[发明专利]一种涡旋光信息压缩感知的装置与方法

说明书

本发明公开了一种涡旋光信息压缩感知的装置与方法，对于激光器发出的光束经准直、扩束处理后入射到涡旋光束生成装置；涡旋光束生成装置加载光栅，对入射光束进行调制得到K帧不同拓扑荷数的涡旋光束序列；所述涡旋光束序列经第一成像系统成像在编码装置平面，经编码装置加载编码信息对K帧涡旋光束序列进行编码调制输出K帧编码涡旋光束序列；K帧编码涡旋光束序列经第二成像系统成像在采样装置平面，采样装置按照预设的采集帧率对K帧编码涡旋光束序列进行压缩采集得到涡旋光束的压缩采样测量信息；压缩采样测量信息输入到卷积神经网络中进行计算，重构出原K帧涡旋光束信息或分类识别出原K帧涡旋光束的拓扑荷数，实现对涡旋光信息的压缩感知。

技术领域

本发明涉及光学中的编码成像的技术领域，特别涉及一种涡旋光信息压缩感知的方法及装置。

背景技术

自光电成像技术迅速发展以来，光学系统和探测器共同成为了光电成像系统的核心部件，然而光学系统的设计、探测器的像元尺寸及灵敏度也同时成为了限制光电成像系统分辨率的局限所在，这些局限性使得在有限系统容量下完成高质量高速的光电信息传输成为了难题。尤其对于涡旋光束而言，由于涡旋光束的轨道角动量模态具备相互正交且理论数量多达无穷的特性和优势，使得涡旋光束可在光通信领域发挥极大作用，然而随着当下信息量的飞速增长，轨道角动量虽可大幅提升通信容量，但在应对极大通信容量的同时，系统的信源存储容量、信道传输效率等也同样面临着巨大挑战。此外，由于涡旋光束的相位变化呈涡旋状，在经过一定的传输距离后，将不可避免地受到信道传输中如大气湍流、散射介质等其它影响，使得轨道角动量所携带的信息难以被准确探测。总而言之，当下在有限系统容量下仍然无法满足大容量数据的高效传输和精准接收。因此若能提升涡旋光通信时的传输效率并保证信息传输的准确度，将极大地促进未来光通信领域的高速、精准、抗干扰的发展。

近年来兴起的压缩感知理论为解决上述问题提供了新的理论和方法。压缩感知理论提出在对信号进行采样和压缩后，从压缩测量值中无失真地重建出原始信号。目前众多研究者已将压缩感知理论应用于光学成像中，然而少有发明和研究关注于将压缩感知理论应用于涡旋光束的编码成像中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何有限系统容量下无法满足大容量数据的高效传输和精准接收。

本发明采用了如下技术方案：一种涡旋光信息压缩感知的装置，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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，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。