Квантовая и оптическая электроника

281

Структурная схема системы оптической обработки сигналов приведена на рис. 12.1. Для выполнения заданного алгоритма обработки на аналоговое оптическое вычислительное устройство поступают оптические сигналы, в которых закодирована информация, выдаваемая источником информации. Преобразование электрических сигналов в оптические выполняется источником света и преобразователем входных сигналов в оптический аналог. После выполнения заданного алгоритма обработки аналоговое оптическое вычислительное устройство формирует на выходе системы распределения амплитуд и фаз света, в которых содержатся результаты обработки сигналов, поступающих от источника информации. Преобразователь выходных сигналов измеряет параметры световых сигналов, поступающих на его выход, и выдает получателю информации конечный результат обработки в необходимом виде (как правило, в виде электрических сигналов). Преобразователь входных сигналов является устройством ввода ин-

Рис. 12.1 — Структурная схема системы оптической обработки сигналов

формации в оптическую обрабатывающую систему, поэтому требования к нему во многом зависят от тех требований, которые предъявляются к системе обработки информации. Так, например, при обработке оптической системы, предназначенной для обработки сигналов, поступающих на антенную решетку, требования к устройству ввода будут определяться характеристиками РЛС: дальностью обнаружения, разрешающей способностью системы по направлению, полосой пропускания, динамическим диапазоном обрабатываемых сигналов, быстродействием. Таким образом, устройство ввода должно быть многоканальным (50–100 каналов), иметь высокую чувствительность, широкую полосу пропускания (десятки МГц), идентичные характеристики отдельных каналов, низкий уровень собственных шумов, большой динамический диа-

282

пазон обрабатываемых сигналов (не менее 40 дБ). В качестве устройств ввода применяются различные типы пространственновременных модуляторов света, принцип работы которых основан на взаимодействии света с динамическими неоднородностями, реализуемыми различными физическими эффектами в твердых и

жидких веществах.

Оптические методы обработки информации. В решении пробле-

мы эффективной обработки больших массивов информации особый интерес представляют оптические методы. Это обусловлено исключительно высокой информационной емкостью светового поля как переносчика информации, высокой скоростью распространения оптических сигналов и легкостью осуществления целого ряда интегральных операций над двумерными массивами информации. Потенциальные возможности оптических методов обработки информации позволяют надеяться в будущем на существенный прогресс в развитии вычислительной техники.

Наряду с применением оптических и оптоэлектронных элементов в средствах дискретной счетно-решающей техники в последние годы интенсивно развиваются аналоговые оптические методы и средства обработки информации, в основе которых лежат явления переноса информации пространственно-модулиро-ванным волновым полем и дифракции света.

В отличие от оптоэлектронных устройств ЦВМ, где параллельная обработка информации может осуществляться за счет пространственной дискретизации, в аналоговых оптических вычислительных устройствах она реализуется естественным образом при эквивалентном числе каналов, определяемом разрешающей способностью оптической системы и используемого носителя информации. Так, например, при размере обрабатываемого транспаранта 24´24 мм, записанного на носителе с разрешающей способностью 100 мм –1 (легко реализуемый случай), эквивалентное число параллельных каналов составит 5,76×106.

Эффективность обработки информации с помощью оптических методов можно проиллюстрировать на примере осуществления преобразования Фурье. Как известно, операция двумерного Фурье-преобразования над когерентным оптическим сигналом осуществляется обыкновенной сферической линзой за время, рав-

283

времени распространения света в оптической системе, т.е. за сек при оптической длине анализатора в 30 см. Если учесть, что в 1 см2 носителя может содержаться до 109 бит информации (при разрешающей способности носителя 3000 мм–1 ), то потенциальная производительность такого аналогового оптического анализатора составит 1018 бит/сек×см2. Это на много порядков превы-

шает производительность самых совершенных ЭЦВМ.

На практике скорость обработки информации ограничивается скоростью ввода и вывода информации, а не временем обработки оптических сигналов. Однако и с учетом ограничений быстродействия, связанных с вводом и выводом информации, аналоговые оптические вычислительные устройства все же оказываются намного более производительными, чем ЭЦВМ (приблизительно на 4 порядка).

Аналоговая оптическая обработка информации может быть реализована с помощью как когерентных, так и некогерентных световых полей. Аналоговые оптические вычислители, использующие некогерентный свет, непосредственно оперируют с интенсивностью светового поля, а фазовая модуляция в таких системах может быть осуществлена только косвенным образом. Они конструктивно просты, но решают сравнительно узкий круг задач, связанных с обработкой главным образом одномерных сигналов (спектральный и корреляционный анализ и некоторые другие операции). Когерентные оптические системы обработки информации оперируют с амплитудами и фазами светового поля. Эти системы более гибкие и позволяют решать широкий круг задач по обработке двумерных комплексных функций, задаваемых в виде некоторого распределения амплитуд и фаз светового поля. Однако они конструктивно сложнее, чувствительны к механическим воздействиям и предъявляют более жесткие требования к качеству оптических элементов, пространственно-временным модуляторам (управляемым транспарантам) и источникам света. Следует отметить, что почти все математические операции над оптическими сигналами, реализуемые в когерентном свете, могут быть выполнены и в некогерентном свете, однако степень сложности практической реализации будет зависеть от вида операции, т.е. решаемой задачи. Так, например, операция двумерного Фурье-преобразования в

284

когерентном свете реализуется исключительно просто, а в некогерентном свете необходимо использовать серию масок, число которых зависит от требуемой точности выполнения операции.

Принцип аналоговой оптической обработки информации с помощью когерентных световых полей. Интерес к примене-

нию оптических методов в аналоговой вычислительной технике обусловлен тем фактом, что любая оптическая система по своей природе является аналоговым устройством обработки информации, поступающей на ее вход в виде светового поля, модулированного в пространстве и во времени.

Обобщенная структурная схема аналоговой когерентной оптической системы обработки информации приведена на рис. 12.2 и включает в себя оптический квантовый генератор ОКГ, расширитель пучка 7, устройство ввода информации 2, аналоговое оптическое вычислительное устройство 3, устройство вывода информации 4, запоминающее устройство 5.

Устройство ввода осуществляет пространственную модуляцию сформированной расширителем пучка плоской монохроматической волны по амплитуде, фазе или поляризации в соответствии с обрабатываемыми сигналами, поступающими на его вход. Основной задачей устройства ввода является преобразование подлежащих обработке сигналов в когерентные оптические сигналы (поля). Обрабатываемые сигналы могут иметь различную физическую природу, однако обычно они преобразуются либо в электрические, либо в оптические. В первом случае устройство ввода должно иметь электронный вход и оптический выход, а во втором

—оптический вход и оптический выход.

Рис. 12.2 — Структурная схема аналоговой оптической системы обработки информации

285

Аналоговое оптическое вычислительное устройство осуществляет над сформированным когерентным оптическим сигналом требуемую математическую операцию. Результат обработки в общем случае представляет собой некоторую световую картину. Устройство вывода преобразует результат вычисления в электрический сигнал для трансляции в ЭЦВМ (или иное электронное устройство) или регистрирует на светочувствительный носитель (например, фотопленку).

Когерентные аналоговые оптические вычислительные устройства позволяют относительно просто выполнять следующие математические операции над функциями двух переменных: умножение, интегрирование, сложение и вычитание, преобразование Фурье, свертку, взаимную корреляцию, дифференцирование, преобразования Гильберта, Френеля и др.

Перечисленные операции могут быть реализованы различными способами. Обычно используют разного рода маски, с помощью которых осуществляют пространственную модуляцию поля по требуемому закону, или голограммы. Запоминающее устройство (оптическое или голографическое) служит для хранения требуемого набора эталонных масок или голограмм и является обязательным элементом оптико-электронных информационно-поис-ковых систем и многофункциональных аналоговых оптических вычислительных устройств.

Можно показать, что даже на основе двух базовых операций — умножения и преобразования Фурье, которые проще всего реализуются в оптике, возможно выполнить широкий класс операций по обработке информации: операцию свертки, дифференцирование, интегрирование с весом, преобразования Френеля, изменение масштаба аргумента функции, восстановление функции из ее спектральной плотности, сложение и вычитание и другие.

Когерентные аналоговые оптические вычислители обладают следующими основными достоинствами.

1. Обеспечивают возможность параллельной обработки больших массивов информации благодаря своей двухмерности и чрез-

286

вычайно высокой информационной емкости светового поля и используемого носителя.

2. Обеспечивают высокую скорость выполнения операций, не зависящую от степени их сложности, которая практически ограничивается скоростью ввода-вывода информации, а не скоростью собственно обработки, определяемой временем прохождения света от входа до выхода системы.

Хотя в целом аналоговые оптические вычислители уступают ЦВМ по точности вычисления, однако благодаря быстроте вычислений, простоте аппаратуры и ее обслуживания, отсутствию необходимости программирования они оказываются более эффективными при решении ряда практических задач. Чаще всего эти задачи связаны с выполнением операций спектрального и корреляционного анализа над двумерными комплексными функциями. Решение их на ЭЦВМ сопряжено со значительными затратами машинного времени и потому не всегда экономически оправдано. В некоторых частных случаях оптические методы обработки не уступают электронным по точности и даже превосходят их.

Следует отметить, что в значительной части задач обработки информации эвристического типа не требуется высокой абсолютной точности промежуточных вычислений. В частности, в задачах опознавания изображений, где оптическими методами осуществляется формирование корреляционного поля анализируемых изображений, важна не абсолютная точность вычислений кросскорреляционных функций, а обеспечение требуемого относительного превышения максимума сигнала опознавания над фоном.

Оптические методы обработки информации, несмотря на их еще короткую историю развития, находят уже достаточно широкое применение в вычислительной технике, кибернетике, радиотехнике, радиолокации и связи, экспериментальной физике, астрономии, метеорологии и геофизике, машиностроении и приборостроении, криминалистике, микроэлектронике, медицине, биологии, биофизике и др.

В настоящее время развитие методов и средств оптической обработки информации идет по пути создания специализированных аналоговых оптических вычислительных устройств для решения широко-

289

−∞ −∞

востальной области

∞∞

∫ ∫ f (x, y) ×d(x - xo , y - yo )dxdy = f (xo , yo ) .

−∞ −∞

Согласно законам геометрической оптики сферическая линза преобразует распределение освещенности в виде δ -функции в равномерную освещенность плоскости L. Если сравнить этот хорошо известный экспериментальный факт с выражением для преобразования Фурье δ -функции, то можно сделать важный вывод:

x2 y2

Рис. 12.4 — Преобразование Фурье в оптический системе

идеальная сферическая линза обладает свойством выполнять преобразование, аналогичное преобразованию Фурье.

Рассмотрим, как осуществляется это преобразование, на примере оптической системы, изображенной на рис. 13.4.

Примем следующие допущения: в системе не происходит поглощения и отражения электромагнитной энергии; система не имеет аберраций.

Предположим, что в передней фокальной плоскости P1 линзы Л расположен транспарант с коэффициентом прозрачности

290

S (x1, y1 ) = So (x1, y1 ) ×e j×q( x1, y1 ) .

Обозначим когерентную монохроматическую световую волну, распространяющуюся в направлении z и освещающую оптическую систему Eo exp(i ×w×t) . Используя положение геометрической оптики, мы можем считать, что заданное пространственное распределение коэффициента прозрачности является модулирующей функцией для световой волны Eo exp(i ×w×t) . На выходе такого модулятора комплексное распределение амплитуды светового поля можно записать в следующем виде

Найдем распределение амплитуды светового поля на выходе оптической системы — задней фокальной плоскости линзы Л. Эта линза с апертурой D будет осуществлять суммирование дифрагированной энергии в фокальной плоскости. Для оценки результата такого суммирования для некоторого направления V необходимо найти выражение для фаз дифрагированной энергии во всех точках плоскости, перпендикулярной направлению V1, и выразить его через координату плоскости x1, y1. При этом будем считать, что плоская волна, падающая на линзу Л, образует с её осью очень малый угол. В общем виде уравнение плоскости, перпендикулярной направлению V, имеет вид

a1 × x1 + b1 × y1 + c1 × z1 = 0 ,

где а1, b1, с1 — направляющие косинусы плоскости, перпендикулярной направлению V. Тогда расстояние от точки в плоскости Р1 до этой плоскости равно

D2 = a1 × x1 + b1 × y1 ,

следовательно, для фаз дифрагированной энергии можно написать q = q(x1, y1) + 2l× p × D2 = q(x1, y1) + 2l× p ×(a1 × x1 + b1 × y1 ) , (12.7)

где λ — длина волны света.

Далее определяется положение точки суммирования дифрагированной энергии, определяемое значениями Аi, Вi, Сi, пользуясь тем, что свет в направлении V, проходящий через центр оптической системы, не отклоняется от своего направления. Если расстояние от центра линзы до этой точки равно R, то