CN117949684A - 基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，涉及旋转多普勒效应技术领域。包括激光器，扩束准直器，阵列涡旋光束产生器，傅里叶透镜，分束器，反射镜，拓扑荷数反转器，反射镜，合束器，半波片，偏振分束器，1/4波片，待测旋转物体，透镜，光电探测器以及示波器以光路连接构成。通过I.获取阵列涡旋光，II.产生叠加态阵列光斑，III.产生阵列旋转多普勒效应和IV.待测物体转速测量等四个步骤。其基于多普勒频移与待测物体角速度成线性关系、不受环境条件影响，具有多功能和非接触等特点，在研究复杂旋转物体或多体目标的运动以及多通道光纤通信，量子信息，雷达探测和微粒操控等领域提供一种更加有效的检测手段。

Description

基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法

技术领域

本发明涉及旋转多普勒效应技术领域，具体指一种基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，可实现多个运动旋转目标或者同一目标不同组成部分的转速测量。

背景技术

涡旋光是一种具有螺旋相位波前和暗中空结构的特殊光场，其光强在相位奇点处为零，并且相位围绕奇点沿着垂直于传播方向呈螺旋状分布，在光通信、雷达探测和微粒操控等领域有着广泛的应用。与单涡旋光束相比，涡旋阵列光束具有多个相位奇点和轨道角动量，在多通道光纤通信以及量子信息领域可以增强信息传输容量，在光学微操作领域可以同时捕获和观察多个微粒。

与线性多普勒效应相比，自然界中存在另外一种对于旋转信息敏感的多普勒效应，叫做旋转多普勒效应。这种多普勒效应的波源需携带的相位，即涡旋光束，其中l为拓扑荷数，/>为方位角。经旋转物体散射的涡旋光，其频率会发生改变，频移的大小正比于被测物体的角速率与涡旋光拓扑荷数。——[邱松，任元，刘通，王琛，基于涡旋光多普勒效应的旋转柱体转速探测，光学学报，40(20)：2026001，2020]。

公知的单束涡旋光产生旋转多普勒效应进行转速测量，往往受限于频谱分析技术的水平，难以实现复杂目标或多目标的检测。因此，本发明采用了一种基于叠加态涡旋阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，通过使用螺旋相位板、达曼光栅生成涡旋阵列光束，并通过干涉的方式产生叠加态涡旋阵列光束，最后实现多体旋转目标的转速测量。如飞行体复合运动目标角速度的确定是对飞行体飞行姿态的判断的重要参数，相较于单一运动，复合运动更加具有普遍性和特殊性。据此，基于叠加态涡旋阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，可实现对多个运动目标的速度探测，具有更加实际应用的价值。

发明内容

针对现有转速测量技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，具有实现方式简单，操作方便的优点。

为达到上述目的，本方法采用如下的技术方案：

本发明基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量，其特征在于，包括激光器，扩束准直器，阵列涡旋光束产生器，傅里叶透镜，分束器，反射镜，拓扑荷数反转器，反射镜，合束器，半波片，偏振分束器，1/4波片，待测旋转物体，透镜，光电探测器以及示波器以光路连接构成。

本发明基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，包括：I.获取阵列涡旋光，II.产生叠加态阵列光斑，III.产生阵列旋转多普勒效应和IV.待测物体转速测量等四个环节，具体步骤如下：

I.获取阵列涡旋光：

激光器出射的高斯光束经过扩束准直器后变为准直平面波，经阵列涡旋光束产生器并通过傅里叶透镜后，产生阵列涡旋光束。

对于拓扑荷数为l的涡旋光束，其光场表达式可以表示为：

E(r，θ，z)＝u₀(r，θ，z)exp(-ilθ)exp(-ikz) (1)

其中u₀(r，θ，z)表示光场中z轴的振幅分布，k为波矢，l为拓扑荷数，θ为方位角。

假设阵列涡旋光束产生器的结构函数表示为：

其中，T_x和T_y分别表示在x和y方向上的周期，Δφ(x，y)是一个周期中的相位分布函数。

当高斯光束E(x，y)照射阵列涡旋光束产生器时，发生菲涅尔衍射，在傅里叶透镜后焦面上观察到衍射光场为：

其中，和/>分别是E(x，y)和T_DG(x，y)的傅里叶变换，符号/>表示卷积。

假设所设计的阵列涡旋光束产生器能产生M×N个等强度的衍射级次和其他能量很小的高阶衍射级次H(f_x，f_y)，则

其中，δ(x，y)是狄拉克函数，C_mn和φ_mn分别为第(m，n)衍射级次的振幅和相位，通过优化阵列涡旋光束产生器的参数，可以使其高阶衍射级次的能量减小甚至接近0，即衍射效率接近100％，则(4)式可简化为：

上式表明，涡旋光束照射到阵列涡旋光束产生器上，在透镜后焦面(即频域面)上可以得到具有一定分束比、等光强的涡旋阵列光束。

II.产生叠加态阵列光斑：

将涡旋阵列光束照射到分束器后产生两组涡旋阵列光束，其中一组经过反射镜反射改变光束的前进方向，作为拓扑荷数为/的涡旋阵列光束；另一组涡旋阵列光束经过反射镜反射到拓扑荷数反转器上变成拓扑荷数为-l的涡旋光束，上述两束拓扑荷数分别为l和-l的涡旋阵列光束经合束器合束后，产生M×N个拓扑荷数为±l的叠加态阵列光斑。

III.产生阵列旋转多普勒效应：

将II过程产生的叠加态阵列光斑作为探测光，探测光中任一叠加态阵列光斑存在差频|f_mn1-f|，其中f_mn1和f_mn2分别为产生涡旋阵列中第m行、第n列光斑的两束涡旋光的频率。

探测光经半波片后，被偏振分束器分为具有正交偏振态的两束光，即水平偏振光和垂直偏振光。其中的水平偏振光经过1/4波片后，照射到待测旋转物体上发生散射，散射光经过1/4波片和偏振分束器被透镜收集，进入光电探测器，在示波器上显示出频移信号。

IV.待测物体转速测量：

由阵列涡旋光束产生器所产生的涡旋阵列光束的强度相同，每一个子光束的拓扑荷数相等。

假设探测器接收到的被测目标散射光的调制频率为f_mn，则测量到位于第m行第n列的目标的转速大小为：

在实际探测过程中，可以实现同时对M×N个不同目标或者同一目标的M×N个不同部位的转速测量，从而提高了旋转多普勒效应测量转速的效率。

综上所述，本发明是基于叠加态涡旋阵列光斑照射到旋转目标进行拍频，产生阵列旋转多普勒效应，通过对旋转目标散射光中调制的信号进行分析，得到不同旋转目标之间的与待测物体角速度成线性关系频移信息，最后经傅里叶变换得到频谱信息，并用于评估多个被测物体运动状态，为涡旋光在多体旋转目标转速测量技术提供了一种更加有效的方法。

附图说明

图1为基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法的光路图；

图2为本发明实施例多体旋转目标转速测量方法的流程图；

图3为本发明实施例阵列光束照射到多个待测旋转目标示意图；

图4为拓扑荷数l＝±30，2×2个叠加态涡旋阵列光斑的(a)相位图和(b)强度图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

本发明基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量(如附图1所示)，包括激光器1，扩束准直器2，阵列涡旋光束产生器3，傅里叶透镜4，分束器5，第一反射镜6，拓扑荷数反转器7，第二反射镜8，合束器9，半波片10，偏振分束器11，1/4波片12，待测旋转物体13，透镜14，光电探测器15以及示波器16以光路连接构成。

本发明基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，包括：I.获取阵列涡旋光，II.产生叠加态阵列光斑，III.产生阵列旋转多普勒效应和IV.待测物体转速测量等四个环节，流程图(如附图2所示)，具体步骤如下：

I.获取阵列涡旋光：

激光器1出射的高斯光束经过扩束准直器2后变为准直平面波，经阵列涡旋光束产生器3并通过傅里叶透镜4后，产生阵列涡旋光束。

II.产生叠加态阵列光斑：

将涡旋阵列光束照射到分束器5后产生两组涡旋阵列光束，其中一组经过反射镜8反射改变光束的前进方向，作为拓扑荷数为l的涡旋阵列光束；另一组涡旋阵列光束经过反射镜6反射到拓扑荷数反转器7上变成拓扑荷数为-l的涡旋光束，上述两束拓扑荷数分别为l和-l的涡旋阵列光束经合束器9合束后，产生M×N个拓扑荷数为±l的叠加态阵列光斑。

III.产生阵列旋转多普勒效应：

将II过程产生的叠加态阵列光斑作为探测光，探测光中任一叠加态阵列光斑存在差频|f_mn1-f_mn2|，其中f_mn1和f_mn2分别为产生涡旋阵列中第m行、第n列光斑的两束涡旋光的频率；探测光经半波片10后，被偏振分束器11分为具有正交偏振态的两束光，即水平偏振光和垂直偏振光；其中的水平偏振光经过1/4波片12后，照射到待测旋转物体13上发生散射，散射光经过1/4波片12和偏振分束器11被透镜14收集，进入光电探测器15，在示波器16上显示出频移信号。

IV.待测物体转速测量：

由阵列涡旋光束产生器3所产生的涡旋阵列光束的强度相同，每一个子光束的拓扑荷数相等；假设探测器接收到的被测目标散射光的调制频率为f_mn，则测量到位于第m行第n列的目标的转速大小为：

在实际探测过程中，可以实现同时对M×N个不同目标或者同一目标的M×N个不同部位的转速测量，从而提高了旋转多普勒效应测量转速的效率。

本发明实施例：

激光器1出射的高斯光束经过扩束准直器2后变为准直平面波，由螺旋相位板产生拓扑荷数l＝30的涡旋光，经过阵列涡旋光束产生器3产生2×2涡旋阵列光束(如附图3所示)，涡旋阵列光束分束为两束，其中一束光通过拓扑荷数反转器变为l＝-30，两束拓扑荷数互为相反数的涡旋阵列进行干涉，形成叠加态阵列光斑。

附图4所示为拓扑荷数l＝±30，2×2个叠加态涡旋阵列光斑的(a)相位图和(b)强度图。将叠加态阵列光斑照射到4个不同运动状态的旋转目标上，经过光电探测器接收和信号处理得到频谱图，对频谱图利用公式(6)进行分析，得到待测目标的转速。

据此，本发明可概括为：

(1)利用旋转多普勒效应，把涡旋光应用于光学探测，利用涡旋阵列光束的优势，实现同时对多体旋转目标的转速和旋转方向进行多角度分析，为多目标探测技术的拓展应用提供新思路。

(2)利用干涉产生的叠加态阵列光斑对物体转速进行测量，降低噪声干扰，能大大提高探测系统的可靠性。

综上所述，本发明是基于叠加态阵列光斑照射到多个旋转目标进行拍频，产生旋转多普勒效应，通过对旋转目标散射光中调制的信号进行分析，得到不同旋转目标的频移信息，与待测物体角速度成线性关系、不受环境条件影响，具有多功能和非接触等特点，用于评估多个被测物体运动状态，为涡旋光在目标探测技术，在多通道光纤通信以及量子信息，雷达探测和微粒操控(同时捕获和观察多个微粒)等领域广泛应用提供了一种更加有效的检测手段。

Claims (7)

1.基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量，其特征在于，包括激光器(1)，扩束准直器(2)，阵列涡旋光束产生器(3)，傅里叶透镜(4)，分束器(5)，第一反射镜(6)，拓扑荷数反转器(7)，第二反射镜(8)，合束器(9)，半波片(10)，偏振分束器(11)，1/4波片(12)，待测旋转物体(13)，透镜(14)，光电探测器(15)以及示波器(16)以光路连接构成。

2.基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，其特征在于，包括步骤：I.获取阵列涡旋光，II.产生叠加态阵列光斑，III.产生阵列旋转多普勒效应和IV.待测物体转速测量。

3.如权利要求2所述的基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，其特征在于，所述步骤I.获取阵列涡旋光，还包括：

激光器(1)出射的高斯光束经过扩束准直器(2)后变为准直平面波，经阵列涡旋光束产生器(3)并通过傅里叶透镜(4)后，产生阵列涡旋光束。

4.如权利要求2所述的基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，其特征在于，所述步骤II.产生叠加态阵列光斑，还包括：

将涡旋阵列光束照射到分束器(5)后产生两组涡旋阵列光束，其中，一组经过第二反射镜(8)反射改变光束的前进方向，作为拓扑荷数为/的涡旋阵列光束；另一组涡旋阵列光束经过第一反射镜(6)反射到拓扑荷数反转器(7)上变成拓扑荷数为-/的涡旋光束，上述两束拓扑荷数分别为/和-/的涡旋阵列光束经合束器(9)合束后，产生M×N个拓扑荷数为±/的叠加态阵列光斑。

5.如权利要求2所述的基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，其特征在于，所述步骤III.产生阵列旋转多普勒效应，还包括：

将II过程产生的叠加态阵列光斑作为探测光，探测光中任一叠加态阵列光斑存在差频|f_mn1-f_mn2|，其中f_mn1和f_mn2分别为产生涡旋阵列中第m行、第n列光斑的两束涡旋光的频率，探测光经半波片(10)后，被偏振分束器(11)分为具有正交偏振态的两束光，即水平偏振光和垂直偏振光，其中的水平偏振光经过1/4波片(12)后，照射到待测旋转物体(13)上发生散射，散射光经过1/4波片(12)和偏振分束器(11)被透镜(14)收集，进入光电探测器(15)，在示波器(16)上显示出频移信号。

6.如权利要求2所述的基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，其特征在于，所述步骤IV.待测物体转速测量，还包括：

由阵列涡旋光束产生器(3)所产生的涡旋阵列光束的强度相同，每一个子光束的拓扑荷数相等；假设探测器接收到的被测目标散射光的调制频率为f_mn，则测量到位于第m行第n列的目标的转速大小为：

在实际探测过程中，可以实现同时对M×N个不同旋转目标或者同一目标的M×N个不同部位的转速测量，从而提高了旋转多普勒效应测量转速的效率。

7.如权利要求3所述的基于阵列光束旋转多普勒效应的旋转目标转速测量方法，其特征在于，I.获取阵列涡旋光，其中：

对于拓扑荷数为/的涡旋光束，其光场表达式可以表示为：

E(r，θ，z)＝u₀(r，θ，z)exp(-ilθ)exp(-ikz) (I)

其中，u₀(r，θ，z)表示光场中z轴的振幅分布，k为波矢，/为拓扑荷数，θ为方位角；

假设阵列涡旋光束产生器(3)的结构函数表示为：

其中，T_x和T_y分别表示在x和y方向上的周期，Δφ(x，y)是一个周期中的相位分布函数；

当高斯光束E(x，y)照射阵列涡旋光束产生器(3)时，发生菲涅尔衍射，在傅里叶透镜后焦面上观察到衍射光场为：

其中，和/>分别是E(x，y)和T_DG(x，y)的傅里叶变换，符号/>表示卷积；

假设所设计的阵列涡旋光束产生器(3)能产生M×N个等强度的衍射级次和其他能量很小的高阶衍射级次H(f_x，f_y)，则

其中，δ(x，y)是狄拉克函数，C_mn和φ_mn分别为第(m，n)衍射级次的振幅和相位，通过优化阵列涡旋光束产生器的参数，可以使其高阶衍射级次的能量减小甚至接近0，即衍射效率接近100％，则(4)式可简化为：

上式表明，涡旋光束照射到阵列涡旋光束产生器(3)上，在透镜后焦面即频域面上可以得到具有一定分束比、等光强的涡旋阵列光束。