[发明专利]一种基于电控刺激下VCSEL-SA的图像识别系统及方法

说明书

本发明提供一种基于电控刺激下VCSEL‑SA的图像识别系统及方法，系统包括图像的Spike编码模块，用于将输入的原始图像信息转换为Spike信号。Spike信号传输模块，用于将图像的Spike编码模块编码的Spike信号同步传输至图像识别模块。基于STDP的突触权重调节模块，基于VCSOA神经突触的STDP响应特性用于实现权重依赖的突触权重调节。图像识别模块，用于响应Spike信号传输模块传输过来的Spike信号，并恢复发射端的原始图像信息。控制与分析测试模块，通过分析比较图像的Spike编码模块和图像识别模块之间的Spike响应信号的差异，调节系统的参量，以保证成功识别图像。本发明基于电控刺激下VCSEL‑SA神经元实现Gb/s二进制随机信号到Spike信号的转换，并通过VCSOA的STDP实现权重依赖的突触权重调节，最终实现图像识别。

技术领域

本发明属于图像识别技术领域，尤其涉及一种基于电控刺激下VCSEL-SA的图像识别系统及方法。

背景技术

传统的冯·诺依曼结构的电子计算机由于内存与功耗原因，无法满足人们日益增长的计算需求，因此，有利于解决复杂计算问题的脑机融合计算和神经拟态系统的深入研究受到了人们的广泛关注。神经拟态系统是模拟生物传感和信息处理神经系统的运作和结构的系统，使用非冯·诺依曼结构来实现仿神经计算，能大大提高系统的算力、降低系统的能耗，具有并行性、冗余性等优点，可以解决许多复杂的计算任务，例如决策、学习和优化、模式识别和感觉信息处理等。其中，光子神经拟态器件因能模拟生物神经的基本特性，且能提供比生物神经快达8个量级的超快脉冲动力学而在高速仿神经计算领域展现出了巨大的应用前景。

特别的是，基于垂直腔面半导体激光器(VCSEL)的光子神经元因具有体积小、成本低、可与现有光网络兼容、易于集成等诸多优点，目前主要聚焦于光学刺激VCSEL光子神经模型的研究，且大多为理论工作，对电控方式的刺激研究较少。此外，光控刺激方式需要额外的光源和调制器，这极大的增加了系统的成本。光信号传输中偏振态的控制也是光控方式真正实现的难点。与普通的光控刺激光子神经方式相比，电控刺激VCSEL光子神经的方式具有以下独特优势：

(1)电控刺激方式可控性更强，不易受外界光信号的干扰。

(2)无需大量的光学器件，可以使整个操控过程更加简单直接，实验平台相对简单。

(3)VCSELs本身具有低成本、低能耗、易于集成至二维/三维阵列、与光纤高的耦合效率、与现有光纤系统兼容等一些独特的优势。

(4)在VCSEL中引入饱和吸收体(SA)后可以构建一个集成的两段式激发激光器，其中增益介质可以作为累积器，而SA可用作判决载流子浓度的阈值探测器。与普通的神经元模型相比，这种集成的累积发放神经模型可产生更短的亚纳秒脉冲，且有利于系统的集成和拓展。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于电控刺激下VCSEL-SA的图像识别系统及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于电控刺激下VCSEL-SA的图像识别系统，包括：

图像的Spike编码模块；用于将输入的原始图像信息转换为Spike信号；

Spike信号传输模块；用于将图像的Spike编码模块编码的Spike信号同步传输至图像识别模块；

图像识别模块；用于响应Spike信号传输模块传输过来的Spike信号，并恢复Spike信号传输模块的原始图像信息；

基于STDP的突触权重调节模块；基于VCSOA神经突触的STDP响应特性用于实现权重依赖的突触权重调节；

控制与分析测试模块；通过分析比较图像的Spike编码模块和图像识别模块之间的Spike响应信号的差异，调节系统的参量，以保证成功识别图像。