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基于向列相液晶的随机共振弱光信号重构机理研究

冯兴盼  
【摘要】:弱光信号检测有着非常广阔的应用前景,研究噪声背景下弱光信号的提取是全光通信技术的关键组成部分,是当今光学一大前沿热点。传统的观点来看,背景噪声是有害于信号的检测的,噪声强度越强信号越难探测。传统的弱光信号探测技术大多采用简单的滤波方式,但在信号被噪声严重干扰甚至被淹没时检测效果较差。在某些非线性系统中,如果加入特定类型的噪声,随着噪声强度的增加弱信号的提取效果反而会变好,这种现象叫做随机共振。本文主要研究利用向列相液晶中的非线性效应来实现随机共振,从而实现弱光信号的有效提取。具体内容如下:1、论述了多种弱光探测技术,包括均值估计法、互相关检测法、窄带滤波法、混沌理论法和随机共振检测法,对各自的机理和应用范围做了说明;说明了随机共振实现需要的三要素,包括调制信号、非线性系统和特定分布的噪声。介绍了三种系统评价方法:信噪比、互相关度和尖峰信号统计。随后回顾了随机共振发展历程中的重要进展。可见随机共振现象广泛存在于各类系统中,并在弱信号检测领域展现了独特的作用,未来有着很好的发展前景。2、理论提出了一种基于向列相液晶的含噪图像随机共振重构技术。利用向列相液晶作为非线性介质,通过随机共振重构有噪声的图像,介质中所发生的非线性耦合使噪声能量向信号转移,信号增强而噪声减少。对这一过程进行理论分析和数值计算研究发现,输入噪声强度、外加电压和噪声光的相关长度对输出图像的质量有影响。通过优化这些参数,可以有效地重构噪声湮没的图像。结果表明,基于分子重定向非线性调制不稳定性的向列相液晶可以通过随机共振重构含噪图像。3、从理论上提出的一种在腔内含有向列相液晶的法布里-珀罗腔中重构含噪微弱脉冲信号的方法,这种方法基于分子重定向效应引起的光学双稳态随机共振。分析了不同波矢与指向矢的初始角度、初始相移和反射镜反射率对该腔的双稳态特性的影响。计算了纯输入脉冲与输出之间的互相关系数,定量评价了噪声强度对输出的影响。仿真结果表明,该装置的互相关增益为3.2,能够有效地重构被湮没信号,证明了该结构在全光系统中重构噪声湮没光脉冲信号的潜力。


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