光學(xué)信號處理技術(shù)在激光雷達(dá),空間光通信和遠(yuǎn)程光學(xué)遙感等相關(guān)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。在實際應(yīng)用中,光學(xué)待測信號很容易被傳輸介質(zhì)散射或背景光噪聲干擾,造成接收信噪比急劇下降。當(dāng)噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)高于信號,或噪聲和信號存在關(guān)聯(lián)性時,以濾波技術(shù)為主的常規(guī)檢測方法難以實現(xiàn)初始信號的有效識別。然而在某些特殊的非線性系統(tǒng)中,噪聲的增強(qiáng)反而使得輸出信噪比出現(xiàn)一定程度提升,即呈現(xiàn)隨機(jī)共振現(xiàn)象。基于隨機(jī)共振效應(yīng)可以有效地將被噪聲湮沒的信號恢復(fù)出來,但作為一種新型的信號處理技術(shù),其基礎(chǔ)理論距離實際應(yīng)用仍存在較大差距,需要開展更深入的研究工作。本文主要研究多種噪聲環(huán)境中,利用非線性光學(xué)效應(yīng)實現(xiàn)隨機(jī)共振,從而獲得高質(zhì)量的弱光信號重構(gòu)。具體研究內(nèi)容如下:1、論述了噪聲環(huán)境中弱光信號探測技術(shù)的重要意義,以及該技術(shù)發(fā)展的瓶頸。在此基礎(chǔ)上引入了光學(xué)隨機(jī)共振的概念,總結(jié)了統(tǒng)計噪聲、規(guī)則信號和非線性系統(tǒng)三要素在實現(xiàn)隨機(jī)共振中起到的作用,以及弱光信號隨機(jī)共振探測性能的衡量指標(biāo),并簡要回顧了隨機(jī)共振在微弱信號處理中的發(fā)展歷程。2、研究了常見的基于二能級介質(zhì)共振環(huán)形腔雙穩(wěn)態(tài)的隨機(jī)共振理論,證明了限制時域信號重構(gòu)響應(yīng)時間的主要原因在于臨界慢化效應(yīng)導(dǎo)致的時域延遲,據(jù)此提出了基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光納秒脈沖信號隨機(jī)共振重構(gòu)。設(shè)計了含Kretschmann結(jié)構(gòu)的反饋型環(huán)形腔光路,推導(dǎo)了輸入與輸出強(qiáng)度的雙穩(wěn)態(tài)方程和傳播常數(shù)方程,通過優(yōu)化金屬層厚度和入射角度,最大程度地激發(fā)表面等離子體以降低非線性介質(zhì)表面的反射系數(shù)和相位延遲,實現(xiàn)了高強(qiáng)度噪聲中的納秒脈沖信號提取。該方法克服了以往雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振響應(yīng)時間為毫秒級的限制,最高互相關(guān)度增益達(dá)8倍。3、提出了一種在光學(xué)時空混沌系統(tǒng)中基于調(diào)制不穩(wěn)定性機(jī)理實現(xiàn)隨機(jī)共振的方法,從二維復(fù)數(shù)金茲堡-朗道方程出發(fā),推導(dǎo)了部分相干光的時空混沌不穩(wěn)定性增益方程,通過調(diào)節(jié)非線性介質(zhì)中的自聚焦系數(shù)、衍射系數(shù)和入射光相干長度,實現(xiàn)了噪聲強(qiáng)度增加時初始信號的隱藏與重構(gòu),并發(fā)現(xiàn)信噪比增益隨噪聲強(qiáng)度的增強(qiáng)而提升,最高信噪比增益為5 dB,時域窗口約為100 ms。4、研究了光學(xué)圖像在大氣介質(zhì)中傳播時空間相干性退化的原因,并探究了強(qiáng)散射介質(zhì)中弱光脈沖圖像信號的隨機(jī)共振重構(gòu)機(jī)理。利用空域調(diào)制不穩(wěn)定性理論、光折變帶輸運理論及輻射模Wigner-Moyal變換方法,推導(dǎo)了噪聲信號不穩(wěn)定性增益方程,分析了包括光折變晶體外加電場強(qiáng)度和相干長度等系統(tǒng)參數(shù)對輸出效果的影響。在輸入圖像信噪比為1:25時,通過參數(shù)調(diào)諧,實現(xiàn)了互相關(guān)度增益高達(dá)10倍的納秒脈沖圖像信號重構(gòu)。5、針對常規(guī)探測方式難以有效識別乘性噪聲圖像信號,以及自調(diào)制不穩(wěn)定性隨機(jī)共振中圖像高頻信息丟失的難題,提出了基于交叉調(diào)制不穩(wěn)定性的圖像隨機(jī)共振重構(gòu),建立了部分相干光噪聲與信號耦合的不穩(wěn)定性增益模型。發(fā)現(xiàn)通過耦合相干程度較低的背景噪聲,待測信號可以獲得更高的不穩(wěn)定性增益,從而實現(xiàn)噪聲光能量向信號光的有序轉(zhuǎn)移。實驗設(shè)計了乘性含噪信號和背景噪聲的雙光束耦合光路,優(yōu)化噪聲和信號相干長度實現(xiàn)了互相關(guān)度增益3.2倍的乘性噪聲圖像重構(gòu),并證明該方法可以有效恢復(fù)初始圖像的形狀輪廓等低頻信息和邊緣細(xì)節(jié)等高頻信息。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O439;TN929.1
【部分圖文】：

時域光學(xué)信號和空域光學(xué)圖像的特點空域三個方面進(jìn)行直接或間接的處理計法和偏振作差法等。直接處理方式針對噪聲背景下待測信號本身的特征效應(yīng)實現(xiàn)濾波與檢測。間接處理更多征進(jìn)行二次運算。隨著數(shù)字處理技術(shù)合起來，在弱信號轉(zhuǎn)化、探測和分析的光學(xué)信號處理技術(shù)主要包含以下幾術(shù)以窄帶濾波器為核心，適用于待測濾波器可以選擇透過性的允許待測頻，提高有效信號的占比來提高探測效信號與噪聲同頻時，該技術(shù)很難起到

圖 1.2 超短脈沖 2D 時空信息的互相關(guān)檢測光路[3] 1.2 cross-correlation detection of 2D spatio-temporal property in ultrash值估計法：該方法經(jīng)常與取樣平均方法結(jié)合，適用于時域信號般先對含有噪聲的信號進(jìn)行多點采樣，獲取噪聲背景下的振幅然后進(jìn)行求平均值，以該值作為判據(jù)和探測指標(biāo)。其缺點為預(yù)特征存在區(qū)別，才能根據(jù)噪聲的隨機(jī)性和波動性，經(jīng)多次平均抑制噪聲，使得信號的規(guī)律性得到體現(xiàn)。明顯地，當(dāng)待測信號賴于采樣平均的均值估計法會受到很大限制。散計數(shù)統(tǒng)計：該方法往往舍棄了探測信號形狀的功能，僅對入行探測，因此待測信號經(jīng)常是一些超短脈沖信號。通過測量具收的信號個數(shù)，利用其統(tǒng)計規(guī)律設(shè)定強(qiáng)度閾值進(jìn)行識別以排除見的如光子計數(shù)器。該方法的適用性很明確，因此局限性也相

圖 1.3 外差探測方法示意圖Figure 1.3 Schematic diagram of optical heterodyne detection從以上論述可知，傳統(tǒng)的弱信號探測方法在一定程度上可以有效地降低噪聲，但是均有其局限性，尤其是當(dāng)信號被噪聲完全湮沒、信號與噪聲同者噪聲直接來源于信號本身時，上述的傳統(tǒng)探測手段以及無能為力[4]。因了實現(xiàn)弱光信號的有效提取與增強(qiáng)，探索更加有效的探測理論和技術(shù)在眾關(guān)領(lǐng)域具有非常重要的科學(xué)意義[5]。1.2 新型弱光信號探測技術(shù)傳統(tǒng)的光學(xué)探測手段更多的是基于線性方式處理，因此當(dāng)噪聲和信號特近時，其效果會大幅下降。多種新型的，針對含噪信號的分布特征以及結(jié)線性光學(xué)效應(yīng)實現(xiàn)弱光信號探測已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。以非線性效應(yīng)為基礎(chǔ)，發(fā)展比較顯著地兩種有：

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王兵;吳秀清;錢建發(fā);;Stochastic resonance in an optical bistable system subjected to cross-correlated additive white noise and multiplicative colored noise[J];Chinese Optics Letters;2010年12期

2 王云才;;混沌激光的產(chǎn)生與應(yīng)用[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2009年04期

本文編號：2825286