[發明專利]一種基于多模渦旋光束的目標復合運動探測裝置

有效

• 申請號: 202011342287.8
• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112526539B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 邱松;任元;劉通;李智猛;王琛;劉政良;陳琳琳;沙啟蒙;丁友
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學
• 主分類號: G01S17/58
• 分類號: G01S17/58;G01S7/481
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 陳超

本發明涉及一種基于多模渦旋光束的目標復合運動探測裝置。其主要部件包括激光器、分光棱鏡、偏振分光棱鏡、反射鏡、螺旋相位板、透鏡、光電探測器。首先，將激光器產生的正交偏振光束透過分光棱鏡分為兩束，一束作為參考光，另一束透過偏振分光棱鏡分成偏振方向不同的兩束；其次，將偏振態不同的兩束光分別透過拓撲荷數不同的兩塊螺旋相位板產生渦旋光束，再用偏振分光棱鏡將其匯合為一束作為多模探測光束照射目標；最后，收集物體表面散射光并將其與參考光束進行匯合，用光電探測器進行信號采集，對光電探測器采集到的時域光強信號加以分析，便可以分別得出目標的線速度和轉速。本裝置結構簡單，具有較高靈敏度。

技術領域

本發明主要涉及光學、物理學、光電轉換、信號提取領域，尤其是光束的光場調控、拍頻檢測等技術方法。

技術背景

本發明的技術背景主要多普勒效應測速原理。多普勒效應起源于奧地利物理學家多普勒對聲音的觀察，隨著后續研究的深入，人們發現這一效應廣泛存在與所有類型的波之中。多普勒效應的基本原理是當波源相對于接收者做相向運動時，接收器接收到的波的頻率將增大；當波源相對于接收裝置做相反運動時，接收器接收到的頻率將減小。波源與接收器之間相對運動速度越大則接收到的頻率改變量也越大，據此便可以得出二者之間的相對速度。

經典光學中的線性多普勒效應可用下式表示：

其中△f₁表示探測光束與散射回波光束之間的頻率差，c表示真空中的光速，f₀是探測光的頻率，v表示接收器相對于激光光源的運動速度。我們生活中常見的高速公路測速儀以及醫院采用的B超等都是基于這一原理。當接收者的運動速度不沿著波束傳播方向時，只有沿著波束傳播方向的速度分量才會引起多普勒頻移，因此速度與波束傳播方向不共線時需要加上夾角因子cosα，此時的多普勒頻移可表示為△f＝2f₀vcosα/c。

根據以上原理可知，經典線性多普勒效應只具備探測沿著波束傳播方向上具有線性運動或分量的物體。當物體僅在光束傳播垂直平面內有運動時，經典多普勒效應則無能為力。

1992年，Allen等人首次提出了具有螺旋相位因子的結構光束可能攜帶有軌道角動量(OAM)的這一概念，這一發現掀起了人們對這種具有螺旋相位的結構光束研究的熱潮。具有這種螺旋形相位的光束被稱為渦旋光，它具有環狀的光強分布。渦旋光束的波前不再是一個平面，而是一個螺旋形的相位面，從而導致光束Poynting矢量不再與光束傳播方向平行，而是有一個夾角。因為這個夾角的存在，我們可以將這種渦旋光束的Poynting矢量分解到沿光束傳播和垂直于光束截面兩個方向上，根據這一特性，當這種光束與運動物體相互作用時，將同時對沿著光束傳播方向和垂直于光束傳播方向的運動產生響應。

2013年英國格拉斯哥大學Padgett等人系統總結并提出了一種利用疊加態渦旋光探測旋轉物體轉速的方案，首次實現了利用渦旋光束對旋轉物體轉速的測量，揭示了渦旋光探測的巨大應用潛力，相關成果發表在《Science》上。渦旋光Poynting矢量與光軸之間的夾角可表示為sinβ＝lλ/2πr，其中l為渦旋光的拓撲荷數，λ表示光束的波長，r為光場中任意位置到光軸之間的距離。當一束渦旋光對準轉軸探測一旋轉物體時，對于每個微小散射體而言，相當于是與光束Poynting矢量之間有了一個夾角，代入傾斜條件下的線性多普勒頻移公式可得：

其中△f₂表示旋轉多普勒頻移。