CN113938208A - 一种关联成像加密通信系统的解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种关联成像加密通信系统的解密方法，其包括以下步骤：S001：固定激光源的位置，在激光源一侧依次设置激光滤波器、投影透镜、空间光调制器，在倾斜设置的空间光调制器下方由上至下依次设置承载目标物的载物台、汇聚透镜和光强探测器，光强探测器和空间光调制器分别与计算机相连；S002：信号发出者通过计算机控制空间光调制器利用空间相干单色激光束产生不同的相位掩模，传播轴向距离后到达目标物平面，再透过汇聚透镜后到达光强探测器，其中，相位掩模和轴向距离分别作为一个密钥通过秘密通道发送给信号接收端；同时，光强探测器探测到的光场强度值通过公共通道发送给信号接收端；最后计算机采用压缩感知算法重建物体图像，完成解密。

Description

一种关联成像加密通信系统的解密方法

技术领域：

本发明涉及通信和关联成像技术领域，特指一种关联成像加密通信系统的解密方法。

背景技术：

随着通信技术、物联网技术以及大数据云计算等相关技术的快速发展，信息传输得以普遍应用于各行各业，在通信领域的应用场景中，图像数据作为主要的信息载体，扮演着十分重要的角色。

然而，在通信技术飞速发展的同时，信息传输的安全性越来越受到关注，如何以安全且高效的进行信息传输是通信领域中的一个重要问题。

传统的通信加密方法有网络加密模型法、通用密钥加密法、公钥加密法、WEB加密法、服务器验证法等，这些传统的通信加密方法都存在共同的问题，即通信速度慢、耗时长，加密程序繁琐、且安全性不够高，存在不少漏洞。这些问题的存在容易使得信息外泄，造成不必要的损失。

有鉴于此，本发明人提出以下技术方案。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种关联成像加密通信系统的解密方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：该关联成像加密通信系统的解密方法包括以下步骤：

S001：设计关联成像加密通信系统：固定激光源的位置，然后在激光源一侧依次设置激光滤波器、投影透镜、空间光调制器，其中，空间光调制器倾斜设置；并在空间光调制器下方由上至下依次设置用于承载目标物的载物台、汇聚透镜和光强探测器，其中，光强探测器和空间光调制器分别与计算机相连；

S002：密钥生成及图像解密重建：激光源产生的单色激光束经过激光滤波器、投影透镜后投射到空间光调制器；信号发出者通过计算机控制空间光调制器利用空间相干单色激光束产生不同的相位掩模，经过空间光调制器折射或反射，传播轴向距离后到达目标物平面，再透过汇聚透镜后到达光强探测器，其中，相位掩模和轴向距离分别作为一个密钥通过秘密通道发送给信号接收端，且一个相位掩模可产生多种不同的随机散斑；同时，光强探测器探测到的光场强度值通过公共通道发送给信号接收端；最后计算机采用压缩感知算法重建物体图像，完成解密。

进一步而言，上述技术方案中，于步骤S001中，激光源与激光滤波器之间的距离为L1，激光滤波器与投影透镜之间的距离为L2，投影透镜的焦距为f₁；投影透镜与空间光调制器之间的距离为L3，且空间光调制器竖直方向夹角为β；空间光调制器与目标物之间的距离为z_i，目标物与汇聚透镜之间的距离为L4，汇聚透镜与光强探测器之间的距离为L5，汇聚透镜的焦距为f₂，光强探测器的分辨率为U×V。

进一步而言，上述技术方案中，于步骤S002中，相位掩模

在[0,2π]区间内随机分布；传播轴向距离z_i后，到达目标物平面的散斑光场强度为I_i(x,y,z_i)，再通过透射函数为T(x,y)的目标物，被光强探测器探测到的光场强度值为B_i；

采样次数为P，第一次通过空间光调制器在激光束上附加一个随机的相位掩模

然后将其拉长为一行，然后每次行元素循环右移一位作为新的相位掩模

i＝1,2,...,P，这些相位掩模形成了具有随机分布的Toeplitz矩阵；

而轴向距离每次选取随机的z_i，得到对应的P个由光强探测器探测到的光场强度值B_i，i＝1,2,...,P；

信号发送端将相位掩模

和P个距离z_i作为密钥，通过秘密通道发送给信号接收端，而光场强度值B_i，i＝1,2,...,P则通过公共通道发送给信号接收端；

信号接收端根据相位掩模

和距离z_i，i＝1,2,...,P密钥计算出散斑到达目标物平面的散斑光场强度I_i(x,y,z_i)，i＝1,2,...,P；将光场强度值B_i，i＝1,2,...,P和计算值I_i(x,y,z_i)，i＝1,2,...,P作为压缩感知算法的测量向量和测量矩阵，基于压缩感知算法重建物体图像，完成解密。

进一步而言，上述技术方案中，于步骤S002中，

波长为λ的激光束照射到空间光调制器上的光场为Eⁱⁿ,经过空间光调制器相位调制相位掩模

i＝1,2,...P后，光场为：

根据Fresnel-Huygens传播方程，距离空间光调制器为z＝z_i处的目标物平面光场为:

式中ξ,η表示垂直于z的平面空间坐标；到达目标物平面的散斑光场强度为:

I_i(x,y,z_i)＝|E_i(x,y,z_i)|²

通过透射函数为T(x,y)的目标物后，被光场探测器接收的光场强度为：

B_i＝∫∫dxdyI_i(x,y,z_i)T(x,y)

距离变化的光场强度关联函数为:

式中R_GI(x,y,z_i)为两光路的光场强度关联后恢复的物体图像信息，是P次测量的平均值；B_i-<B>是强度涨落，I_i(x,y,z_i)是散斑光场强度，

是相位掩模，z_i是目标物平面到空间光调制器的轴向距离；B_i是光强探测器探测到的光场强度值，是二维透射函数T(x,y)在散斑强度I_i(x,y,z_i)上的投影值之和；

激光束照射到空间光调制器上产生的散斑大小和目标物大小是相同的，二维目标物的大小是N×N个像素点，经过P次采样，B_i的矩阵形式为：

式中(T₁₁…T_1N…T_NN)^T为二维透射函数T(x,y)(x,y＝1,...,N)在不同像素点处形成的二维向量按行拉长的一列，

(i,j＝1,...,N,k＝1,...,P)为第k次测量照射到物体上的各像素点的散斑光场强度，B_k是第k次测量值，式中B和I是压缩感知算法的测量向量和测量矩阵，由以下的恢复图像公式可以重建物体图像：

B_i＝∫∫dxdyI_i(x,y,z＝L_i)T(x,y),i＝1,...,M

式中

表示1-范数，ψ为稀疏基，T_CS为压缩感知重建的恢复图像，由此可以得到解密后的物体图像，即T_CS。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

1、本发明设置的关联成像加密通信系统结构简单、操作方便、传输时间快、加密效果好，可以很好的满足通信传输的安全需求，同时节约了信息传输过程中加密解密的时间，在安全通信领域具有很好的应用价值。

2、和传统加密通信相比，本发明只需发送一个相位掩模密钥，就可以产生多种不同的随机散斑，大大减少了密钥的传输量；同时引入目标物到空间光调制器的轴向距离作为另一密钥来有效地提高方案的安全性；在解密过程中，采用压缩感知算法有效解决了传统图像信息重建方案中采样次数多、图像恢复质量差的问题。

附图说明：

图1是本发明中关联成像加密通信系统的结构图；

图2是本发明产生的相位掩模的示意图；

图3是本发明中空间光调制器调制示意图；

图4是实施方式中载物台表面的光斑示意图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

见图1-4所示，为一种关联成像加密通信系统的解密方法，其包括以下步骤：

S001：设计关联成像加密通信系统：固定激光源1的位置，然后在激光源1一侧依次设置激光滤波器2、投影透镜3、空间光调制器4，其中，空间光调制器4倾斜设置；并在空间光调制器4下方由上至下依次设置用于承载目标物5的载物台9、汇聚透镜6和光强探测器7，其中，光强探测器7和空间光调制器4分别与计算机8相连；且最后在计算机上通过关联成像算法进行解密，重建出通信信息，即计算机8采用压缩感知算法解密重建出目标物高质量图像；

S002：密钥生成及图像解密重建：激光源1产生的单色激光束经过激光滤波器2、投影透镜3后投射到空间光调制器4；信号发出者通过计算机8控制空间光调制器4利用空间相干单色激光束产生不同的相位掩模，如图2-3所示，其中，101是相位掩模，102是激光束的光斑，103是空间光调制器的平面；经过空间光调制器4折射或反射，并传播轴向距离后到达目标物5平面，如图4所示，其中，104是目标物的边界，105是载物台的平面；再透过汇聚透镜6后到达光强探测器7，其中，相位掩模和轴向距离分别作为一个密钥通过秘密通道发送给信号接收端，且一个相位掩模可产生多种不同的随机散斑；同时，光强探测器7探测到的光场强度值通过公共通道发送给信号接收端；最后计算机采用压缩感知算法重建物体图像，完成解密。

本发明设置的关联成像加密通信系统结构简单、操作方便、传输时间快、加密效果好，可以很好的满足通信传输的安全需求，同时节约了信息传输过程中加密解密的时间，在安全通信领域具有很好的应用价值。和传统加密通信相比，本发明只需发送一个相位掩模密钥，就可以产生多种不同的随机散斑，大大减少了密钥的传输量；同时引入目标物到空间光调制器的轴向距离作为另一密钥来有效地提高方案的安全性；在解密过程中，采用压缩感知算法有效解决了传统图像信息重建方案中采样次数多、图像恢复质量差的问题。

在关联成像加密通信系统的解密方法中，激光源1与激光滤波器2之间的距离为L1＝20cm，激光滤波器2与投影透镜3之间的距离为L2＝10cm，投影透镜3的焦距为f₁＝10cm；投影透镜3与空间光调制器4之间的距离为L3＝8cm，且空间光调制器4竖直方向夹角为β＝45°；空间光调制器4与目标物5之间的距离为z_i，目标物5与汇聚透镜6之间的距离为L4＝8cm，汇聚透镜6与光强探测器7之间的距离为L5＝8cm，汇聚透镜6的焦距为f₂＝10cm，光强探测器7的分辨率为3680×1920。

相位掩模

在[0,2π]区间内随机分布；传播轴向距离z_i后，到达目标物平面的散斑光场强度为I_i(x,y,z_i)，再通过透射函数为T(x,y)的目标物，被光强探测器探测到的光场强度值为B_i；

采样次数为P＝20000，第一次通过空间光调制器在激光束上附加一个随机的相位掩模

然后将其拉长为一行，然后每次行元素循环右移一位作为新的相位掩模

i＝1,2,...,20000，这些相位掩模形成了具有随机分布的Toeplitz矩阵；而轴向距离每次选取随机的z_i，得到对应的20000个由光强探测器探测到的光场强度值B_i，i＝1,2,...,20000；信号发送端将相位掩模

和20000个距离z_i作为密钥，通过秘密通道发送给信号接收端，而光场强度值B_i，i＝1,2,...,20000则通过公共通道发送给信号接收端；

信号接收端根据相位掩模

和距离z_i，i＝1,2,...,20000密钥计算出散斑到达目标物平面的散斑光场强度I_i(x,y,z_i)，i＝1,2,...,20000；将光场强度值B_i，i＝1,2,...,20000和计算值I_i(x,y,z_i)，i＝1,2,...,20000作为压缩感知算法的测量向量和测量矩阵，基于压缩感知算法重建物体图像，完成解密。

以下对解密过程进行具体阐述：

波长为λ的激光束照射到空间光调制器上的光场为Eⁱⁿ,经过空间光调制器相位调制相位掩模

i＝1,2,...,20000后，光场为：

根据Fresnel-Huygens传播方程，距离空间光调制器为z＝z_i处的目标物平面光场为:

式中ξ,η表示垂直于z的平面空间坐标；到达目标物平面的散斑光场强度为:

I_i(x,y,z_i)＝|E_i(x,y,z_i)|²

通过透射函数为T(x,y)的目标物后，被光场探测器接收的光场强度为：

B_i＝∫∫dxdyI_i(x,y,z_i)T(x,y)

距离变化的光场强度关联函数为:

式中R_GI(x,y,z_i)为两光路的光场强度关联后恢复的物体图像信息，是P次测量的平均值；B_i-<B>是强度涨落，I_i(x,y,z_i)是散斑光场强度，

是相位掩模，z_i是目标物平面到空间光调制器的轴向距离；B_i是光强探测器探测到的光场强度值，是二维透射函数T(x,y)在散斑强度I_i(x,y,z_i)上的投影值之和；

激光束照射到空间光调制器上产生的散斑大小和目标物大小是相同的，二维目标物的大小是N×N＝256×256个像素点，经过P＝20000次采样，B_i的矩阵形式为：

式中(T₁₁…T_1N…T_NN)^T为二维透射函数T(x,y)(x,y＝1,...,256)在不同像素点处形成的二维向量按行拉长的一列，

(i,j＝1,...,N,k＝1,...,P)为第k次测量照射到物体上的各像素点的散斑光场强度，B_k是第k次测量值，式中B和I是压缩感知算法的测量向量和测量矩阵，由以下的恢复图像公式可以重建物体图像：

B_i＝∫∫dxdyI_i(x,y,z＝L_i)T(x,y),i＝1,...,M

式中

表示1-范数，ψ为稀疏基，T_CS为压缩感知重建的恢复图像，由此可以得到解密后的物体图像，即T_CS。

所述信号发送端(即图1中的发送端)，其具体可以是服务商等，用于完成对信号(即图像)的加密，将加密后的图像、密钥等相关信息传输给信号接收端。

信号接收端(即图1中的接收端)，其具体可以是用户等，其用于接收加密后的信号(即图像)。

信号接收端接收通过秘密通道和公共通道传输过来的密钥和光场强度值，对加密信号(图像)进行解密。密钥是信息解密的核心，所以在通信传输中需要进行保护(即对密钥进行加密传输)。其中，所述秘密通道即加密通信传输，用来传输密钥；所述公共通道即不加密通信传输光场强度值。

综上所述，本发明设置的关联成像加密通信系统结构简单、操作方便、传输时间快、加密效果好，可以很好的满足通信传输的安全需求，同时节约了信息传输过程中加密解密的时间，在安全通信领域具有很好的应用价值。和传统加密通信相比，本发明只需发送一个相位掩模密钥，就可以产生多种不同的随机散斑，大大减少了密钥的传输量；同时引入目标物到空间光调制器的轴向距离作为另一密钥来有效地提高方案的安全性；在解密过程中，采用压缩感知算法有效解决了传统图像信息重建方案中采样次数多、图像恢复质量差的问题。

当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (4)

1.一种关联成像加密通信系统的解密方法，其特征在于，包括以下步骤：

S001：设计关联成像加密通信系统：固定激光源的位置，然后在激光源一侧依次设置激光滤波器、投影透镜、空间光调制器，其中，空间光调制器倾斜设置；并在空间光调制器下方由上至下依次设置用于承载目标物的载物台、汇聚透镜和光强探测器，其中，光强探测器和空间光调制器分别与计算机相连；

S002：密钥生成及图像解密重建：激光源产生的单色激光束经过激光滤波器、投影透镜后投射到空间光调制器；信号发出者通过计算机控制空间光调制器利用空间相干单色激光束产生不同的相位掩模，经过空间光调制器折射或反射，传播轴向距离后到达目标物平面，再透过汇聚透镜后到达光强探测器，其中，相位掩模和轴向距离分别作为一个密钥通过秘密通道发送给信号接收端，且一个相位掩模可产生多种不同的随机散斑；同时，光强探测器探测到的光场强度值通过公共通道发送给信号接收端；最后计算机采用压缩感知算法重建物体图像，完成解密。

2.根据权利要求1所述的一种关联成像加密通信系统的解密方法，其特征在于：于步骤S001中，激光源与激光滤波器之间的距离为L1，激光滤波器与投影透镜之间的距离为L2，投影透镜的焦距为f₁；投影透镜与空间光调制器之间的距离为L3，且空间光调制器竖直方向夹角为β；空间光调制器与目标物之间的距离为z_i，目标物与汇聚透镜之间的距离为L4，汇聚透镜与光强探测器之间的距离为L5，汇聚透镜的焦距为f₂，光强探测器的分辨率为U×V。

3.根据权利要求2所述的一种关联成像加密通信系统的解密方法，其特征在于：于步骤S002中，相位掩模

在[0,2π]区间内随机分布；传播轴向距离z_i后，到达目标物平面的散斑光场强度为I_i(x,y,z_i)，再通过透射函数为T(x,y)的目标物，被光强探测器探测到的光场强度值为B_i；

采样次数为P，第一次通过空间光调制器在激光束上附加一个随机的相位掩模

然后将其拉长为一行，然后每次行元素循环右移一位作为新的相位掩模

这些相位掩模形成了具有随机分布的Toeplitz矩阵；

而轴向距离每次选取随机的z_i，得到对应的P个由光强探测器探测到的光场强度值B_i，i＝1,2,...,P；

信号发送端将相位掩模

和P个距离z_i作为密钥，通过秘密通道发送给信号接收端，而光场强度值B_i，i＝1,2,...,P则通过公共通道发送给信号接收端；

信号接收端根据相位掩模

和距离z_i，i＝1,2,...,P密钥计算出散斑到达目标物平面的散斑光场强度I_i(x,y,z_i)，i＝1,2,...,P；将光场强度值B_i，i＝1,2,...,P和计算值I_i(x,y,z_i)，i＝1,2,...,P作为压缩感知算法的测量向量和测量矩阵，基于压缩感知算法重建物体图像，完成解密。

4.根据权利要求3所述的一种关联成像加密通信系统的解密方法，其特征在于：于步骤S002中，

波长为λ的激光束照射到空间光调制器上的光场为Eⁱⁿ,经过空间光调制器相位调制相位掩模

后，光场为：

根据Fresnel-Huygens传播方程，距离空间光调制器为z＝z_i处的目标物平面光场为:

式中ξ,η表示垂直于z的平面空间坐标；到达目标物平面的散斑光场强度为:

I_i(x,y,z_i)＝|E_i(x,y,z_i)|²

通过透射函数为T(x,y)的目标物后，被光场探测器接收的光场强度为：

B_i＝∫∫dxdyI_i(x,y,z_i)T(x,y)

距离变化的光场强度关联函数为:

式中R_GI(x,y,z_i)为两光路的光场强度关联后恢复的物体图像信息，是P次测量的平均值；B_i-<B>是强度涨落，I_i(x,y,z_i)是散斑光场强度，

是相位掩模，z_i是目标物平面到空间光调制器的轴向距离；B_i是光强探测器探测到的光场强度值，是二维透射函数T(x,y)在散斑强度I_i(x,y,z_i)上的投影值之和；

激光束照射到空间光调制器上产生的散斑大小和目标物大小是相同的，二维目标物的大小是N×N个像素点，经过P次采样，B_i的矩阵形式为：

式中(T₁₁…T_1N…T_NN)^T为二维透射函数T(x,y)(x,y＝1,...,N)在不同像素点处形成的二维向量按行拉长的一列，

为第k次测量照射到物体上的各像素点的散斑光场强度，B_k是第k次测量值，式中B和I是压缩感知算法的测量向量和测量矩阵，由以下的恢复图像公式可以重建物体图像：

B_i＝∫∫dxdyI_i(x,y,z＝L_i)T(x,y),i＝1,...,M

式中

表示1-范数，ψ为稀疏基，T_CS为压缩感知重建的恢复图像，由此可以得到解密后的物体图像，即T_CS。

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