[发明专利]弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于信号探测领域，具体涉及弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方法与装置。

背景技术

在光信号处理领域，强噪声背景下弱光信号的探测是激光雷达、空间光通信、海空对潜通信和光学遥感测量等应用领域关键技术，研究高增益、高信噪比的非线性光放大技术有重要的应用意义。在信号的远距离传输过程中，信号必然会被介质吸收散射而损耗变弱，并且还会混入随机噪声，有时为对信号加密还特别加入调制噪声，因此这就对强噪声背景下弱信号的探测提出了更高的要求，如何同时有效地提升强噪声背景下弱光信号的强度和信噪比成为了信号探测中的关键技术环节。同时，人们对于噪声的传统认识是：噪声总是有害的。从信号的探测环节来说，确实如此，噪声越大越不利于探测；然而，如果噪声在光信号的放大和信噪比提升环节可以起到积极作用，强噪声背景下弱信号检测问题将会获得新的突破。这一问题的解决对于军事、医疗、通信等多个领域的发展进步和技术应用都有重大意义。

光折变晶体中两波耦合技术实现弱信号的放大有很广阔的研究和应用前景。光折变效应是20世纪60年代由贝尔实验室意外发现的，由于这种效应为非局域响应，用毫瓦量级的激光照射光折变晶体就足以产生明显的光致折射率变化，因此，这种弱光效应被发现后就引起了人们极大的兴趣和普遍重视。目前这种光折变材料在全息存储、光图像放大、相位共轭和空间光调制等领域有重要用途。光折变非线性系统实现两波耦合光放大有以下优点，第一，一定参数条件下，通过两波耦合过程可以使弱信号得到有效地放大；第二，这一非线性过程只是对入射光场干涉得到的空间强度分布敏感，因此可以滤除信号中的散射背景光噪声；第三，这是一种弱光非线性过程，只要辐照时间够长（增加泵浦光强可以有效缩短这一时间），就足以产生能量的转移使弱光放大。

目前主要有电学和光学两类方法实现弱信号的放大。第一，对于电学方法，由于电学方法对信号放大的同时也会使信号中噪声得到放大，特别是强噪声环境下传统电学方法更是无法实现对弱信号的提取和探测。第二，对于光学方法，由光学方法实现弱信号放大的技术有多种，基于光折变非线性晶体的优点，我们考虑利用光折变两波耦合技术实现弱光信号的非线性放大技术，由于在信号光得到放大的同时光折变晶体中的散射光也会从泵浦光抽取能量，产生扇形噪声（以下统称为系统噪声），这就影响到信号的增益和输出信噪比。目前，国内外关于利用光折变非线性系统实现高信噪比光放大的主要方法有以下几种。为了实现高信噪比的光信号放大，传统方法一是采取输入第三束非相干光对系统噪声进行抑制，虽然这种方法的输出信号可以取得较高的增益，但是需要两台激光源，结构复杂；传统方法二是写入-擦除反复进行的方法，这种方法是方法一的改进，能获得更好的信噪比输出，但是也需要引入另一束非相干光进行擦除，结构更加复杂且不易操作。传统方法三是旋转晶体法，这种方法不仅降低了系统稳定性，而且输出信号增益较低；传统方法四是自适应Wiener滤波法，这种方法主要目的是抑制噪声，但是噪声得到抑制的同时信号能量也会减弱，所以这种方法并不利于微弱信号的探测；传统方法五是低光强写入强短脉冲读出法，这种方法要求较弱的泵浦光和信号光同时写入衍射信号光栅，依据产生系统噪声的阈值条件并不产生系统噪声，强脉冲读出时可以短时间内输出高信噪比信号，正是由于需要首先写入光栅，使得这一方法在实际信号探测中不能满足信号实时探测的应用要求。因此新的方法和实验方案的提出仍然是解决这一问题的主要途径，结构简单、性能稳定、高增益和高信噪比输出系统也依然是弱信号光折变非线性放大技术研究和应用的关键。

发明内容

为了解决背景技术中关于弱光信号的放大与高信噪比输出的技术问题，本发明提供了一种基于部分相干光泵浦的弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方法及装置。

本发明所采用的技术方案是：

弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方法，其特殊之处在于：

1】产生两束偏振方向一致的激光；

2】第一束激光经过部分相干光发生器使其空间相干性退化，得到部分相干的泵浦光；

3】第二束激光对远距离的目标物进行探测，返回携带目标物信息且含噪声的微弱的信号光；

4】调节步骤2】得到的泵浦光和步骤3】得到的信号光的光路方向及光斑大小，使两者同步入射光折变非线性系统，并给光折变非线性系统施加外加电场，完成弱信号的放大以及噪声抑制过程，输出了信噪比提升的放大光信号；

5】对步骤4】中输出的信噪比提升的放大光信号进行探测与计算，获得光强和信噪比信息。