本发明专利技术涉及旋转物体角速度测量领域，公开了基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置和方法，装置包括异拓扑荷涡旋光生成系统、拍频测量系统、信号处理系统，异拓扑荷涡旋光生成系统用于分别产生携带正拓扑荷的涡旋参考光和携带负拓扑荷的涡旋测量光；拍频测量系统用于将参考光和入射至待测旋转物体的测量光合束产生拍频信号并进行光电转换后发送至信号处理系统得到待测旋转物体的角速度的大小与方向。本发明专利技术实现待测旋转物体角速度大小与方向的测量，其测量精度高、测量范围大、操作简单，可以广泛应用于旋转物体角速度测量领域。域。域。
【技术实现步骤摘要】
基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置和方法
[0001]本专利技术涉及旋转物体角速度测量领域，具体涉及一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量方法和装置，可以对旋转物体角速度的大小和方向同时测量。
技术介绍
[0002]近年来，旋转物体被广泛应用于国防军工、精密仪器以及航空航天等领域。其中，旋转物体的角速度在探测旋转微粒、流体旋转测量、自由空间旋转遥感和雷达旋转探测等方面起着至关重要的作用。因此，精确监测和控制旋转物体角速度的大小与方向具有重要意义。
[0003]传统的角速度测量方法包括测频法、测周期法、频率周期同步法等，这些方法往往需要复杂的电路设计，并且存在精度低，测量误差较大的缺陷。相比于传统的转速测量方法，旋转多普勒效应法测量旋转物体角速度的研究已经成为光学探测领域的热门，这种方法的光路设计具有简洁易操作、测量目标范围广泛等优势。目前，基于旋转多普勒效应法进行角速度测量只能获得角速度大小，不能实现方向测量。
[0004]将异拓扑荷涡旋光与旋转多普勒效应测量法有效结合，通过引入参考目标，可以实现旋转物体角速度的大小与方向同步测量，而且提供了更高的测量分辨率。通过任意拓扑荷涡旋光的组合，扩大测量范围。此外，通过探测光光轴与旋转轴的校准，实现了角速度测量精度的进一步提高。因此，一种基于异拓扑荷涡旋光旋转多普勒效应的角速度测量方法可以实现高精度的角速度大小与方向的同步测量。
技术实现思路
[0005]本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种精度高、测量范围大、操作简单的基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量方法和装置，以实现待测物体角速度的大小和方向的同时表征。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，包括异拓扑荷涡旋光生成系统、拍频测量系统、信号处理系统，所述异拓扑荷涡旋光生成系统用于分别产生携带拓扑荷的两束涡旋光作为参考光和测量光；所述拍频测量系统包括合光器件、参考旋转物体和探测器；
[0007]所述参考光经合光器件、参考旋转物体后入射至探测器，所述测量光入射至待测旋转物体产生信号光后，信号光经合光器件后与参考光束重合，然后经参考旋转物体后入射至探测器；所述测量光的光轴分别与参考旋转物体和待测旋转物体的旋转轴重合；
[0008]所述探测器用于将所述参考光和信号涡旋光的拍频信号进行光电转换后发送至所述信号处理系统得到待测旋转物体的角速度的大小与方向。
[0009]所述异拓扑荷涡旋光生成系统包括：激光器、光纤分束器、第一空间光调制器、第二空间光调制器；所述激光器经光纤分束器分为两束后，分别经过第一空间光调制器和第二空间光调制器产生两束携带拓扑荷的涡旋光。
[0010]所述异拓扑荷涡旋光生成系统还包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一反射镜、第三反射镜、第二反射镜、第四反射镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜；
[0011]所述激光器经光纤分束器分为两束后，一束经第一聚焦透镜、第一反射镜后入射至第一空间光调制器，经第一空间光调制器产生的携带正拓扑荷的涡旋光经第三反射镜和第三聚焦透镜后输出；另一束经第二聚焦透镜、第二反射镜后入射至第二空间光调制器，经第二空间光调制器产生的携带负拓扑荷的涡旋光经第四反射镜和第四聚焦透镜后输出。
[0012]所述信号处理系统包括频谱分析仪和计算系统，所述频谱分析仪用于对拍频信号进行傅里叶变换获得频率信息，所述计算系统用于根据拍频频率信息，计算得到待测旋转物体角速度。
[0013]待测旋转物体角速度的计算公式为：
[0014][0015]其中，ω
x
表示待测旋转物体角速度，ω
x
＞0，表示角速度方向为正，否则表示为负；ΔF表示参考光束与测量光束的测量拍频频差，l1和l2分别表示参考光路与测量光路的涡旋光携带的拓扑荷；ω0表示参考旋转物体的旋转角速度。
[0016]所述参考光为携带正拓扑荷的涡旋光，所述测量光为携带负拓扑荷的涡旋光。
[0017]所述激光器为外腔半导体激光器，所述第一空间光调制器和第二空间光调制器为相位型空间光调制器，通过计算机加载全息图分别生成两种携带不同拓扑荷的涡旋光。
[0018]所述信号处理系统还包括显示屏，所述显示屏用于显示待测旋转物体的角速度信息。
[0019]此外，本专利技术还提供了一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的方法，采用所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置，包括以下步骤：
[0020]S1、当测量光路上未设置待测旋转物体时，设置参考旋转物体角速度为ω0，取ω0>0，获取参考光束与探测光束的拍频频率，作为参考光束与测量光束的参考拍频频差Δf0；
[0021]S2、将待测旋转物体设置在测量光路上，保持参考旋转物体角速度不变，获取参考光束与探测光束的拍频频率，作为参考光束与测量光束的测量拍频频差ΔF；
[0022]S3、计算待测旋转物体角速度ω
x
，计算公式为：
[0023][0024]其中，l2表示测量光束的涡旋光携带的拓扑荷大小。
[0025]所述步骤S2中，还包括校准光轴与待测旋转物体的旋转轴的步骤，其具体方法为：
[0026]在待测旋转物体上设置两条透射带，两条所述透射带以通过旋转轴中心的一条直线为边界，且两条透射带的透射率不同；
[0027]使光束入射到待测旋转物体，通过探测器接收透射光的信号强度；
[0028]调节光束的光轴或者待测旋转物体的位置，直至探测器接收信号的振荡幅度达到最小。
[0029]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0030]本专利技术提供了一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置及方法，通过参考光束和测量光束的拍频测量，可以实现待测旋转物体角速度大小与方向的同时测量，其测量精度高、测量范围大、操作简单；实验结果证明，本专利技术将成为旋转物体角速度监测
的有力工具。
附图说明
[0031]图1为本专利技术实施例提供的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置结构示意图；
[0032]图2为光轴与旋转轴偏离位置示意图(a)和不同偏离距离的信号强度(b)；
[0033]图3为空间光调制器加载的相位全息图与产生的涡旋光模式；
[0034]图4为光轴与旋转轴偏离时角速度测量示意图(a)和光轴与旋转轴重合角速度测量示意图(b)；
[0035]图5为获得的拍频信号图；
[0036]其中：1为激光器，2为光纤分束器，3为第一聚焦透镜，4为第二聚焦透镜，5为第一反射镜，6为第一空间光调制器，7为第三反射镜，8为第二反射镜，9为第二空间光调制器，10为第四反射镜，11为第三聚焦透镜，12为第四聚焦透镜，13为第五反射镜，14为待测旋转物体，15为合光器件，16为第六反射镜，17为参考旋转物体，18为探测器，19为频谱分析仪，20为频率本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，包括异拓扑荷涡旋光生成系统（I）、拍频测量系统(Ⅱ)、信号处理系统(Ⅲ)，所述异拓扑荷涡旋光生成系统（I）用于分别产生携带拓扑荷的两束涡旋光作为参考光和测量光；所述拍频测量系统(Ⅱ)包括合光器件、参考旋转物体（17）和探测器（18）；所述参考光经合光器件、参考旋转物体（17）后入射至探测器（18），所述测量光入射至待测旋转物体（14）产生信号光后，信号光经合光器件后与参考光束重合，然后经参考旋转物体（17）后入射至探测器（18）；所述测量光的光轴分别与参考旋转物体（17）和待测旋转物体（14）的旋转轴重合；所述探测器用于将所述参考光和信号涡旋光的拍频信号进行光电转换后发送至所述信号处理系统(Ⅲ)得到待测旋转物体（14）的角速度的大小与方向。2.根据权利要求1所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，所述异拓扑荷涡旋光生成系统（I）包括：激光器（1）、光纤分束器（2）、第一空间光调制器（6）、第二空间光调制器（9）；所述激光器（1）经光纤分束器（2）分为两束后，分别经过第一空间光调制器（6）和第二空间光调制器（9）产生两束携带拓扑荷的涡旋光。3.根据权利要求2所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，所述异拓扑荷涡旋光生成系统（I）还包括第一聚焦透镜（3）、第二聚焦透镜（4）、第一反射镜（5）、第三反射镜（7）、第二反射镜（8）、第四反射镜（10）、第三聚焦透镜（11）、第四聚焦透镜（12）；所述激光器（1）经光纤分束器（2）分为两束后，一束经第一聚焦透镜（3）、第一反射镜（5）后入射至第一空间光调制器（6），经第一空间光调制器（6）产生的携带正拓扑荷的涡旋光经第三反射镜（7）和第三聚焦透镜（11）后输出；另一束经第二聚焦透镜（4）、第二反射镜（8）后入射至第二空间光调制器（9），经第二空间光调制器（9）产生的携带负拓扑荷的涡旋光经第四反射镜（10）和第四聚焦透镜（12）后输出。4.根据权利要求1所述的一种基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量的装置，其特征在于，所述信号处理系统（Ⅲ）包括频谱分析仪（19）和计算系统（21），所述频谱分析仪用于对拍频信号进行傅里叶变换获得频率信息，所述计算系统（21）用于根据拍频频率信息，计算得到待测旋转物体角速度。5.根据权利要求1所述的一种基于异拓...
【专利技术属性】
技术研发人员：元晋鹏，汪丽蓉，王学文，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：
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