[发明专利]一种矢量多普勒效应测量方法和装置

说明书

本发明公开了一种矢量多普勒效应测量方法和装置，方法利用偏振非均匀分布矢量光场，实现对横向运动物体运动速度大小和方向的同时测量。装置包括偏振非均匀分布矢量光光源和检测装置，偏振非均匀分布矢量光光源用于产生横向矢量光场或圆柱矢量光场，检测装置用于对横向运动物体对矢量光场中不同的空间位置进行采样获得的矢量多普勒信号进行检测，实现对横向运动物体运动速度大小和方向的同时测量。本发明可以同时测量横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量信息，突破了传统方案仅能测量横向运动物体速度大小无法辨别方向的限制，还可以实现对物体运动状态的实时监测，其在光学测量和传感等方面具有广泛的应用前景，填补了相关技术领域的空白。

技术领域

本发明属于光学测量领域，更具体地，涉及一种矢量多普勒效应测量方法和装置。

背景技术

多普勒效应自发现以来，已经经过百多年的发展和完善，并被广泛应用于光学和声学测量领域，包括测速、雷达、气象和天文观测及生物诊断等诸多方面。基于多普勒效应发展兴起的测量技术一般具有空间测量分辨率高、测量范围广、非接触等优势，因而其在实际测量场合中是一种不可或缺的手段。多普勒效应由波源和观测者之间的相对运动引起，其表现为波的本振频率发生频率漂移。其中，相对运动形式可以是分为纵向平移和横向运动，分别对应于产生线性和横向多普勒效应。纵观多普勒效应的历史，研究者们的研究对象一般局限于标量波，并通常以相对运动对波的相位改变来解释多普勒效应。在以光波作为波源的多普勒效应的测量应用中，由于光波的本振频率极高，通常采用包含有多普勒频移信息的测量光与原始频率的参考光干涉的方法，通过测得干涉拍频来间接得到多普勒频移。然而，通过这种传统的测量方法一般只能获取多普勒频移的大小信息，无法直接获取多普勒频移的符号信息。当以矢量光作为多普勒效应的波源时，会发现一种有别于经典多普勒效应的全新现象，称之为矢量多普勒效应。矢量多普勒效应打破了光波电场的时间反演对称性，其产生的信号光具有随时间变化的偏振态。矢量多普勒效应作为多普勒效应的一种全新的拓展，具有有趣的性质和潜在的应用价值，因此找到一种矢量多普勒效应的测量方法是极其必要的。

偏振态是光场的一个重要属性，它描述了垂直于光传播方向的平面上的电场振荡方向。过去的研究大多涉及空间均匀偏振状态，如线性偏振、椭圆偏振和圆偏振，在这些情况中，光场的偏振态不依赖于光斑横截面的空间位置。近些年，研究者们通过对结构光场的调控，使结构光场的偏振态随横向空间非均匀地排布，由此获得了矢量偏振光场。根据矢量光场偏振态分布特性不同，可分为横向矢量光场和圆柱矢量光场。其中，横向矢量光场的偏振态沿直线排列分布，其可通过自由空间光场的叠加来产生；圆柱矢量光场的偏振态沿角向排列分布，目前产生圆柱矢量光场的技术可分为两类，一类是主动产生，即通过对激光器谐振腔特殊的设计来产生，另一类是被动产生，即通过对自由空间或光纤中光场模式及偏振态的调控来产生，利用这些方法和技术，能够得到偏振非均匀分布矢量光光源。

对于物体运动的监测在工程学、生物学和基础研究领域是极其重要的。目前，基于线性多普勒效应能实现对物体平移速度大小的测量，基于旋转多普勒效应能实现对物体旋转速度大小的测量，然而两者均无法实现对物体运动方向的判别，因此也无法实现对物体旋转运动状态的实时监测。鉴于此，寻找并利用新的物理机制来设计一种对物体运动监测的装置是极其有必要的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种矢量多普勒效应测量方法和装置，旨在突破传统方案仅能测量横向运动物体速度大小无法辨别方向的限制，同时实现对物体运动状态的实时监测，填补相关技术的空白。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种矢量多普勒效应测量方法，包括：将横向运动的物体置于偏振非均匀分布矢量光场中，横向运动物体反射回来的光实现了对偏振非均匀分布矢量光场的采样，得到携带了横向运动物体的运动信息的矢量多普勒信号，通过检测偏振态随时间变化的矢量多普勒信号，同时获取横向运动物体运动速度大小和方向的全矢量运动信息，并进一步分析物体的实时运动状态，实现基于矢量多普勒效应的运动物体的测量。