[发明专利]一种基于偏振光栅多普勒效应的物体运动速度测量方法

说明书

本发明涉及一种基于偏振光栅多普勒效应的物体运动速度测量方法，基于偏振光栅的光学特性，从理论上阐明了偏振光栅的多普勒效应产生机理，提出了将偏振光栅的±1级衍射光进行叠加得到具有拍频特性的线偏振光的方法，通过理论推导得到了信号光的表达式，并对信号进行快速傅里叶变换得到运动的平均速度，采用短时傅里叶变换对信号进行时频分析，得到了偏振光栅运动速度随时间变化的特性，将偏振光栅与运动物体固联即可得到物体的运动信息。本研究实现了对运动光栅线性运动速度和加速度的测量，对光学外差探测及激光移频技术的进一步发展具有潜在的意义。

技术领域

本发明主要涉及光学、物理学、信号处理等领域，尤其是光学差拍技术与时频分析中的短时傅里叶变换。

技术背景

偏振光是电矢量相对于传播方向以一固定方式振动的光。按电矢量末端在光的传播过程中形成的轨迹，偏振光主要分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。若轨迹在传播过程中为一条线，则为线偏振光；若电矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形，则称为圆偏振光或椭圆偏振光；若电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上占有相对优势，这种偏振光就称为部分偏振光。偏振光栅则是可以根据入射光的偏振特性进行选择性分光的仪器，对于不同偏振态的入射光，偏振光栅的衍射现象及衍射光的偏振态各不相同。

现有的激光频谱范围为3.8×10¹⁴Hz～7.9×10¹⁴Hz，这对于目前所使用的光电探测器(其响应的时间为10^-12s)来说无法探测到瞬时频率的变化，因此采用差拍技术降低信号频率即可以解决高频信号无法测量的问题。光学差拍的原理是将两束具有一定频率差的光叠加到一起，从而获得这两束光的频率差与频率和信号，而两束光的频率和属于高频信号，光电探测器无法测量，所以探测器测得的信号即为两束光的频率差信号。

短时傅立叶变换基本思想是把非平稳过程看成是一系列短时平稳信号的叠加，短时性可通过对信号在时间上加窗实现，对窗内信号做傅立叶变换，得到信号的时变频谱，从而获得信号频率随时间的变化规律。

发明内容

本发明的技术解决问题是：此前已有文章研究过利用普通光栅的多普勒效应实现对光栅运动速度的精确测量及其振动的分析，而偏振光栅不同于普通光栅的衍射方式，其会根据入射光偏振态的不同产生不同偏振态的衍射光，在入射光为圆偏振光时，衍射光还会出现缺级现象，这使得传统的测量方法无法适用于偏振光栅运动速度的测量。此方法针对偏振光栅的衍射特性及衍射光的偏振特性设计了一种衍射光叠加光路，首次实现了基于偏振光栅多普勒效应的物体运动速度测量。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于偏振光栅多普勒效应的物体运动速度测量方法，测量装置包括激光器(Laser)、空间滤波器(Filter)、光阑(AP)、凸透镜(Lens1)、偏振片(P)、平面镜(M1)、偏振光栅(PG)、λ/4波片(λ/4WP)、平面镜(M2)、平面镜(M3)、平面镜(M4)、分束镜(BS)、光电探测器(PD)和示波器(oscilloscope)。首先，将一束线偏振光入射偏振光栅保证衍射光具有+1级和-1级两级，其中，+1级为左旋圆偏振光，-1级为右旋圆偏振光，分别将两束衍射光经过λ/4波片变成偏振方向相同的两束线性偏振光，最后通过分束镜叠加变成拍频线偏振光，设激光的基频为f₀，多普勒频移为Δf，波数为k，+1级衍射光走过的距离为z₁，-1级衍射光走过的距离为z₂,则拍频信号的表达式为：

将获取的信号进行快速傅里叶变换，得到的信号频谱图在处会有一处明显的峰值，其中，v为运动速度，d为偏振光栅的光栅常数。由于理论上频移与速度成正比关系，故其值会随着偏振光栅速度的变化而变化，当偏振光栅做变速运动或振动时，对信号进行快速傅里叶变换(FFT)生成的频谱图在多普勒频移信号位置会形成一定的展宽，仅分析此频谱图是无法反映完整的运动信息的。本方法采用短时傅里叶变换(STFT)对信号进行时频分析，可得到偏振光栅运动速度随时间的变化情况，进而可以分析偏振光栅的加速度和振动情况，测物体的运动状态时，可将偏振光栅与待测物体固联进行测量。