一种基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置的制作方法

本发明属于光学信息领域，公开了一种基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置。

背景技术：

涡旋光束的独特性主要体现在其特殊的波前结构布局和它所携带的确定的光子拓扑荷。将拓扑荷的无穷性用于光通信可以大幅提高光通信容量。近年来，用于光通信的涡旋光束的产生和探测技术越来越受到人们的关注，涡旋光束在复用通信以及量子保密通信等领域也有广阔的发展前景。

2003年,bogatyryova等人对部分相干涡旋光束的奇点特性进行了探索研究,发现其关联函数存在振幅为零的特殊点,且该点处的相位会发生跃变,具有相位奇异性,并在实验中证实了其涡旋结构的存在。几乎在同一时间,针对部分相干光场中的涡旋光束,gbur等人提出了“相干涡旋”的概念,并给出了部分相干场中相位奇点的定义式描述,即交叉谱密度为零(实部和虚部同时为零)的点。

低相干的好处在于当关联涡旋在湍流中传播并通过障碍物时，它所受影响较小；因此，它被应用于诸如物体识别和成像、光学操纵、障碍成像中的自我重建。在量子光学中，相关光子可用于传输和处理有关相关物理维度的信息。与量子光束类似，部分相干激光束也具有空间相关自由度，称为光谱相干度，并嵌入csd函数中。此属性允许使用光场自由度的相关性来执行成像任务。当用拓扑电荷编码时，相关结构的信息也可以通过关联光束传输。在通信中，多个信息信道的产生和复用策略，即在一个公共信道中传播多种传输模式。

等效张量重构法可以在自由空间里以数字形式重构部分相干光。这种方法是一种直接的重构方法，没有在空间域和频域之间进行傅里叶变换。等效张量重构法在远距离成像和光学通讯中可以发挥很大的作用。等效张量重构法已被提出用于计算光场，但是由于测试端分辨率的限制，关联涡旋光束的准确识别仍是现在技术尚未实现的一个问题。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置。本发明所提供的装置经过调制后可进行关联涡旋光束的识别；

实现本发明目的的技术方案是基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置，包括以下步骤：

(1)计算机生成一系列的数字全息图，该全息图可用来生成叠加光场，计算机反复产生该数字全息图，制备一组全息相图序列；

(2)计算机与一个空间光调制器进行连接；计算机将全息图加载至该空间光调制器，空间光调制器将其以动态帧的形式在一确定的速度下进行播放；

(3)使用一个氦-氖激光器产生一束波长稳定的线性偏振光，并将其进行光束扩大和相位调制；

(4)调制后的线性偏振光经过光线分束器照射空间光调制器；光线经空间光调制器生成第一阶反射光；

(5)反射光再次通过光线分束器，通过一个针孔进行选择后再通过一个密度滤波片传播至ccd检测器，获取的信息即为关联涡旋的总光强信息；

(6)在氦-氖激光器发出线性偏振光并照射至空间光调制器的同时，将计算机通过全息图控制产生的光场的信息，运用等效张量重构法计算出随机光场的光强信息：

[i]mn＝[wx]mm·[wy]nn；

wx＝hx^tw0xhx,wy＝hy^tw0yhy；

(m＝1,2,…n1,n＝1,2,…n1)；

其中[i]mm为通过eta算法计算出的表示随机光场强度离散矩阵；“·”表示为一种数乘运算；wx，wy分别为x，y方向上输出平面上的互谱密度函数的离散形式矩阵；hx，hy为n1*n1的矩阵；w0x，w0y分别为x，y方向上输入平面上的互谱密度函数的离散形式矩阵；上标t为矩阵的转置操作。将该计算得到的光强i与ccd检测器获得的总光强进行关联运算，恢复出关联涡旋的图像；

(7)计算机搭建一个深度神经网络；重复步骤(5)，将通过等效张量重构法恢复出的大量关联涡旋图像输入至该深度神经网络进行训练，使该深度神经网络具有关联涡旋的识别能力实现对关联涡旋的准确识别。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出一种基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置。本发明提出的装置适用于关联型涡旋光束的准确识别。

2.本发明所采用的装置方法简单，思路清晰。

3.本发明通过等效张量重构法获得关联涡旋图像，直接对测量端获得的空间信号进行等效张量运算就可获得光源处的关联函数信息，避免了坐标空间和角谱空间变换的窗口效应和多次采样过程的精度损失。

4.本发明通过对深度神经网络的训练以达到对关联涡旋精确识别的目的，端到端的的智能识别方法可以更为简单、准确地提取涡旋光束的相位特征，排除扰乱干扰。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置结构示意图；图2是本发明实施例中一种基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置实现关联涡旋识别的效果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释，也是本发明较好的应用形式，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，它是本实施例提供的一种基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置结构示意图：它包括氦-氖激光器1；扩束器2；光线分束器3；空间光调制器4；第一计算机5；针孔6；密度滤波片7；ccd检测器8；深度神经网络9；第二计算机10；

本实施例中，所述用于产生叠加态光场的第一计算机5反复产生数字全息图，制备一组全息相图序列,第一计算机5与空间光调制器4连接；将上述全息相图序列加载至空间光调制器4，以动态帧的形式以一定速率播放；打开氦-氖激光器1产生一束波长稳定的线性偏振光，射入扩束器2进行调制；调制后的线性偏振光经过光线分束器3照射空间光调制器4；光线经空间光调制器4生成第一阶反射光；反射光再次通过光线分束器3，通过一个针孔6进行选择后通过一个密度滤波片7传播至ccd检测器8，获取的信息即为关联涡旋的总光强信息；在氦-氖激光器1照射至空间光调制器4的同时，将第一计算机5通过全息图控制产生光场的信息，运用等效张量重构法计算出随机光场的光强信息[i]mn＝[wx]mm·[wy]nn，与ccd检测器8获得的总光强进行关联运算，恢复出关联涡旋的图像；第二计算机10搭建一个深度神经网络9；将恢复出的大量关联涡旋图像输入至该深度神经网络9进行训练，使该深度神经网络9具有关联涡旋的精确识别能力。

技术特征：

1.一种基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置。它由氦-氖激光器(1)、扩束器(2)、光线分束器(3)、空间光调制器(4)、第一计算机(5)、针孔(6)、密度滤波片(7)、ccd检测器(8)、深度神经网络(9)、第二计算机(10)组成；其特征在于：第一计算机(5)反复产生数字全息图，制备一组全息相图序列，将全息相图序列加载至与第一计算机(5)连接的空间光调制器(4)上并播放；打开氦-氖激光器(1)产生的线性偏振光经调制通过光线分束器(3)照射空间光调制器(4)，所得反射光经针孔(6)筛选后通过密度滤波片(7)，传播至ccd检测器(8)并且被接收；在氦-氖激光器(1)发出线性偏振光传播至空间光调制器(4)的同时，第一计算机(5)通过全息图控制产生光场的信息，并运用等效张量重构法计算出随机光场的光强信息，与ccd检测器(8)检测的总光强进行关联运算，恢复出关联涡旋的图像；第二计算机(10)搭建一个深度神经网络(9)；将成功恢复的大量关联涡旋图像反复输入深度神经网络(9)进行神经网络训练，直至其能准确识别关联涡旋；氦-氖激光器(1)产生的是一束波长稳定的线性偏振光，照射至空间光调制器(4)过程中需进行光束扩大和相位调制；深度神经网络(9)的搭建通过控制第二计算机(10)来完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置，其特征在于：所述全息相图序列由空间光调制器(4)以动态帧的形式在确定的速度下播放。

3.根据权利要求1所述的一种基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置，其特征在于：第一计算机(5)通过全息图控制光场产生的同时通过等效张量重构算法计算恢复关联涡旋图像。

技术总结
本发明公开了一种基于等效张量重构法的关联涡旋识别装置。实施步骤是：通过一个氦‑氖激光器产生的一束线性偏振光，进行光束扩大和相位调制后，照射空间光调制器。空间光调制器产生第一阶反射光通过针孔进行选择，然后通过一个密度滤波片传播至CCD检测器获取关联涡旋的总光强信息。在氦‑氖激光器照射至空间光调制器的同时，与该空间光调制器连接的计算机通过全息图控制产生光场的信息；运用等效张量重构法计算出随机光场的光强信息，与CCD检测器获得的总光强进行关联运算，恢复出关联涡旋的图像。将恢复出的关联涡旋图像输入至提前搭建的深度神经网络进行训练，使该深度神经网络具有关联涡旋的识别能力，实现对关联涡旋的准确识别。

技术研发人员：陈君;周思旖
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2020.01.10
技术公布日：2020.05.15