一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115932719A(43)申请公布日2023.04.07(21)申请号202211487476.3(22)申请日2022.11.24(71)申请人中国人民解放军战略支援部队航天工程大学地址101416北京市怀柔区八一路一号(72)发明人任元朱向阳邱松刘通刘政良丁友唐若愚文欣怡刘明岳(74)专利代理机构北京中政联科专利代理事务所(普通合伙)11489专利代理师陈超(51)Int.Cl.G01S5/02(2010.01)G01V8/10(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图5页(54)发明名称一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法(57)摘要本发明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CN115932719A中物体转轴位置的确定具有较大应用价值。CN115932719A权利要求书1/1页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：在涡旋光束制备方面，可以对光束不同方位角范围内的相位结构进行调整，得到不同角向方位范围内具有多个不同拓扑荷数的新型拼接涡旋光束全息图，利用偏振高斯光束照射已加载新型全息图的空间光调制器制备得到新型拼接涡旋光束。3.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：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，结合拼接涡旋光束探测旋转物体采样处理得到的旋转多普勒频谱值，可以确定物体转轴所在方位角，进而通过一次探测过程识别物体转轴位置。2CN115932719A说明书1/5页一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法技术领域[0001]本发明涉及一种基于拼接涡旋光束的转轴测量方法。本发明涉及全息计算、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。背景技术[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。本发明针对这一问题，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