基于双模涡旋光束的横向速度测量方法及系统.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115963289A(43)申请公布日2023.04.14(21)申请号202310182309.6(22)申请日2023.03.01(71)申请人哈尔滨工业大学地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号(72)发明人张子静王泓洋赵远张延相(74)专利代理机构哈尔滨华夏松花江知识产权代理有限公司23213专利代理师张利明(51)Int.Cl.G01P3/36(2006.01)G01P13/02(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称基于双模涡旋光束的横向速度测量方法及系统(57)摘要基于双模涡旋光束的横向速度测量方法及系统，属于激光测速领域，本发明为解决现有技术无法对目标横向速度的方向和大小进行准确测量的问题。本发明方法包括：S1、将激光进行空间相位调制生成1阶与4阶的双阶叠加态涡旋光束作为调制信号，其调制光场呈包括三个横向多普勒效应光斑的三瓣状结构；S2、筛选出1级衍射调制信号并由发射系统发射出去，照射至运动目标生成回波信号，回波信号包含三个横向多普勒效应光斑区域；S3、接收系统将回波信号加载至阵列探测器，获取回波光场的三个横向多普勒效应光斑区域；S4、通过示波器得到三个光斑区域每个时刻的光强时序信号，对其进行傅里叶变换，并解算出运动目标的横向速度大小和方向。CN115963289ACN115963289A权利要求书1/2页1.基于双模涡旋光束的横向速度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、将激光进行空间相位调制生成调制信号，所述调制信号为1阶与4阶的双阶叠加态涡旋光束，调制信号的调制光场呈包括三个横向多普勒效应光斑的三瓣状结构；S2、从S1获取的调制信号中筛选出1级衍射调制信号并由发射系统发射出去，照射至运动目标生成回波信号，所述回波信号包含三个横向多普勒效应光斑区域；S3、接收系统将回波信号加载至阵列探测器；阵列探测器探测回波信号，获取回波光场的三个横向多普勒效应光斑区域；S4、通过示波器得到三个光斑区域每个时刻的光强时序信号，对其进行傅里叶变换，并解算出运动目标的横向速度大小和方向。2.根据权利要求1所述基于双模涡旋光束的横向速度测量方法，其特征在于，回波光场沿周向均分为三个区域，分别为三个横向多普勒效应光斑区域。3.根据权利要求1或2所述基于双模涡旋光束的横向速度测量方法，其特征在于，解算出运动目标的横向速度大小和方向的过程为：S41、回波光场的三个横向多普勒效应光斑区域，每个区域中具有一个光斑，分别为1号光斑、2号光斑和3号光斑，回波光场中心点指向第i号光斑中心点连线作为第i号辅助方向矢量，运动目标横向速度的三个速度分量Vi,i＝1,2,3方向为第i号辅助方向矢量反向延长线方向；S42、通过示波器得到回波光场的三个横向多普勒效应光斑区域每个时刻的光强时序信号；S43、对步骤S42获取的光强时序信号进行傅里叶变换，提取第i号光斑区域的多普勒频移量Δfi；S44、按公式获取运动目标横向速度的三个速度分量Vi的大小，式中，α＝λmi2πri，λ为激光信号的波长，mi为第i号光斑区域的轨道角动量阶数，ri为第i号光斑的半径；f0为激光信号的频率，c为光速；S45、结合S41确定的方向和S44确定的大小获取运动目标横向速度的三个速度分量Vi，将解算出的V1、V2和V3进行矢量合成获取运动目标的横向速度的大小和方向。4.根据权利要求3所述基于双模涡旋光束的横向速度测量方法，其特征在于，步骤S41中运动目标横向速度的三个速度分量方向的确定过程为：回波光场的三个横向多普勒效应光斑区域，每个区域中具有一个光斑，分别为1号光斑、2号光斑和3号光斑，三个光斑的中心点分别为A1、A2和A3，回波光场中心点为O，则三个辅助矢量为和辅助矢量为的反向延长线方向为运动目标横向速度的速度分量V1的方向，辅助矢量为的反向延长线方向为运动目标横向速度的速度分量V2的方向，辅助矢量为的反向延长线方向为运动目标横向速度的速度分量V3的方向。5.基于双模涡旋光束的横向速度测量系统，该系统用于实现权利要求1至4任一权利要求所述方法，其特征在于，系统包括激光器(1)、透镜组(2)、1号分束器(3)、空间光调制器2CN115963289A权利要求书2/2页(4)、4F系统(5)、2号分束器(6)、发射系统(7)、运动目标(8)、接收系统(9)、阵列探测器(10)、示波器(11)和横向速度解算模块(12)；所述激光器(1)发射的激光至透镜组(2)，透镜组(2)对光束进行扩展和准直，然后通过1号分束器(3)入射到空间光调制器(4)进行空间相位调制，调制信号被1号分束器(3)反射并入射至4F系统(5)，再通过2号分束器(6)和发射系统(7)照射运动目标(8)生成