一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法。基于完整涡旋光束的旋转多普勒效应已被广泛应用于转速测量，但均不能确定被探测物体旋转中心，非完整涡旋光束由于打破了光束的圆对称性，因此能够对被探测物体转轴位置敏感。在此基础上，通过在不同方位角向加载不同拓扑荷数的非完整涡旋光束产生拼接涡旋光束，提出了一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法。首先利用偏振片调整偏振方向，产生线性偏振光束，其次调节全息图的相位结构，得到不同方位角范围内具有不同拓扑荷数的拼接涡旋光束全息图，加载到空间光调制器上，之后，将线性偏振光束照射在空间光调制器上产生拼接涡旋光束，用于探测旋转物体，通过收集回波信号，使用计算机处理得到的频谱分布的不同确定物体转轴所在方位。该方法可以灵活调控不同方位角的拓扑荷数，实现装置简单、探测效率高，对实际测量中物体转轴位置的确定具有较大应用价值。中物体转轴位置的确定具有较大应用价值。中物体转轴位置的确定具有较大应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法


[0001]本专利技术涉及一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法。本专利技术涉及全息计算、涡旋光制备、光学探测领域，采用复振幅调制的方法产生新型拼接涡旋光束用于旋转物体探测，通过分析一次照射得到的回波频谱，便能确定物体转轴所在方位。

技术介绍

[0002]涡旋光束是一种具有螺旋形波前和相位因子的特殊结构光束。自1992年涡旋光束具有轨道角动量这一特性被L.Allen等人发现以来，得到了国内外学者的广泛关注，目前涡旋光束已经被应用在在旋转探测、超大容量光通信、天文测量技术等众多领域。其中在遥感探测中，涡旋光束表现出巨大的潜力，基于涡旋光束的旋转多普勒效应应运而生，传统多普勒效应仅能检测平行于光束的平移运动速度，对于物体表面的旋转运动无能为力，而旋转多普勒效应能够有效对物体的角向运动敏感，产生频率偏移，从而测得旋转物体的转速，这极大弥补了传统雷达探测的缺陷。
[0003]但目前大多数旋转多普勒效应研究采用完整涡旋光束，仅能检测物体的转速大小、方向等信息，无法定位转轴位置，而非完整涡旋光束在保留了自身轨道角动量特性的同时，打破了光束的圆对称性，能够对物体方位敏感，可以在物体转速探测中获取有关物体的新运动信息，有助于解决物体旋转中心确定这一问题。之前关于涡旋光束确定物体中心的一些研究虽然采用了非完整涡旋光束，但确定过程均需改变光束参数进行多次测量，过程较为复杂，所需时间较长，测量过程中物体运动状态可能已经发生改变，使得测量精度较低，定位效果较差。本专利技术针对这一问题，采用三束在不同起始方位角具有不同拓扑荷数的非对称缺陷叠加态涡旋光束接合构建的拼接涡旋光束作为光源，照射旋转物体，通过单次探测，可以快速得到物体转轴的方位，相较于之前的转轴确定方案，该方法操作简单、实用价值大、极大提高了遥感探测中物体旋转中心位置确定的效率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术解决问题是：针对旋转物体转轴中心确定的问题，提出了一种利用新型拼接涡旋光束单次探测实现转轴方位测量的方法。本方法相较于之前方案，极大提高了探测效率，简化了实际应用中的操作流程，解决了物体转轴中心实时定位的问题。
[0005]本专利技术的技术解决方案是：
[0006]本专利技术涉及一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法：
[0007](1)首先改变不同方位角范围光束的相位结构，得到拼接涡旋光束全息图，利用偏振光束照射已加载光学涡旋全息的空间光调制器，得到拼接涡旋光束，并使用拼接涡旋光束照射旋转物体，利用光电探测器接收散射光信号，之后经过采集卡采集，传输到计算机上进行滤波、傅里叶变换等处理后得到旋转多普勒频谱，并根据频谱值与转轴中心所在角度的表达式确定物体转轴所在位置。
[0008](2)在拼接涡旋光制备方面，需要在不同方位角范围内改变全息图的相位结构，调
节涡旋全息图中的拓扑荷数，得到拼接涡旋光束全息图，之后将激光器出射光通过4f系统扩束准直并利用偏振片进行偏振调节后，照射到已加载新型拼接涡旋光束全息图的空间光调制器上，挑选出光强和模式纯度较好的第一级衍射光作为探测所需拼接涡旋光束。
[0009](3)在物体转轴方位识别方面，首先基于非共轴旋转多普勒效应，建立以拼接涡旋光束为光源的旋转多普勒频谱值与物体转轴方位角之间的表达式。之后利用拼接涡旋光束探测旋转物体，使用光电探测器对散射光进行收集，对信号处理后得到旋转多普勒频谱，结合频谱及其与转轴方位之间的变化关系式，确定物体转轴所在方位。
[0010]本专利技术的原理是：
[0011]一束完整涡旋光束在柱坐标系下的电场表达式为，
[0012][0013]式中为光束振幅，为方位角，r为径向距离，z为传播距离，k＝λ/2π为波数，l为拓扑荷数。基于式(1)，利用复振幅调制法调节全息图中不同角向范围内涡旋光束相位和振幅信息，得到三部分方位角范围内拓扑荷数不同的非完整涡旋光束，接合成为拼接涡旋光束，表达式为：
[0014][0015]其中其中为某一拓扑荷数光束中未被遮挡的扇形方位角值，为三个不同的方位角，为阶跃函数，为阶跃函数，大于等于最终构建的拼接涡旋光束利用自身非对称缺陷以及多拓扑荷数的特性，来实现对旋转物体转轴的敏感识别。
[0016]涡旋光束准直照射转速为Ω的旋转物体时，会出现旋转多普勒频移，根据光与物质相互作用前后能量和角动量守恒，转速为Ω0的旋转粒子为对抗每个具有大小为轨道角动量的光粒子的旋转扭矩，将大小为的能量传递给每个光子，其中l为拓扑荷数，为普朗克常量，使得散射光信号产生单一频率偏移值Δf，大小可表示为，
[0017][0018]当光束传播轴与物体转轴存在横向偏移d时，为定量分析回波信号的频移变化值，从空间变换的角度出发，以涡旋光束中心为原点，x轴正半轴为方位角起始位置建立笛卡尔坐标系，每个微小散射点的角度由表示，物体旋转轴相对于光束中心的位置由θ确定，如图2所示，根据图中几何关系可以得到：
[0019][0020]其中d为物体旋转中心与光束中心的横移距离，R为光斑上散射点与旋转中心的距离，r为涡旋光束半径。由式(4)可以得到物体粒子线速度v与涡旋光束切线方向的夹角γ为，
[0021][0022]将线速度v沿涡旋光束横截面切线方向与光束中心
‑
粒子连线的径向方向分解，得到旋转粒子传递到光粒子的角速度Ω0表达式，
[0023][0024]最终不同方位角处的散射光粒子产生的旋转多普勒频移Δf为，
[0025][0026]其中l为拓扑荷数，最终拼接涡旋光束得到的频谱由非完整涡旋光束的不同覆盖范围和物体旋转中心角度θ共同决定。当物体处于不同位置时，θ值发生变化，而不同拓扑荷数非完整涡旋光只在有限且固定的角度范围存在，因此拼接涡旋光束产生的旋转多普勒频移峰值及展宽变化便只与转轴位置相关联。当采用上述拼接涡旋光束作为入射光束时，不同方位角处的拓扑荷数不同，产生的中心频移值也不同，旋转多普勒频移出现三个峰值，而转轴所处方位角θ不同，三个不同频移处的峰值将会出现不同的变化，根据角度θ与三个峰值变化之间的规律，可以确定物体转轴所在方位。
[0027]本专利技术方案与现有方案相比，主要优点在于：
[0028](1)本方案光路简单，便于操作，通过在空间光调制器上加载一种已调制完成的拼接涡旋光束全息图，便可实现光束的产生及对物体转轴的探测，不必频繁更换全息图，调节光路。
[0029](2)本方案探测效率高，仅通过一次探测便可确定物体转轴方位。之前物体旋转中心的确定需要使用涡旋光束进行多次探测，才能确定物体旋转中心，本方案相较于之前方法，仅通过一次探测数据便可实现转轴位置的确定，大幅度提高了探测效率。
[0030](3)本方案鲁棒性好，可灵活更改拼接光束的拓扑荷数和非完整涡旋光所在方位以实现对不同情况下的旋转物体转轴中心的确定，例如当光束传播轴与物体转轴横向偏移
较大时，可适当增加组成拼接涡旋光束的拓扑荷数间隔，使得频谱区分更加清晰，更加精准的确定转轴所在位置。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法，首先改变不同方位角范围内光束的相位结构，调制得到拼接涡旋光束的新型全息图，其次将激光器的出射光空间滤波并进行偏振调制后，照射在已加载新型全息图的空间光调制器上，产生拼接涡旋光束，之后，将拼接涡旋光束照射在旋转物体上，利用光电探测器接收散射光并转化为电信号，通过数据采集卡进行采样，最后根据建立的转轴位置与旋转多普勒频移谱的关系式，并结合已进行滤波、傅里叶变换处理后的旋转多普勒频谱，确定旋转物体转轴所在方位。2.根据权利要求1所述的一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：任元，朱向阳，邱松，刘通，刘政良，丁友，唐若愚，文欣怡，刘明岳，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：