基于复振幅散射光场调控的光电储备池计算方法和系统研究.pdf
摘要
光电储备池计算以光为信息载体，利用光学手段对储备池神经网络进行加速，近
年来已成为重要研究热点。其中，基于空间光散射的光电储备池计算在处理天气预测
等实际场景复杂时序任务中展现出了独特的优势，数字信息在散射光场空间中的准
确表征、传播和解析对网络的精确性至关重要。然而，目前基于空间光散射的光电储
备池计算使用的是实数信号处理方式，但散射光场空间是复数信息空间，这导致光计
算过程信息丢失，网络计算精度受限。因此，研究一种符合光场空间复数域信息处理
规则的高精度散射光电储备池计算方法具有重要的科学意义与工程应用价值。
复振幅光场调控技术能够实现对光场振幅和相位的独立调控，即能对复数域数
据进行完整处理。因此，本文深入研究了基于复振幅散射光场调控技术的光电储备池
计算，并研制了一套紧凑型的基于复振幅散射光场调控的光电储备池计算系统，具体
工作内容如下：
（1）研究了基于复振幅散射光场调控的光电储备池计算机理。介绍了储备池计
算的数学模型以及一些可调参数对储备池计算的影响，并对储备池计算的性能评价
指标进行了研究；详细分析了数字微镜器件（DigitalMicromirrorDevices,DMD）的
工作原理，研究了基于DMD的超像素编码方法，以实现复振幅散射光场调控；探究
了基于复振幅散射光场调控的光电储备池计算原理，为系统的研制提供了理论依据。
（2）开展了基于复振幅散射光场调控的光电储备池计算系统的设计。对整个光
路的框架进行了设计，保证了设计尺寸在最紧凑的范围内实现光路结构；对光路中的
器件进行了选型，根据光路结构以及器件型号进行了Zemax仿真，验证了光路的可
行性；根据光路设计以及各个元器件的特性利用SolidWorks进行了光机结构的设计；
对基于复振幅散射光场调控的光电储备池计算整个算法进行了软件流程设计。
（3）根据系统的设计完成了整个系统的研制，并在多个标准数据集以及实验任
务上进行其性能验证。针对Mackey-Glass数据集混沌时间序列、上海虹桥国际机场
的温度、湿度以及压强这几个数据集进行了预测，实验结果表明：Mackey-Glass数据
集单步序列预测的NMSE在0.006到0.008之间；5步序列预测的NMSE在0.03-0.04
之间；10步序列预测的NMSE在0.08-0.1之间；多步预测的NMSE在0.15以下，其
NMSE误差均在可接受范围内。上海虹桥国际机场的温度在十天内的单步预测的
NMSE低于0.04；5步预测的NMSE低于0.3；湿度在十天内单步预测的NMSE不超
I
过0.05；压强十天内单步预测的NMSE不超过0.06，整体预测情况较好。以上数据
表明基于复振幅散射光场调控的光电储备池计算系统在实现集成化的同时保持了高
精度高速率。本文为实现更复杂的时间序列预测以及分类识别任务提供了积极的作
用。
关键词：光电储备池计算；光散射；复振幅调控；超像素法；混沌时间序列
II
ABSTRACT
Photonicreservoircomputing,whichuseslightastheinformationcarrierandemploys
opticalmethodstoacceleratereservoirneuralnetworks,hasbecomeasignificantresearch
focusinrecentyears.Amongthese,photonicreservoircomputingbasedonspatiallight
scatteringhasshownuniqueadvantagesinhandlingcomplextemporaltasksinreal-world
scenariossuchasweatherforecasting.Theaccuratecharacterization,propagation,and
parsingofdigitalinformationinth