一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法与流程

本发明涉及旋转多普勒信号测量，尤其是涉及一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法。

背景技术：

1、随着光束自旋和轨道角动量(oam)的发现，由物体相对旋转运动产生的旋转多普勒效应逐渐发展，越来越多的学者和专家对于利用旋转多普勒效应进行物体速度的测量产生兴趣，并做大量研究。当携带有轨道角动量光束照射到旋转物体表面时，通过收集与分析旋转物体的散射光束，可以观察到一个频率偏移，该频移通常正比于物体的角速度和光的轨道角动量的乘积。这种旋转频率偏移，对于旋转物体运动状态的测量具有广阔的应用前景。例如，旋转多普勒频移倍增增强效应可以应用于地球和天文背景下的旋转天体的远程探测(martin p.j.lavery,fiona c.speirits,stephen m.barnett,and milesj.padgett.detection of a spinning object using light’s orbital angularmomentum.science,341(6145):537-540,2013)；基于结构光束，结合线性多普勒效应和旋转多普勒效应，可以同时探测协同目标的纵向和角向速度(x.-b.hu,b.zhao,z.-h.zhu,w.gao,and c.rosales-guzmán,“in situ detection of a cooperative target’slongitudinal and angular speed using structured light,”opt.lett.44,3070-3073(2019).)；

2、近年来，人们对矢量光束的产生与应用也进行大量研究。矢量光束的一个典型例子是柱矢量光束，其强度和偏振分布在光束横截面上具有轴对称性，这一独特的性质使柱矢量光束在光学俘获，光学成像和高分辨率计量的领域具有重要应用价值。柱矢量光束还可应用到多普勒探速领域，例如，将矢量光束应用到旋转多普勒效应中，探索出一种新的矢量旋转多普勒效应，可以提取出二维旋转多普勒信号，实现运动粒子速度大小和方向的同时测量(liang fang,zhenyu wan,andrew forbes,and jian wang.vectorial dopplermetrology.nature communications,12(1):4186,2021.)。

3、纵观旋转多普勒效应的历史，其潜力在于长距离非接触遥感的实际应用。但在自由空间的遥感应用中，仍然有许多因素影响多普勒信号的远距离传输。特别是，在弱湍流或强湍流的大气或海洋中光束的辐照度、偏振度和闪烁指数都会受到影响，因此当光束穿过湍流环境中时，会导致其携带的旋转多普勒信号淹没在背景噪声中，无法准确识别出旋转多普勒信号。因此，需要找到合适的方法，抑制湍流对光信号的干扰。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒效应测量装置，实现在非实验室环境下利用旋转多普勒效应准确判断物体转动方向。本发明具有普适性，适用于在任何湍流条件下测量旋转物体的旋转多普勒信号；精度较高，能够准确识别信号，在实际应用甚至工业化生产中有很大的发展潜力。

2、本发明的另一目的在于提供简洁高效的一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法。依据矢量光束的偏振自由度和旋转多普勒效应的特点，基于高阶拓扑荷数的柱矢量光束，建立偏振编码的双信道通路，成功减轻湍流的影响并准确识别出旋转多普勒信号。

3、一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒效应测量装置，包括激光器、半波片、准直扩束透镜系统、涡旋波片、第1反射镜、水湍流产生装置、第1分束立方、聚焦透镜、第2反射镜、ccd相机、数字微镜装置、第2分束立方、偏振片、第1光电探测器和第2光电探测器；

4、所述半波片、准直扩束透镜系统、涡旋波片共轴且顺次放置在激光器所发出光束的出射光路上；所述半波片用于调整光束的偏振方向与涡旋波片0°快轴平行；所述涡旋波片用于将入射光束转换为由左旋和右旋圆偏光构成的柱矢量光束；生成的柱矢量光束经第1反射镜反射后穿过水湍流产生装置，所述第1分束立方置于水湍流产生装置后方光路中，用于实现将入射穿过水湍流装置的柱矢量光束分成透射以及反射两路；

5、所述ccd相机位于聚焦透镜后方，反射一路经第2反射镜用ccd相机收集，用于观察经过水湍流后的矢量光束的截面强度变化；透射一路照射到数字微镜装置上，所述数字微镜装置加载有一做旋转运动的微粒，当矢量光束照到数字微镜装置上时，用于调整光束使其在柱矢量场里作圆周运动；

6、所述第2分束立方、偏振片、聚焦透镜、第2光电探测器共轴放置；所述偏振片快轴方向与水平方向平行，用以选择光束的水平偏振方向；所述第2分束立方用于将微粒的散射光束分成两束形成偏振双信道；其中一束作为参考光束，分束后直接由第1光电探测器收集；另一束作为信号光束，经线性偏振片选定水平偏振方向后由第2光电探测器收集检测信号。

7、所述水湍流产生装置采用一长宽高都为15cm透明亚克力容器，其中盛一定量水溶液，容器内放置一磁力搅拌子，将容器放置在有强磁性的作业台面上，通电后磁子在水溶液中快速旋转，在容器内产生水湍流。

8、一种基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒信号测量方法，采用上述基于柱矢量光束抗水湍流的旋转多普勒效应测量装置，具体方法包括以下步骤：

9、1)激光器发出基膜高斯光束入射到半波片上，经半波片调整初始相位后，入射到准直扩束透镜系统，经准直扩束后经过涡旋波片，在涡旋波片的作用下生成柱矢量光束；

10、2)柱矢量光束经反射镜反射后，入射到水湍流产生装置中，光束经湍流后在分束立方中透射及反射，反射光束经过聚焦透镜会聚后由ccd相机记录下光束截面强度图样，透射光束入射到数字微镜装置上，在数字微镜装置上模拟一个做旋转运动的微粒，透射的柱矢量光束照射到旋转微粒表面诱发矢量旋转多普勒效应；

11、3)分束立方将微粒的散射光束分成两条路径形成偏振双信道进行信号处理，对比两条路径的信号强度，通过缩放和相减消除水中湍流和其他缺陷引起的噪声信号，得到与旋转多普勒信号相关的信号强度，对信号进行fft的信号处理手段，得到旋转多普勒信号的调制频率，利用矢量旋转多普勒效应结论得到旋转微粒的角速度信息。

12、在步骤1)中，所述柱矢量光束的光场可表示为：

13、

14、其中，为高斯模的复振幅，ρ和分别表示径向坐标和角向坐标w0为光束束腰半径，l0表示光束的拓扑荷数，σl和σr分别为左旋和右旋圆偏振的单位向量。

15、在步骤2)中，所述柱矢量光束经反射镜反射后，入射到水湍流产生装置中，具体的：当柱矢量光束通过大气湍流或水湍流时，会受到折射率波动的干扰，引起相位和强度波动，导致oam模态扩散；当柱矢量光束在水湍流中传播时，其oam态将传播到其邻近的模态：此时柱矢量光束经过湍流后的复振幅应重写为正交基的叠加：

16、

17、其中，p(l)＝|αl|2表示在拓扑荷数为l的oam模式下发现散射光的概率；

18、当柱矢量光束照射到以速度旋转的粒子上时，其反射光携带有旋转多普勒信号：

19、当一个角速度为ω的旋转粒子在柱矢量光束上运动时，会引起旋转多普勒效应；根据方位角与速度的关系式，此时有散射光束中会携带旋转多普勒信号，其每个oam模式分别获得一个旋转频移δf＝lω/π；由于微粒的面积很小，其散射光的光强a(ρ)可以认为是一个常数：a(ρ)＝a；因此对于在湍流中出现旋转多普勒效应的柱矢量光束，微粒的散射光场可以改写为：

20、

21、在步骤3)中，所述分束立方将微粒的散射光束成两条路径，在一条路径中，光束使用水平偏振器(相对于x轴)选择水平偏振态，那么光束通过水平偏振器后偏振态可以表示为：

22、

23、此时收集到的信号强度ipf(t)可表示为：

24、

25、而另一条没有偏振片的路径ir(t)，收集到的光束总强度为：

26、

27、比较式(5)和(6)，可以通过缩放和相减消除水中湍流，得到与旋转多普勒信号相关的信号强度，即：

28、

29、对信号进行fft的信号处理手段，可以得到信号的调制频率为：

30、

31、其中，经过偏振选择的信道其信号强度ipf(t)中同时携带有旋转多普勒信号和噪声信号，而ir(t)中只携带与ipf(t)中相同的噪声信号(两路信道受到的水湍流影响是相同的)，通过对两路信号进行相减，可以消除掉ipf(t)中的部分噪声信号，因而可以识别出旋转多普勒信号；通过上述的理论和方法，可以显著地消除主要由湍流和其他缺陷引起的噪声信号。

32、本发明的主要优点在于：

33、(1)本发明技术新颖，装置简洁、操作简单，使用方便；只需将柱矢量光束照射到旋转微粒上，通过收集散射光束进行偏振双信道信号处理便可削弱湍流的干扰。

34、(2)本发明精度高，实用性强，可以有效减弱因光束传输中湍流扰动引起的背景噪声，精准识别出旋转多普勒信号。

35、(3)本发明通用性强，适用范围广，能应用于任何环境干扰，无论海洋湍流、大气湍流等，都可以进行准确的信号检测。

36、(4)本发明有前瞻性，随着技术的发展，本发明对于多普勒信号的远程传感、精密测量，如在高速旋转的飞机发动机、空间非合作目标卫星，甚至天文学中都具有可观的应用前景。