基于斯托克斯矢量调控的三通道光学图像加密方法及系统

技术领域

本发明涉及光学通信和信息加密技术领域，尤其涉及一种基于斯托克斯矢量调控的三通道光学图像加密方法及系统。

背景技术

光场的振幅、相位、偏振等自由度均可以作为信息存储、编码及加密的载体，利用光场单个及多个自由度还可以用来实现光学图像传输与自由空间光通信，最近利用单个轨道角动量的正交模式实现多维信息加密复用也被提了出来；基于轨道角动量复用的信息编码方案需要按时序对图像信息编码，耗时长。另外基于轨道角动量等光场一阶统计特性还不可避免的易受复杂环境的扰动，造成信号失真，丢失等缺陷。最近利用光场二阶统计特性的光场相干结构这一自由度实现的信息编码与加密方案被提了出来，研究表明光场二阶统计特性具有抗复杂环境的鲁棒性，为复杂环境中的图像信息加载，加密与信息传输提供了一个新的可调控自由度。

然而，现有技术中，利用标量光场中的单个相干结构只能实现单通道信息的编码与加密，利用单个结构随机光束实现多通道信息编码及加密方面还难以实现，极大限制了其在大容量信息传输及光通信中的应用。

综上，现有技术还存在以下缺点：

(1)基于完全相干的图像加载与加密易受复杂环境的扰动，造成信息失真、畸变与丢失；

(2)利用标量光场中的单个光场相干结构，只能实现单通道信息的编码与加密，极大限制了在大容量及多通道信息传输及通信中的应用。

因此，现阶段，如何在复杂环境中利用单个结构随机光束实现多通道图像鲁棒、高安全信息编码与加密仍然是待解决的重要科学问题。

发明内容

为此，本发明实施例提供了一种基于斯托克斯矢量调控的三通道光学图像加密方法及系统，用于解决现有技术中基于完全相干的图像加载与加密易受复杂环境的扰动，造成信息失真、畸变与丢失以及利用标量光场中的单个光场相干结构，只能实现单通道信息的编码与加密，极大限制了在大容量及多通道信息传输及通信中的应用的问题。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种基于斯托克斯矢量调控的三通道光学图像加密方法，该方法包括：

步骤S1：将预设三通道光学图像信息编码到偏振斯托克斯矢量S

步骤S2：建立携带有三通道光学图像信息的随机矢量光场正交随机模电场分量之间的约束关系r

步骤S3：根据得到的随机复数屏函数T

步骤S4：根据测量得到的三个两点斯托克斯矢量，利用相应的逆变换系统H

优选地，所述随机矢量光场W(r

W(r

式中，*，T和<>分别表示复共轭，矩阵转置及系统平均，E(r)＝[E

优选地，所述随机矢量光场的交叉谱密度矩阵元W

式中，α,β∈(x,y)，H

优选地，偏振斯托克斯矢量S

式中，S

优选地，所述编码加密系统H(r,v)表示为：

式中，r为空间中的位置矢量，A

优选地，所述建立携带有三通道光学图像信息的随机矢量光场正交随机模电场分量之间的约束关系r

利用随机模展开理论，对于任意物理可实现的随机矢量光场展开为如下模式叠加形式：

式中，E

式中，r

对于随机复数屏函数T

其中，

式中，R

式中，R

为了建立两个随机复数屏函数之间的关系，首先定义四个相互独立的N

将公式(10)中的约束条件r

优选地，所述根据得到的随机复数屏函数T

根据得到的随机复数屏函数T

优选地，所述随机矢量光场的正交分量h

其中

式中，

本发明实施例还提供了一种基于斯托克斯矢量调控的三通道光学图像加密系统，包括：激光器、第一线偏振片、第一扩束器、空间光调制器、分束镜、第一薄透镜、双孔滤波片、第二薄透镜、第一半波片、第二半波片、朗奇光栅、第三薄透镜、偏振分束镜、第一反射镜、衰减片、第二线偏振片、四分之一波片、第二扩束器、第二反射镜、第一电荷耦合元件、第二电荷耦合元件；

首先激光从激光器发出，利用第一线偏振片通过衰减片将其调控为水平线偏振光；接着光束通过第一扩束器扩束，其中反射光束均匀传输到纯相位空间光调制器上，从空间光调制器反射后的光被入射到由第一薄透镜和第二薄透镜构成的共径干涉系统，从第一薄透镜出射的光分成多个衍射级；然后由双孔滤波片分别滤出x方向场和y方向场的正一级光，两个正一级光通过第二薄透镜；其中，第一半波片和第二半波片分别放置在两个正一级光路中，上光路中的第一半波片用来将x方向场正一级光调控为x偏振光，下光路中的第二半波片用来将y方向场正一级光调控为y偏振光；利用位于第二薄透镜后焦面处的朗奇光栅最终将x偏振和y偏振光稳定合束，即得到携带有三通道光学图像信息的矢量随机模式；最后合成后的一系列矢量随机模经第三薄透镜组成的成像系统，由偏振分束镜与参考光进行相干合束，第一电荷耦合器件与第二电荷耦合器件分别用来拍摄合束后的x方向场和y方向场成份；

参考光路由分束镜透射光束经第一反射镜反射后，经衰减片后，在通过第二线偏振片及四分之一波片再有第二扩束器扩束，然后再由第二反射镜反射后入射到偏振分束镜；其中，空间光调制器与第一计算机相连接，将第一计算机生成的全息图加载到空间光调制器上，第一电荷耦合器件、第二电荷耦合器件分别与第二计算机所控制的同步触发器相连接，用于同步记录第一电荷耦合器件和第二电荷耦合器件拍摄的光强信息，并用来处理测量矢量光束三个两点斯托克斯矢量。

优选地，所述第二线偏振片透射角设置为与x方向成夹角为π/4，所述四分之一波片的快轴分别设置与第二线偏振片的透光轴之间的夹角为0或π/2，得到第一参数光束与第二参考光束，并且第一参考光束和第二参考光束均为π/4线偏振光，但两束参考光之间确有恒定的π/2相位差。

从以上技术方案可以看出，本发明申请具有以下有益效果：

1、本发明利用单个矢量随机光束能够实现三通道光学图像信息的同时编码、加密与解密，拓展了图像信息编码的自由度，进一步拓展了图像编码存储容量，三个偏振斯托克斯矢量S

2、本发明在不更改光学实验系统的前提下，通过预先设计矢量随机光束的随机复数屏函数并利用计算机全息术，通过单个纯相位空间光调制器及一共径干涉系统，能够实现光束稳定合成。

3、本发明利用矢量光场的二阶斯托克斯参量为信息加密载体，具有抗复杂环境扰动的鲁棒性，能适应复杂环境中的光学编码与加密，此外光学系统灵活性高，成本低，在多种领域具有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下边将对实施例中所需要使用的附图做简单说明，通过参考附图会更清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应该理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为实施例中提供的一种基于斯托克斯矢量调控的三通道光学图像加密方法的流程图；

图2为实施例中提供的一种基于斯托克斯矢量调控的三通道光学图像加密系统的框图；

图3为实施例中空间光调制器加载计算机生成的全息图；

图4为实施例中三个两点斯托克斯的实部和虚部及对应的正确解密图像。

说明书附图标记：1、激光器；2、第一线偏振片；3、第一扩束器；4、空间光调制器；5、分束镜；6、第一薄透镜；7、双孔滤波片；8、第二薄透镜；9、第一半波片；10、第二半波片；11、朗奇光栅；12、第三薄透镜；13、偏振分束镜；14、第一反射镜；15、衰减片；16、第二线偏振片；17、四分之一波片；18、第二扩束器；19、第二反射镜；20、第一电荷耦合元件；21、第二电荷耦合元件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案与优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提出一种基于斯托克斯矢量调控的三通道光学图像加密方法，该方法包括：

步骤S1：将预设三通道光学图像信息编码到偏振斯托克斯矢量S

步骤S2：建立携带有三通道光学图像信息的随机矢量光场正交随机模电场分量之间的约束关系r

步骤S3：根据得到的随机复数屏函数T

步骤S4：根据测量得到的三个两点斯托克斯矢量，利用相应的逆变换系统H

从上述技术方案可知，本发明一种基于斯托克斯矢量调控的三通道光学图像加密方法，通过利用单个矢量随机光束能够实现三通道光学图像信息的同时编码、加密与解密，拓展了图像信息编码的自由度，进一步拓展了图像编码存储容量，三个偏振斯托克斯矢量S

在本实施例中，在步骤S1中，将预设三通道光学图像信息编码到偏振斯托克斯矢量S

在空间频率域，对于单色，等时随机矢量光场，其统计特性可由2*2相干矩阵表示，为：

W(r

式中，*，T和<>分别表示复共轭，矩阵转置及系统平均，E(r)＝[E

式中，α,β∈(x,y)，H

进一步地，由上式及偏振矩阵元之间所满足的关系可知，p

式中，S

另外为方便原理说明，上式中令H

式中，r为空间中的位置矢量，A

因此利用公式(3)，可以实现三通道信息加密，如实现三个独立的光学图像加密等。接着，通过测量密文信息，即测量三个两点斯托克斯矢量S

在本实施例中，在步骤S2中，建立携带有三通道光学图像信息的随机矢量光场正交随机模电场分量之间的约束关系r

利用随机模展开理论，对于任意物理可实现的随机矢量光场展开为如下模式叠加形式：

式中，E

式中，r

直接利用公式(3)中的随机复数屏函数的自关联，能够精确控制矢量随机光场交叉谱密度矩阵的对角元W

对于随机复数屏函数T

其中，

式中，R

式中，R

为了建立两个随机复数屏函数之间的关系，首先定义四个相互独立的N

将公式(10)中的约束条件r

在本实施例中，在步骤S3中，根据得到的随机复数屏函数T

根据得到的随机复数屏函数T

具体地，x方向场和y方向场分量的单个计算全息图分别表示为：

式中，

实施例二

如图2所示，本发明提供一种基于斯托克斯矢量调控的三通道光学图像加密系统，包括：激光器1、第一线偏振片2、第一扩束器3、空间光调制器4、分束镜5、第一薄透镜6、双孔滤波片7、第二薄透镜8、第一半波片9、第二半波片10、朗奇光栅11、第三薄透镜12、偏振分束镜13、第一反射镜14、衰减片15、第二线偏振片16、四分之一波片17、第二扩束器18、第二反射镜19、第一电荷耦合元件20、第二电荷耦合元件21。

具体地，首先一束波长532nm完全相干激光从激光器1发出，利用第一线偏振片2通过衰减片15将其调控为水平线偏振光。接着光束通过第一扩束器3扩束，其中反射光束均匀传输到纯相位空间光调制器4上。其中，空间光调制器4用以加载合成随机矢量光场正交分量的分屏计算机生成全息图，为了能精确实现其正交x方向场和y方向场精确合束，从空间光调制器4反射后的光被入射到由第一薄透镜6和第二薄透镜8构成的共径干涉系统，其中第一薄透镜6和第二薄透镜8的焦距均为f1＝250mm。从第一薄透镜6出射的光分成多个衍射级；然后由双孔滤波片7分别滤出x方向场和y方向场的正一级光，两个正一级光通过第二薄透镜8。其中，两个半波片(第一半波片9和第二半波片10)分别放置在两个正一级光路中，上光路中的第一半波片9用来将x方向场正一级光调控为x偏振光，下光路中的第二半波片10用来将y方向场正一级光调控为y偏振光。利用位于第二薄透镜8后焦面处的朗奇光栅11最终将x偏振和y偏振光稳定合束，即得到携带有三通道光学图像信息的矢量随机模式。接着，合成后的一系列矢量随机模经第三薄透镜12(f3＝250mm)组成的2f成像系统，由偏振分束镜13与参考光进行相干合束，第一电荷耦合器件20与第二电荷耦合器件21分别用来拍摄合束后的x方向场和y方向场成份。

其中参考光路由分束镜5透射光束经第一反射镜14反射后，经衰减片15后，在通过第二线偏振片16及四分之一波片17再有第二扩束器18扩束，然后再由第二反射镜19反射后入射到偏振分束镜13。其中，第二线偏振片16透射角设置为与x方向成夹角为π/4，四分之一波片17的快轴分别设置与第二线偏振片16的透光轴之间的夹角为0或π/2，得到第一参数光束与第二参考光束，并且第一参考光束和第二参考光束均为π/4线偏振光，但两束参考光之间确有恒定的π/2相位差。其中，空间光调制器4与第一计算机相连接，将第一计算机生成的全息图加载到空间光调制器4上，第一电荷耦合器件20、第二电荷耦合器件21分别与第二计算机所控制的同步触发器相连接，用于同步记录第一电荷耦合器件20和第二电荷耦合器件21拍摄的光强信息，并用来处理测量矢量光束三个两点斯托克斯矢量。

其中，拍摄光强分为两个步骤：首先由信号光与第一参考光合束分别得到信号光I

其中，α,β＝(x,y)，<>表示系统平均。在测量出矢量光场的交叉谱密度的矩阵元信息后，利用交叉谱密度矩阵元和矢量光场两点斯托克斯参量之间的关系，可分别测量得到三个两点斯托克斯矢量的复值信息，表示为：S

图3为本发明空间光调制器加载计算机生成的全息图。图4为本发明实验参量三个两点斯托克斯的实部和虚部及对应的正确解密图像；其中，原始三通道图像分别为数字“1”，“2”和“3”，加密与解密密钥设置为p

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。