[发明专利]一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统及方法

说明书

本发明公开一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统及方法。其中系统包括依次设置的调频光源模块、叠加涡旋光生成模块、模式选取和纯净模块、运动目标模块、信号接收与处理模块；本发明通过搭建合适的涡旋光束测量系统，基于多普勒频移公式，通过改变拓扑荷和光频率，对具有线性速度和旋转速度的复杂运动物体的综合多普勒频移进行测量，从而得出目标物体的线速度和角速度。本发明基于涡旋光束的综合多普勒效应，测量光由拓扑荷数相反的叠加涡旋光组成，通过从结构光干涉场中充分提取运动信息来测定一类物体复合运动的多维运动信息，提取方式简单、直接、可操作性强。本发明光路设计简单，较少使用复杂的光学元件和设备，操作简单，后续可集成性强。

技术领域

本发明涉及多普勒频移测量技术领域，尤其涉及一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统及方法。

背景技术

涡旋光束(optical vortices,OV)包含螺旋型相位因子，具有全新的自由度—轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)。OAM理论上拓扑荷可取任意整数，所以光子有无数个OAM正交本征态，即涡旋光具有高维特性。目前，由于OAM的涡旋特性和高维特性，OAM模式被应用到众多经典和量子领域，如量子纠缠、量子隐形传输，光镊、超分辨显微成像、探测旋转微粒或物理的角速度等。

携带OAM的涡旋光束照射到旋转物理上可以产生与拓扑荷数、转速成正比的旋转多普勒频移。利用这种特性，可在目标探测中可以获取更为丰富和独特的目标属性信息，例如对垂直于视线方向的目标(旋转)运动进行精确测量；可以通过测量目标的轨道角动量谱，获取对目标表面属性信息的描述。

传统的目标测量和识别的方法多是集中独立(平动或转动)、单向的测量，比如线性多普勒效应对应的平移测量、旋转多普勒效应对应的角速度测量。但实际环境中，运动物体的行动轨迹一般是多维度的。如何将对目标的多维信息进行提取并测量获得其物理数据是目前研究的瓶颈。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统及方法，能够用于测量物体的多维运动信息，包括螺旋运动中平移速度大小与方向，以及旋转速度大小与方向。

根据本发明的一个方面，提供一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统，包括依次设置的调频光源模块、叠加涡旋光生成模块、模式选取和纯净模块、运动目标模块、信号接收与处理模块；所述调频光源模块产生不同波长的激光辐射至叠加涡旋光生成模块；叠加涡旋光生成模块接收激光后生成具有正负拓扑荷的叠加态涡旋光并反射至模式选取和纯净模块；模式选取和纯净模块对叠加态涡旋光进行选定叠加态涡旋光模式并去除杂散光后将净化后的叠加态涡旋光辐射至运动目标模块；运动目标模块模拟具有线速度和角速度的复杂运动目标，净化后的叠加态涡旋光辐射至该运动目标模块后产生散射回弹波；信号接收与处理模块捕捉散射回弹波并根据线性多普勒和转动多普勒效应进行特征提取和目标识别的信号处理。

根据本发明的另一个方面，提供一种涡旋光束综合多普勒频移测量方法，该方法上述的一种涡旋光束综合多普勒频移测量的系统采集到的散射回弹波进行综合多普勒频移测量；方法包括：

将信号接收与处理模块收集到的散射回弹波信号转换为时域光强信号，时域光强信号经过快速傅里叶变换后，得到多普勒频移；

利用不同拓扑荷数和不同频率的涡旋光进行计算，测量得到具有旋转多普勒频移和线性多普勒频移的复杂运动目标。