（电路与系统专业论文）体全息存储系统的噪声分析与抑制方法研究.pdf

摘要 摘要 在过去的十几年中，人们对存储技术的大容量和高速传输速率的追求不断 升级，特别是随着网络和多媒体技术的广泛应用，这种需求更是急剧膨胀。在 这种需求下，体全息存储以其大容量和高数据读取速率的优点进入人们的视野， 并被认为是最有希望成为下一代海量存储的技术。但由于缺乏合适的存储材料 及实用部件，再加上系统的复杂性，特别是体全息存储受众多噪声的干扰，使 得其实用化进程较为迟缓。如何有效地抑制存储系统中的噪声干扰是体全息存 储技术的一个重要研究课题。本论文的研究内容就是以此为目标，应用数字信 号处理技术，展开对体全息存储系统中噪声抑制方法的研究。 论文首先根据现实体全息存储图像中存在的噪声特点，并针对由于背景光 强不均匀及部分固定的失真造成的存储图像噪声进行了研究，为减小它们的影 响，在实际存储中采用参考图像的存储方式，在参考图像中提取这些噪声的特 征，然后在数据处理中将该部分噪声去除；其次，针对研究室原有存储方案中 纠错码纠错能力较弱的问题，引入了纠错能力较强的纠错码，并通过仿真实验 证明了，在原有存储实验系统和方案的情况下，经过增强纠错能力后误码率可 以达到1 0 6 数量级；通过仿真实验还验证了二维移位循环交织的有效性；同时 对原有存储方案中调制一阵列码解码速度过慢进行了相应的研究；本论文还从 能量的角度分析了在存储中不同s l m 和c c d 参数下单个点的能量扩散情况及 s l m 和c c d 参数对像元匹配实验的影响。 关键词：体全息存储，数字信号处理，背景噪声，点扩散函数 a b s t r a c t t h er e q u i r e m e n t sf o rs t o r a g ec a p a c i t ya n df a s tt r a n s f e rr a t eh a v ei n c r e a s e d d r a m a t i c a l l yi nt h ep a s td e c a d e s ，a n da r ce x p l o d i n ge s p e c i a l l yw i t ht h ep o p u l a r i t y o f t h ei n t e r n e ta n dm u l t i m e d i af o rt h i sr e a s o n , v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e ，w i t hi t s h i g hs t o r a g ec a p a c i t ya n dd a t at r a n s f e rr a t e , p r o m i s e st ob e c o m ean e x t g e n e r a t i o n s t o r a g et e c h n o l o g y b u tt h ea b s e n c eo fs t o r a g em e d i u ma n dp r a c t i c a lc o r r r p o n e n t s b e s i d e so ft h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e mr e s u l ti nl o t so fn o i s e 。t h en o i s ep r e v i o u s l y p r e v e n t st h ep r a c t i c a lc o n d i t i o no f t h et e c h n o l o g y t h eh i g hf i d e l i t yo f s t o r e dd a t aa s t h er e q u i r e m e n tf o r p r a c t i c a b i l i t ym a k e s t h ee f f i c i e n tn o i s ec o n t r o li ns t o r a g es y s t e m a ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o nt h i si st h et a r g e to f t h er e s e a r c ht h a tb a s e so n d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gt os u p p r e s s i n gt h en o i s ei nh o l o g r a p h i cs t o r a g es y s t e m f i r s l 1 y , a c c o r d i n g t ot h en o i s ec h a r a c t e r i s t i co fr e a l i s t i cv o l u m eh o l o g r a p h i c i m a g e ，t h ep a p e rs t u d i e s t h en o i s ec a u s e db yu n i f o r m i t yo fl i g h t i n t e n s i t y a n d p a r t i a l l yf i x e dd i s t o r t i o n t or e d u c et h ei n f l u e n c e ，r e f e r e n c ei m a g e sa r es t o r e di n r e a l i t y t h ef e a t u r e so f t h e s en o i s e sc a l lb ed r a w nf r o mr e f e r e n c ei m a g et h e y h e l p t o e x c l u d et h ep a r t i a ln o i s e si nd a t ap r o c e s s i n g ，s e c o n d l y , b e c a u s eo ft h ew e a k n e s so f e r r o r c o r r e c t i o nc o d e ( e c c ) ，t h ep a p e ri n t r o d u c e se r r o r - c o r r e c t i o nc o d ew i t h s t r o n gc a p a b i l i t yi n t ot h es t o r a g es c h e m e i th a sb e e np r o v e di ns i m u l a t i o nt h a tu s e r b i te r r o rr a t ec a nb e10 q u a n t i t yl e v e la r e re r r o r - c o r r e c t i o nc o d ed e c o d e dt h e e f f i c i e n c yo f2 - dc y c l i cs h i f t i n gi n t e r l e a v i n g a l s oc a nb es h o w ni ns i m u l a t i o n r e s e a r c hh a sb e e nf o c u s e do ns l o w n e s so fm o d u l a t i o n c o d ed e c o d i n gi nt h i sp a p e r e v e n t u a l l y ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ep o i n ts p r e a df u n c t i o n i n e n e r g yw i t hd i f f e r e n t s l ma n dc c dp a r a m e t e r , a n dt h o s e p a r a m e t e r si n f l u e n c i n g 0 1 3 p i x e l - m a t c h e d s t o r a g e k e yw o r d s ：d i g i t a lh o l o g r a p h i cs t o r a g e ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，b a c k g r o u n d n o i s e ，p o i n ts p r e a df u n c t i o n - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：拯筮幽日期；丝笸。刍 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：扬燃导师签名：熟盟日期：壁垒：刃7 第一章绪论 第1 章绪论 近年来随着信息技术的高速发展，伴随而来的问题不仅仅是对各种数据的处 理，同时，如何来满足急剧增长的数据存储需求也已成为人们面临的急待解决的 问题。人们在现有存储技术的基础上不断探索，试图找到更为理想的存储方式： 与此同时，体全息存储以其特有的高密度存储优点进入人们的研究视野。并且对 其研究的热潮还不断增加。虽然在理论上体全息存储的优点是毋庸置疑的，但由 于体全息存储系统中大量噪声的存在，将其真正地投入到现实应用还需要进一步 的研究。在抑制噪声干扰的研究中，光学方面的努力固然重要，但将其与信息科 学的结合也是不容忽视的，近年来的研究成果也逐步证明了数字信号和数字图像 处理技术在该研究领域应用的有效性。本课题所做的工作便是将信号处理知识引 进到该研究领域，克服体全息存储系统中存在的一些噪声干扰问题，该研究对体 全息存储技术早日投入实用具有重要的现实意义。 1 1 体全息存储技术的特点 伴随信息科学发展而出现的各种数据量爆炸性增长问题，人们采取各种途径 来解决这些数据的存储，包括研究各种数据的压缩技术，设计分布式的存贮系统 等，更重要的还是积极地研制具有海量存储功能的系统，以便满足对存储容量大、 数据读取速率高、可靠性强的要求。体全息存储技术以其鲜明的特点和发展潜力 成为这一研究领域的重要发展方向，它与现行存储技术相比具有的特有优点 。5 有； 1 抗电磁干扰。外界电磁干扰的频率都远远低于光频，因此其抗电磁干扰 能力强，可以在复杂的环境中使用6 1 。 2 高存储容量。三维光学存储数据密度的理论上限f 1 是v 3 ，因此体全息 存储的理论存储密度可高达1 0 1 z b i t s c m 3 。 3 并行程度高。由于光束可以携带二维数据页，通过对照明光束的二维调 制，光学存储器件能广泛地提供并行的输入、输出。 北京工业大学工学硕士学位论文 4非接触式读写信息。用光束读写，不会磨损和划伤存储体，这不仅延长 了存储寿命，而且存储体可以自由地拆卸、移动和更换。 由于上述这些优点，自从激光器发明以来，光学存储技术就一直倍受人 们的关注。 1 2 体全息存储技术发展的概况 全息术是英国科学家g a b o r 在1 9 4 8 年为提高显微镜的分辨率时发现的i _ t , 2 】， 并制出了第一张全息图。但由于当时没有足够强的相干光源，使其研究前景一时 处于黯淡之中。直到6 0 年代激光的问世、离轴全息和反射全息的相继被发现， 全息术才又重放光彩，全息存储也再度成为研究热点。美国r c a 公司在1 9 7 5 年便首次报导了在l 立方厘米掺铁铌酸锂晶体中记录了5 0 0 幅全息图 ”。这些早 期的研究成果虽然很有开创性，但由于现实条件的限制，全息存储技术研究还是 没能抵挡住又一个低迷期的到来。 直到8 0 年代末，光学数据库、光学神经网络、光学互连、模式识别等几个 方面的研究热潮 ”，再度引发了人们对全息存储技术研究的兴趣；同时，精密仪 器、光折变记录材料、激光器、空间光调制器( s p m i m l i g h t m o d u l a t o rs l m ) 和 高性能c c dc a m e r a ( c h a r g e d - c o u p l e dd e v i c ec a m e r a ) 等硬件方面取得的实质 性进步，也鼓舞人们对实用化体全息存储器技术和系统作出了美好期盼。紧接着， 美国n o r t h r o p 公司1 9 9 1 年在1 立方厘米掺铁铌酸锂晶体中成功存储和再现了5 0 0 幅高分辨率存储内容为车辆的全息图”，1 9 9 2 年又取得了在铌酸锂晶体中存储和 无任何错误地再现1 0 0 0 幅数字数据的进展【”。这些骄人成绩的取得，更加激发 了人们对体全息存储系统的研究热情。在接下来的这些年中取得了更大的成就， 主要体现在： 1 9 9 4 年美国加州理工学院的g e o f f r e yb u r r 等人实现了在1 立方厘米掺 铁铌酸锂晶体中存储1 0 0 0 0 幅图像的实验，达到了约1 0 0m b 的存储容 量 1 9 9 4 年美国斯坦福大学的研究小组完成了压缩编码图像和视频数据存 储的实验，实现了彩色图像的存储和恢复【9 】； 第一章绪论 ! ! ! 型! 竺兰! ! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼皇皇曼苎! ! ! ! ! ! 墨曼量! ! 寰! 皇兰! ! ! ! ! ! ! 鼍 1 9 9 6 年r o c k w e l l 研究中心成功实现了将2 0 0 0 0 幅利用j p e g 标准压缩的 彩色视频图像存储在一个1 0 m m x1 0 m m x 2 2 r a m 掺铁铌酸锂晶体中1 ， 并实现了无机械运动的寻址； 2 0 0 1 年i b m 公司a l m a d e n 研究中心的g e o f f r e yb u r r i ”1 在掺铁铌酸锂晶 体中实现了存储面密度高达3 9 4 p i x e l s g m 2 的体全息数据存储，其最高原 始误码率为1 0 一，用户误码率达到了1 0 4 2 。 2 0 0 2 年美国斯坦福大学研究小组轮1 在光致聚合物全息盘中进行了数字 全息存储，数据传输率达到了1 0 g b i t s e e ； 2 0 0 3 年北京工业大学光信息存储课题组采用空间角度复用技术在盘片 状掺铁铌酸锂晶中存储了1 0 0 0 0 幅高分辨率全息图像”1 。 目前体全息存储与r a m 及磁盘存储在存储时间、传输速率和容量方面的大 致情况如下表1 1 所示1 1 4 】： 存储介质存取时间数据传输率存储容量 体全息存储 24 us1 0 ( m s4 0 0 m b i t s c m 2 r a m2 0 4 0 n s5 田s4 m b i t s c m 。 磁盘 83 m s5 2 0 田s10 0 m b i t s c m 2 表1 1 几种存储方法的性能比较 尽管体全息存储的研究工作在世界范围内已取得了上述这些骄人的成绩，但 真正成功的实用体全息存储系统问世还需要一定的时间，许多方面的技术难点还 需要研究。值得高兴的是目前世界范围内的体全息存储研究热潮仍在增加，越来 越多的单位和研究人员在投入该方向的研究。目前，世界范围内全息存储技术的 工作组主要有二个：全息数据存储系统( h d s s ) 协会和光折射信息存储材料 ( p e a s n d 协会【l 。两协会把各公( i b m 是h d s s 的成员) 和学术研究人员结合在 一起，这些研究人员来自加州工学院、斯坦福大学、亚历桑那大学和卡内基梅隆 大学的研究机构。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 本论文的研究意义和内容 通过上述对体全息存储特点和世界范围内体全息存储发展情况的概述，可以 看到体全息存储系统的研究意义是非常重大的。我国在大容量体全息存储系统的 研究工作起步较晚，直到上世纪九十年代中期才相继得到国防科技预研基金、国 家自然科学基金和国家重点基础研究发展规划项目( 国家9 7 3 计划) 的资助：但 到目前为止已取得了一定的成就。在当前起步较晚和试验条件有限的情况下，进 行数字体全息存储技术研究不仅仅需要从光学的方面着手进行研究，如何有效地 将数字信号处理技术应用到体全息存储技术中也是非常重要的。首先，体全息存 储系统最终的研究目的是投入现实使用，而最终在现实应用中信息的存储前后本 来是电子信号，这样数字信号处理技术的引进到体全息存储系统中也就成了种 必然。此外，对任何存储系统来说，确保存储数据的正确性，避免错误的出现都 是非常重要的，体全息存储系统也不例夕 ，尤其在系统本身存在大量噪声的情况 下，确保数据的准确读出就不仅需要通过采用精密的存储器件来完成，特别是在 现有硬件条件有限的条件下，将数字信号处理技术应用到体全息存储中来，不仅 可以增加数据正确存储的可能性，同时还可以适当降低对系统硬件的要求。将数 字信号处理技术应用到体全息存储系统中将有助于该存储系统早日投入实用。 本课题组在前有工作中已通过数字信号处理技术和体全息存储系统相结合 成功实现了一段视频数据的存储和回放，这也证明了数字信号处理技术在体全息 存储系统中应用的重要性和可行性。 本论文的主要研究内容包括： 针对体全息存储中，由于系统器件缺陷和灰尘等原因引起的那部分噪声 相对固定，在处理过程中可以根据这一特点将这部分噪声统一作为背景 噪声。因此，在存储过程中存入部分图像作为参考图像，从这些参考图 像中提取噪声特征，然后在读取的数据页中利用减背景噪声的方法减少 这部分噪声的影响。 由于本课题组原有存储方案中采用的纠错码功能较弱，在恢复后的数据 中还存在一定的噪声，随着存储幅面的加大和幅数的增加，误码还会进 第一章绪论 一步增多，因此有必要对纠错码功能作进一步增强，本论文对纠错能力 较强的b c h 码和r s 码在体全息存储中的应用进行了实现和仿真，验证 了经过原有存储方案处理后残余误码的可消除性。同时还验证了原有存 储方案中交织方法的有效性。针对原有存储方案中采用的调制一阵列码译 码速度较慢的问题，本论文提出了相应的改进建议。 在体全息存储中，由于系统器件等原因造成的码间串扰( 页内串扰) 较 为严重，影响了实验数据的保真度。本文从分析实验系统入手，分析了 码间串扰的生成原因和过程，设计实现了由于存储系统原因造成的码问 串扰参数的提取方法，可以在以后的数据处理中利用该种方法提取存储 信道的点扩散函数，然后利用这些参数进行反卷积运算，降低码间串扰 的影响。同时还对信号在不同s l m 和c c d 填充因子下的信号能量进行 了分析，得出了s l m 和c c d 填充因子对实现像元匹配存储的影响，为 尽快实现1 ：1 像元匹配存储打下了一定的理论基础。 1 4 论文的结构安排 论文的第二章简要介绍了体全息存储的光学原理和实验系统，可以从总体上 对体全息存储有个较为完整的认识；同时通过对体全息存储复用技术的讲述，解 释了体全息存储容量大的原因。 第三章介绍分析了体全息存储系统中存在的噪声，并介绍了从数字信号处理 角度抑制这些噪声影响的理论基础。 第四章通过分析体全息存储系统中存在的部分固定噪声的特点，将它们统一 作为背景噪声进行抑制，设计了一种消除这些噪声的方法。 第五章首先分析了课题组现有体全息存储方案的不足之处，对其进行了相应 的改进和验证；主要是通过采用纠错能力较强的纠错码来消除经过原有存储方案 处理后残留的部分误码；并验证了原有方案中交织技术的有效性；此外还针对原 有存储方案中调制一阵列码的译码速度较慢问题提出了改进方法。 第六章从分析实验系统入手，分析了码间串扰生成的原因和过程；针对存储 系统原因造成的码间串扰，设计了一套信道参数的提取方法，可以在以后的数据 5 北京工业大学工学硕士学位论文 处理中利用该种方法提取存储信道的点扩散函数，然后根据这些参数进行反卷积 运算，降低码问串扰的影响；同时还对信号在不同s l m 和c c d 填充因子下的能 量情况进行了分析，得出了s l m 和c c d 填充因子对像元匹配存储的影响。 最后对全文进行了总结，并对进一步需要开展的工作进行了讨论和展望。 第二章体全息存储理论与技术 第2 章体全息存储理论与技术 体全怠存储的基础理论已经发展了3 0 多年，理论体系已经相对完整，为了 实现存储器的实用化，人们正逐步对其各项关键技术进行重点研究。为便于对体 全息存储的整体理解，本章首先从体全息存储的光学理论出发，介绍体全息存储 的一些基本概念。然后再对复用技术和存储系统结构作了一些讲解。 2 1 全息存储的基本原理 在原有光学存储中，光波的波前振幅( 或强度) 是容易被记录的，然而其相 位信息却是任何记录材料也不能直接记录的1 2 , a , 4 l 。1 9 4 8 年，g a b o r 借助于把相位 差转换成强度差实现了相位信息的存储，该种波前再现法被称为全息摄影。但由 于当时现实条件的种种限制，全息摄影的研究进展缓慢。直到六十年代中期“空 间载频”概念引入到全息过程中和激光器的出现，全息技术的发展情况才褥到了 重大变化。在全息存储中参考光束与物体的反射光束以不同的角度入射到记录平 面，二者相互干涉( 类似于传统通信系统中的调制) 产生全息图。全息图具有类 似光栅的结构，当再现光由记录时参考光相同的角度照射时，由于光栅的衍射， 产生再现像。因此它不同于般的照相过程【1 一，它记录的是投射到记录平面上 的完整波前，即它不仅仅是记录图像的强度分布，还包括其相位信息。 为了理解全息图的记录和再现过程，下面对平面全息图相应的理论进行分析 2 , 3 , 1 5 1 。 待记录的物光波载有物体特征的信息，构成一种复杂的光场，其复振幅可表 示为： o ( x 功= o o ( x , y ) e x p j 审，( x y n 其中化是记录介质平面上的坐标， 处的振幅和相位。 全息存储基本工作原理如图2l 所示 ( 2 1 ) 0 。囟川和西。仁，圳分别是参考光在阮圳 北京工业大学工学硕士学位论文 物 k 物光 l ：一 力 全息图的记录 质 共轭像： 图2 ，1 全息存储工作原理图 与此相类似，参考光波可表示为 目t = r 。似纠e x p j r 伍 记录过程理论分析如下： 全息图的再现 ( 2 2 ) 记录时物光和参考光在记录介质平面上相干叠加后的光强分布为： 讹圳：o + r 1 2 = ( 。+ 固( o + + r 3 ( 2 3 ) = ( 0 。2 + r 。2 ) + o o g 。e x p i r 妒。一曲 + o o r o e x p j ( b 一一驴 = ( 0 。2 + r 。2 ) + 2 0 0 r o c o s ( 曲。一 曲0 式中第一、二项合起来是背景强度；第三项的大小是周期性变化的，引起明 暗条纹的出现。前者表示各个波的强度，后者与时间无关的干涉项包含了相对相 位信息，因此物光波的相位信息就转化成了强度信息。 读取过程理论分析如下： 对于薄型全息图，显影过程中往往要产生一个表征全息图振幅透过率的函 第二章体全息存储理论与技术 数： t ( x y ) ：f _ l ( x ? 谚 ( 2 4 ) 根据记录介质不同，函数即化砂可以是实函数、虚函数，或复函数。同时， 它可以是线性的也可以是非线性的，但不论何种情况下都可以进行线性近似( 例 如，取泰勒级数展开的前两项) ，对于振幅型全息图，便可得到一个透射函数： 数。 玎t 圳= 乃+ 1 3 z ( x , y )( 2 5 ) 式中乃是代表背景的一个常数，是与材料性质和曝光时间有关的比例系 再现过程通常是用与参考光波全同的读出光去照明全息图，设该光波可用 r 伍表示。则在全息图后表面的光场分布可表示为： w x y ) = r ( x 谤t ( x j y ) ( 2 - 6 ) = i t 。七0r j ) r 十, 8 0 r + f i r 0 2 0 七o r 0 2 e x p ( 2 由r ) 式中的第一项代表直接透射的读出光束；第二项表示在第一项周围随空间而 变化的晕轮光，和第一项一起合称为零级光波；第三项正比与物光0 化纠，被称 为“原始像”光波；第四项为共轭像，它和第三项形成了两个一级衍射波。当参 考光相对于物光偏离了一个角度臼时，便可以把不需要的共轭像及零级背景光在 空间上与有用的“原始像”分开1 2 , 3 , 1 5 1 。 虽然光场分量中含有电场和磁场，但由维纳所做的驻波实验证明光驻波图形 大多在电场的波腹区域使感光底片感光，而不是在磁场的波腹区域，因此只有光 场分量中的电场在形成全息图时起了主要作用1 6 , 1 5 1 。由此可知在非磁性材料( 体 全息存储材料为非磁性材料) 上形成全息图时可以忽略磁场的影响，仅考虑电场 的作用。同理在进行再现时也只有电场的作用是主要的。所以本论文中所讨论的 光波方程均仅仅考虑电场分量。 2 2 体全息图的概念和存储原理 当记录介质较厚( 厚度比记录的干涉条纹间距大的多) 时，物光和参考光两 相干光束在介质内部相互干涉，形成三维光栅状全息图，称之为体积全息图，简 北京工业大学工学硕士学位论文 称体全息图( v o l u m eh o l o g r a m ) 1 2 1 。 2 2 1 体光栅与布拉格衍射 体全息图的形成是通过物光( o ) 和参考光( r ) 在记录介质内部的相互干涉。为 方便起见，假设物光和参考光都是平面波的情形下，根据光的干涉原理，物光和 参考光的相互干涉，在记录介质内部形成等间距的平面族结构，它称为体光栅。 如图2 2 ( a ) 所示。图中0 j 和0 2 分别是参考光和物光在介质内的入射角2 川“。条 纹面应处于r 和o 两光的夹角上，它与两束光的夹角0 应满足关系式( 2 7 ) ： 0 = ( 0 1 0 2 ) 2 体光栅常数a 应满足关系式 2 as i n 0 = 旯 式中九为光波在介质内传播的波长。 1 。 l - 纱 之 x ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ， l 沙 乙 i 一d 斗 ( a ) 记录( b ) 再现 图2 2 体全息图记录与再现的光路图 1 0 第二章体全息存储理论与技术 体全息图对光的衍射作用与布拉格对晶体x 射线现象所作的解释十分相似， 因而常借用“布拉格定律”来讨论体全息图的波前再现，并把式( 2 - 8 ) 称为“布 拉格条件”，把角度0 称为“布拉格角”。只有当再现光完全满足该布拉格条件时 才能得到最强的衍射光。图2 2 ( b ) 是其再现示意图。 222 耦合波理论及布拉格偏移 在分析体光栅的衍射时，由于光通过光栅传播，所以必须考虑衍射波的振幅 是随入射波的减少而逐渐增加的1 2 ，3 】。这一分析过程的完成可以借助耦合波理论， 其主要思想是从麦克斯韦方程出发，根据记录介质的电学和光学常量，直接求解 描述照明光波和衍射光光波的耦合微分方程组，得到衍射波的复振幅，进而得到 再现信号的衍射效率： 透射：r 2 ( c o s 吼c o s o ，避 ) e ；q )( 2 9 ) 反射：叩2 0 c 。s 以i c 。s 臼，) e ( o ) e + ( o )( 2 一t o ) 其中，吼和曰，分别为晶体内衍射光波和再现光波与z 轴的夹角，e 是衍射光 波的复振幅，d 为介质的厚度。 在实际工作中一个应该值得注意的现象是“布拉格偏移”。 1 6 1 在光折变晶体 中读取全息图时，即使用全同的参考光再现衍射光，也不能够获得最大的衍射效 率，因为此时在光折变晶体内发生了布拉格偏移【1 7 i 。光折变晶体记录动态全息光 栅，是与静态记录材料的一个重要区别，光折变晶体中的动态自衍射特性和两记 录光束间的相位耦合，导致它们之间的相对相位关系随晶体的深度而变化，光栅 条纹偏离原始的双光束干涉的等相面而发生倾斜或弯曲。最终再现时，与记录光 束全同的再现光束不再满足布拉格条件，即布拉格读出的角位置相对原记录光束 发生了微小的偏移，即布拉格偏移。理论和实验证明了布拉格偏移的存在，一 般而言，对于很弱的光栅，布拉格偏移很小，但对于厚晶体和曝光时间很长的全 息图，则应该注意在最佳条件下读出光栅，此时，即使原位置读出也可导致衍射 效率的大幅下降。 北京工业大学工学硬士学位论文 2 3 复用技术 通过上述可知，由于体全息图再现时光栅固有的布拉格选择性，可通过改变 布拉格式中的变量来实现在同一体积内存储多幅全息图，同时又能保证所记录的 多幅全息图质量”。对于体全息存储可采用的复用技术有角度复用、波长复用、 相位复用以及其它混合复用技术。下面分类对它们进行简单介绍。 2 ，3 1 角度复用 角度复用体全息存储复用技术中使用最早、研究最充分的一种技术1 5 , 18 1 。它 是在固定的波长的情况下，通过改变参考光的入射角，使每幅体全息图参考光角 度不同，从而实现在记录介质的同一位置存储多个全息图，如图2 3 所示【3 1 。同 时，完成复用所需的只是改变参考光的入射角，因此它的实现对系统的硬件设备 要求不是很高。 物光 介质 参考光1参考光2参考光3 2 3 角度复用示意图 2 3 2 波长复用 读出时再现光的波长改变也会引起布拉格失配，因而可以利用不同的记录波 长在记录介质的同一体积内记录多幅全息图，该种复用技术被称作波长复用。一 般情况下，进行波长复用时每个全息图的参考光和再现光都是采用相同的角度， 区别在不同的波长。虽然波长复用是体全息存储的主要复用方式之一，但由于激 光器的发展还不能达到波长复用的要求，因而这种复用技术大多是从理论上进行 研究探讨，纯粹实用的波长复用技术发展比较缓慢 1 5 , 1 9 。 2 3 3 相位复用 这种复用技术，每个全息图都采用固定的波长和主光束角度，但每幅存储图 第二章体生息存储理论与技术 像使用各自不同的相位编码后的参考光写入和再现光读出。记录不同全息图的参 考光不再是简单的平面波或球面波，它们的波面具有各不相同的相位分布。其不 同角度的参考光反映到记录介质平面上就表现为不同的线性相位分布，因此就其 这点来说相位复用与角度复用比较相似。但它是按照一定的编码规则进行编码的 确定性相位编码，相位编码的合理设计，可有效地抑制不同全息图之间的串扰。 通常采用的是正交相位编码1 1 5 0 。o ”。 这种复用的优点是：在记录和再现时，参考光束或物光束的角度或位置都不 必有任何改变，对参考光的相位调制是通过电寻址的s l m 完成，避免了机械运 动，也不存在声光偏转引起的多普勒频移问题；另外采用纯相位调制，能耗也较 少。但由于受实际相位编码器件水平的限制等原因，纯相位复用技术的发展也不 是很充分。 2 3 4 混合复用 由上面的介绍可知，体全息存储有多种复用方式，但由于各种复用技术受现 实条件的限制，单一的复用技术很难充分发挥其优势，因而可以将任意两种或多 种复用技术相结合，以便充分利用各种复用技术的优点。目前被采用的混合复用 技术有：分块全息存储、空间一角度复用、圆周复用和稀疏波长一角度复用等 ，l 5 1 。 正是由于体全息存储中这些复用技术的存在才使得它具有超出其它存储方 式的海量存储性能。 2 4 体全息存储系统的基本结构 体全息存储系统主要包括光源、数据输入设备、数据记录介质、数据输出设 备及相关的光学元件。为便于从直观上对系统进行了解，结合图2 , 4 进行讲解， 该图为邻面入射型傅立叶全息存储系统光路图【2 3 , 1 5 。 ：，。，：，。! ! 墼! 三些奎茎三茎堡圭耋堡篁兰， 2 4 体全息存储器示意图 具体存储过程为：首先利用具有较好相干性和稳定性的激光器作为光源，输 出光束由分柬镜分成两路激光：一路经反射镜l 反射后直接投射到记录介质，记 录时作为参考光，读出时作为再现光；另路在记录时使用，经反射镜2 反射后 由组扩束镜扩束准直，然后照射到s l m ( 受输入图像信号控制) ，经s l m 调 制，携带s l m 上的图像信息，形成物光，傅立叶透镜l 对其进行傅立叶变换， 投射到记录介质。两束相干光在记录介质内相互干涉，最终形成体全息图。读出 时，再现光由记录参考光相同的入射角度入射，在记录介质内经体全息图衍射得 到再现二维傅立叶频谱图，由傅立叶透镜2 反变换成原始图像的再现像，最后由 c c d 探测得到读出信号。 通常存储介质采用片状和块状两种，对于片状介质，一般采用透射式或反射 式记录方式；但对于块状介质，一般采用邻面入射式，上述图中便是采用的块状 介质。当要求对数据页1 ：1 存储再现时，物面、存储介质和c c d 靶面分别位于 傅立叶透镜1 和傅立叶透镜2 的焦平面上，构成个4 f 系统( 其中这两个傅立 叶透镜的焦距都为f ) 。也可以根据现实需要按照光学原理设计光路，来实现放大 或缩小的再现像吼 2 5 本章小结 本章首先从体全息存储的基本理论入手，介绍了体全息存储图像的形成过 第二章体全息存储理论与技术 程；接下来从宏观的角度简单介绍了体全息存储系统。通过对理论和实验系统基 本结构的介绍，使得体全息存储不再仅仅是一个抽象的概念，便于对体全息存储 的理解和认识，为下述内容的展开奠定了一些理论基础。对存储理论介绍的同时， 还讲述了一些常用的体全息存储复用技术，为体全息存储的海容量性能的原因作 出了解释。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章噪声分析和系统模型建立 本课题的研究内容是把数字信号处理知识应用到体全息存储系统中，根据前 面的叙述可知，体全息存储是一种光学存储。为便于理解这两部分知识是怎样结 合到一起的，本章首先描述了体全息存储系统中可以用数字信号处理技术解决的 问题，接着介绍了将这两方面结合到一起的理论知识。并在此基础上介绍了几种 衡量数字信号处理在体全息存储系统中应用效果的技术指标。 3 1 噪声分析 由上章的图2 4 可知，体全息存储系统的系统结构是复杂的。其中每一个环 节都有可能引进一定的噪声，主要有来自于光学系统引入的噪声、记录介质的噪 声、体全息存储的串扰噪声、以及探测器和电子线路的电子噪声等。这些噪声的 逐渐累积，最终会影响所存数据的质量。目前这些噪声干扰是体全息存储走向实 用化的障碍之一。本课题所做的工作是通过数字信号处理技术来抑制这些噪声的 干扰，确保所存数据的保真度。为明确课题的任务，下面将在上章所介绍的体全 息存储基本理论和存储系统的基础上，介绍影响存储图像质量的几种主要噪声， 具体分析如下 ： 页内串扰噪声，又称码间串扰噪声。任何一个系统，如果其带宽受限，当一 脉冲信号通过后，必将产生拖尾现象，从而对其它信号造成干扰 3 0 2 1 。体全息存 储系统中光学器件的孔径类似于传统的传输带宽，也会影响信号定频率的能量 在传输中不能通过，具体表现在每幅图像页内各像素点间将产生串扰，这与数字 信号通信系统中的码间串扰很类似，只是通信系统中的信号为一维时间信号，只 有先传输的信号才对后继信号产生干扰，而全息存储系统传输的是二维空间信 号，各个空间点之间都有相互串扰的可能。作为一个实用系统，c c d 采样点与 再现像素点间的对位不准确或再现像存在放大误差，同样会带来码间干扰。 页间串扰噪声。在记录介质的同一位置采用复用技术存储多幅图像，由于布 拉格失配等原因造成的各幅图像间产生一定的相互干扰，如同通信系统中信道间 的干扰 3 , 1 5 # 引。 第三章噪声分析和系统模型建立 电子线路噪声。这与通信系统中的噪声一样，包括电荷载流子的热噪声和散 弹噪声，低频噪声，过剩噪声，c c d 噪声，a d 转换的量化噪声等5 1 。 相干光学噪声。激光光束的高度相关性，使得由于光学系统中的缺陷造成的 散射或反射光相互干涉，最后叠加在物光中造成噪声。 记录介质的散射噪声。记录介质的缺陷和杂质会造成入射光的散射，从而造 成再现像中的散射噪声 2 , 3 , 1 5 】。 不仅噪声的种类很多，而且对不同的存储介质，系统配置，复用技术和数据 存取方案，各种噪声产生的影响也是不同的，最终具有决定影响作用的噪声源也 不相同2 4 1 。同时在这些噪声中有的是随机噪声，但大部分并不是随机的，特别是 许多噪声与所存储的数据有很大的相关性，例如码间干扰，页间串扰，非均匀性 擦除等。这就要求具体问题要具体分析，针对一定的具体存储系统要寻找具体的 实用解决方法。 3 2 系统模型建立 体全息存储作为一种信息的存储方式，最终决定其能否实用的关键问题就是 存储信息的保真度，若没有对存储信息保真度方面的保证，再高的存储密度和存 储容量都没有实际意义。所谓对存储信息保真度方面的保证其实就是在信息经过 存储和读取以后，保证恢复后信息的失真应控制在一定的范围之内。而测量结果 失真的本质原因是由于真实信息被一些无用信息所干扰，这些无用干扰信息相对 于真实信息而言就是噪声，因此对存储信息保真度的保证可以等价于对无用干扰 信息即噪声的抑制。所以噪声抑制方法的研究一直贯穿于体全息存储研究的整个 过程，并占有重要的地位。 在体全息存储系统中决定存储数据保真度的主要因素有两方面：其一是构成 存储系统的硬件引入的噪声情况；另一方面则是信息存入和读出过程中的数据处 理技术的使用效果。所以对噪声的抑制也是通过两条途径完成，一条就是通过采 用高精度的光学设备、高质量的记录介质和科学的存储方法去从噪声产生的根源 消除噪声。在体全息存储技术研究中，这是一条十分有效的捷径，但毕竟硬件的 成本太高且这种提高也是有限的。另一条途径是将体全息存储技术与数字信号处 。， ，。i ! 塞三些奎兰三兰堡! 圭兰堡兰圣，! 。，! ： 理技术恰当结合，设计适用于体全息存储的数字信号处理技术，它不但可以在给 定读出图像信噪比的情况下，有效地抑制噪声干扰，最终达到用户可以接受的误 码率，做到正确的信息存取；而且还能从一定程度上降低对存储系统硬件的要求， 从而降低存储系统的成本，便于以后的实用化。所以这条途径能帮助体现体全息 存储技术的优点，因此它是实现工程实用化的必经之路。上述两种方法中后者的 重要性不断被人们意识到，并不断得到突破和验证。本章的下述内容将介绍体全 息存储系统与数字信号处理技术相结合的一些理论基础。 从上章的理论介绍可知，体全息存取过程的实质是相干光学系统的二次成像 过程，但从整个系统的角度看，可以将体全息存储系统作为一个非实时的通信系 统来研究。其中的参考光与物光的干涉相当于传统通信系统中的载波与信号的调 制，存储介质相当于传输信道，再现光通过光栅衍射再现物光的过程相当于解调。 只不过通信系统中传输的信号是随时间变化的，其频谱为时间谱，而体全息存储 系统中存储和读出的信号是随空间变化的，所以其频谱表现为空间谱。通过这样 比较分析，便可以从传统的通信系统类比出一个体全息系统的通信模型出来，具 体如图31 所示： 传统的通信系统基本框图如下： 体全息存储系统基本框图如下 图3 1传统的遁信系和体全息存储系统基本框图 第三章噪声分析和系统模型建立 由框图可以看出两系统在系统结构上有较多的相似之处，在调制器之前和解 调器之后，两者的系统框凰相同，都属于信号处理的过程。因此在体全息存储系 统中完全可以借用一些传统通信系统中的信号处理方法的思路。然而体全息存储 系统又有其鲜明的工作特点，必将决定它所用方法有其独特的针对性，具体方法 将在下一部分详细论述。下面先分析体全息存储系统的特点。图3 2 为邻面入射 型傅立叶全息存储系统的光路图l ”，通过该图分析体全息系统的通信模型与传 统通信系统的相似性。 调制器 解调器 图3 2 体全息存储器示意图 从通信系统角度看：激光器，分束镜，反射镜1 ，反射镜2 和扩束镜可看作 外围辅助设备；s l m ，傅立叶透镜l 和记录介质看作调制器，参考光、入射光和 s l m 的控制信号作为输入，体全息图是输出信号；记录介质，傅立叶透镜2 和 c c d 看作解调器，再现光和体全息图是输入，c c d 输出是输出信号。 由图可知体全息存储系统的光栅形成和再现时的衍射均发生在记录介质中， 所以它的调制器与解调器和记录介质( 可以看成信道) 有着物理的不可分割性。 因此不能像通信系统那样，在信号通过含有干扰噪声的信道后，先通过滤波器滤 除一部分干扰，提高信噪比后再进行解调。针对它的这种特点，同时为了分析方 便，将调常0 器，记录介质和解调器( 即上图3 2 中虚框内的部分) 作为一个整体 来研究，统称为编码信道。简化后的示意图如下： 北京工业大学工学硕士学位论文 图3 3简化体全息存储系统基本框图 在得到这个简化后的体全息系统模型后，便可以将上述的体全息系统噪声像 普通的通信信道产生的噪声那样统一作为通信信道所产生的噪声来进行处理。于 是一些典型的通信信道理论便可以应用到体全息存储系统中了。 3 3 技术指标 体全息存储系统的最终目标是在高保真度情况下实现高容量和高数据传输 速率。因此用来衡量体全息存储系统成功与否的几个技术指标有：误码率、存储 容量以及数据的存取速率扛，”。下面分别详细论述这几个指标的定义和相关要 求。 3 3 1 误码率 体全息存储的再现图像质量，是限制体全息存储器存储容量以及决定其能否 实用化的重要因素。在体全息存储中，采用的是二值化图像存储，二值化图像常 常用来表示数字数据，即用组页器上像元的亮态和暗态分别对应于数字数据的 “1 ”和“0 ”。最终用探测器阵列和判决方法判断后，由于各种噪声的干扰，会 导致误判。因此，对于这种二值化图像的再现质量描述，目前常采用的方法是误 码率。误码率与存储器的信噪比是有关的，信噪比体现的是体全息存储过程中所 引入的噪声量，误码率是再现二值化图像质量的最终表现形式【2 j 。 在实际存储中，误码率又分为原始误码率和用户误码率两种形式。其中原始 误码率是用来衡量数据在纠错码解码前误码情况的量值。用户误码率是用来衡量 最终得到的数据中误码情况的