【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及一種基于渦旋光的旋翼轉(zhuǎn)速與角向特征信息探測方法，主要涉及光學、物理學、光電轉(zhuǎn)換、信號提取領域，尤其是光束的光場調(diào)控、激光雷達、遙感等技術方法。
技術介紹
1、光束中的光子不僅具有自旋角動量(sam)，也具有軌道角動量(oam)，拓撲荷數(shù)決定了oam的大小。光場中的渦旋現(xiàn)象最初是1967年在透鏡組的焦平面附近發(fā)現(xiàn)。1992年，allen發(fā)現(xiàn)了在近軸條件下帶有相位因子的渦旋光束具有軌道角動量，其中l(wèi)為渦旋光軌道角動量拓撲荷數(shù)，為方位角；每個光子攜帶的軌道角動量，為約化普朗克常數(shù)，該相位因子說明渦旋光在傳播過程中，若光束傳播一個周期，則波陣面正好繞光軸旋轉(zhuǎn)，周，相位也相應改變2πl(wèi)。這種相位隨相位角變化而變化的光束作為一種具有螺旋波陣面的新型結(jié)構光束，在光通信、粒子微操控、運動探測、光學微測量等領域具有重要的應用價值。1994年他在文章中預言了攜帶有相位因子的渦旋光束具有旋轉(zhuǎn)多普勒效應。隨后的研究也證明了這種效應的存在。渦旋光的旋轉(zhuǎn)多普勒效應是由于渦旋光束poynting矢量方向與一般的高斯光束不同，它不再與光束傳播方向平行，而是有一個圍繞光軸旋轉(zhuǎn)的夾角。因此該方向可以分解為沿著光束傳播方向和垂直于光束傳播方向的兩個分量。根據(jù)多普勒效應原理，渦旋光就有與旋轉(zhuǎn)運動的物體相互作用產(chǎn)生多普勒效應的能力，因此這種效應被稱為旋轉(zhuǎn)多普勒效應。
2、拉蓋爾-高斯光是一種典型的渦旋光，完整的單一態(tài)拉蓋爾-高斯光束具有圓環(huán)形的強度分布和中空暗核，光束中心強度為零的區(qū)域被定義為相位奇點。這種光束照射一般的無明顯角向特征的物體會產(chǎn)
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術的技術解決問題是：針對依靠旋翼作為升力的飛行器，本專利技術提出了用疊加態(tài)渦旋光作為探測光探測轉(zhuǎn)速和其他特征信息。本裝置體積小，結(jié)構簡單，反應靈敏，在特征識別與微動探測方面有著廣闊的前景。
2、本專利技術的技術解決方案是：
3、本專利技術涉及一種基于渦旋光的旋翼轉(zhuǎn)速與角向特征信息探測方法，其主要包括以下步驟：
4、(1)利用復振幅調(diào)制方法設計不同拓撲荷數(shù)的共軛疊加態(tài)渦旋光的全息圖并依據(jù)需要加載在空間光調(diào)制器上，使用線偏振高斯光照射到空間光調(diào)制器上，將調(diào)制后的光通過4f系統(tǒng)濾出衍射一級來制備出共軛疊加態(tài)渦旋光。
5、(2)經(jīng)過空間光調(diào)制器調(diào)制后產(chǎn)生的疊加態(tài)渦旋光經(jīng)過濾波選擇一級衍射光并擴束調(diào)節(jié)光束大小準直后照射在旋翼物體上，使用透鏡收集散射光照射在光電探測器的光敏感部件上檢測散射光的光強信息。光電探測器將光強信號轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸?shù)接嬎銠C，通過快速傅里葉變換的程序?qū)鈴婋S時間變化信息實時處理，獲得光強信息中的頻率信息并繪制一次傅里葉頻譜。從一次傅里葉頻譜中產(chǎn)生的一簇峰值中較高峰值的間隔可以提取出旋翼數(shù)量信息。
6、(3)將一次傅里葉頻譜再次進行傅里葉變換并繪制二次頻譜，從二次頻譜中選擇強度最高的信號峰值的周期值t，1/t即為旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)速度。
7、(4)根據(jù)一次頻譜中低頻部分的峰值信息，找出信號峰值最強的頻率為mω。再根據(jù)低頻部分其他峰值的變化情況，確定旋翼數(shù)量以及物體轉(zhuǎn)速。
8、本專利技術的原理是：
9、拉蓋爾高斯(lg)光的光場可以表示為：
10、
11、其中，e為lg光束的波矢量，為柱坐標，zr為瑞利長度，ω(z)為光束半徑，l為拓撲荷數(shù)，p為徑向節(jié)次，k為波數(shù)，r(z)為曲率半徑。該式簡化后可得：
12、
13、其中，為各lg模式的復系數(shù)。當以一對拓撲荷數(shù)為±l0的共軛疊加態(tài)渦旋光作為探測光時，考慮到由于實際探測情況中光束中心與旋翼轉(zhuǎn)軸不可能精確對準且葉片表面不垂直于光軸，因此照射到旋翼的光束根據(jù)模式分解理論可以被分解為兩組復合渦旋光束，各組復合渦旋光束為一系列拓撲荷數(shù)差為1的lg光束，一般可以表示為：
14、
15、其中當l＝±l0時oam模式分量占比較高。拓撲荷數(shù)旋轉(zhuǎn)多普勒頻移信號主要受探測光的oam模式與旋轉(zhuǎn)物體的模式影響。由于實際的旋翼物體具有明顯的角向?qū)ΨQ特征且葉片與轉(zhuǎn)軸存在一定夾角，因此模式數(shù)等于葉片數(shù)n及其倍數(shù)mn的模式分量占比較高；該物體對光的調(diào)制函數(shù)可以表示為：
16、
17、由于模式數(shù)等于葉片數(shù)n及其倍數(shù)mn的模式分量占比較高，因此其中當k＝mn時，bk＞＞bk-1且bk＞＞bk+1。旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)時，旋翼物體的調(diào)制函數(shù)變?yōu)椋?/p>
18、
19、其中ω為旋翼物體的轉(zhuǎn)速。則散射光的光場可以表示為：
20、
21、其中是由于散射光是探測光反射得到的，因此光束相位發(fā)生了變化，即經(jīng)過拍頻后，散射光的光強可以推導為：
22、
23、其中k＝-，且k′＝-l′。由公式(7)可以看出散射光的光強信號可以等效為一系列頻率在2l0ω附近且頻率差為ω的正弦信號。因此將光強信號轉(zhuǎn)化為電信號并經(jīng)計算機傅里葉變換后，在一次頻譜上2l0ω附近形成了一個由ω為間隔的峰值強度的包絡線，包絡中頻率為mnω的峰的相對強度較高。因此可以通過一次頻譜中在2l0ω附近的峰值強度變化分析出旋翼物體的葉片數(shù)。且由于一次頻譜中峰值間隔為ω，因此將一次頻譜再做傅里葉變換，也就是提取一次頻譜中峰值間隔的方式得到二次頻譜，觀察強度最高的峰值位置可以解算出該物體的轉(zhuǎn)速。
24、本專利技術方案與現(xiàn)有方案相比，主要優(yōu)點在于：
25、(1)適用范圍廣，靈活性強，可在一定偏移與傾斜入射條件下測量旋翼物體的轉(zhuǎn)速和角向特征。
26、(2)降低成本，節(jié)約空間，渦旋光調(diào)控方式簡單，所需器件較少且不需要高精度的光路搭建。
27、(3)無需在旋翼物體表面布置任何標識物，只需將共軛疊加態(tài)渦旋光照射到旋翼物體表面，收集反射光進行一次和二次頻譜分析，從中提取轉(zhuǎn)速與物體角向特征信息，數(shù)據(jù)量小且處理方式簡單。
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1.一種基于渦旋光的旋翼轉(zhuǎn)速與角向特征信息探測方法，其特征在于：目前已有的傳統(tǒng)方法都是基于圖像識別或微波雷達探測，為了應對自然光較弱的環(huán)境、獲得葉片的角向分布信息和精確選擇特定物體，采用基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應的渦旋光的轉(zhuǎn)速探測方法；通過復振幅調(diào)制不同拓撲荷數(shù)的渦旋光照射在旋翼物體上。將光電探測器接收到的散射光的光強信號進行傅里葉變換，根據(jù)頻譜得出旋翼轉(zhuǎn)速和角向?qū)ΨQ性等信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種旋翼物體轉(zhuǎn)速與角向信息的探測方法，其特征在于：探測光束為渦旋光，其光場分布可以表示為：其中A代表渦旋光束的振幅，代表光束的相位角，l為光束的拓撲荷數(shù)。由旋轉(zhuǎn)多普勒效應可得：散射光的頻移中心頻率大致位于2lΩ處且頻移具有一定展寬，其中，為拓撲荷數(shù)，Ω為葉片轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權利要求1和權利要求2所述的探測方法，其特征在于：由光電探測器接收到的散射光信號后轉(zhuǎn)化的電信號做一次和二次傅里葉變換得到的一次和二次頻譜。根據(jù)一次頻譜的不同頻率信號的強度特征可以實現(xiàn)對旋翼物體角向特征的分析。根據(jù)二次頻譜的強度最高的峰值所處的位置可以實現(xiàn)對旋翼物體轉(zhuǎn)速的提取。從而通過一次和二次頻譜
4.根據(jù)權利要求1和權利要求3所述的探測方法，其特征在于：收集到的散射光強信號經(jīng)過傅里葉變換得到一次頻譜在高頻部分通常呈現(xiàn)在頻率為2l0Ω附近形成了一個由Ω為間隔的峰值強度的包絡線，包絡中頻率為mnΩ的峰的相對強度較高。其中n為葉片數(shù)mn為其倍數(shù)。因此可以通過一次頻譜中在2l0Ω附近的峰值強度變化分析出旋翼物體的葉片數(shù)。且由于一次頻譜中峰值間隔為Ω，因此將一次頻譜再做傅里葉變換，也就是提取一次頻譜中峰值間隔的方式得到二次頻譜，觀察強度最高的峰值位置可以解算出該物體的轉(zhuǎn)速。
5.根據(jù)權利要求1、權利要求3和權利要求4所述的探測方法，其特征在于：收集到的散射光強信號經(jīng)過傅里葉變換得到一次頻譜在低頻部分通常呈現(xiàn)在頻率為mΩ處有峰值，其中頻率為nΩ處的峰值最高且頻率為mnΩ的峰也顯著高于相鄰峰值。因此可以通過一次頻譜的低頻部分獲取旋翼物體葉片數(shù)與轉(zhuǎn)速信息，并與權利要求4中所描述的轉(zhuǎn)速與葉片數(shù)的探測方法得到的結(jié)果進行對比與檢驗，得到更加精確的結(jié)果。
...【技術特征摘要】
1.一種基于渦旋光的旋翼轉(zhuǎn)速與角向特征信息探測方法，其特征在于：目前已有的傳統(tǒng)方法都是基于圖像識別或微波雷達探測，為了應對自然光較弱的環(huán)境、獲得葉片的角向分布信息和精確選擇特定物體，采用基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應的渦旋光的轉(zhuǎn)速探測方法；通過復振幅調(diào)制不同拓撲荷數(shù)的渦旋光照射在旋翼物體上。將光電探測器接收到的散射光的光強信號進行傅里葉變換，根據(jù)頻譜得出旋翼轉(zhuǎn)速和角向?qū)ΨQ性等信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種旋翼物體轉(zhuǎn)速與角向信息的探測方法，其特征在于：探測光束為渦旋光，其光場分布可以表示為：其中a代表渦旋光束的振幅，代表光束的相位角，l為光束的拓撲荷數(shù)。由旋轉(zhuǎn)多普勒效應可得：散射光的頻移中心頻率大致位于2lω處且頻移具有一定展寬，其中，為拓撲荷數(shù)，ω為葉片轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權利要求1和權利要求2所述的探測方法，其特征在于：由光電探測器接收到的散射光信號后轉(zhuǎn)化的電信號做一次和二次傅里葉變換得到的一次和二次頻譜。根據(jù)一次頻譜的不同頻率信號的強度特征可以實現(xiàn)對旋翼物體角向特征的分析。根據(jù)二次頻譜的強度最高的峰值所處的位置可以實現(xiàn)對旋...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：劉通，梁雨田，任元，劉政良，唐若愚，朱向陽，丁友，閆宏宇，雷雨，
申請(專利權)人：中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊航天工程大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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