【技术实现步骤摘要】
：本专利技术涉及一种基于多环涡旋光束旋转多普勒效应的信号增强方法。本专利技术涉及全息计算、光与物体相互作用等领域，通过制备不同类型且携带相同拓扑荷数的多环涡旋光束作为光源探测旋转物体，可以提升目标的捕获概率，增大回波信号的频域幅值，提高探测距离，拓展转速测量应用范围。
技术介绍
0、技术背景
1、自涡旋光束的轨道角动量被发现以来，这一特殊的结构光束得到了国内外学者的广泛关注并在多个领域展现出了重要的应用潜力。与光束的偏振、振幅、相位类似，轨道角动量是涡旋光束的另一动量维度，但和光束自旋角动量不同，轨道角动量模态数不仅限于±1，可以无限扩展，不同轨道角动量模态之间相互正交，理论上能够形成无限希尔伯特空间，相较于光束其他维度，轨道角动量具有更大的调控空间，目前已被应用到光学操控、量子通信、遥感测量等众多领域。
2、尤其在旋转测量领域，涡旋光束得到日益广泛的关注。1998年，j.courtial等人证明携带轨道角动量的光束，在以角速度ω旋转时，产生lω的频移，其中l代表涡旋光束的拓扑荷数，首次表明除线性多普勒频移外，还存在旋转多普勒频移；2013年，lavery等人首次使用叠加态涡旋光束探测实际旋转物体，得到了旋转多普勒频移；2021年，任元课题组邱松等人基于旋转多普勒效应实现了线性运动与旋转运动的复合解耦。但大多数基于涡旋光束的旋转多普勒效应的微动测量均需要光束与物体转轴对准。当二者出现偏移或倾斜时，旋转多普勒频谱将出现展宽，信号信噪比降低，这不利于远距探测以及旋转目标测量的工程化。提升散射光的有效接收功率显
技术实现思路
1、本专利技术的技术解决方案是：针对基于旋转多普勒效应的旋转物体测量应用中由于光轴与物体转轴未对准、探测距离远、大气湍流干扰等原因导致的光学回波信噪比降低，测量精度低等问题，提出了一种基于多环涡旋光束旋转多普勒效应的信号增强方法，该方法设计了一种叠加的多环涡旋光束，通过增加环的数目，在保持激光器出射功率不变的前提下提升了探测光束的功率，同时增加了光束覆盖面积，使用该光束探测旋转物体，回波的信噪比得到明显提升，可增大转速遥测距离。本方法光路简洁，操作难度低，灵活可调，使用便捷，极大促进了基于涡旋光束旋转多普勒效应旋转测量的工程化。
2、本专利技术的技术解决方案是：
3、本专利技术涉及一种基于多环涡旋光束旋转多普勒效应的信号增强方法：
4、(1)首先将多个带有相同拓扑荷数的涡旋光束复合，利用复振幅调制法制备具有不同环数的叠加态涡旋光束，而后任意照射到旋转物体上，采用光电探测器接收散射光并采样得到时域信号，利用频域变换工具将时域信号变换为信噪比得到明显提升的频域旋转多普勒谱，并且可以发现随环的数目增加，来自探测目标的散射信号信噪比和涡旋光束强度不断提升。
5、(2)在旋转多普勒信号测量中，光轴不必与物体转轴严格对准，在任意位姿下探测均可提升信号信噪比，如横移条件下经旋转目标调制后产生的频移为其中f表示旋转多普勒频移，l是涡旋光的拓扑荷数，ω表示目标转速，r是涡旋光中心到每个散射点之间的距离，d表示目标转轴指向涡旋光轴之间的距离，θ表示方位角，倾斜条件下频移为其中γ为物体倾斜角度，在这两种条件下采用多环涡旋光束探测旋转物体，展宽的旋转多普勒频谱的幅值得到明显提升。
6、(3)在多环涡旋光束制备方面。探测光束不再是传统探测中所用的单环涡旋光，而是具有多环的叠加态复合涡旋光束，本专利技术采用空间光调制器制备所需光束，首先调制涡旋光束的半径和强度分布得到多环涡旋光束全息图，之后采用线偏振高斯光束照射加载全息图的空间光调制器，并挑选出衍射级次中的第一级作为探测光源。
7、本专利技术的原理是：
8、涡旋光束在柱坐标系下的复振幅表达式可以写作，
9、
10、其中为方位角，r代表半径，z为传播距离；k代表波数，其大小为λ/2π，l代表拓扑荷数，代表复振幅，i表示虚数。多环涡旋光束为多个具有不同半径的涡旋光束的复合，其表达式可以写作，
11、
12、其中为第n个涡旋光束的复振幅，n为多环涡旋光束的光环数目。分别以拉盖尔-高斯光束和完美涡旋光束为例，其表达式可以写作，
13、
14、其中代表柱坐标系，wz为传播距离为z时的光束半径，p和l分别表示径向节次、拓扑荷数，为缔合拉盖尔多项式，rz为波前曲率半径，表达式为式中k为波数，表示为k＝2π/λ。w代表完美涡旋光束的光环宽度，r1代表完美涡旋光束的半径。根据公式(2)，其各自的复合多环涡旋光束的表达式为，
15、
16、当采用多环涡旋光束探测旋转物体时，会产生旋转多普勒效应，这类似于线性多普勒效应，光束的频率发生改变。利用拉盖尔-高斯光束进行转速探测时存在多种情况，当涡旋光光轴与物体旋转中心对准时，轨道角动量的存在使得坡印廷矢量与光束传播轴之间存在夹角sinα＝lλ/2πr，r代表涡旋光束半径，l为拓扑荷数，设定转速为ω，根据旋转多普勒效应得到频移△f与拓扑荷数、转速之间的表达式：
17、
18、其中λ代表光束波长，c代表光束，f0＝c/λ代表光束频率，v代表物体的线速度。存在横向偏移d时，根据散射点模型，将物体每个点的线速度v＝ωr1分解到延涡旋光环切线与径向两个方向，其中切线方向的速度分量对光频进行调制，r1代表物体上一点到旋转中心的距离，最终得到的旋转多普勒频移为：
19、
20、其中r2为涡旋光环半径，定义为从光束中心到光束振幅下降为中心轴上振幅的1/e时的点与中心轴的距离，d为横向偏移值，θ代表方位角。
21、本专利技术采用不同类型，即拉盖尔-高斯光束与完美涡旋光束的多环叠加态模式为探测源照射旋转物体，分别收集各自的光学回波，在进行频域变换后，对比具有不同环数的多环涡旋光束的旋转多普勒频移，得到信号信噪比得到明显提升后的旋转普勒频谱。
22、本专利技术方案与现有方案相比，主要优点在于：
23、1、简洁方便、操作灵活，不必调节光路，仅需要替换加载到空间光调制器的全息图即可实现多环光束的生成，提高探测光源强度。
24、2、大幅提高回波信号信噪比以及探测距离，通过采用多环涡旋光束探测的方法实现了旋转多普勒信号信噪比的提升，对于基于旋转多普勒效应的位姿测量、模式识别等应用具有较大的实用价值。
25、3、鲁棒性强、适用场景广，即使光束未完全照射到旋转物体上，多环光束相较于单环仍能提升回波信号信噪比，在未对准或未准直条件下均能使用。
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1.一种基于多环涡旋光束旋转多普勒效应的信号增强方法，其特征在于：首先将多个带有相同拓扑荷数、不同半径的涡旋光束复合，利用复振幅调制法制备具有不同环数的叠加态涡旋光束，而后任意照射到旋转物体上，采用光电探测器接收散射光并采样得到时域信号，利用频域变换工具将时域信号变换为信噪比得到明显提升的频域旋转多普勒信号。
2.一种基于多环涡旋光束旋转多普勒效应的信号增强方法，其特征在于：不必是光轴与物体转轴严格对准，在任意位姿下探测均可完成信号信噪比的提升，横移条件下多环涡旋光照射旋转目标后产生的频移可表示为其中f表示旋转多普勒频移，l是涡旋光的拓扑荷数，Ω表示目标转速，r是涡旋光中心到每个散射点之间的距离，d表示目标转轴指向涡旋光轴之间的距离，θ表示方位角，在倾斜条件下频移可表示为其中γ为物体倾斜角度。
3.根据权利要求1所述的一种基于多环涡旋光束旋转多普勒效应的信号增强方法，其特征在于：光源不再是传统探测中所用的单环涡旋光，而是具有多环的叠加态复合涡旋光束，本专利技术采用空间光调制器制备所需光束，首先调制涡旋光束的半径和强度并同轴叠加得到多环涡旋光束全息图，之后采
...【技术特征摘要】
1.一种基于多环涡旋光束旋转多普勒效应的信号增强方法，其特征在于：首先将多个带有相同拓扑荷数、不同半径的涡旋光束复合，利用复振幅调制法制备具有不同环数的叠加态涡旋光束，而后任意照射到旋转物体上，采用光电探测器接收散射光并采样得到时域信号，利用频域变换工具将时域信号变换为信噪比得到明显提升的频域旋转多普勒信号。
2.一种基于多环涡旋光束旋转多普勒效应的信号增强方法，其特征在于：不必是光轴与物体转轴严格对准，在任意位姿下探测均可完成信号信噪比的提升，横移条件下多环涡旋光照射旋转目标后产生的频移可表示为其中f表示旋转多普勒频移...
【专利技术属性】
技术研发人员：任元，朱向阳，范曜辉，文欣怡，陈晓岑，唐若愚，丁友，刘通，刘政良，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：
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