих отдельные изображения, и проекционных цилиндрических систем, на выходе которых может быть расположен узел связи, например жгут волоконных световодов 12.

Блок оптических преобразователей 6 осуществляет оптическое преобразование оптических сигналов, поступающих в него с блока 4 следующим образом. Оптические сигналы парафазных единиц и нулей проходят через блок 6 без изменений; при отсутствии оптического сигнала с парафазных ячеек блока 4 блок 5 создает на соответствующих своих выходах оптические сигналы парафазных нулей. Блок 6 может состоять, например, из оптических преобразователей 6-1, 6-2, 6-3. каждый из которых состоит, например, из волоконного разветвителя, первый выход которого оптически связан с первым входом волоконного объединителя, второй вход которого через последовательно расположенные и связанные матрицу излучателей, матрицу инверторов и фотоприемную матрицу оптически связан с вторым выходом разветвителя.

Блок суммирования 7 предназначен для сложения матриц и может состоять, например, из (фиг. 2) оптических сумматоров 13 и узлов связи 4, выполненных, например, из призм или жгутов волоконных световодов.

Блок управления 8 обеспечивает работу оптического цифрового устройства перемножения матриц и может состоять, например, из (фиг. 3) канала ввода 15, генератора синхроимпульсов 16, буферного накопителя 17, формирователя управляющих сигналов 18, буферного накопителя 19, формирователей управляющих сигналов 20, 21, 22.

Оптическое цифровое устройство перемножения матриц работает следующим образом.

По команде генератора синхроимпульсов 16 из канала ввода 15 ixj (i 1,2,3, m, а j=1,2,3,n) элементов матрицы-множимого через буферный накопитель 17 и формирователь управляющих сигналов 18 поступают на блок матрицы-множимого, например, в виде электрических сигналов. Блок 1 преобразует электрические сигналы в оптические, например, таким образом, чтобы каждому j-му столбцу матрицы соответствовал j-ый столбец оптических сигналов, отображающий элементы j-го столбца матрицы на одной и той же длине волны _j отличной от длин волн, на которых отображаются остальные (j-1)-е столбцы. Причем эти оптические сигналы отображают элементы матрицы например, в парафазном коде.

По команде генератора 16 из канала ввода 15 jxi элементов матрицы множителя через буферный накопитель 19 и формирователь 20 поступают на блок ввода матрицы-множителя, например, в виде электрических сигналов и отображаются, например, на его пространственно-временном модуляторе света в парафазном коде.

Вычисление произведения двух матриц с размерностью mxn, представленных в парафазном коде, осуществляется по формуле (1) за один такт ввода данных. При этом каждая j-я матрица-слагаемое формулы (1) отображается на своей определенной _j-ой длине волны.

Световые оптические сигналы блока 1, отображающие каждую i-ю строку матрицы , объединяются спектрально-смесительным блоком 2 в единый n-цветный сигнал, который этим же блоком 2 размножается на n многоцветных сигналов, каждый из которых одновременно отображает все n элементов i-ой строки матрицы . Полученная таким образом матрица многоцветных оптических сигналов поступает на спектрально-разделительный блок 3.

Многоцветные оптические сигналы, отображающие строки этой вспомогательной матрицы, разлагаются, например, линейчатым растром дифракционных решеток на составляющие строки одноцветных пучков, которые оптической системой блока 3, состоящей, например, из цилиндрических объективов, направляются под разными углами на вход блока ввода матрицы-множителя 4. Причем эти сигналы направляются таким образом, чтобы строки световых пучков, имеющих одну и ту же длину волны под разными углами, проходили через одну и ту же соответствующую строку пространственно-временного модулятора света блока 4. Таким образом осуществляется одновременное оптическое умножение строк вспомогательной матрицы на все строки матрицы-множителя, отображенные на модуляторе блока 4. Причем оптические сигналы, отображающие эти произведения, разделены в пространстве, и коллимирующий растр цилиндрических линз блока 4 формирует одновременно на его выходе все матрицы-слагаемые формулы (1).

Блок разведения изображений 5 разводит в пространстве входные изображения этих матриц-слагаемых и формирует из них полноразмерные изображения, направляя на соответствующий вход блока 6.

На входе блока оптических преобразователей 6 в информационных позициях матриц-слагаемых либо присутствуют оптические сигналы парафазных нулей и единиц, соответствующие произведениям парафазных двоичных знаков "0" х "0" и "1" х "1", либо оптические сигналы отсутствуют в позициях, соответствующих перемножению парафазных знаков "0" х "1" и "1" х "0". Каждый преобразователь блока 6 пропускает оптические сигналы парафазных нулей и единиц без изменений, а в информационных позициях матриц-слагаемых, в которых отсутствуют оптические сигналы, создает оптические сигналы парафазных нулей.

Полученные изображения матриц-слагаемых одновременно попарно поступают на соответствующие входы сумматоров 13 блока 7, которые производят суммирование всех n матриц за p тактов, причем p=log₂n. Следует отметить, что после первого такта сложения в устройство могут быть введены новые матрицы-сомножители, т. е. устройство может работать в конвейерном режиме, за счет чего достигается его высокая производительность.

Использование предлагаемого оптического цифрового устройства перемножения матриц позволит в 10² 10⁴ раз повысить производительность и точность вычислений такого рода устройств.

Таким образом, предложенное устройство обладает свойствами, не присущими известным устройствам. Это объясняется новой совокупностью существенных признаков и новыми связями и позволяет достигнуть заданного технического результата.

Произведение двух матриц вычисляется согласно выражению



Результирующую матрицу можно представить в виде суммы матриц следующим образом:



По этой формуле (1) и производит вычисление произведения двух матриц оптическое цифровое устройство перемножения матриц.