Использование голографического кодирования для повышения помехоустойчивости каналов связи
The use of holographic coding to increase noise immunity of communication channels
Выходные сведения:
Тимофеев А.Л. Использование голографического кодирования для повышения помехоустойчивости каналов связи// ИТпортал, 2018. №2 (18). URL: http://itportal.ru/science/tech/ispolzovanie-golograficheskogo-kodi/
Авторы:
Тимофеев А.Л.
к.т.н., доцент кафедры «Электроника и биомедицинские технологии» ФГБОУ ВО Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Российская Федерация, (450008, Россия, г. Уфа, ул. К. Маркса, д. 12), e-mail: a_l_t@inbox.ru
Authors:
Timofeev A.L.
Ph.D., associate professor of dept. “Electronics and biomedical technologies”, Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russian Federation, (450008, Russian Federation , Ufa, K.Marx str., 12), e-mail: a_l_t@inbox.ru
Ключевые слова:
цифровое голографическое кодирование, восстановление утраченной информации
Keyword:
digital holographic coding, recovery of lost information
Аннотация:
В статье рассмотрена проблема восстановление информации, потерянной при передаче по каналам связи. Известные корректирующие коды обладают возможностью устранения ошибок небольшой кратности, но при передаче информации по реальному каналу связи в тяжелых помеховых условиях и/или при недостаточном уровне сигнала могут быть утрачены большие фрагменты информации, в том числе начало и конец передачи. В большинстве случаев это приводит к невозможности восстановления исходного сообщения. Для решения этой проблемы предложено использовать методы голографического кодирования, позволяющие восстановить сообщение по его небольшому фрагменту. В исследовании рассмотрены способы голографического представления произвольной цифровой информации, методы построения кодов, приведены соотношения, связывающие спектр исходного сигнала и частоту дискретизации голограммы.
Annotation:
The article deals with the problem of restoring information lost during transmission through communication channels. Known correction codes have the ability to eliminate errors of small multiplicity, but when transmitting information via a real communication channel in severe noise conditions and / or with insufficient signal level, large pieces of information, including the beginning and end of transmission, may be lost. In most cases, this makes it impossible to restore the original message. To solve this problem, it is proposed to use the methods of holographic coding, allowing to restore the message on its small fragment. The study considers the methods of holographic representation of arbitrary digital information, methods of building codes, presents the relationship between the spectrum of the source signal and the sample rate of the hologram.
Современные методы помехоустойчивого кодирования являются мощным инструментом обеспечения верности передачи информации по каналам связи с низким отношением сигнал/шум. Однако даже эти средства не обеспечивают восстановления утраченных при передаче больших фрагментов сообщения. Дополнительные трудности возникают, если информация передается по гетерогенным телекоммуникационным сетям, использующих широкий набор сетевых технологий и оборудования [1]. Одним из способов решения этой задачи является перенос в область обработки сигналов методов оптической обработки, используемых в голографическом способе представления изображений.
Одним из основных свойств голографического метода записи информации является делимость голограммы – возможность восстановления волнового фронта объекта каждым сколь угодно малым фрагментом голограммы [2 — 4]. Делимость обусловлена тем, что при диффузном освещении объекта каждая его точка освещает всю плоскость голограммы. При повреждении части площади голограммы из процесса формирования изображения исключается только часть лучей, что приводит к уменьшению яркости восстановленного изображения, пропорциональному соотношению дефектной площади к общей площади голограммы без потери основной информации. Это свойство представляет большой интерес для создания новых методов помехоустойчивого кодирования, позволяющих восстанавливать сообщение по его фрагменту.
Прямое моделирование процесса голографической обработки произвольной цифровой информации путем построения синтезированной голограммы методами цифровой голографии встречается с проблемой большой вычислительной сложности и необходимости использования большого объема вычислительных ресурсов. Поэтому разработан целый ряд методов, объединённых общим названием «псевдоголографическое кодирование цифровых изображений», предъявляющих существенные меньшие требования к используемым вычислительным ресурсам. Реализация этих методов снижает на несколько порядков требования к объему вычислительных ресурсов, но вместе с этим обладает меньшими возможностями восстановления утраченной информации по сравнению с голографическим кодированием. Методы псевдоголографического кодирования цифровых изображений впервые описаны в работе [5]. Идея заключается в том, что отсчеты цифрового двухмерного массива (цифрового изображения) переупорядочиваются специальным образом, так что по любой части переупорядоченного массива можно реконструировать уменьшенную копию исходного изображения. Закодированное изображение имеет «шумоподобный» вид. В дальнейшем в ряде работ [6 – 11] появились методы преобразования изображений, которые также обладают внешними «голографическими» признаками – квазиголографические и псевдоголографические методы.
Все существующие методы не моделируют процесс образования волнового поля и интерференционной картины, поэтому получаемое шумоподобное изображение не обладает всеми свойствами голограммы. Основной проблемой, препятствующей практическому использованию псевдоголографических методов является необходимость передачи совместно с псевдоголограммой еще и информации в той или иной форме о координатах положения каждого элемента внутри псевдоголограммы. Потеря информации о координатах делает невозможным полноценное восстановление изображения.
В связи с этим представляет интерес поиск алгоритмов голографической обработки информации, требующих меньших объемов вычислений.
Для решения этой задачи необходимо обратить внимание на отличие голографического кодирования произвольной цифровой информации от оптической голографии. Ключевыми факторами являются следующие:
• объект, по которому создается голограмма, не является объемным. Основная модель объекта – плоское изображение, представленное набором цифровых значений
• объект не привязан к пространственным размерам. Единица измерения размера объекта – длина опорной волны
• опорная волна также не привязана к пространственным измерениям. Длина опорной волны является базой для размеров объекта и восстановленного изображения
• разрешающая способность регистрирующей среды не ограничена.
Свойства голограммы не зависят от объекта, поэтому он может быть плоским и состоящим из набора светящихся точек, т.е. быть дискретным – каждый элемент объекта отображается в виде светящейся точки с яркостью, пропорциональной значению элемента.
Исходное цифровое сообщение, объект, представим в виде квадратной матрицы размером n: O(a,b), где a=1…n, b=1…n. Количество элементов матрицы N=n 2 . Элемент матрицы – двоичное число, имеющее q разрядов. Матрица объекта отображается в плоскую двумерную фигуру квадратной формы, содержащую N светящихся точек, яркость которых равна значению соответствующего элемента объекта. Матрица голограммы отображается в аналогичную плоскую фигуру, состоящую также из N элементов. Матрица объекта и матрица голограммы расположены в трехмерном пространстве в параллельных плоскостях, расстояние между которыми h. Элементы матриц с одинаковыми номерами находятся на общей нормали к плоскостям матриц.
Каждый элемент матрицы объекта o(a,b) является точечным излучателем сферической волны с длиной λ и комплексной амплитудой o(a,b) = o(a,b)*exp(iφ). Сферическая волна попадает на все элементы матрицы голограммы. Амплитуда волны o(a,b) сохраняется неизменной на всем пути распространения. Фаза волны φ является функцией пространственных координат. Комплексная амплитуда волны от элемента o(a,b) в точке нахождения элемента матрицы голограммы равна
где φ(a,b)(c,d) – фаза излучения элемента матрицы объекта o(a,b) в точке g(c,d).
Расстояние между соседними элементами в одном столбце (строке) матрицы голограммы tg связано с длиной волны λ соотношением
где s – размер стороны голограммы, k – коэффициент, который может быть как больше, так и меньше 1.
Расстояние f(a,b)(c,d) между точками o(a,b) и g(c,d) является диагональю параллелепипеда со сторонами tg(a-c), tg(b-d) и равно
f(a,b)(c,d) = SQRT(h 2 + tg 2 (a-c) 2 + tg 2 (b-d) 2 ), (3)
тогда φ(a,b)(c,d) – это дробная часть величины f(a,b)(c,d):
Введем опорное излучение с длиной волны λ, комплексной амплитудой r = r*exp(iψ), представляющее собой плоский волновой фронт, параллельный плоскости матрицы голограммы, приходящий на все элементы голограммы в фазе ψ0. В результате интерференции излучения объекта и опорного излучения в плоскости голограммы возникает голографическое поле, интенсивность которого равна
g = oo^ + rr^ + or^ + ro^ = Io + Ir + or^ + o^r, (5)
где Io и Ir – интенсивности излучения волны объекта и опорной волны соответственно.
Проведем дискретизацию голограммы, чтобы получить цифровой массив, описывающий интерференционную картину в плоскости голограммы.
В [12] показано, что с учетом теоремы Котельникова при размере минимального элемента объекта равном at период дискретизации голограммы должен быть d ≤ at/4. При этом длина волны используемого излучения должна быть λ ≤ at/8. Таким образом, для сохранения возможности точного восстановления изображения объекта необходимо использовать излучение с частотой в 8 раз большей пространственной частоты объекта, а частота дискретизации голограммы должна быть в 4 раза больше максимальной пространственной частоты объекта.
Полученная голограмма несет информацию обо всех элементах объекта и, соответственно, позволяет восстановить объект в исходном виде. Синтезированная таким образом голограмма обладает всеми свойствами оптической голограммы, в том числе – делимостью. Если при передаче голограммы по каналу связи произойдет потеря части информации, при обратном преобразовании фрагмента голограммы будет восстановлена полная матрица объекта. Качество восстановления объекта зависит от размера фрагмента голограммы. При снижении этого размера начинает возрастать уровень шума, снижающий динамический диапазон значений элементов объекта. Результаты экспериментальных исследований качества восстановления объекта от относительной величины фрагмента голограммы будут приведены в следующей статье.
Делимость голограммы позволяет восстанавливать исходный объект по фрагменту голограммы. Для того чтобы использовать это свойство для повышения помехоустойчивости канала связи необходимо представить передаваемое цифровое сообщение в виде цифровой модели оптического объекта, состоящего из массива светящихся точек, рассчитать волновой фронт объекта и построить в плоскости голограммы картину интерференции волнового фронта объекта с плоским волновым фронтом опорного излучения. Полученная голограмма будет результатом кодирования исходного сообщения. Восстановление информации осуществляется аналогичным образом. Каждый элемент голограммы несет информацию о каждом элементе объекта, поэтому объект может быть восстановлен и по небольшому фрагменту голограммы.
Источник
Способ передачи голографической информации по каналам связи
Способ передачи голографической информации по каналам связи с последующим восстановлением изображения по переданным голограммам, отличающийся тем, что, с целью повышения качества восстановительного изображения за счет устранения искажений, вносимых при передаче по каналам связи, формируют на входе канала связи динамическую голограмму, затем поочередно через равные интервалы времени, меньшие характеристики времени изменения параметров канала связи, передают по этому каналу излучение, содержащее информацию о голограмме, и когерентное излучение, на выходе канала связи проецируют излучение, несущее информацию о голограмме, на динамическую регистрирующую среду, а когерентное излучение задерживают на время, равное интервалу времени передачи информации о голограмме, формируют из него колебания с обращенным волновым фронтом и используют их для восстановления изображений по голограмме, спроецированной на динамическую регистрирующую среду.
Изобретение относится к области оптической, акустической и радиоголографии и может быть использовано, например, в оптической голографической связи, в голографическом телевидении и т.д. Известен способ передачи голографической информации по каналам связи, заключающийся в том, что формируют голограмму объекта на мишени передающей голографической телевизионной камеры, и интерференционный рельеф голограммы преобразуют в последовательность электрических сигналов, которые затем передают по каналу связи. На выходе канала связи из электрических сигналов формируют голограмму и восстанавливают по ней изображения посредством облучения когерентным светом. Недостаток данного способа состоит в том, что при передаче по каналу связи сигналов, несущих информацию о голограмме, возникают фазовые и амплитудные искажения сигналов, в частности за счет того, что стандартная полоса частот, используемая для передачи телевизионной информации, на несколько порядков меньше полосы пропускания частот, требуемой для передачи голограмм. Это ухудшает качество восстановленных изображений. Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ передачи голографической информации по каналам связи, заключающийся в передаче интерференциальных картин с последующим восстановлением изображения по переданным голограммам. Известный способ основан на передаче трехмерной информации со стороны приемника во множество пространственных зон с различной глубиной. Способ используется с применением голографических средств. При этом полученная приемным устройством информация воспринимается во многих пространственных зонах различной глубины. Каждая плоская зона с помощью объемной голограммы преобразуется в двумерное плоское изображение. В качестве устройства для получения соответствующего плоского двумерного изображения может использоваться телевизионная трубка. Восстановление изображения по голограммам осуществляют с помощью когерентного монохроматического излучения. Указанный способ позволяет сформировать объемную голограмму, представляющую собой сумму объемных голограмм, соответствующих отдельным плоским зонам конечной глубины. Однако, как и при реализации способов-аналогов, при передаче голографической информации по оптическим или электрическим каналам связи вносятся искажения изменением во времени и в пространстве параметров неоднородностей сред на пути распространения сигналов в оптических каналах связи. Целью настоящего изобретения является повышение качества восстановленного изображения за счет устранения искажений, вносимых при передаче по каналам связи. Поставленная цель достигается тем, что в способе передачи голографической информации по каналам связи с последующим восстановлением изображения по переданным голограммам формируют на входе канала связи динамическую голограмму, затем поочередно, за интервалы времени, меньшие характерного времени изменения параметров канала связи, передают по этому каналу излучение, содержащее информацию о голограмме, и когерентное излучение, на выходе канала связи проецируют излучение, несущее информацию о голограмме на динамическую регистрирующую среду, а когерентное излучение задерживают на время, равное интервалу времени передачи информации о голограмме, формируют из него колебания с обращенным волновым фронтом и используют их для восстановления изображения по голограмме, спроецированной на динамическую регистрирующую среду. При реализации описываемого способа через канал связи попеременно передают как излучение, несущее информацию о голограмме, так и когерентное излучение, предназначенное для восстановления изображения. Интервалы времени передачи излучения, несущего информацию о голограмме, и когерентного излучения должны быть значительно меньше характерных интервалов времени изменения параметров каналов связи, в результате чего изменения параметров канала связи одинаково воздействуют на оба излучения. Поэтому восстановление изображения прошедшим через канал связи когерентным излучением с обращенным волновым фронтом позволяет устранить искажения, вносимые при передаче через канал связи излучения, несущего информацию о голограмме. Это значительно улучшает качество изображения, восстановленного по голограмме. На чертеже приведено устройство, реализующее описываемый способ. На нем изображены лазер 1, полупрозрачное зеркало 2, объект 3, оптический клапан 4, генератор импульсов 5, динамическая регистрирующая среда 6, оптическая проекционная система 7, оптический канал связи 8, оптическая система 9, полупрозрачное зеркало 10, оптическая линия задержки 11, блок 12 формирования оптических колебаний с обращенным волновым фронтом, динамическая регистрирующая среда 13. В конкретном примере реализации способа в качестве лазера 1 использован лазер ЛГ-38, в качестве оптического клапана 4 использовалась ячейка Керра, коэффициент пропускания которой изменялся под воздействием электрических импульсов от генератора импульсов 5. В качестве регистрирующей среды 6 использован анилиновый краситель Нильский голубой. В качестве оптической проекционной системы 7 и оптической системы 9 применены положительные линзы. Передача голографической информации производилась по световоду, являющемуся оптическим каналом связи 8. Совпадение во времени сигналов, несущих голографическую информацию, и восстанавливающих световых колебаний в плоскости динамической регистрирующей среды 13 достигалось за счет удвоения длины оптического пути луча, проходящего от полупрозрачного зеркала через блок 12 формирования оптических колебаний с обращенным волновым фронтом, по сравнению с длиной оптического пути от полупрозрачного зеркала 10 до регистрирующей среды 13. Удвоение оптического пути производится в линии задержки 11. Блок 12 формирования оптических колебаний с обращенным волновым фронтом выполнен в виде схемы четырехволнового взаимодействия с использованием ниобата лития в качестве среды, обеспечивающей обращение волнового фронта. В качестве динамической регистрирующей среды использован анилиновый краситель Нильский голубой. Способ включает следующие операции: 1. На динамической регистрирующей среде передающего пункта прерывисто регистрируют голограмму объекта, видеоинформация о котором подлежит передаче по оптическому каналу связи. 2. Производят перенос волновых фронтов прерывисто фиксируемой на среде голограммы и когерентного света на вход канала связи. 3. На входе канала связи производят временное разделение волновых фронтов света, несущих информацию о голограмме и не содержащих такой информации. 4. Производят временную задержку пучка света с волновым фронтом, не содержащим информации о голограмме. 5. Из пучка света с волновым фронтом, не содержащим информации о голограмме, формируют пучок света с обращенным волновым фронтом. 6. На динамической регистрирующей среде фиксируют интерференционный рельеф голограммы, информация о котором содержится в волновом фронте пучка света, прошедшего через голограмму. 7. Облучают голограмму, зафиксированную на динамической среде пучком света с обращенным волновым фронтом, и восстанавливают по ней изображение объекта. 8. Получают информацию о характеристиках изображений, восстанавливаемых по голограммам. Способ реализуют следующим образом. Излучение лазера 1 делят полупрозрачным зеркалом 2 на предметный и опорный пучки. Объектный пучок, отраженный от полупрозрачного зеркала 2 через оптический клапан 4, направляют на объект 3. Дифрагированные на объекте колебания направляют на динамическую регистрирующую среду 6, на которую также направляют опорный луч, прошедший через полупрозрачное зеркало 2. Оптический клапан 4 под воздействием электрических импульсов от генератора 5 импульсов изменяет коэффициент пропускания. В результате в промежутки времени, соответствующие открыванию оптического клапана 4, на динамической регистрирующей среде 6 за счет взаимодействия дифрагированных на объекте 3 и опорных колебаний формируется динамическая голограмма. Сформированную динамическую голограмму с помощью оптической проекционной системы 7 проецируют на передающий конец оптического канала связи. При закрывании оптического клапана 4 опорное колебание от лазера 1 через полупрозрачное зеркало 2, регистрирующую среду 6 и оптическую проекционную систему 7 поступает на передающий конец оптического канала связи 8. В результате на передающий конец оптического канала связи попеременно проецируются интерференционный рельеф голограммы и когерентное излучение лазера 1. После прохождения через оптический канал связи оптические сигналы, содержащие информацию об интерференционном рельефе голограммы, и прямое излучение лазера попеременно поступают на оптическую систему 9, после прохождения которой попадают на полупрозрачное зеркало 10. Световые колебания прошедшие через зеркало, падают на динамическую регистрирующую среду 13. Световой пучок, отраженный от полупрозрачного зеркала 10, проходит через линию задержки 11, блок 12 формирования оптических колебаний с обращенным волновым фронтом и также падает на динамическую регистрирующую среду 13, но под углом, равным углу падения объектных лучей на регистрирующую среду 6, но с противоположным знаком. В результате падения на динамическую регистрирующую среду 13 луча, прошедшего через полупрозрачное зеркало 10, в моменты, соответствующие прохождению через него голографической информации, на регистрирующей среде фиксируется голограмма объекта. Облучение в это же время регистрирующей среды 13 лучом света с обращенным волновым фронтом с выхода блока 12 приводит к восстановлению изображения по голограмме и исключению влияния искажений, которые возникли в оптическом канале связи при передаче голографической информации. Исключение искажений обусловлено тем, что они в одинаковой степени воздействуют на волновые фронты света, несущего голографическую информацию, и прямого излучения лазера. В плоскости же регистрации голограмм на среде 13 волновой фронт восстанавливающего света с выхода блока 12 имеет обращенный волновой фронт, что приводит к компенсации искажений, возникающих в оптическом канале связи, и тем самым исключаются искажения изображений, восстанавливаемых по голограммам. В промежутки времени, когда через полупрозрачное зеркало 10 на регистрирующую среду 13 поступает луч, не несущий голографической информации, а с блока 12 на регистрирующую среду поступает оптический луч, содержащий голографическую информацию, также наблюдается восстановленное изображение, но под углом по отношению к нормали к регистрирующей среде 13, равном удвоенному углу падения лучей, дифрагированных на объекте 3, падающих на регистрирующую среду 6. По сравнению с известными способами предложенный способ позволяет повысить качество восстановленного по голограмме изображения за счет устранения искажений, вносимых при передаче через каналы связи сигналов, несущих информацию о голограммах. Преимущества предложенного способа позволяют использовать его при разработке голографических телевизоров, а также в системах оптической голографической связи.
Способ передачи голографической информации по каналам связи с последующим восстановлением изображения по переданным голограммам, отличающийся тем, что, с целью повышения качества восстановительного изображения за счет устранения искажений, вносимых при передаче по каналам связи, формируют на входе канала связи динамическую голограмму, затем поочередно через равные интервалы времени, меньшие характеристики времени изменения параметров канала связи, передают по этому каналу излучение, содержащее информацию о голограмме, и когерентное излучение, на выходе канала связи проецируют излучение, несущее информацию о голограмме, на динамическую регистрирующую среду, а когерентное излучение задерживают на время, равное интервалу времени передачи информации о голограмме, формируют из него колебания с обращенным волновым фронтом и используют их для восстановления изображений по голограмме, спроецированной на динамическую регистрирующую среду.
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000
Источник
