CN112731433B - 一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置。本装置包括正交偏振双频激光器、四分之一波片、涡旋波片、偏振片、分光棱镜、频谱仪、光电探测器、组合成像望远镜。首先，正交偏振双频激光器产生的高斯光束经四分之一波片后，其偏振态转变为左‑右旋圆偏振；左‑右旋圆偏振光束经涡旋波片调制后，转变为右‑左旋涡旋光，经线偏振片选取光束的一个偏振方向，形成旋转的叠加态涡旋光束；涡旋光束经分光棱镜分束为参考光束和探测光束；探测光束经被测目标散射后，利用组合成像望远镜收集信号光；两个光电探测器分别接收参考光束和信号光束，将光信号转变为电信号接入频谱分析仪，通过两次测量后参考信号与调制信号的差值与相对大小，即可解析目标的角速度大小和方向、线速度大小和方向。本装置以外差探测的方式实现了基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动探测，结构简单，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置。本装置结构简单、便捷高效，可实现目标旋转角速度大小、方向、线性速度大小、方向的探测。
技术背景
复合运动是一种广泛存在于日常生活中的运动形式。相比单一运动，复合运动更具有普遍性，而复合运动的探测更具有实际应用的价值，该装置可适用于各种非接触探测，甚至在空间自主交会对接、陨石轨道的预判、未知卫星的监测等领域具有广泛的应用前景。
现有的复合运动探测方法主要包括多普勒雷达法和摄像测量法。前者利用目标外形反射电磁波的周期信号和多普勒频移来获取物体旋转与线性运动信息；后者则利用连续图像的位姿解算实现复合运动的解析。两种方法都可以较好的实现复合运动探测，但对于表面特征不明显的目标，探测实时性较差。
涡旋光是一种连续螺旋状相位的光束，具有螺旋形波前，中心光强为零，具有奇异性；其波矢量有方位项，且绕着涡旋中心旋转，携带轨道角动量。基于这一特性，这种光束可以作为“光学扳手”操控微观粒子，因此可以广泛应用于医学界和生物界，此外，在量子通信领域也具有很高的应用价值。
线性多普勒效应是一种普遍的现象。当波源与接收器存在相对运动时，接收器接收到的波频率会发生改变，当两者相向运动时，接收器接收到的波频率增加，反之则减少。因此，可以通过频率的变化解析波源与接收器的相对运动速率和方向。这种技术已被应用于声呐、雷达、多普勒成像等领域。
与线性多普勒效应相比，自然界中存在另外一种对于旋转敏感的多普勒效应现象，叫做旋转多普勒效应。这种多普勒效应的波源需携带exp(ilφ)相位，也就是涡旋光束，其中l为拓扑荷数，φ为方位角。经旋转物体散射的涡旋光，其频率会发生改变，频移的大小正比于被测物体的角速率与涡旋光拓扑荷数。
目前关于基于涡旋光的探测技术研究，多数采用同频的正反叠加态涡旋光作为探测光束，与旋转物体相互作用后，正反涡旋光发生频移后，通过拍频检测，实现2倍旋转多普勒频移的获取。该探测方式存在问题一方面表现在，旋转多普勒信号在一个相对较低的频域范围，极易被低频噪声干扰，导致转速测量误差；另一方面，拍频检测的结果为旋转多普勒频移的标量信息，并不能判断频移的“增/减”，因此，无法直接实现旋转方向的判别。
此外，涡旋光除其特有的旋转多普勒效应外，仍具有一般光束的线性多普勒效应，具有探测线速度的能力。采用单态涡旋光作为探测光束时，受限于目前频谱分析的技术水平，无法实现光频频域内频移的检测；如果采用单态涡旋光频移后的光束与频移前的光束拍频耦合，理论上可以实现频移的获取，但操作难度大。采用同频叠加态涡旋光发生线性多普勒频移后，两束单态涡旋光多普勒频移相同，拍频检测后被抵消，无法实现线速度的测量。因此，本发明提出采用双频叠加态涡旋光作为探测光束，实现目标复合运动检测。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对同频叠加态涡旋光的旋转多普勒效应极易受到低频噪声干扰且无法实现旋转方向与线速度测量的问题，提出采用双频叠加态涡旋光作为探测光束，以外差探测的方式实现线速度与角速度的复合运动测量。本装置结构简单，光路易调，操作方便，为基于涡旋光的探测技术拓展了测量维度，为该技术从理论研究到实际应用提供了参考。
本发明的技术解决方案是：首先，正交偏振双频激光器(1)产生的高斯光束经四分之一波片(2)调制为左-右旋圆偏振光束，然后经过涡旋波片(3)调制为右-左旋涡旋光，后经线偏振片(4)选取光束的一个偏振方向，形成旋转的双频叠加态涡旋光束；分光棱镜(5)将叠加态涡旋光束分为探测光束和参考光束；探测光束经被测目标散射后的信号光束被组合成像望远镜(6)收集，参考信号被光电探测器(7)光电转换，信号光束被光电探测器(8)光电转换；两路电信号同时接入频谱分析仪(9)作频谱分析，通过改变涡旋光拓扑荷数前后，参考信号和调制信号的频差，解析被测目标的旋转角速率与旋转方向、线速度大小和方向；它包括正交偏振双频激光器(1)、四分之一波片(2)、涡旋波片(3)、线偏振片(4)、分光棱镜(5)、组合成像望远镜(6)、光电探测器1(7)、光电探测器2(8)、频谱仪(9)。
在具体检测过程中，利用涡旋波片(3)产生拓扑荷数为±l的双频叠加态涡旋光，通过频谱分析仪(9)提取调制信号频率fmod，同时频谱分析仪(9)提取光电探测器1(7)采集到的参考信号频率fref，求解两路信号频率差的绝对值Δf1＝|fmod-fref|，继而将拓扑荷数增加到l′，二次求解调制信号f′mod和参考信号f′ref，计算拓扑荷数增加后的两路信号频率差绝对值Δf2＝|f′mod-f′ref|，如果Δf1＜Δf2，则目标的旋转方向与涡旋光的旋转方向相反，如果Δf1＞Δf2，则目标的旋转方向与涡旋光的旋转方向相同；目标的旋转角速率大小可表示为
除旋转角速率与旋转方向外，该装置还可实现线速率与线性运动方向的检测。在上述角速度求解的基础上，继续求解目标的线速度其中，f10和f20为两束单态涡旋光的频率，c为光速，±取决于目标的旋转方向，当目标旋转方向与涡旋光相反时，符号为+，反之，符号为-，若v的计算结果为正，则目标的线性运动方向靠近测量装置，反之，目标的线性运动方向远离测量装置；线速率可表示为/>
本发明的原理是：
(1)涡旋光旋转多普勒效应原理
涡旋光是一种连续螺旋状相位的光束，具有螺旋形波前，中心光强为零，具有奇异性；其波矢量有方位项，且绕着涡旋中心旋转，携带轨道角动量。基于这一特性，这种光束可以作为“光学扳手”操控微观粒子，因此可以广泛应用于医学界和生物界，此外，在量子通信领域也具有很高的应用价值。
多普勒效应是一个著名的现象，当波源和接收者以相对速度v运动时，接收者接收到的波源频率会改变Δf，对于声波而言，这种效应容易被发现，在光波中同样存在该效应，其关系为
其中，fo为光波频率，c为光速，该频移为传统的线性多普勒效应，表示光源沿着光源与接收者的直线运动，当运动以一个小的角度α垂直运动时，频移结果为
涡旋光的光场强度可在柱坐标系下表示为：
E(r，θ，z)＝E0(r，θ，z)exp(-ilθ)exp(-ikz) (3)
其中E表示涡旋光场，E0为振幅强度，l为拓扑荷数，表示一个波长内相位变换2π的次数，k为波数，大小为2π/λ，θ为方位角，表示坡印廷矢量与z轴的夹角，z为沿z轴的传播距离。涡旋光的螺旋相位就是通过exp(-ilθ)所体现的，如图2所示。
类比于线性多普勒效应，旋转多普勒效应表示当具有螺旋相位信息的结构光束，如涡旋光，经旋转物体散射后，频率同样发生改变，改变值为
其中，σ＝±1表示右圆偏振光和左圆偏振光，对于线偏振光，σ＝0，每个光子的角动量为当使用两束相反轨道角动量的叠加态涡旋光照射时，频移公式可表示为
(2)基于双频叠加态涡旋光的旋转多普勒效应外差探测理论
当双频叠加态涡旋光作为探测光束照射于旋转物体时，拓扑荷数为±l的两束单态涡旋光发生的旋转多普勒频移分别为
f1＝f10+Δf (6)
f2＝f20-Δf (7)
其中，f1为单态涡旋光1发生频移后的频率；f10为单态涡旋光1频移前频率；Δf为旋转多普勒频移，且f2为单态涡旋光2发生频移后的频率；f20为单态涡旋光2频移前频率。双频叠加态涡旋光的强度分布图如图3所示。发生频移的散射光经拍频检测后
其中，±决定于目标的旋转方向与涡旋光的旋转方向，当两者相同时，符号为负；反之，则为正。
(3)基于双频叠加态涡旋光的线性多普勒效应外差探测理论
当双频叠加态涡旋光作为探测光束照射于线性运动物体时，两束单态涡旋光发生的线性多普勒频移分别为
其中，v为被测目标在光束方向的速度矢量分量，与目标作用后的散射光经拍频检测后，
其中，经过求解可以得到v，其大小为被测目标在光束方向的速率分量；其符号决定目标速度方向。当符号为正时，目标运动方向靠近测量装置；反之则远离测量装置。
(4)基于双频叠加态涡旋光的复合运动外差探测理论
当被测目标的运动方式为线性运动与旋转同时存在的复合运动，运动产生的频移同时包括线性多普勒频移和旋转多普勒频移，如图4所示。拓扑荷数为±l的双频叠加态涡旋光作为探测光束照射于复合运动物体时，两束单态涡旋光发生的多普勒频移分别为
拍频检测时
此时的拍频信号包括双频激光固定频差|f1-f2|、旋转多普勒频移和线性多普勒频移/>三部分。固定频差为已知项，关于如何将旋转多普勒频移与线性多普勒频移的求解，可采用改变拓扑荷数的方式做二次测量。当拓扑荷数由l增加为l′后，
如果f′＞f，那么的符号为正，目标的旋转方向与涡旋光的旋转方向相反；反之，则相同。在此基础上，可以解析目标旋转角速率为
目标线性速度为
其中，±与中的符号相一致。v的大小为被测目标在光束方向的速率分量；其符号决定目标速度方向。当符号为正时，目标运动方向靠近测量装置；反之，则远离测量装置。
本发明的方案主要优点在于：
(1)结构简单，没有复杂的光路和繁多的传感和机械设备，易于控制。
(2)本装置可同时实现了线速度大小和方向以及角速度大小和旋向的检测，具备高效率检测的突出优势。
(3)本装置适用范围广，可应用于各种极端条件，甚至在空间自主交会对接、陨石轨道的预判、未知卫星的监测等领域都具有潜在的应用价值。
图1为基于涡旋光多普勒效应的复合运动检测装置示意图；
图2为单态涡旋光相位示意图；
图3为双频叠加态涡旋光强度分布图；
图4为双频叠加态涡旋光的多普勒效应示意图；
具体实施方案
本发明以双频叠加态涡旋光束为载体，实现了基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置，实验装置如图1所示，具体实施步骤如下：
正交偏振双频激光器(1)产生的高斯光束经四分之一波片(2)调制为左-右旋圆偏振光束，然后经过涡旋波片(3)调制为右-左旋涡旋光，后经线偏振片(4)选取光束的一个偏振方向，形成旋转的双频叠加态涡旋光束；分光棱镜(5)将叠加态涡旋光束分为探测光束和参考光束；探测光束经被测目标散射后的信号光束被组合成像望远镜(6)收集，参考信号被光电探测器(7)光电转换，信号光束被光电探测器(8)光电转换；两路电信号同时接入频谱分析仪(9)作频谱分析。
在具体检测过程中，利用涡旋波片(3)产生拓扑荷数为±l的双频叠加态涡旋光，通过频谱分析仪(9)提取调制信号频率fmod，同时频谱分析仪(9)提取光电探测器1(7)采集到的参考信号频率fref，求解两路信号频率差的绝对值Δf1＝|fmod-fref|，继而将拓扑荷数增加到l′，二次求解调制信号f′mod和参考信号f′ref，计算拓扑荷数增加后的两路信号频率差绝对值Δf2＝|f′mod-f′ref|，如果Δf1＜Δf2，则目标的旋转方向与涡旋光的旋转方向相反，如果Δf1＞Δf2，则目标的旋转方向与涡旋光的旋转方向相同；目标的旋转角速率大小可表示为
除旋转角速率与旋转方向外，该装置还可实现线速率与线性运动方向的检测。在上述角速度求解的基础上，继续求解目标的线速度其中，f10和f20为两束单态涡旋光的频率，c为光速，±取决于目标的旋转方向，当目标旋转方向与涡旋光相反时，符号为+，反之，符号为-，若v的计算结果为正，则目标的线性运动方向靠近测量装置，反之，目标的线性运动方向远离测量装置；线速率可表示为/>
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 (5)
1.本发明涉及一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置，正交偏振双频激光器(1)产生的高斯光束经四分之一波片(2)调制为左-右旋圆偏振光束，然后经过涡旋波片(3)调制为右-左旋涡旋光，后经线偏振片(4)选取光束的一个偏振方向，形成旋转的双频叠加态涡旋光束；分光棱镜(5)将叠加态涡旋光束分为探测光束和参考光束；探测光束经被测目标散射后的信号光束被组合成像望远镜(6)收集，参考信号被光电探测器1(7)光电转换，信号光束被光电探测器2(8)光电转换；两路电信号同时接入频谱分析仪(9)作频谱分析；它包括正交偏振双频激光器(1)、四分之一波片(2)、涡旋波片(3)、线偏振片(4)、分光棱镜(5)、组合成像望远镜(6)、光电探测器1(7)、光电探测器2(8)、频谱分析仪(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置，其特征在于：利用涡旋波片(3)产生拓扑荷数为±l的双频叠加态涡旋光，照射于被测目标表面，组合成像望远镜(6)收集被测目标散射的光束后，光电探测器2(8)对回波信号进行光电转换，通过频谱分析仪(9)提取调制信号频率fmod，同时频谱分析仪(9)提取光电探测器1(7)采集到的参考信号频率fref，求解两路信号频率差的绝对值△f1＝fmod-fref，继而将拓扑荷数增加到l'，二次求解调制信号f'mod和参考信号f'ref，计算拓扑荷数增加后的两路信号频率差绝对值△f2＝f'mod-f'ref，如果△f1<△f2，则目标的旋转方向与涡旋光的旋转方向相反，如果△f1>△f2，则目标的旋转方向与涡旋光的旋转方向相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置，其特征在于：利用涡旋波片(3)产生拓扑荷数为±l的双频叠加态涡旋光，照射于被测目标表面，组合成像望远镜(6)收集被测目标散射的光束后，光电探测器2(8)对回波信号进行光电转换，通过频谱分析仪(9)提取调制信号频率fmod，同时频谱分析仪(9)提取光电探测器1(7)采集到的参考信号频率fref，求解两路信号频率差的绝对值△f1＝fmod-fref，继而将拓扑荷数增加到l'，二次求解调制信号f'mod和参考信号f'ref，计算拓扑荷数增加后的两路信号频率差绝对值△f2＝f'mod-f'ref，则目标的旋转角速率大小为
4.根据权利要求1所述的一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置，其特征在于：利用涡旋波片(3)产生拓扑荷数为±l的双频叠加态涡旋光，照射于被测目标表面，组合成像望远镜(6)收集被测目标散射的光束后，光电探测器2(8)对回波信号进行光电转换，通过频谱分析仪(9)提取调制信号频率fmod，同时频谱分析仪(9)提取光电探测器1(7)采集到的参考信号频率fref，求解两路信号频率差的绝对值△f1＝fmod-fref，继而将拓扑荷数增加到l'，二次求解调制信号f'mod和参考信号f'ref，计算拓扑荷数增加后的两路信号频率差绝对值△f2＝f'mod-f'ref，求解目标的线速度其中，f10和f20为两束单态涡旋光的频率，c为光速，±取决于目标的旋转方向，当目标旋转方向与涡旋光相反时，符号为+，反之，符号为-，若v的计算结果为正，则目标的线性运动方向靠近测量装置，反之，目标的线性运动方向远离测量装置。
5.根据权利要求1所述的一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置，其特征在于：利用涡旋波片(3)产生拓扑荷数为±l的双频叠加态涡旋光，照射于被测目标表面，组合成像望远镜(6)收集被测目标散射的光束后，光电探测器2(8)对回波信号进行光电转换，通过频谱分析仪(9)提取调制信号频率fmod，同时频谱分析仪(9)提取光电探测器1(7)采集到的参考信号频率fref，求解两路信号频率差的绝对值△f1＝fmod-fref，继而将拓扑荷数增加到l'，二次求解调制信号f'mod和参考信号f'ref，计算拓扑荷数增加后的两路信号频率差绝对值△f2＝f'mod-f'ref，求解目标的线速度的绝对值其中，f10和f20为两束单态涡旋光的频率，c为光速，±取决于目标的旋转方向，当目标旋转方向与涡旋光相反时，符号为+，反之，符号为-，v即为被测目标在光束方向的速率分量。
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