[发明专利]一种基于涡旋光的转速测量系统及方法

说明书

本发明公开的基于涡旋光的转速测量系统及方法，涉及探测技术、光电技术领域，以解决传统光学转动速度测量方法的测量难度大、适用范围有限的问题。其中：检测光生成装置，生成探测光和本振光，将探测光调制为含有轨道角动量叠加态的涡旋光，将涡旋光照射至发射接收装置；发射接收装置，对涡旋光进行扩束准直，并照射至待测物体，接收待测物体的反射光，将反射光照射至检测光生成装置；检测光生成装置，对反射光和本振光进行合束，将合束光照射至探测器；探测器，将合束光的光信号转换为电信号；信号处理器，根据提取的电信号中的频移信息，并计算转速。上述测量系统及方法，对系统要求低，还能够有效用于对小转速的测量，具有很高的实用性。

技术领域

本发明涉及探测技术、光电技术领域，尤其涉及一种基于涡旋光的转速测量系统及方法。

背景技术

多普勒频移探测方法多基于线性多普勒效应，主要用于平移速度的测量。当用于转动速度测量时，只能采用光束倾斜入射旋转物体表面，通过测量转动速度在光束传播方向上的分量，进而推算转动速度如图1所示。当物体同时存在较大的平移速度时，由转动速度引起的频移分量将淹没在平移引起的频移背景下，导致转动速度的测量难度大、测量精度低，频移效果如图2所示。

改进型的转速测量方法是将一束携带有轨道角动量的涡旋光照射到旋转物体上时，物体的旋转速度对涡旋光束引入持续的相位变化，进而产生光的频率移动，引起旋转多普勒效应，其中光频移量直接与物体旋转速度相关，可以实现平移速度与旋转速度的解耦，能够在较大的平动速度下实现对较小转速的测量。但是，当探测回光较弱时，对探测光源和探测器灵敏度有较高要求，无法实现有效检测。

发明内容

本发明的目的在于提供基于涡旋光的转速测量系统及方法，用于解决现有基于线性多普勒效应的传统光束测量转动速度测量难度大、测量成本高；涡旋光束在探测回光较弱时，对探测光源和探测器灵敏度要求高，无法实现有效检测的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

提供一种基于涡旋光的转速测量系统，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。

上述基于涡旋光的转速测量系统的检测光生成装置能够同时生成本振光和带有轨道角动量叠加态的涡旋光，涡旋光为待测物体提供光照射，能够有效的读取待测物体的反射光，通过将反射光和涡旋光的合束，实现对微弱反射光信号的增益放大，降低了对光源与探测器灵敏度的要求，实现了对反射光微弱时，对转速的测量；通过本振光和涡旋光的叠加，对于平移速度和转动速度相差较大或接近时，都可实现速度解耦，都能够有效的提取频移信息，进而计算转动速度。更进一步的，由于本振光与杂散光无相干性，从而具有一定的滤波作用，测量方法具有高信噪比，具有很高的实用性。

本发明还提供了一种基于涡旋光的转速测量系统的测量方法，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；