一种基于涡旋光的非合作目标转速和位姿测量方法.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CN112147359A(43)申请公布日2020.12.29(21)申请号202010972934.7(22)申请日2020.09.16(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)发明人任元沙启蒙王卫杰刘通邱松丁友(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代理人陈超(51)Int.Cl.G01P3/36(2006.01)G01B11/00(2006.01)G01B11/02(2006.01)权利要求书1页说明书9页附图4页(54)发明名称一种基于涡旋光的非合作目标转速和位姿测量方法(57)摘要本发明涉及一种基于涡旋光的非合作目标转速和位姿测量方法，从旋转多普勒效应原理及散射点模型入手，先将目标上被光斑覆盖的散射点速度向椭圆切向投影，再向光束横截面投影，并将此投影速度除以光束的半径，这样便可求出涡旋光相位中的角向分量θ(t)对时间t的导数θ′(t)，进而可求得基带回波信号的旋转多普勒频移；在此基础上，通过分析在偏心和倾斜同时存在情况下的旋转多普勒频移变化情况，得出了频移极值随相对空间位置参数的变化规律，进而可求得偏心和倾斜同时存在并且涡旋光光轴无偏转时的转速和偏心距。CN112147359ACN112147359A权利要求书1/1页1.一种基于涡旋光的非合作目标转速和位姿测量方法，其特征在于：采用在空间中对目标散射点速度几何投影的方法求解回波信号中的旋转多普勒频移ΔfD，设l为探测光的拓扑荷数，Ω为目标转速，γ为入射角，θz为椭圆光斑上的方位角，d为偏心距，r为涡旋光半径，ξ为光轴偏转角，其中光轴偏转角定义为偏心距和倾斜共存时，光轴可能会绕目标表面法线转过一定角度，在光斑上表现为短轴与旋转中心和光斑中心连线的夹角，偏心距定义为光斑中心与目标旋转中心的距离，则旋转多普勒频移ΔfD为：2.根据权利要求1所述的基于涡旋光的非合作目标转速和位姿测量方法，其特征在于：根据多普勒频移表达式分析其最值随着光束和目标的空间相对位置参量变化所呈现的规律，从中找出能够解析求得目标转速表达式的条件：设ΔfDmax与ΔfDmin分别为回波信号旋转多普勒频移的最大值和最小值，则在无偏心，有倾斜情况下，转速为若同时存在偏心与倾斜，相对位置参量满足且光轴无偏转时，转速为偏心距为2CN112147359A说明书1/9页一种基于涡旋光的非合作目标转速和位姿测量方法技术领域[0001]本发明主要涉及光学、空间解析几何、立体几何、物理学、信号检测等领域，尤其是结构光束与拍频信号检测技术。技术背景[0002]光学涡旋是一类等相位面呈螺旋状的特殊光场，具有轨道角动量。在传输过程中，光束中心因相位不确定或发生突变而产生奇点，在奇点处光强为零。涡旋光由于其螺旋形的相位被广泛用于光学操控、量子探测、光学探测等领域。[0003]旋转多普勒效应是由于涡旋光具有螺旋波阵面和轨道角动量，而使得探测光的回波信号产生与目标转速相关的多普勒频移。2013年，英国的MilesPadgett教授在《Science》杂志上提出了利用涡旋光测量旋转物体转速的方法；2014年，MilesPadgett教授在《PhysicsToday》上发表文章，提出可以用经典多普勒效应解释涡旋光的旋转多普勒效应，这为后续的涡旋光探测旋转物体的发展提供了重要的理论基础。[0004]2019年，航天工程大学任元课题组在《AppliedOptics》发表文章首次分析了简单的涡旋光偏离目标旋转中心入射的情况，并发现可根据回波频谱提取目标转速。同年该课题组进一步分析了涡旋光倾斜入射的情况，并得出了相应的转速探测方法。两篇文章将涡旋光正对旋转中心垂直入射的情况向一般情况拓展，是利用涡旋光探测非合作目标转速的开端。[0005]非合作目标泛指不可控的，不能提供有效信息的目标，例如太空垃圾，失控的卫星等，这些都会对工程任务造成一定程度的影响，因此，如何判断其运动状态和所在位置显得尤为重要。除此之外，当涡旋光入射到一非合作目标时，在空间上探测光和目标的相对位置会有不确定性，一般来说会有以下特点：[0006](1)目标上的光斑中心偏离旋转中心；[0007](2)光轴与目标表面法向存在夹角，即倾斜入射；[0008](3)光轴和旋转轴的空间位置具有不确定性。[0009]针对以上三个特点，本方法利用几何投影的方式求解回波信号的旋转多普勒频移，并分析频移最值的变化规律，通过提取频移最值得到目标转速与光束入射位置的偏心距，为非合作目标探测领域提供了新思路与新的解决方案，同时也为后续的相关领域研究奠定基础。发明内容[0010]本发明的技术解决问题是：利用涡旋光探测非合作目标时，非合作目标与涡旋光