Ultralow Doppler frequency extraction for the self-mixing dual-frequency laser velocimetry

Abstract

In self-mixing dual-frequency laser Doppler velocimetry, the self-mixing Doppler frequency shift of the optical frequency difference is a linear function of the velocity of an external dynamic object; however, it is always ultralow for signal processing. Therefore, an ultralow frequency extraction method based on artificial neural networks (NNs) is presented because NNs can accurately create a fitting function for a Doppler signal and extend the signal to the DC value, increasing the signal length and sampling points without yielding unnecessary influences on the Doppler frequency. We precisely measured Doppler frequencies in the frequency domain with a low sampling rate and calculated the velocities for a target with longitudinal movements. Compared to time-domain extraction, frequency-domain extraction can reflect the complete information of the original Doppler signal. This feature potentially contributes to the signal processing of velocimetry in practical engineering applications.

Измерение Расстояния По Максимальной Частоте Интерференционного Сигнала При Гармонической Девиации Длины Волны Лазерного Автодина

“…т. е. в случае гармонической модуляции излучения лазера мгновенную скорость изменения длины волны можно получить, определив частоту переменной нормированной составляющей спектра автодинного сигнала с использованием выражения (10).…”

“…Приравнивая мгновенную скорость (10), полученную из спектра автодинного сигнала к производной от амплитуды девиации частоты излучения полупроводникового лазерного диода:…”

“…Полупроводниковые лазеры с запаздывающей обратной связью, называемые лазерными автодинами [1,2], имеют широкие области применения для измерения величины микросмещений [3], абсолютных расстояний [4][5][6], вибрационного анализа [7], толщины тонких пленок и их индекса преломления [8], для угловых измерений [9], скорости и ускорения при микросмещениях, включая измерения крови in vivo [10][11][12][13] и др.…”

Measurement of distance by the maximum frequency of the interference signal with harmonic deviation of the wavelength of the self-mixing laser

“…that is, for the harmonic modulation of the laser radiation wavelength, it is possible to obtain the instantaneous rate of wavelength variation by determining the frequency of normalized variable component of the autodyne signal spectrum by means of Eq. (10).…”

“…Semiconductor lasers with delayed feedback, referred to as laser autodynes [1,2], have wide applications for measuring micro-displacements [3], absolute distances [4][5][6], for vibrational analysis [7], measuring thickness and refractive index of thin films [8], for angular measurements [9], for determining velocity and acceleration at microdisplacements, including blood measurements in vivo [10][11][12][13], etc.…”