具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种结构光干涉测速仪，包括：发射设备、接收设备、反射式复合螺旋相位板；其中，发射设备包括激光器、第一扩束器、第一缩束器、双位置检测装置；接收设备采用迈克尔逊干涉配置，包括第二缩束器、第一分束器、第一反射镜、第二反射镜、第二扩束器；发射设备置于测量现场的原地，用于发射、接收和处理光信号，激光器输出自由空间的高斯光，第一扩束器将高斯光的光束尺寸扩大并发送到接收设备，接收设备置于远程待测物体处，用于探测和反向传输光信号，第二缩束器接收发射设备发射的高斯光并缩小光束尺寸，第一分束器将高斯光分为探测光与参考光两路，第一反射镜将参考光反射回第一分束器，反射式复合螺旋相位板粘贴在待测物体表面，将垂直照射的探测光转换为结构光并反射回第一分束器，第一分束器还起到合束作用，将高斯光和结构光合束成叠加光，第二反射镜调整叠加光的传播方向，第二扩束器将叠加光的光束尺寸扩大并反向传输到发射设备，第一缩束器接收接收设备反向传输的叠加光并缩小光束尺寸，双位置检测装置对叠加光检测并进行信号处理，获取远程待测物体的速度信息；本发明所提供的结构光干涉测速仪可针对平移、旋转或两者组合的多维度运动形式，在远距离测量场景下，实现对宏观尺寸任意形状的块状物体运动的速度大小和方向的全矢量运动信息的获取。

本发明还提供了一种结构光干涉测速仪，包括：发射设备、接收设备、反射式复合螺旋相位板；其中，发射设备包括激光器、第一扩束器、第一缩束器、双位置检测装置；接收设备采用马赫泽德干涉配置，包括第二缩束器、第一分束器、第二分束器、第三反射镜、第三分束器、第二扩束器；激光器输出自由空间的高斯光，第一扩束器将高斯光的光束尺寸扩大并发送到接收设备，第二缩束器接收发射设备发射的高斯光并缩小光束尺寸，第一分束器将高斯光分为探测光与参考光两路，反射式复合螺旋相位板粘贴在待测物体表面，可将入射的高斯光转换为结构光，第二分束器将探测光照射粘贴在待测物体表面的反射式复合螺旋相位板，并接收反射回的结构光，第三反射镜调整结构光的传播方向，第三分束器将高斯光和结构光合束成叠加光，第二扩束器将叠加光的光束尺寸扩大并反向传输到发射设备，第一缩束器接收接收设备反向传输的叠加光并缩小光束尺寸，双位置检测装置对叠加光检测并进行信号处理，获取远程待测物体的速度信息。

本发明还提供了一种结构光干涉测速仪，包括：发射设备、接收设备、反射式复合螺旋相位板；其中，发射设备和接收设备之间采用光束双向同轴传输，发射设备包括激光器、第一扩束器、第四分束器、双位置检测装置，接收设备包括第二缩束器、第一分束器、第一反射镜；激光器输出自由空间的高斯光，第四分束器将激光器输出的高斯光传输至第一扩束器，并将第一扩束器接收的叠加光传输至双位置检测装置，第一扩束器既将高斯光的光束尺寸扩大并发送到接收设备，还接收接收设备反向传输的叠加光并缩小光束尺寸，第二缩束器既接收发射设备发射的高斯光并缩小光束尺寸，还将叠加光的光束尺寸扩大并反向传输到发射设备，第一分束器将高斯光分为探测光与参考光两路，探测光垂直照射粘贴在待测物体表面的反射式复合螺旋相位板并被转换为结构光反射，参考光由第一反射镜反射，第一分束器还将结构光和高斯光合束成叠加光，双位置检测装置对叠加光检测并进行信号处理，获取远程待测物体的速度信息。

本发明还提供了一种结构光干涉测速仪，包括：发射设备、接收设备、反射式复合螺旋相位板；其中，发射设备包括光纤激光器、单模光纤、光纤耦合器、光纤延时器、偏振控制器、第一准直器、第二准直器、第四分束器、第一扩束器、双位置检测装置，接收设备仅采用第二缩束器；光纤激光器输出基模高斯光，光纤耦合器将基模高斯光分为基模高斯探测光与基模高斯参考光两路，第一准直器将基模高斯探测光输出为自由空间高斯光，光纤延时器用于补偿参考光路与探测光路之间的光程差，使结构光和高斯光的干涉叠加满足相干条件，偏振控制器消除长距离传输导致的参考光路与探测光路之间的偏振失配，第二准直器将基模高斯参考光输出为自由空间高斯光，第四分束器将探测光传输至第一扩束器，并起到合束作用，将自由空间高斯光和第一扩束器接收的结构光合束成叠加光，第一扩束器既将高斯光的光束尺寸扩大并发送到接收设备，还接收接收设备反向传输的结构光并缩小光束尺寸，第二缩束器接收发射设备发射的高斯光，并缩小光束尺寸后垂直照射粘贴在待测物体表面的反射式复合螺旋相位板，由反射式复合螺旋相位板反射的结构光由第二缩束器缩小光束尺寸后，反向传输到发射设备，双位置检测装置对叠加光检测并进行信号处理，获取远程待测物体的速度信息。

具体地，第一扩束器由透镜组和封装外壳组成，起到光束尺寸调整的作用，第一扩束器的放大倍数为5至20倍之间，根据发射设备与接收设备之间的距离而定，以保证接收设备处的光束尺寸小于第二缩束器的收光孔径；第一扩束器可倒置使用，作为参数相同的缩束器；第二扩束器、第一缩束器、第二缩束器可与第一扩束器具有相同参数。

具体地，反射式复合螺旋相位板将自由空间的高斯光转换为包含两个不同轨道角动量组分的结构光，且结构光中，阶数高的轨道角动量组分的光束尺寸大于阶数小的轨道角动量组分的光束尺寸；反射式复合螺旋相位板的中心与待测物体的旋转中心重合，且与垂直照射待测物体的探测光的光轴对准。

具体地，双位置检测装置包括分束器、第一探测器、第二探测器和信号处理模块，叠加光具有外侧和内侧不同的强度分布；分束器将叠加光分为第一探测路和第二探测路，第一探测器和第二探测器分别置于第一探测路和第二探测路中叠加光外侧与内侧的交界环形区域，信号处理模块分别对第一探测器和第二探测器所采集的时域信号进行傅里叶分析，获取远程待测物体的速度信息。

具体地，信号处理模块分别对第一探测器和第二探测器所采集的时域信号进行傅里叶分析，得到第一傅里叶幅度谱、第二傅里叶幅度谱、第一傅里叶相位谱、第二傅里叶相位谱，将第一傅里叶相位谱和第二傅里叶相位谱相减获得傅里叶相对相位谱，在第一傅里叶幅度谱中，将相对振幅较低的频谱峰作为第一频谱峰并获得第一峰值频率，将相对振幅较高的频谱峰作为第二频谱峰并获得第二峰值频率，在傅里叶相对相位谱中，分别对应第一峰值频率和第二峰值频率确定第一相对相位差值和第二相对相位差值；分别利用第一相对相位差值和第二相对相位差值的正负符号确定第一峰值频率和第二峰值频率的正负符号，利用第一峰值频率和第二峰值频率与待测物体平移和旋转运动速度之间的关系，推算待测物体的速度信息。

以下结合具体实施例及附图进行说明。

如图1所示，本发明提供的一种结构光干涉测速仪，包括：发射设备1，接收设备3，反射式复合螺旋相位板4；其中，发射设备1包括激光器11、第一扩束器12、第一缩束器13、双位置检测装置14；接收设备3包括第二缩束器31、第一分束器32、第一反射镜33、第二反射镜34、第二扩束器35。激光器11输出的自由空间高斯光经第一扩束器12调整光束尺寸后，沿发射光路2被发送到接收设备3；第二缩束器31接收到发射设备1传输的高斯光并缩小光束尺寸，第一分束器32将高斯光分为探测光和参考光两路，第一反射镜33将参考光反射回第一分束器32，反射式复合螺旋相位板4粘贴在待测物体5表面，将垂直照射的探测光转换为结构光并反射回第一分束器32，第一分束器32将高斯光和结构光合束成叠加光，第二反射镜34调整叠加光的传播方向，第二扩束器35将叠加光的光束尺寸扩大并沿接收光路6反向传输到发射设备1；第一缩束器13接收接收设备3反向传输的叠加光并缩小光束尺寸，双位置检测装置14对叠加光检测并进行信号处理，获取远程待测物体的速度信息。

如图2所示，本发明提供的一种结构光干涉测速仪的一种改进，具体实施方式如下：

该装置包括：发射设备1，接收设备3，反射式复合螺旋相位板4；其中，发射设备1包括激光器11、第一扩束器12、第一缩束器13、双位置检测装置14；接收设备3包括第二缩束器31、第一分束器32、第二分束器36、第三反射镜37、第三分束器38、第二扩束器35。激光器11输出的自由空间高斯光经第一扩束器12调整光束尺寸后，沿发射光路2被发送到接收设备3；第二缩束器31接收到发射设备1传输的高斯光并缩小光束尺寸，第一分束器32将高斯光分为探测光和参考光两路，反射式复合螺旋相位板4粘贴在待测物体5表面，将入射的高斯光转换为结构光，第二分束器36将探测光垂直照射反射式复合螺旋相位板4，并接收反射回的结构光，第三反射镜37调整结构光的传播方向，第三分束器38将高斯光和结构光合束成叠加光，第二扩束器35将叠加光的光束尺寸扩大并沿接收光路6反向传输到发射设备1；第一缩束器13接收接收设备3反向传输的叠加光并缩小光束尺寸，双位置检测装置14对叠加光检测并进行信号处理，获取远程待测物体的速度信息。

如图3所示，本发明提供的一种结构光干涉测速仪的另一种改进，具体实施方式如下：

该装置包括：发射设备1，接收设备3，反射式复合螺旋相位板4；其中，发射设备1包括激光器11、第一扩束器12、双位置检测装置14、第四分束器15；接收设备3包括第二缩束器31、第一分束器32、第一反射镜33。激光器11输出自由空间的高斯光，第四分束器15将激光器11输出的高斯光传输至第一扩束器12，并将第一扩束器12接收的叠加光传输至双位置检测装置14，第一扩束器12既将高斯光的光束尺寸扩大并沿传输光路7发送到接收设备3，还接收接收设备3反向传输的叠加光并缩小光束尺寸，第二缩束器31既接收发射设备1沿传输光路7发射的高斯光并缩小光束尺寸，还将叠加光的光束尺寸扩大并沿传输光路7反向传输到发射设备1，第一分束器32将高斯光分为探测光与参考光两路，探测光垂直照射粘贴在待测物体5表面的反射式复合螺旋相位板4并被转换为结构光反射，参考光由第一反射镜33反射，第一分束器32还将结构光和高斯光合束成叠加光，双位置检测装置14对叠加光检测并进行信号处理，获取远程待测物体的速度信息。

如图4所示，本发明提供的一种结构光干涉测速仪的又一种改进，具体实施方式如下：

该装置包括：发射设备1，接收设备3，反射式复合螺旋相位板4；其中，发射设备1包括光纤激光器16、单模光纤17、光纤耦合器18、光纤延时器110、偏振控制器111、第一准直器19、第二准直器112、第四分束器15、第一扩束器12、双位置检测装置14；接收设备3包括第二缩束器31。光纤激光器16输出基模高斯光，基模高斯光经单模光纤17传输，光纤耦合器18将基模高斯光分为基模高斯探测光与基模高斯参考光两路，第一准直器19将基模高斯探测光输出为自由空间高斯光，光纤延时器110补偿参考光路与探测光路之间的光程差，偏振控制器111消除长距离传输导致的参考光路与探测光路之间的偏振失配，第二准直器112将基模高斯参考光输出为自由空间高斯光，第四分束器15将探测光传输至第一扩束器12，并将自由空间高斯光和第一扩束器12接收的结构光合束成叠加光，第一扩束器12既将高斯光的光束尺寸扩大并沿传输光路7发送到接收设备3，还接收接收设备3沿传输光路7反向传输的结构光并缩小光束尺寸，第二缩束器31接收发射设备1沿传输光路7发射的高斯光，并缩小光束尺寸后垂直照射粘贴在待测物体5表面的反射式复合螺旋相位板4，由反射式复合螺旋相位板4反射的结构光由第二缩束器31缩小光束尺寸后，沿传输光路7反向传输到发射设备1，双位置检测装置14对叠加光检测并进行信号处理，获取远程待测物体的速度信息。

如图5所示是本发明实施例提供的扩束器和缩束器，其中，扩束器12包括入射镜121、套筒122、出射镜123；缩束器31包括入射镜311、套筒312、出射镜313。入射镜121和出射镜313为短焦透镜，出射镜123和入射镜311为长焦透镜，套筒122和套筒312分别在扩束器12和缩束器31中起固定透镜间距和保护的作用。

如图6所示是本发明实施例提供的反射式复合螺旋相位板和结构光的强度与相位分布，其中，反射式复合螺旋相位板4粘贴在待测物体5表面，且其中心与物体的旋转中心重合；高斯光对准反射式复合螺旋相位板4中心垂直照射，反射出包含两个不同轨道角动量拓扑荷数的结构光；结构光的强度为周期性花瓣状分布，相位为外侧和内侧不同的周期分布。

如图7所示是本发明实施例提供的双位置检测方法和装置，其中装置包括分束器141、第一透镜142、第一孔阑143、第一光电探测器144、反射镜145、第二透镜146、第二孔阑147、第二光电探测器148、传输线149、信号处理模块1410，叠加光由分束器141分为两路，一路依次通过第一透镜142、第一孔阑143后被第一光电探测器144接收，另一路依次通过反射镜145、第二透镜146、第二孔阑147后被第二光电探测器148接收；第一光电探测器144和第二光电探测器148将光信号转换成电信号，并通过传输线149传输到信号处理模块1410；结构光与参考光的叠加光分为内侧区域1和外侧区域2，内侧区域1的光场由参考光与结构光中的小拓扑荷数组分干涉叠加而成，表现为螺旋状的干涉条纹，外侧区域2的光场由结构光中的两个不同拓扑荷数组分相互干涉叠加而成，表现为花瓣状的干涉条纹，且在测量过程中，内侧区域1的螺旋状干涉条纹与外侧区域2的花瓣状干涉条纹以不同的速率旋转；第一孔阑143和第二孔阑147分别置于第一透镜142和第二透镜146焦点后的光束发散区域内，且分别以不同方位角置于叠加光内侧与外侧的交界环形区域中，用于滤除探测点以外的多余的光场能量，因此等效为两个探测点；第一光电探测器144和第二光电探测器148分别收集两个探测点的时域强度信号，可感受到来自区域1和区域2的不同频率的光强度变化；信号处理模块1410对时域强度信号进行傅里叶分析，获得信号的傅里叶幅度谱和傅里叶相位谱，并将两探测信号的傅里叶相位谱相减获得傅里叶相对相位谱；两探测信号的傅里叶幅度谱中存在两个频谱峰，理论峰值频率大小分别为f₁＝|2kv_z+l₁Ω|/2π，f₂＝|(l₁-l₂)Ω|/2π，这里k为光束波数，v_z为远程待测物体的平移速度，Ω为远程待测物体的旋转速度，l₁为结构光中小拓扑荷数的轨道角动量组分，l₂为大拓扑荷数的轨道角动量组分；另外，在相对相位谱中找到这两个峰值频率对应的相对相位差值的正负符号，即可判断两个频移值的正负符号，通过两个频谱峰的峰值幅度高低，能够将两个峰区分开来；最后，求解两个线性方程，即可得到物体的平移与旋转运动的速度大小和方向，即获得远程待测物体运动的全矢量信息。

下面给出本实施例中利用本发明提供的结构光干涉测速仪对具有复杂运动形式的远程待测物体的实验测量结果图，图8(a)从上到下依次是针对同时向前平移与逆时针旋转运动测量的两探测点的信号傅里叶幅度谱与相对相位谱；图8(b)从上到下依次是针对同时向后平移与逆时针旋转运动测量的两探测点的信号傅里叶幅度谱与相对相位谱；图8(c)从上到下依次是针对同时向前平移与顺时针旋转运动测量的两探测点的信号傅里叶幅度谱与相对相位谱；图8(d)从上到下依次是针对同时向后平移与顺时针旋转运动测量的两探测点的信号傅里叶幅度谱与相对相位谱；根据探测信号的傅里叶频谱中两个峰的峰值高低，可以将两个频谱峰进行区分，峰值较高的为频谱峰2，峰值较低的为频谱峰1，并定义物体的线性运动向前和旋转运动逆时针为两种简单运动的正向，实验测量中所采用反射式复合螺旋相位板产生的结构光包含2和5阶拓扑荷数；对于图8(a)，物体复合运动的线性速度分量为5mm/s向前、旋转速度分量为1666.6πrad/s逆时针，频谱中两个峰值频率f₁、f₂的测量值分别为14240Hz、2500Hz，对应相对相位谱中的测量值分别为136.8°、-96.82°；对于图8(b)，物体复合运动的线性速度分量为5mm/s向后、旋转速度分量为1666.6πrad/s逆时针，频谱中两个峰值频率f₁、f₂的测量值分别为16890Hz、2500Hz，对应相对相位谱中的测量值分别为-64.16°、-74.2°；对于图8(c)，物体复合运动的线性速度分量为5mm/s向前、旋转速度分量为1666.6πrad/s顺时针，频谱中两个峰值频率f₁、f₂的测量值分别为17560Hz、2500Hz，对应相对相位谱中的测量值分别为111.7°、74.25°；对于图8(d)，物体复合运动的线性速度分量为5mm/s向后、旋转速度分量为1666.6πrad/s顺时针，频谱中两个峰值频率f₁、f₂的测量值分别为14130Hz、2500Hz，对应相对相位谱中的测量值分别为-56.51°、82.78°；比较四种测量情况的相对相位谱，可以发现在远程待测物体在四种运动方向的状态下，两个频谱峰对应的相对相位差值的正负符号出现四种不同的组合，将测量结果代入理论公式，计算出的平移和旋转运动分量的测量值在误差允许范围内与实际值相符，验证了这种结构光干涉测速仪工作的可靠性。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。