体全息存储系统存在物像倍数误差下的像素匹配研究

论文摘要

体全息数据存储与其它技术相比,具有存储容量大,数据传输率高、寻址时间快等优点,因此是下一代存储技术的发展趋势,成为国内外研究机构的主要科研方向。体全息存储作为一种光存储技术,系统误码率是衡量其性能优劣的重要指标之一。相关领域的最新研究表明,体全息数据存储系统的输入-输出器件像素之间无法严格 1:1 匹配会带来的严重的串扰噪声,是误码率偏高的主要原因。一般说来,体全息系统中输入输出器件的像素可以通过改变光学系统的物像倍数实现一一对应,即达到像素匹配。然而,实际重建图像的过程中,影响像素匹配的因素有很多,如系统内光学组件的机械位移误差、光学组件的设计和工艺误差、光学成像的放大率误差和存储介质收缩导致的误差。为了读出匹配质量更好的图像,本论文提出一种新颖的图像处理方式,实现了对各种误差的补偿。论文主要内容包括:1. 分析影响误码率和像素匹配的因素,对降低误码率的方法进行比较研究,确定降低误码率和提高像素匹配质量的研究方向。2. 以降低原始图像误码率为目标,对图像补偿算法的本质进行剖析,通过学习和拓展图像位移补偿算法,推导出存在物像倍数误差情况下的放大率补偿算法,最后归纳出可用于任意像素失配情况下的补偿算法。通过计算机模拟和实验两种手段,分析和验证物像倍数误差情况下的放大率补偿算法,并提出改进方向。3. 发挥体全息数据存储传输率的优势,设计并制作了新型的 CMOS 图像读出系统,用 FPGA 控制 CMOS 图像传感器实现了图像的高速输出,为系统的小型化和高速化提供了参考。论文不但对以往体全息数据存储像素匹配的方法进行了全面的总结,而且创新性的提出了有利于降低误码率的图像处理方法和光学设计思路,对体全息存储系统的实用化很有意义。此外,论文还对后续工作提出了展望和建议。

论文目录

• 第1章 引言
• 1.1 体全息存储技术的研究意义
• 1.2 体全息存储技术的基本原理及特点
• 1.3 体全息存储技术国内外研究现状
• 1.4 本课题的目的与意义
• 1.5 本论文的内容安排
• 第2章 系统中各关键组件对像素匹配的影响分析
• 2.1 本章引言
• 2.2 体全息存储及读出过程的分析
• 2.3 体全息数据存储信道
• 2.3.1 信道模型及其噪声
• 2.3.2 体全息数据存储系统及其信道模型
• 2.4 体全息数据存储信道
• 2.4.1 体全息数据存储-读出的数据流程
• 2.4.2 体全息数据存储-读出的噪声模型
• 2.5 像素对准和误码率
• 2.6 输入-输出器件性能对像素匹配的影响
• 2.6.1 输入器件
• 2.6.2 输出器件
• 2.6.3 输入器件与输出器件之间的成像关系
• 2.7 孔径光阑对像素匹配的影响
• 2.7.1 孔径光阑在系统中作用
• 2.7.2 孔径光阑的影响
• 2.8 本章总结
• 第3章 降低体全息存储系统误码率的方法
• 3.1 本章引论
• 3.2 使用调制码降低误码率
• 3.3 使用均衡化方法降低误码率
• 3.3.1 迫零均衡化
• 3.3.2 最小均方误差均衡化
• 3.4 位移补偿算法
• 3.4.1 位移补偿算法理论分析
• 3.4.2 数值补偿像素匹配实验
• 3.5 本章总结
• 第4章 一倍放大率下体全息图像读出的补偿算法
• 4.1 本章引论
• 4.2 体全息数据存储的放大率补偿算法
• 4.2.1 引入放大率补偿算法的思路
• 4.2.2 放大率补偿算法的应用背景
• 4.2.3 放大率补偿算法的理论分析
• 4.3 补偿算法和光学系统的改进
• 4.3.1 通用补偿算法
• 4.3.2 共轭法图像读出光路
• 4.4 共轭法体全息图像读取系统的放大率补偿模拟
• 4.5 本章总结
• 第5章 放大率补偿实验和分析
• 5.1 本章引论
• 5.2 实验系统
• 5.3 图像处理流程图
• 5.4 放大率补偿实验和图像分析
• 5.4.1 放大率补偿实验
• 5.4.2 放大率补偿实验图像分析
• 5.5 放大率补偿算法中重要参数的确定
• 5.5.1 系统放大倍数M
• 5.5.2 参与补偿计算的第一个像素
• 5.6 阈值选取
• 5.6.1 参数重新选择后的伪输出图像及其补偿
• 5.6.2 像素强度分析
• 5.6.3 阈值选取
• 5.7 本章结论
• 第6章 图像输出器件的更新和输出系统的改进
• 6.1 本章引论
• 6.2 CCD 图像传感器与CMOS 图像传感器的比较
• 6.2.1 工作原理
• 6.2.2 性能比较
• 6.3 CMOS 图像传感器的选择
• 6.4 基于CMOS 图像传感器的体全息存储系统图像读出方案
• 6.4.1 MI-MV13 型CMOS 图像传感器的工作原理
• 6.4.2 使用CMOS 图像传感器输出图像的基本思路
• 6.4.3 图像读出系统
• 第7章 结论
• 7.1 论文取得的主要研究成果
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢与声明
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果