本发明涉及激光旋转测速，具体涉及一种基于轨道和自旋角动量复合量子调控的目标旋转速度大小和方向同时测量系统及方法。
背景技术：
1、旋转速度测量可以用来测量目标角速度、加速度，在工业控制、军工、航空航天等领域应用潜力广泛。传统的激光测速方法，都只能对目标的径向速度分量进行较为精确的测量，无法获得旋转信息。涡旋光束旋转多普勒效应能够实现旋转物体转速的测量，但目前缺乏通过偏振涡旋光束的轨道和自旋角动量复合量子调控，通过调整目标的运动状态，结合左右旋分量选择系统，实现单光束对目标旋转速度大小和方向同时测量。
技术实现思路
1、针对现有技术无法对目标旋转速度的方向和大小进行单光束准确测量的问题，本发明提供基于轨道角动量和自旋角动量复合量子调控的目标旋转速度测量装置及方法。
2、本发明一个方面，提供一种基于轨道角动量和自旋角动量复合量子调控的目标旋转速度测量装置，包括轨道角动量和自旋角动量复合量子调控单元、4f系统7、发射系统9、接收系统11、左右旋分量选择系统12、探测处理模块13和旋转速度解算模块14；
3、轨道角动量和自旋角动量复合量子调控单元，用于生成调制信号光，所述调制信号光包括左旋圆偏振涡旋光和右旋圆偏振涡旋光；
4、4f系统7，用于从调制信号光中挑选出第一衍射级，然后通过发射系统9照射运动物体10生成回波信号；
5、接收系统11接收回波信号；
6、调整运动物体10的运动状态为纵向运动状态或纵向运动与旋转运动混合运动状态；
7、在纵向运动状态时，利用探测处理模块13探测回波信号获取纵向多普勒频移；
8、在纵向运动与旋转运动混合运动状态时，通过左右旋分量选择系统12分别选择左、右旋圆偏振分量，通过探测处理模块13对回波信号进行探测，并获得左旋涡旋光总多普勒频移、右旋涡旋光总多普勒频移；
9、旋转速度解算模块14，用于根据左旋涡旋光总多普勒频移、右旋涡旋光总多普勒频移和纵向多普勒频移解算出运动物体10的横向速度大小和方向。
10、优选地，轨道角动量和自旋角动量复合量子调控单元包括激光器1、一号透镜组2、左旋空间光调制器3、二号透镜组4、右旋空间光调制器5和1/4波片6；
11、所述激光器1发射的激光至一号透镜组2，一号透镜组2对光束进行扩展、准直和起偏，形成一束45°线偏振光，并入射至左旋空间光调制器3；
12、所述左旋空间光调制器3对高斯模式激光信号的调制过程需要将左旋圆偏振涡旋光的相位图加载到左旋空间光调制器3上，由激光入射即可生成，可以调制光场水平x方向；调制出光束发射至二号透镜组4；
13、所述二号透镜组4由两个透镜及放置在透镜中间的一个半波片组成，用于将线偏振光产生π/2的相位延迟，将未被调制的竖直y方向转为水平x方向；然后入射至右旋空间光调制器5；
14、所述右旋空间光调制器5对信号的调制过程需要将右旋圆偏振涡旋光的相位图加载到右旋空间光调制器5上，调制光场竖直y方向，并由信号入射即可生成；然后入射至1/4波片6；
15、所述1/4波片6对信号的调制过程是将光场的x和y方向光场转换为左旋和右旋圆偏振涡旋光。
16、优选地，还包括分束器8，用于将散射的回波信号发送至左右旋分量选择系统12、探测处理模块13中。
17、优选地，运动物体10的运动状态通过放置在移动台上的纵向移动控制机构和旋转运动控制机构两个相互独立的机构进行控制，纵向移动控制机构用于控制运动物体10沿轨道进行纵向运动，旋转运动控制机构用于控制运动物体10进行旋转运动；
18、纵向运动状态由纵向移动控制机构独立工作实现，纵向运动与旋转运动混合运动状态由纵向移动控制机构和旋转运动控制机构同时工作实现。
19、优选地，所述左右旋分量选择系统12由四分之一波片12-1和线偏振片12-2组成，通过调整两个光学元件转动角度，实现对偏振涡旋光束左右旋分量的获取；
20、将四分之一波片12-1的快轴方向调至竖直，将线偏振片12-2的透振方向调至45°，实现对偏振涡旋光束右旋分量的获取；
21、保持四分之一波片12-1不变，将线偏振片12-2的透振方向调至135°，实现对偏振涡旋光束左旋分量的获取。
22、优选地，所述探测处理模块13是由apd探测器和示波器组成，apd探测器对左右旋分量选择系统12输出的光束进行探测，得到光强的时序信号，对其进行傅里叶变换，获取频移并在示波器上显示。
23、本发明另一个方面，提供一种基于轨道角动量和自旋角动量复合量子调控的目标旋转速度测量方法，该方法所述装置实现，该方法包括以下步骤：
24、s1、调整运动物体10的运动状态为纵向运动状态，使其向外远离探测系统，探测处理模块13获得物体纵向多普勒频移δfz；
25、s2、调整运动物体10的运动状态为纵向运动与旋转运动混合运动状态，在该运动状态分别进行以下操作：
26、左右旋分量选择系统12选择左旋圆偏振分量并输出左旋圆偏振涡旋光，探测处理模块13对左旋圆偏振涡旋光进行探测并获取左旋涡旋光总多普勒频移δfl；
27、左右旋分量选择系统12选择右旋圆偏振分量并输出右旋圆偏振涡旋光，探测处理模块13对右旋圆偏振涡旋光进行探测并获取右旋涡旋光总多普勒频移δfr；
28、s3、对δfl，δfr，δfz进行比较，
29、当δfl>δfz>δfr时，判定运动物体10为左旋运动，且转速ω为：ω＝2π(δfl-δfz)/ll，式中，ll为左旋涡旋光束分量的阶数；
30、当δfr>δfz>δfl时，判定运动物体10为右旋运动，且转速ω为：ω＝2π(δfr-δfz)/lr，式中，lr为右旋涡旋光束分量的阶数；ll＝-lr。
31、本发明的有益效果：本发明利用涡旋光束独特的相位特性，由于涡旋光束的光子的运动方向与光轴存在一个偏移角度，光束经过目标反射后会产生旋转多普勒频移量，可以用来进行旋转测速，使用轨道和自旋角动量复合量子调控的偏振涡旋光束，通过调整目标物体的运动状态，利用左右旋分量选择系统将左旋多普勒频移，右旋多普勒频移和纵向多普勒频移进行比较，得到物体的旋转速度的大小和方向。本发明引入两组空间光调制器进行偏振涡旋光束的产生，通过调整目标物体的运动状态，结合左右旋光选择系统，实现高精度实时的单光束激光旋转速度大小的测量和方向的判断。
1.基于轨道角动量和自旋角动量复合量子调控的目标旋转速度测量装置，其特征在于，包括轨道角动量和自旋角动量复合量子调控单元、4f系统(7)、发射系统(9)、接收系统(11)、左右旋分量选择系统(12)、探测处理模块(13)和旋转速度解算模块(14)；
2.根据权利要求1所述基于轨道角动量和自旋角动量复合量子调控的目标旋转速度测量装置，其特征在于，轨道角动量和自旋角动量复合量子调控单元包括激光器(1)、一号透镜组(2)、左旋空间光调制器(3)、二号透镜组(4)、右旋空间光调制器(5)和1/4波片(6)；
3.根据权利要求1所述基于轨道角动量和自旋角动量复合量子调控的目标旋转速度测量装置，其特征在于，还包括分束器(8)，用于将散射的回波信号发送至左右旋分量选择系统(12)、探测处理模块(13)中。
4.根据权利要求1所述基于轨道角动量和自旋角动量复合量子调控的目标旋转速度测量装置，其特征在于，运动物体(10)的运动状态通过放置在移动台上的纵向移动控制机构和旋转运动控制机构两个相互独立的机构进行控制，纵向移动控制机构用于控制运动物体(10)沿轨道进行纵向运动，旋转运动控制机构用于控制运动物体(10)进行旋转运动；
5.根据权利要求1所述基于轨道角动量和自旋角动量复合量子调控的目标旋转速度测量装置，其特征在于，所述左右旋分量选择系统(12)由四分之一波片(12-1)和线偏振片(12-2)组成，通过调整两个光学元件转动角度，实现对偏振涡旋光束左右旋分量的获取；
6.根据权利要求1所述基于轨道角动量和自旋角动量复合量子调控的目标旋转速度测量装置，其特征在于，所述探测处理模块(13)是由apd探测器和示波器组成，apd探测器对左右旋分量选择系统(12)输出的光束进行探测，得到光强的时序信号，对其进行傅里叶变换，获取频移并在示波器上显示。
7.基于轨道角动量和自旋角动量复合量子调控的目标旋转速度测量方法，该方法基于权利要求1-6任一权利要求所述装置实现，其特征在于，该方法包括以下步骤：
