CN116125487A - 一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统及方法。其中系统包括依次设置的调频光源模块、叠加涡旋光生成模块、模式选取和纯净模块、运动目标模块、信号接收与处理模块；本发明通过搭建合适的涡旋光束测量系统，基于多普勒频移公式，通过改变拓扑荷和光频率，对具有线性速度和旋转速度的复杂运动物体的综合多普勒频移进行测量，从而得出目标物体的线速度和角速度。本发明基于涡旋光束的综合多普勒效应，测量光由拓扑荷数相反的叠加涡旋光组成，通过从结构光干涉场中充分提取运动信息来测定一类物体复合运动的多维运动信息，提取方式简单、直接、可操作性强。本发明光路设计简单，较少使用复杂的光学元件和设备，操作简单，后续可集成性强。

Description

一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统及方法

技术领域

本发明涉及多普勒频移测量技术领域，尤其涉及一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统及方法。

背景技术

涡旋光束(optical vortices,OV)包含螺旋型相位因子，具有全新的自由度—轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)。OAM理论上拓扑荷可取任意整数，所以光子有无数个OAM正交本征态，即涡旋光具有高维特性。目前，由于OAM的涡旋特性和高维特性，OAM模式被应用到众多经典和量子领域，如量子纠缠、量子隐形传输，光镊、超分辨显微成像、探测旋转微粒或物理的角速度等。

携带OAM的涡旋光束照射到旋转物理上可以产生与拓扑荷数、转速成正比的旋转多普勒频移。利用这种特性，可在目标探测中可以获取更为丰富和独特的目标属性信息，例如对垂直于视线方向的目标(旋转)运动进行精确测量；可以通过测量目标的轨道角动量谱，获取对目标表面属性信息的描述。

传统的目标测量和识别的方法多是集中独立(平动或转动)、单向的测量，比如线性多普勒效应对应的平移测量、旋转多普勒效应对应的角速度测量。但实际环境中，运动物体的行动轨迹一般是多维度的。如何将对目标的多维信息进行提取并测量获得其物理数据是目前研究的瓶颈。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统及方法，能够用于测量物体的多维运动信息，包括螺旋运动中平移速度大小与方向，以及旋转速度大小与方向。

根据本发明的一个方面，提供一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，包括依次设置的调频光源模块、叠加涡旋光生成模块、模式选取和纯净模块、运动目标模块、信号接收与处理模块；所述调频光源模块产生不同波长的激光辐射至叠加涡旋光生成模块；叠加涡旋光生成模块接收激光后生成具有正负拓扑荷的叠加态涡旋光并反射至模式选取和纯净模块；模式选取和纯净模块对叠加态涡旋光进行选定叠加态涡旋光模式并去除杂散光后将净化后的叠加态涡旋光辐射至运动目标模块；运动目标模块模拟具有线速度和角速度的复杂运动目标，净化后的叠加态涡旋光辐射至该运动目标模块后产生散射回弹波；信号接收与处理模块捕捉散射回弹波并根据线性多普勒和转动多普勒效应进行特征提取和目标识别的信号处理。

根据本发明的另一个方面，提供一种涡旋光束综合多普勒频移测量方法，该方法上述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统采集到的散射回弹波进行综合多普勒频移测量；方法包括：

将信号接收与处理模块收集到的散射回弹波信号转换为时域光强信号，时域光强信号经过快速傅里叶变换后，得到多普勒频移；

利用不同拓扑荷数和不同频率的涡旋光进行计算，测量得到具有旋转多普勒频移和线性多普勒频移的复杂运动目标。

可以发现，以上方案，通过搭建合适的涡旋光束测量系统，基于多普勒频移公式，通过改变拓扑荷和光频率，对具有线性速度和旋转速度的复杂运动物体的综合多普勒频移进行测量，从而得出目标物体的线速度和角速度。调频光源模块可调谐范围大，使得多普勒效应产生的频率改变较明显，反演目标的运动特征更加准确。本发明基于涡旋光束的综合多普勒效应，测量光由拓扑荷数相反的叠加涡旋光组成，通过从结构光干涉场中充分提取运动信息来测定一类物体复合运动的多维运动信息，提取方式简单、直接、可操作性强。本发明光路设计简单，较少使用复杂的光学元件和设备，操作简单，后续可集成性强，可适用场景多，应用前景广阔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明涡旋光束综合多普勒频移测量的系统一实施例的系统连接示意图；

图2是本发明涡旋光束综合多普勒频移测量的系统一实施例的光路示意图；

图3是一种涡旋光束综合多普勒频移测量系统及方法的空间光调制器的相位加载图；

图4是一种涡旋光束综合多普勒频移测量系统及方法的正负拓扑荷数叠加的涡旋光实测图；

图5是一种涡旋光束综合多普勒频移测量系统及方法的正负拓扑荷数叠加的涡旋光仿真模拟图；

图6是本发明涡旋光束综合多普勒频移测量方法一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，能够用于测量物体的多维运动信息，包括螺旋运动中平移速度大小与方向，以及旋转速度大小与方向。

请参见图1，图1是本发明涡旋光束综合多普勒频移测量的系统一实施例的系统连接示意图。包括依次设置的调频光源模块、叠加涡旋光生成模块、模式选取和纯净模块、运动目标模块、信号接收与处理模块；所述调频光源模块产生不同波长的激光辐射至叠加涡旋光生成模块；叠加涡旋光生成模块接收激光后生成具有正负拓扑荷的叠加态涡旋光并反射至模式选取和纯净模块；模式选取和纯净模块对叠加态涡旋光进行选定叠加态涡旋光模式并去除杂散光后将净化后的叠加态涡旋光辐射至运动目标模块；运动目标模块模拟具有线速度和角速度的复杂运动目标，净化后的叠加态涡旋光辐射至该运动目标模块后产生散射回弹波；信号接收与处理模块捕捉散射回弹波并根据线性多普勒和转动多普勒效应进行特征提取和目标识别的信号处理。

其中，所述调频光源模块用于产生不同波长的激光，以便于后期基于线性多普勒和旋转多普勒效应的信号处理与分析；所述叠加涡旋光生成模块用于生成测量用的具有正负拓扑荷的叠加态涡旋光；所述模式选取与纯净模块用于选取特定的一个或多个模式的叠加态涡旋光并去除杂散光，让测量光束更加纯净；所述运动目标模块用于模拟具有线速度和角速度的复杂运动目标；所述信号接收和处理模块用于接收测量涡旋光打在运动目标上的散射回弹波，并且根据线性多普勒和转动多普勒效应进行特征提取和目标识别的信号处理。

可以发现，以上方案，通过搭建合适的涡旋光束测量系统，基于多普勒频移公式，通过改变拓扑荷和光频率，对具有线性速度和旋转速度的复杂运动物体的综合多普勒频移进行测量，从而得出目标物体的线速度和角速度。调频光源模块可调谐范围大，使得多普勒效应产生的频率改变较明显，反演目标的运动特征更加准确。本发明基于涡旋光束的综合多普勒效应，测量光由拓扑荷数相反的叠加涡旋光组成，通过从结构光干涉场中充分提取运动信息来测定一类物体复合运动的多维运动信息，提取方式简单、直接、可操作性强。本发明光路设计简单，较少使用复杂的光学元件和设备，操作简单，后续可集成性强，可适用场景多，应用前景广阔。

进一步的，请参阅图2，图2是本发明涡旋光束综合多普勒频移测量的系统一实施例的光路示意图。

在本实施例中，所述调频光源模块，包括：依次沿第一光路方向A同光轴设置的可调谐激光器101、半波片102、衰减片103、第一准直镜104和扩束镜105；可调谐激光器101生成不同波长激光沿第一光路方向A辐射经过半波片102偏振、衰减片103衰减、第一准直镜104准直以及扩束镜105扩束后辐射至叠加涡旋光生成模块。其中，可调谐激光器101根据复杂运动目标的测量需要，调节输出光束的出光功率和波长；半波片102用于调节可调谐激光器101输出的激光的偏振属性，将偏振方向匹配叠加涡旋光生成模块的偏振方向；衰减片103用于防止光强度过高引起的光电探测器的损坏；第一准直镜104用于对可调谐激光器发射出的激光进行准直；扩束镜105用于将准直后的激光进行扩束，使激光光斑的尺寸和涡旋光生成模板相匹配，这样才能实现相位匹配。其中，所述半波片用于将激光的偏振方向与叠加涡旋光生成模块的偏振方向相匹配。一般出射的激光的偏振态为线偏振，有固定的偏振方向；叠加涡旋光的生成模块的偏振也是有固定的偏振取向。只有这两者方向相互匹配，才可以实现有效的相位调制。半波片可以改变激光的偏振方向，通过转动半波片让激光找到和叠加涡旋光生成模块的偏振方向，视为匹配。

在本实施例中，所述叠加涡旋光生成模块，包括：叠加涡旋光装置106以及与叠加涡旋光装置106电相连的加载服务器107；加载服务器107生成±18拓扑荷的相位图；叠加涡旋光装置106利用±18拓扑荷的相位图，将激光调制成正负拓扑荷的叠加态涡旋光，并将正负拓扑荷的叠加态涡旋光沿第二光路方向B辐射至模式选取和纯净模块。

其中，叠加涡旋光装置的叠加涡旋光方法包括：几何模式转换法、螺旋相位板、计算全息法以及空间光调制器法中的一种或多种。在本实施例中采用空间光调制器法生成复杂的涡旋光，具体而言，叠加涡旋光装置106即空间光调制器加载服务器107生成的计算相位图，从而模拟光束的空间场，进而产生拓扑荷数相反的正负叠加涡旋光。

在加载完一次相位图(如±18拓扑荷的相位图)以后，拓扑荷可以是不变，也可以切换和加载不同的相位图如±30、±5的拓扑荷等，本实施例并不加以限定，±18拓扑荷的相位图仅做解释说明。

在本实施例中，请参阅图3、图4、图5，图3是一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统及方法的空间光调制器的相位加载图，图4是一种涡旋光束综合多普勒频移测量系统及方法的正负拓扑荷数叠加的涡旋光实测图，图5是一种涡旋光束综合多普勒频移测量系统及方法的正负拓扑荷数叠加的涡旋光仿真模拟图；加载服务器107生成的±18拓扑荷的相位图如图3所示，生成的正负叠加涡旋光如图4所示，和仿真模拟的叠加涡旋光如图5所示几乎一致。

在本实施例中，所述模式选取和纯净模块，包括：依次沿第三光路方向C同光轴设置的模式选择器108、纯净器；模式选择器包括模式选择器108，选择叠加态涡旋光的特定模式后反射至第三光路方向C；纯净器包括依次沿第三光路方向C同光轴设置的第一透镜109、光阑110以及第二透镜111；第一透镜109和第二透镜111焦距相等，光阑110用于滤除叠加态涡旋光的杂散光。其中，第一透镜109和第二透镜111焦距相等，作为一个望远镜系统，光阑110在望远镜系统中间，作用是滤除杂散光，保证测量光的均匀和纯净。其中模式选择器108包括闪耀光栅、透镜、反射镜中的一种或多种。闪耀光栅利用锯齿形的线槽断面将入射光的能量汇聚于某一个方向上，即可以使得某一个模式的光强最大，透镜将根据测量需要手动选择一个特定的模式。此处选择叠加涡旋光的特定模式指的是，叠加涡旋光装置产生涡旋光后，在出射的过程中，会出现不同模块或级次的涡旋光，在这么多级次的光中，通过模式选择器去选择一个强度和光图案都符合后续测试系统的涡旋光进行后续的系统测试。简而言之，就是经过叠加涡旋光装置后出射涡旋光级次和模式太多，选择一个较优的。同时多种的目的在于多种：可以是多个镜组相互配合组成光学器件组合或者系统来完成模式选择，比如透镜+反射镜或者光栅+反射镜等等这样的组合来满足不同的模式选择。

其中，模式选取和纯净模块是一个优化的缩束系统，经过扩束镜组后，激光的光斑尺寸会变大；此时需要缩束和优化处理后再反射到后续的模拟运动目标转动的电机；光阑是一个孔径光阑的作用，对光束做一个整形优化的功能。通俗来说：切掉光阑外的光束部分，达到整形和去杂散的效果。望远镜系统的目的在于把光斑的尺寸变小，也就是缩束，因为在经过之前扩束的系统之后，光斑的尺寸变大，不利于后续进行多普勒频移装置的测量。简而言之，就是把光斑的尺寸变得符合后续系统的要求。

在本实施例中，所述运动目标模块，包括：模拟运动目标转动的电机112以及与电机活动相连的模拟运动目标移动的平移台113；电机112安装有不同粗糙程度的旋转片；叠加态涡旋光辐射至旋转片后，旋转片产生散射回弹波并被信号接收与处理模块捕捉。电机112用提供模拟运动目标的转动速度，电机上配备有不同粗糙程度的旋转片。平移台113提供运动目标的线速度，线速度可以进行调节。

其中，所述旋转片可以是粗糙的光学镜片，或其他可反射散射回弹波的粗糙片，此处不进行限定。同时粗糙程度的无特殊规定，一般来说越粗糙效果可能越好，只需要旋转片以角速度旋转起来，为克服冲量矩的作用，将传递给回波光子的能量的光频发生变化，产生测量的多普勒频移即可，本实施例不加以限定。

在本实施例中，所述信号接收与处理模块，包括：光电探测器116、与光电探测器电116相连的信号采集卡117，光电探测器116用于捕捉运动目标模块上反射的散射回弹波，信号采集卡117用于对所述光电探测器捕捉到的散射回弹波进行记录。其中，光电探测器116前端还包括依次沿第四光路方向D同光轴设置的缩束器114、准直器115；缩束器114用以对运动目标模块反射出的光束进行缩束；准直器115用以对缩束后的光束进行准直；光电探测器116用于探测反射光的光信号并传输给信号采集卡117；信号采集卡117将收到的光电模拟信号进行模数转换，从而将数字信号传输给服务器107进行后续分析和处理。

可以发现，以上方案，通过搭建合适的涡旋光束测量系统，基于多普勒频移公式，通过改变拓扑荷和光频率，对具有线性速度和旋转速度的复杂运动物体的综合多普勒频移进行测量，从而得出目标物体的线速度和角速度。调频光源模块可调谐范围大，使得多普勒效应产生的频率改变较明显，反演目标的运动特征更加准确。本发明基于涡旋光束的综合多普勒效应，测量光由拓扑荷数相反的叠加涡旋光组成，通过从结构光干涉场中充分提取运动信息来测定一类物体复合运动的多维运动信息，提取方式简单、直接、可操作性强。本发明光路设计简单，较少使用复杂的光学元件和设备，操作简单，后续可集成性强，可适用场景多，应用前景广阔。

本发明还提出一种涡旋光束综合多普勒频移测量方法，请参阅图6，图6是本发明涡旋光束综合多普勒频移测量方法一实施例的流程示意图。需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图6所示的流程顺序为限。

如图6所示，该方法包括如下步骤：

S101、将信号接收与处理模块收集到的运动目标模块散射回弹波信号转换为时域光强信号，时域光强信号经过快速傅里叶变换后，得到多普勒频移。

其中，线性多普勒频移的计算公式为：

其中，f表示测量光频率，ν表示运动目标的线速度，c表示光速。

旋转多普勒频移计算公式为：

其中，l表示拓扑荷，Ω为运动目标的角速度。

因此复杂运动目标的综合多普勒频移的计算公式为：

S102、利用不同拓扑荷数和不同频率的涡旋光进行计算，测量得到具有旋转多普勒频移和线性多普勒频移的复杂运动目标。

其中，在收集到的散射回弹波信号是涡旋光束的时域强度或者功率信号，实际要测量的是多普勒频域，所以要作一个简单傅里叶变换变成频域信号，便于后续的处理；通过不同频率和不同拓扑荷涡旋光入射到旋转运动和平动的目标物体后的反射信号被接收和解调，通过频率和扑荷，计算得到具有旋转多普勒频移和线性多普勒频移的复杂运动目标。本方法应用的原理是：转动多普勒跟光束的频率无关而与模态有关，平动多普勒与光束的频率有关而与模态无关。

可以发现，以上方案，通过搭建合适的涡旋光束测量系统，基于多普勒频移公式，通过改变拓扑荷和光频率，对具有线性速度和旋转速度的复杂运动物体的综合多普勒频移进行测量，从而得出目标物体的线速度和角速度。调频光源模块可调谐范围大，使得多普勒效应产生的频率改变较明显，反演目标的运动特征更加准确。本发明基于涡旋光束的综合多普勒效应，测量光由拓扑荷数相反的叠加涡旋光组成，通过从结构光干涉场中充分提取运动信息来测定一类物体复合运动的多维运动信息，提取方式简单、直接、可操作性强。本发明光路设计简单，较少使用复杂的光学元件和设备，操作简单，后续可集成性强，可适用场景多，应用前景广阔。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，其特征在于，包括依次设置的调频光源模块、叠加涡旋光生成模块、模式选取和纯净模块、运动目标模块、信号接收与处理模块；

所述调频光源模块产生不同波长的激光辐射至叠加涡旋光生成模块；叠加涡旋光生成模块接收激光后生成具有正负拓扑荷的叠加态涡旋光并反射至模式选取和纯净模块；模式选取和纯净模块对叠加态涡旋光进行选定叠加态涡旋光模式并去除杂散光后将净化后的叠加态涡旋光辐射至运动目标模块；运动目标模块模拟具有线速度和角速度的复杂运动目标，净化后的叠加态涡旋光辐射至该运动目标模块后产生散射回弹波；信号接收与处理模块捕捉散射回弹波并根据线性多普勒和转动多普勒效应进行特征提取和目标识别的信号处理。

2.如权利要求1所述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，其特征在于，

所述调频光源模块，包括：依次沿第一光路方向同光轴设置的可调谐激光器、半波片、衰减片、第一准直镜和扩束镜；可调谐激光器生成不同波长激光沿第一光路方向辐射经过半波片偏振、衰减片衰减、第一准直镜准直以及扩束镜扩束后辐射至叠加涡旋光生成模块。

3.如权利要求2所述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，其特征在于，

所述半波片用于将激光的偏振方向与叠加涡旋光生成模块的偏振方向相匹配。

4.如权利要求1所述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，其特征在于，

所述叠加涡旋光生成模块，包括：叠加涡旋光装置以及与叠加涡旋光装置电相连的加载服务器；加载服务器生成拓扑荷的相位图；叠加涡旋光装置利用相位图，将激光调制成正负拓扑荷的叠加态涡旋光，并将正负拓扑荷的叠加态涡旋光沿第二光路方向辐射至模式选取和纯净模块。

5.如权利要求4所述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，其特征在于，

所述叠加涡旋光装置的叠加涡旋光方法包括：几何模式转换法、螺旋相位板、计算全息法以及空间光调制器法中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，其特征在于，

所述模式选取和纯净模块，包括：依次沿第三光路方向同光轴设置的模式选择器、纯净器；模式选择器选择叠加态涡旋光的特定模式后反射至第三光路方向；纯净器包括依次沿第三光路方向同光轴设置的第一透镜、光阑以及第二透镜；第一透镜和第二透镜焦距相等，光阑用于滤除叠加态涡旋光的杂散光。

7.如权利要求6所述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，其特征在于，

所述模式选择器包括闪耀光栅、透镜、反射镜中的一种或多种。

8.如权利要求1所述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，其特征在于，

所述运动目标模块，包括：模拟运动目标转动的电机以及与电机活动相连的模拟运动目标移动的平移台；电机安装有不同粗糙程度的旋转片；叠加态涡旋光辐射至旋转片后，旋转片产生散射回弹波并被信号接收与处理模块捕捉。

9.如权利要求1所述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，其特征在于，

所述信号接收与处理模块，包括：光电探测器、与光电探测器电相连的信号采集卡，光电探测器用于捕捉运动目标模块上反射的散射回弹波，信号采集卡用于对所述光电探测器捕捉到的散射回弹波进行记录。

10.如权利要求1所述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-9任一项所述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统采集到的散射回弹波进行综合多普勒频移测量；方法包括：

将信号接收与处理模块收集到的散射回弹波信号转换为时域光强信号，时域光强信号经过快速傅里叶变换后，得到多普勒频移；

利用不同拓扑荷数和不同频率的涡旋光进行计算，测量得到具有旋转多普勒频移和线性多普勒频移的复杂运动目标。

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