一种基于涡旋光旋转多普勒效应的飞行体角速度测量方法.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CN105738643A(43)申请公布日2016.07.06(21)申请号201610079256.5(22)申请日2016.02.03(71)申请人中国人民解放军装备学院地址101416北京市怀柔区八一路一号(72)发明人任元王刚蔡远文谢璐刘政良李基成蕊林源(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代理人谢磊(51)Int.Cl.G01P3/36(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图3页(54)发明名称一种基于涡旋光旋转多普勒效应的飞行体角速度测量方法(57)摘要本发明涉及一种基于涡旋光旋转多普勒效应的飞行体角速度测量方法。根据涡旋光旋转多普勒效应原理，将涡旋光产生系统和测量系统放置于飞行体旋转轴上；首先根据涡旋光波函数利用相位调制的方法产生轨道角动量拓扑荷数为l的涡旋光；涡旋光产生系统和涡旋光光束与飞行体的同步转动诱发旋转多普勒效应，使得涡旋光携带飞行体运动信息；调节涡旋光光路改变其转播方向并经过调制过滤后再接收并测量涡旋光的波形；通过波形解析将涡旋光携带的飞行体运动信息提取出来并利用涡旋光旋转多普勒效应结论得到飞行体的角速度信息。本发明属于惯性技术中新概念陀螺领域，可应用于高精度的飞行体角速度测量。CN105738643ACN105738643A权利要求书1/1页1.本发明涉及一种基于涡旋光旋转多普勒效应的飞行体角速度测量方法。根据涡旋光旋转多普勒效应原理，将涡旋光产生系统和测量系统放置于飞行体旋转轴上；首先根据涡旋光波函数利用相位调制的方法产生轨道角动量拓扑荷数为l的涡旋光；涡旋光产生系统和涡旋光光束与飞行体的同步转动诱发旋转多普勒效应，使得涡旋光携带飞行体运动信息；调节涡旋光光路改变其转播方向并经过调制过滤后再接收并测量涡旋光的波形；通过波形解析将涡旋光携带的飞行体运动信息提取出来并利用涡旋光旋转多普勒效应结论得到飞行体的角速度信息。具体包括以下步骤：(1)根据Laguerre-Gaussian光束(简称LG光束)波函数表达式通过相位调制产生拓扑荷数为l的LG光也叫涡旋光：式中，l是表征轨道角动量大小的拓扑荷数，p表示各成分所占的比例，2为光束宽度，zR＝kω0/2表示瑞利长度，k是波数，ω0是当z＝0时光束的宽度，r是激光腔的半径，是波前的半径；(2)产生旋转多普勒效应将(1)的中涡旋光产生系统放在飞行体待测维度的旋转轴上，激光器与飞行体做共轴旋转，根据旋转多普勒原理可知，由于光源的旋转在两个方面将会使涡旋光光束角频率产生频移，一方面旋转光源对涡旋光光束施加的旋转运动会产生旋转多普勒效应，另一面由于光源转动引起的离心力和科氏力将会对涡旋光角频率产生影响，其中光束旋转所产生的旋转多普勒效应起主导作用；(3)接收并解析发生角频率移动的涡旋光将发生频移的涡旋光经过光路调节和调制过滤后利用CCD接收，得到光强随时间变化的波形曲线，既而得到产生频移后的涡旋光频率ν*，与初始频率ν相比较得到频率移动Δν＝ν*-ν，换算得到角频率移动为：Δω＝2πΔν(2)(4)根据角频率移动得到飞行体的姿态根据旋转多普勒效应结论并考虑到离心力和科氏力对频移的影响，且二者都是光源以角速率Ω旋转引起的，因此引入表示离心力和科氏力对频移影响的因子m后得到飞行体角速度Ω表达式：Ω＝Δω/(l+m)(3)。2CN105738643A说明书1/5页一种基于涡旋光旋转多普勒效应的飞行体角速度测量方法技术领域[0001]本发明涉及一种基于涡旋光旋转多普勒效应的飞行体角速度测量方法。技术背景[0002]飞行体角速度是确定飞行体姿态所必需的重要参数，其测量技术在国防技术中占有非常重要的地位。现有的飞行体角速度的高精度测量方法主要采用激光陀螺和光纤陀螺这两类光学陀螺。激光陀螺的方法精度较高，但加工复杂且存在零点漂移和闭锁问题，同时噪声来源较多；光纤陀螺虽然加工简单，精度高，但系统稳定性差，体积大，成本较高,且抗冲击性能较差，存在零点漂移问题，同时由于精度和体积的矛盾使得精度受到很大的限制。从技术水平上来说，我国光学陀螺技术起步较晚，虽然取得很多可喜的成就，但总体水平仍落后于西方国家，且由于工艺水平原因，使得实际应用方面的差距更大。[0003]目前利用涡旋光旋转多普勒效应测量旋转物体角速度的方法在国际上出现不久，且仅限于地面上的系统，将这种方法利用到飞行体角速度测量方面还没有相关机构和个人提出。1997年圣安德鲁斯大学J.Courtial等人观测到旋转涡旋光束会产生多普勒频移现象。2013年英国物理学家马丁·拉弗瑞(MartinLavery)和他的同事提出利用涡旋光旋转多普勒效应测量旋转金属圆盘角速度的方法，并进行了实验验证。发明内容[0004]本发明的技术