[发明专利]一种基于涡旋光的非合作目标转速和位姿测量方法

说明书

本发明涉及一种基于涡旋光的非合作目标转速和位姿测量方法，从旋转多普勒效应原理及散射点模型入手，先将目标上被光斑覆盖的散射点速度向椭圆切向投影，再向光束横截面投影，并将此投影速度除以光束的半径，这样便可求出涡旋光相位中的角向分量θ(t)对时间t的导数θ′(t)，进而可求得基带回波信号的旋转多普勒频移；在此基础上，通过分析在偏心和倾斜同时存在情况下的旋转多普勒频移变化情况，得出了频移极值随相对空间位置参数的变化规律，进而可求得偏心和倾斜同时存在并且涡旋光光轴无偏转时的转速和偏心距。

技术领域

本发明主要涉及光学、空间解析几何、立体几何、物理学、信号检测等领域，尤其是结构光束与拍频信号检测技术。

技术背景

光学涡旋是一类等相位面呈螺旋状的特殊光场，具有轨道角动量。在传输过程中，光束中心因相位不确定或发生突变而产生奇点，在奇点处光强为零。涡旋光由于其螺旋形的相位被广泛用于光学操控、量子探测、光学探测等领域。

旋转多普勒效应是由于涡旋光具有螺旋波阵面和轨道角动量，而使得探测光的回波信号产生与目标转速相关的多普勒频移。2013年，英国的Miles Padgett教授在《Science》杂志上提出了利用涡旋光测量旋转物体转速的方法；2014年，Miles Padgett教授在《Physics Today》上发表文章，提出可以用经典多普勒效应解释涡旋光的旋转多普勒效应，这为后续的涡旋光探测旋转物体的发展提供了重要的理论基础。

2019年，航天工程大学任元课题组在《Applied Optics》发表文章首次分析了简单的涡旋光偏离目标旋转中心入射的情况，并发现可根据回波频谱提取目标转速。同年该课题组进一步分析了涡旋光倾斜入射的情况，并得出了相应的转速探测方法。两篇文章将涡旋光正对旋转中心垂直入射的情况向一般情况拓展，是利用涡旋光探测非合作目标转速的开端。

非合作目标泛指不可控的，不能提供有效信息的目标，例如太空垃圾，失控的卫星等，这些都会对工程任务造成一定程度的影响，因此，如何判断其运动状态和所在位置显得尤为重要。除此之外，当涡旋光入射到一非合作目标时，在空间上探测光和目标的相对位置会有不确定性，一般来说会有以下特点：

(1)目标上的光斑中心偏离旋转中心；

(2)光轴与目标表面法向存在夹角，即倾斜入射；

(3)光轴和旋转轴的空间位置具有不确定性。

针对以上三个特点，本方法利用几何投影的方式求解回波信号的旋转多普勒频移，并分析频移最值的变化规律，通过提取频移最值得到目标转速与光束入射位置的偏心距，为非合作目标探测领域提供了新思路与新的解决方案，同时也为后续的相关领域研究奠定基础。

发明内容

本发明的技术解决问题是：利用涡旋光探测非合作目标时，非合作目标与涡旋光的相对位姿关系具有不确定性，任意性，导致很难找出目标散射光的旋转多普勒频移与相对位置参量之间的关系，因此难以测得非合作目标的转速等信息。此方法研究了在涡旋光入射非合作旋转目标时，光束在相对于物体转轴任意位置入射下的探测问题，通过在空间中几何投影的方法求得回波的旋转多普勒频移，并进一步分析其最值变化规律找出能够求得最值解析解的相对位姿关系，进而求得目标转速和偏心距。

本发明的技术解决方案是：根据旋转多普勒效应及散射点模型的原理，采用几何投影的方法，将目标散射点速度先向该点所在位置的光斑切线方向投影，再向光束横截面投影，最后求解此投影速度相对于涡旋光半径的角速度，得到涡旋光相位中角向分量对时间的导数θ′(t)，代入旋转多普勒频移公式即可求解回波信号中的旋转多普勒频移Δf_D：

其中，l为探测光的拓扑荷数，Ω为目标转速，γ为入射角，θ_z为椭圆光斑上的方位角，d为偏心距，r为涡旋光半径，ξ为光轴偏转角。