基于结构光场的三维矢量速度测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术的基于结构光场的三维矢量速度测量系统及测量方法涉及激光多维测速技术领域，目的是为了克服现有技术中对三维矢量速度的测量较为复杂且精度不高，以及实时性较差的问题，系统中的激光器发射出射激光通过空间光调制器进行多阶角动量复合调制生成调制信号，然后再照射待探测的运动目标生成回波信号；接收光学系统调节回波信号后使其穿过单向反射玻璃的背面加载至阵列探测器；且使得本振信号对准回波结构光场中心的径向多普勒效应光斑；阵列探测器探测四个横向多普勒效应光斑区域、以及径向多普勒效应光斑与本振信号的叠加区域，得到对应的每个时刻的总光强；并通过三维矢量速度解算模块根据每个时刻的总光强解算出运动目标的三维矢量速度。动目标的三维矢量速度。动目标的三维矢量速度。

【技术实现步骤摘要】
基于结构光场的三维矢量速度测量系统及测量方法


[0001]本专利技术涉及激光多维测速
，具体涉及一种基于轨道角动量复合调制结构光场的三维矢量速度测量系统及测量方法。

技术介绍

[0002]三维矢量速度测量对科学和
都具有重要的意义，无论在气象探测和自动驾驶等民用方面，还是预警、导航和火控等军用方面。现有技术中对三维矢量速度的测量只能依靠多设备多点多角度测量合成或图像处理估算，测量方法较为复杂且精度不高，实时性较差，无法很好满足应用需求。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了克服现有技术中对三维矢量速度的测量较为复杂且精度不高，以及实时性较差的问题，提供了一种基于结构光场的三维矢量速度测量系统及测量方法。
[0004]本专利技术的基于结构光场的三维矢量速度测量系统，包括激光器、单模光纤、光纤分束器、空间光调制器、4F系统、发射光学系统、接收光学系统、光纤准直器、单向反射玻璃、阵列探测器和三维矢量速度解算模块；
[0005]激光器发射出射激光信号至单模光纤，单模光纤选取出射激光信号中的单横模高斯模式激光信号入射至光纤分束器，光纤分束器将入射的单横模高斯模式激光信号分为两路，一路单横模高斯模式激光信号入射至空间光调制器；另一路单横模高斯模式激光信号作为本振信号入射至光纤准直器；
[0006]空间光调制器对入射的单横模高斯模式激光信号进行多阶角动量复合调制生成调制信号，并入射至4F系统；
[0007]调制信号是-4阶、0阶和4阶的多阶轨道角动量叠加的光束；且调制结构光场呈十字结构，包括位于中心的一个径向多普勒效应光斑和位于径向多普勒效应光斑四周的四个横向多普勒效应光斑；调制结构光场为调制信号的结构光场；
[0008]4F系统从入射的调制信号中筛选出1级调制信号发射至发射光学系统；
[0009]发射光学系统将1级调制信号照射待探测的运动目标，待探测的运动目标将1级调制信号反射生成回波信号入射至接收光学系统；且回波结构光场与调制结构光场的结构相同；回波结构光场为回波信号的结构光场；
[0010]接收光学系统调节回波信号后使其穿过单向反射玻璃的背面加载至阵列探测器；
[0011]光纤准直器将入射的本振信号调节后发射至单向反射玻璃的反射面；本振信号经单向反射玻璃的反射面反射后加载至阵列探测器，且使得本振信号对准回波结构光场中心的径向多普勒效应光斑；
[0012]阵列探测器，用于探测回波结构光场的四个横向多普勒效应光斑区域、以及径向多普勒效应光斑与本振信号的叠加区域，得到对应的每个时刻的总光强；并将对应的每个
时刻的总光强发送至三维矢量速度解算模块；
[0013]三维矢量速度解算模块，与阵列探测器连接，用于根据对应的每个时刻的总光强解算出运动目标的三维矢量速度。
[0014]本专利技术的基于结构光场的三维矢量速度测量系统的测量方法，空间光调制器对入射的单横模高斯模式激光信号进行多阶角动量复合调制生成调制信号的具体方法如下：
[0015]步骤一一、将-4阶、0阶和4阶的相位图叠加成复合的相位图；
[0016]步骤一二、将复合的相位图加载到空间光调制器上；
[0017]步骤一三、在单横模高斯模式激光信号入射至空间光调制器时，空间光调制器将入射的单横模高斯模式激光信号调制为-4阶、0阶和4阶的多阶轨道角动量叠加的光束。
[0018]进一步地，回波结构光场的径向多普勒效应光斑与本振信号的叠加区域包括1号光斑区域，该1号光斑区域对应三维矢量速度的Z方向；
[0019]回波结构光场的四个横向多普勒效应光斑区域包括2号光斑区域、3号光斑区域、4号光斑区域和5号光斑区域；
[0020]2号光斑区域和4号光斑区域位于经过1号光斑区域的一条横向直线上，且2号光斑区域和4号光斑区域分别对应三维矢量速度的Y正方向和Y负方向；
[0021]3号光斑区域和5号光斑区域位于经过1号光斑区域的一条纵向直线上，且3号光斑区域和5号光斑区域分别对应三维矢量速度的X正方向和X负方向。
[0022]进一步地，三维矢量速度解算模块根据对应的每个时刻的总光强解算出运动目标的三维矢量速度的具体方法如下：
[0023]步骤二一、对1号光斑区域的每个时刻的总光强的时序信号进行傅里叶变换，提取多普勒频移量Δf
z
，并通过如下公式得到三维矢量速度分量V
z
：
[0024]Δf
z
＝f0V
z
/c
[0025]其中，f0为出射激光信号的频率，c为光速；
[0026]步骤二二、对3号光斑区域和5号光斑区域的每个时刻的总光强的时序信号进行傅里叶变换，提取多普勒频移量Δf
x
，并通过如下公式得到三维矢量速度分量V
x
：
[0027]Δf
y
＝-sinα
·
f0V
y
/c
[0028]其中，α≈λl/2πr，λ为激光信号的波长，l为对应光斑区域的轨道角动量阶数，r为对应光斑区域的半径；
[0029]步骤二三、对2号光斑区域和4号光斑区域的每个时刻的总光强的时序信号进行傅里叶变换，提取多普勒频移量Δf
y
，并通过如下公式得到三维矢量速度分量V
y
；
[0030]Δf
x
＝-sinα
·
f0V
x
/c
[0031]步骤二四、将三维矢量速度分量V
x
、V
y
和V
z
根据三维坐标关系解算合成运动目标的三维矢量速度
[0032]本专利技术的有益效果是：
[0033]本专利技术无需依靠多设备多点多角度测量合成或图像处理估算等后处理算法，本专利技术在精度高实时性好的激光多普勒测速技术基础上，增加多阶轨道角动量复合调制，以轨道角动量光束的螺旋相位结构为基础通过特殊的叠加设计实现特殊的相位型结构光束，有效增加空间相位信息，从而除了传统线性多普勒效应外还可以获得横向多普勒效应，然后对回波的结构光场进行多个特征点探测解算，充分的利用径向多普勒效应和横向多普勒效
应，实现高精度实时的激光三维矢量速度测量。
附图说明
[0034]图1为本专利技术的基于结构光场的三维矢量速度测量系统的结构示意图；
[0035]图2为本专利技术的回波结构光场的结构示意图；
[0036]图3为本专利技术的回波结构光场多点检测原理示意图。
具体实施方式
[0037]具体实施方式一，本实施方式的基于结构光场的三维矢量速度测量系统，所采用的技术方案是：以轨道角动量光束的螺旋相位结构为基础通过特殊的叠加设计实现特殊的相位型结构光束，有效增加空间相位信息，从而除了传统线性多普勒效应外还可以获得横向多普勒效应，然后对回波的结构光场进行多个特征点探测解算，同时获得目标的横向速度分量和径向速度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于结构光场的三维矢量速度测量系统，其特征在于，包括激光器(1)、单模光纤(2)、光纤分束器(3)、空间光调制器(4)、4F系统(5)、发射光学系统(6)、接收光学系统(7)、光纤准直器(8)、单向反射玻璃(9)、阵列探测器(10)和三维矢量速度解算模块(11)；所述激光器(1)发射出射激光信号至单模光纤(2)，单模光纤(2)选取出射激光信号中的单横模高斯模式激光信号入射至光纤分束器(3)，所述光纤分束器(3)将入射的单横模高斯模式激光信号分为两路，一路单横模高斯模式激光信号入射至所述空间光调制器(4)；另一路单横模高斯模式激光信号作为本振信号入射至光纤准直器(8)；所述空间光调制器(4)对入射的单横模高斯模式激光信号进行多阶角动量复合调制生成调制信号，并入射至4F系统(5)；所述调制信号是-4阶、0阶和4阶的多阶轨道角动量叠加的光束；且调制结构光场呈十字结构，包括位于中心的一个径向多普勒效应光斑和位于所述径向多普勒效应光斑四周的四个横向多普勒效应光斑；所述调制结构光场为调制信号的结构光场；所述4F系统(5)从入射的调制信号中筛选出1级调制信号发射至所述发射光学系统(6)；所述发射光学系统(6)将所述1级调制信号照射待探测的运动目标，所述待探测的运动目标将1级调制信号反射生成回波信号入射至接收光学系统(7)；且回波结构光场与调制结构光场的结构相同；所述回波结构光场为回波信号的结构光场；所述接收光学系统(7)调节所述回波信号后使其穿过单向反射玻璃(9)的背面加载至所述阵列探测器(10)；所述光纤准直器(8)将入射的本振信号调节后发射至单向反射玻璃(9)的反射面；所述本振信号经单向反射玻璃(9)的反射面反射后加载至所述阵列探测器(10)，且使得所述本振信号对准所述回波结构光场中心的径向多普勒效应光斑；所述阵列探测器(10)，用于探测回波结构光场的四个横向多普勒效应光斑区域、以及径向多普勒效应光斑与本振信号的叠加区域，得到对应的每个时刻的总光强；并将所述对应的每个时刻的总光强发送至三维矢量速度解算模块(11)；三维矢量速度解算模块(11)，与阵列探测器(10)连接，用于根据所述对应的每个时刻的总光强解算出所述运动目标的三维矢量速度。2.根据权利要求1所述的基于结构光场的三维矢量速度测量系统的测量方法，其特征在于，空间光调制器(4)对入射的单横模高斯模式激光信号进行多阶角动量复合调制生成调制信号的具体方法如下：步骤一一、将-4阶、0阶和4阶的相位图叠加成复合的相位图；步骤一二、将复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子静，岑龙柱，赵家乐，闫茵茵，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：