一种无序介质通道分析装置和方法与流程

本发明涉及无序介质技术，尤其涉及一种无序介质通道分析装置和方法。

背景技术：

无序介质在生活中无处不在，大气、生物组织、甚至海洋都可以归于此类，因此对无序介质的研究具有十分重要的意义。

现有技术中对无序介质的研究方法包括利用波前整形法、相位共轭法或传输矩阵法使无序介质的透射或反射的散射光束聚焦和成像。现有文献中大多都是采用这些方法针对无序介质的某一侧光束进行解析，然而在实际生活中，并不一定能够采集到指定一侧的光束，因此，研究目标侧和相反侧的光束之间的关系具有非常重要的实际意义。另外，现有文献中对无序介质的通道的讨论绝大部分也是基于特定一侧的光束，讨论各个通道对应的特征值的分布，探究对该侧光强影响最大的通道并致力于将光束耦合进该通道，而对两侧光束的通道之间的关系研究甚少，不能够同时分析耦合一束光线时两侧光强的同步变化，以及他们的对应关系，不适用于需要同时利用两侧光信息的情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出了一种无序介质通道分析装置。

实现本发明的技术解决方案为：一种无序介质通道分析装置，包括光源、第一透镜、第二透镜、空间光调制器、光路折转系统、分光镜、第一显微镜、无序介质、第二显微镜、第一传感器、第二传感器以及计算机，其中：

所述光源、第一透镜、第二透镜在一水平线上同轴放置，所述空间光调制器、分光镜、第一显微镜、无序介质、第二显微镜、第一传感器在另一水平线上同轴放置，第二传感器与分光镜同轴放置，所述计算机用于将相位图像写入空间光调制器同时接收和记录第一光电传感器、第二光电传感器感应的光强信息并根据上述光强信息对无序介质通道进行分析；

光源发出的光经第一透镜和第二透镜扩束和准直，以平行光出射至光路折转系统，平行光经光路折转系统垂直入射到空间光调制器的液晶表面中心，经空间光调制器调制和反射后经过第一显微镜聚焦到无序介质表面，聚焦到无序介质的光分为两部分，一部分为透过无序介质的散射光，该透射的散射光经过第二显微镜消除聚焦作用后被第一传感器接收，另一部分为被无序介质反射的散射光，该反射的散射光经过第一显微镜消除聚焦作用后被分光镜反射到第二传感器接收。

优选地，所述光路折转系统包括第一分束镜和第二分束镜，所述第一分束镜和第二分束镜用于将光束反射两次，反射后的光束与入射光束平行但传播方向相反。

优选地，所述光源为连续型激光器，发出的光为连续型可见激光。

本发明还公开了一种无序介质通道分析方法，具体步骤为：

步骤1、搭建光路系统；

步骤2、计算机生成指定尺寸的哈达玛图像，取其列向量分别整形为方阵，按顺序将方阵的四步移相图加载至光路系统，每次加载时采集一次图像并保存图像；

步骤3、通过哈达玛图像和传感器图像分别计算出对应无序介质透射和反射的传输矩阵；

步骤4、对透射和反射传输矩阵分别做奇异值分解，得到对应的传输通道，即对传输矩阵k做奇异值分解svd(k)＝u∑v,得到将输入通道映射到随机散射介质特征通道的酉矩阵v，将随机散射介质特征通道映射到输出通道上的酉矩阵u，以及对角线上元素为非负实数的奇异值对角矩阵∑，其中v的列包含了所需的传输通道信息，v的每列均为一个传输通道；

步骤5、确定两组传输通道的相对映射系数，计算公式为α＝vrvt'，其中vt、vr分别为对应于透射矩阵和反射矩阵做奇异值分解后的传输通道矩阵，符号“'”表示取其共轭转置。

优选地，搭建的光路系统包括光源、第一透镜、第二透镜、空间光调制器、光路折转系统、分光镜、第一显微镜、无序介质、第二显微镜、第一传感器以及第二传感器，其中：

所述光源、第一透镜、第二透镜在一水平线上同轴放置，所述空间光调制器、分光镜、第一显微镜、无序介质、第二显微镜、第一传感器在另一水平线上同轴放置，第二传感器与分光镜同轴放置；

光源发出的光经第一透镜和第二透镜扩束和准直，以平行光出射至光路折转系统，平行光经光路折转系统垂直入射到空间光调制器的液晶表面中心，经空间光调制器调制和反射后经过第一显微镜聚焦到无序介质表面，聚焦到无序介质的光分为两部分，一部分为透过无序介质的散射光，该透射的散射光经过第二显微镜消除聚焦作用后被第一传感器接收，另一部分为被无序介质反射的散射光，该反射的散射光经过第一显微镜消除聚焦作用后被分光镜反射到第二传感器接收。

优选地，所述光路折转系统包括第一分束镜和第二分束镜，所述第一分束镜和第二分束镜用于将光束反射两次，反射后的光束与入射光束平行但传播方向相反。

优选地，步骤4对透射和反射传输矩阵分别做奇异值分解，得到对应的传输通道矩阵具体为：对传输矩阵k做奇异值分解svd(k)＝u∑v,得到将输入通道映射到随机散射介质特征通道的酉矩阵v，将随机散射介质特征通道映射到输出通道上的酉矩阵u，以及对角线上元素为非负实数的奇异值对角矩阵∑，其中v的列包含了所需的传输通道信息，v的每列均为一个传输通道。

优选地，步骤5根据透射和反射传输矩阵对应的传输通道矩阵确定两组传输通道的相对映射系数的计算公式为α＝vrvt'，其中vt、vr分别为对应于透射矩阵和反射矩阵做奇异值分解后的传输通道矩阵，符号“'”表示取其共轭转置。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明相对无序介质两侧出射光的入射光为同一光束，提高了精确性；(2)本发明提出了从通道响应的新角度来分析无序介质，通过计算出映射系数能够定性地表达同一入射光在反射和透射两侧的相对光强大小。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1是一种无序介质通道分析装置示意图。

图2是实施例1中的哈达玛图像。

图3是反射最大和最小通道映射到透射通道的系数的散点图和直方图。

具体实施方式

一种无序介质通道分析装置，包括光源、第一透镜2、第二透镜3、空间光调制器4、光路折转系统5、分光镜6、第一显微镜7、无序介质8、第二显微镜9、第一传感器10、第二传感器11以及计算机12，其中：

所述光源、第一透镜2、第二透镜3在一水平线上同轴放置，所述空间光调制器4、分光镜6、第一显微镜7、无序介质8、第二显微镜9、第一传感器10在另一水平线上同轴放置，第二传感器11与分光镜6同轴放置，所述计算机用于将相位图像写入空间光调制器4同时接收和记录第一光电传感器10、第二光电传感器11感应的光强信息并根据上述光强信息对无序介质通道进行分析；

光源发出的光经第一透镜2和第二透镜3扩束和准直，以平行光出射至光路折转系统5，平行光经光路折转系统5垂直入射到空间光调制器4的液晶表面中心，经空间光调制器4调制和反射后经过第一显微镜7聚焦到无序介质8表面，聚焦到无序介质8的光分为两部分，一部分为透过无序介质8的散射光，该透射的散射光经过第二显微镜9消除聚焦作用后被第一传感器10接收，另一部分为被无序介质8反射的散射光，该反射的散射光经过第一显微镜7消除聚焦作用后被分光镜6反射到第二传感器11接收。

进一步的实施例中，所述光路折转系统5包括第一分束镜5-1和第二分束镜5-2，所述第一分束镜5-1和第二分束镜5-2用于将光束反射两次，反射后的光束与入射光束平行但传播方向相反。

进一步的实施例中，所述光源为连续型激光器，发出的光为连续型可见激光。

一种无序介质通道分析方法，具体步骤为：

步骤1、搭建光路系统；

步骤2、计算机生成指定尺寸的哈达玛图像，取其列向量分别整形为方阵，按顺序将方阵的四步移相图加载至光路系统，每次加载时采集一次图像并保存图像；

步骤3、通过哈达玛图像和传感器图像分别计算出对应无序介质透射和反射的传输矩阵；

步骤4、对透射和反射传输矩阵分别做奇异值分解，得到对应的传输通道矩阵；

步骤5、根据透射和反射传输矩阵对应的传输通道矩阵确定两组传输通道的相对映射系数。

进一步的实施例中，搭建的光路系统包括光源、第一透镜2、第二透镜3、空间光调制器4、光路折转系统5、分光镜6、第一显微镜7、无序介质8、第二显微镜9、第一传感器10以及第二传感器11，其中：

所述光源、第一透镜2、第二透镜3在一水平线上同轴放置，所述空间光调制器4、分光镜6、第一显微镜7、无序介质8、第二显微镜9、第一传感器10在另一水平线上同轴放置，第二传感器11与分光镜6同轴放置；

光源发出的光经第一透镜2和第二透镜3扩束和准直，以平行光出射至光路折转系统5，平行光经光路折转系统5垂直入射到空间光调制器4的液晶表面中心，经空间光调制器4调制和反射后经过第一显微镜7聚焦到无序介质8表面，聚焦到无序介质8的光分为两部分，一部分为透过无序介质8的散射光，该透射的散射光经过第二显微镜9消除聚焦作用后被第一传感器10接收，另一部分为被无序介质8反射的散射光，该反射的散射光经过第一显微镜7消除聚焦作用后被分光镜6反射到第二传感器11接收。

进一步的实施例中，所述光路折转系统5包括第一分束镜5-1和第二分束镜5-2，所述第一分束镜5-1和第二分束镜5-2用于将光束反射两次，反射后的光束与入射光束平行但传播方向相反。

进一步的实施例中，步骤4对透射和反射传输矩阵分别做奇异值分解，得到对应的传输通道矩阵具体为：对传输矩阵k做奇异值分解svd(k)＝u∑v,得到将输入通道映射到随机散射介质特征通道的酉矩阵v，将随机散射介质特征通道映射到输出通道上的酉矩阵u，以及对角线上元素为非负实数的奇异值对角矩阵∑，其中v的列包含了所需的传输通道信息，v的每列均为一个传输通道。

进一步的实施例中，步骤5根据透射和反射传输矩阵对应的传输通道矩阵确定两组传输通道的相对映射系数的计算公式为α＝vrvt'，其中vt、vr分别为对应于透射矩阵和反射矩阵做奇异值分解后的传输通道矩阵，符号“'”表示取其共轭转置。

实施例

无序介质通道分析方法，具体步骤为：

步骤1、搭建如图1所示的无序介质通道分析装置。其中，光源1为连续型固体激光器，型号为mgl-iii-532-300mw，波长为532nm，发出绿色可见光。第一透镜2型号为thorlabslb1014-a，焦距为25mm。第二透镜3型号为thorlabslb1437-a，焦距为150mm。空间光调制器4为液晶空间光反射式调制器，型号为holoeyepluto-vis-016，像素数1920*1080。光路折转系统5中包含的第一分束镜5-1和第二分束镜5-2型号相同为bs013，分束比均为50：50。分光镜6的型号为bs013,分光比为50：50。第一显微镜7和第二显微镜9型号相同为eplan，放大倍率40x，数值孔径0.65。无序介质8由喷涂氧化锌颗粒在载玻片制成，颗粒大小50nm。第一传感器10以及第二传感器11型号相同为dcc3240m，像素数为1280*1024。计算机12装有matlab软件。

步骤2、利用计算机12的matlab软件生成如图2所示的尺寸为1024*1024的哈达玛图像，取其列向量分别整形为方阵，计算机12控制空间光调制器4按顺序加载方阵的四步移相图，每次加载时第一光电传感器10和第二光电传感器11分别采集一次图像并保存图像，每次四步移相完成后，计算出该列哈达玛图像对应的输出光场，算法如下：e＝(i1-i3+i(i4-i2))/4。e表示输出光场，i表示光电传感器测得的光强信息，下角标i表示第i步移相。利用三位矩阵保存这一步骤的光场信息。

步骤3、通过哈达玛图像和光电传感器图像分别计算出对应无序介质透射和反射的传输矩阵。算法如下：用h表示哈达玛矩阵，y表示光电传感器采集到的光场信息三维矩阵按列整形而成的二维矩阵，k表示待求的传输矩阵，可从公式y＝kh求得k。

步骤4、对透射和反射传输矩阵分别做奇异值分解，得到对应的传输通道。

即做奇异值分解svd(k)＝u∑v,可得到将输入通道映射到随机散射介质特征通道的酉矩阵v、将随机散射介质特征通道映射到输出通道上的酉矩阵u，和对角线上元素为非负实数的奇异值对角矩阵∑，其中v的列包含了传输通道信息，v的每列为一个传输通道。

步骤5、确定两组传输通道的相对映射系数，以下角标t和r区分反射和透射一侧，透射通道对于反射通道的映射系数α＝vrvt',画出映射系数的散点图分布和直方图分布，如图3所示，图中画出的是透射最大和最小通道对于反射通道的映射，可以看出，对于透射最大的通道，所有透射通道的映射系数的值都小于其相对于透射最小通道。