CN106597001B - 一种可消除障碍物影响的旋转体角速度探测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可消除障碍物影响的旋转体角速度探测方法与装置。本发明采用具有相反角量子数的双模复用贝塞尔高斯光束作为探测光束，当其沿着旋转轴照射到旋转体上时，散射光被强度调制。通过探测该强度调制频率，即可反推出旋转体的转速。另外，由于贝塞尔高斯光束的无衍射特性，可在一定程度上消除光路中障碍物的影响。实验表明，无论探测光路中有无障碍物，本发明均可十分准确的测出旋转体的转速。本发明系统结构稳定，利于操作，可实现旋转体角速度的实时探测，同时可一定程度上消除光路中障碍物的影响，相比现有技术具有较大的进步。
Description
技术领域
本发明设计光电技术领域，尤其涉及一种可消除障碍物影响的旋转体角速度探测方法与装置
背景技术
贝塞尔光束是柱坐标系下亥姆霍兹方程的特征解，具有无限延展的横模分布，同时也具有无衍射特性并可“自我修复”。然而，理想的贝塞尔光束在实际中是不存在的。实际中，一般选择贝塞尔高斯光束作为贝塞尔光束的近似。与贝塞尔光束类似，贝塞尔高斯光束在一定距离内也具有无衍射特性及自我修复性，它的光场分布可表示为：
其中，
为极坐标，Jl为l阶第一类贝塞尔函数，l为拓扑电荷数，ω0为定义贝塞尔高斯光束的基模腰斑半径。可以看出，贝塞尔高斯光束的光场表达式中含有涡旋相位项，表明其具有螺旋形波前，并且它的每一个光子均携带有轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)
(
为约化普朗克常量)。
多普勒效应是一个非常著名的物理现象，可以理解为：如果波源与观察者间存在相对运动，则波的频率会发生变化。多普勒频移既存在于机械波中，也存在于电磁波中。对于光波来说，光源与观察者间的相对运动会引起光波的频率变化，这个频率变化可以表示为：Δf＝f0v/c。其中，f0为初始光频，v为相对运动速度，c为光速。多普勒频移在交通测速、流体探测等领域都具有十分重要的应用。然而，对于旋转速度的探测，只能通过先测得线速度再推算角速度。前述的多普勒频移一般称为线性多普勒频移，而在旋转运动中，也存在一种多普勒频移，即旋转多普勒效应。当一束携带有角动量的光沿着旋转轴照射到旋转体上时，光的频率会发生改变，可以观测到旋转多普勒效应。通过旋转多普勒效应，可以很方便的实现旋转体速度的测量。
目前，科研人员已经利用具有涡旋相位的拉盖尔高斯光束实现了旋转体转速的测量，然而，当波源与待探测物体间存在阻碍时，衍射效应会使拉盖尔高斯光束的轨道角动量谱展宽，进而影响探测精度。因此，需要开发一种可消除障碍物影响的旋转体探测方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法与装置。本发明的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法，采用具有相反角量子数的两路复用贝塞尔高斯光束沿着旋转轴照射旋转体。由于贝塞尔高斯光束具有螺旋形波前并携带有轨道角动量，根据旋转多普勒效应和光拍频原理，其散射光会存在一强度调制，该强度调制的频率仅与旋转体的转速以及入射光角量子数的绝对值有关。通过探测器测得强度调制信号，经过傅里叶变换后即可得到强度调制频率，根据该强度调制频率可反推出旋转体的转速。特别的，由于采用双模复用贝塞尔高斯光束作为探测激光束，其无衍射特性可在一定程度上消除光路中阻碍的影响。
本发明的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量装置，包括贝塞尔高斯光束生成部分和旋转体探测部分。其中贝塞尔高斯光束生成部分包括激光光源、偏振分光棱镜、全反镜、液晶空间光调制器、两个焦距为f的透镜和小孔光阑。其中：
所述偏振分光棱镜置于激光光源的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；
所述全反镜置于前述偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变基模高斯光束的传输方向；
所述液晶空间光调制器置于全反镜的后方光路中，用于加载全息光栅，生成贝塞尔高斯光束；
所述两个焦距为f的透镜和小孔光阑组成4-f成像系统，其中小孔光阑置于频谱面，用于滤出+1衍射级的贝塞尔高斯光束；
旋转体探测部分包括分光棱镜、面阵探测器、偏振分光棱镜、四分之一波片，焦距为f’的透镜、可调速转盘、增益可调的光电探测器和示波器。其中：
所述分光棱镜用于实现将生成的贝塞尔高斯光束的五五分光；
所述面阵探测器置于分光棱镜的反射光路中，用于观察探测所用的贝塞尔高斯光束的光场分布；
所述偏振分光棱镜和四分之一波片置于前述分光棱镜的透射光路中，用于传输经转盘后的散射光束以便探测器接收，其中，四分之一波片的快轴方向与水平面成45°；
所述焦距为f’的透镜置于偏振分光棱镜的反射光路中，用于收集散射光；
所述增益可调的光电探测器置于焦距为f’的透镜的像方焦点处，用于捕获散射光信号；
所述示波器与增益可调的光电探测器相连，用于分析信号，并得到强度调制频率。
特别的，面阵探测器与分光棱镜的距离，应等于可调速转盘与分光棱镜的距离。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明可根据散射光的调制频率直接计算出旋转体的转速，并且调制频率的测量非常简单。
(2)本发明由于使用无衍射的贝塞尔高斯光束作为探测光束，因此可消除探测光路中障碍物对探测精度的影响。
附图说明
图1为旋转多普勒效应示意图。
图2为本发明的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量装置示意图。图中，1-激光光源，2、9-偏振分光棱镜，3-全反镜，4-液晶空间光调制器，5、7-焦距为f的透镜，6-小孔光阑，8-分光棱镜，10-四分之一波片，11-可调速转盘，12-焦距为f’的透镜，13-面阵探测器，14-增益可调的光电探测器，15-示波器。
图3为实验测得的探测用的双模复用贝塞尔高斯光束，其角量子数从左至右分别为±16，±18，±20和±22。
图4(a)为入射光束的角量子数为±20的双路复用贝塞尔高斯光束入射时，探测器测得的杂散光的时域信号。
图4(b)为入射光束的角量子数为±22的双路复用贝塞尔高斯光束入射时，探测器测得的杂散光的时域信号。
图5为入射光束的角量子数分别为±20和±22的双路复用贝塞尔高斯光束入射时，示波器计算得到的杂散光的频域信号。
图6为不同角速度下及不同角量子数下测得的强度调制频率。
图7为贝塞尔衍射区中存在障碍物时的接收到的光场，及测得的强度调制频率，其中，入射的双模复用贝塞尔高斯光束的角量子数为±20。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细的描述。
如图1所示，当贝塞尔高斯光束沿着旋转轴照射旋转体时，选取转盘上任一考察点A，由于其螺旋形波前，其波印廷矢量方向与光轴不平行，而是呈一定的夹角α(α＝lλ/2πr)，r为考察点A距旋转轴心的距离。对于A来说，若光束以与法线夹角α入射，由于A点存在线速度，当α足够小时，则会引起入射光的频率移动Δf＝αf0v/c。将前述两公式结合，可得频移：
其中，Ω为旋转体的角速度。可以看出，当贝塞尔高斯光束沿着旋转轴入射时，会引起光频移，且这种频移仅与贝塞尔高斯光束的角量子数和旋转体的转速有关。
本发明的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法，采用具有相反角量子数±l的两路复用贝塞尔高斯光束沿着旋转轴照射旋转体。由于贝塞尔高斯光束具有螺旋形波前并携带有OAM，同时入射光束还有两种不同的OAM成分，因此根据旋转多普勒效应，对于+l部分，光频的变化可表示为：
对于-l部分，光频的变化可表示为：
其中，Ω为旋转体的角速度。即两个不同的OAM成分分别发生了蓝移和红移，使得同一光束中含有两种不同的光频成分。这两个不同的光频成分发生干涉拍频现象，最终引起了强度调制，且其调制频率为：
即可通过探测强度调制信号的频率来确定旋转体角速度Ω的值。
特别的，由于贝塞尔高斯光束的无衍射特性，当在其传输路径中存在障碍，且该障碍的最大遮挡距离小于距旋转体的距离时，将对旋转体的探测无影响。
本发明的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量装置，如图2所示，包括贝塞尔高斯光束生成部分和旋转体探测部分。其中贝塞尔高斯光束生成部分包括激光光源、偏振分光棱镜、全反镜、液晶空间光调制器、两个焦距为f的透镜和小孔光阑。其中：
所述偏振分光棱镜中的一个置于激光光源的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；
所述全反镜置于前述偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变基模高斯光束的传输方向；
所述液晶空间光调制器置于全反镜的后方光路中，用于加载全息光栅，生成贝塞尔高斯光束；
所述两个焦距为f的透镜和小孔光阑组成4-f成像系统，其中小孔光阑置于频谱面，用于滤出+1衍射级的贝塞尔高斯光束；
旋转体探测部分包括分光棱镜、面阵探测器、偏振分光棱镜、四分之一波片，焦距为f’的透镜、可调速转盘、增益可调的光电探测器和示波器。其中：
所述分光棱镜用于实现生成的贝塞尔高斯光束的五五分光；
所述面阵探测器置于分光棱镜的反射光路中，用于观察探测所用的贝塞尔高斯光束的光场分布；
所述偏振分光棱镜和四分之一波片置于前述分光棱镜的透射光路中，用于传输经转盘后的散射光束以便探测器接收，其中，四分之一波片的快轴方向与水平面成45°；
所述焦距为f’的透镜置于偏振分光棱镜的反射光路中，用于收集散射光；
所述增益可调的光电探测器置于焦距为f’的透镜的像方焦点处，用于捕获散射光信号；
所述示波器与增益可调的光电探测器相连，用于分析信号，并得到强度调制频率。
特别的，面阵探测器与分光棱镜的距离，应等于可调速转盘与分光棱镜的距离。
实施例1：具有相反角量子数的双模复用贝塞尔高斯光束实现旋转体角速度的探测。
本实施例及以下两个实施例中，贝塞尔高斯光束的ω0值均为1.5mm。
通过给图2所示的装置中的液晶空间光调制器加载不同的全息光栅，实现不同的具有相反角量子数的双模复用贝塞尔高斯光束的生成，并作为探测光束。面阵探测器探测到的光束的光场分布如图3所示。图4(a)和图4(b)分别给出了当分别采用±20和±22的双路复用贝塞尔高斯光束入射时，探测器测得的杂散光的时域信号。可以看出，杂散光的振幅调制近似成正弦型。为了能够准确的读出振幅调制的频率信息，我们利用示波器对信号进行傅里叶变换分析，得到的频谱数据如图5所示，可以看到一个明显的主峰，即fmod的值。同时我们可以反推出当前可调速转盘的转速约为390rad/s。
实施例2：不同角速度下及探测光束的不同角量子数(±l)下，旋转体角速度的探测。
为了验证本测量方法测得的强度调制频率是否与理论分析的公式一致，我们对不同角速度下及探测光束的不同角量子数(±l)下测得的强度调制频率进行了测量，测量结果如图6所示。可以看出，测得的结果(散点)与理论值(实线)吻合完好，表明本发明的测量方法具有非常好的线性度。
实施例3：探测光束传输路径有障碍物时，散射光强度调制频率的测量
当探测光束的传输路径中有障碍物时，该障碍物的最大遮挡距离小于距旋转体的距离时，由于贝塞尔高斯光束的自我修复特性，对旋转体的转速的测量将不会产生影响。本实施例中，我们选取一圆柱状的障碍物，其直径为0.37mm，置于光束正中心。当前情形下障碍物的最大遮挡距离为8.36cm。在其距离可调速转盘的距离分别为38、33、28、23、19cm时，测得散射光的频谱，如图7所示。可以看出，当光路中障碍物的最大遮挡距离小于距旋转体的距离时，同时障碍物没有完全遮挡探测光束，则由于贝塞尔高斯光束的无衍射特性，旋转体的探测仍可实现。然而由于部分光线被遮挡，测得的频谱信号会降低。
综上，可以看出，本发明的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度探测方法与装置，采用具有相反角量子数的双模复用贝塞尔高斯光束作为探测光束，可以很好的实现旋转体角速度的测量。同时，由于贝塞尔高斯光束的无衍射特性，可消除障碍物的影响。本方法和装置结构简单，测量方式亦不复杂，通过测量经旋转体漫反射后杂散光的强度调制频率即可反推出旋转体的转速，可作为转速传感器用于马达监测，气象探测，天文研究等领域。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法，其特征在于：当在探测光路中存在障碍，且障碍的最大遮挡距离小于距旋转体的距离时，将对旋转体探测无影响；
(1)采用具有相反角量子数的双模复用贝塞尔高斯光束沿着旋转轴照射旋转体；
(2)通过探测器测得散射光的强度调制频率，来反推出旋转体的转速；
(3)在散射光强度调制频率分析的过程中没有引入额外的参考光束。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，用于探测的具有相反角量子数的双模复用贝塞尔高斯光束为一束。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，测得的强度调制频率fmod与入射的双模复用贝塞尔高斯光束的角量子数绝对值|l|以及旋转体的转速成Ω满足：
4.一种用于如权利要求1所述可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法的装置，其特征在于，包括贝塞尔高斯光束生成部和旋转体探测部分，所述旋转体探测部分包括分光棱镜、面阵探测器、偏振分光棱镜、四分之一波片，焦距为f’的透镜、可调速转盘、增益可调的光电探测器和示波器，其中：
所述分光棱镜用于实现将生成的贝塞尔高斯光束的五五分光；
所述面阵探测器置于分光棱镜的反射光路中，用于观察探测所用的贝塞尔高斯光束的光场分布；
所述偏振分光棱镜和四分之一波片置于前述分光棱镜的透射光路中，用于传输经转盘后的散射光束以便探测器接收，其中，四分之一波片的快轴方向与水平面成45°；
所述焦距为f’的透镜置于偏振分光棱镜的反射光路中，用于收集散射光；
所述增益可调的光电探测器置于焦距为f’的透镜的像方焦点处，用于捕获散射光信号；
所述示波器与增益可调的光电探测器相连，用于分析信号，并得到强度调制频率。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，贝塞尔高斯光束生成部分包括激光光源、偏振分光棱镜、全反镜、液晶空间光调制器、两个焦距为f的透镜和小孔光阑，其中：
所述偏振分光棱镜中的一个置于激光光源的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；
所述全反镜置于前述偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变基模高斯光束的传输方向；
所述液晶空间光调制器置于全反镜的后方光路中，用于加载全息光栅，生成贝塞尔高斯光束；
所述两个焦距为f的透镜和小孔光阑组成4-f成像系统，其中小孔光阑置于频谱面，用于滤出+1衍射级的贝塞尔高斯光束。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，旋转体探测部分中，面阵探测器与分光棱镜的距离，应等于可调速转盘与分光棱镜的距离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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