一种基于多模涡旋光束的目标复合运动探测装置的制作方法

本发明主要涉及光学、物理学、光电转换、信号提取领域，尤其是光束的光场调控、拍频检测等技术方法。

技术背景

本发明的技术背景主要多普勒效应测速原理。多普勒效应起源于奥地利物理学家多普勒对声音的观察，随着后续研究的深入，人们发现这一效应广泛存在与所有类型的波之中。多普勒效应的基本原理是当波源相对于接收者做相向运动时，接收器接收到的波的频率将增大；当波源相对于接收装置做相反运动时，接收器接收到的频率将减小。波源与接收器之间相对运动速度越大则接收到的频率改变量也越大，据此便可以得出二者之间的相对速度。

经典光学中的线性多普勒效应可用下式表示：

其中δf1表示探测光束与散射回波光束之间的频率差，c表示真空中的光速，f0是探测光的频率，v表示接收器相对于激光光源的运动速度。我们生活中常见的高速公路测速仪以及医院采用的b超等都是基于这一原理。当接收者的运动速度不沿着波束传播方向时，只有沿着波束传播方向的速度分量才会引起多普勒频移，因此速度与波束传播方向不共线时需要加上夹角因子cosα，此时的多普勒频移可表示为δf＝2f0vcosα/c。

根据以上原理可知，经典线性多普勒效应只具备探测沿着波束传播方向上具有线性运动或分量的物体。当物体仅在光束传播垂直平面内有运动时，经典多普勒效应则无能为力。

1992年，allen等人首次提出了具有螺旋相位因子的结构光束可能携带有轨道角动量(oam)的这一概念，这一发现掀起了人们对这种具有螺旋相位的结构光束研究的热潮。具有这种螺旋形相位的光束被称为涡旋光，它具有环状的光强分布。涡旋光束的波前不再是一个平面，而是一个螺旋形的相位面，从而导致光束poynting矢量不再与光束传播方向平行，而是有一个夹角。因为这个夹角的存在，我们可以将这种涡旋光束的poynting矢量分解到沿光束传播和垂直于光束截面两个方向上，根据这一特性，当这种光束与运动物体相互作用时，将同时对沿着光束传播方向和垂直于光束传播方向的运动产生响应。

2013年英国格拉斯哥大学padgett等人系统总结并提出了一种利用叠加态涡旋光探测旋转物体转速的方案，首次实现了利用涡旋光束对旋转物体转速的测量，揭示了涡旋光探测的巨大应用潜力，相关成果发表在《science》上。涡旋光poynting矢量与光轴之间的夹角可表示为sinβ＝lλ/2πr，其中l为涡旋光的拓扑荷数，λ表示光束的波长，r为光场中任意位置到光轴之间的距离。当一束涡旋光对准转轴探测一旋转物体时，对于每个微小散射体而言，相当于是与光束poynting矢量之间有了一个夹角，代入倾斜条件下的线性多普勒频移公式可得：

其中δf2表示旋转多普勒频移。

上式便是涡旋光测量旋转物体转速的基本原理，根据光束拓扑荷数再结合散射光产生的频移便可以解算出待测物体的转速。值得注意的是，除了旋转物体能引起涡旋光的频移之外，经典的线性运动同样可以使涡旋光产生频移，即涡旋光同时具备线性多普勒效应和旋转多普勒频移。根据poynting矢量的分解关系可知，当涡旋光探测同时具有线性和旋转运动物体时，所产生的总频移为fmod＝δf1+δf2，其中δf1和δf2分别表示旋转多普勒频移。

由于光波的频率过高而一般无法直接测量，因此通常采用拍频的方式来检验光束的频率变化。常见的是光束产生拍频的方法有叠加态光束拍频法和外差探测法。采用叠加态涡旋光束时，由于两束光的拓扑荷数大小相同、方向相反，因此产生的旋转多普勒频移是式(2)所示值的2倍；采用外差法时，产生的频移为线性多普勒频移与旋转多普勒频移之和，改变实验光束的拓扑荷数之后，旋转多普勒频移会发生改变，而相应的线性多普勒频移则不发生变化。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：针对太空碎片、高速飞行的弹头、飞机螺旋桨等实际空间目标，其运动形式往往是线性运动与旋转运动的耦合，现有手段难以实现同时多维运动信息获取，本发明设计了基于多模涡旋光束的目标复合运动探测装置，从两个方向分别得到两组测量频移值，可同时实现对空间目标的线性运动旋转运动的解耦测量。本装置结构简单，体积小，可以集成化，无需复杂学器件，在高灵敏度测量转动物体微振动方面有着广阔的应用前景。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于多模涡旋光束的目标复合运动探测装置，如图1所示，其主要部件包括：激光器(1)、分光棱镜1(2)、反射镜1(3)、偏振分光棱镜3(4)、凸透镜1(5)、光电探测器1(6)、凸透镜2(7)、光电探测器2(8)、分光棱镜2(9)、偏振分光棱镜2(10)、反射镜3(11)、螺旋相位板1(12)、反射镜2(13)、螺旋相位板2(14)、偏振分光棱镜1(15)。首先，激光器(1)产生正交偏振激光束，通过分光棱镜(1)之后一束经反射镜(3)反射后作为参考光束，另一束透过偏振分光棱镜(15)后分为水平偏振和竖直偏振两束光，分别各自透过拓扑荷数为l1的螺旋相位板(14)和拓扑荷数为l2的螺旋相位板(12)，出射光变为对应拓扑荷数的涡旋光；两束涡旋光经平面反射镜(13)和反射镜(11)及偏振分光棱镜(10)反射后汇聚为一束光作为探测用双模光束，之后照射向待测复合运动物体表面；物体表面的散射光经分光镜(9)和偏振分光棱镜(4)作用之后与参考光束进行拍频耦合，形成拍频信号；最后，用光电探测器(6)和(8)对两束光产生的信号分别进行采集，之后用电脑分析提取出频移值，从而进一步可获取复合运动物体的运动信息。

本发明的原理是：

(1)复合运动的多普勒效应

普通平面光波具有经典多普勒效应，也称线性多普勒效应，当光源于物体之间存在相对运动的时候，光源发出的频率和物体之间接收到的频率之间会存在一定的差值，这一差值的大小与二者之间的相对运动速度成正相关，根据这一原理可以探测物体的线性运动速度。对于涡旋光而言，其波线方向与光束传播方向之间有一定的夹角，在垂直光束传播方向上也具有分量，产生旋转多普勒频移；沿着其光束传播方向上产生线性多普勒频移，与经典线性多普勒频移大小相同。因此，一束涡旋光照射运动目标时，产生的频移量为线性多普勒频移和旋转多普勒频移的总和，可表示为：

式中f(θ)和分别表示与角度有关的函数项。当涡旋光传播轴与物体转轴相重合时，取1；当物体只有沿着涡旋光传播方向上的线性运动时，f(θ)取1。

当采用两个单一态涡旋光组成的双模光束沿着物体转轴方向照射一个具有线性和旋转复合运动形式的目标时，将分别得到两组频移值。根据光束的干涉原理，拓扑荷数为l1的水平偏振光将和参考光的水平偏振成分干涉，拓扑荷数为l2的垂直偏振光将和参考光的垂直成分发生干涉，那么在两个光电探测器上的到的拍频信号分别为：

通过观察可知，式(4)为一个简单的二元一次方程组，经过简单的求解可解出物体的转速和线速度表达式分别为：ω＝2π(fmod1-fmod2)/(l1-l2)，

由于探测光束的频率和光速都为已知量，所以根据实际中测量得到的频移fmod1和fmod2便可以直接求出复合运动物体的线速度和转速。

(2)光束相干测量原理

从本专利装置图中可以看出，最终由光电探测器收集到的信号为物体表面调制后散射回来的光束与光源产生参考光束混合后产生的相干光信号。这种光信号在进入接收机之前与接收端的本振光进行混频，产生一个等于本振光与信号光频率之差的信号的探测方式称作光束相干测量。其基本原理如下：

本振光和探测光的表达式为分别为和其中a0代表光强，w表示光波的角频率，t表示时间，(k为波数，为光束沿传播方向的距离，为初始相位)表示初始相位和随这传播距离引起的相位变化。实验光束经物体反射与探测光叠加后，在光电探测器处的光强可表示为：

激光的频率一般在10¹⁴量级，远远超出了光电探测器的响应频率，因此式(6)中的二倍频项将变为直流分量，而差频项根据其大小范围一般可落在光电探测器响应范围之内，故差频项的周期大小变化就体现在了光电探测器的信号中。

在本专利中，激光光源产生的是一束频率相同的正交偏振光束，经过偏振分束镜作用后分别与两个不同拓扑荷成分的光束拍频耦合，从而分别测得两束光产生的多普勒频移。这个频移往往与物体的运动情况直接相关，从而可以获取到物体的运动信息，这种利用光束相干，去掉共模部分、保留差模部分的探测方法在高频电侧波探测中广泛应用。

本发明的主要优点：

(1)本装置技术新颖，操作简单，使用方便，易于控制。

(2)本装置在探测复合运动物体时具有较高的灵敏度。根据设计原理可以看出，本装置利用涡旋光束的旋转与线性多普勒效应，通过相干测量可实现微米级的振动测量，具有很高的灵敏度。

(3)本装置适用于高速旋转等极端条件依然适用。本装置以光波作为探测介质，其传输距离远、测量速度快，不受温度、环境等因素的影响，响应迅速，有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为探测装置示意图；

图2不同拓扑荷数的螺旋相位板结构示意图；

图3双模式涡旋光与本振光光强分布示意图；

图4测量复合运动物体产生的两组频移信号；

具体实施方案

本发明以叠加态涡旋光束作为探测载体，具体实施步骤如下：

首先，首先，激光器(1)产生正交偏振激光束，通过分光棱镜(1)之后一束经反射镜(3)反射后作为参考光束，另一束透过偏振分光棱镜(15)后分为水平偏振和竖直偏振两束光，分别各自透过拓扑荷数为l1的螺旋相位板(14)和拓扑荷数为l2的螺旋相位板(12)，出射光变为对应拓扑荷数的涡旋光，螺旋相位板的基本结构如图2所示。

通过螺旋相位板(14)的涡旋光经过平面反射镜(13)和反射镜(11)反射后，在偏振分光棱镜(10)处与通过螺旋相位板(12)的光束汇合，形成一束探测用双模光束，之后照射向待测复合运动物体表面。

经运动物体表面调制后的散射光束再用分光棱镜(9)和偏振分光棱镜(4)进行反射收集，之后再偏振分光棱镜(4)处于光源分出来的参考光信号进行拍频耦合，形成拍频信号；最后，用光电探测器(6)和(8)对两束光产生的信号分别进行采集，之后用电脑分析提取出频移值，从而通过解算可获取线性与旋转复合运动物体的运动信息。

本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。