赵雅慧同学在全息存储研究中取得新进展
全息数据存储（HDS）技术具有较高的存储密度、较快的传送速率和较长的存储寿命，是大数据时代海量冷数据存储的一个有力候选技术。相比于传统的振幅调制型全息数据存储（AHDS），相位调制型全息数据存储（PHDS）具有更高的编码率，是发挥HDS潜力的有效方式。然而，由于存储信道中复杂噪声的影响，PHDS解调的相位数据存在较多的错误。探索优化的方案，减少相位错误从而提高系统的数据可靠性十分必要。华中科技大学博士生赵雅慧等人在与福建师范大学信息光子学研究中心合作研究中，在先前的研究基础上，对PHDS记录和读取的不同环节进行了分析和优化，提出了一种相位分布感知的自适应判决方案，简称PDAA判决方案。PDAA判决方案可以减少相位误码的发生，有效改善PHDS系统的数据可靠性。 PDAA判决方案源于对传统判决方案的分析。传统判决方案的四个判决阈值Th1、Th2、Th3和Th4分别为1.25π、1.75π、0.25π和0.75π，即为两个相邻调制相位的平均值。这种方式获得的阈值只是简单的由记录数据决定，而没有考虑读取数据的特点，因而其准确性有待实验观测来考证。图1是对一个数据页采用不同的阈值进行判决时获得的相位错误率（PER）的观测结果。实验中保持Th1、Th2和Th4的数值为传统阈值，只改变了Th3的数值。从图中可以看出，不同的判决阈值所对应的PER大小是不一样的。更重要的是，最小PER所对应的阈值并不是传统阈值。由此可见传统判决方案的阈值是不准确的。 |
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| 图1 不同Th3下的PER |
进一步的观测还发现，当对1024个数据页进行上述实验时，各个数据页的最小PER所对应的阈值也不一样。如图2所示，这些数据页的最小PER所对应的阈值有的大于传统阈值，有的小于传统阈值，有的等于传统阈值。由此可见，传统判决方案中使用统一的阈值对各个数据页进行相位判决也是不合适的。 |
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| 图2 1024个相位数据的最小PER对应的Th3阈值 |
针对上述现象，PDAA判决方案被提出。如图3所示，PDAA判决方案主要包括四个步骤：获取相位分布直方图、拟合相位分布曲线、计算相位判决阈值和执行自适应判决操作。通过这四个步骤，PDAA判决方案可以根据重建数据页的相位分布特征来确定判决阈值。由于噪声的影响，重建数据页的相位分布左右展宽和偏移从而发生重叠。在进行相位判决时，重叠区域的相位很容易发生错误。利用相位分布特征确定的阈值能够减少错误的发生，因而更加准确。另外，每个数据页的相位分布不尽相同，PDAA判决方案可以根据每个数据页自己的相位分布特征来施加不同的判决阈值，从而达到自适应判决的效果。 |
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| 图3 PDAA判决方案原理图 |
使用128x128个像素的灰度图像在图4所示的实验系统上进行记录和读取操作，验证了PDAA判决方案的有效性。记录图像时，首先根据灰度比特映射表将灰度图像转化成一个比特流，然后根据比特相位映射表将比特流进行相位调制得到相位数据。灰度图的每个灰度对应8bit数据。一个128x128像素的灰度图能被转化成一个包含131072个比特的比特数据流。比特流中的每2个比特组成一组进行相位调制得到65536个相位数据。65536个相位数据可以组织成128个32x16的信号数据页。每个信号数据页与32x16的参考数据页组织成一个32x32的相位数据页，然后上载到SLM去进行记录。每个相位数据使用SLM上4x4个像素表示。读取图像时，首先使用CMOS捕获重建光的傅里叶强度信息。然后使用迭代傅里叶转换算法进行相位重建，得到重建的相位数据页。之后分别使用传统判决方案和PDAA判决方案进行相位判决得到解调的相位数据页。最后根据映射表按照记录图像的逆过程恢复出灰度图像。 |
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| 图4 实验装置 |
图5给出了由8个灰度图组成的1024个相位数据页使用PDAA判决方案得到的判决阈值。很明显，每个相位数据页的判决阈值不尽相同。相比于传统的判决方案，PDAA判决方案能自适应的匹配最优的相位判决阈值。因此，更准确的判决阈值可以使用在每个相位数据页上。 |
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| 图5 1024个相位数据页的传统判决阈值和PDAA判决阈值 |
图6展示了两种判决方案下读取的一个灰度图。其中，图6(a)是传统判决方案下读取的灰度图，图6(b)是PDAA判决方案下读取的灰度图。从图中可以看出，使用PDAA判决方案恢复的灰度图噪点更少，更加清晰。由此可见，PDAA判决方案可以明显减少数据错误的发生，进而提高全息数据存储系统的可靠性。 |
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| 图6 恢复的灰度图像 |
上述研究成果以“Phase-distribution-aware adaptive decision scheme to improve the reliability of holographic data storage”为题，整理发表在美国光学学会(The Optical Society of American, OPTICA)期刊杂志Optical Express. Vol.30, No.10, 16655-16668 (2022)上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.455400 |
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(2022.04.28)
