CN117724111A - 一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法，涉及旋转多普勒信号测量。测量装置包括激光器、半波片、准直扩束透镜系统、涡旋波片、反射镜、水湍流产生装置、分束立方、聚焦透镜、CCD相机、数字微镜装置、偏振片和光电探测器；半波片、准直扩束透镜系统、涡旋波片共轴且顺次放置在激光器所发出光束的出射光路上；CCD相机位于聚焦透镜后方，分束立方、偏振片、聚焦透镜、光电探测器共轴放置。装置简洁、操作简单，使用方便。基于柱矢量光束偏振度和空间自由度的耦合，进行偏振编码双通道的信号测量，精度高，实用性强，可有效减弱因光束传输中湍流扰动引起的背景噪声，精准识别旋转多普勒信号。通用性强，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及旋转多普勒信号测量，尤其是涉及一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法。
背景技术
随着光束自旋和轨道角动量(OAM)的发现，由物体相对旋转运动产生的旋转多普勒效应逐渐发展，越来越多的学者和专家对于利用旋转多普勒效应进行物体速度的测量产生兴趣，并做大量研究。当携带有轨道角动量光束照射到旋转物体表面时，通过收集与分析旋转物体的散射光束，可以观察到一个频率偏移，该频移通常正比于物体的角速度和光的轨道角动量的乘积。这种旋转频率偏移，对于旋转物体运动状态的测量具有广阔的应用前景。例如，旋转多普勒频移倍增增强效应可以应用于地球和天文背景下的旋转天体的远程探测(Martin P.J.Lavery,Fiona C.Speirits,Stephen M.Barnett,and MilesJ.Padgett.Detection of a Spinning Object Using Light’s Orbital AngularMomentum.Science,341(6145):537-540,2013)；基于结构光束，结合线性多普勒效应和旋转多普勒效应，可以同时探测协同目标的纵向和角向速度(X.-B.Hu,B.Zhao,Z.-H.Zhu,W.Gao,and C.Rosales-Guzmán,“In situ detection of a cooperative target’slongitudinal and angular speed using structured light,”Opt.Lett.44,3070-3073(2019).)；
近年来，人们对矢量光束的产生与应用也进行大量研究。矢量光束的一个典型例子是柱矢量光束，其强度和偏振分布在光束横截面上具有轴对称性，这一独特的性质使柱矢量光束在光学俘获，光学成像和高分辨率计量的领域具有重要应用价值。柱矢量光束还可应用到多普勒探速领域，例如，将矢量光束应用到旋转多普勒效应中，探索出一种新的矢量旋转多普勒效应，可以提取出二维旋转多普勒信号，实现运动粒子速度大小和方向的同时测量(Liang Fang,Zhenyu Wan,Andrew Forbes,and Jian Wang.Vectorial Dopplermetrology.Nature Communications,12(1):4186,2021.)。
纵观旋转多普勒效应的历史，其潜力在于长距离非接触遥感的实际应用。但在自由空间的遥感应用中，仍然有许多因素影响多普勒信号的远距离传输。特别是，在弱湍流或强湍流的大气或海洋中光束的辐照度、偏振度和闪烁指数都会受到影响，因此当光束穿过湍流环境中时，会导致其携带的旋转多普勒信号淹没在背景噪声中，无法准确识别出旋转多普勒信号。因此，需要找到合适的方法，抑制湍流对光信号的干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒效应测量装置，实现在非实验室环境下利用旋转多普勒效应准确判断物体转动方向。本发明具有普适性，适用于在任何湍流条件下测量旋转物体的旋转多普勒信号；精度较高，能够准确识别信号，在实际应用甚至工业化生产中有很大的发展潜力。
本发明的另一目的在于提供简洁高效的一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法。依据矢量光束的偏振自由度和旋转多普勒效应的特点，基于高阶拓扑荷数的柱矢量光束，建立偏振编码的双信道通路，成功减轻湍流的影响并准确识别出旋转多普勒信号。
一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒效应测量装置，包括激光器、半波片、准直扩束透镜系统、涡旋波片、第1反射镜、水湍流产生装置、第1分束立方、聚焦透镜、第2反射镜、CCD相机、数字微镜装置、第2分束立方、偏振片、第1光电探测器和第2光电探测器；
所述半波片、准直扩束透镜系统、涡旋波片共轴且顺次放置在激光器所发出光束的出射光路上；所述半波片用于调整光束的偏振方向与涡旋波片0°快轴平行；所述涡旋波片用于将入射光束转换为由左旋和右旋圆偏光构成的柱矢量光束；生成的柱矢量光束经第1反射镜反射后穿过水湍流产生装置，所述第1分束立方置于水湍流产生装置后方光路中，用于实现将入射穿过水湍流装置的柱矢量光束分成透射以及反射两路；
所述CCD相机位于聚焦透镜后方，反射一路经第2反射镜用CCD相机收集，用于观察经过水湍流后的矢量光束的截面强度变化；透射一路照射到数字微镜装置上，所述数字微镜装置加载有一做旋转运动的微粒，当矢量光束照到数字微镜装置上时，用于调整光束使其在柱矢量场里作圆周运动；
所述第2分束立方、偏振片、聚焦透镜、第2光电探测器共轴放置；所述偏振片快轴方向与水平方向平行，用以选择光束的水平偏振方向；所述第2分束立方用于将微粒的散射光束分成两束形成偏振双信道；其中一束作为参考光束，分束后直接由第1光电探测器收集；另一束作为信号光束，经线性偏振片选定水平偏振方向后由第2光电探测器收集检测信号。
所述水湍流产生装置采用一长宽高都为15cm透明亚克力容器，其中盛一定量水溶液，容器内放置一磁力搅拌子，将容器放置在有强磁性的作业台面上，通电后磁子在水溶液中快速旋转，在容器内产生水湍流。
一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法，采用上述基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒效应测量装置，具体方法包括以下步骤：
1)激光器发出基膜高斯光束入射到半波片上，经半波片调整初始相位后，入射到准直扩束透镜系统，经准直扩束后经过涡旋波片，在涡旋波片的作用下生成柱矢量光束；
2)柱矢量光束经反射镜反射后，入射到水湍流产生装置中，光束经湍流后在分束立方中透射及反射，反射光束经过聚焦透镜会聚后由CCD相机记录下光束截面强度图样，透射光束入射到数字微镜装置上，在数字微镜装置上模拟一个做旋转运动的微粒，透射的柱矢量光束照射到旋转微粒表面诱发矢量旋转多普勒效应；
3)分束立方将微粒的散射光束分成两条路径形成偏振双信道进行信号处理，对比两条路径的信号强度，通过缩放和相减消除水中湍流和其他缺陷引起的噪声信号，得到与旋转多普勒信号相关的信号强度，对信号进行FFT的信号处理手段，得到旋转多普勒信号的调制频率，利用矢量旋转多普勒效应结论得到旋转微粒的角速度信息。
在步骤1)中，所述柱矢量光束的光场可表示为：
其中，为高斯模的复振幅，ρ和/>分别表示径向坐标和角向坐标w0为光束束腰半径，l0表示光束的拓扑荷数，σL和σR分别为左旋和右旋圆偏振的单位向量。
在步骤2)中，所述柱矢量光束经反射镜反射后，入射到水湍流产生装置中，具体的：当柱矢量光束通过大气湍流或水湍流时，会受到折射率波动的干扰，引起相位和强度波动，导致OAM模态扩散；当柱矢量光束在水湍流中传播时，其OAM态将传播到其邻近的模态：此时柱矢量光束经过湍流后的复振幅应重写为正交基的叠加：
其中，P(l)＝|αl|2表示在拓扑荷数为l的OAM模式下发现散射光的概率；
当柱矢量光束照射到以速度旋转的粒子上时，其反射光携带有旋转多普勒信号：
当一个角速度为Ω的旋转粒子在柱矢量光束上运动时，会引起旋转多普勒效应；根据方位角与速度的关系式，此时有散射光束中会携带旋转多普勒信号，其每个OAM模式分别获得一个旋转频移Δf＝lΩ/π；由于微粒的面积很小，其散射光的光强A(ρ)可以认为是一个常数：A(ρ)＝A；因此对于在湍流中出现旋转多普勒效应的柱矢量光束，微粒的散射光场可以改写为：
在步骤3)中，所述分束立方将微粒的散射光束成两条路径，在一条路径中，光束使用水平偏振器(相对于x轴)选择水平偏振态，那么光束通过水平偏振器后偏振态可以表示为：
此时收集到的信号强度IPF(t)可表示为：
而另一条没有偏振片的路径IR(t)，收集到的光束总强度为：
比较式(5)和(6)，可以通过缩放和相减消除水中湍流，得到与旋转多普勒信号相关的信号强度，即：
对信号进行FFT的信号处理手段，可以得到信号的调制频率为：
其中，经过偏振选择的信道其信号强度IPF(t)中同时携带有旋转多普勒信号和噪声信号，而IR(t)中只携带与IPF(t)中相同的噪声信号(两路信道受到的水湍流影响是相同的)，通过对两路信号进行相减，可以消除掉IPF(t)中的部分噪声信号，因而可以识别出旋转多普勒信号；通过上述的理论和方法，可以显著地消除主要由湍流和其他缺陷引起的噪声信号。
本发明的主要优点在于：
(1)本发明技术新颖，装置简洁、操作简单，使用方便；只需将柱矢量光束照射到旋转微粒上，通过收集散射光束进行偏振双信道信号处理便可削弱湍流的干扰。
(2)本发明精度高，实用性强，可以有效减弱因光束传输中湍流扰动引起的背景噪声，精准识别出旋转多普勒信号。
(3)本发明通用性强，适用范围广，能应用于任何环境干扰，无论海洋湍流、大气湍流等，都可以进行准确的信号检测。
(4)本发明有前瞻性，随着技术的发展，本发明对于多普勒信号的远程传感、精密测量，如在高速旋转的飞机发动机、空间非合作目标卫星，甚至天文学中都具有可观的应用前景。
附图说明
图1是本发明所采用的装置的结构图。
图2为轨道角动量拓扑荷数为1、2、5、10的柱矢量光束的偏振和强度分布模拟图。
图3为实施例光束拓扑荷数l0＝1具体实验结果图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明进行说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1，本发明采用一种基于柱矢量光场抗水湍流的测量旋转多普勒效应的装置，包括激光器1、半波片2、准直扩束透镜系统3、涡旋波片4、第1反射镜5、水湍流产生装置6、聚焦透镜(图中未画出)、第1分束立方7、第2反射镜8、CCD相机9、数字微镜装置10、第2分束立方11、线性偏振片13(通光轴沿水平方向)、第1光电探测器12、第2光电探测器14；所述半波片2、准直扩束透镜系统3、涡旋波片4共轴且顺次放置在激光器1所发出光束的出射光路上，CCD相机9位于聚焦透镜后方；接收装置中第2分束立方11、线性偏振片13、聚焦透镜、第2光电探测器14共轴放置。
由激光器1发出的基膜高斯光束首先入射到半波片2上，调整入射光束的偏振方向，之后经过准直扩束透镜系统3，经准直扩束后，入射光束打到涡旋波片4上，在涡旋波片的作用下转换为由左旋和右旋圆偏光构成的柱矢量光束，其中半波片1用以调整光束的偏振方向与涡旋波片0°快轴平行。
生成的柱矢量光束穿过一个水湍流产生装置6，之后用第1分束立方7分成反射和透射两路。反射一路经第2反射镜8用CCD相机9收集，用于观察经过水湍流后的矢量光束的截面强度变化；透射一路照射到数字微镜装置10上，在数字微镜装置10上模拟有一个以角速度Ω＝174.53rad/s做旋转运动的微粒，当光束照到数字微镜装置10上时，适当调整光束使其在柱矢量场里作圆周运动。收集微粒的散射光束，并用第2分束立方11将散射光束分成两束；一束作为参考光束，分束后直接由第1光电探测器12收集；另一束为信号光束，经线性偏振片13选定水平偏振方向后由第2光电探测器14收集检测信号。对采集到的信号光束和参考光束进行滤波相减，去除信号光束中的噪声，再进行傅里叶变换(FFT)变换，即可提取出柱矢量光束携带的旋转微粒的运动信息，从而得到微粒的角速度信息。
工作时，激光器发出基膜高斯光束入射到半波片上，经半波片调整初始相位后，入射到准直扩束透镜系统，经准直扩束后经过涡旋波片，在涡旋波片的作用下生成柱矢量光束；柱矢量光束经反射镜反射后，入射到水湍流产生装置中，光束经湍流后在分束立方中透射及反射，反射光束经过聚焦透镜会聚后由CCD相机记录下光束截面强度图样，透射光束入射到数字微镜装置上，在数字微镜装置上模拟一个做旋转运动的微粒，透射的柱矢量光束照射到旋转微粒表面诱发矢量旋转多普勒效应；收集微粒散射光并使用偏振双通道进行信号处理，削弱湍流信号的干扰，提取出柱矢量光束携带的旋转物体的运动信息，利用矢量旋转多普勒效应结论得到旋转微粒的角速度信息。
所述半波片用以调整光束的偏振方向与涡旋波片0°快轴平行；
所述水湍流产生装置具体为一长宽高都为15cm透明亚克力容器，其中盛一定量水溶液，容器内放置一磁力搅拌子，将容器放置在有强磁性的作业台面上，通电后磁子在水溶液中快速旋转，在容器内产生水湍流；
所述第1分束立方置于水湍流产生装置后方光路中，用于实现将入射穿过水湍流装置的柱矢量光束的透射以及反射，反射光经聚焦透镜会聚后由CCD相机收集以表征矢量光束经过水湍流后的截面强度；
所述数字微镜装置上加载有一做旋转运动的微粒，当柱矢量光束照射到数字微镜装置上时，适当调整装置的位置，使旋转微粒在柱矢量光束中做圆周运动；
所述偏振双信道是由第2分束立方将光束分为透射和反射两路光束，一路直接由第1光电探测器收集，另一路经过线性偏振片选择水平偏振方向后，用第2光电探测器收集；
所述偏振片快轴方向与水平方向平行，用以选择光束的水平偏振方向。
本发明的工作原理是：
柱矢量光束的光场可表示为：
其中，为高斯模的复振幅，ρ和/>分别表示径向坐标和角向坐标w0为光束束腰半径，l0表示光束的拓扑荷数，σL和σR分别为左旋和右旋圆偏振的单位向量。
当柱矢量光束通过大气湍流或水湍流时，会受到折射率波动的干扰，引起相位和强度波动，导致OAM模态扩散；从数学上讲，当柱矢量光束在水湍流中传播时，其OAM态将传播到其邻近的模态：此时柱矢量光束经过湍流后的复振幅应重写为正交基的叠加：
其中，P(l)＝|αl|2表示在拓扑荷数为l的OAM模式下发现散射光的概率。
当柱矢量光束照射到以速度旋转的粒子上时，其反射光会携带有旋转多普勒信号：
当一个角速度为Ω的旋转粒子在柱矢量光束上运动时，会引起旋转多普勒效应。根据方位角与速度的关系式，此时有散射光束中会携带旋转多普勒信号，其每个OAM模式分别获得一个旋转频移Δf＝lΩ/π；由于微粒的面积很小，其散射光的光强A(ρ)可以认为是一个常数：A(ρ)＝A。因此对于在湍流中出现旋转多普勒效应的柱矢量光束，微粒的散射光场可以改写为：
用分束立方将光束分成两条路径，在一条路径中，光束使用水平偏振器(相对于x轴)选择水平偏振态，那么光束通过水平偏振器后偏振态可以表示为：
此时收集到的信号强度IPF(t)可表示为：
而对于另一条没有偏振片的路径IR(t)，收集到的光束总强度为：
比较式(5)和(6)，可以通过缩放和相减消除水中湍流，得到与旋转多普勒信号相关的信号强度，即：
对信号进行FFT的信号处理手段，可以得到信号的调制频率为：
其中，经过偏振选择的信道其信号强度IPF(t)中同时携带有旋转多普勒信号和噪声信号，而IR(t)中只携带与IPF(t)中相同的噪声信号(两路信道受到的水湍流影响是相同的)，通过对两路信号进行相减，可以消除掉IPF(t)中的部分噪声信号，因而可以识别出旋转多普勒信号；通过上述的理论和方法，可以显著地消除主要由湍流和其他缺陷引起的噪声信号。
以下具体实施例采用波长为633nm激光作为光源，所有的元件均为633nm(如半波片、涡旋波片)或者对应包含633nm的宽带镀膜器件(如反射镜、线性偏振片、分束立方)。
图2为使用Matlab软件模拟的具有不同拓扑荷数的柱矢量光束的强度和偏振分布图，其中(a)、(b)、(c)和(d)分别代表了拓扑荷数为1、2、5、10的柱矢量光束的偏振和强度模式图。从图中可以看到，在柱矢量光束的光斑中心具有一个偏振奇点，由于在奇点处光束的偏振态是不确定的，所以该点没有能量，因此柱矢量光束的光斑中心是一个暗斑，整个光斑呈环状分布，因此也称柱矢量光束具有“甜甜圈形状”的强度模式。由图2可以得出，具有不同拓扑荷数的柱矢量光束具有几乎相同的甜甜圈形状的强度模式，随着拓扑荷数的升高，其光束半径和中心光圈也越来越大，并且可也发现它们的偏振分布在空间上是完全不同的，其偏振状态随空间变化而变化，显示出不同拓扑结构；而且随着拓扑荷数的升高，其光束截面上空间偏振分布也越来越复杂。光束轨道角动量与光场的空间分布之间是存在一定联系的，而光束的自旋角动量本质上取决于光束的偏振状态，由此可以看出，柱矢量光束的这种独特的偏振态圆柱对称特征从本质上来说，是因为其自旋角动量与轨道角动量在空间上以不可分离状态的耦合，这一特征恰好为实现旋转多普勒效应的抗湍流扰动的探测提供了可能。
对收集到的信息进行偏振双信道信号处理，得到实验结果如图3所示。图3中的图(a)是检测信号IPF(t)(偏振滤波)和参考信号I(t)(没有偏振滤波)的时间强度图。经过傅里叶变换，得到它们的频谱图和/>如图3中的图(b)所示，其中下标“PF”和“NPF”分别表示有偏振滤波和无偏振滤波的路径。可以清楚地看到，检测信号(红色)有两个不同的峰值，分别为f＝27.78Hz和f＝55.55Hz。因此，当单独观察检测信号时，无法很好地识别哪个是旋转多普勒频移。然而，实验发现参考信号(蓝色)只有一个峰值，在f＝27.78Hz处。参考信号中不包含任何旋转信号，因为它是在没有偏振滤波或OAM叠加的情况下测量的。因此，可以很容易地得出结论，f＝27.78Hz处的信号仅仅是主要由湍流引起的噪声信号。换句话说，可以确定f＝55.55Hz正是旋转多普勒频移，产生于粒子的旋转。这样，可以对噪声信号进行减法处理，削弱检测信号中的噪声信号，产生图3的图(c)中非常清晰的旋转多普勒频谱/>
本发明基于柱矢量光束偏振度和空间自由度的耦合，进行偏振编码双通道的信号测量，减轻湍流的影响，从而识别提取出旋转多普勒信号，本发明方案具有普适性，适用于在任何湍流条件下测量旋转物体的旋转多普勒信号；精度较高，能够准确识别信号，在实际应用甚至工业化生产中有很大的发展潜力。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒效应测量装置，其特征在于包括激光器、半波片、准直扩束透镜系统、涡旋波片、第1反射镜、水湍流产生装置、第1分束立方、聚焦透镜、第2反射镜、CCD相机、数字微镜装置、第2分束立方、偏振片、第1光电探测器和第2光电探测器；
所述半波片、准直扩束透镜系统、涡旋波片共轴且顺次放置在激光器所发出光束的出射光路上；所述涡旋波片用于将入射光束转换为由左旋和右旋圆偏光构成的柱矢量光束；生成的柱矢量光束经第1反射镜反射后穿过水湍流产生装置，所述第1分束立方置于水湍流产生装置后方光路中，用于实现将入射穿过水湍流装置的柱矢量光束分成透射以及反射两路；
所述CCD相机位于聚焦透镜后方，反射一路经第2反射镜用CCD相机收集，用于观察经过水湍流后的矢量光束的截面强度变化；透射一路照射到数字微镜装置上，所述数字微镜装置加载有一做旋转运动的微粒，当矢量光束照到数字微镜装置上时，调整光束使微粒在柱矢量场里作圆周运动；
所述第2分束立方、偏振片、聚焦透镜、第2光电探测器共轴放置；所述偏振片快轴方向与水平方向平行，用以选择光束的水平偏振方向；所述第2分束立方用于将微粒的散射光束分成两束形成偏振双信道；其中一束作为参考光束，分束后直接由第1光电探测器收集；另一束作为信号光束，经线性偏振片选定水平偏振方向后由第2光电探测器收集检测信号。
2.如权利要求1所述一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒效应测量装置，其特征在于所述半波片用于调整光束的偏振方向与涡旋波片0°快轴平行。
3.如权利要求1所述一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒效应测量装置，其特征在于所述水湍流产生装置采用一长宽高都为15cm透明亚克力容器，其中盛一定量水溶液，容器内放置一磁力搅拌子，将容器放置在有强磁性的作业台面上，通电后磁子在水溶液中快速旋转，在容器内产生水湍流。
4.一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法，其特征在于采用如权利要求1所述一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒效应测量装置，所述测量方法包括以下步骤：
1)激光器发出基膜高斯光束入射到半波片上，经半波片调整初始相位后，入射到准直扩束透镜系统，经准直扩束后经过涡旋波片，在涡旋波片的作用下生成柱矢量光束；
2)柱矢量光束经反射镜反射后，入射到水湍流产生装置中，光束经湍流后在分束立方中透射及反射，反射光束经过聚焦透镜会聚后由CCD相机记录下光束截面强度图样，透射光束入射到数字微镜装置上，在数字微镜装置上模拟一个做旋转运动的微粒，透射的柱矢量光束照射到旋转微粒表面诱发矢量旋转多普勒效应；
3)分束立方将微粒的散射光束成两条路径形成偏振双信道进行信号处理，对比两条路径的信号强度，通过缩放和相减消除水中湍流和其他缺陷引起的噪声信号，得到与旋转多普勒信号相关的信号强度，对信号进行FFT的信号处理手段，得到旋转多普勒信号的调制频率，利用矢量旋转多普勒效应结论得到旋转微粒的角速度信息。
5.如权利要求4所述一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法，其特征在于在步骤1)中，所述柱矢量光束的光场表示为：
其中，为高斯模的复振幅，ρ和/>分别表示径向坐标和角向坐标w0为光束束腰半径，l0表示光束的拓扑荷数，σL和σR分别为左旋和右旋圆偏振的单位向量。
6.如权利要求4所述一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法，其特征在于在步骤2)中，所述柱矢量光束经反射镜反射后，入射到水湍流产生装置中，具体的：当柱矢量光束通过大气湍流或水湍流时，会受到折射率波动的干扰，引起相位和强度波动，导致OAM模态扩散；当柱矢量光束在水湍流中传播时，其OAM态将传播到其邻近的模态：此时柱矢量光束经过湍流后的复振幅应重写为正交基的叠加：
其中，P(l)＝|αl|2表示在拓扑荷数为l的OAM模式下发现散射光的概率。
7.如权利要求4所述一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法，其特征在于在步骤2)中，所述透射的柱矢量光束照射到旋转微粒表面诱发矢量旋转多普勒效应，当柱矢量光束照射到以速度旋转的粒子上时，其反射光携带有旋转多普勒信号：
具体的，当一个角速度为Ω的旋转粒子在柱矢量光束上运动时，会引起旋转多普勒效应；根据方位角与速度的关系式，此时有散射光束中会携带旋转多普勒信号，其每个OAM模式分别获得一个旋转频移Δf＝lΩ/π；由于微粒的面积很小，其散射光的光强A(ρ)可以认为是一个常数：A(ρ)＝A；因此对于在湍流中出现旋转多普勒效应的柱矢量光束，微粒的散射光场改写为：
8.如权利要求4所述一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法，其特征在于在步骤3)中，所述分束立方将微粒的散射光束成两条路径，在一条路径中，光束使用水平偏振器选择水平偏振态，光束通过水平偏振器后偏振态表示为：
此时收集到的信号强度IPF(t)表示为：
另一条没有偏振片的路径IR(t)，收集到的光束总强度为：
比较式(5)和(6)，通过缩放和相减消除水中湍流，得到与旋转多普勒信号相关的信号强度，即：
对信号进行FFT的信号处理手段，得到信号的调制频率为：
其中，经过偏振选择的信道其信号强度IPF(t)中同时携带有旋转多普勒信号和噪声信号，而IR(t)中只携带与IPF(t)中相同的噪声信号，两路信道受到的水湍流影响是相同的，通过对两路信号进行相减，消除掉IPF(t)中的部分噪声信号，识别出旋转多普勒信号。
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| CN202311751790.2A CN117724111A (zh) | 2023-12-19 | 2023-12-19 | 一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法 |
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| CN117724111A true CN117724111A (zh) | 2024-03-19 |
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