光电信息处理方法

近代光电信息处理技术上的飞跃是光通信、光网络、光存储、光显示和多媒体技术的出现。其主要关键技术是微电子、光电子、光纤、计算机、通信与网络、大规模存储、大面积高分辨显示、多媒体等技术。

微电子技术

微电子技术是光电子信息处理技术的前提。以0.25μm COMS工艺技术为主流的微电子技术已进入大生产，0.1～0.025μm COMS器件在实验室中已制备成功。表1为美国国家半导体协会预测。

光纤与光通信技术

全世界光纤敷设长度正以2000km/h的速度增长。光纤带宽每6个月翻一番。单根光纤的传输容量在今后15年中将增加1000倍。2.5～10b/s光信息传输系统已实用化。Tb/s(1012bit/s)的传输速度已实验成功。随着未来光纤1390nm水吸收峰障碍的消除，将实现1280～1625nm、带宽达40THz的光通信窗口。长距离大容量单信道通信最高速率为10Gb/s。2005年传输速率需达数百Gb/s，2010年传输速率应达1Tb/s。

光通信方面，光学时分复用(OTDM)、光学波分复用(OWDM)、码分多址(CDMA)、光学高密度波分复用(ODWDM)均已实用化或正在解决实用化问题。1998年，朗迅公司用100信道的光学波分复用和10Gb/s单通道速率实现了400km、1Tb/s的大容量通信。

当前局域网的交换速率达40Gb/s，2005年达1Tb/s，2010年达5Tb/s。国际上许多著名的计算机公司都或多或少的开展计算机局域网光互连的研究和开发，如IBM、HP、MEC、Sun Microsystems、Micro Optical Devices、Digital Optics Corporation。

微处理器技术

计算机微处理器技术是信息处理的基础。在未来的几年内，微电子技术将推动微处理器飞速发展，计算机中互连密度和长度成数量级地提高。

大规模信息处理技术基础

运算量极大的信息处理工作，如大量图片、信息的高速处理等，往往采用巨型机。

海量并行计算机

利用多个处理器芯片并行工作，可有效提高计算速度。日本总结第五代（并行、智能）计算机失败的原因是：硬件不困难，关键在软件。美国解决了并行软件问题，做出了海量并行计算机，1991年已做到6万个处理器并行工作。1995年做到100万个处理器并行工作。有人估计2010年将可做到1000亿个处理器并行工作。这个数目与人脑神经元的数目大致相同。可认为该种计算机将可模拟人脑高速实时地思维和工作。

美国能源部作为模拟核实验工作的一部分，计划在2004年研制出100Tb/s的超级计算机。IBM公司、MIT、NASA的喷气动力实验室以及加拿大McGill大学的代表对互连的需求作了专题讨论。IBM公司的A.F.Benner认为在这种计算机中采用光互连的主要优点是简单密集的封装和非常高的带宽距离乘积，MIT的L.Rudolph建议用光纤环路延迟解决高速信号的缓存，NASA的T.Sterling建议用光学TDM和WDM组合增加通道的通信容量，McGill大学的T. Szymanski则提出“智能化的光学网络”，并介绍了他们采用光电子COMS技术实现这种网络的工作。

Delaware大学提出全光互连用于大规模并行处理，报导了一个灵活的大规模并行处理全光方案，有250通道，信息传输能力为250Gb/s。建立了完全可调的发射和接收阵列。其实际上可随机地达到250×250交叉开关(crossbar switch)，在单层次系统上可连接500个处理器。复用和解复用足够快，能满足大规模并行处理的要求。这种交叉开关能提供每秒2.5Gb个包连接。一个多层系统可提供数千到数百万个同时的包连接，控制的复杂性增加了。计算机模拟证明了单层和两层的开关控制方案。又提出一种“导向器”令牌用作多通道快速总线(E-Bus)，其可实现包交换。相信该系统用OEIC技术实现是可行的。

光互连网络与计算机机群系统

光互连在近几年里取得很大的进展，光互连的应用已由LAN进展到系统之间的互连网络(system area network，简称SAM)。光纤链路在计算机集群(Clusters)系统中的应用，将产生第一代光互连高性能并行计算机系统。

计算机集群是采用工作站或微机做计算节点，通过网络连接形成高性能并行计算平台。Clusters或称为NOW(networks of workstations)和COW(clusters of workstations)。由于采用商品计算机做处理器节点，具有价格便宜、易更新性和可扩展性优势，有很高商业前景，Clusters已成为并行计算机(MPPI机)一个重要的体系结构，美国IBM公司的SP系列和中国的曙光2000等均采用这种结构。Clusters主要采用Ethernet、FDDI等局域网络。由于LAN技术发展的目的不是支持这种并行处理系统，较大的通信开销(overheads)和网络延迟(latancy)阻碍了计算机集群系统功能的发挥。虽然Gb/s Ethernet的出现可以改善带宽，但并行系统更需要的是减少网络延迟。

在Clusters网络中，主要问题是增加带宽，减少通信开销和网络延迟。光互连是实现计算机集群系统网络最理想的技术之一。将WDM技术引入计算机互连中，可以实现全光交换节点。因而，光互连的应用对NOW结构的高性能计算机发展有重要的现实意义。宽波长间隔波分复用(coarse WDM即CWDM)将密集波分复用(DWDM)的0.4～0.8nm波长间隔拓宽到20nm以上，并将通信中的典型波长窗口1530nm～1550nm延伸为1310nm～1560nm整个波段，其主要的应用对象是Gb/s Ethernet网络。CWDM主要用于短距离的LAN的传输，采用宽波长间隔，降低了对无源器件制作成本和光电子器件的波长稳定性等要求，可以有效地降低成本，这正适应了计算机网络发展的需求。

光控飞行

(fly-by-light即FBL，亦称为光飞行)

光控飞行即在飞行和飞行器中采用光信号控制整个系统，这是光纤技术和光互连技术的新应用。在这方面McDonnell Aerospace提出一个FLASH计划，即实现一种FLASH型飞行光控制系统。该研究所发表了下述论文：“飞机的光缆隐线：光飞行控制网络的物理层”，“FLASH光飞行飞机控制系统的研制”，“运输机的FLASH光飞行飞机控制系统的研制”，“FLASH光纤数据总线文件学习”，“军用战术光飞行飞机控制系统的实验研究”，“光飞行飞机控制系统的经济效益集成实验研究”，“用神经网络处理对光飞行(FBL)飞机控制系统进行故障诊断”，金属线控制飞行转换为光飞行的过程和解决方法”等等。此外，美国Berg Electonics研究所、HiRel Connector研究所、Honeywell研究所、Raytheon飞机研究所等也发表了一些成果。

大面积、高分辨显示技术

与可视化紧密联系的显示技术是信息处理必须的手段。高分辨率电视(HDTV)显示约为1000线，今后会出现超高分辨率电视(UDTV)显示大于1000线甚至可达4000～5000线，显示质量会大幅度增高，当然要求计算机的速度也会更高。今后计划的HDTV显示的情况如表4。在未来的超高分辨率显示中平面显示和全息显示将起重要作用。

表1 计划的HDTV显示的情况

年 份 类 别 分辨率 像素数量

1993年 HDTV 1000线 1150×1920个像素

2000年 UDTV-0 1000线 1080×1920个像素

2003年 UDTV-Ⅰ 2000线 2106×3840个像素

2005年 UDTV-Ⅱ 3000线 3240×5760个像素

2010年 UDTV-Ⅲ 4000线 4320×7680个像素

大规模存储技术

光存储是当前存储技术最有生命力的技术，而且在不断发展中。光盘技术中采用烧孔(burnning hole)技术，可使存储量增加上千倍。美国Xerox研究中心预计2020年可实现一个原子存储一位计算机信息。存储技术与当前出现的纳米技术是相关的，它是建立在分子电子学基础之上的。

此外，有光全息存储，DARPA在5年内开发出容量为1万亿位数据，存储速率1000Mb/s。已达到160000帧在LiNbO3晶体中，密度为40～100Gb/in2，适于直接存取图像。近场光存储用 Co/Pt多层磁光膜，其线宽10～50nm、密度1000Gb/in2。光学双光子双稳态三维数字记录能达到Tb/cm2的体密度、40Mb/s传输率， San Diego达100层的记录方法。

原油储罐清洗系统(COW)

国际上原油储罐清洗系统(COW)开发于20年前。该技术是国际上开发研制的陆上石油储罐清洗系统，并获得了有关专利。在东南亚、欧洲、中远东及东南亚等地区的石油储罐清洗方面得到广泛应用。迄今为止，已采用该工艺技术成功的清洗了800余座储油罐。经过近二十年的发展和完善，在陆地上储油罐清洗应用方面，COW原油清洗系统居世界领先水平。

COW原油储罐机械清洗系统的主要优点：

原油回收率高。

COW 方法可以最大限度地回收沉积物中的油分， 回收率占总沉积物的98% 以上，仅剩2%以下基本不含油的铁锈和泥砂等杂物，而人工清罐是把所有沉积物都当成渣油进行人工清理，且造成污染和浪费。以清洗秦皇岛输油公司一个100,000立方米油罐为例， 如果采用传统人工清罐需处理的沉积物约1600吨左右，而用COW设备机械清洗，需要人工处理喷射死角的残留物(铁锈、沙子、杂物等)只有1吨左右。

清罐周期短，停罐时间短。

COW工艺方法主要使用机械清洗，它不受储罐沉积物量、油罐大小和天气的影响， 因此效率高， 施工周期短，而人工清洗受以上几个方面影响很大，随着淤渣量的增加，清洗时间也较大幅度的跟着增加。以10万方油罐为例，一般情况下，用COW方法清洗，停罐时间仅15天，而人工方法约两个月。

不直接用蒸气或热水加热, 不影响原油的质量。

传统的人工清罐法是用大量蒸汽“蒸罐”， 让凝油直接与蒸汽接触，使凝油融化，使轻质组分流失，从而破坏了原油的质量。而COW 方法是靠清洗油冲击沉积物，由于稀释、溶解和扩散作用，回收的原油不会在短期内形成沉积物。回收的原油中，不增加含水量，含蜡量降低，不含砂或杂物。

投入人力少，安全有保障。

COW工艺方法使用惰性气体控制罐内氧气和可燃气体浓度，避免了因喷嘴高速喷射产生静电可能带来的隐患。清洗结束后，检查维修人员即可进罐进行动火维修作业。而人工清罐，需投入大量的人员在高浓度油气的罐内清除沉积物，容易造成人员伤亡。有许多拉渣油的车辆出入油库，给油库增加了不安全因素，给库区环境造成污染和事故隐患。

无环境污染。

COW工艺方法不向外排放污油，是将污油经油水分离槽分离后，把水作为清洗介质再循环利用，把分离出的油回收。传统方法因对原油加热，造成油气大量挥发，对无人购买的油泥进行堆放、废弃，造成环境污染。

清洗效果好。

COW工艺方法使用原油作为清洗介质，由于原油中富含轻质组份，相当于一种溶剂清洗。在一定温度、压力和流量的条件下，COW 工艺方法能保证清除死角外，油罐内表面均露出金属本底。

综合经济效益明显。

大型油罐的全自动化机械清洗机械是我们公司根据多年大型油罐的清洗经验研发的，该套设备包括三个系统：机械清洗系统、安全保障系统、后勤维护系统；

1，机械清洗系统是执行油罐清洗的主要设备和核心设备，内容包括：真空抽吸泵组、换热清洗泵组、三维喷射机组以及管线阀门组等；

2，安全保障系统是确保清洗过程在安全环境下生产，内容包括：惰性气体发生器、压缩空气机组、可燃气体氧气检测仪、有毒气体检测仪等组成；

3，后勤维护系统是确保整个系统设备正常运行的补给和维护作用，内容包括：发电机组、蒸汽发生器、防爆指挥室、防爆通信、防爆照明以及防爆工具等；

优点：自动化程度高，可实现批量生产，样式多样，可满足不同油罐的处理。

COW(crude oil washer)系统，是我们基于多年来大型油罐的清洗经验，专为大型浮顶油罐清洗独自开发的装置．本装置从清洗油罐中回收油类，采用抽吸系统，通过将清洗所用主要机器实现组件化，不仅减少了临时设置作业，还使主要机器设备集中管理作业．COW系统是由抽吸系统、热交换系统和多组清洗机构成，和国外相同设备相比采用全防爆型部件，优化了单元设备的选型，整体设备体积小，运输方便，性价比好等优点。

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