基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置、方法及存储介质

本申请涉及光电，特别涉及一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置、方法及存储介质。

背景技术：

1、计算光学既涉及到几何光学、波动光学和量子光学等光计算特性，广泛应用于成像、全息和光信息处理等领域，典型代表有计算光学成像。计算光学成像是通过对光学照明与成像系统进行光学编码(如：结构光照明、孔径编码和光学传递函数调制等)，所拍摄的图像经过调制，再配合数字解码过程，实现重构理想场景。计算成像赋予传统光学诸多难以获得甚至无法获得的革命性优势，如提高成像的质量，突破光学系统与图像采集设备的物理限制等，使成像系统的性能指标显著提升。

2、涡旋光束的旋转体多普勒效应，涡旋光束是一种新型结构光束，它具有螺旋形波前结构，涡旋光束的光束中心具有相位奇点，使得其横截面光强呈一环状中空分布。由于其特殊的相位结构，该光束具有旋转多普勒效应，当一束具有轨道角动量的光沿着旋转轴照射到粗糙的旋转体表面时，光的频率会发生变化，这种由于波源和观察者之间的角向运动导致光频率的改变，称为旋转多普勒效应，频移量可以表示为：δf＝lω/(2π)。其中，l为探测光的轨道角量子数，ω为旋转体旋转速度。通过旋转多普勒效应，可以实现旋转体角速度的测量。旋转多普勒效应可被用来直接探测旋转运动参数，且物理模型简单，为目标微旋转运动探测提供新的理论依据和测量方法。

3、目前，相关技术中利用具有涡旋相位的拉盖尔高斯光束实现了旋转体角速度探测，然而，随着探测距离的增加，需要大功率涡旋结构光源，由于目前涡旋光场生成技术正处于研发阶段，稳定高功率的涡旋激光源离实际应用还需一段时间。目前利用旋转多普勒效应探测旋转体的技术都依赖于涡旋光源，严重制约了旋转多普勒在探测领域的应用发展。

技术实现思路

1、本申请提供一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置、方法及存储介质，以解决现有技术中需要依赖复杂的涡旋光源实现旋转多普勒效应探测旋转体，操作复杂等问题。

2、本申请第一方面实施例提供一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，包括：光源组件，用于发射非涡旋高斯的探测光束，沿着旋转轴照射旋转体，并产生散射光；收发组件，用于发射探测光，并接收散射回波信号；滤波组件，用于对回波信号进行螺旋相位空间滤波得到基膜高斯光束；处理组件，用于探测回波信号的强度调制信号，通过傅里叶变换对强度调制信号进行时频分析得到旋转多普勒频移，根据旋转多普勒频移确定旋转体的角速度。

3、可选地，所述光源组件包括光源、第一半波片、第一偏振分光棱镜，其中：所述第一偏振分光棱镜置于所述光源的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；所述第一半波片置于所述偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变光源发射的高斯光束的主偏振方向。

4、可选地，所述收发组件包括第二偏振分光棱镜、四分之一波片、第一透镜和第二透镜，其中：所述第二偏振分光棱镜置于所述第一半波片的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束，并反射竖直偏振的回波信号；所述四分之一波片置于所述第二偏振分光棱镜的后方光路中，用于生成圆偏振光束的发射光束，及将回波信号的偏振方向变为竖直方向；所述第一透镜和所述第二透镜置于所述半波片的后方光路中，用于所述探测光的扩束和准直，对所述回波信号的缩束和准直。

5、可选地，所述滤波组件包括第二半波片、第一分光棱镜、液晶空间光调制器、第三透镜、小孔光阑和第四透镜，其中：所述第二半波片置于所述第二偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变回波信号的散射光的主偏振方向；所述第一分光棱镜置于所述第二半波片的后方光路中，用于反射光和透射光能量的均分；所述液晶空间光调制器置于第一分光棱镜的后方光路中，用于加载全息光栅，对散射光进行螺旋相位空间调制；所述第三透镜、所述第四透镜和小孔光阑组成成像系统，所述小孔光阑置于频谱面，用于滤出衍射级的基膜高斯光束。

6、可选地，所述小孔光阑包括光学小孔或者单模光纤，滤出分别发生红移和蓝移的基模高斯光束。

7、可选地，所述处理组件包括第二分光棱镜、第五透镜、全反镜和光电探测器，其中：所述第二分光棱镜用于实现将信号光束分光；所述全反镜置于所述第二分光棱后面，用于改变信号光束传播方向；所述第五透镜置于所述全反镜的反射光路中，用于收集散射光；增益可调的光电探测器置于所述第五透镜的像方焦点处，用于捕获散射光信号；示波器与所述光电探测器相连，用于分析所述散射光信号强度调制信号。

8、可选地，所述处理组件还包括第六透镜、红外相机和计算机，其中：所述第六透镜置于所述第二分光棱镜的反射光路中，用于收集散射光；所述红外相机置于所述第六透镜的后焦点上；所述计算机读取并显示所述红外相机接受的散射光斑。

9、可选地，所述强度调制信号的调制频率为：

10、

11、其中，f表示调制频率，l表示探测光的轨道角量子数，δf1表示螺旋相位板+l部分光频的变化，δf2表示螺旋相位板-l部分光频的变化，ω为旋转体的角速度，t表示时间。

12、本申请第二方面实施例提供一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法，所述方法利用如上述实施例所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置进行旋转体探测，其中，所述方法包括以下步骤：采用具有相反角量子数的螺旋相位片作为光学滤波器；将非涡旋高斯光作为探测光束，沿着旋转轴照射到旋转体，利用所述光学滤波器调制所述探测光束的散射光；探测由于旋转运动导致的散射光的旋转多普勒频移，根据所述旋转多普勒频移确定所述旋转体的角速度。

13、本申请第三方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法。

14、由此，本申请至少具有如下有益效果：

15、本申请实施例可以采用螺旋相位片作为光学滤波器，当普通非涡旋高斯光作为探测光束，沿着旋转轴照射到旋转体上时，其散射光被螺旋相位片调制之后，探测器可以探测到由于旋转运动导致的散射光旋转多普勒频移，进而根据频移量推出旋转体角速度，无需依赖结构光源，通过计算光学的方法直接计算出旋转体的角速度，方法简单有效等有益效果。由此，解决了现有技术中需要依赖复杂的涡旋光源实现旋转多普勒效应探测旋转体，操作复杂等技术问题。

16、本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述光源组件包括光源、第一半波片、第一偏振分光棱镜，其中：

3.根据权利要求2所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述收发组件包括第二偏振分光棱镜、四分之一波片、第一透镜和第二透镜，其中：

4.根据权利要求3所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述滤波组件包括第二半波片、第一分光棱镜、液晶空间光调制器、第三透镜、小孔光阑和第四透镜，其中：

5.根据权利要求4所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述小孔光阑包括光学小孔或者单模光纤，滤出分别发生红移和蓝移的基模高斯光束。

6.根据权利要求4所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述处理组件包括第二分光棱镜、第五透镜、全反镜和光电探测器，其中：

7.根据权利要求6所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述处理组件还包括第六透镜、红外相机和计算机，其中：

8.根据权利要求1所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置，其特征在于，所述强度调制信号的调制频率为：

9.一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法，其特征在于，所述方法利用如权利要求1-8任意一线所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置进行旋转体探测，其中，所述方法包括以下步骤：

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求9所述的基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的方法。

技术总结
本申请涉及光电技术领域，特别涉及一种基于螺旋相位空间滤波的旋转体探测的装置、方法及存储介质，其中，装置包括：光源组件、收发组件、滤波组件和处理组件，其中，光源组件用于发射非涡旋高斯的探测光束，沿着旋转轴照射旋转体，并产生散射光；收发组件用于发射探测光，并接收散射回波信号；滤波组件用于对回波信号进行螺旋相位空间滤波得到基膜高斯光束；处理组件用于探测回波信号的强度调制信号，通过傅里叶变换对强度调制信号进行时频分析得到旋转多普勒频移，根据旋转多普勒频移确定旋转体的角速度。由此，解决了现有技术中需要依赖复杂的涡旋光源实现旋转多普勒效应探测旋转体，操作复杂等问题。

技术研发人员：戴琼海,翟焱望,吴嘉敏
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15