一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置
阅读说明：本技术 一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置 (Target compound motion detection device based on dual-frequency stack state vortex optical rotation ) 是由 任元 李智猛 刘通 刘政良 邱松 王琛 王�华 吴昊 沙启蒙 丁友� 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置。本装置包括正交偏振双频激光器、四分之一波片、涡旋波片、偏振片、分光棱镜、频谱仪、光电探测器、组合成像望远镜。首先,正交偏振双频激光器产生的高斯光束经四分之一波片后,其偏振态转变为左-右旋圆偏振；左-右旋圆偏振光束经涡旋波片调制后,转变为右-左旋涡旋光,经线偏振片选取光束的一个偏振方向,形成旋转的叠加态涡旋光束；涡旋光束经分光棱镜分束为参考光束和探测光束；探测光束经被测目标散射后,利用组合成像望远镜收集信号光；两个光电探测器分别接收参考光束和信号光束,将光信号转变为电信号接入频谱分析仪,通过两次测量后参考信号与调制信号的差值与相对大小,即可解析目标的角速度大小和方向、线速度大小和方向。本装置以外差探测的方式实现了基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动探测,结构简单,具有广阔的应用前景。(The invention relates to a target compound motion detection device based on dual-frequency superposition state vortex optical rotation. The device comprises an orthogonal polarization dual-frequency laser, a quarter wave plate, a vortex wave plate, a polaroid, a beam splitter prism, a frequency spectrograph, a photoelectric detector and a combined imaging telescope. Firstly, after a Gaussian beam generated by an orthogonal polarization dual-frequency laser passes through a quarter-wave plate, the polarization state of the Gaussian beam is converted into left-right circular polarization; the left-right rotation circularly polarized light beam is modulated by the vortex wave plate and then converted into right-left vortex rotation, and one polarization direction of the light beam is selected by the warp polarizing plate to form a rotating superimposed vortex light beam; the vortex light beam is split into a reference light beam and a detection light beam through a beam splitter prism; after the detection light beam is scattered by a detected target, a combined imaging telescope is used for collecting signal light; the two photoelectric detectors receive the reference light beams and the signal light beams respectively, convert optical signals into electric signals and access the electric signals to a spectrum analyzer, and the angular velocity size and direction and the linear velocity size and direction of a target can be analyzed through the difference value and the relative size of the reference signals and the modulation signals after two measurements. The device realizes target compound motion detection based on dual-frequency superposition state vortex optical rotation in an external difference detection mode, and has a simple structure and a wide application prospect.)
技术领域
本发明涉及一种基于双频叠加态涡旋光的目标复合运动检测装置。本装置结构简单、便捷高效，可实现目标旋转角速度大小、方向、线性速度大小、方向的探测。
技术背景
复合运动是一种广泛存在于日常生活中的运动形式。相比单一运动，复合运动更具有普遍性，而复合运动的探测更具有实际应用的价值，该装置可适用于各种非接触探测，甚至在空间自主交会对接、陨石轨道的预判、未知卫星的监测等领域具有广泛的应用前景。
现有的复合运动探测方法主要包括多普勒雷达法和摄像测量法。前者利用目标外形反射电磁波的周期信号和多普勒频移来获取物体旋转与线性运动信息；后者则利用连续图像的位姿解算实现复合运动的解析。两种方法都可以较好的实现复合运动探测，但对于表面特征不明显的目标，探测实时性较差。
涡旋光是一种连续螺旋状相位的光束，具有螺旋形波前，中心光强为零，具有奇异性；其波矢量有方位项，且绕着涡旋中心旋转，携带轨道角动量。基于这一特性，这种光束可以作为“光学扳手”操控微观粒子，因此可以广泛应用于医学界和生物界，此外，在量子通信领域也具有很高的应用价值。
线性多普勒效应是一种普遍的现象。当波源与接收器存在相对运动时，接收器接收到的波频率会发生改变，当两者相向运动时，接收器接收到的波频率增加，反之则减少。因此，可以通过频率的变化解析波源与接收器的相对运动速率和方向。这种技术已被应用于声呐、雷达、多普勒成像等领域。
与线性多普勒效应相比，自然界中存在另外一种对于旋转敏感的多普勒效应现象，叫做旋转多普勒效应。这种多普勒效应的波源需携带exp(ilφ)相位，也就是涡旋光束，其中l为拓扑荷数，φ为方位角。经旋转物体散射的涡旋光，其频率会发生改变，频移的大小正比于被测物体的角速率与涡旋光拓扑荷数。
目前关于基于涡旋光的探测技术研究，多数采用同频的正反叠加态涡旋光作为探测光束，与旋转物体相互作用后，正反涡旋光发生频移后，通过拍频检测，实现2倍旋转多普勒频移的获取。该探测方式存在问题一方面表现在，旋转多普勒信号在一个相对较低的频域范围，极易被低频噪声干扰，导致转速测量误差；另一方面，拍频检测的结果为旋转多普勒频移的标量信息，并不能判断频移的“增/减”，因此，无法直接实现旋转方向的判别。
此外，涡旋光除其特有的旋转多普勒效应外，仍具有一般光束的线性多普勒效应，具有探测线速度的能力。采用单态涡旋光作为探测光束时，受限于目前频谱分析的技术水平，无法实现光频频域内频移的检测；如果采用单态涡旋光频移后的光束与频移前的光束拍频耦合，理论上可以实现频移的获取，但操作难度大。采用同频叠加态涡旋光发生线性多普勒频移后，两束单态涡旋光多普勒频移相同，拍频检测后被抵消，无法实现线速度的测量。因此，本发明提出采用双频叠加态涡旋光作为探测光束，实现目标复合运动检测。
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