CN1319049C

CN1319049C - 去除噪声的方法和装置以及用于数字记录的磁头－介质间距调制的测量

Info

Publication number: CN1319049C
Application number: CNB2004100324365A
Authority: CN
Inventors: 王建民; J·L·普雷塞斯基
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: US20040252393A1; SG139531A1; US7050173B2; KR20040086185A; JP2004311012A; CN1658290A; KR100615736B1

Abstract

一种用于测量磁头-介质间距调制(HMS_Wq)的方法和装置运用一个表面光度仪来测量盘的表面构形。累积功率谱密度(PSD)分布从测得的表面构形生成。不连续和阶跃在PSD分布中被识别。不连续和阶跃被去除以创建一经修正的PSD分布。于是从经修正的PSD分布生成一无噪声谱。

Description

去除噪声的方法和装置以及用于数字记录的磁头-介质间距调制的测量

(1)技术领域

本申请要求申请号为60/459,761，申请日为2003年4月1日的临时申请的优先权。因此通过引用而合并公开的所有内容。

本发明涉及对一表面构形特征的描述，特别涉及在描述盘表面构形特征中去除磁头-介质间距调制测量中的噪声。

(2)背景技术

信息存储和检索的一种形式为硬盘驱动器(以下称“盘驱动器”)。盘驱动器通常用于计算机、数据记录装置、独立盘片的冗余排列(RAIDs)、多媒体记录器等装置的信息存储及检索。一个盘驱动器包含一个或多个盘介质。

每个盘介质包含一基底，在其上deposited覆盖材料以形成一层对于磁性敏感的表面。在形成盘介质时，基底通常采用化学-机械或机械磨光法研磨或磨光，以提供一基本平坦的表面。多层材料基本上均匀地覆盖在基本平坦的表面上，从而为从盘介质上写入或读取信息提供磁学性质。

然而，诸如凹坑、空白、颗粒、凸起及刮痕等缺陷都可能出现在盘介质表面。这些缺陷会影响该盘介质的表面构形，并且需要对其进行检测及描述。由于用于支持超高强度数字磁记录的磁头-介质浮动(flying)高度间距极度减少，所以盘表面构形的描述变得越来越重要。研究显示，作为在波长范围0.02mm至100mm内的构形定义的盘的微波纹(micro-waviness)对于磁头-硬盘分界限有实质的贡献，也称作盘接触(滑动)雪崩。一种模型被研发用来从媒体的可测性质来预测盘介质的滑动雪崩。这种模型的一个组成部分是HMS_Wq(r.m.s.磁头-介质间距调制)，它是由所述盘表面的微波纹的测量而计算得出的。为计算HMS_Wq，使用高分辨率表面光度仪，诸如坎德拉表面光度仪、正交相移干涉仪(QPSI)或激光多普勒振动计(LDV)来计算盘上一给定半径处的圆周的表面构形。

测量信号提供给利用快速傅里叶变换(FFT)分析表面构形谱的处理器。在微波纹波长范围求表面构形功率谱密度(PSD)和一空气支承传递函数乘积的积分来确定HMS_Wq。因此，作出准确和无噪声的表面构形测量成为HMS_Wq测量的关键步骤。通过观察可知构形PSD谱的测量容易被噪声源污染，这些噪声可能起源于电子或由不必要的机械振动产生。图1示出了这些污染谱分量的几个例子。从图中可以看出这些不必要的频率分量在1kHZ到3MHz的范围内变化。在表面构形PSD谱中存在这些噪声源会严重影响HMS_Wq测量的可重复性和可靠性。问题在于不能采用传统的过滤技术，因为噪声位于所考虑的频段内。

(3)发明内容

需要提供从表面构形PSD谱去除噪声的方法和装置，以便实现准确的磁头-介质间隔调制测量。

本发明的实施例提供了测量磁头-介质间隔调制(HMS-Wq)的方法，满足了以上及其他需求，该方法包括下述步骤：测量盘表面构形，以及由测量到的盘表面构形产生的一累积功率谱强度(PSD)。在累积PSD分配中的不连续及阶跃被识别，而后去除这些累积PSD分布中的不连续及阶跃。

前面提到的需求由本发明的其它方面满足，它提供了测量HMS-Wq的装置，包括一实施盘的表面构形测量的测量装置及一处理器。在本发明的实施例中，处理器被设定成在构形测量的基础上确定表面构形功率谱强度(PSD)。另外处理器还被设定成从初始PSD谱中去除噪声，并在去除噪声的PSD谱上生成表面构形的振幅均方根值(r.m.s.)

。该处理器还被设定用来根据计算HMS_Wq。

前面提到的需求由本发明的其它实施例满足。它提供了测量盘的表面构形的装置，包括一得到盘的表面构形测量的测量装置及确定去除噪声的磁头-介质间隔调制(HMS_Wq)的装置。

本发明的前述及其它特征、方面及优点将通过以下结合附图对本发明的详细描述得以更清楚的展示。

(4)附图说明

图1为对于盘表面构形的示例信号及示例测量值，HMS(r.m.s.)对x轴上的频率信号的曲线图。

图2是图1中根据本发明实施例计算出的积分功率密度P(k)对图1的频率的曲线图。

图3示出根据本发明实施例的去除噪声的积分功率密度

对图1的频率的曲线图。

图4示出根据本发明实施例，从信号中去除噪声之后的表面构形的振幅r.m.s.的曲线图。

图5为一可以用于本发明的QPSI检测器的示范实施例。

图6为构造来根据本发明的一个或多个方面接收光强度电压信号的信息处理系统的一实施例的示例部分的框图。

图7为一根据本发明的实施例确定HMS_Wq的方法的示范实施例的流程图。

(5)具体实施方式

本发明处理并解决由表面构形功率谱密度谱中噪声源引起的同r.m.s.磁头-介质间隔调制有关的问题。本发明一部分是通过提供测量磁头-介质间隔调制(HMS_Wq)的方法和装置来克服上述问题的，其中包含测量盘的表面构形并从测量到的表面构形生成一累积的功率谱密度(PSD)分布。累积PSD分布中的不连续及阶跃被识别，而后被去除。采用一斜率检测法找到该不连续和阶跃的上升及结束点。从这里计算出功率谱强度分布中的第一阶跃高度。然后，以阶跃高度来垂直移动累积的PSD分布的线段，从而从累积的PSD分布中去除阶跃。这种做法一直持续到累积的PSD分布中所有的阶跃都被去除。通过这个去除了噪声的累积的PSD分布，去除噪声的表面构形振幅r.m.s.就被确定了。

本发明可用多个不同的装置来实施，它们可采用不同类型的测量装置。例如，本发明可用于坎德拉表面光度仪、或激光多普勒振动计(LDV)的表面构形测量。为了说明的目的，将结合图5-6对正交相移干涉仪的实施例进行描述。然而，正如任何本领域的普通技术人员认识到的那样，本发明也可以用于其它测量硬盘表面的表面构形的表面光度仪及装置。

图5为根据本发明的一个或多个方面的干涉计系统50的实施例的部分示例光学布局图。正如将被理解的，干涉计系统50，尤其是正交相移干涉计45，利用两个极化处理来创造两个独立的干扰信号，它们相互之间有相移。两个相位正交的独立信号的出现有助于相位的展开(unwrapping)。

继续参见图5，激光或激光束源20被做成提供一激光或其它光学能量束21。激光器20可以做成提供一线极化激光束。例如，可以使用氦氖(He-Ne)激光，尽管应理解本发明可以用已知的其它波长的激光。激光束21为一线极化激光束。激光束21提供给可变比率分束器49。

可变比率分束器49包含一极化分束器(PBS)25及半波板(HWP)22。特别是，半波板22做成可旋转的。通过旋转半波板22，可以调节基准光束26和物光束27的相对强度或振幅。半波板22用于相对于极化分束器25旋转激光束21的极化方向。即，调整极化方向使得极化分束器接收s-极化和p-极化的分量。先将激光束21提供给半波板22，然后提供给极化分束器25。极化分束器25根据s-极化和p-极化分量将激光束21分成基准光束26和物或测量光束27。本发明的一个方面是平衡基准光束26和物光束27的强度。另一种做法是，可以去除半波板22而由旋转激光器20来控制极化方向。

基准光束26和物光束27为极化互相垂直或正交的极化光束。这样，基准光束26可以只包含激光束21的s-极化分量，而物光束27可以只包含p-极化分量。特别是，基准光束26和物光束27是可互换的。

先将基准光束26提供给四分之一波长板(QWP)28然后再提供给镜31。基准光束26进入四分之一波长板28的一无源侧。基准光束26镜31的一光学反射面上被反射以提供如图虚线所示的经反射的基准光束30。为了清楚起见，反射后的光束和再合并前的光束均由虚线表示。

向四分之一波长板28提供经反射的基准光束30。四分之一波长板28及四分之一波长板29分别用于减少由于经反射的基准光束30及经反射的物光束31随后的合并带来的功率损失。基准光束26在穿过四分之一波长板28之前仅包含线极化分量，即s-极化分量。在穿过半波板28后，基准光束26的线极化分量转换成圆极化分量。经反射的基准光束30在穿过四分之一波长板28之前仅包含圆极化分量。穿过半波板28后经反射的基准光束30的圆极化分量转变为线极化分量，即p-极化分量，这样具有P-极化分量的经反射的基准光束笔直穿过极化分束器25以提供合并光束33的一部分。

物光束27被提供给四分之一波长板29的一无源侧然后至透镜46。透镜46用于减小为盘介质10的表面32成象的物光束27光点的大小。光点的大小决定为了检查目的分辨率，这样更小的光点可以解决更小的缺陷。从透镜46射出的经聚焦的目标光束27离开干涉计系统50，然后被表面32反射，再次进入干涉计系统50回到透镜46，在那里它被重新设置成与聚焦前大致相同的光点大小。盘10是一移动的目标，例如旋转的目标。经反射的物光束31从透镜46到四分之一波长板29。物光束27在穿过四分之一波长板29之前仅包含p-极化分量。穿过四分之一波长板29后，目标光束27仅包含圆极化分量。经反射的物光束31在穿过四分之一波长板29之前仅包含圆极化分量。穿过四分之一波长板29后，经反射的物光束31仅包含s-极化分量，然后当经反射的目标光束31从与开始进入极化分束器25的相对的一侧进入时，它被分束器25从与基准光束26相反的方向正交转向用来提供合并光束33的一部分。

特别地，光路长度48与光路长度47之差比激光束相干长度短。另外，可以理解，表面32的表面缺陷引起光路长度48的位移。例如，根据参考高度，一个凹陷会同时相对于物光束27和经反射的物光束31延长光路长度48，而一凸起会缩短光路长度48。允许的最大位移由透镜46的聚焦深度限制。如果表面32移动，光路长度48由表面32调制。光路长度48由平面外(out-of-plane)的，更具体地说是参考平面外的，表面32的移动调制。

经反射的基准光束30及经反射的物光束31被极化分束器25合并成合并光束33。合并光束33包含一经反射的基准光束部分和一经反射的物光束部分，这些部分各自的极化方向是正交的。即，在合并光束33中的经反射的基准光束部分和经反射的物光束部分不互相干涉。

极化分束器25提供合并光束33给非极化分束器34(NPBS)。非极化分束器34将合并光束33振幅分离成输出光束23和输出光束24。

输出光束23或24中的一束被供给一四分之一波长板。在图5所示的实施例中，输出光束被提供给四分之一波长板35。四分之一波长板35在输出光束23的经反射的基准光束和经反射的物光束的部分或分量之间引进相移。四分之一波长板35是可以调节的。这样，例如四分之一波长板35可以根据需要调节以引进一目标相移，例如，在输出光束23的经反射的基准和经反射的物光束分量之间的大约90度位移。正如以下更详细描述的，因为使用了相互有相移的两个波，帮助了相位的展开。这样的相移用于提供一个如上所述的正交输出。然而，如仅平行地看输出，则四分之一波长板35可被省略。特别是，输出光束23或输出光束24中的经反射的基准和经反射的物光束分量仍旧相互正交地极化。

极化器36接收经相移的输出光束23并沿一预定方向集合其经反射的基准和经反射的物光束分量，例如与这些分量的垂直和水平极化轴成约45度，以提供集合光束38。如上所述HWP22被用于平衡光束，但如果这些光束失去平衡，则可以选择或调整一个预定的方向或角度来增加该干涉的对比。因此，如果经反射的物光束分量和基准光束分量失去平衡，则可以通过均衡在集合光束38中各个分量的贡献选择另一角度来增加该干扰的对比。如上所述，集合光束38可能响应于由表面缺陷或其它表面不一致引起的光路长度48上的位移，或从一基于上述基准平面选择的一标称表面条件，而在集合的经反射的参考光束分量和经反射的物光束分量之间有干涉。

极化器37接收输出光束24并沿一预定方向集合其经反射的基准光束分量和经反射的物光束分量，例如沿与这些分量的垂直和水平极化轴成约45度，以提供集合光束39。如上所述，响应于由表面缺陷或其它表面不一致，或由一标称表面条件所引起的光路长度48的位移，集合光束39在集合的经反射的基准光束分量和经反射的物光束分量之间有干涉。假设表面缺陷存在并被检测出，集合光束38和39中的经反射的基准光束分量和经反射的物光束分量发生干扰，从而产生了移动边缘，它代表光路长度48的调制。这些移动边缘(它们是光强度的暂时改变)可以平行地在输出光束38和39中观察到。或者，这些移动边缘可以平行地在集合光束38和39中和在相位正交中观察到。

集合光束38和39被分别提供给光检测器40和41。光检测器40和41可以是光敏二极管检测器。为了随后由信息处理系统(IPS)42进行数字信号处理，检测器40和41以足以从集合光束38和39捕捉边缘并将各自的正比于临时光强度变化的电压分别作为信号43和44传递的速度运行。

参见图6，示出一根据本发明一个或多个方面，用来接收光强度电压信号43和44的信息处理系统42的实施例的示例部分的框图。信息处理系统包含处理器53、存储器54、输入/输出界面55及显示装置56。信息处理系统42可以是一个已编程的个人计算机或一数字示波器或其它已知的用于处理形如信号43和44的信号的装置。

以上仅表示为得到位于测试点半径的盘圆周表面构形测量值的一种示例装置。使用正交相移干涉计45，特别是图5和图6的表面光度仪，仅仅是本发明可用的表面光度仪的一个例子。其它类型的表面光度仪，诸如坎德拉表面光度仪或激光多普勒振动计也可以使用而不脱离本发明范围。

本发明用于从表面构形PSD谱中去除噪声。F(i)是由表面构形单侧定标自动功率谱的输出的平方根得出的表面构形振幅均方根值(r.m.s)。其中，i＝1，2，3，...n并且n为功率谱中的元素编号。在频率范围m到k的积分功率密度P(k)可由计算下式得到：

P (k) = Σ_{i = m}^{k} F {(i)}^{2} - - - (1)

如使m＝1，k＝n，n-1，n-2，...1，就会生成P(k)序列或累积功率谱密度分布。图2示出由图1示出的谱F(i)计算得出的功率谱密度分布P(k)的曲线图。在图2中可以清楚地看出谱中的噪声造成了P(k)曲线上的跳动或不连续，诸如那些由参考号80标出的噪声。在本发明中，累积PSD函数P(k)中的不连续或阶跃被识别并去除。由此从这个经修正的累积PSD函数P(k)重新构成了一个无噪声谱。

现参见图3，本发明的方法可识别出曲线P(k)中阶跃的上升点和结束点。例如，一个斜率检测方法可以用于找到这些上升点和结束点。一个示例上升点82和结束点84参见图3。图3中更多的上升点和结束点由累积PSD分布P(k)上的圆圈示出。

因此，在PSD函数P(k)中检测出一些阶跃。考虑图2右侧从右边算起的第一个阶跃，计算出第一阶跃高度。该计算是基于检测到的上升点82和结束点84的值而得出的。在计算出第一阶跃高度后，为了去除这个阶跃，由该阶跃的结束点84到累积PSD函数P(k)最左侧的端点的P(k)线段被这一阶跃高度垂直下移。然后计算出第二阶跃高度，而P(k)段被这一阶跃高度再次垂直下移以去除这一阶跃。重复这些动作直到累积PSD函数P(k)中所有的阶跃都被去除。

一旦累积PSD函数P(k)中所有的阶跃都被去除，函数

就产生了。图4示出该函数

。去除噪声后的表面构形的振幅均方根值(r.m.s.)从中去除了。按下式确定。

\hat{F} (k) = \sqrt{\hat{P} (k) - \hat{P} (k - 1)} - - - (2)

图7示出了用于产生去除噪声后的表面构形的振幅均方根值(r.m.s.)的方法的实施例的流程图。在步骤90中，测量出盘的表面构形以产生表面构形F(i)的振幅均方根值(r.m.s.)，诸如图1示出的示范的曲线图。多种不同的表面光度仪中的任何一种都可用来作该测量，诸如图5和图6的QPSI或其它表面光度仪，诸如坎德拉表面光度仪或激光多普勒振动计。

积分功率密度P(k)是根据上述公式1从振幅均方根值(r.m.s.)信号F(i)计算得到的。这在步骤92描述了。如前所述，图2描述了一代表累积PSD函数的示例曲线P(k)。

在步骤94中，累积PSD函数P(k)中的不连续和阶跃被识别。可采取斜率检测方法来找到该累积PSD函数P(k)中的不连续或阶跃的上升点及结束点。

一旦找到上升点及结束点，该不连续和阶跃就被步骤94确定并识别。一个阶跃的阶跃高度在步骤96中计算。首先通过算法，第一阶跃的高度在步骤96中计算。接着通过处理循环，计算不同阶跃的高度。

在步骤98中，P(k)线段被所述阶跃高度垂直向下移动以去除该阶跃。被移动的P(k)线段是从该的结束点到最左边的端点。

然后在步骤100中，确定是否有更多的阶跃被步骤94识别。若回答为是，则步骤102使该循环向下一步骤移动以在下一步的步骤96中计算阶跃高度。当如在步骤100确定的没有更多的阶跃被识别，则由去除噪声后的累积PSD函数

计算得出去除噪声后的表面构形的振幅均方根值(r.m.s.) 。例如，公式2描述的是用于计算

的式子。

图7的噪声去除方法和以上描述的依赖于一特殊条件成立。这一条件是盘的构形由一随机处过程产生的，因而，是一本质上无阶跃或不连续的累积PSD曲线P(k)。

尽管详细说明和描述了本发明，应清楚了解的是，它们只是说明和示例而不能当作限定。本发明的范围仅由所附权利要求限定。

Claims

1.一种测量磁头-盘介质间距调制HMS_Wq的方法，其特征在于，包含以下步骤：

测量盘介质的表面构形：

从测得的所述盘介质的表面构形生成一累积功率谱密度PSD；

识别累积PSD分布中的不连续及阶跃；和

去除累积PSD分布中的不连续及阶跃。

2.如权利要求l所述的方法，其特征在于，进一步包含从所述测得的盘介质的表面构形生成一初始频率谱，生成累积功率谱密度的步骤包括从该初始频率谱计算累积PSD分布。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述累积PSD分布的阶跃根据以下公式得出：

P (k) = Σ_{i = m}^{k} F {(i)}^{2}

这里：P(k)是累积PSD分布；F(i)是初始频谱，m＝1，和k＝n，n-1，...1，n为功率谱中的元素编号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，识别所述阶跃的步骤包括确定P(k)中阶跃的上升点及结束点。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定上升点及结束点的步骤包含斜率检测。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述去除阶跃的步骤包含根据所述阶跃的已确定的上升及结束点计算阶跃高度。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述去除阶跃进一步包含将P(k)线段垂直移动与相邻阶跃高度相同的数量来生成一经修正的

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包含从经修正的生成去除噪声后的盘介质的表面构形的振幅均方根值

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，生成

的步骤由下式确定：

\hat{F} (k) = \sqrt{\hat{P} (k) - \hat{P} (k - 1)}

其中，k＝n，n-1，n-2，...1和

\hat{P} (0) = 0 。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含在从所述累积PSD分布中去除不连续和阶跃后从累积PSD分布确定所述盘介质的表面构形的振幅均方根值。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述测量表面构形的步骤包含使用坎德拉表面光度仪、正交相移干涉计或激光多普勒振动计中的至少一种。

12.一种测量磁头-盘介质间距调制HMS_Wq的装置，其特征在于，包含：

一执行盘介质表面构形测量的测量装置；和

一处理器，将它做成根据构形测量确定一初始构形功率谱密度PSD谱；从所述初始PSD谱去除噪声；从去除噪声后的PSD谱生成一表面构形的振幅均方根值和从

计算HMS_Wq。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，把所述处理器进一步做成从盘介质的表面构形测量值确定一个表面构形的初始振幅均方根值F(i)。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，把所述处理器进一步做成通过根据以下式子形成一积分功率密度P(k)来确定所述初始PSD谱：

P (k) = Σ_{i = m}^{k} {F (i)}^{2}

其中m＝1，和k＝n，n-1，n-2，...1，n为功率谱中的元素编号。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，把所述处理器进一步做成用斜率检测确定P(k)中的阶跃的上升点和结束点。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，把所述处理器进一步做成根据所述阶跃的上升点和结束点计算阶跃高度。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，把所述处理器进一步做成将P(k)线段垂直移动与相邻阶跃高度相同的数量来从初始PSD谱中去除噪声并由此生成一经修正的PSD谱

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，把所述处理器进一步做成根据下式生成

\hat{F} (k) = \sqrt{\hat{P} (k) - \hat{P} (k - 1)}

其中k＝n，n-1，n-2，...1和

\hat{P} (0) = 0 。

19.一种测量盘介质的表面构形的装置，其特征在于，包含：

一取得盘介质表面的表面构形测量值的测量装置；和

用于确定去除噪声后的磁头-盘介质间距调制HMS_Wq的装置，所述用于确定的装置包含一处理器，把它做成从所述表面构形测量值确定一个初始频谱；从所述初始频谱计算一初始积分功率谱密度分布；从所述初始积分功率谱密度分布去除噪声以创建一经修正的功率谱密度分布；和从经修正的功率谱密度分布生成一经修正的频谱。