专利名称：校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性的方法
技术领域：
本发明涉及光信息处理和光计算技术领域，尤其涉及一种校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性的方法。
背景技术：
随着科技的发展，人们生活水平的提高，要处理的信息越来越多，对实时性、准确性也有了更高的要求和标准。自第一台计算机诞生以来，人们不断追求计算性能的提升，新的工艺水平不断涌现，新的计算机硬件结构也不断的被提出，比如专门用于数字信号处理的专用DSP，定制的集成电路、以及可编程逻辑器件(FPGA)，但这仍然远远不能满足当前应用快速发展的需要。由于电信息处理在带宽、串扰、延迟等方面的局限性，越来越多的研究人员将目光投入到光信息处理与光计算领域。在“Optical Computing”(Chapter4.3,MIT pressl988)中，提出了一种被称作“Stanford optical VMM”的光学向量-矩阵乘法器,该结构能够实现信号的并行处理，大大提高了信号处理的速度。这种结构的光学模块被广泛应用于各种光学计算机的研究当中。在 “High-speed and low-power electro-optical DSPcoprocessor” (J0SA A, Vol.26, Issue8, pp.A11-A20 (2009))中，对采用光学向量-矩阵乘法器的光数字信号处理器的结构和应用领域做了比较详细的描述，并和当前速度最快的电学DSP做了比较，结果表明光学处理器的运算性能远远超过了当前的电学处理器的运算性倉泛。在 “Acoustooptical matrix-vector product processor implementationissues” (APPLIED OPTICS, Vol.28，N0.18)中，详细分析了向量矩阵乘法器实现的具体细节，对系统中涉及到的光电组成模块的参数和这些参数对整个系统性能的影响作了比较详细的分析和评估。然而，在实现本发明的过程中，申请人发现现有的光学向量-矩阵乘法器存在如下问题:由于器件工艺的不足和器件本身的特性使得光学向量-矩阵乘法器工作所需要的激光器、探测器以及调制器矩阵在工作的时候会引入许多的性能不一致性，不同激光通路对同一个输入向量输出的功率并不相同，从而影响到整个光学向量-矩阵乘法器运算性能的稳定性和准确性。
发明内容
(一 )要解决的技术问题为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种获取光学向量-矩阵乘法器校正系数的方法。( 二 )技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性的方法。该光学向量-矩阵乘法器包括:微处理模块及由其控制的若干路的激光通路。该方法由微处理模块执行，包括:在实际运算之前，获取各激光通路参照基准激光通路的校正系数k[n]和b[n];以及在实际运算过程中，将当前激光通路的输入向量V用校正系数k[n]和b[n]修正为 V' =k[n]V+b[n]。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性的方法具有以下有益效果:(I)解决了各通路激光器由于特性参数不一致而导致的对应于相同的输入向量的输出光强不一致性的问题，实现多通路光源功率的一致性，对提高向量-矩阵乘法器的运算性能的稳定性和准确性有着重要的意义；(2)在不更改硬件的前提下，依靠控制输入电流来实现多通路光源功率的一致性，复用了原光学向量-矩阵乘法器中现有的硬件模块，节约了成本并减小了系统体积。
图1为根据本发明实施例校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性方法所基于系统的结构示意框图；图2为根据本发明实施例校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性方法中对激光通路进行校正的示意图；图3为根据本发明实施例校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性方法中获取校正系数步骤的流程图；图4为根据本发明实施例校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性方法中获取校正系数步骤中子步骤D的子步骤流程图；图5为根据本发明实施例校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性方法中获取校正系数步骤中分步骤Dl的分步骤流程图；图6为图1所示系统在实际场景下的结构示意框图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。本发明为了解决多通路激光器输出光强的不一致性问题，提出了一种校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性的方法，以提高光学向量-矩阵乘法器中各通路的运算一致性。本发明基于一光学向量-矩阵乘法器。该光学向量-矩阵乘法器包括FPGA模块及由其控制的若干路的激光通路。其中，每一激光通路包括:数模转换单元、激光器单元、探测器单元和模数转换单元。多个数模转换单元可以是分立的，也可以是如图1所示的集成在同一芯片上的数模转换模块。同理，多个激光器单元可以是分立的，也可以是如图1所示的集成在同一芯片上的激光器阵列。多个探测器单元可以是分立的，也可以是图1所示的集成在同一芯片上的探测器阵列。多个模数转换单元可以是分立的，也可以是如图1所示的集成在同一芯片上的模数转换模块。
该光学向量-矩阵乘法器中，FPGA模块将数字向量送入一激光通路；在该激光通路中，数模转换器输出与该数字向量相应的电信号驱动激光器单元发射载有数字向量信息的光强信号，由探测器单元探测光强信息，光强信息通过模数转换单元转换为数字量，重新反馈输入到FPGA模块。如图1所示，光学向量-矩阵乘法器中除了上述提到的各个模块之外，还包括微处理器模块(MCU模块)、数据存储单元、时钟模块、电源模块和温控模块。其中，MCU模块用于协调各个模块之间的时序关系和开启顺序。数据存储模块用于暂存在校正一致性过程中的中间参数。时钟模块用来控制整个系统各模块之间保持同步性。电源模块用于为各个单元与模块提供工作电压。温控模块用于为每一路激光器添加温度监控和控制部分，使每路激光器工作在恒定的温度下，保证单路激光器的线性输出特性曲线稳定，为通道间的线性一致性校正奠定了基础。需要说明的是，在图1所示的光学向量-矩阵乘法器中，采用的FPGA模块进行控制。本领域技术人员也可以采用其他的微处理器来实现该功能，例如:单片机、DSP芯片等等。这些模块均应当包括其外围一些必要模块，例如存储模块等等。在本发明中，可以将上述具有控制和数据处理功能的模块统称为微处理模块。在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性的方法。该方法基于图1所示的光学向量-矩阵乘法器包括:步骤S100，在实际运算之前，获取各激光通路参照基准激光通路的校正系数k[n]和b[n]；以及步骤S200，在实际运算过程中，将当前激光通路的输入向量V用校正系数K(n)和b[n]修正为V' = k[n]V+b[n]，如图2所不。图3为根据本发明实施例校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性方法中获取校正系数步骤的流程图。如图3所示，上述步骤SlOO包括:步骤A，打开基准激光通路Ch1，关闭除该基准激光通路Ch1外的其他激光通路；步骤B，FPGA模块分别向该基准激光通路中的数模转换单元输入数字向量D11和D12，接收并存储由该基准激光通路中的模数转换单元反馈的数字量P11和P12 ；步骤C，打开待校正激光通道Chn(n = 2、3、……、16)，关闭除该待校正激光通道Chn外的其他激光通路；步骤D，FPGA模块分别获取当该待校正激光通路中模数转换单元反馈的数字量最接近P11和P12时，向该待校正激光通路中数模转换器输入的数字向量Dnl和Dn2 ；该步骤是分两步来实现的，在步骤Dl中，FPGA模块获取当待校正激光通路反馈的数字量最为接近P11时，向数模转换单元输入的数字向量Dnl ;在步骤D2中，FPGA模块获取当待校正通路反馈的数字量最为接近P12时，向数模转换单元输入的数字向量Df上述两步骤的执行方式是相同的。下文以步骤Dl为例来说明具体的执行过程。如图4所示，该步骤Dl具体分为以下子步骤:子步骤Dla,初始化数字向量Dnl = D11,初始化Flagl = Flag2 = O ；本子步骤中，Flagl和Flag2是为了在不了解由模数转换单元和数模转换单元精度引起的误差情况下而引入的。在已知上述误差情况下，可以通过合理设置α情况下，该Flagl和Flag2也并不是必须的。
子步骤Dlb，输出数字向量Dnl，接收模数转换模块转换为数字量Pnl ；子步骤Dlc，当|Ρη1-Ρη| > α时，采用逐步逼近的方法改变数字向量Dnl，重新执行步骤Dlb;否则，跳出循环，得到数字向量Dnl和Dn2，其中α为预设的容忍误差最大值及由模数转换单元/数模转换单元分辨率极限造成的误差最大值之间较大的一个。如图5所示，该子步骤Dlc又可以分为如下分步骤:分步骤Dlcl，判断Pnl-P11是否大于ε，如果是，进入步骤Dlc2，否则进入步骤Dlc4，其中ε为预设的容忍误差最大值，一般情况下，ε为激光通路工作状态所设置的输出最小功率的1% ;分步骤Dlc2，判断标志变量Flagl&Flag2 = 0，如果是，执行步骤Dlc3 ;否则，执行步骤Dlc7 ；如果Pnl-P11 > ε，则说明输入向量Dnl应该减小，但此时应该先对标志变量Flagl，Flag2进行判断。如果有一个变量为O则说明，程序只进行了递增或递减操作，尚没有使Pnl和P11的差值最小，进入步骤Die。否则如果Flagl，Flag2均为非O则说明已经对输入向量Dnl进行了递减和递增操作，但由于DA转换器的分辨率不足，所以不能使Pnl和P11完全相等，但此刻已经是在光学向量-矩阵乘法器所采用的DA转换器分辨率下，所能达到的最为精确的结果，因此为避免进入死循环则进入步骤Dlc7。分步骤Dlc3，对向量Dnl进行一次递减调节，并且对标志变量Flagl进行自加操作，重新执行子步骤Dlb;标志变量Flagl进行自加操作,表明已经对输入向量D11进行过一次递减操作，从而便于后续过程中进行判断。此处，标志变量并不限于进行自加操作，只要能使此时的Flagl不为O的任何操作均可以达到相同的目的。分步骤Dlc4，判断Pnl-P11是否小于ε，如果是，执行步骤Dlc5，否则，执行步骤Dlc7 ；分步骤Dlc5，判断标志变量Flagl&Flag2 = 0，如果是，执行步骤Dlc6 ;否则，执行步骤Dlc7 ；同理，如果Pnl-P11 < ε，则说明输入向量Dnl应该增加，但此时应该先对步骤C设置的标志变量Flagl，Flag2进行判断，如果有一个变量为O则说明，程序只进行了递增或递减操作，尚没有使Pnl和P11的差值的绝对值最小，进入步骤D09。否则如果Flagl，Flag2均为非O则说明已经对输入向量Dnl进行了递减和递增操作，但由于DA转换器的分辨率不足，所以不能使Pnl和P11完全相等，但此刻已经是在光学向量-矩阵乘法器所采用的DA转换器分辨率下，所能达到的最为精确的结果，因此为避免进入死循环则进入步骤Dlc7。分步骤Dlc6，对向量Dnl进行一次递增调节，并且对标志变量Flag2进行自加操作，重新执行子步骤Dlb;分步骤Dlc7，对校正通道的第一次校正结束，存储当前的Dnl ；需要说明的是，本步骤中，对向量进行递增和递减操作的步长根据当前的激光功率和所选用的数模转换芯片的分辨率来确定。一般情况下，该递增和递减的步长相同，为了提高系统校正的精度，往往都选择数模转换芯片的最低有效位作为递增和递减的步长。举例来说:当所选择的数模转换器为IObit分辨率的时候，那么数字量步长就为1/1023，对应的输出电流变化量可根据激光器的特性和工作电流范围来设置。
步骤D2的具体执行过程与步骤Dl的各个子步骤类似，此处不再重复描述。步骤E，根据下列方程式，FPGA模块计算并存储校正系数k[n]和b[n]。
权利要求
1.一种校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性的方法，其特征在于，该光学向量-矩阵乘法器包括:微处理模块及由其控制的若干激光通路；该方法由微处理模块执行，包括: 在实际运算之前，获取各激光通路参照基准激光通路的校正系数k[n]和b[n];以及 在实际运算过程中，将当前激光通路的输入向量V用所述校正系数!^」和!^」修正为V' = k[n]V+b[n]0
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取各激光通路参照基准激光通路的校正系数k[n]和b[n]的步骤包括: 分别向基准激光通路中输入数字向量D11和D12，接收并存储由该基准激光通路反馈的数字量P11和P12 ； 当待校正激光通路反馈的数字量最接近P11和P12时，分别获取向该待校正激光通路输入的数字向量Dnl和Dn2 ； 由数字向量Dn、D12、Dnl和Dn2计算该待校正激光通路的校正系数k[n]和b[n]，其中，所述校正系数k[n]和b ω用于在所述光学向量-矩阵乘法器运算过程中，将其输入向量V修正为V' = k[n]V+b[n],以保持其与基准激光通路的输出一致性。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据下列方程式，由数字向量Dn、D12,Dnl和Dn2计算该待校正激光通路的校正系数k[n]和b[n]:
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当待校正激光通路反馈的数字量最接近P11时，获取向该待校正激光通路输入的数字向量Dnl的步骤包括: 步骤Dla，初始化数字向量Dnl = D11 步骤Dlb，输出数字向量Dnl，接收模数转换模块转换为数字量Pnl ； 步骤Dlc，当|Ρη1-Ρη| > α时，采用逐步逼近的方法改变数字向量Dnl，重新执行步骤Dlb;否则，跳出循环，得到数字向量Dnl和Dn2，其中α为预设的容忍误差最大值及由模数转换单元、数模转换单元分辨率极限造成的误差最大值之间较大的一个。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤Dla还包括:初始化标志量Flagl = Flag2 = O ;所述步骤Dlc包括: 分步骤Dlcl，判断Pnl-P11是否大于ε，如果是，进入步骤Dlc2，否则进入步骤Dlc4，其中ε为预设的容忍误差最大值； 分步骤Dlc2，判断标志变量Flagl&Flag2 = O，如果是，执行步骤Dlc3 ;否则，执行步骤Dlc7 ； 分步骤Dlc3，对向量Dnl进行一次递减调节，令标志变量Flagl不为O，重新执行子步骤Dlb ； 分步骤Dlc4，判断Pnl-P11是否小于ε，如果是，执行步骤Dlc5，否则，执行步骤Dlc7 ； 分步骤Dlc5，判断标志变量Flagl&Flag2 = O，如果是，执行步骤Dlc6 ;否则，执行步骤Dlc7 ； 分步骤DIc6，对向量Dnl进行一次递增调节，令标志变量Flag2不为O，重新执行子步骤Dlb ； 分步骤Dlc7，对校正通道的校正结束，存储当前的Dnl。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述ε为激光通路工作状态所设置的输出最小功率的1%。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述递增或递减的步长相同，均取相应的模数转换单元、数模转换单元的最小分辨率。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述分步骤Dlc3和步骤Dlc6中，令标志变量Flagl或Flag2不为O的操作为自加操作。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，每一激光通路包括:数模转换单元、激光器单元、探测器单元和模数转换单元； 所述光学向量-矩阵乘法器运算的过程中，微处理模块将数字向量送入一激光通路；在该激光通路中，数模转换器输出与该数字向量相应的电信号驱动激光器单元发射载有数字向量信息的光强信号，由探测器单元探测光强信息，光强信息通过模数转换单元转换为数字量，重新反馈输入到微处理模块。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述微处理模块为FPGA模块、单片机或DSP模块； 所述光学向量-矩阵乘法器中:多个激光器单元、 多个探测器单元、多个模数转换单元和多个数模转换单元均为分立的单元或集成在同一芯片上阵列。
全文摘要
本发明提供了一种校正光学向量-矩阵乘法器激光通路一致性的方法。该方法通过一基准激光通路来标定和校对其他激光通路的参数，从而解决了各激光通路由于特性参数不一致而导致的对应于相同的输入向量的输出光强不一致性。
文档编号G06F17/16GK103106062SQ20131004417
公开日2013年5月15日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者卢洋洋, 周平, 朱巍巍, 杨林 申请人:中国科学院半导体研究所