CN113281529B - 一种紧凑型运动物体微动特征检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型运动物体微动特征检测装置及检测方法，其中检测装置，包括：激光光源、涡旋光产生与指向控制装置、偏振分光镜、反射镜、二色性分光镜、收发一体天线、涡旋回光信号采集装置和物体位置测量装置。本发明的紧凑型运动物体微动特征检测装置可以在有限空间内同时实现涡旋光束的产生、对物体的追踪、及微动特性测量，目的在于解决对运动物体的微动检测的问题。

Description

一种紧凑型运动物体微动特征检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光电检测的技术领域，特别是一种紧凑型运动物体微动特征检测装置及检测方法。

背景技术

传统多普勒频移探测方法多基于线性多普勒效应，主要用于平移速度的测量。当用于转动速度测量时，只能通过测量转动速度在光束传播方向上的分量，进而推算转动速度，导致转动速度的测量难度大、测量精度低。涡旋光是一种携带轨道角动量的结构光，当涡旋光照射至具有旋转速度的物体时，物体的转速会对涡旋光引入持续的相位变化，进而产生光的频率移动，引起旋转多普勒效应，其中旋转多普勒频移量直接与物体旋转速度相关，可以实现平移速度与旋转速度的解耦，能够有效提取物体转速等微动信息。

现有涡旋光旋转速度测量技术多针对固定的旋转物体，然而当被测物体处于运动状态中时，涡旋光束无法保证对物体的持续跟踪照射，导致涡旋光转速测量系统的使用场景受限。现有光束指向调控方法多采用机械方式，通过万向节、快速反射镜、Risley棱镜等的机械运动实现光束指向的调制，存在体积大、转动惯量大、能耗高等问题，难以满足对空间要求较高的测量系统的使用要求。

发明内容

本发明目的在于提供一种紧凑型运动物体微动特征检测装置及检测方法，可以在有限空间内同时实现涡旋光束的产生、对物体的追踪、及微动特性测量，目的在于解决对运动物体的微动检测的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种紧凑型运动物体微动特征检测装置，包括：激光光源、涡旋光产生与指向控制装置、偏振分光镜、反射镜、二色性分光镜、收发一体天线、涡旋回光信号采集装置和物体位置测量装置；涡旋光产生与指向控制装置设置在激光光源和偏振分光镜之间，反射镜和二色性分光镜均位于偏振分光镜的光路上，且反射镜和二色性分光镜分别位于偏振分光镜的前后，收发一体天线位于二色性分光镜的反射光路上，物体位置测量装置位于二色性分光镜的透射光光路上，涡旋回光信号采集装置设置在反射镜的反射光的光路上；运动物体的光线通过天线主镜反射至天线次镜，再进入二色性分光镜。

进一步地，天线主镜为凹面镜，天线主镜的凹面为反射面，天线主镜朝向天线次镜，凹面镜的中心具有光过孔。

进一步地，天线次镜为凸面镜，天线次镜的凸面为反射面，天线次镜的凸面朝向天线主镜。

进一步地，物体位置测量装置采用阵面探测器。

进一步地，激光光源用于产生连续高斯光束。

进一步地，偏振分光镜用于对发射涡旋光与涡旋回光进行光束分离。

进一步地，涡旋回光信号采集装置用于将光信号转换为电信号。

进一步地，涡旋光产生与指向控制装置可根据待测物体形态和待测物体的微动频率量级设定涡旋光的拓扑荷数。

根据本发明的另一方面，还提供了一种运动物体微动特征检测方法，采用上述的紧凑型运动物体微动特征检测装置，运动物体微动特征检测方法包括：

S10激光光源产生连续高斯光束，激光光源产生的光束通过涡旋光产生与指向控制装置经过二色性分光镜，至天线次镜，再由天线次镜至天线主镜，通过天线主镜的光束到达运动物体；

S20来自运动物体的光信号通过天线主镜到达天线次镜，然后一部分光信号通过二色性分光镜到达物体位置测量装置，一部分光信号再依次通过偏振分光镜和反射镜到达涡旋回光信号采集装置。

进一步地，在步骤S10中，高斯光穿透涡旋光产生与指向控制装置后，输出光为偏转了θ角的涡旋光；

光束偏转方向角θ与波前调制关系为：

ΔΦ＝kdsinθ

其中d为相邻像素点间距，ΔΦ为相邻像素点相位差。

本发明的技术方案，紧凑型运动物体微动特征检测装置可以实现物体辐射光的接收，涡旋光的发射，涡旋光的接收，使得检测装置的结构紧凑。本发明的紧凑型运动物体微动特征检测装置，可以在有限空间内同时实现涡旋光束的产生、对物体的追踪、及微动特性测量，目的在于解决对运动物体的微动检测的问题。

附图说明

图1示出了一种紧凑型运动物体微动特征检测装置示意图；

图2示出了图1的紧凑型运动物体微动特征检测装置的物体位置测量示意图；

图3示出了图1的紧凑型运动物体微动特征检测装置的光束传播方向偏转调节原理示意图；

图4示出了图1的紧凑型运动物体微动特征检测装置的相位调控生成涡旋光原理示意图；

图5示出了图1的紧凑型运动物体微动特征检测装置的生成涡旋光的相息图；

图6示出了图1的紧凑型运动物体微动特征检测装置的光束方向偏转相息图；

图7示出了图1的紧凑型运动物体微动特征检测装置的最终相位调制相息图。

1-激光光源；2-涡旋光产生与指向控制装置；3-偏振分光镜；4-反射镜；5-二色性分光镜；6-收发一体天线；61-天线主镜；62-天线次镜；7-涡旋回光信号采集装置；8-物体位置测量装置；9-运动物体

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

如图1至图7所示，本实施例的一种紧凑型运动物体微动特征检测装置，包括：激光光源、涡旋光产生与指向控制装置、偏振分光镜、反射镜、二色性分光镜、收发一体天线、涡旋回光信号采集装置和物体位置测量装置。涡旋光产生与指向控制装置设置在激光光源和偏振分光镜之间，反射镜和二色性分光镜均位于偏振分光镜的光路上，且反射镜和二色性分光镜分别位于偏振分光镜的前后，收发一体天线位于二色性分光镜的反射光路上，物体位置测量装置位于二色性分光镜的透射光光路上，涡旋回光信号采集装置设置在反射镜的反射光的光路上。运动物体的光线通过天线主镜反射至天线次镜，再进入二色性分光镜。

本实施例的技术方案，紧凑型运动物体微动特征检测装置可以实现物体辐射光的接收，涡旋光的发射，涡旋光的接收，使得检测装置的结构紧凑。本实施例的紧凑型运动物体微动特征检测装置，可以在有限空间内同时实现涡旋光束的产生、对物体的追踪、及微动特性测量，目的在于解决对运动物体的微动检测的问题。

在本实施例的技术方案中，天线主镜为凹面镜，天线主镜的凹面为反射面，天线主镜朝向天线次镜，凹面镜的中心具有光过孔。上述结构紧凑，即通过光过孔就可以实现光的传输。

在本实施例的技术方案中，天线次镜为凸面镜，天线次镜的凸面为反射面，天线次镜的凸面朝向天线主镜。上述结构的天线主镜和天线次镜直接进行光束的传输，不需要借助其它的光路设备，这样使得结构更加紧凑。

在本实施例的技术方案中，物体位置测量装置采用阵面探测器。上述的物体位置测量装置成本较低，设置方便。

在本实施例的技术方案中，激光光源用于产生连续高斯光束。这样可以实现连续的测量。

在本实施例的技术方案中，偏振分光镜用于对发射涡旋光与涡旋回光进行光束分离。上述结构方便了光束的分离。

在本实施例的技术方案中，涡旋回光信号采集装置用于将光信号转换为电信号。上述结构方便了测量频率。

在本实施例的技术方案中，涡旋光产生与指向控制装置可根据待测物体形态和待测物体的微动频率量级设定涡旋光的拓扑荷数。

本申请还提供了一种运动物体微动特征检测方法，采用上述的紧凑型运动物体微动特征检测装置，运动物体微动特征检测方法包括：

S10激光光源产生连续高斯光束，激光光源产生的光束通过涡旋光产生与指向控制装置经过二色性分光镜，至天线次镜，再由天线次镜至天线主镜，通过天线主镜的光束至少部分到达运动物体,具体为平行照射或聚焦照射至运动物体；

S20运动物体的光信号通过天线主镜到达天线次镜，然后一部分光信号通过二色性分光镜到达物体位置测量装置，一部分光信号再依次通过偏振分光镜和反射镜到达涡旋回光信号采集装置。

在本实施例的技术方案中，在步骤S10中，高斯光穿透涡旋光产生与指向控制装置后，输出光为偏转了θ角的涡旋光；

光束偏转方向角θ与波前调制关系为：

ΔΦ＝kdsinθ

其中d为相邻像素点间距，ΔΦ为相邻像素点相位差。

本申请的测量方便简便，快捷，测量精度较高。

通过上述可知，天线主镜61与天线次镜62组成卡塞格林结构的收发一体天线6，可实现一套系统满足物体成像、涡旋光发射、涡旋回波接收三种功能。且采用三种功能共口径复用一套光学天线的方式，物体辐射的接收，涡旋光的发射，涡旋光的接收。而不每个功能各一个天线的方式，可以方便将一个光学天线直径做大，实现更远的探测距离。

物体位置测量装置8可采用但不限于红外探测器、可见光探测器，本文以红外探测器为例进行叙述。收发一体天线6接收被测物体的红外辐射光，通过二色性分光镜5，将红外辐射光与激光波段分离，红外辐射光经二色性分光镜5透射，被物体位置测量装置8收集，物体位置测量装置8对所在区域成像，并在图像中测量出物体位置，当物体运动时，物体位置测量装置8持续测量物体位置，并经坐标变换等计算出相对偏转角度θ，将相对偏转角度信息发送给涡旋光产生与指向控制装置2。见图2。

所述二色性分光镜5用于将红外探测波段与涡旋激光波段分离，对红外探测波段透射，对涡旋激光波段反射。

所述激光光源1用于产生连续高斯光束，产生的高斯光束照射至涡旋光产生与指向控制装置2。

涡旋光产生与指向控制装置2，用于对入射高斯光束的相位进行调制。涡旋光产生与指向控制装置2可采用但不限于透射型空间光调制器。

涡旋光产生与指向控制装置2的工作方式为：根据待测物体形态、微动频率量级设定涡旋光的拓扑荷数l，生成用于产生涡旋光的相息图，见图5；根据物体位置测量装置8发送的相对偏转角度信息θ，生成用于方向偏转的相息图，见图6；将图5和图6两个相息图叠加，得到最终相位调制相息图，见图7；相息图7信息载入涡旋光产生与指向控制装置2。当高斯光穿透涡旋光产生与指向控制装置2后，输出光为偏转了θ角的涡旋光。

拓扑荷数l的选择与待测物体的形态，及物体微动频率相关。当待测物体具有旋转对称性时，为了更好提取物体微动频率信息，拓扑荷数l的选择应为物体旋转对称轴的整数倍；系统直接探测到的回波信号频率为物体微动频率的拓扑荷数l倍，根据涡旋回光信号采集装置7的频率范围及要求的探测时间适当选择拓扑荷数l。

高斯光束通过波前相位调制可以生成涡旋光场，图4。产生的涡旋光场为波前具有螺旋相位因子exp(ilψ)的结构光场，i为虚数，其中l为拓扑荷数，ψ为相位面辐角。光束偏转方向角θ与波前调制关系为：

ΔΦ＝kdsinθ

其中d为相邻像素点间距，ΔΦ为相邻像素点相位差。

当运动物体9由图1的实线位置移动到图1中的虚线位置时，物体位置测量装置8实时测量出实现位置相对虚线位置的偏转角度，实时位置反馈给涡旋光产生与指向控制装置2，涡旋光产生与指向控制装置2按上述方式对新的位置信息生成相息图，实时调整涡旋光指向方向，实现对运动物体9的跟踪照射。

生成的偏转涡旋光经偏振分光镜3、二色性分光镜5进入收发一体天线6，经收发一体天线6聚焦照射至运动物体9。

偏振分光镜3主要用于对发射涡旋光与涡旋回光进行光束分离。

运动物体9的反射回波被收发一体天线6接收，经过偏振分光镜3，进入涡旋回光信号采集装置7。

涡旋回光信号采集装置7将光信号转换为电信号。涡旋回光信号采集装置7由光电探测器与信号处理板组成，对背景噪声进行降噪处理，获得回波信号的时域表达式为：

I(t)＝A+Bcos(lΩt)

其中Ω为物体转动频率，t为时间，A、B是与回波光强相关的系数。通过滤波处理，将直流分量A滤除，经过傅里叶变换后，得到旋转多普勒频移为

由

计算得到物体的微动频率。

光束传播方向偏转调节原理为，光波振面相邻位置的相位差为常数，则经过相干叠加后，波前方向发生改变，从而实现光束偏转，不同相位差大小对应不同角度，光束偏转角度θ与相位差ΔΦ间的关系为

其中k为波数，d为相位控制阵列各单元间距，图3。

因此将涡旋光相位与偏转方向相位叠加，将叠加的相位信息加载至涡旋光产生与指向控制装置，激光光束经其调制，可以生成波前倾斜的涡旋光束，实现光场波振面与传输方向的同步调控。

光束偏转角度信息由物体位置测量装置提供。物体位置测量装置通过与涡旋光发射接收共口径的光学天线收集目标辐射信息，通过其位置变化，计算出相对偏移角度量。

本发明具有以下有益效果：

可对涡旋光生成与指向控制同步调控，实时准确控制光束指向，实现运动物体的持续跟踪测量。

一套光学天线实现涡旋光发射、涡旋光接收、探测光接收的共口径复用，装置结构简单、功耗低、体积小，可搭载于汽车等平台。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种紧凑型运动物体微动特征检测装置，其特征在于，包括：

激光光源、涡旋光产生与指向控制装置、偏振分光镜、反射镜、二色性分光镜、收发一体天线、涡旋回光信号采集装置和物体位置测量装置；

所述涡旋光产生与指向控制装置设置在所述激光光源和所述偏振分光镜之间，所述反射镜和所述二色性分光镜均位于所述偏振分光镜的光路上，且所述反射镜和所述二色性分光镜分别位于所述偏振分光镜的前后，所述收发一体天线位于所述二色性分光镜的反射光路上，所述物体位置测量装置位于所述二色性分光镜的透射光光路上，所述涡旋回光信号采集装置设置在所述反射镜的反射光的光路上；

运动物体的光线通过天线主镜反射至天线次镜，再进入所述二色性分光镜。

2.根据权利要求1所述的紧凑型运动物体微动特征检测装置，其特征在于，所述天线主镜为凹面镜，所述天线主镜的凹面为反射面，所述天线主镜朝向所述天线次镜，所述凹面镜的中心具有光过孔。

3.根据权利要求2所述的紧凑型运动物体微动特征检测装置，其特征在于，所述天线次镜为凸面镜，所述天线次镜的凸面为反射面，所述天线次镜的凸面朝向所述天线主镜。

4.根据权利要求3所述的紧凑型运动物体微动特征检测装置，其特征在于，所述物体位置测量装置采用阵面探测器。

5.根据权利要求1所述的紧凑型运动物体微动特征检测装置，其特征在于，所述激光光源用于产生连续高斯光束。

6.根据权利要求1所述的紧凑型运动物体微动特征检测装置，其特征在于，所述偏振分光镜用于对发射涡旋光与涡旋回光进行光束分离。

7.根据权利要求1所述的紧凑型运动物体微动特征检测装置，其特征在于，所述涡旋回光信号采集装置用于将光信号转换为电信号。

8.根据权利要求1所述的紧凑型运动物体微动特征检测装置，其特征在于，所述涡旋光产生与指向控制装置可根据待测物体形态和待测物体的微动频率量级设定涡旋光的拓扑荷数。

9.一种运动物体微动特征检测方法，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的紧凑型运动物体微动特征检测装置，所述运动物体微动特征检测方法包括：

S10激光光源产生连续高斯光束，激光光源产生的光束通过涡旋光产生与指向控制装置经过二色性分光镜，至天线次镜，再由天线次镜至天线主镜，通过天线主镜的光束到达运动物体；

S20来自运动物体的光信号通过天线主镜到达天线次镜，然后一部分光信号通过二色性分光镜到达物体位置测量装置，一部分光信号再依次通过偏振分光镜和反射镜到达涡旋回光信号采集装置。

10.根据权利要求9所述的运动物体微动特征检测方法，其特征在于，在所述步骤S10中，高斯光穿透涡旋光产生与指向控制装置后，输出光为偏转了θ角的涡旋光；

光束偏转方向角θ与波前调制关系为：

ΔΦ＝kdsinθ

其中k为波数，d为相邻像素点间距，ΔΦ为相邻像素点相位差。

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