CN114441793A - 基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转物体角速度测量领域，公开了基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置和方法，装置包括异拓扑荷涡旋光生成系统、拍频测量系统、信号处理系统，异拓扑荷涡旋光生成系统用于分别产生携带正拓扑荷的涡旋参考光和携带负拓扑荷的涡旋测量光；拍频测量系统用于将参考光和入射至待测旋转物体的测量光合束产生拍频信号并进行光电转换后发送至信号处理系统得到待测旋转物体的角速度的大小与方向。本发明实现待测旋转物体角速度大小与方向的测量，其测量精度高、测量范围大、操作简单，可以广泛应用于旋转物体角速度测量领域。

Description

基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置和方法

技术领域

本发明涉及旋转物体角速度测量领域，具体涉及一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量方法和装置，可以对旋转物体角速度的大小和方向同时测量。

背景技术

近年来，旋转物体被广泛应用于国防军工、精密仪器以及航空航天等领域。其中，旋转物体的角速度在探测旋转微粒、流体旋转测量、自由空间旋转遥感和雷达旋转探测等方面起着至关重要的作用。因此，精确监测和控制旋转物体角速度的大小与方向具有重要意义。

传统的角速度测量方法包括测频法、测周期法、频率周期同步法等，这些方法往往需要复杂的电路设计，并且存在精度低，测量误差较大的缺陷。相比于传统的转速测量方法，旋转多普勒效应法测量旋转物体角速度的研究已经成为光学探测领域的热门，这种方法的光路设计具有简洁易操作、测量目标范围广泛等优势。目前，基于旋转多普勒效应法进行角速度测量只能获得角速度大小，不能实现方向测量。

将异拓扑荷涡旋光与旋转多普勒效应测量法有效结合，通过引入参考目标，可以实现旋转物体角速度的大小与方向同步测量，而且提供了更高的测量分辨率。通过任意拓扑荷涡旋光的组合，扩大测量范围。此外，通过探测光光轴与旋转轴的校准，实现了角速度测量精度的进一步提高。因此，一种基于异拓扑荷涡旋光旋转多普勒效应的角速度测量方法可以实现高精度的角速度大小与方向的同步测量。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种精度高、测量范围大、操作简单的基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量方法和装置，以实现待测物体角速度的大小和方向的同时表征。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，包括异拓扑荷涡旋光生成系统、拍频测量系统、信号处理系统，所述异拓扑荷涡旋光生成系统用于分别产生携带拓扑荷的两束涡旋光作为参考光和测量光；所述拍频测量系统包括合光器件、参考旋转物体和探测器；

所述参考光经合光器件、参考旋转物体后入射至探测器，所述测量光入射至待测旋转物体产生信号光后，信号光经合光器件后与参考光束重合，然后经参考旋转物体后入射至探测器；所述测量光的光轴分别与参考旋转物体和待测旋转物体的旋转轴重合；

所述探测器用于将所述参考光和信号涡旋光的拍频信号进行光电转换后发送至所述信号处理系统得到待测旋转物体的角速度的大小与方向。

所述异拓扑荷涡旋光生成系统包括：激光器、光纤分束器、第一空间光调制器、第二空间光调制器；所述激光器经光纤分束器分为两束后，分别经过第一空间光调制器和第二空间光调制器产生两束携带拓扑荷的涡旋光。

所述异拓扑荷涡旋光生成系统还包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一反射镜、第三反射镜、第二反射镜、第四反射镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜；

所述激光器经光纤分束器分为两束后，一束经第一聚焦透镜、第一反射镜后入射至第一空间光调制器，经第一空间光调制器产生的携带正拓扑荷的涡旋光经第三反射镜和第三聚焦透镜后输出；另一束经第二聚焦透镜、第二反射镜后入射至第二空间光调制器，经第二空间光调制器产生的携带负拓扑荷的涡旋光经第四反射镜和第四聚焦透镜后输出。

所述信号处理系统包括频谱分析仪和计算系统，所述频谱分析仪用于对拍频信号进行傅里叶变换获得频率信息，所述计算系统用于根据拍频频率信息，计算得到待测旋转物体角速度。

待测旋转物体角速度的计算公式为：

其中，ω_x表示待测旋转物体角速度，ω_x＞0，表示角速度方向为正，否则表示为负；ΔF表示参考光束与测量光束的测量拍频频差，l₁和l₂分别表示参考光路与测量光路的涡旋光携带的拓扑荷；ω₀表示参考旋转物体的旋转角速度。

所述参考光为携带正拓扑荷的涡旋光，所述测量光为携带负拓扑荷的涡旋光。

所述激光器为外腔半导体激光器，所述第一空间光调制器和第二空间光调制器为相位型空间光调制器，通过计算机加载全息图分别生成两种携带不同拓扑荷的涡旋光。

所述信号处理系统还包括显示屏，所述显示屏用于显示待测旋转物体的角速度信息。

此外，本发明还提供了一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的方法，采用所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置，包括以下步骤：

S1、当测量光路上未设置待测旋转物体时，设置参考旋转物体角速度为ω₀，取ω₀>0，获取参考光束与探测光束的拍频频率，作为参考光束与测量光束的参考拍频频差Δf₀；

S2、将待测旋转物体设置在测量光路上，保持参考旋转物体角速度不变，获取参考光束与探测光束的拍频频率，作为参考光束与测量光束的测量拍频频差ΔF；

S3、计算待测旋转物体角速度ω_x，计算公式为：

其中，l₂表示测量光束的涡旋光携带的拓扑荷大小。

所述步骤S2中，还包括校准光轴与待测旋转物体的旋转轴的步骤，其具体方法为：

在待测旋转物体上设置两条透射带，两条所述透射带以通过旋转轴中心的一条直线为边界，且两条透射带的透射率不同；

使光束入射到待测旋转物体，通过探测器接收透射光的信号强度；

调节光束的光轴或者待测旋转物体的位置，直至探测器接收信号的振荡幅度达到最小。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供了一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置及方法，通过参考光束和测量光束的拍频测量，可以实现待测旋转物体角速度大小与方向的同时测量，其测量精度高、测量范围大、操作简单；实验结果证明，本发明将成为旋转物体角速度监测的有力工具。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置结构示意图；

图2为光轴与旋转轴偏离位置示意图(a)和不同偏离距离的信号强度(b)；

图3为空间光调制器加载的相位全息图与产生的涡旋光模式；

图4为光轴与旋转轴偏离时角速度测量示意图(a)和光轴与旋转轴重合角速度测量示意图(b)；

图5为获得的拍频信号图；

其中：1为激光器，2为光纤分束器，3为第一聚焦透镜，4为第二聚焦透镜，5为第一反射镜，6为第一空间光调制器，7为第三反射镜，8为第二反射镜，9为第二空间光调制器，10为第四反射镜，11为第三聚焦透镜，12为第四聚焦透镜，13为第五反射镜，14为待测旋转物体，15为合光器件，16为第六反射镜，17为参考旋转物体，18为探测器，19为频谱分析仪，20为频率信息提取模块，21为计算系统，22为显示屏。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，包括异拓扑荷涡旋光生成系统I、拍频测量系统Ⅱ、信号处理系统Ⅲ，所述异拓扑荷涡旋光生成系统I用于分别产生携带正拓扑荷的涡旋光和携带负拓扑荷的涡旋光，即参考光束和测量光束；所述拍频测量系统Ⅱ用于对参考光束和测量光束进行拍频产生拍频信号；所述信号处理系统Ⅲ用于处理拍频测量系统的拍频信号，并计算得到待测旋转物体14的角速度的大小与方向。

具体地，如图1所示，本实施例中，所述异拓扑荷涡旋光生成系统I包括：激光器1、光纤分束器2、第一空间光调制器6、第二空间光调制器9；所述激光器1经光纤分束器2分为两束后，分别经过第一空间光调制器6和第二空间光调制器9产生携带正拓扑荷的涡旋光和携带负拓扑荷的涡旋光。其中，所述激光器1为外腔半导体激光器，所述第一空间光调制器6和第二空间光调制器7为相位型空间光调制器，通过计算机加载全息图分别生成两种携带不同拓扑荷的涡旋光。

进一步地，如图1所示，所述异拓扑荷涡旋光生成系统I还包括第一聚焦透镜3、第二聚焦透镜4、第一反射镜5、第三反射镜7、第二反射镜8、第四反射镜10、第三聚焦透镜11、第四聚焦透镜12；所述激光器1经光纤分束器2分为两束后，一束经第一聚焦透镜3、第一反射镜5后入射至第一空间光调制器6，经第一空间光调制器6产生的携带正拓扑荷的涡旋光经第三反射镜7和第三聚焦透镜11后输出；另一束经第二聚焦透镜4、第二反射镜8后入射至第二空间光调制器9，经第二空间光调制器9产生的携带负拓扑荷的涡旋光经第四反射镜10和第四聚焦透镜12后输出。

其中，所述拍频测量系统Ⅱ包括合光器件15、参考旋转物体17和探测器18。所述异拓扑荷涡旋光生成系统I发出的携带正拓扑荷的涡旋光的作为参考光束经合光器件15、参考旋转物体17入射至探测器18，携带负拓扑荷的涡旋光作为测量光束入射至待测旋转物体14产生信号光后，信号光经合光器件15后与参考光束重合，然后经参考旋转物体17入射至探测器18；所述参考光束和测量光束的光轴分别与参考旋转物体17和待测旋转物体14的旋转轴重合。所述探测器18用于将所述参考光和信号光的拍频信号进行光电转换后发送至所述信号处理系统Ⅲ得到待测旋转物体14的角速度的大小与方向。

其中，所述信号处理系统Ⅲ包括频谱分析仪19、频率信息提取模块20和计算系统21，所述频谱分析仪用于对拍频信号进行傅里叶变换获得频率信息，频率信息提取模块20用于提取拍频频率信息，所述计算系统21用于根据拍频频率信息，计算得到待测旋转物体角速度。所述信号处理系统Ⅲ还包括显示屏22，所述显示屏22用于显示待测旋转物体的角速度信息。

下面介绍本实施例的测量原理。

(1)光轴与旋转轴的校准：

首先遮挡测量光路，使半径为r的高斯参考光直接通过参考旋转物体17，其中，参考旋转物体17的两条透射带的透过率分别为T₁和T₂，假设，光轴中心位置o₁与旋转轴中心位置o₂之间距离为d，当旋转物体的旋转角度为θ时，如图2中(a)所示，探测器接收到的信号强度与旋转角度的关系表示为：

当两个中心位置的偏离距离d＝0时，信号强度不随旋转角度变化，当d≠0时，信号强度与旋转角度的关系变为一个振荡信号，偏移距离越大，振荡信号的起伏越大，如图2中(b)所示，因此，通过振荡信号的起伏大小来调节光路使光轴与旋转轴校准，同理，探测光路也通过同样的方法进行调节，确保光轴与旋转轴的校准。

(2)异拓扑荷涡旋光产生：

如图3所示，分别产生拓扑荷为l₁＝+20、l₂＝-10的涡旋光全息图，通过计算机分别加载全息图到第一空间光调制器(6)和第二空间光调制器(9)，以产生所需拓扑荷的涡旋光，带有拓扑荷的涡旋光的复振幅可以表示为：

其中，E：涡旋光的复振幅；(r，φ)：极坐标；A₀：振幅；R：涡旋光的半径；ω：涡旋光亮环的半宽度；i：复数；l：拓扑荷大小。

(3)拍频信号获得：

当一个频率为f₀、半径为r₁的涡旋光照射到一个旋转物体时，其坡印廷矢量与光轴之间存在一个夹角α，这个夹角大小表示为：

其中，α：坡印廷矢量与光轴的夹角，l：拓扑荷大小；λ：波长；r₁：涡旋光的半径。

如图4中(a)所示，当旋转轴中心与涡旋光中心的距离为d，旋转轴到涡旋光的距离为r₂，圆盘上的任何位置都可以被认为是一个以局部速度横向移动的小散射体，局部速度v_α随r₂不同而变化，可以分解为径向分量v_r和角向分量v_γ，γ为v_α与v_γ之间的夹角，因此涡旋光发生的局部多普勒频移为：

其中，Δf：局部多普勒频移；f₀：入射光的初始频率；v_α：旋转物体某一点的局部速度；v_r：v_α的径向分量；v_γ：v_α的角向分量；γ：v_α与v_γ之间的夹角；c：光速；ω：转速。r₂：旋转轴到涡旋光边缘的距离。

利用r₂、γ、r₁、θ之间的几何关系，局部多普勒频移可以写为：

如图4(b)所示，当偏移距离d＝0时，局部多普勒频移Δf表示为：

假设待测旋转物体17的角速度为ω_x，参考旋转物体的角速度为ω₀，且ω₀>0，参考光束和测量光束的拓扑荷分别为l₁和l₂，其中l₁＞0，l₂＜0时，参考光束发生的旋转多普勒频移为：

测量光束的发生的旋转多普勒频移为：

因此，参考光路与测量光路拍频后获得频差ΔF为：

从式(9)可以看出，当其中l₁＞0，l₂＜0时，可以获得更大的拍频频差ΔF，进而使拍频信号处于信噪比较高的高频区域，而且，同时也可以实现更大的角速度测量范围。

(4)待测旋转物体角速度大小和方向的计算：

最终通过分析两束涡旋光拍频后携带的多普勒频移信息计算获得待测旋转物体角速度的大小与方向，当

时，利用公式(9)可以得到待测旋转物体角速度ω_x的大小为：

从式(10)可以看出，本实施例中，通过设置参考旋转物体，可以通过公式计算直接获得待测旋转物体的旋转方向，因为拍频信号表示的是频率差的绝对值，没有参考旋转物体只能获得待测旋转物体的角速度大小而无法获得旋转方向，此外，参考旋转物体的设置，还有助于提高拍频频差，进而提高系统的信噪比以及角速度的测量范围。本实施例中，通过式(10)进行计算，如果ω_x＞0，则待测旋转物体角速度方向为正；如果ω_x＜0，则待测旋转物体角速度方向为负。

具体地，本实施例中，由于参考旋转物体的角速度与两个涡旋光的拓扑荷决定了可实现的角速度测量范围，因此，本实施例中，选择高速的参考旋转速度、更大的正拓扑荷涡旋光可以实现更大的测量范围，也可以使拍频信号处于信噪比较高的高频区域，具体测量时，可以根据待测速度，来进行各个参数(参考旋转物体的速度，拓扑和大小和正负)的选择。

实施例二

本发明实施列二提供了一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的方法，采用实施例一所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置，包括以下步骤：

S1、当测量光路上未设置待测旋转物体时，设置参考旋转物体角速度为ω₀，取ω₀>0，获取参考光束与探测光束的拍频频率，作为参考光束与测量光束的参考拍频频差Δf₀(参考旋转多普勒频移)。

在无待测旋转物体的情况下，两束光同轴入射到参考旋转物体，参考旋转物体以固定的角速度ω₀旋转，这里取ω₀>0。此外，假设参考光和测量光的拓扑荷分别为l₁和l₂，其中，l₁＞0，l₂＜0，参考光路发生的旋转多普勒频移为：

测量光路发生的旋转多普勒频移为：

因此参考光路与测量光路拍频后获得的参考拍频频差Δf₀频差可以表示为：

S2、将待测旋转物体设置在测量光路上，保持参考旋转物体角速度不变，获取参考光束与探测光束的拍频频率，作为参考光束与测量光束的测量拍频频差ΔF(测量旋转多普勒频移)。

S3、计算待测旋转物体角速度ω_x。

当待测旋转物体角速度为ω_x时，参考光路与测量光路拍频后获得频差为上述式(9)，将式(13)带入式(9)可得：

其中，l₂表示测量光束的涡旋光携带的拓扑荷。因此，通过两次拍频信号的频率和测量光束的涡旋光携带的拓扑荷即可以通过式(14)计算得到待测旋转物体角速度。

进一步地，所述步骤S2中，还包括校准测量光束的光轴与待测旋转物体的旋转轴的步骤，其具体方法为：

在待测旋转物体上设置两条透射带，两条所述透射带以通过旋转轴中心的一条直线为边界，且两条透射带的透射率不同；

使参考光束入射到待测旋转物体，通过探测器接收透射光的信号强度；

调节参考光束的光轴或者待测旋转物体的位置，直至探测器接收信号的振荡幅度达到最小，则说明参考光束的光轴与待测旋转物体的旋转轴重合。

此外，本实施例中，还可以包括校准参考光束的光轴与参考旋转物体的旋转轴的步骤，其校准方法和步骤与上述方法相同。

进一步地，本实施例中，校准光轴与旋转轴的重合时，还可以在旋转物体上设置两条反射带，测量反射光的振荡幅度来实现光轴与旋转轴的校准重合。

如图5所示，为本发明实施例获得的多普勒频移信号，其中ⅲ为当ω₀＝2π×20rad/s时获得的参考旋转多普勒频移信号，i、ⅱ、iv、ⅴ分别为ω_x＝-2π×40rad/s、-2π×20rad/s、2π×20rad/s、2π×40rad/s时的测量旋转多普勒频移信号。

综上所述，本发明提供了一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置及方法，通过异拓扑荷涡旋光同轴入射到旋转物体发生的旋转多普勒频移，可以进行待测旋转物体角速度方向和大小的同时测量，其具有精度高、测量范围大、操作简单的优点；实验结果证明，本发明将成为实现旋转物体角速度测量的有力工具。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，包括异拓扑荷涡旋光生成系统（I）、拍频测量系统(Ⅱ)、信号处理系统(Ⅲ)，所述异拓扑荷涡旋光生成系统（I）用于分别产生携带拓扑荷的两束涡旋光作为参考光和测量光；所述拍频测量系统(Ⅱ)包括合光器件、参考旋转物体（17）和探测器（18）；

所述参考光经合光器件、参考旋转物体（17）后入射至探测器（18），所述测量光入射至待测旋转物体（14）产生信号光后，信号光经合光器件后与参考光束重合，然后经参考旋转物体（17）后入射至探测器（18）；所述测量光的光轴分别与参考旋转物体（17）和待测旋转物体（14）的旋转轴重合；

所述探测器用于将所述参考光和信号涡旋光的拍频信号进行光电转换后发送至所述信号处理系统(Ⅲ)得到待测旋转物体（14）的角速度的大小与方向。

2.根据权利要求1所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，所述异拓扑荷涡旋光生成系统（I）包括：激光器（1）、光纤分束器（2）、第一空间光调制器（6）、第二空间光调制器（9）；所述激光器（1）经光纤分束器（2）分为两束后，分别经过第一空间光调制器（6）和第二空间光调制器（9）产生两束携带拓扑荷的涡旋光。

3.根据权利要求2所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，所述异拓扑荷涡旋光生成系统（I）还包括第一聚焦透镜（3）、第二聚焦透镜（4）、第一反射镜（5）、第三反射镜（7）、第二反射镜（8）、第四反射镜（10）、第三聚焦透镜（11）、第四聚焦透镜（12）；

所述激光器（1）经光纤分束器（2）分为两束后，一束经第一聚焦透镜（3）、第一反射镜（5）后入射至第一空间光调制器（6），经第一空间光调制器（6）产生的携带正拓扑荷的涡旋光经第三反射镜（7）和第三聚焦透镜（11）后输出；另一束经第二聚焦透镜（4）、第二反射镜（8）后入射至第二空间光调制器（9），经第二空间光调制器（9）产生的携带负拓扑荷的涡旋光经第四反射镜（10）和第四聚焦透镜（12）后输出。

4.根据权利要求1所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，所述信号处理系统（Ⅲ）包括频谱分析仪（19）和计算系统（21），所述频谱分析仪用于对拍频信号进行傅里叶变换获得频率信息，所述计算系统（21）用于根据拍频频率信息，计算得到待测旋转物体角速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，待测旋转物体角速度的计算公式为：

其中，ω _x 表示待测旋转物体角速度，ω _x ＞0，表示角速度方向为正，否则表示为负；∆F表示参考光束与测量光束的测量拍频频差，l ₁和l ₂分别表示参考光路与测量光路的涡旋光携带的拓扑荷；ω ₀表示参考旋转物体的旋转角速度。

6.根据权利要求1所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，所述参考光为携带正拓扑荷的涡旋光，所述测量光为携带负拓扑荷的涡旋光。

7.根据权利要求1所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，所述激光器（1）为外腔半导体激光器，所述第一空间光调制器（6）和第二空间光调制器（7）为相位型空间光调制器，通过计算机加载全息图分别生成两种携带不同拓扑荷的涡旋光。

8.根据权利要求1所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，所述信号处理系统（Ⅲ）还包括显示屏（22），所述显示屏（22）用于显示待测旋转物体的角速度信息。

9.一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置，包括以下步骤：

S1、当测量光路上未设置待测旋转物体时，设置参考旋转物体角速度为ω₀，取ω₀>0，获取参考光束与探测光束的拍频频率，作为参考光束与测量光束的参考拍频频差∆f ₀；

S2、将待测旋转物体设置在测量光路上，保持参考旋转物体角速度不变，获取参考光束与探测光束的拍频频率，作为参考光束与测量光束的测量拍频频差∆F；

S3、计算待测旋转物体角速度ω_x，计算公式为：

其中，l ₂表示测量光束的涡旋光携带的拓扑荷大小。

10.根据权利要求9所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的方法，其特征在于，所述步骤S2中，还包括校准光轴与待测旋转物体的旋转轴的步骤，其具体方法为：

在待测旋转物体上设置两条透射带，两条所述透射带以通过旋转轴中心的一条直线为边界，且两条透射带的透射率不同；

使光束入射到待测旋转物体，通过探测器接收透射光的信号强度；

调节光束的光轴或者待测旋转物体的位置，直至探测器接收信号的振荡幅度达到最小。

Images