本发明涉及一种基于偏振辅助与粒子群算法优化的相位补偿算法的目标旋转速度测量提升方法及装置，属于激光旋转测速。
背景技术：
1、旋转速度测量可以用来测量目标旋转速度，在工业控制、军工、航空航天等领域应用潜力广泛。在实际的测速过程中，大气湍流会严重的干扰光束的传输，目前无法实现在大气湍流中对运动目标的旋转速度进行精密测量。
技术实现思路
1、针对现有无法实现在大气湍流中对运动目标的旋转速度进行精密测量的问题，本发明提供一种基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量方法及装置。
2、本发明一个方面，提供一种基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量方法，该方法包括以下步骤：
3、步骤一、目标光束通过发射系统打在湍流环境内的运动目标上生成回波信号，所述目标光束包括左旋圆偏振涡旋光和右旋圆偏振涡旋光；
4、步骤二、监控湍流畸变前后的偏振斯托克斯信息；偏振斯托克斯信息包括四个参量s0、s1、s2和s3的相位分布和光强分布；
5、畸变前参量s1、s2的相位信息、参量s0、s3的光强信息作为输入光场信息，畸变后参量s1、s2的相位信息、参量s0、s3的光强信息作为输出光场信息，所述输入、输出光场信息输入至gs算法中以获取畸变偏振涡旋光束s1分量φgs,s1、畸变偏振涡旋光束s2分量φgs,s2；
6、步骤三、利用波前传感器监控回波信号的左旋分量和右旋分量，获得的左旋分量和右旋分量的畸变相位作为输出光场信息，将畸变前左旋圆偏振涡旋光和右旋圆偏振涡旋光相位作输入光场信息，所述输入光场信息和输出光场信息输入至gs算法中以获取畸变偏振左旋涡旋光束分量和畸变偏振右旋涡旋光束分量
7、步骤四、根据步骤二、三结果计算s1分量预校正相位屏c1、s2分量预校正相位屏c2、预校正相位屏左旋分量hl0和预校正相位屏右旋分量hr0：
8、c1＝angle(s1)-φgs,s1
9、c2＝angle(s2)-φgs,s2
10、
11、
12、式中，angle(s1)、angle(s2)表示畸变前偏振斯托克斯参量s1、s2相位，angle(er)、angle(el)表示畸变前的右旋光场、左旋光场的相位；
13、步骤五、获取校正相位屏左旋分量hl和校正相位屏右旋分量hr：
14、hr＝t(hr0+δl(γ*c1+c2))
15、hl＝t(hl0+δr(γ*c1+c2))
16、式中，γ为适应度优化相对系数矩阵，t为湍流起伏程度调节系数矩阵，δr为右旋光场抗湍流能力评价因子，δl为左旋光场抗湍流能力评价因子；
17、步骤六、利用步骤五获取校正相位屏对回波信号的涡旋光束左右旋偏振分量进行相位校正，探测处理模块对涡旋光束偏振分量进行探测并获得多普勒频移量；通过旋转速度解算模块解算出运动目标的旋转速度。
18、优选地，适应度优化相对系数矩阵γ和湍流起伏程度调节系数矩阵t均通过粒子群算法优化，其中，适应度优化相对系数矩阵γ以最高或平均测速精度作为适应度函数，以测速系统的测速误差达到最低为优化目标，
19、式中，τ是探测器的累积时间，snr为左旋或者右旋圆偏振分量的频谱信噪比，l是左旋圆偏振涡旋光和右旋圆偏振涡旋光的阶数；
20、湍流起伏程度调节系数矩阵t以纯度为适应度函数进行优化。
21、优选地，适应度优化相对系数矩阵γ和湍流起伏程度调节系数矩阵t通过交叉固定完成优化过程，具体为：
22、给出高、中、低不同湍流起伏程度对应的湍流起伏程度调节系数矩阵t实例，在每个实例下，对适应度优化相对系数矩阵γ通过粒子群算法优化，获得最终适应度优化相对系数矩阵γ；
23、在确定适应度优化相对系数矩阵γ后，对湍流起伏程度调节系数矩阵t通过粒子群算法优化，获得最终湍流起伏程度调节系数矩阵t，进而获得最优校正相位屏左、右旋分量。
24、优选地，右旋光场抗湍流能力评价因子δr和左旋光场抗湍流能力评价因子δl按下述方程组求取：
25、
26、其中，βs0为s0辅助评价因子，式中，snrs0为无湍流时光场s0参量的频谱信噪比，为光束接收有效面积内的闪耀指数，ps0为无湍流时s0参量的接收光功率，为有湍流时s0参量的接收光功率；
27、βs3为s3辅助评价因子，式中，snrs3为无湍流时光场s3参量的频谱信噪比，为光束接收有效面积内的闪耀指数，ps3为无湍流时s3参量的接收光功率，为有湍流时s3参量的接收光功率。
28、本发明另一个方面，提供一种基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量装置，用于实现上述方法，所述目标旋转速度测量装置包括目标光束生成模块、一号分束器7、一号偏振信息获取模块8、大气湍流模拟器9、二号分束器10、二号偏振信息获取模块11、发射系统12、左/右旋光分量选择系统14、接收系统15、畸变校正模块16、探测处理模块17和旋转速度解算模块18；
29、调制光束生成模块发出的光束包括左旋圆偏振涡旋光和右旋圆偏振涡旋光，通过一号分束器7分成两路，其中一路被一号偏振信息获取模块8收集畸变前偏振斯托克斯信息，另一路经过大气湍流模拟器9后由二号分束器10分成两路，其中一路被二号偏振信息获取模块11收集畸变后偏振斯托克斯信息，另一路经过发射系统12照射运动物体13生成回波信号；
30、经过左/右旋光分量选择系统14之后，接收系统15接收回波信号，通过畸变校正模块16对畸变进行校正，通过探测处理模块17对光斑进行信号探测，并通过示波器得到光强的时序信号，对其进行傅里叶变换，由旋转速度解算模块18解算出运动目标的旋转速度。
31、优选地，目标光束生成模块包括激光器1、一号透镜组2、一号空间光调制器3，二号空间光调制器5、半波片和二号透镜组4和1/4波片6；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度线偏振光，一号空间光调制器3对光束的水平偏振方向进行轨道角动量量子调控，生成-5阶的涡旋光束信号，经过半波片和二号透镜组4，将光束的竖直偏振方向调节到水平方向，二号空间光调制器5对光束的竖直偏振方向进行轨道角动量量子调控，生成5阶的涡旋光束信号，经过1/4波片6转化成左旋与右旋圆偏振涡旋光，通过叠加即可获得目标光束；
32、所述一号空间光调制器3、二号空间光调制器5是基于偏振相关的液晶反射相位调制器，可以调制光场水平x方向；对高斯模式激光信号的调制过程需要将涡旋光的相位图加载到两个空间光调制器上，由激光入射即可生成涡旋光束；
33、所述半波片和二号透镜组4中半波片的作用是将光束的偏振分量方向进行旋转，可以使得线偏振光产生π/2的相位延迟，将竖直偏振方向转化为水平方向；二号透镜组采用4f透镜系统对光束进行扩展；
34、所述1/4波片6是将x和y方向的偏振涡旋光束偏振分量转化为左旋和右旋偏振光分量。
35、优选地，一号偏振信息获取模块8,二号偏振信息获取模块11结构相同，包括1/4波片、偏振片和电荷耦合器件，通过调整1/4波片和偏振片来调整光束的偏振方向，从而获得s0,s1,s2,s3的斯托克斯偏振信息。
36、优选地，所述的左/右旋分量选择系统14包括四分之一波片和线偏振片，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；
37、将四分之一波片的快轴方向调至竖直，将线偏振片的透振方向调至45°，实现对偏振涡旋光束右旋分量的获取；
38、保持四分之一波片不变，将线偏振片的透振方向调至135°，实现对偏振涡旋光束左旋分量的获取。
39、优选地，所述畸变校正模块16包括三号空间光调制器16-1、三号分束器16-2、波前传感器16-3和反馈信号控制器16-4；
40、所述三号空间光调制器16-1，是波前校正器，反馈信号控制器16-4将所获得的校正相位传导至此，从而对涡旋光束偏振分量进行校正。
41、波前传感器16-3获取光场的畸变相位，并发送至反馈信号控制器16-4；
42、一号偏振信息获取模块8和二号偏振信息获取模块11获取的输入、输出光场信息同步发送至反馈信号控制器16-4；
43、反馈信号控制器16-4利用gs算法及粒子群优化算法获取校正相位屏左旋分量hl和校正相位屏右旋分量hr进行相位校正。
44、优选地，所述探测处理模块17包括雪崩光电二极管探测器探测和示波器，雪崩光电二极管探测器探测对左/右旋分量选择系统14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，获取多普勒频移，由旋转速度解算模块18解算出运动目标的旋转速度。
45、本发明的有益效果：本发明引入偏振涡旋光束的偏振斯托克斯新维度的补偿信息，将其作为相位恢复算法的一个新的输入信息，改进gs算法，可以更好的实现对涡旋光束的相位进行恢复校正，提升在大气湍流中传输的涡旋光束对运动目标的旋转速度大小的精密测量能力。
1.基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量方法，其特征在于，适应度优化相对系数矩阵γ和湍流起伏程度调节系数矩阵t均通过粒子群算法优化，其中，适应度优化相对系数矩阵γ以最高或平均测速精度作为适应度函数，以测速系统的测速误差达到最低为优化目标，
3.根据权利要求2所述基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量方法，其特征在于，适应度优化相对系数矩阵γ和湍流起伏程度调节系数矩阵t通过交叉固定完成优化过程，具体为：
4.根据权利要求1所述基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量方法，其特征在于，右旋光场抗湍流能力评价因子δr和左旋光场抗湍流能力评价因子δl按下述方程组求取：
5.基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量装置，该装置用于实现权利要求1-4任一权项所述方法，其特征在于，所述目标旋转速度测量装置包括目标光束生成模块、一号分束器(7)、一号偏振信息获取模块(8)、大气湍流模拟器(9)、二号分束器(10)、二号偏振信息获取模块(11)、发射系统(12)、左/右旋光分量选择系统(14)、接收系统(15)、畸变校正模块(16)、探测处理模块(17)和旋转速度解算模块(18)；
6.根据权利要求5所述基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量装置，其特征在于，目标光束生成模块包括激光器(1)、一号透镜组(2)、一号空间光调制器(3)，二号空间光调制器(5)、半波片和二号透镜组(4)和1/4波片(6)；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度线偏振光，一号空间光调制器(3)对光束的水平偏振方向进行轨道角动量量子调控，生成-5阶的涡旋光束信号，经过半波片和二号透镜组(4)，将光束的竖直偏振方向调节到水平方向，二号空间光调制器(5)对光束的竖直偏振方向进行轨道角动量量子调控，生成5阶的涡旋光束信号，经过1/4波片(6)转化成左旋与右旋圆偏振涡旋光，通过叠加即可获得目标光束；
7.根据权利要求5所述基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量装置，其特征在于，一号偏振信息获取模块(8),二号偏振信息获取模块(11)结构相同，包括1/4波片、偏振片和电荷耦合器件，通过调整1/4波片和偏振片来调整光束的偏振方向，从而获得s0,s1,s2,s3的斯托克斯偏振信息。
8.根据权利要求5所述基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量装置，其特征在于，所述的左/右旋光分量选择系统(14)包括四分之一波片和线偏振片，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；
9.根据权利要求5所述基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量装置，其特征在于，所述畸变校正模块(16)包括三号空间光调制器(16-1)、三号分束器(16-2)、波前传感器(16-3)和反馈信号控制器(16-4)；
10.根据权利要求5所述基于偏振辅助进行相位补偿的目标旋转速度测量装置，其特征在于，所述探测处理模块(17)包括雪崩光电二极管探测器探测和示波器，雪崩光电二极管探测器探测对左/右旋分量选择系统(14)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，获取多普勒频移，由旋转速度解算模块(18)解算出运动目标的旋转速度。
