CN118233012A - 基于空间互补的结构光束加密传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于空间互补的结构光束加密传输系统及装置，该装置包括两组结构光束产生模块、半透半反镜和探测分析模块。其中结构光束产生模块包括：激光器、扩束镜、数字微镜设备、透镜组和光阑。探测分析模块包括探测器和处理器。由两组结构光束产生模块生成具有空间互补结构的局部缺陷结构光束，通过半透半反镜完成空间域上的波分复用，使得自由空间传输过程中光场保持形状完整，具有信息加载的局部缺陷光束仅可由加密人在接收端对已知部分进行收集解调，使用探测器完成结构光束的再成像，再通过基于深度学习的图像识别算法对缺陷模式进行分析，实现结构光束加密传输。

Description

基于空间互补的结构光束加密传输方法

技术领域

本发明涉及激光、衍射、干涉、结构光自由空间通信，超大容量编码等技术领域，具体涉及一种基于结构激光束遮挡衍射原理和空间互补实现自由空间光通信加密传输的方法和装置。

背景技术

结构光在科学研究和应用领域的表现引人关注，尤其在应对通信容量瓶颈的挑战方面展现出极大潜力。由于被认为具备无限多正交且不重叠的信道，拥有轨道角动量的结构光被视为模分复用通信中的得力工具。

然而，自由空间光加密传输在当前阶段面临着一些显著的挑战和缺点，主要包括：易受环境干扰影响，安全性低，可扩展性和灵活性不足，高成本和复杂性，以及对光学鲁棒性的高需求等。

目前，可扩展性不足问题可使用高阶轨道角动量光束应对，但叠加可显著增加光束的数量，也会使光束的形状变得异常复杂。传统的光学方法，如光栅和全息光栅等，在解码这种复杂叠加模式方面显得力不从心。近期，基于自组织映射的浅神经网络和基于卷积神经网络的深度学习方法在这方面取得了显著的研究进展。然而，随着光束模式数量的增加，这些复杂模式的识别变得越来越具有挑战性，而卷积神经网络或类似网络的复杂性也持续攀升。

另外由于高阶轨道角动量光束引发的高光束散度问题，给传输和接收方面带来了一系列困扰，不仅限制了同轴轨道角动量信道的数量，在多模光纤和自由空间光纤中也显得尤为棘手。因此，采用模分复用技术以显著提升通信容量变得相当具有挑战性。

其中安全性问题更引人关注，尽管光学加密被认为是一种高度安全的传输方式，但存在潜在的攻击威胁，如窃听和干扰。针对自由空间光传输的特殊性质，攻击者可能通过各种手段窃取传输中的信息，因此需要更加健壮的加密技术来应对这些潜在威胁。

因此亟需一种更高效的加密传输方法，在能够提供足够多的波束方向图的条件下，完成自由空间光加密传输。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于空间互补的结构光束加密传输方法。在单个激光高模量生成存在挑战的情况下，本申请通过修改模式来增添或删除额外信息，从而实现更灵活的编码，基于空间上光斑的互补关系，使用多组结构激光束生成光斑结构互补的缺陷厄米高斯光束，自由空间传输过程中保持形状完整，在接收端对已知部分进行收集解调，以达到加密传输的目的。

第一方面，本申请提供了基于空间互补的结构光束加密传输装置，其所述光通信系统组成装置包括：两组结构激光束产生模块，半透半反镜和探测分析模块；其中结构激光束产生模块包括：激光器、扩束镜、数字微镜设备、第一透镜、第二透镜和光阑；探测分析模块包括探测器和处理器；其中所述激光器用于产生入射高斯光束；所述扩束镜用于对入射高斯光束进行扩束；所述数字微镜设备用于将扩束后的入射高斯光束转换为光强为远场有部分缺陷的厄米高斯光束，即第一出射光束；所述第一透镜用于将所述出射光束聚焦；所述光阑用于在出射光束聚焦后的焦平面上滤出正负一级衍射光，即第二出射光束；所述第二透镜用于将第二出射光束放大，得到第三出射光束；所述半透半反镜用于对两组结构光束产生模块中生成的两组缺陷分布互补的波束进行波分复用，得到第四出射光束；所述探测器用于探测第四出射光束；所述处理器用于对探测器得到的第四出射光束进行解码。

第二方面，本申请提供了基于空间互补的结构光束加密传输方法，包括：

激光器产生入射高斯光束；扩束镜对入射高斯光束进行扩束；数字微镜设备将扩束后的入射高斯光束转换为光强为远场有部分缺陷的厄米高斯光束，即第一出射光束；第一透镜将所述出射光束聚焦；光阑在出射光束聚焦后的焦平面上滤出正负一级衍射光，即第二出射光束；第二透镜将第二出射光束放大，得到第三出射光束；半透半反镜对两组结构光束产生模块中生成的两组缺陷分布互补的波束进行波分复用，得到第四出射光束；探测器探测第四出射光束；处理器对探测器得到的第四出射光束进行解码。

第三方面，本申请提供了一种基于空间互补的结构光束加密传输方法，所述方法包括：

在数字微镜器件上以不同频率加载处于互补状态下不同缺陷状态的全息图，并在探测器端以对应频率对已知的局部缺陷光束进行接收并解码。

附图说明

图1为本发明一实施例中一种基于空间互补的结构光束加密传输方法装置示意图，图中1.激光器、2.扩束镜、3.数字微镜设备、4.第一透镜、5.光阑、6.第二透镜、7.半透半反镜、8.激光器、9.扩束镜、10.数字微镜设备、11.第一透镜、12.光阑、13.第二透镜、14.探测器、15.处理器。。

图2为本发明一实施例中无缺陷和互补的局部缺陷的厄米高斯光束示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应该理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结构激光束是具有空间结构化振幅、相位或偏振的光束，在笛卡尔坐标系或柱坐标系下求解标量傍轴亥姆霍兹方程，可以分别导出厄米-高斯(HG_nm)和拉盖尔-高斯(LG_pl)模。以HG光束为例，加载了特殊信息的高阶HG光束可由基模高斯光束通过数字微镜设备调制产生，其具体信息内容可通过改变加载在数字微镜设备上的衍射图样实现，针对不同组的互补厄米高斯光束生成不同的衍射图案。

本发明提供的一种基于局部缺陷结构光进行超大容量编码的自由空间光通信系统的保密传输装置如图1所示，基于以上装置的光通信方法为：

激光器1产生入射高斯光束；扩束镜2对入射高斯光束进行扩束；数字微镜设备3将扩束后的入射高斯光束转换为光强为远场有部分缺陷的厄米高斯光束，即第一出射光束；第一透镜4将所述出射光束聚焦；光阑5在出射光束聚焦后的焦平面上滤出正一级衍射光，即第二出射光束；第二透镜6将第二出射光束放大，得到第三出射光束；激光器8产生入射高斯光束；扩束镜9对入射高斯光束进行扩束；数字微镜设备10将扩束后的入射高斯光束转换为光强为远场有部分缺陷的厄米高斯光束，即第四出射光束；第一透镜11将所述出射光束聚焦；光阑12在出射光束聚焦后的焦平面上滤出正一级衍射光，即第五出射光束；第二透镜13将第五出射光束放大，得到第六出射光束；半透半反镜7对两组结构光束产生模块中生成的两组缺陷分布互补的波束，即第三出射光和第六初设光进行波分复用，得到第七出射光束，探测器14探测第七出射光束，处理器15对探测器得到的第七出射光束进行解码；

在第一组结构激光束产生模块中，激光器1出射经与扩束镜2，数字微镜设备2平行准直；第一透镜4，光阑5，第二透镜6，依次置于数字微镜设备3相对激光器1逆时针偏转12°的直线上；将半透半反镜7呈45°置于直线上，透射面面对第二透镜6；在第二组结构激光束产生模块中，激光器8出射经与扩束镜9，数字微镜设备10平行准直；第一透镜11，光阑12，第二透镜13，依次置于数字微镜设备10相对激光器8逆时针偏转12°的直线上；将第二组结构光束产生模块中的的第二透镜13面对半透半反镜7的反射面；并放置探测器14于半透半反镜7之后，处理器15连接探测器14。

对于具体编码方式，考虑到HG_m,n模式具有(m+1)(n+1)个亮点，因此可以通过对不同亮点的移除，构造在同一HG_m,n模式下互补的局部缺陷光场，并对这些互补的局部缺陷进行组合，构造能够呈现完整HG_m,n模式的光场。对于这些在光斑轮廓上具有完整形态的组合光场如图2所示，在自由空间传输过程中，其他人无法获得对其中个别具有信息传输含义的缺陷光场的位置，进而解调出相对信息，而加密人可在信息传播末尾处对位置已知的具有信息传输意义的局部缺陷进行具体剪裁，对该光束通过其独特的缺陷状态进行识别，并可以通过特定的编码方式进行信息传输。

进一步地，还可在数字微镜设备3,10上以不同频率加载具有互补的局部缺陷状态的全息图，并在探测器14以对应频率对相应缺陷状态的光束进行接收并解码。

Claims (5)

1.一种基于空间互补的结构光束加密传输装置，其特征在于：所述光通信系统组成装置包括：两组结构激光束产生模块、半透半反镜(7)和探测分析模块；其中结构激光束产生模块包括：激光器(1、8)、扩束镜(2、9)、数字微镜设备(3、10)、第一透镜(4、11)、第二透镜(6、13)和光阑(5、12)，探测分析模块包括探测器(14)和处理器(15)，所述第一组激光束产生模块中的激光器(1)用于产生入射高斯光束；所述第一组激光束产生模块中的扩束镜(2)用于对入射高斯光束进行扩束；所述第一组激光束产生模块中的数字微镜设备(3)用于将扩束后的入射高斯光束转换为光强为远场有部分缺陷的厄米高斯光束，即第一出射光束；所述第一组激光束产生模块中的第一透镜(4)用于将所述出射光束聚焦；所述第一组激光束产生模块中的光阑(5)用于在出射光束聚焦后的焦平面上滤出正一级衍射光，即第二出射光束；所述第一组激光束产生模块中的第二透镜(6)用于将第二出射光束放大，得到第三出射光束；所述第二组激光束产生模块中的激光器(8)用于产生入射高斯光束；所述第二组激光束产生模块中的扩束镜(9)用于对入射高斯光束进行扩束；所述第二组激光束产生模块中的数字微镜设备(10)用于将扩束后的入射高斯光束转换为光强为远场有部分缺陷的厄米高斯光束，即第四出射光束；所述第二组激光束产生模块中的第一透镜在(11)用于将所述出射光束聚焦；所述第二组激光束产生模块中的光阑(12)用于在出射光束聚焦后的焦平面上滤出正一级衍射光，即第五出射光束；所述第二组激光束产生模块中的第二透镜(13)用于将第五出射光束放大，得到第六出射光束；所述半透半反镜(7)用于对两组结构光束产生模块中生成的两组缺陷分布互补的波束，即第三出射光和第六初设光进行波分复用，得到第七出射光束，所述探测器(14)用于探测第七出射光束，所述处理器(15)用于对所述探测器(14)得到的第七出射光束进行解码。

2.根据权利要求1所述的自由空间光通信装置，其中，所述第一组结构激光束产生模块中激光器(1)的出射镜与所述扩束镜(2)和所述数字微镜设备(3)平行准直；所述第一透镜(4)，所述光阑(5)和所述第二透镜(6)依次置于所述数字微镜设备(3)相对所述激光器逆时针偏转12°的直线上；所述半透半反镜(7)呈45度置于直线上，透射面面对第一组结构激光束产生模块中的第二透镜(6)；所述第二组结构光束产生模块中的第二透镜(13)面对半透半反镜(7)的反射面；所述探测器(14)置于所述半透半反镜(7)之后，所述处理器(15)连接所述探测器(14)。

3.一种基于空间互补的结构光束加密传输方法，包括：

第一组激光束产生模块中的激光器(1)产生入射高斯光束；

第一组激光束产生模块中的扩束镜(2)对入射高斯光束进行扩束；

第一组激光束产生模块中的数字微镜设备(3)将扩束后的入射高斯光束转换为光强为远场有部分缺陷的厄米高斯光束，即第一出射光束；

第一组激光束产生模块中的第一透镜(4)将第一出射光束聚焦；

第一组激光束产生模块中的光阑(5)在出射光束聚焦后的焦平面上滤出正一级衍射光，即第二出射光束；

第一组激光束产生模块中的第二透镜(6)将第二出射光束放大，得到第三出射光束；

第二组激光束产生模块中的激光器(8)产生入射高斯光束；

第二组激光束产生模块中的扩束镜(9)对入射高斯光束进行扩束；

第二组激光束产生模块中的数字微镜设备(10)将扩束后的入射高斯光束转换为光强为远场有部分缺陷的厄米高斯光束，即第四出射光束；

第二组激光束产生模块中的第一透镜(11)将第四出射光束聚焦；

第二组激光束产生模块中的光阑(12)在出射光束聚焦后的焦平面上滤出正一级衍射光，即第五出射光束；第二组激光束产生模块中的第二透镜(13)将第五出射光束放大，得到第六出射光束；

半透半反镜(7)对两组结构光束产生模块中生成的两组缺陷分布互补的波束，即第三出射光和第六初设光进行波分复用，得到第七出射光束；

探测器(14)探测第七出射光束；

处理器对探测器(15)得到的第七出射光束进行解码。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：对探测器(14)探测得到的光信号，通过基于深度学习的图像识别算法对结构激光束模式进行分析，解调制后得到传输信息。

5.一种基于空间互补的结构光束加密传输方法，所述方法应用于根据权利要求1所述的自由空间光通信装置，所述方法包括：

在所述数字微镜器件(3,10)上以不同频率加载处于互补状态下不同缺陷状态的全息图，并在所述探测器(15)端以对应频率对已知的局部缺陷光束进行接收并解码。