一种可消除障碍物影响的旋转体角速度探测方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种可消除障碍物影响的旋转体角速度探测方法与装置。本发明专利技术采用具有相反角量子数的双模复用贝塞尔高斯光束作为探测光束，当其沿着旋转轴照射到旋转体上时，散射光被强度调制。通过探测该强度调制频率，即可反推出旋转体的转速。另外，由于贝塞尔高斯光束的无衍射特性，可在一定程度上消除光路中障碍物的影响。实验表明，无论探测光路中有无障碍物，本发明专利技术均可十分准确的测出旋转体的转速。本发明专利技术系统结构稳定，利于操作，可实现旋转体角速度的实时探测，同时可一定程度上消除光路中障碍物的影响，相比现有技术具有较大的进步。

Method and device for detecting rotary body angular velocity capable of eliminating obstacle influence

The invention discloses a method and a device for detecting rotary body angular velocity which can eliminate the influence of obstacles. The present invention adopts phase angle quantum number two Bessel Gauss beam as the probe beam multiplexing, when the irradiation along the rotating shaft to a rotary body, the scattering light is intensity modulated. The rotation speed of the rotating body can be deduced by detecting the intensity modulation frequency. In addition, due to the Bessel diffraction characteristics of the Gauss beam, it can eliminate the influence of obstacles in the optical path to a certain extent. The experiments show that the rotating speed of the rotating body can be measured very accurately by the invention whether there is an obstacle in the detecting light path. The system structure of the invention is stable, and the utility model is convenient for operation, and can realize the real-time detection of the angular velocity of the rotating body, and can eliminate the influence of the obstacle in the optical path to a certain extent.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设计光电
，尤其涉及一种可消除障碍物影响的旋转体角速度探测方法与装置
技术介绍
贝塞尔光束是柱坐标系下亥姆霍兹方程的特征解，具有无限延展的横模分布，同时也具有无衍射特性并可“自我修复”。然而，理想的贝塞尔光束在实际中是不存在的。实际中，一般选择贝塞尔高斯光束作为贝塞尔光束的近似。与贝塞尔光束类似，贝塞尔高斯光束在一定距离内也具有无衍射特性及自我修复性，它的光场分布可表示为：其中，为极坐标，Jl为l阶第一类贝塞尔函数，l为拓扑电荷数，ω0为定义贝塞尔高斯光束的基模腰斑半径。可以看出，贝塞尔高斯光束的光场表达式中含有涡旋相位项，表明其具有螺旋形波前，并且它的每一个光子均携带有轨道角动量(orbitalangularmomentum,OAM)(为约化普朗克常量)。多普勒效应是一个非常著名的物理现象，可以理解为：如果波源与观察者间存在相对运动，则波的频率会发生变化。多普勒频移既存在于机械波中，也存在于电磁波中。对于光波来说，光源与观察者间的相对运动会引起光波的频率变化，这个频率变化可以表示为：Δf＝f0v/c。其中，f0为初始光频，v为相对运动速度，c为光速。多普勒频移在交通测速、流体探测等领域都具有十分重要的应用。然而，对于旋转速度的探测，只能通过先测得线速度再推算角速度。前述的多普勒频移一般称为线性多普勒频移，而在旋转运动中，也存在一种多普勒频移，即旋转多普勒效应。当一束携带有角动量的光沿着旋转轴照射到旋转体上时，光的频率会发生改变，可以观测到旋转多普勒效应。通过旋转多普勒效应，可以很方便的实现旋转体速度的测量。目前，科研人员已经利用具有涡旋相位的拉盖尔高斯光束实现了旋转体转速的测量，然而，当波源与待探测物体间存在阻碍时，衍射效应会使拉盖尔高斯光束的轨道角动量谱展宽，进而影响探测精度。因此，需要开发一种可消除障碍物影响的旋转体探测方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法与装置。本专利技术的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法，采用具有相反角量子数的两路复用贝塞尔高斯光束沿着旋转轴照射旋转体。由于贝塞尔高斯光束具有螺旋形波前并携带有轨道角动量，根据旋转多普勒效应和光拍频原理，其散射光会存在一强度调制，该强度调制的频率仅与旋转体的转速以及入射光角量子数的绝对值有关。通过探测器测得强度调制信号，经过傅里叶变换后即可得到强度调制频率，根据该强度调制频率可反推出旋转体的转速。特别的，由于采用双模复用贝塞尔高斯光束作为探测激光束，其无衍射特性可在一定程度上消除光路中阻碍的影响。本专利技术的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量装置，包括贝塞尔高斯光束生成部分和旋转体探测部分。其中贝塞尔高斯光束生成部分包括激光光源、偏振分光棱镜、全反镜、液晶空间光调制器、两个焦距为f的透镜和小孔光阑。其中：所述偏振分光棱镜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；所述全反镜置于前述偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变基模高斯光束的传输方向；所述液晶空间光调制器置于全反镜的后方光路中，用于加载全息光栅，生成贝塞尔高斯光束；所述两个焦距为f的透镜和小孔光阑组成4-f成像系统，其中小孔光阑置于频谱面，用于滤出+1衍射级的贝塞尔高斯光束；旋转体探测部分包括分光棱镜、面阵探测器、偏振分光棱镜、四分之一波片，焦距为f’的透镜、可调速转盘、增益可调的光电探测器和示波器。其中：所述分光棱镜用于实现将生成的贝塞尔高斯光束的五五分光；所述面阵探测器置于分光棱镜的反射光路中，用于观察探测所用的贝塞尔高斯光束的光场分布；所述偏振分光棱镜和四分之一波片置于前述分光棱镜的透射光路中，用于传输经转盘后的散射光束以便探测器接收，其中，四分之一波片的快轴方向与水平面成45°；所述焦距为f’的透镜置于偏振分光棱镜的反射光路中，用于收集散射光；所述增益可调的光电探测器置于焦距为f’的透镜的像方焦点处，用于捕获散射光信号；所述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。特别的，面阵探测器与分光棱镜的距离，应等于可调速转盘与分光棱镜的距离。本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术可根据散射光的调制频率直接计算出旋转体的转速，并且调制频率的测量非常简单。(2)本专利技术由于使用无衍射的贝塞尔高斯光束作为探测光束，因此可消除探测光路中障碍物对探测精度的影响。附图说明图1为旋转多普勒效应示意图。图2为本专利技术的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量装置示意图。图中，1-激光光源，2、9-偏振分光棱镜，3-全反镜，4-液晶空间光调制器，5、7-焦距为f的透镜，6-小孔光阑，8-分光棱镜，10-四分之一波片，11-可调速转盘，12-焦距为f’的透镜，13-面阵探测器，14-增益可调的光电探测器，15-示波器。图3为实验测得的探测用的双模复用贝塞尔高斯光束，其角量子数从左至右分别为±16，±18，±20和±22。图4(a)为入射光束的角量子数为±20的双路复用贝塞尔高斯光束入射时，探测器测得的杂散光的时域信号。图4(b)为入射光束的角量子数为±22的双路复用贝塞尔高斯光束入射时，探测器测得的杂散光的时域信号。图5为入射光束的角量子数分别为±20和±22的双路复用贝塞尔高斯光束入射时，示波器计算得到的杂散光的频域信号。图6为不同角速度下及不同角量子数下测得的强度调制频率。图7为贝塞尔衍射区中存在障碍物时的接收到的光场，及测得的强度调制频率，其中，入射的双模复用贝塞尔高斯光束的角量子数为±20。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细的描述。如图1所示，当贝塞尔高斯光束沿着旋转轴照射旋转体时，选取转盘上任一考察点A，由于其螺旋形波前，其波印廷矢量方向与光轴不平行，而是呈一定的夹角α(α＝lλ/2πr)，r为考察点A距旋转轴心的距离。对于A来说，若光束以与法线夹角α入射，由于A点存在线速度，当α足够小时，则会引起入射光的频率移动Δf＝αf0v/c。将前述两公式结合，可得频移：其中，Ω为旋转体的角速度。可以看出，当贝塞尔高斯光束沿着旋转轴入射时，会引起光频移，且这种频移仅与贝塞尔高斯光束的角量子数和旋转体的转速有关。本专利技术的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法，采用具有相反角量子数±l的两路复用贝塞尔高斯光束沿着旋转轴照射旋转体。由于贝塞尔高斯光束具有螺旋形波前并携带有OAM，同时入射光束还有两种不同的OAM成分，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成分分别发生了蓝移和红移，使得同一光束中含有两种不同的光频成分。这两个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：即可通过探测强度调制信号的频率来确定旋转体角速度Ω的值。特别的，由于贝塞尔高斯光束的无衍射特性，当在其传输路径中存在障碍，且该障碍的最大遮挡距离小于距旋转体的距离时，将对旋转体的探测无影响。本专利技术的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量装置，如图2所示，包括贝塞尔高斯光束生成部分和旋转体探测部分。其中贝塞尔高斯光束生成部分包括激光光源、偏振分光棱镜、全反镜、液晶空间光调制器、两个焦距为f的透镜和小孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法，其特征在于，采用具有相反角量子数的两路复用贝塞尔高斯光束沿着旋转轴照射旋转体，通过探测器测得散射光的强度调制信号，该信号傅里叶变换后即可得到强度调制频率，根据该强度调制频率可反推出旋转体的转速。

【技术特征摘要】
1.一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法，其特征在于，采用具有相反角量子数的两路复用贝塞尔高斯光束沿着旋转轴照射旋转体，通过探测器测得散射光的强度调制信号，该信号傅里叶变换后即可得到强度调制频率，根据该强度调制频率可反推出旋转体的转速。2.根据权利要求1所述的方法，其中，可一定程度上消除探测光路中障碍物的影响。3.一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量装置，其特征在于，包括贝塞尔高斯光束生成部分和旋转体探测部分。4.根据权利要求3所述的装置，其中，贝塞尔高斯光束生成部分包括激光光源、偏振分光棱镜、全反镜、液晶空间光调制器、两个焦距为f的透镜和小孔光阑，其中：所述偏振分光棱镜中的一个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；所述全反镜置于前述偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变基模高斯光束的传输方向；所述液晶空间光调制器置于全反镜的后方光路中，用于加载全息光栅，生成贝塞尔高斯光束；所述两个焦距为f的透镜和小孔光阑组成4-f成...

【专利技术属性】
技术研发人员：高春清，付时尧，王彤璐，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11