【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学测量领域，更具体地，涉及一种基于多芯光纤的矢量旋转测量方法及装置。
技术介绍
1、众所周知，多普勒效应由波源和观察者之间的相对运动引起，其在光学和声学测量领域有着广泛的作用。基于多普勒效应发展起来的多普勒测速技术通常具有空间分辨率高、测量范围广、非接触等优点。在多普勒效应发展的漫漫历程中，研究者往往关注光场在与物体相互作用过程中的频率变化。近来，随着研究者们对光场维度的探索，基于偏振随空间变化的矢量偏振光场，一种矢量多普勒效应被揭示与证实，它作为对传统多普勒效应的一种全新的拓展，为旋转运动速度的大小和方向的同时获取提供了新的途径。然而这种矢量偏振光场需要自由空间的复杂器件产生，且在传输过程中严格控制光场的偏振，这种特性难以通过普通光纤架构实现。而考虑到光纤对于现代光学系统的优势，以及标量场在光纤中传输的简便性，因此，找到一种通过标量光场针对矢量运动的测量方法是极其必要的。通常，传统的标量光场只从运动中提取关于速度大小的信息，以相反旋转方向运动的物体在通常标量光场中展现出相同的信号。而对于空间非对称标量光场，相反旋转方向的信号在时域上会产生明显的反转。可见，旋转运动状态的变化在空间非对称标量光场中产生的矢量信号将展现出极其明显的变化特性。与依赖偏振和相位控制的矢量光场相比，仅强度相关的非对称标量光场在简化矢量测量的实际系统上更有意义。这种非对称标量光场可以由光纤产生，也可以在光纤中传输，既不依赖相干光源也不需要在传输过程中对光的偏振进行严格控制，降低测量系统的复杂性，具有广泛的应用价值。
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1、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于多芯光纤的矢量旋转测速方法和装置，目的在于突破传统标量光场对矢量旋转运动测量上的局限性，实现通过光纤架构对旋转运动粒子的速度大小和方向进行同时测量，填补相关技术的空白。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于多芯光纤的矢量旋转测速方法，包括以光源发射出多路光，由多芯光纤通过扇入扇出模块选择特定数量和位置的纤芯接收，多芯光纤进而传输结构化非均匀空间分布的标量光场，标量光场经过探头作为探测光准直照射旋转运动微粒(角速度为ω)，旋转运动微粒反射出携带运动信息的信号光，信号光经过探头会聚至中心纤芯被收集，实现探测光与信号光由同一束光纤传输，进而对旋转运动远程测量。检测端对信号光进行傅里叶分析得到傅里叶幅度谱和相位谱，通过傅里叶幅度谱中的频率峰计算旋转运动微粒速度的大小，利用傅里叶相位谱对应的相对相位差值计算推断出旋转运动微粒速度的方向，实现基于多芯光纤的矢量旋转运动微粒的测量。
3、优选地，对于探测光为几何非对称标量光场的情况，多芯光纤选择几何非对称的外环纤芯通光，且输送的光功率相同，产生的探测光场为非均匀空间分布标量光场，在标量光场的作用下，旋转运动微粒反射出信号光，对信号光进行傅里叶分析，由傅里叶幅度谱提取第一频率峰和第二频率峰根据相邻两频率峰的频率差值可以计算出旋转运动微粒速度的大小再由傅里叶相位谱提取第一频率峰和第二频率峰对应的相位，计算相对相位差值，根据相对相位差值的符号判断旋转运动微粒速度的方向。
4、优选地，对于探测光为强度非对称标量光场的情况，多芯光纤选择几何对称的外环纤芯通光，且每个纤芯输送的光功率不同，产生的探测光场为非均匀空间分布标量光场，在标量光场的作用下，旋转运动微粒反射出信号光，对信号光进行傅里叶分析，由傅里叶幅度谱提取第一频率峰和第二频率峰根据相邻两频率峰的频率差值可以计算出旋转运动微粒速度的大小再由傅里叶相位谱提取第一频率峰和第二频率峰对应的相位，计算相对相位差值，根据相对相位差值的符号判断旋转运动微粒速度的方向。
5、优选地，对于多芯光纤选择特定数目和位置的外环纤芯传输探测光，以及单个中心纤芯接收信号光，光纤长度不限。探测光为几何非对称标量光场的情况下，选择通光的纤芯数目不少于三个，且构成几何非对称结构。探测光为强度非对称标量光场的情况下，选择通光的纤芯数目不少于两个。其中，形成几何非对称标量光场分为两种方式：其一，多芯光纤原本具有圆对称结构纤芯分布，通过选择部分非对称的外环纤芯通光形成探测光场；其二，多芯光纤是经过设计被制造出具有非对称纤芯分布的结构，对所有外环纤芯通光形成探测光场。
6、优选地，对于光源为多个输入源，与多芯光纤的匹配形式分为两种：其一，同一光源由分束器分为多条同源光连接到多芯光纤，以匹配外环纤芯的数目；其二，不同光源分别输出光连接到各自对应的纤芯。另外，光源对波长不限制，由此构建无相干依赖性、无波长依赖性的检测装置。
7、按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于多芯光纤的矢量旋转测速装置，包括：光源、扇入扇出模块、多芯光纤、探头、检测设备。其中，光源发射出多路光，由扇入扇出模块选择多芯光纤特定的外环纤芯接收，多芯光纤进而传输结构化非均匀空间分布的标量光场，标量光场经过探头作为探测光照射旋转运动微粒，旋转运动微粒反射出携带运动信息的信号光，信号光经过探头被收集至多芯光纤的中心纤芯，实现探测光与信号光由同一束光纤传输，以及对旋转运动的远程测量。信号光于中心纤芯经由扇入扇出模块连接至检测设备，检测设备对信号光进行傅里叶分析得到傅里叶幅度谱和相位谱，通过傅里叶幅度谱中的频率峰计算旋转运动微粒速度的大小，利用傅里叶相位谱对应的相对相位差值计算推断出旋转运动微粒速度的方向，实现基于多芯光纤的矢量旋转测速。
8、优选地，对于多芯光纤，从端面上看包括一圈外环纤芯和中心纤芯，传输探测光的外环纤芯数量与非均匀照明方案匹配，接收信号光的中心纤芯是单独的。多芯光纤长度不限，由低损耗长光纤实现远程测量。其中，形成几何非对称标量光场有两种方式：其一，多芯光纤原本具有圆对称结构纤芯分布，通过扇入扇出模块选择部分非对称的外环纤芯通光形成探测光场；其二，多芯光纤在工艺上被制造成具有非对称纤芯分布的结构，对所有外环纤芯通光形成探测光场。
9、优选地，对于光源发出多路光被光纤接收，其形式有两种：其一，单一激光器输出激光，由分束器分为多条同源光连接到多芯光纤，以匹配特定外环纤芯的数目；其二，不同激光器分别输出激光连接到各自对应的纤芯。光源对波长无限制，在多芯光纤的低损耗波长范围内，采用窄线宽激光器或宽谱激光器，由此构建的测速装置无相干依赖性，且无波长依赖性。
10、优选地，对于扇入扇出模块，将一束多芯光纤与多束单模光纤进行低损耗耦合，使多芯光纤的每个纤芯被独立控制。扇入扇出模块采用全光纤器件、集成芯片器件或自由空间分立元器件组成，多芯光纤包含的每个纤芯都连接到一根独立的光纤跳线。经过扇入扇出模块的选择，多芯光纤传输的光路分为两种，被选择的外环纤芯接收光源提供的光形成探测光，中心纤芯收集旋转运动微粒返回的光形成信号光，由此构建探测光与信号光于同一根光纤传输的测速装置。
11、优选地，对于光纤探头装置，采用透镜、物镜、光纤准直镜或集成在光纤端面的加工结构对光路进行调节，将探测光扩束并准直照射于旋转运动待测对象，同时在信号光回传时将信号光会本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于多芯光纤的矢量旋转测速方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的测速方法，其特征在于，所述频率峰按照峰值频率从小到大的顺序取前两个依次为：第一频率峰和第二频率峰，峰值频率分别为
3.根据权利要求2所述的测速方法，其特征在于，在所述傅里叶相位谱得到第一频率峰对应的相位和第二频率峰对应的相位计算第一频率峰和第二频率峰的相对相位差值根据所述相对相位差值的符号判断旋转运动微粒速度的方向。
4.一种基于多芯光纤的矢量旋转测速装置，其特征在于，包括：光源、扇入扇出模块、多芯光纤、探头、检测设备；其中，所述光源用于发射多路光，由所述扇入扇出模块选择所述多芯光纤通光的外环纤芯接收，产生结构化非均匀空间分布的标量光场，所述多芯光纤用于传输所述标量光场，所述标量光场经过所述探头作为探测光照射旋转运动微粒，所述旋转运动微粒反射出携带运动信息的信号光，所述信号光经过所述探头被收集至所述多芯光纤的中心纤芯，所述信号光再经由所述扇入扇出模块连接至检测设备，所述检测设备对所述信号光进行傅里叶分析得到傅里叶幅度谱和相位谱，通过所述傅里叶幅度谱中的频率峰计算
5.根据权利要求4所述的测速装置，其特征在于，所述多芯光纤包括：中心纤芯，设置在所述多芯光纤的中心位置；外环纤芯，设置在所述中心纤芯周围一圈，且每个外环纤芯与所述中心纤芯之间、以及每个外环纤芯之间，距离相等，所述中心纤芯与任意一个外环纤芯之间、以及每个外环纤芯之间，传输的能量无串扰或弱串扰；通过所述扇入扇出模块选择部分非对称的外环纤芯通光形成探测光场。
6.根据权利要求4所述的测速装置，其特征在于，所述多芯光纤包括：中心纤芯，设置在所述多芯光纤的中心位置；外环纤芯，设置在所述中心纤芯周围，且每个外环纤芯与所述中心纤芯之间、以及每个外环纤芯之间，距离不相等，所述中心纤芯与任意一个外环纤芯之间、以及每个外环纤芯之间，传输的能量无串扰或弱串扰；通过所述扇入扇出模块选择所有外环纤芯通光形成探测光场。
7.根据权利要求4所述的测速装置，其特征在于，所述标量光场为几何非对称光场，提供给纤芯的光功率是均匀的，通光的外环纤芯在空间几何分布上呈不对称形式。
8.根据权利要求4所述的测速装置，其特征在于，所述标量光场为强度非对称光场，提供给纤芯的光功率是不均匀的，通光的外环纤芯在空间强度分布上呈不对称形式，在空间几何分布上为除了沿光纤端面直径轴对称的其他形式。
9.根据权利要求4所述的测速装置，其特征在于，所述光源为单一激光器，经过分束输出多条相同的同源光，形成的多路光连接到所述多芯光纤，所述多路光在数量上匹配通光的外环纤芯的数目。
10.根据权利要求4所述的测速装置，其特征在于，所述光源为多个激光器，输出的多条光形成多路光连接到所述多芯光纤，所述多路光在数量上匹配通光的外环纤芯的数目。
...【技术特征摘要】
1.一种基于多芯光纤的矢量旋转测速方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的测速方法，其特征在于，所述频率峰按照峰值频率从小到大的顺序取前两个依次为：第一频率峰和第二频率峰，峰值频率分别为
3.根据权利要求2所述的测速方法，其特征在于，在所述傅里叶相位谱得到第一频率峰对应的相位和第二频率峰对应的相位计算第一频率峰和第二频率峰的相对相位差值根据所述相对相位差值的符号判断旋转运动微粒速度的方向。
4.一种基于多芯光纤的矢量旋转测速装置，其特征在于，包括：光源、扇入扇出模块、多芯光纤、探头、检测设备；其中，所述光源用于发射多路光，由所述扇入扇出模块选择所述多芯光纤通光的外环纤芯接收，产生结构化非均匀空间分布的标量光场，所述多芯光纤用于传输所述标量光场，所述标量光场经过所述探头作为探测光照射旋转运动微粒，所述旋转运动微粒反射出携带运动信息的信号光，所述信号光经过所述探头被收集至所述多芯光纤的中心纤芯，所述信号光再经由所述扇入扇出模块连接至检测设备，所述检测设备对所述信号光进行傅里叶分析得到傅里叶幅度谱和相位谱，通过所述傅里叶幅度谱中的频率峰计算所述旋转运动微粒速度的大小，利用所述傅里叶相位谱对应的相对相位差值计算推断出所述旋转运动微粒速度的方向，实现基于多芯光纤的矢量旋转测速。
5.根据权利要求4所述的测速装置，其特征在于，所述多芯光纤包括：中心纤芯，设置在所述多芯光纤的中心位置；外环纤芯，设置在所述中心纤芯周围一圈，且每个外环纤...
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