[發明專利]基于沙克哈特曼波前傳感器的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法

有效

• 申請號: 202110993027.5
• 申請日: 2021-08-25
• 公開（公告）號: CN113686452B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 劉華鋒;王岱崟
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00;G06F30/27;G06N3/08
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

本發明公開了一種基于深度學習和沙克哈特曼波前傳感器的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法，借鑒了強度脊提取類方法的思想，并巧妙地將多光渦情況下閉合回路的提取轉化成了語義分割問題，且用U?Net這一深度學習方法進行了實現，從而避免了光渦間交融部分對閉合回路獲取的影響。此外，為了解決多光渦情況下訓練數據無法獲得的困境，本發明提出了一種數據生成方法即通過精細化地處理單光渦數據，即可大批量地生成多光渦數據以用于網絡訓練；在方法設計上，本發明基于場景分析選擇了骰子損失函數作為損失函數，并引入了閉運算這一后處理以提升算法性能。大量實驗結果表明，本發明可以實現對多光渦光束中，每個光渦的同時、準確的拓撲值探測。

技術領域

本發明屬于渦旋光束探測技術領域，具體涉及一種基于深度學習和沙克哈特曼波前傳感器的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法。

背景技術

自然界中存在著許多渦旋現象，例如龍卷風、海洋中的渦流等。光學渦旋簡稱光渦，特指光場中的渦旋現象；對于包含著一個或多個光學渦旋的光束，我們通常稱其為渦旋光束。近些年來，渦旋光束因其具有諸多特性，而受到了廣泛關注與研究，并已被成功應用于眾多領域中。由于渦旋光束中的光子攜帶著軌道角動量，因而渦旋光束可被用于操控微觀粒子，并被認為是探索微觀世界的最有力的工具之一；由于渦旋光束具有天然的正交性，因而不同模式的渦旋光束可進行獨立的信息編碼并同時進行信息傳輸，從而數倍、甚至數十倍地提升了通信速率。此外，渦旋光束還被應用于光學檢測、光學遙感等領域，在渦旋光束的眾多應用中，其關鍵性參數——拓撲值總是與其應用原理密不可分；因此，如何實現準確、高效的渦旋光束拓撲值探測，是渦旋光束相關應用的基石。

渦旋光束拓撲值探測的相關研究其實已有幾十年的歷史：自Fired以數值運算角度論證了光學渦旋的存在開始，如何實現高精度的拓撲值探測一直是渦旋光束相關研究的核心。從最早期的基于干涉的拓撲值探測方法，到后來的基于衍射、基于模式分解的拓撲值探測方法，拓撲值探測的精度日益提高，探測方法抵御環境擾動的能力也逐漸增強；然而，這些方法都依賴于復雜的光學系統抑或是受限于較為嚴苛的前提條件來進行拓撲值探測。近些年來，隨著自適應光學的蓬勃發展，沙克哈特曼波前傳感器這一自適應光學中的重要器件，被證明可用以探測渦旋光束的拓撲值；由于沙克哈特曼波前傳感器的靈活、便捷、準確的特性，基于沙克哈特曼波前傳感器的拓撲值探測法不僅在精度層面不輸于其他拓撲值探測方法，還極大程度地精簡了探測系統、擺脫了限制條件的桎梏，因而逐漸地成為主流的拓撲值探測方式之一。

許多開創性的工作也被相繼提出，例如文獻[Chen M,Roux F S,Olivier JC.Detection of phase singularities with a Shack-Hartmann wavefront sensor[J].Journal of the Optical Society of America A,2007,24(7):1994-2002]以及文獻[Huang H,Luo J,Matsui Y,et al.Eight-connected contour method for accurateposition detection of optical vortices using Shack–Hartmann wavefront sensor[J].Optical Engineering,2015,54(11):111302]中所記載的方法，然而這些方法無一例外地僅適用于單光渦渦旋光束，在例如光通信等實際的應用場景中，同一光束中通常包含著多個光渦。因此，如何實現對多光渦渦旋光束中，每一個光學渦旋的同時、準確的拓撲值探測，是亟待解決的難題。

發明內容

鑒于上述，本發明提供了一種基于深度學習和沙克哈特曼波前傳感器的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法，其借鑒了強度脊提取類方法的思想，并巧妙地將強度脊的提取轉化成了語義分割問題，同時基于U-Net這一深度神經網絡對方法進行了設計，實現了對多個光渦的同時、準確的拓撲值探測。

一種基于深度學習和沙克哈特曼波前傳感器的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法，包括如下步驟：