基于结构光场的三维矢量速度测量系统及测量方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112379388A(43)申请公布日2021.02.19(21)申请号202011285689.9(22)申请日2020.11.17(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)发明人张子静岑龙柱赵家乐闫茵茵(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代理人杨晓辉(51)Int.Cl.G01S17/58(2006.01)G01P3/36(2006.01)权利要求书2页说明书4页附图1页(54)发明名称基于结构光场的三维矢量速度测量系统及测量方法(57)摘要本发明的基于结构光场的三维矢量速度测量系统及测量方法涉及激光多维测速技术领域，目的是为了克服现有技术中对三维矢量速度的测量较为复杂且精度不高，以及实时性较差的问题，系统中的激光器发射出射激光通过空间光调制器进行多阶角动量复合调制生成调制信号，然后再照射待探测的运动目标生成回波信号；接收光学系统调节回波信号后使其穿过单向反射玻璃的背面加载至阵列探测器；且使得本振信号对准回波结构光场中心的径向多普勒效应光斑；阵列探测器探测四个横向多普勒效应光斑区域、以及径向多普勒效应光斑与本振信号的叠加区域，得到对应的每个时刻的总光强；并通过三维矢量速度解算模块根据每个时刻的总光强解算出运动目标的三维矢量速度。CN112379388ACN112379388A权利要求书1/2页1.基于结构光场的三维矢量速度测量系统，其特征在于，包括激光器(1)、单模光纤(2)、光纤分束器(3)、空间光调制器(4)、4F系统(5)、发射光学系统(6)、接收光学系统(7)、光纤准直器(8)、单向反射玻璃(9)、阵列探测器(10)和三维矢量速度解算模块(11)；所述激光器(1)发射出射激光信号至单模光纤(2)，单模光纤(2)选取出射激光信号中的单横模高斯模式激光信号入射至光纤分束器(3)，所述光纤分束器(3)将入射的单横模高斯模式激光信号分为两路，一路单横模高斯模式激光信号入射至所述空间光调制器(4)；另一路单横模高斯模式激光信号作为本振信号入射至光纤准直器(8)；所述空间光调制器(4)对入射的单横模高斯模式激光信号进行多阶角动量复合调制生成调制信号，并入射至4F系统(5)；所述调制信号是-4阶、0阶和4阶的多阶轨道角动量叠加的光束；且调制结构光场呈十字结构，包括位于中心的一个径向多普勒效应光斑和位于所述径向多普勒效应光斑四周的四个横向多普勒效应光斑；所述调制结构光场为调制信号的结构光场；所述4F系统(5)从入射的调制信号中筛选出1级调制信号发射至所述发射光学系统(6)；所述发射光学系统(6)将所述1级调制信号照射待探测的运动目标，所述待探测的运动目标将1级调制信号反射生成回波信号入射至接收光学系统(7)；且回波结构光场与调制结构光场的结构相同；所述回波结构光场为回波信号的结构光场；所述接收光学系统(7)调节所述回波信号后使其穿过单向反射玻璃(9)的背面加载至所述阵列探测器(10)；所述光纤准直器(8)将入射的本振信号调节后发射至单向反射玻璃(9)的反射面；所述本振信号经单向反射玻璃(9)的反射面反射后加载至所述阵列探测器(10)，且使得所述本振信号对准所述回波结构光场中心的径向多普勒效应光斑；所述阵列探测器(10)，用于探测回波结构光场的四个横向多普勒效应光斑区域、以及径向多普勒效应光斑与本振信号的叠加区域，得到对应的每个时刻的总光强；并将所述对应的每个时刻的总光强发送至三维矢量速度解算模块(11)；三维矢量速度解算模块(11)，与阵列探测器(10)连接，用于根据所述对应的每个时刻的总光强解算出所述运动目标的三维矢量速度。2.根据权利要求1所述的基于结构光场的三维矢量速度测量系统的测量方法，其特征在于，空间光调制器(4)对入射的单横模高斯模式激光信号进行多阶角动量复合调制生成调制信号的具体方法如下：步骤一一、将-4阶、0阶和4阶的相位图叠加成复合的相位图；步骤一二、将复合的相位图加载到空间光调制器(4)上；步骤一三、在单横模高斯模式激光信号入射至所述空间光调制器(4)时，空间光调制器(4)将入射的单横模高斯模式激光信号调制为-4阶、0阶和4阶的多阶轨道角动量叠加的光束。3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，回波结构光场的径向多普勒效应光斑与本振信号的叠加区域包括1号光斑区域，该1号光斑区域对应三维矢量速度的Z方向；回波结构光场的四个横向多普勒效应光斑区域包括2号光斑区域、3号光斑区域、4号光2CN112379388A权利要求书2/2页斑区域和5号光斑区域；2号光斑区域和4号光斑区域位于经过1号光斑区域的一条横向直线上，且2号光斑区域和4号光斑区域分别对应三维矢量速度的