[发明专利]一种涡旋光信息压缩感知的装置与方法

权利要求书

1.一种涡旋光信息压缩感知的装置，其特征在于，包括沿光线传播方向设置的激光器、准直扩束装置、时序涡旋光束生成装置、第一成像系统、编码装置、第二成像系统、采样装置、模型计算装置；激光器发出的光源经准直扩束装置后形成准直光束入射到时序涡旋光束生成装置；所述时序涡旋光束生成装置加载光栅对入射光束进行调制得到K帧不同拓扑荷数的时序涡旋光束序列；所述第一成像系统将所述时序涡旋光束序列成像在编码装置平面；所述编码装置加载编码掩膜，对时序涡旋光束序列进行编码调制输出K帧时序编码涡旋光束序列；所述第二成像系统将时序编码涡旋光束序列成像在采样装置平面；所述采样装置按照预设的采样帧率对K帧时序编码涡旋光束序列进行压缩采集得到压缩采样测量信息；所述模型计算装置从涡旋光束的压缩采样信息中重构出原K帧时序涡旋光束序列或识别分类出原K帧时序涡旋光束序列的拓扑荷数，最终实现对时序涡旋光信息的压缩感知，其中K为正整数。

2.根据权利要求1所述的涡旋光信息压缩感知的装置，其特征在于，所述时序涡旋光束生成装置包括空间光调制器，所述空间光调制器具有平面内光斑所覆盖的中心区域作为有效调控区域，且能够随机依次加载K帧光栅至有效调控区域并输出输出K帧不同拓扑荷数的时序涡旋光束序列。

3.根据权利要求1所述的涡旋光信息压缩感知的装置，其特征在于，所述第一成像系统为用于扩大或缩小时序涡旋光束序列的光斑大小，同时滤除时序涡旋光束生成装置输出的除第一衍射级之外的光场信息和环境噪声。

4.根据权利要求1所述的涡旋光信息压缩感知的装置，其特征在于，所述编码装置包括一空间调制器，所述空间调制器具有平面内光斑所覆盖的中心区域作为有效编码区域，且能够顺序加载K帧编码掩膜至有效编码区域，对时序涡旋光束生成装置输出的K帧时序涡旋光束序列进行编码，最后输出K帧时序编码涡旋光束序列。

5.根据权利要求1所述的涡旋光信息压缩感知的装置，其特征在于，所述第二成像系统能够使得编码装置的成像大小与采样装置成像相同。

6.根据权利要求1所述的涡旋光信息压缩感知的装置，其特征在于，所述采样装置包括一光电探测器，所述光电探测器用于对多帧编码涡旋光束序列进行单帧曝光来进行采集。

7.一种应用如权利要求1-6之一所述的涡旋光信息压缩感知的装置进行涡旋光信息压缩感知的方法，其特征在于，所述采样装置的采样方式包括如下步骤：

(a)设定采样装置工作帧率为G₂Hz，所述时序涡旋光束生成装置、编码装置工作帧率设定皆为G₁Hz，则时序涡旋光束生成装置、编码装置与采样装置之间的工作帧率形成的比例关系，即形成时序涡旋光信息的采样率；(b)采用了以下数学模型获得采样测量值时序涡旋光束生成装置生成K帧不同拓扑荷数的时序涡旋光束序列其中R为实数集合，经由编码装置加载编码掩膜生成K帧时序编码涡旋光束序列，相应的采集装置对时序编码涡旋光束序列进行采样测量，则采样测量值为

其中⊙表示哈达玛乘积，G表示系统噪声。

8.根据权利要求7所述的涡旋光信息压缩感知的方法，其特征在于，包括如下步骤：将上述所获得的多组单帧压缩采样测量值和与之对应的K帧原涡旋光束信息或K个拓扑荷数作为网络模型的输入，该网络模型从这多组数据中重建出原K帧涡旋光束信息或计算出其拓扑荷数的预测值后，由误差函数计算预测值和真值之间的误差来评估网络模型的准确率；当误差函数收敛至阈值，保存网络模型权重参数，得到重建原始涡旋光束信息或预测原光束拓扑荷数的网络模型。

9.根据权利要求8所述的涡旋光信息压缩感知的方法，其特征在于，包括如下步骤：加载所述网络模型参数，将未探测的多组单帧压缩采样测量值输入至所述模型计算装置中，由探测后的网络模型重建原始涡旋光束信息或计算拓扑荷数，由误差函数计算预测值和真值之间的误差，从而评估训练模型的预测准确率。