本發明涉及角速度測量，尤其是指一種基于部分相干深度學習的抗湍流角速度測量系統及方法。
背景技術：
1、旋轉多普勒效應是具有軸向對稱相位或振幅分布的光束與旋轉物體相互作用后、反射光或透射光產生頻率偏移的一種現象，且頻移量與物體角速度呈正比，具有非接觸、高精度、快響應等突出優勢。旋轉多普勒效應的發現為實現非接觸式旋轉物體的角速度測量提供了有效且高效的方法。2013年英國格拉斯哥大學padgett研究團隊率先通過實驗，利用光學渦旋的旋轉多普勒頻移實現了角速度的測量，基于光學渦旋的旋轉多普勒效應角速度測量技術也由此成為該領域的研究熱點。
2、光源的相干性是光學探測的核心特性之一，部分相干光表征了光源不同空間位置之間的相關性。在光學成像領域，部分相干光能夠抑制散斑效應提高成像質量；在光通信領域，則能夠抑制湍流擾動提高通信系統穩定性。2021年科羅拉多大學anderson團隊利用投影儀生成部分相干的花瓣狀光束實現了振幅型旋轉物體的轉速測量，首次通過實驗驗證了旋轉多普勒效應的實現無需依賴光源的完全相干性。后續研究進一步發現，部分相干光在旋轉多普勒效應測量中展現出抗遮擋、支持離軸測量等優異特性，且在弱湍流環境中，也展現出較好的魯棒特性，成為復雜傳輸條件下旋轉多普勒測速的優選探測光源。現有技術中，利用旋轉多普勒效應進行轉速測量的方法，按照光源特性與系統實現形式的差異，主要分為：
3、第一種，基于共軛軌道角動量（orbital?angular?momentum,?oam）模式疊加相干光源的測速方法，出自論文：lavery?m,?speirits?f,?barnett?s,?et?al.(2013)“detection?of?a?spinning?object?using?light’s?orbital?angular?momentum.”science,?341(6145):?537。該方法通過空間光調制器（spatial?light?modulator,?slm）生成±拓撲荷的共軛oam疊加花瓣光束，照射旋轉物體粗糙表面，采集散射光的拍頻信號并做傅里葉變換，提取頻移特征反演物體轉速，是旋轉多普勒測速的經典方案。
4、第二種，基于光子高階軌道角動量的量子遠距離測速方法，出自論文：陳理想，張遠穎.?(2015).光子高階軌道角動量制備、調控及傳感應用研究進展。物理學報，64?(16):164210。該方法通過偏振-軌道糾纏變換技術將雙光子偏振糾纏態轉化為高階oam量子糾纏態，利用高階oam光束高度的旋轉對稱性，結合旋轉多普勒效應，借助高分辨率空間光調制器、多模光纖及光電探測器等器件，探測旋轉物體散射光的頻移信號，經傅里葉變換處理后提取頻移特征反演物體角速度，實現遠距離高精度的量子級旋轉測速。
5、第三種，基于空間非相干光源的旋轉多普勒測速方法，出自論文：anderson?a,strong?f,?heffernan?b,?et?al.(?2021)?“observation?of?the?rotational?dopplershift?with?spatially?incoherent?light.”optics?express,?29(3):?4058。該方法用投影儀生成非相干花瓣狀強度圖案，成像到旋轉目標上，通過光電探測器采集反射光時域信號，經頻譜分析提取旋轉多普勒頻移，突破了傳統方案對相干光源的依賴。
6、但是，這些方法依賴光軸精確對準，無法實現離軸測量，微小的光軸偏移就會造成測速信號失真，影響頻移特征提取精度。此外，無論是支持離軸非對準的部分相干多普勒測速技術，還是上述三類方法，都缺乏有效的大氣湍流擾動補償與信號處理方案，導致湍流環境中測速會出現主峰漂移、信號展寬、信雜比驟降等問題，無法完成精準測量。
技術實現思路
1、為此，本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術中的不足，提供一種基于部分相干深度學習的抗湍流角速度測量系統及方法，保留部分相干旋轉多普勒測量技術支持離軸非對準的優勢，結合深度學習進行大氣湍流擾動下部分相干光源畸變精準補償與受擾信號的高效優化，可以實現在復雜環境下旋轉物體的高精度角速度測量。
2、為解決上述技術問題，本發明提供了一種基于部分相干深度學習的抗湍流角速度測量系統，包括激光器、擴束鏡、三孔掩膜、4f系統、旋轉毛玻璃、空間光調制器和電荷耦合器件，
3、所述激光器用于產生出射激光，所述出射激光經所述擴束鏡擴束準直后、通過所述三孔掩膜的空間調制形成特定的空間相干結構；所述特定的空間相干結構經所述4f系統投射至所述旋轉毛玻璃上，借助所述旋轉毛玻璃的隨機過程及透鏡的傅里葉變換過程，生成具有六角晶格對稱相干結構的部分相干光；
4、所述部分相干光準直后入射在所述空間光調制器上，出射光源經過湍流環境后經所述4f系統傳輸后照射至旋轉物體表面，通過所述4f系統完成低通濾波后成像于電荷耦合器件，完成一次旋轉物體成像面的光強圖像采集；
5、將采集到的光強圖像實時傳輸至部分相干深度學習模型，預測當前湍流的湍流相位展開系數并傳輸至空間光調制器；根據所述湍流相位展開系數生成與大氣湍流引入的畸變相位共軛的湍流補償相位，使用所述湍流補償相位對光源進行實時補償得到補償后的光源；補償后的光源沿原光路再次傳輸后成像于所述電荷耦合器件，完成單幀補償后旋轉物體成像面的光強圖像的采集；采集多幀補償后的旋轉物體成像面光強圖像序列后，提取圖像序列的光強時域信號并進行快速傅里葉變換，生成修正后的頻譜圖；提取所述修正后的頻譜圖中特征峰值對應的頻率，根據頻率和角速度的對應公式得到旋轉物體的旋轉角速度。
6、本發明還提供了一種基于部分相干深度學習的抗湍流角速度測量方法，包括：
7、通過散射將出射激光生成部分相干光，將所述部分相干光入射在空間光調制器上，出射光源經過湍流環境后照射至旋轉物體表面；
8、實時采集旋轉物體成像面的光強圖像并實時傳輸至部分相干深度學習模型，預測當前湍流的湍流相位展開系數；
9、根據所述湍流相位展開系數生成與大氣湍流引入的畸變相位共軛的湍流補償相位并實時加載至部分相干光光源面的空間光調制器，對光源進行實時補償；
10、實時采集補償后的旋轉物體成像面的光強圖像，提取光強時域信號生成修正后的頻譜圖，提取所述修正后的頻譜圖中特征峰值對應的頻率，根據頻率和角速度的對應公式得到物體的旋轉角速度。
11、進一步地，所述通過散射將出射激光生成部分相干光，具體為所述出射激光經過三孔掩膜與旋轉毛玻璃，生成具有六方晶格周期性相干結構的部分相干光源；
12、在極坐標下所述部分相干光源的復相干度的表達式由三孔中心呈等邊三角形頂點排布的透光掩膜的空間分布經傅里葉變換推導得到，所述三孔中心呈等邊三角形頂點排布的透光掩膜的相干結構在每旋轉60°時與自身分布重合，表現為六方晶格周期性。
13、進一步地，在極坐標下所述部分相干光源的復相干度的表達式為：
14、?，
15、式中，為所述部分相干光源的復相干度，exp為指數函數，與為旋轉物表面任意兩點的二維位置矢量，、，為的徑向極徑，為的極角，為的徑向極徑，為的極角；為三孔中心呈等邊三角形頂點排布的透光掩膜中相鄰兩個孔的中心間距；為對應光束的空間相干長度，為入射光波長，為傅里葉透鏡焦距。
16、進一步地，所述出射光源經過湍流環境后照射至旋轉物體表面，包括：
17、將大氣湍流引起的折射率隨機起伏等效為空間相位屏并將空間相位屏作用于光束傳播路徑上；
18、根據部分相干光理論，將部分相干光源分解為一系列兩兩正交的模式的線性疊加，將光源的空間二階相干特性描述為光源中兩個不同空間點的交叉譜密度函數；大氣湍流引入的隨機的所述空間相位屏會作用于所有模式，對每一個模式均附加相同的隨機相位差因子，受湍流擾動后的交叉譜密度函數為：
19、，
20、式中，為受湍流擾動后的交叉譜密度函數，為無湍流時的交叉譜密度函數，、為旋轉物表面任意兩點的二維位置矢量，為湍流引入的隨機相位差因子，為在點處的空間相位屏，為在點處的空間相位屏，e為自然常數，i?為虛數單位。
21、進一步地，所述空間相位屏為：
22、，
23、式中，為徑向坐標，為在點處的空間相位屏，為第階zernike多項式，為第階zernike多項式對應的湍流相位展開系數，為多項式的階數。
24、進一步地，所述無湍流時的交叉譜密度函數為：
25、，
26、式中，為無湍流時的交叉譜密度函數，為第m個模式中光在點處的空間分布函數，表示復數共軛，為第m個模式中光在點處的空間分布函數。
27、進一步地，所述光源中兩個不同空間點的交叉譜密度函數與部分相干光源的復相干度的定量關系為：
28、，
29、式中，為部分相干光源的復相干度、與交叉譜密度函數存在定量關系，為位置處的光強，為位置處的光強。
30、進一步地，根據所述湍流相位展開系數生成與大氣湍流引入的畸變相位共軛的湍流補償相位并實時加載至部分相干光光源面的空間光調制器，對光源進行實時補償，包括：
31、基于部分相干深度學習模型預測的湍流相位展開系數，得到預測的湍流相位屏為：，式中，為預測的湍流相位屏，為預測的第階zernike多項式對應的湍流相位展開系數；
32、根據預測的湍流相位屏構造共軛的補償相位屏，得到補償后的交叉譜密度函數為：
33、,
34、式中，為補償后的交叉譜密度函數，、為旋轉物表面任意兩點的二維位置矢量，為補償后的第m個模式在點處的空間分布函數，為補償后的第m個模式在點處的空間分布函數，為未受到湍流擾動時第m個模式在點處的空間分布函數，為未受到湍流擾動時第m個模式在點處的空間分布函數，表示復數共軛，，為殘余相位誤差，為在點處的空間相位屏，為在點處的預測的湍流相位屏，e?為自然常數，i為虛數單位。
35、進一步地，所述實時采集補償后的旋轉物體成像面的光強圖像后，根據探測面得到的一系列補償后的旋轉物體成像面的光強圖像，提取光強時域信號生成修正后的頻譜圖，提取所述修正后的頻譜圖中特征峰值對應的頻率為：
36、，
37、式中，為特征峰值對應的頻率，為待測旋轉物體的角速度，m為總強度在一個周期內的循環數。
38、本發明的上述技術方案相比現有技術具有以下有益效果：
39、本發明通過部分相干深度學習模型實時反演大氣湍流相位并完成閉環補償，實現了畸變光源的高精度復原與補償；結合湍流補償技術與部分相干光旋轉多普勒效應，實現了復雜湍流環境下旋轉物體角速度的高精度測量。