Media-security

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЦЕССОРОВ,

ПРИБОРОВ И АВТОМАТОВ С ГОЛОГРАФИЧЕСКИМ КОДИРОВАНИЕМ

Г.В.Жусь, И.В.Кирющева, В.Л.Рабинович

На примере экспериментального периферийного голографического процессора показывается, что использование голографического кодирования когерентных световых полей объектов контроля и управления, в сочетании со сверхоперативным запоминанием и логической обработкой результатов кодирования, позволяет сократить до минимума набор элементов, необходимых для построения оптоэлектронных процессоров, приборов и автоматов, а также ослабить требования, предъявляемые к этим элементам.

Состав или структура оптоэлектронных систем или приборов могут сильно меняться в зависимости от их назначения, а также от характера источника и получателя информации. Так, например, в простой голографической системе получатель информации видит объемное восстановленное изображение при освещении опорной волной голограммы, зафиксированной в виде сложной интерференционной картины на накопительной пластине со светочувствительной средой. Эта пластина и выполняет роль воспринимающего и кодирующего устройства. В то же время, в случае голографического процессора могут быть использованы все или почти все элементы обобщенной структурной схемы параллельной светоинформационной системы (рис.1).

Сейчас еще нет точного описания минимального необходимого набора элементов параллельной светоинформационной системы с голографическим кодированием и еще не сформированы требования к ее элементам, т.к. тлеется лишь первый опыт создания экспериментальных голографических систем и приборов /1,2/. Ясно только,

Рис.1. Обобщенная структурная схема параллельной светоинформационной системы:

I - источник света. Лазер с дефлектором света, светодиодная или лазерная матрица; II - источник информации. Объект, временной или пространственно-временной модулятор света, электрически управляемый транспарант; III - фотонный канал. Среда, лазерная или волоконно-оптическая линия связи; IV - кодер источника. Линзовое, голограммное или волоконно-оптическое кодирующее устройство, оптический дискретный фильтр; V - фотоприемник. Оптически управляемый транспарант или процессорная матрица с оптическим вводом-выводом информации, фотоприемная матрица, накопительная пластина с реверсивной светорегистрирующей средой; VI - канал связи. Электрическая, лазерная или волоконно-оптическая многоканальная линия связи с кодерами и декодерами каналов; VII - декодер источника. Устройство ввода и отображения информации, управляемый транспарант дисплей; VIII - получатель информации. Человек, робот или ЭВМ; IX - устройство управления. Блок управления с микропроцессором или микро-ЭВМ, интерфейс связи и управления.

что набор элементов должен обладать "логической полнотой", а также всеми коммутационными свойствами, необходимыми для стыковки и связи элементов между собой, с объектами контроля и управления и с получателем информации, в качестве которого может быть управляющая ЭВМ, робот или человек. В качестве примера рассмотрим минимальный набор элементов, необходимый для построения периферийного голографического процессора, выполняющего следующие функции:

- восприятие и эффективное голографическое кодирование когерентных световых полей объектов контроля и управления в реальном режиме времени;

- параллельное сверхоперативное запоминание и предварительная логическая обработка результатов кодирования, полученных в оптике;

- автоматическая градуировка (тарировка) кодирующих устройств по эталону, опознавание объекта контроля и управления, а также адаптация к изменяющимся условиям на объекте и в окружающей среде;

- помехоустойчивое кодирование и передача полученных данных к управляющей вычислительной машине, включая и преобразование параллельных кодов в последовательный помехоустойчивый код.

Сущность голографического кодирования сводится к согласованной фильтрации световых полей объекта контроля и управления с помощью наложенных кодовых голограмм и к восстановлению при этом светового кода числа, характеризующего положение и состояние объекта в реальном масштабе времени. Перед таким кодированием ведут последовательную запись большого числа наложенных кодовых голограмм на одну накопительную пластину со светочувствительной средой, для чего опорные волны кодируют цифровыми кодами чисел, соответствующих последовательным состояниям эталонного объекта, в качестве которого может служить сам кодируемый объект, дискретно смещаемый или деформируемый в процессе градуировки (тарировки) кодирующего устройства /3/.

В результате такого голографического кодирования может быть осуществлено не только опознавание объектов, но и выделена полезная информация об их положении в пространстве и состоянии.

В работах /4,5/ показано, что эффективное многомерное кодирование световых полей в оптическом звене информационной системы позволяет значительно сжать объем многомерных сообщений и выделить из них только одну полезную информацию, необходимую и достаточную для решения поставленной задачи контроля и управления. Такое эффективное кодирование позволяет не только снизить потери полезной информации и повысить точность и быстродействие информационной системы, но и значительно ослабить требования к последующим ее звеньям. Если еще результаты оптического кодирования подвергнуть сверхоперативному запоминанию и предварительной параллельной логической обработке, то появится возможность согласования входного оптического звена системы с ее последующими звеньями за счет обмена одних информационных параметров на другие, кроме того, в этом случае удастся выделить целый ряд логических операций, учитывающих изменение ситуации в контролируемой зоне и исключающих грубые ошибки, возникающие, например, из-за действия сильных световых помех или турбулентностей воздушной среды в канале связи с объектом. В частности, большая часть ошибок измерений может быть устранена в результате оперативной градуировки системы по эталону перед каждым измерением.

И, наконец, помехоустойчивое кодирование сжатых сообщений о состоянии контролируемого объекта позволит внести в них некоторую избыточность и тем самым в значительной мере ослабить влияние помех и искажений, действующих в канале связи с управляющей вычислительной машиной.

Как видно из структурной схемы, приведенной на рис.2, периферийный голографический процессор состоит из нескольких универсальных процессорных матриц - ПМ, состыкованных с голографическими кодирующим и запоминающим устройствами - ГКУ и ГЗУ. Интерфейс связи и управления - ИСУ также собран на процессорной матрице.

Универсальная процессорная матрица представляет собой опто-электронную многофункциональную БИС, выполненную в виде интегрального блока ячеек однородной структуры с оперативной памятью, перестраиваемой логикой и оптическим вводом-выводом информации.

Рис.2. Структурная схема периферийного голографического процессора:

1 - объект контроля и управления; 2 - голографическое кодирующее устройство - ГКУ; 3 - процессорная матрица - ПМ; 4 - интерфейс связи и управления - ИСУ; 5 - лазер; 6 - управляемый транспарант; 7 - голографическое запоминающее устройство - ГЗУ.

Процессорная матрица выполняет функции фотоэлектрического преобразования изображений и страниц измерительной и управляющей информации, сверхоперативного полупроводникового ЗУ и параллельного устройства логической обработки измерительной информации, поступающей из ГКУ по одной из программ, хранящихся в ГЗУ. Кроме того, процессорная матрица выполняет функции усиления и коммутации оптических сигналов, получаемых в процессе обработки информации.

Кроме основной роли процессора, универсальная процессорная матрица должна выполнять роль управляемого транспаранта - УТ, а также роль фотоприемной матрицы и оптического коммутатора

интерфейса связи и управления.

Голографическое кодирующее устройство - ГКУ представляет собой набор голографических согласованных фильтров в виде суперпозиции большого числа наложенных кодовых голограмм, последовательно записываемых в процессе градуировки на одну накопительную пластину со светочувствительной средой. При записи наложенных голограмм для кодирования опорной волны используется управляемый транспарант, на котором последовательно по командам ИСУ набираются матричные коды чисел, характеризующих состояние объекта контроля или его эталона.

Голографическое запоминающее устройство - ГЗУ выполнено в виде матрицы микроголограмм с записанными на них программами управления логикой ПМ и программами управления объектом. Из-за отсутствия матрицы переключаемых полупроводниковых лазеров или акустического дефлектора освещение микроголограммы ГЗУ в экспериментальном процессоре предполагается осуществлять с помощью корреляционного дефлектора /6/, управляемого оптическими сигналами интерфейса связи и управления - ИСУ.

ИСУ включает в себя фотоприемную матрицу - ФПМ, блок управления ПM-1, блоки управления транспарантом и корреляционным дефлектором, а также блок управления объектом.

В процессе градуировки ГКУ объект и его эталон перемещают по сигналам ИСУ вдоль осей координат и освещают его импульсами лазерного излучения. При этом на УТ каждый раз набирается соответствующий матричный код, характеризующий объект, его состояние и положение в пространстве. Этот код и записывается на очередную голограмму вместе с сигнальными волнами. Далее подобным же образом записывается следующая кодовая голограмма и на накопительной пластине ГКУ записывается перекрывающимися пятнами большое число наложенных кодовых голограмм, по числу возможных дискретных положений объекта или его эталона. При смене объекта контроля и управления необходима перезапись наложенных кодовых голограмм и градуировка ГКУ.

Кроме кодовых голограмм ГКУ и матрицы микроголограмм ГЗУ, в схеме процессора используется мультиплицирующая голограммная оптика для освещения ячеек матричных модуляторов света ПМ, а

также корректирующая голограммная оптика, используемая при стыковке отдельных звеньев процессора между собой.

В процессе измерения состояния объекта рассеянные им сигнальные волны освещают наложенные кодовые голограммы ГКУ и восстанавливают при этом световые кода чисел, характеризующие состояние объекта в реальном режиме времени. Эти коды, восстанавливаемые в результате согласованной фильтрации в виде набора корреляционных пятен, выделяются и преобразуются фотоматрицей ПМ-1, оперативно запоминаются ее фототриггерными ячейками и обрабатываются по одной из программ, поступающих из ГЗУ. Результат первичной обработки данных кодирования отображается матричным модулятором света на выходе ПМ-1 и далее воспринимается фотоматрицей интерфейса связи и управления на ПМ-3, вырабатывающей измерительный сигнал и разнообразные сигналы управления процессором и объектом. Измерительный сигнал считывается с ПМ-3 в последовательном электрическом коде и поступает по линии связи к управляющей ЭВМ. По результатам логической обработки измерительной информации или по сигналам, поступившим от ЭВМ на матричном модуляторе света ПМ-3, отображается шумовой код, воспринимаемый корреляционным дефлектором ГЗУ. При этом в плоскости матрицы микроголограмм восстанавливается корреляционное пятно, освещающее одну из микроголограмм ГЗУ с соответствующей программой, воспринимаемой фотоматрицей ПМ-1. Результат эффективного голографического кодирования световых полей представляется в весьма сжатой форме, в виде многоразрядного параллельного светового кода Грея (обычно не более 40 разрядов), что позволяет резко снизить требования к ПМ периферийного голографического процессора, имеющей значительную структурную избыточность. Поэтому представляется возможность использования частично качественных интегральных модулей ПМ. Дефектные ячейки таких модулей могут быть исключены при записи наложенных кодовых голограмм ГКУ и матрицы микроголограмм ГЗУ, а также при считывании результатов измерения фотоматрицей ПСУ, и поэтому не окажут влияния на точную работу процессора. Иными словами, качественный процессор может быть настроен из частично качественных ПМ, если они будут состыкованы с помощью элементов голограммной оптики.

Очевидно, что благодаря избыточности, многофункциональности, коммутативной и логической полноте процессорной матрицы, состыкованной с элементами голограммной оптики, рассмотренный выше набор элементов может быть использован и при построении других оптоэлектронных процессоров, приборов и автоматов с голографическим кодированием. При этом минимально необходимый набор элементов должен удовлетворять следующим требованиям:

во-первых, среди этого набора должны быть универсальные процессорные матрицы в виде многофункциональных оптоэлектронных БИС с оптическим вводом-выводом информации и перестраиваемой однородной структурой, которые могли бы выполнять разнообразные функции от собственно процессорных, связанных со сверхоперативным запоминанием и логической обработкой информации, до функций управляемого транспаранта, дефлектора и интерфейса связи и управления; во-вторых, в наборе должны быть светоприемные элементы кодирующей голограммной оптики, позволяющие осуществлять многократные запись и восстановление когерентных световых полей объектов контроля и управления, а также, световых кодов, соответствующих состояниям объектов в реальном режиме времени. Кроме того, в наборе должны быть элементы для записи матрицы микроголограмм ГЗУ с разнообразными программами управления; в-третьих, среди набора элементов должен быть достаточно мощный, чтобы обеспечить надежную работу всех элементов и высококачественный лазер, степень когерентности которого должна быть достаточной для обеспечения требуемой "глубины резкости" при записи и восстановлении кодовых голограмм различных объектов контроля и управления.

И, наконец, в наборе должны быть в большом количестве обычные массивные оптические элементы, в том числе и элементы формулирующей голограммной оптики, для фильтрации, коммутации, мультипликации, коррекции, деления и передачи сигналов в оптической схеме оптоэлектронного устройства /7/.

Очевидно, что такие оптические сигналы с освещенного когерентным светом объекта не всегда несут максимум информации о состоянии объекта. Поэтому, в ряде случаев, вероятно необходимо иметь еще и дополнительный набор электрооптических, акустооптических, магнитооптических и других преобразователей различных

состояний объекта и окружающей среды в многомерные световые поля, воспринимаемые и кодируемые с помощью основных оптоэлектронных и оптических элементов, входящих в минимально необходимый набор. Такой дополнительный набор преобразовательных элементов может значительно расширить диапазон применения оптоэлектронных процессоров, приборов и автоматов с голографическим кодированием.

Л и т е р а т у р а

1. А.А.Микаэлян, В.И.Бобринев. ГЗУ с записью информации массивами. В сб. "Квантовая электроника". Под редакцией Н.Г.Басова, вып.1, 1974.

2. Н.С.Гибин, М.А.Гофман, С.Ф.Кибирев, Е.Ф.Пен, П.Е.Твердохлеб. Голограммные ЗУ с функциями поиска информации. "Автометрия", № 5, 1977.

3. В.А.Рабинович, В.М.Мамкин. Способ измерения линейных перемещений объектов с диффузно-отраяающей поверхностью. Авт.свид. № 309232, 1976.

4. В.А.Рабинович. О построении высокоэффективных устройств ввода и вывода информации в ЭЦВМ. Материалы Всесоюзной конференции по автоматизации научных исследований на основе применения ЭЦВМ. Новосибирск, 1970.

5. В.А.Рабинович, В.И.Мацюк. О разработке голографических методов и средств измерения для научных исследований и автоматизации производства. В сб.рефератов семинара по оптоэлектронике, ИЛУ, 1975.

6. В.Н.Морозов. К теории голограмм с кодированным опорным пучком. Квантовая электроника, т.4, № 8, 1977.

7. С.Б.Гуревич, В.Б.Константинов, В.К.Соколов, Д.Ф.Черных. Передача и обработка информации голографическими методами. Под ред.С.Б.Гуревича, М., "Сов.радио", стр.222-224, 1978.