【光电子智能信息处理系统技术】
是一种能够模拟人脑自学习、自联想与自组织的高速图像处理和随机模式识别的高新技术。它除汇集了电子计算机、光信息处理和人工神经网络3项技术之外，还隐含着其它相关的支撑技术，比如，微光学技术、超导技术等。
光电子智能信息处理系统的基本工作原理是由高速的空间光调制器直接记录、读出、放大和转换图像信息，通过光学或光电混合相关器、人工神经芯片实现快速分类和目标识别。主要研究内容包括(1)：软件开发环境研究。面向目标特征提取的需求实施成本分析、指标确认和快速样机生成，设计相关的程序库及管理支持能力的软件系统；(2)光电子器件和信息处理电子器件集成化。开发研制光电子器件的新方法、新设备与新工艺，研究发展专用的人工神经网络硬件和高性能空间光调制器；(3)光电混合信号／数据处理。实时／准实时模式识别与智能型光学相关器研究，三维失真不变匹配滤波技术研究和其它计算方法研究，如密集支撑子波型结构和Gabor变换等。(4)人工神经网络技术研究。图像识别、分类和自主操作应用中的学习算法研究，自适应信号处理，算法自动设计以及光学神经网络研究。光电子智能信息处理系统技术之所以能模拟大脑的部分智能，其关键在于它具备了以下几个基本特性：(1)二维知识表示／输入。它利用高性能空间光调器可以每秒1000帧预处理的速度实现二维数据的输入，这样的二维知识表示形式较适合用来充当人工神经网络处理器的输入端。(2)平行分布式存储。由于系统技术中的光学信息处理存在固有的并行结构以及光学器件的高开关速度，所以能够成功模拟大量的神经元相互联接在一起所发挥的功能。(3)容错性。为了使信息处理过程能够保持相应的适应性，采用人工神经网络的容错特性可以得出正确、完美的结果，容错性实质是在一定程度上模拟大脑思维运动的一种动力学系统。(4)非线性。现代科学业已证明，大脑的智能是一种非常典型的非线性活动，以往人们对自然界的线性描述仅属于局部的近似或模型化，使得问题简化而又易于解释。随着社会的进步，许多自然界客观规律正在被认识，然而认识这些源于非线性的事物则需要相应的非线性信息处理技术，系统技术采用非线性光学、神经元的输入与输出便是一例。借助于光学、电子学技术对一帧输入景像中的全部目标实施正确定位、分类与辨认是光电混合模式识别的基本设计思想，由于目标存在比例大小、旋转方向以及背景干扰等因素的影响，故人们根据不同的应用对象采取了相应的技术手段，一般可以归纳如下。1．特征提取：人们在检验各种类别的产品质量往往会想到利用光学快速傅里叶变换(FFT)、Hough变换等技术，这些方法能够解决实际应用中较难应付的大容量像元数的快速处理和分析等一类问题。2．光学相关器：是一种能够实时完成两维图像目标识别的优选光学系统。目前国际上研制各种紧凑的光学相关器已经成为一个“热点”，如美国陆军导弹指挥部、喷气推进实验室(JPL)和帕金－埃尔默(Perkin-Elmer)公司联合研制一种自主识别／跟踪的光学相关器。1992年法国和德国联合研制了一种用于机器人的紧凑光学相关器，采用光折射晶体进行动态全息图替换，目标识别速度约为100ms，体积尺寸是600mm×300mm。美国Teledyne Brown工程公司推出了一种固体组合式的光学相关器。中国也在积极研制3×3多光路紧凑光学相关器，并取得了一些初步的结果。3．通过景象对存有复杂背景的目标进行识别、分类和跟踪，需要系统具备一定的景像分析功能，下面的方框图说明了景像分析的基本工作流程。
景像分析工作流程方框图
在光电子智能信息处理过程中，我们设计的人工神经网络能够完成传感器数据处理、并行逻辑推理、假设判定和优化过程控制等任务。1．光电子自适应神经网络。光电子共振器联想存储系统，是利用全息技术在光致折射晶体内空间进行多路传输，实现由几百万个神经元构成的2层光学非线性全息联想存储器(NHAM)。它具有自适应、大存储容量和平行权重更新能力。2．基于量子阱的激子器件和神经芯片。利用多量子阱结构中激子跃迁的斯塔克(Stark)效应来研究神经元、互连掩膜表面的物理机理以及器件性能。美国密执安大学和洛克韦尔国际公司科学中心在这方面作了一些初步的理论研究工作，认为现有的生长多量子阱结构的技术已经可用来制作具有一定规模的神经网络器件，计算机仿真实验表明，制作一种简单的霍普菲尔德(Hopfield)模型的具有良好的稳定性的全光学结构系统是可行的。神经芯片的研究工作正从“静态”向“动态”变化发展，由硅大规模集成电路芯片发展成为光电子集成芯片。日本在各种不同的神经网络元器件研制方面有许多独创性，比如三菱电气公司发明了衍射光栅耦合型多层量子阱DBR激光器及其二维列阵光源，还率先提出多层GaAs／AlGaAs光学神经芯片。3．光学－超导神经网络。美国斯华龄在1987年发明用高温超导体开辟人工神经网络研究的新途径－光学－超导神经网络电脑。实验结果表明利用超导材料制作神经网络器件具有许多优点。例如它可兼备光学和电子学系统的综合优势，即不但保持电的性质又不受泡利不相容原理的限制，使得大量载流子能够凝结在基态，而流动时几乎没有电阻。使用高温超导材料可以不用导线直接进行光通信，更令人注目的是这种网络的操作单元非常小，功耗低而开关速度高，接近1ps。因此，理论上它能使整个神经网络的运算速度达到每秒1013次。空间光调制器在铁电液晶空间光调制器和磁光空间光调制器研制中进展很快，美国的科罗拉多大学及其所属公司，在铁电液晶空间光调制器的研究和制作方面居领先地位。还有一些新构思的空间光调制器在不断地涌现，比如日本东京大学K．Tada领导的科研小组研制一种基于光电子集成电路的空间光调制器。由于它是由不同杂质类型和浓度的GaAs／AlGaAs多层薄膜所组成，所以能以很高的速率(约为1．5ns)控制光束的“断”和“开”状态。这种集成化的空间光调制器可以同半导体激光器、光学敏感器以及驱动电路等元器件共同制作在一块电路基片上，为将来的智能信息处理系统的小型化打下基础。三维传感系统是将二维阵列探测器件和一部分信息处理电路用叠层法组装成立体传感－信号处理一体化系统，例如Z平面技术便是一种把探测器、输入／输出线及信号处理模块连接在一起的新技术。它最初(1970)是用于PbS探测器阵列，信号处理电路装在陶瓷基板上。随着超大规模集成电路工艺技术的发展，可以把信号处理电路全部集成装陶瓷基板上，随着大规模集成电路工艺技术的发展可以把信号处理电路全部集成在一块硅片里，省去中间的陶瓷板，而且基片之间也不用焊接，更有益的是可以实现薄层硅片集成电路的叠合。美国格鲁曼曼航空公司(Grumman Aerospace和埃尔温传感器公司(Irvine Sensor)是研究Z平面技术较为出色的2家公司，格鲁曼公司采用氧化铝陶瓷片叠层的方法，把8～10片的陶瓷片叠加在一起，然后用环氧树脂粘合，构成一个信号处理系统子模块(总厚度为0．081～0．102cm)，探测器、输入输出接口、电极引线等安装在厚度仅有0．010cm的陶瓷片上。综上所述，光电子智能信息处理系统技术发展的主要趋势是：(1)系统技术的掘起与市场发育同步，即光电子智能信息处理系统的研究投资以及它的预研成果将会及时、全面地渗透到智能产业中，因为单靠科研部门的力量往往筹集不到足够的研制经费。(2)研究与应用开发光电子智能信息处理系统的重点将集中在实时随机模式识别和三维动态图像分析，其研究成果转化为市场产品的周期将明显缩短。(3)系统小型、集成化和信息获取与处理一体化将是发展目标，为此须积极研制新颖、可靠、廉价的元器件或组件，采用混合／模块式的体系结构和多重传感器融合(Fusion)等新方法。(4)运用全新的测量与刻蚀技术开展分子／原子级尺寸的超微精细加工，以及将柔性制造技术可靠地引入总体方案设计、功能器件设计和机械加工之中。(中国科学院上海技术物理研究所王汝笠撰)