CN113325432A - 一种物体线性运动方向的识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种物体线性运动方向的识别方法,包括:光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上;其中,所述嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成;所述被测物体在所述嫁接涡旋光束的正投影的光斑内运动;光电倍增管接收所述被测物体反射的回波信号;频谱分析仪将所述回波信号进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱;后台终端根据所述回波信号的多普勒频谱确定所述被测物体的运动方向。本发明利用嫁接涡旋光束照射在被测物体上,通过对入射光相对被测物体反射光的多普勒效应可以得到被测物体的线性运动方向,可以得到被测物体更加全面的运动信息。
Description
技术领域
本发明属于物体运动方向识别探测技术领域,具体涉及一种物体线性运动方向的识别方法。
背景技术
涡旋光束是一种特殊的光束,其具有的连续环形光强分布和连续螺旋波前结构使得它具有轨道角动量,不同于高斯光束,其光强分布呈暗中空结构,中心光强为零,且随着拓扑荷数的增大,其光环中央暗区的半径越大,光斑半径也随之增大。随着海洋资源的逐步开发和利用,对海水中动态目标的追踪和尾迹的探测逐渐成了一项重要的研究课题。而现有的运用普通光束的探测方式具有传输过程不够稳定,且传输距离较短的缺点,而在水下湍流环境中,与普通光束相比,涡旋光束具有更远的传播距离、更高的传输效率和更大的传输容量。可以利用涡旋光对水下目标以及其他目标进行探测。
涡旋光束具有的最典型的参数之一就是拓扑荷数l,表征在一个波长内涡旋光束相位由0到2π的跳变次数,由于涡旋光束的相位因子exp(ilθ)的存在,其波阵面为螺旋状的。一束涡旋光束的坡印廷矢量与涡旋光的传播轴呈一定的夹角,其上的任意一点对应的坡印廷矢量可以分解为光束传播方向及光束传播截面两个方向。
运动的物体通常具有多普勒效应,经典线性多普勒的表达式为
其中Δf为入射光与运动物体散射光之间的频率差值,ɑ为物体运动方向和光传播方向夹角,f0为原始光束的频率,c为光速,υ为物体与光源之间的相对速度。
涡旋光束在光的传播方向和传播截面方向都具有多普勒频移,因此,涡旋光束具有旋转多普勒效应,其多普勒频移表达式为
式中Ω表示物体转动的速度。
现有的涡旋光探测技术仅仅通过频移计算出目标的线性运动速度及转速,无法确定被测物体的运动方向。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种物体线性运动方向的识别方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
一种物体线性运动方向的识别方法,包括:
光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上;其中,所述嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成;所述被测物体在所述嫁接涡旋光束的正投影的光斑内运动;
光电倍增管接收所述被测物体反射的回波信号;
频谱分析仪将所述回波信号进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱;
后台终端根据所述回波信号的多普勒频谱确定所述被测物体的运动方向。
在本发明的一个实施例中,所述通过后台终端根据所述回波信号的多普勒频谱确定所述被测物体的运动方向,包括:
后台终端根据所述回波信号的多普勒频谱确定环量积分;其中,所述环量积分为回波信号的多普勒频谱中全部的峰值的加权平均值;
后台终端根据所述环量积分确定所述被测物体的运动方向。
在本发明的一个实施例中,后台终端根据所述环量积分确定所述被测物体的运动方向,包括:
后台终端根据所述环量积分和所述运动方向的正弦函数关系确定所述运动方向。
在本发明的一个实施例中,所述方法还包括:
通过所述光嫁接装置获取所述嫁接涡旋光束;
所述通过所述光嫁接装置获取所述嫁接涡旋光束,包括:
激光器产生激光束;
所述激光束经过准直扩束镜组变为高斯光束;
所述高斯光束经过分束棱镜和偏振片后入射到加载有嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图的空间光调制器上进行调制,得到贝塞尔-高斯光束;
所述贝塞尔-高斯光束经过所述偏振片反射后入射到4-f滤波组件中进行傅里叶变换,得到所述嫁接涡旋光束。
在本发明的一个实施例中,所述准直扩束镜组沿所述激光束的光路方向依次包括:平凸透镜L1和平凸透镜L2。
在本发明的一个实施例中,所述4-f滤波组件设置在所述偏振片的反射光出射方向上,包括沿所述反射光出射方向依次设置的平凸透镜L3、小孔光阑S、平凸透镜L4和平凸透镜L5。
在本发明的一个实施例中,所述方法还包括:通过后台终端模拟制作所述嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图,并将所述嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图加载到所述空间光调制器上。
本发明的有益效果:
1、本发明利用嫁接涡旋光束照射在被测物体上,通过对入射光相对被测物体反射光的多普勒效应可以得到被测物体的线性运动方向,可以得到被测物体更加全面的运动信息。
2、本发明采用嫁接涡旋光束对目标的运动方向进行探测,涡旋光束的传播距离更远,传输效率更高、传输更稳定,对被测目标运动状态的探测更加准确。
3、本发明的识别方法不仅判定准确,还易于操作且应用范围广泛,适用于各种目标探测环境。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种物体线性运动方向的识别方法的流程图;
图2是本发明实施例提供的拓扑荷数l1=2、l2=10的嫁接涡旋光束入射到运动流体产生的回波信号的多普勒频谱示意图。
图3是拓扑荷数l1=2、l2=10的嫁接涡旋光束入射时流体速度方向示意图。
图4是本发明实施例提供的另一种物体线性运动方向的识别方法的流程图;
图5是本发明实施例提供的环量积分与被测物体与x轴夹角θ的关系示意图。
图6是本发明实施例提供的光嫁接装置以及产生嫁接涡旋光束过程的示意图;
图7a是本发明实施例提供的拓扑荷数l1=2、l2=5的两束涡旋光束嫁接后得到的嫁接涡旋光束;
图7b是本发明实施例提供的拓扑荷数l1=5、l2=7的两束涡旋光束嫁接后得到的嫁接涡旋光束;
图7c是本发明实施例提供的拓扑荷数l1=10、l2=15的两束涡旋光束嫁接后得到的嫁接涡旋光束。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1,一种物体线性运动方向的识别方法,包括:
步骤11、光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上。
其中,嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成;被测物体在嫁接涡旋光束的正投影的光斑面积内运动。
步骤12、光电倍增管接收被测物体反射的回波信号。被测物体的回波信号被光电倍增管接收。
步骤13、频谱分析仪将回波信号进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱。本步骤中,将光电倍增管转换后的回波信号输入频谱分析仪,频谱分析仪进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱。
步骤14、后台终端根据回波信号的多普勒频谱确定被测物体的运动方向。
本实施例中,利用嫁接涡旋光束照射在被测物体上,通过对入射光相对被测物体反射光的多普勒效应可以得到被测物体的线性运动方向,因此,可以得到被测物体更加全面和完整的运动信息。本实施例采用嫁接涡旋光束对目标的运动方向进行探测,涡旋光束的传播距离更远,传输效率更高、传输更稳定,对被测目标运动状态的探测更加准确。本实施例的识别方法不仅判定准确,还易于操作且应用范围广泛,适用于各种目标探测环境。
实施例二
一种物体线性运动方向的识别方法,包括:
步骤21、光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上。
其中,嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成;被测物体在嫁接涡旋光束的正投影的光斑面积内运动。
步骤22、光电倍增管接收被测物体反射的回波信号。被测物体的回波信号被光电倍增管接收。
步骤23、频谱分析仪将回波信号进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱。本步骤中,将光电倍增管转换后的回波信号输入频谱分析仪,频谱分析仪进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱。
步骤24、后台终端根据回波信号的多普勒频谱确定环量积分。
其中,环量积分为多普勒频谱中全部的峰值的加权平均值。
步骤25、后台终端根据环量积分确定被测物体的运动方向。
如图2所示,本实施例中,根据回波信号的多普勒频谱可以得到多普勒频移,频移也即是多普勒频谱中的每个波峰的峰值,计算多普勒频谱中所有峰值的加权平均值,也即是得到了环量积分。
普通光束具有线性多普勒效应,即当物体与光源之间存在相对运动时,光源发出的光频率与物体接收到的光频率之间会产生差值,这一差值被称为频移,而频移与物体的线性运动速度成正比,因此通过对频移的计算可以得到物体线性运动的速度。同样的,涡旋光束对于旋转运动的物体也具有多普勒效应,可以测量物体旋转运动的角速度。此时的多普勒效应表达式为
例如,流体作为被测物体时,当流体速度恒定时,不管流体运动方向怎么改变,传统涡旋光束测得的涡量恒为0,所以当流体速度大小恒定,即使速度方向改变,以流体速度为分界线将涡旋光分为两半环,速度在其中一个半环上角向分量与涡旋光旋转方向夹角为锐角,在另一个半环上的角向分量与涡旋光旋转方向夹角为钝角,导致两半环产生大小相同,正负相反的旋转多普勒频移,所以信号频谱关于零频左右对称,经过加权平均后频移为0,计算的涡量为0。因此用传统涡旋光可以测量流体的速度大小,但不能测量速度的方向。
采用嫁接涡旋光束照射流体后,如图3所示,以x轴为边界的上侧半环拓扑荷数为l1,下侧半环拓扑荷数为l2,由于得到嫁接涡旋光的两束源涡旋光的拓扑荷数不同,所以得到的多普勒频移不同,如图2所示,用嫁接涡旋光得到的多普勒频谱不应该是关于零频对称的,当得到的多普勒频移做加权平均结果为0时,则说明此时探测目标的线性运动方向为x轴。当流体的运动方向为y轴时,以y轴为分界的左右两半环产生的旋转多普勒频移大小不相等,符号不一样,拓扑荷数大的一侧产生的频移大,拓扑荷数小的一侧产生的频移小,这种情况下产生的频谱不关于零频对称,对频移做加权平均是一个正值;相反,当流体速度方向为y轴负方向时频移的加权平均值是一个负值。因此,可以确定流体的运动方向。
实施例三
如图4和图5所示,一种物体线性运动方向的识别方法,包括:
步骤31、光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上。
其中,嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成;被测物体在嫁接涡旋光束的正投影的光斑面积内运动。
步骤32、光电倍增管接收被测物体反射的回波信号。被测物体的回波信号被光电倍增管接收。
步骤33、频谱分析仪将回波信号进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱。本步骤中,将光电倍增管转换后的回波信号输入频谱分析仪,频谱分析仪进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱。
步骤34、后台终端根据回波信号的多普勒频谱确定环量积分。
其中,环量积分为多普勒频谱中所有的峰值的加权平均值。
步骤35、后台终端根据环量积分和运动方向的正弦函数关系确定运动方向。
本实施例中,以流体为例,随着流体运动方向的不断改变,我们对各个不同速度方向频移求加权平均值,我们称之为环量积分,而环量积分与流体速度方向的改变呈正弦变化,如图5所示,当速度方向与x轴夹角为90度(y轴正方向)时环量积分最大,当速度方向与x轴夹角为270度(y轴负方向)时环量积分最小,可以对流体速度方向进行识别。具体的,如图3所示,环量积分m与被测物体与x轴夹角θ的关系为m=sinθ,因此,根据环量积分的数值可以得到被测物体与x轴夹角θ,从而可以得到被测物体的线性运动方向。
实施例四
一种物体线性运动方向的识别方法,包括:
步骤41、通过光嫁接装置获取嫁接涡旋光束。
步骤42、光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上。
其中,嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成;被测物体在嫁接涡旋光束的正投影的光斑面积内运动。
步骤43、光电倍增管接收被测物体反射的回波信号。被测物体的回波信号被光电倍增管接收。
步骤44、频谱分析仪将回波信号进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱。本步骤中,将光电倍增管转换后的回波信号输入频谱分析仪,频谱分析仪进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱。
步骤45、后台终端根据回波信号的多普勒频谱确定环量积分。
其中,环量积分为多普勒频谱中所有的峰值的加权平均值。
步骤46、后台终端根据环量积分和运动方向的正弦函数关系确定运动方向。
实施例五
一种物体线性运动方向的识别方法,包括:
步骤51、激光器L产生激光束。
步骤52、激光束经过准直扩束镜组BE变为高斯光束。
步骤53、高斯光束经过分束棱镜P和偏振片BS后入射到加载有嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图的空间光调制器SLM上进行调制,得到贝塞尔-高斯光束。其中,可以预先通过后台终端SV中的模拟软件Matlab模拟制作嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图,并将嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图加载到空间光调制器上。
步骤54、贝塞尔-高斯光束经过偏振片反射后入射到4-f滤波组件中进行傅里叶变换,得到嫁接涡旋光束。
步骤55、将得到嫁接涡旋光束照射在被测物体上。
其中,嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成;被测物体在嫁接涡旋光束的正投影的光斑面积内运动。
步骤56、光电倍增管接收被测物体反射的回波信号。被测物体的回波信号被光电倍增管接收。
步骤57、频谱分析仪将回波信号进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱。本步骤中,将光电倍增管转换后的回波信号输入频谱分析仪,频谱分析仪进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱。
步骤58、后台终端SV根据回波信号的多普勒频谱确定环量积分。
其中,环量积分为回波信号的多普勒频谱中所有的峰值的加权平均值。
步骤59、后台终端SV根据环量积分m与被测物体与x轴夹角θ的正弦函数关系:m=sinθ,可以被测物体的运动方向与x轴夹角θ,从而确定了被测物体的线性运动方向。
本实施例中,1992年,Allen等人提出了光束的旋转角动量(OAM),具体表现为波束在垂直于传播方向上的平面内具有螺旋形的相位特征,涡旋光也由于其独特的结构而被广泛的应用,在应用的过程中对涡旋光的结构也有相应的产生更多的要求,研究人员希望一束涡旋光能携带多种轨道角动量。但传统的涡旋光光强结构为暗中空结构,随着拓扑荷数的增大,光环状结构中空暗区也会随之增大,这就导致拓扑荷数不同的涡旋光由于光斑半径的不同无法很好的衔接在一起,使得涡旋光的嫁接出现“砧木”和“接穗”无法顺利黏合的问题。
如图6所示,针对这一问题,Ostrovsky等人于2013年提出一种拓扑荷数与环半径无关的完美涡旋光,使大拓扑荷数小半径的涡旋光成为可能,2019年ZHANG等人提出嫁接涡旋光,并将其用来做光镊,并成功对微粒进行了操作。所谓的“嫁接”,就是从一束拓扑荷数为l1的涡旋光束的上半部分切下一个螺旋项,作为“接穗”,将从另一束拓扑荷数为l2的涡旋光束的切下的一部分作为“砧木”,并将两个螺旋项进行嫁接。
贝塞尔-高斯光由Durnin等人在1987年首次提出,其特点是在衍射过程中光束不会发生衍射,且光强也不会发生变化,光束的电场表达式为:
其中,w为光束半径,Jl为l阶贝塞尔函数,r为为径向距离。当l≥1时,Jl表示为高阶贝塞尔函数。对拉盖尔-高斯光束进行嫁接相位的调制,并添加轴锥相位即可得到贝塞尔-高斯光束。如图7a、图7b和图7c所示,利用贝塞尔光的傅里叶变换特性,在贝塞尔-高斯光的傅里叶平面产生亮环半径可控的完美涡旋光来使嫁接的涡旋光两半环半径相同。因此,通过在嫁接相位上叠加轴锥相位,加载到空间光调制器上进行调制,就可以产生同阶次的贝塞尔-高斯光,最后利用透镜的傅里叶变换特性,在4-f滤波组件的透镜的焦平面处得到近似的完美涡旋光-嫁接涡旋光,用CCD(charge-coupled device,电荷耦合器件)可以探测嫁接涡旋光对应的完美涡旋光强度分布。
进一步地,准直扩束镜组BE沿激光束的光路方向依次包括:平凸透镜L1和平凸透镜L2。本实施例中,激光器L产生的激光束依次经过平凸透镜L1、平凸透镜L2、分束棱镜P和偏振片BS后入射到加载有嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图的空间光调制器SLM上进行调制。
进一步地,4-f滤波组件设置在偏振片的反射光出射方向上,包括沿反射光出射方向依次设置的平凸透镜L3、小孔光阑S、平凸透镜L4和平凸透镜L5。本实施例中,贝塞尔-高斯光束经过偏振片反射后依次经过平凸透镜L3、小孔光阑S、平凸透镜L4和平凸透镜L5,得到嫁接涡旋光束。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种物体线性运动方向的识别方法,其特征在于,包括:
光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上;其中,所述嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成;所述被测物体在所述嫁接涡旋光束的正投影的光斑内运动;
光电倍增管接收所述被测物体反射的回波信号;
频谱分析仪将所述回波信号进行傅里叶变换,得到回波信号的多普勒频谱;
后台终端根据所述回波信号的多普勒频谱确定所述被测物体的运动方向。
2.根据权利要求1所述的一种物体线性运动方向的识别方法,其特征在于,所述通过后台终端根据所述回波信号的多普勒频谱确定所述被测物体的运动方向,包括:
后台终端根据所述回波信号的多普勒频谱确定环量积分;其中,所述环量积分为回波信号的多普勒频谱中全部的峰值的加权平均值;
后台终端根据所述环量积分确定所述被测物体的运动方向。
3.根据权利要求1所述的一种物体线性运动方向的识别方法,其特征在于,后台终端根据所述环量积分确定所述被测物体的运动方向,包括:
后台终端根据所述环量积分和所述运动方向的正弦函数关系确定所述运动方向。
4.根据权利要求1所述的一种物体线性运动方向的识别方法,其特征在于,所述方法还包括:
通过所述光嫁接装置获取所述嫁接涡旋光束;
所述通过所述光嫁接装置获取所述嫁接涡旋光束,包括:
激光器产生激光束;
所述激光束经过准直扩束镜组变为高斯光束;
所述高斯光束经过分束棱镜和偏振片后入射到加载有嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图的空间光调制器上进行调制,得到贝塞尔-高斯光束;
所述贝塞尔-高斯光束经过所述偏振片反射后入射到4-f滤波组件中进行傅里叶变换,得到所述嫁接涡旋光束。
5.根据权利要求4所述的一种物体线性运动方向的识别方法,其特征在于,所述准直扩束镜组沿所述激光束的光路方向依次包括:平凸透镜L1和平凸透镜L2。
6.根据权利要求5所述的一种物体线性运动方向的识别方法,其特征在于,所述4-f滤波组件设置在所述偏振片的反射光出射方向上,包括沿所述反射光出射方向依次设置的平凸透镜L3、小孔光阑S、平凸透镜L4和平凸透镜L5。
7.根据权利要求1所述的一种物体线性运动方向的识别方法,其特征在于,所述方法还包括:通过后台终端模拟制作所述嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图,并将所述嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图加载到所述空间光调制器上。
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110506352.4A Pending CN113325432A (zh) | 2021-05-10 | 2021-05-10 | 一种物体线性运动方向的识别方法 |
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CN (1) | CN113325432A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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RU2793229C1 (ru) * | 2022-06-29 | 2023-03-30 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Голографический способ измерения доплеровского сдвига частоты |
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2021
- 2021-05-10 CN CN202110506352.4A patent/CN113325432A/zh active Pending
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