CN116908867A - 基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置、方法及存储介质 - Google Patents

基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置、方法及存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请涉及光电技术领域，特别涉及一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置、方法及存储介质，其中，装置包括：光源组件、收发组件、滤波组件和处理组件，其中，光源组件用于发射非涡旋高斯的探测光束，沿着旋转轴照射旋转体，并产生散射光；收发组件用于发射探测光，并接收散射回波信号；滤波组件用于对回波信号进行螺旋相位空间滤波得到基膜高斯光束；处理组件用于探测回波信号的强度调制信号，通过傅里叶变换对强度调制信号进行时频分析得到旋转多普勒频移，根据旋转多普勒频移确定旋转体的角速度。由此，解决了现有技术中需要依赖复杂的涡旋光源实现旋转多普勒效应探测旋转体，操作复杂等问题。

Description

基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置、方法及存储 介质
技术领域
本申请涉及光电技术领域，特别涉及一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置、方法及存储介质。
背景技术
计算光学既涉及到几何光学、波动光学和量子光学等光计算特性，广泛应用于成像、全息和光信息处理等领域，典型代表有计算光学成像。计算光学成像是通过对光学照明与成像系统进行光学编码(如：结构光照明、孔径编码和光学传递函数调制等)，所拍摄的图像经过调制，再配合数字解码过程，实现重构理想场景。计算成像赋予传统光学诸多难以获得甚至无法获得的革命性优势，如提高成像的质量，突破光学系统与图像采集设备的物理限制等，使成像系统的性能指标显著提升。
涡旋光束的旋转体多普勒效应，涡旋光束是一种新型结构光束，它具有螺旋形波前结构，涡旋光束的光束中心具有相位奇点，使得其横截面光强呈一环状中空分布。由于其特殊的相位结构，该光束具有旋转多普勒效应，当一束具有轨道角动量的光沿着旋转轴照射到粗糙的旋转体表面时，光的频率会发生变化，这种由于波源和观察者之间的角向运动导致光频率的改变，称为旋转多普勒效应，频移量可以表示为：Δf＝lΩ/(2π)。其中，l为探测光的轨道角量子数，Ω为旋转体旋转速度。通过旋转多普勒效应，可以实现旋转体角速度的测量。旋转多普勒效应可被用来直接探测旋转运动参数，且物理模型简单，为目标微旋转运动探测提供新的理论依据和测量方法。
目前，相关技术中利用具有涡旋相位的拉盖尔高斯光束实现了旋转体角速度探测，然而，随着探测距离的增加，需要大功率涡旋结构光源，由于目前涡旋光场生成技术正处于研发阶段，稳定高功率的涡旋激光源离实际应用还需一段时间。目前利用旋转多普勒效应探测旋转体的技术都依赖于涡旋光源，严重制约了旋转多普勒在探测领域的应用发展。
发明内容
本申请提供一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置、方法及存储介质，以解决现有技术中需要依赖复杂的涡旋光源实现旋转多普勒效应探测旋转体，操作复杂等问题。
本申请第一方面实施例提供一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，包括：光源组件，用于发射非涡旋高斯的探测光束，沿着旋转轴照射旋转体，并产生散射光；收发组件，用于发射探测光，并接收散射回波信号；滤波组件，用于对回波信号进行螺旋相位空间滤波得到基膜高斯光束；处理组件，用于探测回波信号的强度调制信号，通过傅里叶变换对强度调制信号进行时频分析得到旋转多普勒频移，根据旋转多普勒频移确定旋转体的角速度。
可选地，所述光源组件包括光源、第一半波片、第一偏振分光棱镜，其中：所述第一偏振分光棱镜置于所述光源的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；所述第一半波片置于所述偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变光源发射的高斯光束的主偏振方向。
可选地，所述收发组件包括第二偏振分光棱镜、四分之一波片、第一透镜和第二透镜，其中：所述第二偏振分光棱镜置于所述第一半波片的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束，并反射竖直偏振的回波信号；所述四分之一波片置于所述第二偏振分光棱镜的后方光路中，用于生成圆偏振光束的发射光束，及将回波信号的偏振方向变为竖直方向；所述第一透镜和所述第二透镜置于所述半波片的后方光路中，用于所述探测光的扩束和准直，对所述回波信号的缩束和准直。
可选地，所述滤波组件包括第二半波片、第一分光棱镜、液晶空间光调制器、第三透镜、小孔光阑和第四透镜，其中：所述第二半波片置于所述第二偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变回波信号的散射光的主偏振方向；所述第一分光棱镜置于所述第二半波片的后方光路中，用于反射光和透射光能量的均分；所述液晶空间光调制器置于第一分光棱镜的后方光路中，用于加载全息光栅，对散射光进行螺旋相位空间调制；所述第三透镜、所述第四透镜和小孔光阑组成成像系统，所述小孔光阑置于频谱面，用于滤出衍射级的基膜高斯光束。
可选地，所述小孔光阑包括光学小孔或者单模光纤，滤出分别发生红移和蓝移的基模高斯光束。
可选地，所述处理组件包括第二分光棱镜、第五透镜、全反镜和光电探测器，其中：所述第二分光棱镜用于实现将信号光束分光；所述全反镜置于所述第二分光棱后面，用于改变信号光束传播方向；所述第五透镜置于所述全反镜的反射光路中，用于收集散射光；增益可调的光电探测器置于所述第五透镜的像方焦点处，用于捕获散射光信号；示波器与所述光电探测器相连，用于分析所述散射光信号强度调制信号。
可选地，所述处理组件还包括第六透镜、红外相机和计算机，其中：所述第六透镜置于所述第二分光棱镜的反射光路中，用于收集散射光；所述红外相机置于所述第六透镜的后焦点上；所述计算机读取并显示所述红外相机接受的散射光斑。
可选地，所述强度调制信号的调制频率为：
其中，f表示调制频率，l表示探测光的轨道角量子数，Δf1表示螺旋相位板+l部分光频的变化，Δf2表示螺旋相位板-l部分光频的变化，Ω为旋转体的角速度，t表示时间。
本申请第二方面实施例提供一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法，所述方法利用如上述实施例所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置进行旋转体探测，其中，所述方法包括以下步骤：采用具有相反角量子数的螺旋相位片作为光学滤波器；将非涡旋高斯光作为探测光束，沿着旋转轴照射到旋转体，利用所述光学滤波器调制所述探测光束的散射光；探测由于旋转运动导致的散射光的旋转多普勒频移，根据所述旋转多普勒频移确定所述旋转体的角速度。
本申请第三方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法。
由此，本申请至少具有如下有益效果：
本申请实施例可以采用螺旋相位片作为光学滤波器，当普通非涡旋高斯光作为探测光束，沿着旋转轴照射到旋转体上时，其散射光被螺旋相位片调制之后，探测器可以探测到由于旋转运动导致的散射光旋转多普勒频移，进而根据频移量推出旋转体角速度，无需依赖结构光源，通过计算光学的方法直接计算出旋转体的角速度，方法简单有效等有益效果。由此，解决了现有技术中需要依赖复杂的涡旋光源实现旋转多普勒效应探测旋转体，操作复杂等技术问题。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置的方框示意图；
图2为根据本申请一个实施例的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置示意图；
图3为根据本申请实施例提供的螺旋相位滤波探测旋转多普勒效应示意图；
图4为根据本申请实施例提供的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法的流程示意图；
图5为根据本申请一个实施例提供的相机记录的散射光斑示意图；
图6为根据本申请一个实施例提供的为散射光光强的时域信号和频域信号的示意图；
图7为根据本申请一个实施例提供的加载螺旋相位时的时域信号和频域信号的示意图；
图8为根据本申请一个实施例提供的加载不同螺旋相位片，不同转速时的测量值和理论值的示意图。
附图标记说明：
图6中(a)部分为理论值，(b)部分为实验值；
图8中实线为理论值，符号为实验值。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置、方法及存储介质。针对上述背景技术中提到的现有技术中需要依赖复杂的涡旋光源实现旋转多普勒效应探测旋转体，操作复杂的问题，本申请提供了一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，在该方法中，采用具有相反角量子数的螺旋相位片作为光学滤波器，当普通非涡旋高斯光作为探测光束，沿着旋转轴照射到旋转体上时，其散射光被螺旋相位片调制之后，探测器可以探测到由于旋转运动导致的散射光旋转多普勒频移，计算出频移量，进而根据频移量推出旋转体角速度。由此，解决了现有技术中需要依赖复杂的涡旋光源实现旋转多普勒效应探测旋转体，操作复杂等问题。
具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置的方框示意图。
如图1所示，该基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置10包括：光源组件11、收发组件12、滤波组件13和处理组件14。
其中，光源组件11用于发射非涡旋高斯的探测光束，沿着旋转轴照射旋转体，并产生散射光；收发组件12用于发射探测光，并接收散射回波信号；滤波组件13用于对回波信号进行螺旋相位空间的滤波得到基膜高斯光束；处理组件14用于探测回波信号的强度调制信号，通过傅里叶变换对强度调制信号进行时频分析得到旋转多普勒频移，根据旋转多普勒频移确定旋转体的角速度。
可以理解的是，本申请实施例中光源组件可以发射非涡旋高斯的探测光束，沿着旋转轴照射旋转体，并生成散射光，收发组件接收光源组件产生的散射光，并发射探测光，滤波组件用于对回波信号进行螺旋相位空间的滤波得到基膜高斯光束，处理组件探测回波信号的强度调制信号，通过傅里叶变换对强度调制信号进行时频分析得到旋转多普勒频移，根据旋转多普勒频移确定旋转体的角速度。
在本申请实施例中，光源组件11包括：光源、第一半波片和第一偏振分光棱镜。
其中，第一偏振分光棱镜置于光源的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；第一半波片置于偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变光源发射的高斯光束的主偏振方向。
在本申请实施例中，收发组件12包括：第二偏振分光棱镜、四分之一波片、第一透镜和第二透镜。
其中，二偏振分光棱镜置于第一半波片的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束，并反射竖直偏振的回波信号；四分之一波片置于第二偏振分光棱镜的后方光路中，用于生成圆偏振光束的发射光束，及将回波信号的偏振方向变为竖直方向；第一透镜和第二透镜置于半波片的后方光路中，用于探测光的扩束和准直，对回波信号的缩束和准直。
在本申请实施例中，滤波组件13包括：第二半波片、第一分光棱镜、液晶空间光调制器、第三透镜、小孔光阑和第四透镜。
其中，第二半波片置于第二偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变回波信号的散射光的主偏振方向；第一分光棱镜置于第二半波片的后方光路中，用于反射光和透射光能量的均分；液晶空间光调制器置于第一分光棱镜的后方光路中，用于加载全息光栅，对散射光进行螺旋相位空间调制；第三透镜、第四透镜和小孔光阑组成成像系统，小孔光阑置于频谱面，用于滤出衍射级的基膜高斯光束。
进一步，小孔光缆包括光学小孔或者单模光纤，滤出分别发生红移和蓝移的基模高斯光束。
在本申请实施例中，处理组件14包括：第二分光棱镜、第五透镜、全反镜和光电探测器。
其中，第二分光棱镜用于实现将信号光束分光；全反镜置于第二分光棱后面，用于改变信号光束传播方向；第五透镜置于全反镜的反射光路中，用于收集散射光；增益可调的光电探测器置于第五透镜的像方焦点处，用于捕获散射光信号；示波器与光电探测器相连，用于分析散射光信号强度调制信号。
进一步，处理组件14还包括：第六透镜、红外相机和计算机。
其中，第六透镜置于第二分光棱镜的反射光路中，用于收集散射光红外相机置于第六透镜的后焦点上；计算机读取并显示红外相机接受的散射光斑。
在本申请实施例中，强度调制信号的调制频率为：
其中，f表示调制频率，l表示探测光的轨道角量子数，Δf1表示螺旋相位板+l部分光频的变化，Δf2表示螺旋相位板-l部分光频的变化，Ω为旋转体的角速度，t表示时间。
在本申请实施例中，处理组件用于探测回波信号的强度调制信号，通过傅里叶变换对强度调制信号进行时频分析得到旋转多普勒频移，根据旋转多普勒频移确定旋转体的角速度。
具体而言，从衍射光学理论入手，设定旋转体表面的反射率是均匀的，表面的粗糙程度可以用来表示，所以相位调制函数可以写为/>具有角向2π周期性，同时设定该表面具有径向周期T，满足/>实际上T可以认定为运动表面的直径尺寸，尽管径向函数存在于r>0区域，但是数学上我们可以将定义的半平面扩展为全平面，故h(r)在全平面为周期函数。因此，我们可以将相位调制函数沿角向和径向分别傅里叶展开：
g(l,n)为l阶角向谐波和n阶径向谐波分量的系数满足∑|g(l,n)|2＝1，值为：
考虑到角向旋转速度ΩR，旋转物体的相位调制函数可表示为：
当一束涡旋光如B(r)exp(-i2πft)exp(ilθ)正入射到旋转体表面，散射光或透射光可以表达为Es：
因此可根据式(4)分析散射光或者透射光的光场模式，每个模式的拓扑荷为(l,n),频移量为：
Δf＝lΩ/(2π)，(5)
螺旋相位空间滤波器的传输函数为其中m为角向拓扑荷，为正数或负数的整数，/>为绕滤波器中心的方位角。当散射光直射螺旋相位空间滤波器后，出射光束具有了相位/>使其相位发生了变化，通过空间滤出中心光斑处的光场，即可滤出原始光束具有/>相位的光场模式，这就是螺旋相位空间滤波技术。
将基模高斯光束的散射光通过具有螺旋相位分布的螺旋相位板(±l)，将携带有频移量为(±l)Ω/(2π)的±l阶光子部分转化为基模高斯模式，并通过光学小孔或者单模光纤的办法滤出分别发生红移和蓝移的基模高斯光束，由于二者发生拍频，可通过探测器测量旋转多普勒频移。
具体而言，本申请实施例将基模高斯光束照射到旋转体的散射光通过具有螺旋相位分布的螺旋相位板(±l)。将携带有频移量为(±l)Ω/(2π)的±l阶光子部分转化为基模高斯模式，因此根据旋转多普勒效应，对于+l部分，光频的变化可表示为：
对于-l部分，光频的变化可表示为：
其中，Ω为旋转体的角速度。即两个不同的OAM成分分别发生蓝移和红移，使得同一光束中含有两种不同的光频成分。这两种不同的光频成分发生干涉拍频现象，最终引起了强度调制，且其调制频率为：
因此可通过探测强度调制信号的光强变化来确定旋转体角加速Ω的值，利用傅里叶变换的方法对拍频信号进行时频分析，可得到拍频信号频率随时间变化规律。
具体而言，本申请实施例基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，如图2所示，包括：光源部分、收/发装置、螺旋相位空间滤波部分和信号处理部分，螺旋相位滤波探测旋转多普勒效应示意图如图3所示。
一、光源部分包括激光光源1、偏振分光棱镜2、半波片3。
偏振分光棱镜2置于激光光源的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；半波片3置于偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变光源发射的高斯光束的主偏振方。
二、收/发装置包括偏振分光棱镜4、四分之一波片5、透镜6、透镜7。
偏振分光棱镜4置于半波片3的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束，反射竖直偏振的回波信号；四分之一波片5置于偏振分光棱镜4的后方光路中，用于生成圆偏振光束的发射光束，及将回波信号的偏振方向变为竖直方向；透镜6和透镜7置于半波片3的后方光路中，用于发射光束的扩束和准直，对回波信号的缩束和准直。
三、螺旋相位空间滤波部分包括半波片9、分光棱镜10、液晶空间光调制器11、透镜12、透镜14、小孔光阑13。
其中，半波片9于偏振分光棱镜10方光路中，用于改变回波散射光的主偏振方向；分光棱镜10置于半波片9的后方光路中，用于反射光和透射光的能量五五均分；液晶空间光调制器11置于分光棱镜10的后方光路中，用于加载全息光栅，对散射光进行螺旋相位空间调制；两个焦距为f的透镜12、透镜14和小孔光阑13组成4-f成像系统，其中小孔光阑置于频谱面，用于滤出+1衍射级的基膜高斯光束。
四、信号处理部分包括分光棱镜15、透镜16、透镜19、红外相机17，全反镜18，光电探测器20，计算机。
其中，分光棱镜15用于实现将信号光束五五分光；焦距为f’的透镜15和19置于分光棱镜15的反射光路中，用于收集散射光；焦距为f’的透镜19置于全反镜的反射光路中，用于收集散射光；红外相机17置于透镜16的后焦点上；全反镜18置于分光棱镜15后面，用于改变回波信息传播方向；增益可调的光电探测器20置于焦距为f’的透镜的像方焦点处，用于捕获散射光信号；计算机读取显示红外相机接受的散射光斑；示波器与增益可调的光电探测器相连，用于分析信号，并得到强度调制频率。
根据本申请实施例提出的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，采用螺旋相位片作为光学滤波器，当普通非涡旋高斯光作为探测光束，沿着旋转轴照射到旋转体上时，其散射光被螺旋相位片调制之后，探测器可以探测到由于旋转运动导致的散射光旋转多普勒频移，进而根据频移量推出旋转体角速度，无需依赖结构光源，通过计算光学的方法直接计算出旋转体的角速度，方法简单有效。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法。
图4是本申请实施例的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法的流程示意图。
如图4所示，该基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法利用如上述实施例的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置进行旋转体探测，包括以下步骤：
在步骤S101中，采用具有相反角量子数的螺旋相位片作为光学滤波器。
可以理解的是，本申请实施例可以采用具有相反角量子数的螺旋相位片作为光学滤波器，具体可以为具有螺旋相位分布的螺旋相位板(±l)，其中，l为探测光的轨道角量子数。
在步骤S102中，将非涡旋高斯光作为探测光束，沿着旋转轴照射到旋转体，利用光学滤波器调制探测光束的散射光。
可以理解的是，本申请实施例将非涡旋高斯光照射到旋转体的散射光，通过具有螺旋相位分布的螺旋相位板(±l)调制非涡旋高斯光的散射光。
在步骤S103中，探测由于旋转运动导致的散射光的旋转多普勒频移，根据旋转多普勒频移确定旋转体的角速度。
可以理解的是，本申请实施例可以探测得到由于旋转运动导致的旋转多普勒频移Δf＝lΩ/(2π)，根据旋转多普勒频移确定旋转体的角速度。
下面通过具体的实施例来阐述基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法。
实施例1：具有相反角量子数的螺旋相位滤波技术实现旋转体角速度的探测。
通过给图2所示的装置中的液晶空间光调制器11加载全息光栅，采用具有相反角量子数的螺旋相位片作为光学滤波器，当普通非涡旋高斯光作为探测光束，沿着旋转轴照射到旋转体(转速Ω)上时，其散射光被螺旋相位片调制之后，可探测由于旋转运动导致的旋转多普勒频移，红外相机12探测到的某时刻光场分布如图5所示。对于匀速旋转转盘，转速为0.035rad/s。采用±30螺旋相位片作为光学滤波器，测得拍频信号的时域信息，对该信号进行傅里叶变换分析，得到频谱数据，如图6的理论值和实验值所示。频域中有一个很明显的主峰，即f＝0.0325Hz。同时可以根据得出当前可调转速为0.034rad/s，约等于实际转速。
实施例2：具有三个角量子数模式的螺旋相位滤波技术实现旋转体角速度的探测。
通过给图2所示的装置中的液晶空间光调制器11加载全息光栅，采用三个角量子数模式的螺旋相位滤波技术的螺旋相位片作为光学滤波器，当普通非涡旋高斯光作为探测光束，沿着旋转轴照射到旋转体(转速Ω)上时，其散射光被螺旋相位片调制之后，可探测由于旋转运动导致的旋转多普勒频移。图7给出对于匀速旋转转盘，转速为0.017rad/s。采用(±20，0)螺旋相位片作为光学滤波器，测得拍频信号的时域信息，对该信号进行傅里叶变换分析，得到频谱数据，可以看出两个很明显的主峰，即f1＝0.1Hz，f1＝0.2Hz。同时可以根据旋转多普勒效应得出当前可调转速为0.017rad/s。
实施例3：(不同速度，不同螺旋相位片)不同角速度下，旋转体的探测。
为了验证本测量方法测得的加速度与理论分析的公式一致，对不同角量子数(±35)的螺旋相位滤波片在不同角速度下进行测量，测量结果如图8所示，测得结果与理论值吻合完好，表明本申请的测量结果具有非常好效果。
需要说明的是，前述对基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置实施例的解释说明也适用于该实施例的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法，具有相反角量子数的螺旋相位片作为光学滤波器，当普通非涡旋高斯光作为探测光束，沿着旋转轴照射到旋转体上时，其散射光被螺旋相位片调制之后，可探测由于旋转运动导致的旋转多普勒频移，进而根据频移推出旋转体角速度,测量方式简单，无需复杂的结构光源，通过测量散射光被螺旋相位调制之后的强度频率即可推出旋转体速度，可作为转速探测器用于马达检测，气候探测，天文研究等领域。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法。
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申请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是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一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，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以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列，现场可编程门阵列等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，包括：
光源组件，用于发射非涡旋高斯的探测光束，沿着旋转轴照射旋转体，并产生散射光；
收发组件，用于发射探测光，并接收散射回波信号；
滤波组件，用于对回波信号进行螺旋相位空间滤波得到基膜高斯光束；
处理组件，用于探测回波信号的强度调制信号，通过傅里叶变换对强度调制信号进行时频分析得到旋转多普勒频移，根据旋转多普勒频移确定旋转体的角速度。
2.根据权利要求1所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述光源组件包括光源、第一半波片、第一偏振分光棱镜，其中：
所述第一偏振分光棱镜置于所述光源的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；
所述第一半波片置于所述偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变光源发射的高斯光束的主偏振方向。
3.根据权利要求2所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述收发组件包括第二偏振分光棱镜、四分之一波片、第一透镜和第二透镜，其中：
所述第二偏振分光棱镜置于所述第一半波片的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束，并反射竖直偏振的回波信号；
所述四分之一波片置于所述第二偏振分光棱镜的后方光路中，用于生成圆偏振光束的发射光束，及将回波信号的偏振方向变为竖直方向；
所述第一透镜和所述第二透镜置于所述半波片的后方光路中，用于所述探测光的扩束和准直，对所述回波信号的缩束和准直。
4.根据权利要求3所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述滤波组件包括第二半波片、第一分光棱镜、液晶空间光调制器、第三透镜、小孔光阑和第四透镜，其中：
所述第二半波片置于所述第二偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变回波信号的散射光的主偏振方向；
所述第一分光棱镜置于所述第二半波片的后方光路中，用于反射光和透射光能量的均分；
所述液晶空间光调制器置于第一分光棱镜的后方光路中，用于加载全息光栅，对散射光进行螺旋相位空间调制；
所述第三透镜、所述第四透镜和小孔光阑组成成像系统，所述小孔光阑置于频谱面，用于滤出衍射级的基膜高斯光束。
5.根据权利要求4所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述小孔光阑包括光学小孔或者单模光纤，滤出分别发生红移和蓝移的基模高斯光束。
6.根据权利要求4所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述处理组件包括第二分光棱镜、第五透镜、全反镜和光电探测器，其中：
所述第二分光棱镜用于实现将信号光束分光；
所述全反镜置于所述第二分光棱后面，用于改变信号光束传播方向；
所述第五透镜置于所述全反镜的反射光路中，用于收集散射光；
增益可调的光电探测器置于所述第五透镜的像方焦点处，用于捕获散射光信号；
示波器与所述光电探测器相连，用于分析所述散射光信号强度调制信号。
7.根据权利要求6所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述处理组件还包括第六透镜、红外相机和计算机，其中：
所述第六透镜置于所述第二分光棱镜的反射光路中，用于收集散射光；
所述红外相机置于所述第六透镜的后焦点上；
所述计算机读取并显示所述红外相机接受的散射光斑。
8.根据权利要求1所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述强度调制信号的调制频率为：
其中，f表示调制频率，l表示探测光的轨道角量子数，Δf1表示螺旋相位板+l部分光频的变化，Δf2表示螺旋相位板-l部分光频的变化，Ω为旋转体的角速度，t表示时间。
9.一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法，其特征在于，所述方法利用如权利要求1-8任意一线所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置进行旋转体探测，其中，所述方法包括以下步骤：
采用具有相反角量子数的螺旋相位片作为光学滤波器；
将非涡旋高斯光作为探测光束，沿着旋转轴照射到旋转体，利用所述光学滤波器调制所述探测光束的散射光；
探测由于旋转运动导致的散射光的旋转多普勒频移，根据所述旋转多普勒频移确定所述旋转体的角速度。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求9所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法。
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