一种超分辨的角速度矢量测量装置及方法

1.本发明涉及角速度测量技术领域，尤其是指一种超分辨的角速度矢量测量装置及方法。


背景技术：

2.角速度测量在工业制造、国防科技中扮演着重要角色，广泛应用于精密计量、航天航空等领域。因此，角速度测量方法的研究至关重要。接触式测量是传统的角速度测量方法，包括利用机械式、电磁感应式的传感器等。但由于其精度较低、易受电磁干扰等缺点，已不能满足日益增长的测量需求。
3.激光多普勒效应因其非接触，快速响应，高精度，高灵敏度，高空间分辨率，可远距离测量等优势，广泛应用于精密计量、原子冷却、天体观测、激光遥感等领域。对于激光多普勒速度测量，最初是利用线性多普勒效应推测运动物体线速度。1998年courtial等人提出了激光的旋转多普勒效应。2013年martin等人将激光的旋转多普勒效应用于探测物体的角速度。近十年来，这种旋转多普勒测速法得到了大量关注。目前，针对激光旋转多普勒测速，已有各种不同场景、不同检测方法的一系列研究。
4.现有的激光角速度测量方法主要有三种：第一种是通过振幅调制得到具有圆对称花瓣状分布的结构照明光，这种光源振幅的周期性调制将产生特定频率。第二种，也是最主要的一种是利用携带轨道角动量(orbital angular momentum,oam)的光束干涉后形成的光源，oam是由涡旋相位引起的。干涉的两束光具有相反的螺旋性，也就是具有符号相反的拓扑荷，分别会导致光的红移和蓝移，这种差分偏移将导致特定频率下的强度调制。第三种，也是最近提出的偏振调控的矢量光方法。该方法利用偏振片定向选择具有某种高阶偏振特性的矢量光，以产生周期性的光强调制。这三种方法所产生的特定频率δf即多普勒频移，再由公式δf＝lω/2π计推算出目标物体角速度，其中l为光源光强的变化周期数，ω为物体角速度。
5.对于前两种方法，角速度矢量的大小是容易探测到的，而角速度的方向难以直接获得，除非采用其他额外技术，如双频或外差干涉，或使用多束激光等。第三种方法利用装置的两路光中不同偏振方向偏振片的偏振选择，使探测光产生多普勒相移以确定运动方向，改进了前两种方法中角速度的方向难以直接获得的问题。这三种方法均在的角速度测量中得到了很好的验证，然而，光源中心与目标物体转轴的对准是探测的前提。在目标物体完全覆盖光源的测量中，在一定限度内，光源中心与目标物体转轴之间的偏移量越大，所引起的频移就越弥散，甚至淹没在噪声中无法测量。此外，当测量一个尺寸小于光源的微小物体角速度时，由于绝大多数光源都是空心环形分布的，这要求该物体必须置于光源的环形包络内。因此，光源和目标物体之间的对准问题仍然是一个亟待解决的挑战。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种超分辨的角速度矢量测量装置及方法。
7.一种超分辨的角速度矢量测量装置，包括：
8.光束产生模块，所述光束产生模块用于产生相干结构旋转的特殊关联部分相干光束；
9.旋转平台，所述旋转平台上放置有待测物体，所述相干结构旋转的特殊关联部分相干光束经待测物体透射或反射，得到测试光束；
10.探测模块，所述探测模块限制所述测试光束的瑞利极限，并获取其中的光强信号；
11.计算机，与所述探测系统连接，用于对所得光强信号用matlab软件进行数据处理，得到对应频谱，再计算得到待测物体角速度矢量，所述角速度矢量包括角速度大小和方向。
12.优选的，所述光束产生模块包括：
13.激光器，所述激光器发出一激光束；
14.扩束镜，所述扩束镜对所述激光束进行扩束；
15.dmd，所述dmd上加载动态循环的二值图用于使得扩束后的激光束具有特殊关联结构，并控制相干结构的旋转，得到相干结构旋转的特殊关联激光束；
16.分束镜，所述分束镜对所述相干结构旋转的特殊关联激光束进行反射；
17.4f系统，所述4f系统对所述相干结构旋转的特殊关联激光束进行衍射级筛选，得到所需衍射级光束；
18.毛玻璃，所述衍射级光束通过所述毛玻璃产生相干结构旋转的特殊关联非相干光；
19.准直透镜，所述相干结构旋转的特殊关联非相干光经准直透镜准直后产生相干结构旋转的特殊关联部分相干光束；
20.其中，dmd上加载有高斯阵列、circ函数阵列、拉盖尔阵列全息图中的任意一个。
21.优选的，所述4f系统包括依次设置的第一透镜、第一光阑和第二透镜；所述第一透镜和所述第二透镜组成常规4f系统，所述光阑位于所述第一透镜的后焦面，用于允许所需衍射级光束通过。
22.优选的，所述4f系统和毛玻璃之间设置有反射镜。
23.优选的，所述探测模块包括：
24.远心系统，所述远心系统用于限制所述测试光束的瑞利极限；
25.探测器，所述探测器接收通过所述远心系统的透射光束，并获取其中的光强信号。
26.优选的，所述远心系统包括依次设置的第三透镜、第二光阑和第四透镜，所述光阑位于远心系统的频谱面。
27.优选的，探测器为电子倍增电荷耦合设备。
28.优选的，所述探测模块包括：
29.第三透镜，所述第三透镜用于将所述测试光束汇聚；
30.第二光阑，所述第二光阑位于所述第三透镜的后焦面，用于限制所述测试光束的瑞利极限；
31.带放大的光电探测器，所述带放大的光电探测器用于位于所述第二光阑后的任意距离处，用于接收由所述第二光阑通过的光并获取其中的光强信号。
32.一种超分辨的角速度矢量测量方法，采用如上所述的超分辨的角速度矢量测量装置实现，包括：
33.s1：产生用于探测的具有特殊相干结构的部分相干光束：光源经扩束镜扩束后覆盖dmd的工作区域，dmd用于控制相干结构的旋转，得到相干结构旋转的激光束；相干结构旋转的激光束由4f系统筛选所需衍射级打在毛玻璃上，通过所述毛玻璃产生相干结构旋转的特殊关联非相干光，再经准直透镜准直后即可产生用于角速度测量的相干结构旋转的特殊关联部分相干光束；
34.s2：用所得的光束作为光源进行角速度矢量探测：所述相干结构旋转的特殊关联部分相干光束入射至放置于旋转平台上的待测物体；
35.s3：由待测物体透射或反射的光经远心系统后，由探测器记录待测物体光强信号；
36.s4：最后对所得光强信号用matlab软件进行数据处理得到对应频谱，再计算得到待测物体角速度矢量，所述角速度矢量包括角速度大小和方向。
37.优选的，所述光源为相干晶格光束。
38.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
39.本发明所述的超分辨的角速度矢量测量装置及方法允许待测物体的旋转轴偏离光源的中心，并存在外部抖动，解决现有技术中存在的待测物体的旋转轴与光源中心需要严格对准的问题。通过旋转光源的相干结构来追踪待测物体的旋转运动，二者同向旋转时，光束发生红移；二者反向旋转时，光束发生蓝移，从而可以同时确定角速度的大小和方向。通过拍频灵活控制频移的升档或降档，可实现从超低速到超高速范围的角速度测量。
附图说明
40.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
41.图1是本发明超分辨的角速度矢量测量装置示意图。
42.图2是本发明光源相干度的二维分布图。
43.图3是本发明亚瑞利物体的形状尺寸示意图。
44.图4是本发明实验光强分布图。
45.图5是本发明相干结构与物体同向旋转与反向旋转时所测频率图。
46.说明书附图标记说明：1、激光器；2、扩束镜；3、dmd；4、分束镜；5、4f系统；501、第一透镜；502、第一光阑；503、第二透镜；6、反射镜；7、毛玻璃；8、准直透镜；9、旋转平台；10、远心系统；1001、第三透镜；1002、第二光阑；1003、第四透镜；11、探测器；12、计算机。
具体实施方式
47.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
48.如图1所示，本发明提出了一种超分辨的角速度矢量测量装置，包括：
49.光束产生模块，所述光束产生模块用于产生相干结构旋转的具有特殊相干结构的部分相干光束；
50.旋转平台9，所述旋转平台9上放置有待测物体，所述具有特殊相干结构的部分相干光束经待测物体透射或反射，得到测试光束；
51.探测模块，所述探测模块限制所述测试光束的瑞利极限，并获取其中的光强信号；
52.计算机12，与所述探测系统连接，用于对所得光强信号用matlab软件进行数据处理，得到对应频谱，再计算得到待测物体角速度矢量，所述角速度矢量包括角速度大小和方向。
53.在一个具体的实施例中，所述光束产生模块包括：
54.激光器1，所述激光器1发出一激光束；
55.扩束镜2，所述扩束镜2对所述激光束进行扩束；
56.dmd3(digtial micromirror devices,数字微镜器件)，所述dmd3上加载动态循环的二值图用于使得扩束后的激光束具有特殊关联结构，并控制相干结构的旋转，得到相干结构旋转的特殊关联激光束；
57.分束镜4，所述分束镜4对所述相干结构旋转的特殊关联激光束进行反射；
58.4f系统5，所述4f系统5对所述相干结构旋转的特殊关联激光束进行衍射级筛选，得到所需衍射级光束；
59.毛玻璃7，所述衍射级光束通过所述毛玻璃7产生相干结构旋转的特殊关联非相干光；
60.准直透镜8，所述相干结构旋转的特殊关联非相干光准直透镜8准直后产生相干结构旋转的特殊关联部分相干光束；
61.其中，dmd3上加载有高斯阵列、circ函数阵列、拉盖尔阵列全息图中的任意一个。
62.在一个具体的实施例中，所述4f系统5包括依次设置的第一透镜501、第一光阑502和第二透镜503。所述第一透镜501和所述第二透镜503组成常规4f系统5，所述光阑位于所述第一透镜501的后焦面，用于允许所需衍射级光束通过。
63.在一个可选的实施例中，为避免本实施例所述超分辨的角速度矢量测量装置占地距离过长，所述4f系统5和毛玻璃7之间设置有反射镜6，使得光路弯折，减小所述超分辨的角速度矢量测量装置的整体长度。
64.在一个具体的实施例中，所述探测模块包括：
65.远心系统10，所述远心系统10用于限制所述测试光束的瑞利极限；
66.探测器11，所述探测器11接收通过所述远心系统10的透射光束，并获取其中的光强信号。
67.在一个具体的实施例中，所述远心系统10包括依次设置的第三透镜1001、第二光阑1002和第四透镜1003，所述光阑位于远心系统10的频谱面。
68.在一个可选的实施例中，所述探测模块包括：
69.第三透镜1001，所述第三透镜1001用于将所述测试光束汇聚；
70.第二光阑1002，所述第二光阑1002位于所述第三透镜1001的后焦面，用于限制所述测试光束的瑞利极限；
71.带放大的光电探测器11，所述带放大的光电探测器11用于位于所述第二光阑1002后的任意距离处，用于接收由所述第二光阑1002通过的光并获取其中的光强信号。
72.本发明还提出了一种超分辨的角速度矢量测量方法，采用上述超分辨的角速度矢量测量装置实现，包括：
73.s1：产生用于探测的相干结构旋转的特殊关联部分相干光束：所述激光器1发出一激光束经所述扩束镜2扩束后覆盖所述dmd3的工作区域，所述dmd3用于加载特殊关联结构
并控制相干结构的旋转，得到相干结构旋转的特殊关联激光束；所述相干结构旋转的特殊关联激光束由所述4f系统5筛选所需衍射级打在所述毛玻璃7上，通过所述毛玻璃7产生相干结构旋转的特殊关联非相干光，再经所述准直透镜8准直后即可产生用于角速度测量的相干结构旋转的特殊关联部分相干光束；
74.s2：用所得的光束作为光源进行角速度矢量探测：所述相干结构旋转的特殊关联部分相干光束入射至放置于所述旋转平台9上的所述待测物体；
75.s3：由所述待测物体透射或反射的光经所述远心系统10后，由探测器11记录待测物体光强信号；
76.s4：最后对所得光强信号用matlab软件进行数据处理得到对应频谱，再计算得到待测物体角速度矢量，所述角速度矢量包括角速度大小和方向。
77.在本实施例中，通过论述本发明的理论依据对本发明进行进一步解释。标量场的二阶相干现象可由空间-频率域的交叉谱密度函数定量描述：
[0078][0079]
其中rn＝(xn,yn)，n＝1，2，u表示光场中两任意位置矢量r1、r2处的复振幅，《》表示系综平均，*表示复共轭，i表示光场中两任意位置矢量r1、r2处的光强，μ(r1、r2)为相干度，表示空间中任意两点光振动的关联程度。这里只考虑稳态准单色部分相干光，因此忽略了角频率ω。具有现实物理意义的交叉谱密度函数需要满足正定条件：
[0080]
γ(r1,r2)＝∫p(v)h
*
(r1,v)h(r2,v)d2v,
ꢀꢀ
(2)
[0081]
其中p(v)为非负函数，h0(r,v)为任意核函数。考虑线性光学系统，若h0(r,v)函数具有类傅里叶结构，则p(v)函数与相干度μ(r1、r2)构成傅里叶变换关系。这里，p(v)函数可以理解为用来产生部分相干光束的具有特殊空间分布的非相干光。
[0082]
当用该光束探测一个可以透射的待测物体，并通过4f系统5后，探测面的交叉谱密度为：
[0083]
γ(u1,u2)＝∫γ(r1,r2)o
*
(r1)o(r2)h(r1,u1)h
*
(r2,u2)d2r1d2r2,
ꢀꢀꢀ
(3)
[0084]
其中，o表示待测物体的透过率函数，h表示系统的脉冲函数，un＝(u
nx
,u
ny
)，n＝1，2表示探测面任意位置矢量的坐标。当u＝u1＝u2时，γ(u,u)为探测面的光强。
[0085]
对于与x轴方向呈任意夹角α，相距l的两物点：
[0086][0087]
根据式(3)，若光源为相干度为μ(r
1-r2)的谢尔模型光源，则其探测面强度为：
[0088][0089]
其中c为常数，其中c为常数，
[0090]
已知相干度小于0时，两个物点的艾里斑中心光强值将低于非相干光照明的情况，
即可以突破经典瑞利极限。因此，可以通过设计p(v)函数得到存在负值区间的相干结构分布。若相干结构具有周期性的负值区间分布，则可以预测利用这类光束探测亚瑞利待测物体时，随着待测物体角度的线性变化，光强将呈现周期性的强度调制。由式(5)可知探测光强与相干度直接相关，且这类相干度μ(r
1-r2)的值仅与相对位移有关，而与绝对位置无关，因此探测不需要对准。当待测物体在该光源下发生旋转运动时，将导致强度调制，对应频率：
[0091][0092]
其中n是光源光强的变化周期，ω1是待测物体的角速度。当相干结构旋转，同时待测保持物体不动时，对应频率：
[0093][0094]
其中ω2是光源的角速度。当相干结构和待测物体同时旋转时，则会出现拍频
[0095]
δf＝|f1±
f2|,
ꢀꢀ
(8)
[0096]
负号表示光源和待测物体的旋转方向相同，光束发生红移；正号表示光源和待测物体的旋转方向相反，光束发生蓝移。
[0097]
在一个具体的实施例中，以一种相干晶格光束作为光源，根据式(5)，其p(v)函数为：
[0098][0099]
对应的相干度为：
[0100][0101]
其中，(v
x
,vy)表示p(v)函数平面任意位置矢量的坐标，s为p(v)函数中任意两高斯函数的间距，w0为高斯函数的束腰宽度，δ为相干长度，λ为光波长，f1为发生傅里叶变换的透镜焦距。相干度的二维分布见图2，由图可知，这种相干结构具有周期性的负值区间分布。
[0102]
在本实施例的实验装置中，激光器1发射波长λ为532nm的连续波，dmd3上加载动态循环的二值图用于控制相干结构的旋转。调制光束经过由焦距为200mm的第一透镜501和第二透镜503组成的4f系统5滤波得到所需的衍射光斑。准直透镜8焦距为100mm，旋转平台9上待测物体长为40μm，宽为10μm(见图3)。第三透镜1001和第四透镜1003焦距为250mm，光阑半径为1.5mm，由此计算出该系统的瑞利极限约为54.1μm。探测器11为电子倍增电荷耦合设备(emccd)。信号处理只涉及总光强，不涉及空间分辨率，这里使用emccd是为了便于直观观测。图4为所述待测物体在该光源下旋转2π时每π/6的实验光强变化，由图可知光强呈现分裂-聚合-分裂-聚合的周期性变化规律。
[0103]
当待测物体转速小于相干结构转速时，公式(8)变为δf＝f1±
f2。通过dmd3上的二值图设置相干结构转速为5/18r/s，对应频率为1/6hz；设置待测物体转速为0.1r/s。相干结构与待测物体同向旋转与反向旋转时所得到的频率图如图5所示。由(δf-f2)/n即可得到待测物体转速(单位为r/s)，符号为正表示待测物体与相干结构旋转方向相反，符号为负表
示待测物体与相干结构旋转方向相同。进行多组实验，计算出其平均相对误差低于0.05％。
[0104]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种超分辨的角速度矢量测量装置，其特征在于，包括：光束产生模块，所述光束产生模块用于产生相干结构旋转的特殊关联部分相干光束；旋转平台，所述旋转平台上放置有待测物体，所述相干结构旋转的特殊关联部分相干光束经待测物体透射或反射，得到测试光束；探测模块，所述探测模块限制所述测试光束的瑞利极限，并获取其中的光强信号；计算机，与所述探测系统连接，用于对所得光强信号用matlab软件进行数据处理，得到对应频谱，再计算得到待测物体角速度矢量，所述角速度矢量包括角速度大小和方向。2.根据权利要求1所述的超分辨的角速度矢量测量装置，其特征在于，所述光束产生模块包括：激光器，所述激光器发出一激光束；扩束镜，所述扩束镜对所述激光束进行扩束；dmd，所述dmd上加载动态循环的二值图用于使得扩束后的激光束具有特殊关联结构，并控制相干结构的旋转，得到相干结构旋转的特殊关联激光束；分束镜，所述分束镜对所述相干结构旋转的特殊关联激光束进行反射；4f系统，所述4f系统对所述相干结构旋转的特殊关联激光束进行衍射级筛选，得到所需衍射级光束；毛玻璃，所述衍射级光束通过所述毛玻璃产生相干结构旋转的特殊关联非相干光；准直透镜，所述相干结构旋转的特殊关联非相干光经准直透镜准直后产生相干结构旋转的特殊关联部分相干光束；其中，dmd上加载有高斯阵列、circ函数阵列、拉盖尔阵列全息图中的任意一个。3.根据权利要求2所述的超分辨的角速度矢量测量装置，其特征在于，所述4f系统包括依次设置的第一透镜、第一光阑和第二透镜；所述第一透镜和所述第二透镜组成常规4f系统，所述光阑位于所述第一透镜的后焦面，用于允许所需衍射级光束通过。4.根据权利要求2所述的超分辨的角速度矢量测量装置，其特征在于，所述4f系统和毛玻璃之间设置有反射镜。5.根据权利要求1所述的超分辨的角速度矢量测量装置，其特征在于，所述探测模块包括：远心系统，所述远心系统用于限制所述测试光束的瑞利极限；探测器，所述探测器接收通过所述远心系统的透射光束，并获取其中的光强信号。6.根据权利要求5所述的超分辨的角速度矢量测量装置，其特征在于，所述远心系统包括依次设置的第三透镜、第二光阑和第四透镜，所述光阑位于远心系统的频谱面。7.根据权利要求5所述的超分辨的角速度矢量测量装置，其特征在于，探测器为电子倍增电荷耦合设备。8.根据权利要求1所述的超分辨的角速度矢量测量装置，其特征在于，所述探测模块包括：第三透镜，所述第三透镜用于将所述测试光束汇聚；第二光阑，所述第二光阑位于所述第三透镜的后焦面，用于限制所述测试光束的瑞利极限；带放大的光电探测器，所述带放大的光电探测器用于位于所述第二光阑后的任意距离
处，用于接收由所述第二光阑通过的光并获取其中的光强信号。9.一种超分辨的角速度矢量测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任意一项所述的超分辨的角速度矢量测量装置实现，包括：s1：产生用于探测的具有特殊相干结构的部分相干光束：光源经扩束镜扩束后覆盖dmd的工作区域，dmd用于控制相干结构的旋转，得到相干结构旋转的激光束；相干结构旋转的激光束由4f系统筛选所需衍射级打在毛玻璃上，通过所述毛玻璃产生相干结构旋转的特殊关联非相干光，再经准直透镜准直后即可产生用于角速度测量的相干结构旋转的特殊关联部分相干光束；s2：用所得的光束作为光源进行角速度矢量探测：所述相干结构旋转的特殊关联部分相干光束入射至放置于旋转平台上的待测物体；s3：由待测物体透射或反射的光经远心系统后，由探测器记录待测物体光强信号；s4：最后对所得光强信号用matlab软件进行数据处理得到对应频谱，再计算得到待测物体角速度矢量，所述角速度矢量包括角速度大小和方向。10.根据权利要求9所述的超分辨的角速度矢量测量方法，其特征在于，所述光源为相干晶格光束。

技术总结
本发明涉及一种超分辨的角速度矢量测量装置及方法。本发明所述的超分辨的角速度矢量测量装置及方法允许待测物体的旋转轴偏离光源的中心，并存在外部抖动，解决现有技术中存在的待测物体的旋转轴与光源中心需要严格对准的问题。通过旋转光源的相干结构来追踪待测物体的旋转运动，二者同向旋转时，光束发生红移；二者反向旋转时，光束发生蓝移，从而可以同时确定角速度的大小和方向。通过拍频灵活控制频移的升档或降档，可实现从超低速到超高速范围的角速度测量。围的角速度测量。围的角速度测量。


技术研发人员：赵雪纯 赵承良 卢兴园 蔡阳健
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/8/1