一种检测物体复合运动的运动速度的方法

本发明属于物体运动方向识别探测技术领域，具体涉及一种检测物体复合运动的运动速度的方法。

背景技术：

涡旋光束是一种特殊的光束，其具有的连续环形光强分布和连续螺旋波前结构使得它具有轨道角动量，不同于高斯光束，其光强分布呈暗中空结构，中心光强为零，且随着拓扑荷数的增大，其光环中央暗区的半径越大，光斑半径也随之增大。旋光具有的螺旋结构也使其具有轨道角动量，正是这种特性使其在水下湍流的探测中的稳定性得到很大的提升，因此，涡旋光不仅可以支撑信息的高密度存储和传输，还可直接用于长距离的空间光通信。在柱坐标下，沿z轴方向传播的涡旋光场表达式为：

e(r,θ,z)＝e0(r,θ,z)e(ilθ)exp(-ikz)

涡旋光束的相位因子是exp(ilθ)其区别于普通光束的主要参数是其拓扑荷数l，即涡旋光场在一个波长内相位由0到2π的跳变次数。r表示径向矢量，z表示涡旋光束水平传输距离，e0(r,θ,z)表示该光场的振幅强度，表示光波波数。

对于普通高斯光束，其沿着光传播方向的坡印廷矢量的分量会产生多普勒频移，当光传播方向与物体运动方向夹角为ɑ时，其线性多普勒效应表达式为：

其中δf为入射光与运动物体散射光之间的频率差值，ɑ为物体运动方向和光传播方向夹角，f0为原始光束的频率，c为光速，υ为物体与光源之间的相对速度。

同样的，涡旋光束也具有多普勒频移，且由于其具有的相位因子，涡旋光束在光的传播方向及光的传输截面上都具有多普勒效应，此时的复合多普勒效应公式为：

式中ω表示物体转动的速度。

可以利用涡旋光对水下目标以及其他目标进行探测。现有空间线性目标的探测方式往往只能探测物体的线性运动速度大小，而现实中许多目标的运动是由线性运动和旋转运动复合而成的，因此，无法对复合运动速度大小进行检测。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种检测物体复合运动的运动速度的方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种检测物体复合运动的运动速度的方法，包括：

光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上；其中，所述嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成；所述被测物体在所述嫁接涡旋光束的正投影的光斑内做复合运动；

光电倍增管接收所述被测物体反射的回波信号；

频谱分析仪将所述回波信号进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱；

后台终端根据所述回波信号的多普勒频谱确定所述被测物体的线速度大小和旋转角速度大小。

在本发明的一个实施例中，所述后台终端根据所述回波信号的多普勒频谱确定所述被测物体的线速度大小和旋转角速度大小，包括：

后台终端根据所述回波信号的多普勒频谱确定第一复合频移和第二复合频移；所述第一复合频移和所述第二复合频移为所述多普勒频谱中最大的两个峰值；

后台终端根据所述第一复合频移和所述第二复合频移确定所述被测物体的所述线速度大小和所述旋转角速度大小。

在本发明的一个实施例中，所述后台终端根据所述第一复合频移和所述第二复合频移确定所述被测物体的线速度大小和旋转角速度大小，包括：

后台终端根据所述第一复合频移、所述第二复合频移、所述嫁接涡旋光束的频率、所述嫁接漩涡光束的所述两个拓扑荷数、光速和圆周率确定所述被测物体的所述线速度大小和所述旋转角速度大小。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：

通过所述光嫁接装置获取所述嫁接涡旋光束；

所述通过所述光嫁接装置获取所述嫁接涡旋光束，包括：

激光器产生激光束；

所述激光束经过准直扩束镜组变为高斯光束；

所述高斯光束经过分束棱镜和偏振片后入射到加载有嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图的空间光调制器上进行调制，得到贝塞尔-高斯光束；

所述贝塞尔-高斯光束经过所述偏振片反射后入射到4-f滤波组件中进行傅里叶变换，得到所述嫁接涡旋光束。

在本发明的一个实施例中，所述准直扩束镜组沿所述激光束的光路方向依次包括：平凸透镜l1和平凸透镜l2。

在本发明的一个实施例中，所述4-f滤波组件设置在所述偏振片的反射光出射方向上，包括沿所述反射光出射方向依次设置的平凸透镜l3、小孔光阑s、平凸透镜l4和平凸透镜l5。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：通过后台终端模拟制作所述嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图，并将所述嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图加载到所述空间光调制器上。。

本发明的有益效果：

1、本发明利用不同拓扑荷数涡旋光对被测目标旋转运动与线性运动响应的差异性，对复合运动进行解耦，适用于对线性运动、旋转运动及复合运动目标的检测。

2、本发明运用光波作为检测介质，具有检测速度快，穿透力强，传输距离远等优点，尤其在水下环境目标探测中具有广泛的应用。

3、本发明采用检测装置简单，便于操作和应用。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种检测物体复合运动的运动速度的方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的拓扑荷数l1＝2、l2＝10的嫁接涡旋光束入射到运动流体产生的回波信号的多普勒频移示意图。

图3是本发明实施例提供的另一种检测物体复合运动的运动速度的方法的流程图；

图4本发明实施例提供的光嫁接装置以及产生嫁接涡旋光束过程的示意图；

图5a是本发明实施例提供的拓扑荷数l1＝2、l2＝5的两束涡旋光束嫁接后得到的嫁接涡旋光束；

图5b是本发明实施例提供的拓扑荷数l1＝5、l2＝7的两束涡旋光束嫁接后得到的嫁接涡旋光束；

图5c是本发明实施例提供的拓扑荷数l1＝10、l2＝15的两束涡旋光束嫁接后得到的嫁接涡旋光束。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，一种检测物体复合运动的运动速度的方法，包括：

步骤11、光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上。

其中，嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成；被测物体在嫁接涡旋光束的正投影的光斑内做复合运动。

步骤12、光电倍增管接收被测物体反射的回波信号。

步骤13、频谱分析仪将回波信号进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱。本步骤中，将光电倍增管转换后的回波信号输入频谱分析仪，频谱分析仪进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱。

步骤14、后台终端根据回波信号的多普勒频谱确定被测物体的线速度大小和旋转角速度大小。

本实施例中，利用不同拓扑荷数涡旋光对被测目标旋转运动与线性运动响应的差异性，对复合运动进行解耦，适用于对线性运动、旋转运动及复合运动目标的检测。同时，运用光波作为检测介质，具有检测车速度快，穿透力强，传输距离远等优点，尤其在水下环境目标探测中具有广泛的应用。本实施例的检测装置简单，便于操作和应用。

实施例二

一种检测物体复合运动的运动速度的方法，包括：

步骤21、光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上。

其中，嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成；被测物体在嫁接涡旋光束的正投影的光斑内做复合运动。

步骤22、光电倍增管接收被测物体反射的回波信号。

步骤23、频谱分析仪将回波信号进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱。本步骤中，将光电倍增管转换后的回波信号输入频谱分析仪，频谱分析仪进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱。

步骤24、后台终端根据回波信号的多普勒频谱确定第一复合频移和第二复合频移，如图2所示，第一复合频移和第二复合频移为多普勒频谱中最大的两个峰值。

步骤25、后台终端根据第一复合频移和第二复合频移确定被测物体的线速度大小和旋转角速度大小。

本实施例中，对拓扑荷数不同的两束涡旋光进行嫁接，通过对嫁接光束的频移的测量及解耦运算，得到被测物体的线速度大小和旋转角速度大小的运动信息。

在一种可行的实现方式中，本实施例可以用于检测流体的复合运动信息，在水下目标空间探测方面具有广泛的应用，将其用于湍流场的运算可以得到湍流场的更加全面和准确的信息。

实施例三

如图2和图3所示，一种检测物体复合运动的运动速度的方法，包括：

步骤31、光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上。

其中，嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成；被测物体在嫁接涡旋光束的正投影的光斑内做复合运动。

步骤32、光电倍增管接收被测物体反射的回波信号。

步骤33、频谱分析仪将回波信号进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱。本步骤中，将光电倍增管转换后的回波信号输入频谱分析仪，频谱分析仪进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱。

步骤34、后台终端根据回波信号的多普勒频谱确定第一复合频移和第二复合频移。第一复合频移和第二复合频移为多普勒频谱中最大的两个峰值。

步骤35、后台终端根据第一复合频移、第二复合频移、嫁接涡旋光束的频率、嫁接漩涡光束的两个拓扑荷数、光速和圆周率确定被测物体的线速度大小和旋转角速度大小。具体地，根据公式一和公式二进行计算：

其中，δf1表示第一复合频移，δf2表示第二复合频移，f1表示嫁接涡旋光束的频率，c表示光速，υ0表示被测物体的线速度，ω表示被测物体的旋转角速度，l1和l2表示嫁接漩涡光束的两个拓扑荷数，π是圆周率。其中，l1与l2不相等。

本实施例中，当物体与光源之间存在靠近或远离的相对运动时，光源发出的光频率与物体接收到的光频率之间会产生差值，这一差值被称为多普勒频移，而频移与物体的运动速度成正比，因此通过对频移进行运算可以得到物体运动的速度。同样的，用涡旋光束检测旋转运动的物体时也具有多普勒效应，可以据此测量物体旋转运动的角速度。

因此，当一个物体同时具有线速度和角速度时，利用涡旋光照射时会同时产生线性多普勒频移和旋转多普勒频移，光束产生的总频移可描述为二者的线性叠加：

其中δf‖表示平行于光束传播方向物体线性运动产生的频移，δf⊥表示垂直于光束传播方向截面内物体旋转运动产生的频移，c和f分别表示光速和光源频率，π是圆周率，l表示涡旋光拓扑荷数，v0表示物体线性速度，ω表示物体旋转角速度。

在实际检测过程中，由于光波的频率较高，难以区分测得的多普勒频移中δf‖和δf⊥分别为多大，导致测得的线性运动速度与旋转运动速度冗杂在一起，难以区分。

嫁接涡旋光是一种特殊的涡旋光，通过对两个或多个具有拓扑荷数不同的涡旋光进行螺旋相位重建，使得一束涡旋光具有两个或多个拓扑荷数。在本发明中利用两束拓扑荷数分别为l1和l2的涡旋光进行嫁接，使用嫁接涡旋光对做复合运动的被测物体检测时，线性运动的多普勒频移与拓扑荷数的变化无关，而对于旋转运动会产生两个大小不同的多普勒频移δf1、δf2(见公式一和公式二)。对公式一和公式二进行解算，可以得到线速度υ0和旋转角速度ω。

通过对照射到水下湍流上的嫁接涡旋光束多普勒频移的测量可以进行流体强度大小的判断，进而得到水下流体的复合运动信息。

实施例四

步骤41、通过光嫁接装置获取嫁接涡旋光束。

步骤42、光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上。

其中，嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成；被测物体在嫁接涡旋光束的正投影的光斑内做复合运动。

步骤43、光电倍增管接收被测物体反射的回波信号。

步骤44、频谱分析仪将回波信号进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱。本步骤中，将光电倍增管转换后的回波信号输入频谱分析仪，频谱分析仪进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱。

步骤45、后台终端根据回波信号的多普勒频谱确定第一复合频移和第二复合频移。第一复合频移和第二复合频移为多普勒频谱中最大的两个峰值。

步骤46、后台终端根据第一复合频移、第二复合频移、嫁接涡旋光束的频率、嫁接漩涡光束的两个拓扑荷数确定被测物体的线速度大小和旋转角速度大小。

实施例五

一种检测物体复合运动的运动速度的方法，包括：

其中，光嫁接装置包括激光器l、准直扩束镜组be、分束棱镜p、偏振片bs、后台终端sv、空间光调制器slm和4-f滤波组件。

步骤51、激光器l产生激光束。

步骤52、激光束经过准直扩束镜组be变为高斯光束。

步骤53、高斯光束经过分束棱镜p和偏振片bs后入射到加载有嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图的空间光调制器slm上进行调制，得到贝塞尔-高斯光束。其中，可以预先通过后台终端sv中的模拟软件matlab模拟制作嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图，并将嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图加载到空间光调制器上。

步骤54、贝塞尔-高斯光束经过偏振片反射后入射到4-f滤波组件中进行傅里叶变换，得到嫁接涡旋光束。

步骤55、光嫁接装置将嫁接涡旋光束照射在被测物体上。

其中，嫁接涡旋光束为两个环路半径相同且拓扑荷数不同的半环涡旋光组成；被测物体在嫁接涡旋光束的正投影的光斑内做复合运动。

步骤56、光电倍增管接收被测物体反射的回波信号。

步骤57、频谱分析仪将回波信号进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱。本步骤中，将光电倍增管转换后的回波信号输入频谱分析仪，频谱分析仪进行傅里叶变换，得到回波信号的多普勒频谱。

步骤58、后台终端根据回波信号的多普勒频谱确定第一复合频移和第二复合频移。第一复合频移和第二复合频移为多普勒频谱中最大的两个峰值。

步骤59、后台终端根据第一复合频移、第二复合频移、嫁接涡旋光束的频率、嫁接漩涡光束的两个拓扑荷数确定被测物体的线速度大小和旋转角速度大小。

本实施例中，1992年，allen等人提出了光束的旋转角动量(oam)，具体表现为波束在垂直于传播方向上的平面内具有螺旋形的相位特征，涡旋光也由于其独特的结构而被广泛的应用，在应用的过程中对涡旋光的结构也有相应的产生更多的要求，研究人员希望一束涡旋光能携带多种轨道角动量。但传统的涡旋光光强结构为暗中空结构，随着拓扑荷数的增大，光环状结构中空暗区也会随之增大，这就导致拓扑荷数不同的涡旋光由于光斑半径的不同无法很好的衔接在一起，使得涡旋光的嫁接出现“砧木”和“接穗”无法顺利黏合的问题。

如图4所示，针对这一问题，ostrovsky等人于2013年提出一种拓扑荷数与环半径无关的完美涡旋光，使大拓扑荷数小半径的涡旋光成为可能，2019年zhang等人提出嫁接涡旋光，并将其用来做光镊，并成功对微粒进行了操作。所谓的“嫁接”，就是从一束拓扑荷数为l1的涡旋光束的上半部分切下一个螺旋项，作为“接穗”，将从另一束拓扑荷数为l2的涡旋光束的切下的一部分作为“砧木”，并将两个螺旋项进行嫁接。

贝塞尔-高斯光由durnin等人在1987年首次提出，其特点是在衍射过程中光束不会发生衍射，且光强也不会发生变化，光束的电场表达式为：

其中，w为光束半径，jl为l阶贝塞尔函数，r为径向距离。当l≥1时，jl表示为高阶贝塞尔函数。对拉盖尔-高斯光束进行嫁接相位的调制，并添加轴锥相位即可得到贝塞尔-高斯光束。如图5a、图5b和图5c所示，利用贝塞尔光的傅里叶变换特性，在贝塞尔-高斯光的傅里叶平面产生亮环半径可控的完美涡旋光来使嫁接的涡旋光两半环半径相同。因此，通过在嫁接相位上叠加轴锥相位，加载到空间光调制器上进行调制，就可以产生同阶次的贝塞尔-高斯光，最后利用透镜的傅里叶变换特性，在4-f滤波组件的透镜的焦平面处得到近似的完美涡旋光-嫁接涡旋光，用ccd(charge-coupleddevice，电荷耦合器件)可以探测嫁接涡旋光对应的完美涡旋光强度分布。

进一步地，准直扩束镜组be沿激光束的光路方向依次包括：平凸透镜l1和平凸透镜l2。本实施例中，激光器l产生的激光束依次经过平凸透镜l1、平凸透镜l2、分束棱镜p和偏振片bs后入射到加载有嫁接涡旋光束的螺旋相位图和叉形全息光栅图的空间光调制器slm上进行调制。

进一步地，4-f滤波组件设置在偏振片的反射光出射方向上，包括沿反射光出射方向依次设置的平凸透镜l3、小孔光阑s、平凸透镜l4和平凸透镜l5。本实施例中，贝塞尔-高斯光束经过偏振片反射后依次经过平凸透镜l3、小孔光阑s、平凸透镜l4和平凸透镜l5，得到嫁接涡旋光束。

本实施例中，根据上述实施例中的公式三和公式四进行解算，可以得到做复合运动的被测物体的线速度υ0和旋转角速度ω。

在一种可行的实现方式中，一种检测物体复合运动的运动速度的系统包括：激光器l、平凸透镜l1、平凸透镜l2、分束棱镜p、偏振片bs、后台终端sv、空间光调制器slm、平凸透镜l3、小孔光阑s、平凸透镜l4、平凸透镜l5、ccd、光电倍增管和频谱分析仪。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。