CN110632585B - 一种矢量多普勒效应测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矢量多普勒效应测量方法和装置，方法利用偏振非均匀分布矢量光场，实现对横向运动物体运动速度大小和方向的同时测量。装置包括偏振非均匀分布矢量光光源和检测装置，偏振非均匀分布矢量光光源用于产生横向矢量光场或圆柱矢量光场，检测装置用于对横向运动物体对矢量光场中不同的空间位置进行采样获得的矢量多普勒信号进行检测，实现对横向运动物体运动速度大小和方向的同时测量。本发明可以同时测量横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量信息，突破了传统方案仅能测量横向运动物体速度大小无法辨别方向的限制，还可以实现对物体运动状态的实时监测，其在光学测量和传感等方面具有广泛的应用前景，填补了相关技术领域的空白。

Description

一种矢量多普勒效应测量方法和装置

技术领域

本发明属于光学测量领域，更具体地，涉及一种矢量多普勒效应测量方法和装置。

背景技术

多普勒效应自发现以来，已经经过百多年的发展和完善，并被广泛应用于光学和声学测量领域，包括测速、雷达、气象和天文观测及生物诊断等诸多方面。基于多普勒效应发展兴起的测量技术一般具有空间测量分辨率高、测量范围广、非接触等优势，因而其在实际测量场合中是一种不可或缺的手段。多普勒效应由波源和观测者之间的相对运动引起，其表现为波的本振频率发生频率漂移。其中，相对运动形式可以是分为纵向平移和横向运动，分别对应于产生线性和横向多普勒效应。纵观多普勒效应的历史，研究者们的研究对象一般局限于标量波，并通常以相对运动对波的相位改变来解释多普勒效应。在以光波作为波源的多普勒效应的测量应用中，由于光波的本振频率极高，通常采用包含有多普勒频移信息的测量光与原始频率的参考光干涉的方法，通过测得干涉拍频来间接得到多普勒频移。然而，通过这种传统的测量方法一般只能获取多普勒频移的大小信息，无法直接获取多普勒频移的符号信息。当以矢量光作为多普勒效应的波源时，会发现一种有别于经典多普勒效应的全新现象，称之为矢量多普勒效应。矢量多普勒效应打破了光波电场的时间反演对称性，其产生的信号光具有随时间变化的偏振态。矢量多普勒效应作为多普勒效应的一种全新的拓展，具有有趣的性质和潜在的应用价值，因此找到一种矢量多普勒效应的测量方法是极其必要的。

偏振态是光场的一个重要属性，它描述了垂直于光传播方向的平面上的电场振荡方向。过去的研究大多涉及空间均匀偏振状态，如线性偏振、椭圆偏振和圆偏振，在这些情况中，光场的偏振态不依赖于光斑横截面的空间位置。近些年，研究者们通过对结构光场的调控，使结构光场的偏振态随横向空间非均匀地排布，由此获得了矢量偏振光场。根据矢量光场偏振态分布特性不同，可分为横向矢量光场和圆柱矢量光场。其中，横向矢量光场的偏振态沿直线排列分布，其可通过自由空间光场的叠加来产生；圆柱矢量光场的偏振态沿角向排列分布，目前产生圆柱矢量光场的技术可分为两类，一类是主动产生，即通过对激光器谐振腔特殊的设计来产生，另一类是被动产生，即通过对自由空间或光纤中光场模式及偏振态的调控来产生，利用这些方法和技术，能够得到偏振非均匀分布矢量光光源。

对于物体运动的监测在工程学、生物学和基础研究领域是极其重要的。目前，基于线性多普勒效应能实现对物体平移速度大小的测量，基于旋转多普勒效应能实现对物体旋转速度大小的测量，然而两者均无法实现对物体运动方向的判别，因此也无法实现对物体旋转运动状态的实时监测。鉴于此，寻找并利用新的物理机制来设计一种对物体运动监测的装置是极其有必要的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种矢量多普勒效应测量方法和装置，旨在突破传统方案仅能测量横向运动物体速度大小无法辨别方向的限制，同时实现对物体运动状态的实时监测，填补相关技术的空白。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种矢量多普勒效应测量方法，包括：将横向运动的物体置于偏振非均匀分布矢量光场中，横向运动物体反射回来的光实现了对偏振非均匀分布矢量光场的采样，得到携带了横向运动物体的运动信息的矢量多普勒信号，通过检测偏振态随时间变化的矢量多普勒信号，同时获取横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量运动信息，并进一步分析物体的实时运动状态，实现基于矢量多普勒效应的运动物体的测量。

该方法利用偏振非均匀分布矢量光场，实现对横向运动物体运动速度大小和方向的同时测量。其中，偏振非均匀分布矢量光场具有空间变化的偏振态，根据其偏振态分布特性不同，可分为横向矢量光场和圆柱矢量光场。横向矢量光场的偏振态沿直线排列分布，应用于物体横向平移运动的测量；圆柱矢量光场的偏振态沿角向排列分布，应用于物体横向旋转运动的测量。横向运动的物体置于偏振非均匀分布矢量光场中，运动物体反射回来的光实现了对非均匀分布矢量光场的采样。由于矢量光场偏振态的空间非均匀分布，这使得运动物体不同时刻从空间不同位置反射回来的采样光偏振态不同，因此得到偏振态随时间变化的采样光，即矢量多普勒信号，其携带了运动物体的运动信息，称之为矢量多普勒效应。通过检测偏振态随时间变化的矢量多普勒信号，可以同时获取横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量运动信息，可以进一步分析物体的实时运动状态，即可以实现基于矢量多普勒效应的运动物体的测量。

优选地，可以采用分束测量的方法检测偏振态随时间变化的矢量多普勒信号。矢量多普勒信号中每个时刻的偏振态为线偏振，将矢量多普勒信号分束为两路，每一路分别经过一个检偏器将偏振态随时间变化的矢量多普勒信号转换为随时间变化的强度信号，两路的检偏器偏振方向可以取除平行和垂直外的任意夹角，通过对两路信号的分析同时获取横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量运动信息。

优选地，若横向运动物体与偏振非均匀分布矢量光场产生源之间存在较远距离，或在实际场景中无法在待测运动物体附近搭建矢量光光源，可以采用支持矢量模式的光纤作为传输介质，将矢量光光源产生的矢量光场远距离输送到待测运动物体上，从而进行远程测量，即实现远程矢量多普勒效应测量。

优选地，横向矢量光场可通过自由空间光场的叠加方法来产生；圆柱矢量光场可通过对激光器谐振腔特殊设计的方法来主动产生，或通过对自由空间或光纤中光场模式调控的方法来被动产生。

优选地，横向运动的物体可以为具有宏观尺寸的微粒或具有微观尺寸的粒子。对于横向平移运动的物体，其平移方向与横向矢量光场偏振态变化方向保持一致；对于横向旋转运动的物体，其旋转中心与圆柱矢量光场中心保持重合，其旋转半径在圆柱矢量光场的光斑内半径到外半径之间，以获得能量均匀且具有较高强度的矢量多普勒信号。

按照本发明的另一方面，提供了一种矢量多普勒效应测量装置，包括偏振非均匀分布矢量光光源和检测装置。其中，偏振非均匀分布矢量光光源用于产生横向矢量光场或圆柱矢量光场，分别针对物体横向的平移运动或旋转运动；横向运动的物体可以为具有宏观尺寸的微粒或具有微观尺寸的粒子，其能够对光场中不同的空间位置进行采样，获得矢量多普勒信号；检测装置用于检测矢量多普勒信号，实现对横向运动物体运动速度大小和方向的同时测量。

优选地，检测装置由分束器、两个检偏器(第一检偏器、第二检偏器)、两个探测器(第一探测器、第二探测器)和信号处理模块组成。其中，分束器用于将矢量多普勒信号分为两路进行测量；检偏器用于将偏振态随时间变化的矢量多普勒信号转换为随时间变化的强度信号，两个检偏器分别置于分束的两路中，且两个检偏器的偏振方向的夹角可取除0°和90°外的其他夹角；两个探测器分别置于两个检偏器后，用于将强度随时间变化的光信号转换为电信号；最后利用信号处理模块恢复出矢量多普勒信号，实现对矢量多普勒信号的检测。通过分析矢量多普勒信号中偏振态随时间的变化规律，可以同时获取横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量运动信息，可以进一步分析物体的实时运动状态，即可以实现基于矢量多普勒效应的运动物体的测量。

优选地，在偏振非均匀分布矢量光光源和横向运动物体之间增加矢量模式光纤，即采用可以支持矢量模式的光纤作为传输介质，将矢量光光源产生的矢量光场远距离输送到待测运动物体上，从而进行远程测量，即实现远程矢量多普勒效应测量。

优选地，偏振非均匀分布矢量光光源可以是多种形式的矢量光场产生装置。比如，横向矢量光场可以通过自由空间光场叠加的装置来产生；圆柱矢量光场可以通过对激光器谐振腔特殊设计的装置来主动产生，或通过对自由空间或光纤中光场模式调控的装置来被动产生。

优选地，偏振非均匀分布矢量光光源中心对准物体的横向运动中心；另外，可采用扩(缩)束器对矢量光光斑尺寸进行调节，使得横向运动物体能够有效地反射能量密度较高区域的光场。

优选地，对于两探测器的探测信号，通过判断两路信号相位的超前和滞后能够判断物体的运动方向，通过测量信号一个周期包络的时间宽度能够推算出任意旋转运动物体在这小段时间内的瞬时速度或角速度大小，通过对一段时间的测量信号作快速傅里叶变换得到频移值能够推算出匀速运动物体的平均速度或角速度大小。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明提出的测量方法及装置首次实现对矢量多普勒效应的测量，具有开创性和指导性，在此之前从未有过任何方法和装置对这一效应进行测量；本方法能实现同时测量横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量信息，突破了传统方案仅能测量横向运动物体速度大小无法辨别方向的限制。

2、本发明还可以实现对物体横向运动状态的实时监测，获得任何时刻物体横向平移运动的速度大小和方向或横向旋转运动的角速度大小和方向，保证了运动信息获取的完整性。

3、本发明测量装置简单，不需要像传统多普勒测量方法一样进行搭建干涉测量装置，因此本发明装置更加紧凑，易提高集成度和降低成本。

附图说明

图1是是本发明提供的一种矢量多普勒效应测量装置结构示意图；

图2是本发明提供的一种矢量多普勒效应测量装置的一种改进结构示意图；

图3是本发明提供的一种矢量多普勒效应测量装置的另一种改进结构示意图；

图4是本发明实施例提供的矢量多普勒效应测量装置的结构示意图；

图5是本发明实施例中一种横向矢量光场和物体平移运动的矢量多普勒信号；

图6是本发明实施例中一种圆柱矢量光场和物体旋转运动的矢量多普勒信号；

图7是本发明实施例中两种不同旋向的矢量多普勒信号和对应的探测信号时域波形示意图；

图8(a)是本发明实施例中对匀速旋转运动的实验测量产生的圆柱矢量光场光斑及其偏振分布的结果示意图；

图8(b)是本发明实施例中对逆时针匀速旋转运动的探测信号以及傅里叶分析获得的频谱与相对相位谱；

图8(c)是本发明实施例中对顺时针匀速旋转运动的探测信号以及傅里叶分析获得的频谱与相对相位谱；

图9(a)是本发明实施例中对单摆运动的实验测量的探测信号的整体时域波形及局部放大示意图；

图9(b)是本发明实施例中通过整体时域波形推算的运动方位角随时间变化的实验结果与理论的对比图；

图9(c)是本发明实施例中通过整体时域波形推算的运动角速度随时间变化的实验结果与理论的对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种矢量多普勒效应测量方法，包括：将横向运动的物体置于偏振非均匀分布矢量光场中，横向运动物体反射回来的光实现了对偏振非均匀分布矢量光场的采样，得到携带了横向运动物体的运动信息的矢量多普勒信号，通过检测偏振态随时间变化的矢量多普勒信号，同时获取横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量运动信息，并进一步分析物体的实时运动状态，实现基于矢量多普勒效应的运动物体的测量。

具体地，可以采用分束测量的方法检测偏振态随时间变化的矢量多普勒信号。矢量多普勒信号中每个时刻的偏振态为线偏振，将矢量多普勒信号分束为两路，每一路分别经过一个检偏器将偏振态随时间变化的矢量多普勒信号转换为随时间变化的强度信号，两路的检偏器偏振方向可以取除平行和垂直外的其他夹角，通过对两路信号的分析同时获取横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量运动信息。

具体地，若横向运动物体与偏振非均匀分布矢量光场产生源之间存在较远距离，或在实际场景中无法在待测运动物体附近搭建矢量光光源，可以采用支持矢量模式的光纤作为传输介质，将矢量光光源产生的矢量光场远距离输送到待测运动物体上，从而进行远程测量，即实现远程矢量多普勒效应测量。

具体地，横向矢量光场可通过自由空间光场的叠加方法来产生；圆柱矢量光场可通过对激光器谐振腔特殊设计的方法来主动产生，或通过对自由空间或光纤中光场模式调控的方法来被动产生。

具体地，横向运动的物体可以为具有宏观尺寸的微粒或具有微观尺寸的粒子。对于横向平移运动的物体，其平移方向与横向矢量光场偏振态变化方向保持一致；对于横向旋转运动的物体，其旋转中心与圆柱矢量光场中心保持重合，其旋转半径在圆柱矢量光场的光斑内半径到外半径之间，以获得能量均匀且具有较高强度的矢量多普勒信号。

本发明还提供了一种矢量多普勒效应测量装置，包括偏振非均匀分布矢量光光源和检测装置。其中，偏振非均匀分布矢量光光源用于产生横向矢量光场或圆柱矢量光场，分别针对物体横向的平移运动或旋转运动；横向运动的物体可以为具有宏观尺寸的微粒或具有微观尺寸的粒子，其能够对光场中不同的空间位置进行采样，获得矢量多普勒信号；检测装置用于检测矢量多普勒信号，实现对横向运动物体运动速度大小和方向的同时测量。

具体地，检测装置由分束器、两个检偏器(第一检偏器、第二检偏器)、两个探测器(第一探测器、第二探测器)和信号处理模块组成。其中，分束器用于将矢量多普勒信号分为两路进行测量；检偏器用于将偏振态随时间变化的矢量多普勒信号转换为随时间变化的强度信号，两个检偏器分别置于分束的两路中，且两个检偏器的偏振方向可取除平行和垂直外的其他夹角；两个探测器分别置于两个检偏器后，用于将强度随时间变化的光信号转换为电信号；最后利用信号处理模块恢复出矢量多普勒信号，实现对矢量多普勒信号的检测。通过分析矢量多普勒信号中偏振态随时间的变化规律，可以同时获取横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量运动信息，可以进一步分析物体的实时运动状态，即可以实现基于矢量多普勒效应的运动物体的测量。

具体地，在偏振非均匀分布矢量光光源和横向运动物体之间增加矢量模式光纤，即采用可以支持矢量模式的光纤作为传输介质，将矢量光光源产生的矢量光场远距离输送到待测运动物体上，从而进行远程测量，即实现远程矢量多普勒效应测量。

具体地，偏振非均匀分布矢量光光源可以是多种形式的矢量光场产生装置。比如，横向矢量光场可以通过自由空间光场叠加的装置来产生；圆柱矢量光场可以通过对激光器谐振腔特殊设计的装置来主动产生，或通过对自由空间或光纤中光场模式调控的装置来被动产生。

具体地，偏振非均匀分布矢量光光源中心对准物体的横向运动中心；另外，可采用扩(缩)束器对矢量光光斑尺寸进行调节，使得横向运动物体能够有效地反射能量密度较高区域的光场。

具体地，对于两探测器的探测信号，通过判断两路信号相位的超前和滞后能够判断物体的运动方向，通过测量信号一个周期包络的时间宽度能够推算出任意旋转运动物体在这小段时间内的瞬时速度或角速度大小，通过对一段时间的测量信号作快速傅里叶变换得到频移值能够推算出匀速运动物体的平均速度或角速度大小。

以下结合具体实施例及附图进行说明。

如图1所示，本发明提供的一种矢量多普勒效应测量装置，包括：偏振非均匀分布矢量光光源1、矢量光场2、横向运动物体3、矢量多普勒信号4、检测装置5。偏振非均匀分布矢量光光源1产生并输出矢量光场2，小角度入射到横向运动物体3；横向运动物体3可以为具有宏观尺寸的微粒或具有微观尺寸的粒子，其能够对不同空间位置的光场进行采样并反射，获得矢量多普勒信号4；检测装置5用于检测矢量多普勒信号4，实现对横向运动物体3的运动速度大小和方向同时测量。其中，偏振非均匀分布矢量光光源1用于产生横向矢量光场或圆柱矢量光场，分别针对横向运动物体3的平移或旋转运动；矢量光场2的中心需调节至对准横向运动物体3的运动中心，以获得均匀且强度较高的矢量多普勒信号4；检测装置5可以采用任何能够监测偏振信息的器件或设备，其需要能够实现对偏振随时间变化的信息的恢复。

如图2所示，本发明提供的一种矢量多普勒效应测量装置的一种改进，具体实施方式如下：

该装置包括：偏振非均匀分布矢量光光源1、矢量光场2、横向运动物体3、矢量多普勒信号4、分束器51、第一检偏器52、第一探测器53、第二检偏器54、第二探测器55、信号处理模块56。该改进装置中，矢量多普勒信号4具体的产生方式与实施例1方案一致；分束器51收集矢量多普勒信号4，并将其分为两路进行测量；一路光依次通过第一检偏器52固定偏振方向和被第一探测器53接收；另一路光依次通过第二检偏器54固定偏振方向和被第二探测器55接收；第一探测器53和第二探测器55将光信号转换为电信号，最终传输到信号处理模块56。其中，第一检偏器52和第二检偏器54的起偏方向不同，两者可取除平行和垂直外的其他夹角，从而获得两不同偏振方向的矢量多普勒信号光分量；利用信号处理模块56可以恢复出矢量多普勒信号。

如图3所示，本发明提供的一种矢量多普勒效应测量装置的另一种改进，包括：偏振非均匀分布矢量光光源1、支持矢量模式的光纤6、光束准直器7、矢量光场2、横向运动物体3、矢量多普勒信号4、分束器51、第一检偏器52、第一探测器53、第二检偏器54、第二探测器55、信号处理模块56。偏振非均匀分布矢量光光源1产生的矢量光场通过支持矢量模式的光纤6传输至横向运动物体3附近，在支持矢量模式的光纤6尾端接光束准直器7，将矢量光场2输出到自由空间，并小角度入射到横向运动物体3；其后装置与具体测量的实施与实施例2方案一致。

如图4所示是一种具体的矢量多普勒效应测量实验装置，其包括矢量光光源1、扩(缩)束器8、横向运动物体3、分束器51、第一偏振片52、第一透镜57、第一光电探测器53、第二偏振片54、第二透镜58、第二光电探测器55、电缆线59、信号处理模块56。矢量光光源1输出矢量光场，通过扩(缩)束器8调节光斑尺寸后，小角度入射到横向运动物体3的运动平面；横向运动物体3具有小的尺寸，其对光场中不同的空间位置进行采样与反射；反射光被分束器51收集，并被平分为两路；一路光依次通过第一偏振片52固定偏振方向和通过第一透镜57聚焦后，被第一光电探测器53接收；另一路光依次通过第二偏振片54固定偏振方向和通过第二透镜58聚焦后，被第二光电探测器55接收；第一光电探测器53和第二光电探测器55将光信号转换为电信号，并通过电缆线59传输到信号处理模块56。第一偏振片52和第二偏振片54的起偏方向不同，两者可取除平行和垂直外的任意夹角，从而获得两不同偏振方向的矢量多普勒信号分量。其中，通过判断两路信号相位的超前和滞后能够判断物体的运动方向，通过测量信号一个周期包络的时间宽度能够推算出任意旋转运动物体在这小段时间内的瞬时速度或角速度大小，通过对一段时间的测量信号作快速傅里叶变换得到频移值能够推算出匀速运动物体的平均速度或角速度大小。

如图5所示是一种横向矢量光场和物体平移运动的矢量多普勒信号。将物体置于横向矢量光场中作平移运动，其运动轨迹沿着横向矢量光场偏振态变化方向，物体具有小的尺寸并使光场发生反射，利用平移运动的物体对横向矢量光场进行光场采样，可获得时变的偏振信息，即平移矢量多普勒信号。物体运动方向不同，矢量多普勒信号的偏振随时间的变化规律不同；将偏振随时间顺时针变化的信号称作右旋矢量多普勒信号，将将偏振随时间逆时针变化的信号称作左旋矢量多普勒信号。右旋与左旋信号可分别对应物体的两种平移运动方向，即通过矢量多普勒信号的旋向即可判断物体平移的运动方向。

如图6所示是一种圆柱矢量光场和物体旋转运动的矢量多普勒信号。将物体置于圆柱矢量光场中作平移运动，物体的旋转中心与圆柱矢量光场中心重合，物体旋转圆形轨迹位于光场能量密度较高的区域，物体具有小的尺寸并使光场发生反射，利用旋转运动的物体对圆柱矢量光场进行光场采样，可获得时变的偏振信息，即旋转矢量多普勒信号。物体运动方向不同，矢量多普勒信号的偏振随时间的变化规律不同；将偏振随时间顺时针变化的信号称作右旋矢量多普勒信号，将将偏振随时间逆时针变化的信号称作左旋矢量多普勒信号。右旋与左旋信号分别对应物体的两种旋转运动方向，即通过矢量多普勒信号的旋向即可判断物体旋转的运动方向。

如图7所示是两种不同旋向的矢量多普勒信号和对应的探测信号时域波形。以圆柱矢量光场和物体旋转运动为例，对于偏振在角向一周内具有n次周期变化的圆柱矢量光场，物体在其中旋转一周会产生n个正余弦周期包络的信号分量波形。换句话说，一个正余弦周期包络即对应2π/n弧度的旋转方位角，通过测量信号分量波形中每个包络的周期时间T，可推算该周期时间内的平均旋转角速度大小为2π/nT弧度每秒，对于每一个周期包络，通过第一探测信号与第二探测信号的超前或滞后的相位关系，能够判断该包络周期时间内物体的旋转方向。圆柱矢量光场的旋转对称阶数越高，物体旋转一周信号的包络周期数越多，因此可通过使用高阶旋转对称的圆柱矢量光场来提高测量精度。若物体运动状态为匀速旋转，可通过对探测时域信号进行傅里叶变换获得信号的频率谱和相对相位谱，利用频率谱中的峰值频率f，能计算物体的均匀转速为2πf/n弧度每秒，根据两探测信号在峰值频率f下的相位差的正负值，能判断物体旋转的方向。

下面给出本实施例中利用本发明提供的矢量多普勒测量装置对匀速旋转运动的实验测量结果图，图8(a)是实验产生的圆柱矢量光场光斑及其偏振分布，该光场为HE₄₁光纤本征模式，可以看出其偏振在角向一周内具有6次周期变化；图8(b)从上到下依次是逆时针匀速旋转运动的探测信号、对探测信号傅里叶分析获得的频谱与相对相位谱；图8(c)从上到下依次是对顺时针匀速旋转运动的探测信号、对探测信号傅里叶分析获得的频谱与相对相位谱，其中相对相位谱通过第二探测信号与第一探测信号的傅里叶相位谱相减获得。利用探测信号的傅里叶频谱，我们能够通过关系式Ω＝2πf/n来推算匀速运动的角速度，这里f为信号频谱中的峰值频率，n为圆柱矢量光偏振在角向一周内周期变化次数；利用相对相位谱中对应于峰值频率的相对相位值，我们能够区分出匀速旋转运动的两种方向。

最后给出本实施例中利用本发明提供的矢量多普勒测量装置对单摆运动的实验测量结果图。图9(a)是对单摆运动的探测信号的整体时域波形及局部放大示意，其采用HE_19,1光纤本征模式作为照射光场，因此时域波形中一个周期包络对应于10°的方位角变化(角向一周期被36等分)；图9(b)和9(c)分别是通过整体时域波形推算的运动方位角和运动角速度随时间变化的实验结果与理论的对比，其中，利用时域波形每一个周期包络所占用的时间可推算方位角随时间变化的速度，利用时域波形中两信号的超前与滞后关系能够推算方位角随时间变化的方向。可以看出，实验测得的数据点与理论线很好地拟合，证明了我们所提出的矢量多普勒效应测量方法与装置的合理性与准确性。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种矢量多普勒效应测量方法，其特征在于，包括将横向运动的物体置于偏振非均匀分布矢量光场中，所述横向运动物体反射回来的光实现了对偏振非均匀分布矢量光场的采样，得到携带了横向运动物体的运动信息的矢量多普勒信号，通过检测偏振态随时间变化的矢量多普勒信号，同时获取横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量运动信息，并进一步分析物体的实时运动状态，实现基于矢量多普勒效应的运动物体的测量。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，将横向运动物体反射的矢量多普勒信号分束为两路，每一路分别经过一个检偏器将偏振态随时间变化的矢量多普勒信号转换为随时间变化的强度信号，再分别经过一个探测器将随时间变化的强度信号转换为电信号，最后通过对两路信号的分析同时获取横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量运动信息。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述横向运动的物体为具有宏观尺寸的微粒或具有微观尺寸的粒子；对于横向平移运动的物体，其平移方向与横向矢量光场偏振态变化方向保持一致；对于横向旋转运动的物体，其旋转中心与圆柱矢量光场中心保持重合，其旋转半径在圆柱矢量光场的光斑内半径到外半径之间。

4.一种矢量多普勒效应测量装置，其特征在于，包括偏振非均匀分布矢量光光源和检测装置，所述偏振非均匀分布矢量光光源用于产生矢量光场，横向运动物体对矢量光场中不同的空间位置进行采样获得矢量多普勒信号，所述检测装置用于对所述矢量多普勒信号进行检测，同时获取横向运动物体运动速度大小和方向。

5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述偏振非均匀分布矢量光光源产生的矢量光场为横向矢量光场或者圆柱矢量光场，分别对应横向运动物体的平移运动或者旋转运动；所述横向矢量光场通过自由空间光场叠加的装置来产生，所述圆柱矢量光场通过对激光器内部设计的装置来主动产生，或通过对自由空间或光纤中光场模式调控的装置来被动产生。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述偏振非均匀分布矢量光光源的中心对准物体横向运动的中心。

7.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述检测装置包括分束器、第一检偏器、第一探测器、第二检偏器、第二探测器和信号处理模块；所述分束器将矢量多普勒信号分为两路，一路依次经过第一检偏器和第一探测器，另一路依次经过第二检偏器和第二探测器，最后利用所述信号处理模块将两路信号恢复出矢量多普勒信号，实现对矢量多普勒信号的检测。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述第一检偏器和第二检偏器用于将偏振态随时间变化的矢量多普勒信号转换为随时间变化的强度信号，两个检偏器的偏振方向的夹角取除0°和90°外的任意夹角。

9.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，还包括矢量模式光纤，位于偏振非均匀分布矢量光光源和横向运动物体之间，作为传输介质将偏振非均匀矢量光光源产生的矢量光场远距离输送到待测的横向运动物体上。

10.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，还包括扩束器，位于偏振非均匀分布矢量光光源和横向运动物体之间，用于对偏振非均匀矢量光光源产生的矢量光场的光斑尺寸进行调节。

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