CN109633203B - 一种基于涡旋光旋转多普勒效应的物体转向检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于涡旋光旋转多普勒效应的物体转向检测装置。它主要包括涡旋光制备和散射光信号检测两部分，前者主要包含He‑Ne激光器、偏振片、透镜组、空间光调制器、平面反射镜，后者主要包括组合成像望远镜、多模光纤、光电探测器、微型示波器。首先，激光器产生高斯光束，经准直后照射加载有特定全息图的空间光调制器以制备涡旋光；其次，涡旋光透射转速为Ω_d的道威棱镜后照射于旋转物体，经物体散射后，利用凸透镜组收集散射光，在分光棱镜的作用下与原涡旋光实现拍频耦合；最后，利用光电探测检测耦合光束的强度变化并将信号传给示波器，示波器进行傅里叶变换，根据频谱信息就可以判断物体转向。本装置结构简单，在各种极端条件下仍可以有效工作。

Description

一种基于涡旋光旋转多普勒效应的物体转向检测装置

技术领域

本发明主要涉及光电、信号领域，尤其是光束的相位调制、拍频检测等技术方法。

技术背景

光子携带角动量早在1909年Poynting就提出了这一概念，并和光的偏振态相联系，1936年光子的自旋角动量被Beth等利用力学实验成功验证出来，测定了左、右旋圆偏振光的自旋角动量。

1992年Allen通过研究表明，光子还携带有另外一种形式的动量，叫做轨道角动量。携带有这种轨道角动量的光叫做涡旋光，可以通过螺旋相位板、空间光调制器、计算全息等方式制备，涡旋光有着圆环形的强度分布和螺旋形的相位分布，其相位可以用e^ilθ来描述，其中l是其拓扑荷数，表征的是涡旋光束在一个波长内相位由0到2π的跳变次数，θ是涡旋光相位角。因此一束涡旋光的光场分布可以表示为：

线性多普勒效应广为人们熟知，指的是如果波源与观察者之间存在相对速度，那么观察者接收到波的频率会和波源存在一定的频率差。线性多普勒效应已经被广泛应用于测量物体移动速度、加速度等领域。多普勒效应不光存在于机械波，电磁波领域也同样存在。旋转多普勒效应与线性多普勒效应有着共同的起源，可以形象的理解为当把一个手表放到一个旋转台中心时，那么地面上观察者观察到的手表指针的转速与实际转速是不同的。同样，由于涡旋光轨道角动量的存在，当涡旋光照射到一个旋转物体上时候，散射出来的光束与原入射波束存在一个频率差。每个微小散射体产生的频率差可以表示为：

其中Ω表示转盘的旋转速度，λ是涡旋光的波长，r₁表示涡旋光波长，r₂表示转台上波前照射点到转轴中心的距离。

假设将涡旋光照射到的散射面看成一个个微小散射体，考虑一束涡旋光照射在旋转物体表面之后的散射光电场可以表示为：

式中E₀表示电场强度，2πf是简谐波的角频率，k是波数，z(t)是沿着光束传播方向的移动，

表示垂直于光束传播方向的运动所引起的空间变化的光束相位。

包含两部分，一部分是由于待测物体表面微小散射体的转动引起的相位变化，另一部分是由于光束旋转引起的相位变化。

在道威棱镜的作用下，通过检测旋转物体表面散射光的频移量大小的变化，就可以获得与旋转转速及方向等信息。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有非接触探测旋转物体的装置在物体高速旋转或者肉眼不可分辨的时候无法准确有效获取物体转动方向相关信息这一问题，设计了一种利用涡旋光来准确判断物体转动方向的装置。本装置结构简单，体积小，可以集成化，易于大规模推广应用，尤其是在高速旋转的飞机发动机、高速旋转的电机、空间非合作目标卫星，甚至天文学中都有着可观的应用前景。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于涡旋光旋转多普勒效应的物体转向检测装置，如图1所示，其主要部件包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、平凸透镜1(3)、平凸透镜2(4)、分光棱镜1(5)、空间光调制器(6)、道威棱镜(7)、凸透镜3(8)、凸透镜4(9)、组合成像望远镜(10)、分光棱镜2(11)、光电转换器(12)、频谱转换器(13)、示波显示器(14)、平面反射镜(15)。首先，激光器(1)产生激光束，通过偏振片(2)之后变为水平偏振光，通过准直扩束透镜组1和2变为所需直径的高斯光束照射在SLM上，在SLM上加载全息图，如图2所示，加载的全息图示例及产生对应的涡旋光斑如图2所示。之后照射在平面反射镜(14)上调整光路的方向，再经过分束镜1将涡旋光束分为两束，一束光穿过以角速度Ω_d旋转的道威棱镜，在沿着准直透视镜组3、4照射向旋转物体，另一束照射在分光棱镜2上准备与收集到的散射光进行拍频耦合，随后由组合成像望远镜收集物体表面散射回来的光线，汇聚准直后穿过分光棱镜2与初始涡旋光束耦合，通过多模光纤进入光电转换器，两束光拍频之后的强度会随着频移量的变化而变化，通过12进行傅里叶变换，之后将信号输入示波显示器13，示波显示器显示的便此时的涡旋光照射物体产生的多普勒频移量Δf₁。随后再反向旋转道威棱镜，在示波显示器上将得到此时的多普勒频移信号Δf₂，若Δf₁＞Δf₂，则说明物体旋转方向与第一次道威棱镜的旋转方向相同；反之，则与Δf₂对应的道威棱镜的旋转方向相同。从而可以成功得出物体确切的转动方向。装置图如图1所示。

本发明的原理是：

(1)基于广义相对论的高斯光线性多普勒效应公式

如图3所示，假设在位置Ⅰ处有一个光源，观察者位于S处，光源以速度v向观察者移动。若光源不动，那么光源发出的第1个和第2个全振幅都是从Ⅰ处发出的，那么第2个全振幅到达观察者比第1个全振幅到达观察者要少走的路程为Δs＝vT，T为光源本身的周期。根据相对论的时间膨胀原理，观察者观察到的光源发出的两个振幅之间的周期为：

光源在这段时间内所走过的路程为：

那么观察者观察到第2个全振幅比第1个全振幅到达的时间缩短为：

设观察者接收到的光源的周期为T_c，则有T_c-T_s＝Δt，结合公式(6)可得：

因为周期T与频率f互为倒数，将式(7)进一步化简可得光束的线性多普勒公式为：

因光源的移动速度相比较于光在介质中的传播速度来说一般很小，因此化简过程中可以忽略高阶无穷小量，将式(8)换成频移的表达式为：

其中f₀为光源发出光的频率，α为观察者与光源移动方向的夹角。

(2)基于涡旋光束相位结构的旋转多普勒效应原理

涡旋光是一种具有螺旋形相位结构的特殊光束，其光束的坡印廷矢量与光束传播轴方向不共面，相位结构如图4所示：

坡印廷矢量与光线传播轴截面方向的夹角α大小可以表示为：

其中l为涡旋光拓扑荷数，r为每个光量子距离涡旋光中心相位奇点的距离。当一束涡旋光垂直照射在物体上时，因为涡旋光束螺旋形的波前的存在，使得每个光量子与转台平面存在夹角α，并且有sinα≈α。

将此夹角带入线性多普勒频移公式(9)，可得：

其中v为转台接触面上该点的线速度，可以换成角速度表示，进一步化简可得：

假设将涡旋光照射到的散射面看成一个个微小散射体，考虑一束涡旋光照射在旋转物体表面之后的散射光电场可以表示为：

式中E₀表示电场强度，2πf是简谐波的角频率，k是波数，z(t)是沿着光束传播方向的移动，

表示垂直于光束传播方向的运动所引起的空间变化的光束相位。

包含两部分，一部分是由于待测物体表面微小散射体的转动引起的相位变化，另一部分是由于光束旋转引起的相位变化。由物体表面微小散射体引起散射光的相位角频率变化为

由道威棱镜引起的散射光相位角频率变化率为

考虑频率变化率与频率之间的关系为f＝lω/2π，结合式(13)可得本装置中多普勒频移量为：

由此公式可知，当道威棱镜引起涡旋光的转动方向与转动物体转速方向一致时公式中Ω_d取正号，产生的频移量较大；当涡旋光与转动物体转速方向相反时，Ω_d取负号，此时产生的频移量较小。因此根据两次频移量的大小，就可以得出物体的转动方向与频移量较大者对应的道威棱镜转动方向相一致的结论，从而判断出物体的转动方向。

(3)耦合拍频法检测光束频移的原理

由SLM产生的照射到物体表面的涡旋光于物体表面散射回来的涡旋光束的表达式都具有ψ＝A_re^ilθe^iωt的形式，其中ω表示的是涡旋光的频率，A_r为光束的振幅，θ是相位角，那么经过分光棱镜2之后耦合的两束光分别具有如下形式：

两束光叠加后的形式变为：

经过欧拉公式转换为三角函数再化简后变为：

式中可以看出前半部分

表示的是和光强信号相关的振幅信息，它会依据两束光的频率差的大小进行周期性的变化，这一周期性变化的信号叫做光的拍频信号，它仅与两束光的频率差相关，根据这一强度信号的变化转换到光电探测器上便可以检测出这一频率值。这种检测方法叫做拍频检测法。

本发明的主要优点：

(1)结构简单，各元器件位置固定，变量仅为道威棱镜角速度，易于控制。

(2)本装置灵敏度高。根据设计原理可以看出，本装置的灵敏度主要取决于光电检测器的灵敏度，选用的光电探测器的灵敏度为0.33mv/μw，放大增益为1000倍，可检测μw量级信号，也就是说对于极弱的散射光也具有良好的灵敏度。

(3)本装置适用范围广，能应用于各类高速、极端条件。本装置以光波作为探测载体，不需要对被测物体进行额外的操作，因此在高速旋转的飞机发动机、高速旋转的电机、空间非合作目标卫星，甚至天文学中都有着可观的应用前景。

附图说明

图1为检测装置示意图；

图2为空间光调制器上加载的全息相位图；

图3为波源与观察者相对运动示意图；

图4为涡旋光相位结构示意图；

图5为检测信号的拍频示意图；

图6为检测信号的频谱示意图；

具体实施方案

本发明以特殊结构的光束作为探测载体，具体实施步骤如下：

首先激光器(1)产生激光束，通过偏振片(2)之后变为水平偏振光，因为空间光调制器仅对水平偏振光有良好的调制效果，通过准直扩束透镜组1和2将激光器打出来的光束进行调整，随后直接照射在SLM显示屏上。

在SLM上加载定制的全息图，如图2所示，加载l＝30的全息图如图2(a)所示，产生的涡旋光效果图如图2(c)所示。

之后涡旋光束照射在平面反射镜(14)上调整光路的方向，再经过分束镜1将涡旋光束分为两束，一束光穿过以角速度Ω_d旋转的道威棱镜，在沿着准直透视镜组3、4照射向旋转物体，另一束照射在分光棱镜2上准备与收集到的散射光进行拍频耦合。

光束照射在物体表面后发生散射，由组合成像望远镜收集物体表面散射回来的光线，汇聚准直后穿过分光棱镜2与初始涡旋光束耦合，通过多模光纤进入光电转换器，此处需要分光棱镜2有较高的调节精度，才能使两束光完全平行准直。

因为两束光的频率不同，耦合之后会发生拍频现象，从而引起光束的强度会随着时间而变化，将产生的时域电信号传输进入12进行傅里叶变换，得到拍频光的频谱信息，如图5所示，之后将信号输入示波器13，示波显示器显示的便是l＝30的涡旋光照射物体产生的多普勒频移量Δf₁。

随后再反向旋转道威棱镜，在示波显示器上得到此时的多普勒频移信号Δf₂，若Δf₁＞Δf₂，则说明物体旋转方向第一次道威棱镜的旋转方向相同；反之，则与Δf₂对应的道威棱镜的旋转方向相同。从而可以成功得出物体确切的转动方向。

本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种基于涡旋光旋转多普勒效应的物体转向检测装置，其主要部件包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、平凸透镜1(3)、平凸透镜2(4)、分光棱镜1(5)、空间光调制器(6)、道威棱镜(7)、凸透镜3(8)、凸透镜4(9)、组合成像望远镜(10)、分光棱镜2(11)、光电转换器(12)、频谱转换器(13)、示波显示器(14)、平面反射镜(15)；

所述水平偏振片置于激光器后方，用于生成水平偏振光，以适应后方空间光调制器的调控要求；

所述平凸透镜1(3)、平凸透镜2(4)依次置于水平偏振片后方，用于将激光扩束准直；

所述空间光调制器置于平凸 透镜2(4)后方，用于将普通激光光束进行调制后生成涡旋光束；

所述平面反射镜(15)置于空间光调制器出射光方向上，用于改变涡旋光束传播方向；

所述分光棱镜1(5)置于平面反射镜(15)后方，用于将涡旋光束分成两路，一路作为探测光照射旋转物体，另一路作为参考光用于和散射光进行拍频耦合；

所述道威棱镜置于分光棱镜1(5)探测光光路上，道威棱镜旋转后可给探测光增加一个方向已知的旋转；

所述凸透镜3(8)和凸透镜4(9)置于道威棱镜后方，用于对探测光束进行准直；

所述组合成像望远镜平行于探测光光路安置，用于收集旋转物体表面散射光；

所述分光棱镜2(11)置于分光棱镜1(5)分出的参考光和组合成像望远镜收集散射光相交位置，用于使散射光和参考光发生拍频耦合；

所述光电转换器接收分光棱镜2(11)出射的参考光和散射光的耦合光束进行探测；

所述频谱转换器与光电转换器连接，进行信号采样及信号时域频域转换，随后连接示波显示器进行信号显示。

2.根据权利要求1的一种基于涡旋光旋转多普勒效应的物体转向检测装置，其特征在于，利用空间光调制器(SLM)产生特定旋向的涡旋光，透射以一定角速度顺时针旋转的道威棱镜后照射旋转物体，物体表面的散射光中将产生一个旋转多普勒频移，收集旋转物体表面散射光并通过分光棱镜2(11)将其与参考光进行拍频耦合，将耦合后的光束照射到光电转换器便可解析出频移量Δf₁,从而对有偏移的旋转多普勒频移信号进行采集；随后改变道威棱镜的旋转方向,观测示波显示器上此时频移量Δf₂，若Δf₁＜Δf₂，即可判断出物体的旋转方向与道威棱镜第一次转向相同；若Δf₁＞Δf₂，则物体旋转方向与道威棱镜第二次转向相同，从而实现对旋转物体旋转方向的辨别。

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