[发明专利]一种涡旋光束拓扑荷数识别方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种涡旋光束拓扑荷数识别方法。

背景技术

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。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明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。

本发明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。