一种涡旋光束拓扑荷数识别方法技术

本发明专利技术公开了一种涡旋光束拓扑荷数识别方法，包括如下步骤：提取涡旋光束的光强图和相位图；对光强图进行处理，从图形的中心由内向外找到光强最强的光环统计出它的半径；以该半径作圆在相位图中找到圆环上的对应相位，计算相位由0‑2π变化的次数，这个次数即是涡旋光束的拓扑荷数。本发明专利技术方法不仅能够分离不同的涡旋光束，还能够实时获得涡旋光束中所携带的强度信息(如OOK调制信号)；该方法无需先将涡旋光束转换成高斯光束再识别，减少了通信系统元件数量，大大降低了系统复杂度，增加了涡旋光的识别率，有很高的应用价值，他对推进涡旋光通信系统的应用具有重要意义。

A method of identifying topological charge number of vortex beam

【技术实现步骤摘要】
一种涡旋光束拓扑荷数识别方法
本专利技术涉及通信
，具体涉及一种涡旋光束拓扑荷数识别方法。
技术介绍
随着科技产业的发展，通信数据所需信道容量越来越大，这也对传统通信技术提出了严峻的挑战。为进一步提高现有通信网络的数据传输能力，涡旋光被引入到通信系统当中。涡旋光具有轨道角动量，能够承载更多的信息。与传统偏振、频率、相位维度不同，涡旋光束需要新的技术去产生和解调。1989年涡旋光的概念第一次被提出，1992年涡旋光束包含轨道角动量被人们发现，2008年Barreiro团队使用轨道角动量光束传输信号突破了容量限制。在近30年的时间里对涡旋光的研究逐渐深入。目前，涡旋光在通信领域中的应用被大量研究，如Wang等通过涡旋光复用实现了2TBit/s的数据传输。现有的轨道角动量通信技术大多都是通过轨道角动量复用提高通信速度。这些系统目前都采用激光器产生的高斯光束再转换为涡旋光束进行传输，在接收端需要相反的工序将涡旋光束转换成高斯光束进行识别。这种方法可靠且技术比较成熟并且有效的，但从结构上来说过于繁琐。
技术实现思路
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出一种涡旋光束拓扑荷数识别方法，该方法采用高速CCD相机采集涡旋光强和相位信息，通过程序识别得到涡旋光束的拓扑荷。本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：一种涡旋光束拓扑荷数识别方法，包括如下步骤：提取涡旋光束的光强图和相位图；对光强图进行处理，从图形的中心由内向外找到光强最强的光环统计出它的半径R；以该半径作圆在相位图中找到圆环上的对应相位，计算相位由0-2π变化的次数，这个次数即是涡旋光束的拓扑荷数。进一步地，相位由0到2π变化的方向决定了拓扑荷的正负，逆时针为正，顺时针为负。进一步地，识别出了涡旋光束的拓扑荷数后，提取光束的强度信息，最终解调对应涡旋光束不同时间所携带的0、1信号。进一步地，对光强图进行处理，从图形的中心由内向外找到光强最强的光环统计出它的半径，具体包括：采集到涡旋光束光强图和相位图后，通过计算平台读入图片，将RGB图片转换成0-255的灰度图，以涡旋光束中心为正方形的中心切割成n×n方形矩阵，以R为半径作圆取圆上的所有数据点构成一个一维数据集，半径依次增大遍历整个图形，最后得到n/2组数据，对每一组数据先求和再求平均值得到n/2个单值，比较n/2个单值找到其中的最大值，该最大值所对应的半径即为光强最强的半径。进一步地，以该半径作圆在相位图中找到圆环上的对应相位，计算相位由0-2π变化的次数，这个次数即是涡旋光束的拓扑荷数，具体包括：根据半径找到光强最强的圆环对应的相位，将该圆环上的数据取出构成一个一维数组，这个数组的数据表示相位0-2π的变化情况；波形呈锯齿状每一个锯齿代表一次0到2π的变化，变化总次数是光束的拓扑荷数；将获得的一维数组进行一次求导，求导后的一维数组中0到2π的突变会形成一个δ函数，再滤波得到只包含多个δ函数的纯净波形图，计算δ函数的个数得到拓扑荷数。进一步地，所述计算平台包括基于MATLAB、C程序、Python的计算平台。进一步地，n取值为500。与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：本专利技术方法不仅能够分离不同的涡旋光束，还能够实时获得涡旋光束中所携带的强度信息(如OOK调制信号)。该方法无需先将涡旋光束转换成高斯光束再识别，大大降低了系统复杂度，有很高的应用价值。本专利技术方法与原有Gauss-OAM-Gauss的方案相比，减少了OAM-Gauss步骤，能够直接识别涡旋光束获得信号。识别过程中采集光强和相位图便可以自动识别涡旋光拓扑荷数，该方法可以在MATLAB、C程序、Python等平台下运行。本专利技术在MATLAB平台下做了具体测试，l＝+1到l＝+8的涡旋光中最高识别率能够达到99.2％，平均识别率能够达到93.58％。该识别方案采用图像识别解析信号，减少了通信系统元件数量、降低了系统复杂度，增加了涡旋光的识别率。他对推进涡旋光通信系统的应用具有重要意义。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术涡旋光束拓扑荷数识别方法的流程图；图2(a)是本专利技术通信系统接收端获得的涡旋光束强度图；图2(b)是本专利技术通信系统接收端获得的涡旋光束相位图；图3(a)是本专利技术通过计算找到涡旋光束光场最强的位置图；图3(b)是本专利技术相位图中光强最强处对应的相位变化图；图4(a)是本专利技术向半径增大的方向统计光强图；图4(b)是本专利技术对应半径上的光强分布图，图中最高点代表光强最强处光环所在半径；图5(a)是本专利技术拓扑荷l＝+8的涡旋光束相位图；图5(b)是本专利技术光强最强处对应相位的变化图；图5(c)是本专利技术相位经过求导后的波形，包含与拓扑荷数量对应的δ函数图；图6(a)是本专利技术l＝+1到l＝+8的识别和分布情况图；图6(b)是本专利技术l＝+1到l＝+8各涡旋光的识别率和平均识别率图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例本专利技术与传统涡旋光通信系统将涡旋光束不同拓扑荷状态分离并转换成高斯光束再识别不同，该方法可以直接识别涡旋光束获得信息。具体方法是，在信号的接收端使用高速CCD相机连续采集涡旋光束的强度和相位图，对每一组强度和相位图实时处理，判断光束的拓扑荷状态，并得到携带的数字0、1信号。如图1所示，本专利技术提供一种涡旋光束拓扑荷数识别方法，包括如下步骤：S1、提取涡旋光束的光强图和相位图；S2、对光强图进行处理，从图形的中心由内向外找到光强最强的光环统计出它的半径；S3、以该半径作圆在相位图中找到圆环上的对应相位，计算相位由0-2π变化的次数，这个次数即是涡旋光束的拓扑荷数。计算机从CCD中提取出的光强图和相位图，如图2所示。首先对光强图进行处理，从图形的中心由内向外找到光强最强的光环统计出它的半径，如图3(a)所示。以该半径作圆在相位图3(b)中找到圆环上的对应相位，计算相位由0-2π变化的次数，这个次数即是涡旋光的拓扑荷数。而相位由0到2π变化的方向决定了拓扑荷的正负，逆时针为正，顺时针为负。高速相机实时获取光强信号时，如果从时间轴观察光束携带了强度信息，通过解调可以获得所携带信息。使用这种方法可以区分不同拓扑荷的涡旋光并识别光束本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡旋光束拓扑荷数识别方法，其特征在于，包括如下步骤：/n提取涡旋光束的光强图和相位图；/n对光强图进行处理，从图形的中心由内向外找到光强最强的光环统计出它的半径；/n以该半径作圆在相位图中找到圆环上的对应相位，计算相位由0-2π变化的次数，这个次数即是涡旋光束的拓扑荷数。/n

【技术特征摘要】
1.一种涡旋光束拓扑荷数识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
提取涡旋光束的光强图和相位图；
对光强图进行处理，从图形的中心由内向外找到光强最强的光环统计出它的半径；
以该半径作圆在相位图中找到圆环上的对应相位，计算相位由0-2π变化的次数，这个次数即是涡旋光束的拓扑荷数。


2.根据权利要求1所述的涡旋光束拓扑荷数识别方法，其特征在于，相位由0到2π变化的方向决定了拓扑荷的正负，逆时针为正，顺时针为负。


3.根据权利要求1所述的涡旋光束拓扑荷数识别方法，其特征在于，识别出了涡旋光束的拓扑荷数后，提取光束的强度信息，最终解调对应涡旋光束不同时间所携带的0、1信号。


4.根据权利要求1所述的涡旋光束拓扑荷数识别方法，其特征在于，对光强图进行处理，从图形的中心由内向外找到光强最强的光环统计出它的半径，具体包括：
采集到涡旋光束光强图和相位图后，通过计算平台读入图片，将RGB图片转换成0-255的灰度图，以涡旋光束中心为正方形的中心切割成n×n方形矩阵，以R为半径作圆取圆上的所有数据点构成一...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏展，赵林，吴一，陈利，王振伟，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44