[发明专利]一种探测旋转体角加速度的方法与装置

说明书

本发明公开了一种探测旋转体角加速度的方法与装置。本发明采用具有相反角量子数的双模复用拉盖尔‑高斯光束作为探测光束，当其沿着旋转轴照射到旋转体上时，由于旋转多普勒效应，散射光频率被调制。利用相干探测的方法，探测并记录干涉光斑中心光强，该中心光强的频率随时间变化规律df/dt和旋转体角加速度a(t)满足正比关系，即：a(t)＝(π/l)(df/dt),其中l为探测光的轨道角量子数。利用短时傅里叶变换的方法对干涉光斑中心光强变化进行时频分析，可得到强度信号的频率随时间的变化规律，进而推出旋转体角加速度。本发明的系统结构简单，易于操作，可实现实时旋转体角速度和角加速度的测量，相比现有技术具有较大进步。

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种探测旋转体角加速度的方法与装置

背景技术

涡旋光束是一种新型的光束，它具有螺旋形波前结构，涡旋光束的光束中心具有相位奇点，使得其横截面光强呈一环状中空分布。1992年，Allen等发现涡旋光束的复振幅表达式中含有其中，l为角量子数，也称为拓扑核数，为角向坐标(L.Allen等，Physical Review A,1992年第45卷，8145页)。角量子数l是涡旋光束携带轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)的特征值，涡旋光束中每一个光子均携带的轨道角动量(为约化普朗克常量)，常见的涡旋光束有拉盖尔-高斯光束、贝塞尔光束等。

线性多普勒是一个应用广泛的物理现象，即：如果波源与观察者之间存在线性运动，则波的频率会发生变化。该效应已广泛用于交通测速、流体探测等领域。与线性多普勒不同的是，当一束具有轨道角动量的光沿着旋转轴照射到粗糙的旋转体表面时，光的频率会发生变化，这种由于波源和观察者之间的角向运动导致光频率的改变，称为旋转多普勒效应，频移量可以表示为：Δf＝lΩ/(2π).其中，l为探测光的轨道角量子数，Ω为旋转体旋转速度。通过旋转多普勒效应，可以实现旋转体角速度的测量。

目前，科研人员已经利用具有涡旋相位的拉盖尔高斯光束实现了旋转体角速度探测，然而，当旋转体受到力矩时，具有角加速度，旋转体非匀速旋转时，涡旋光束的频率会随时间发生变化，仅对拍频信号进行傅里叶变换不能准确读出角加速度。因此，需要开发一种可探测旋转体角加速度的方法。

傅里叶分析法是分析和处理平稳信号的最常用的方法。傅里叶变换建立了信号从时间域到频率域的变换桥梁，而傅里叶反变换则建立了信号从频域到时域的变化桥梁。但是傅里叶变换是整体上将信号分解为不同的频率分量，而缺乏局域信息，即它并不能告诉我们某种频率分量发生在哪些时间内，而这对非平稳信号十分重要。所以，对于非平稳信号，我们要采用时频分析的方法，时频分析旨在构造一种时间和频率的密度函数，以揭示信号中所包含的频率分量及其演化特性。常见的时频分析的方法有：短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布、小波变化、希尔伯特-黄变换等。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可探测旋转体角加速度的方法与装置。本发明的一种可探测旋转体角加速度的方法，采用具有相反角量子数的两路复用的拉盖尔-高斯光束沿着旋转轴照射旋转体。根据旋转多普勒效应和光拍频原理，其散射光会存在强度调制，该强度调制的频率随时间的变化规律df/dt和旋转体角加速度a(t)满足正比关系，即：a(t)＝(π/l)(df/dt),其中l为探测光的角量子数，通过红外相机记录光斑中心位置光强信号变化，并通过短时傅里叶变换的方法对该信号进行时频分析，可得到频移随时间变化关系，进而可反推出旋转体的角加速度。特别的，该方法可同时测得旋转体的角速度和角加速度。

本发明的一种可探测旋转体角加速度的装置，包括涡旋光束生成部分、旋转体探测部分和信号处理部分。其中涡旋光束生成部分包括激光光源、半波片、偏振分光棱镜、全反镜、液晶空间光调制器、两个焦距为f的透镜和小孔光阑，其中：

所述半波片置于激光光源的后方光路中，用于改变光源发射的高斯光束的主偏振方向；

所述偏振分光棱镜置于前述半波片的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；