[发明专利]一种基于涡旋光的转速测量系统及方法

权利要求书

1.一种基于涡旋光的转速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10：生成探测光和本振光，将所述探测光调制为含有轨道角动量叠加态的涡旋光，通过发射接收模块将所述涡旋光照射至待测物体；

步骤S20：接收所述待测物体的反射光，对所述本振光和所述反射光进行合束，得到合束光；

步骤S30：对所述合束光进行光电转换，提取电信号中的频移信息，根据所述频移信息计算所述待测物体的旋转速度；

采用具有两个相反拓扑荷数±l叠加形式的涡旋光作为探测光垂直照射旋转速度为Ω、平移速度为v的物体，设光速为c，光频为f₀；

物体引起两个叠加态涡旋光的频移分别为：

和

采用本振光与探测回光进行拍频时，合成后的光强表达式为：

式中I_VB为探测回光光强，I_LO为本振光光强，k为波数，在波传播方向上单位长度内的波周期数目成为波数；

当探测回光较弱，即I_VB小于I_LO时，上述表达式简化为：

通过滤波去掉直流分量，保留交变分量；

当物体转动速度远小于平移速度，平移引起的频移在MHz量级，而转动引起的频移在kHz量级，强度信号在时域上呈现高频信号的慢变调制规律，通过滤波信号处理方式，实现对低频信号Δf_L的提取，通过以下公式计算得到物体转动速度：

当出现物体转动引起的频移与平移引起的频移量级相当时，对时域信号进行傅里叶变换，在频域谱上得到两个频率峰值，分别为和通过以下公式计算出物体旋转速度：

2.根据权利要求1所述的基于涡旋光的转速测量方法，其特征在于，在所述接收所述待测物体的反射光之后，对所述本振光和所述反射光进行合束，得到合束光之前，还包括以下步骤：

步骤S21：对所述反射光和所述涡旋光进行分离。

3.根据权利要求1所述的基于涡旋光的转速测量方法，其特征在于，对所述合束光进行光电转换之后，所述提取电信号中的频移信息，根据所述频移信息计算所述待测物体的旋转速度之前，还包括以下步骤：

对接收到的电信号进行降噪和滤波处理。

4.根据权利要求1所述的基于涡旋光的转速测量方法，其特征在于，在所述接收所述待测物体的反射光，对所述本振光和所述反射光进行合束，得到合束光之后；所述对所述合束光进行光电转换，提取电信号中的频移信息，根据所述频移信息计算所述待测物体的旋转速度之前，还包括以下步骤：

对所述合束光进行整形。

5.一种用于实现权利要求1至4任一项中基于涡旋光的转速测量方法的测量系统，其特征在于，包括：检测光生成装置、发射接收装置、探测器以及信号处理器；

所述检测光生成装置，生成探测光和本振光，将所述探测光调制为含有轨道角动量叠加态的涡旋光，将所述涡旋光照射至所述发射接收装置；

所述发射接收装置，对所述涡旋光进行扩束准直，并照射至待测物体，接收所述待测物体的反射光，将所述反射光照射至所述检测光生成装置；

所述检测光生成装置，对所述反射光和所述本振光进行合束，将合束光照射至所述探测器；

所述探测器，将所述合束光的光信号转换为电信号；

所述信号处理器，根据提取的所述电信号中的频移信息，计算所述待测物体的旋转速度；

所述检测光生成装置包括激光生成器、相位调制器、第一分光镜和第二分光镜；

所述激光生成器，生成检测光和本振光，将所述检测光发送至所述相位调制器，将所述本振光发送至所述第二分光镜；

所述相位调制器，对所述检测光进行调制，生成含有轨道角动量的叠加态的涡旋光，所述涡旋光透过所述第一分光镜，照射至所述发射接收装置；

所述第一分光镜，将接收到的反射光反射至所述第二分光镜；

所述第二分光镜，对所述反射光和所述本振光进行合束，将合束光照射至所述探测器。