本发明属于光通信，具体涉及基于轨道角动量模式随机切换的跳模通信方法。
背景技术：
1、自由空间光通信因其机动灵活的特性而获得了广泛关注。与传统的微波无线通信技术相比，激光波束的宽度小、方向性好、抗截获和抗电磁干扰的能力强，在通信保密性方面具有较大的优势。自由空间光通信技术已进入实用研究阶段,国内外都有实验系统和商业产品问世，它通常用来传输声音、图像及视频文件等,在许多场合下有保密传输的需求。由于保密通信技术的敏感性等原因,迄今为止很少有涉及分析及实现保密通信研究的公开文献。窃听者想要正确获取光通信系统传输的信息，需在窃取通信双方密钥基础上截获通信链路传输的光信号即信息数据来实现。为保证通信有效的安全性，不断增强通信系统抗窃听能力，亟需设计安全性更好的密钥。
2、由于红外激光的波束很窄，而且对人眼是不可见的，在空间很难发现业务链路；同时激光束的定向性非常好，通信收发双方是相互对准的，若想截获链路信息，需要将侦听接收机对准或局部对准发射机，此外还需事先获取通信双方的密钥；而想要满足上述所有条件是相当困难的，即使光信号被截取，也很容易被收信者察觉，因为链路被中断或信号被部分截取会导致接收光功率急剧下降，因此自由空间光通信具较好的抗侦听特性。但随着信息技术的不断发展，窃密者对信息的攻击和刺探手段已越发隐蔽，窃密者已经能够在不截断光束传播的情况下获取光信号，窃取光传输信息的手段更为隐蔽，难以被通信双方察觉。因此，如何进一步加强自由空间光通信系统的信息传输安全性至关重要。
3、涡旋光作为一种新型非传统光束，区别于激光器出射光束的光强曲线服从高斯分布，其光斑表现为暗中空结构，由于其携带轨道角动量(orbital angular momentum,oam)且不同轨道角动量模式间相互正交，可以用来拓展光通信系统的信道容量和频谱效率，成为近年来光通信领域的研究热点。值得注意的是，若以涡旋光作为光信号载波，窃密者在通信发送端和接收端之间截获传输光束时，侦听装置截取的光束稍有角度偏差便会导致传输轨道角动量模式弥散或串扰，进而难以正确识别通信链路传输的轨道角动量真实模态。用涡旋光自身携带的轨道角动量进行编码，任何企图通过交叉线路将传输信息分离出光轴以达到窃听目的的尝试，都由于角度的限制和角度偏差而难以实现，从而赋予了光通信系统一种固有安全性。然而，目前提出的基于轨道角动量模式编解码的通信方式，都是在选择几种固定模式的轨道角动量之后，将选定好了的轨道角动量进行其中几种模式组合来操作的，也就是用某一种或几种轨道角动量的特定组合来一一映射编码代表固定的信息，这种通信双方事先约定好的固定格式的编码方式一旦被窃取，很容易被窃密者破解，将毫无保密性可言。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供基于轨道角动量模式随机切换的跳模通信方法，与现有高速光通信系统兼容，支持各种波长、速率和码型的透明传输，可有效提升现有光通信系统的保密性能。
2、本发明所采用的技术方案是，基于轨道角动量模式随机切换的跳模通信方法，具体按照以下步骤实施：
3、步骤1、确定轨道角动量模态集，设置每个时刻轨道角动量模式选择系数，将每个时刻轨道角动量模式选择系数与轨道角动量模态组合，形成轨道角动量跳模图案；
4、步骤2、将第k个发射机发射的信息数据输入光调制器，输出基模高斯光，根据轨道角动量跳模图案对基模高斯光加载相应的空间螺旋相位因子，使基模高斯光束转换为携带轨道角动量的涡旋光束，将n个发射机得到的涡旋光束进行叠加，得到复合信息数据，经发射端发射；
5、步骤3、设计复合衍射光栅，通过接收端接收复合信息数据，采用复合衍射光栅进行轨道角动量分离，再经过光解调器即得到发射机发射的信息数据。
6、本发明的特点还在于：
7、步骤1具体过程为：
8、步骤1.1、假设在发射机发射的信息数据传输的某一时隙tk内，轨道角动量模态资源集合为o＝{o1,o2,…,on}，共n种，同时在该时隙内设置轨道角动量模式选择系数集合a＝[a1,a2,…,an]，其中任意一项模式选择系数ak随机取值为0或1，且a中至少有一个元素等于1；
9、步骤1.2、将轨道角动量模态资源集合与轨道角动量模式选择系数集合中的元素一一对应相乘，得到时隙tk选用的轨道角动量模式组合；表示为：
10、
11、其中，ek表示第k个元素等于1且其余所有元素均为零的n维行向量，ek表示元素(k,k)等于1且其余所有元素均为零的n阶方阵，符号“*”表示保留矩阵中的非零数值，则m表示时隙tk得到的轨道角动量模式随机组合；
12、将每个时刻轨道角动量模式选择系数与轨道角动量模态组合，形成轨道角动量跳模图案。
13、步骤2具体过程为：
14、步骤2.1、将第k个发射机的信息数据mk(t)输入到光调制器，信息数据mk(t)的信息比特流被加载到光调制器的光载波u(r)上，输出携带编码数据的基模高斯光束sk(r,t)＝mk(t)u(r)；
15、步骤2.2、根据轨道角动量跳模图案对基模高斯光加载相应的空间螺旋相位因子exp(ilθ)，使基模高斯光束转换为携带轨道角动量的涡旋光束sl(r,θ,t)，表达式为：
16、sl(r,θ,t)＝sk(r,t)·exp(ilθ)；
17、其中，l代表轨道角动量的模态数，θ为方位角；
18、步骤2.3、将n个发射机得到的涡旋光束进行叠加，得到复合信息数据，表达式为：
19、
20、将复合信息数据经发射端发射。
21、步骤2.1中光载波u(r)表达式为：
22、
23、其中，r表示光束中心轴线的辐射距离，ω0为束腰半径。
24、步骤3中设计复合衍射光栅的相位分布函数为φ(x,y)，在二维平面内展开为如下形式：
25、
26、式中，τ和σ分别表示复合衍射光栅沿着二维直角坐标平面x轴和y轴方向上的衍射阶数坐标值，x、y分别表示τ和σ取值个数，lτσ表示复合衍射光栅包含的轨道角动量模式取值，υ是复合衍射光栅的光栅密度调节系数，|cτσ|2表示特定衍射位置的归一化功率系数。
27、步骤3具体过程为：
28、设计复合衍射光栅，通过接收端接收复合信息数据，采用复合衍射光栅进行轨道角动量分离，得到光束rdemux(r,θ,t)，表达式为：
29、
30、再经过光解调器即得到发射机发射的信息数据mk(t)。
31、本发明有益效果是：
32、1、信息传输保密性强。基于本发明设计的轨道角动量跳模通信技术，收发双方按照同样的跳变节奏，在不同的时隙使用不同的轨道角动量模式伪随机组合进行信息传输，跳模图案一般只有通信双方知道，即使通信链路被侦听，由于跳模图案的设计是将每一时隙的轨道角动量模式伪随机组合而成，具有实时动态、随机特性，窃密者也难以构造跳模图案，使信息很难被侦听破译，极大增强了信息传输的保密能力。
33、2、信息传输效率高。在轨道角动量跳模方案设计上，充分利用轨道角动量所具备的正交特性，与传统光通信方式相比，发送端调制过程以涡旋光束作为载波提升了对空间资源的利用，接收端采用复合衍射光栅一次性即可实现叠加复用涡旋光束的解调，信号检测效率高。
34、3、兼容性强。基于轨道角动量跳模的通信方式与普通光通信系统相互兼容，其他通信技术如频分复用、时分复用等可直接与本发明相互融合，且可以和普通光通信系统使用的调制编码方式兼容，具备灵活的信息调制方式。
1.基于轨道角动量模式随机切换的跳模通信方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
2.根据权利要求1所述基于轨道角动量模式随机切换的跳模通信方法，其特征在于，步骤1具体过程为：
3.根据权利要求1所述基于轨道角动量模式随机切换的跳模通信方法，其特征在于，步骤2具体过程为：
4.根据权利要求3所述基于轨道角动量模式随机切换的跳模通信方法，其特征在于，步骤2.1中所述光载波u(r)表达式为：
5.根据权利要求2所述基于轨道角动量模式随机切换的跳模通信方法，其特征在于，步骤3中所述设计复合衍射光栅的相位分布函数为φ(x,y)，在二维平面内展开为如下形式：
6.根据权利要求5所述基于轨道角动量模式随机切换的跳模通信方法，其特征在于，步骤3具体过程为：
