弱光信号检测在国防、光学遥感、光通信以及工程检测领域发挥重要作用,噪声的存在被普遍认为是一种无法控制的消极干扰,是降低探测系统性能的根源,滤除背景噪声是提高系统信息提取能力的有效手段,但是传统的线性技术对于强噪声背景下的弱信号,特别是当被测信号与噪声频带重叠时却是无能为力的。随机共振效应是一种广泛存在的非线性现象,广义上说随机共振的发生意味着系统的输出性能的提高,比如,系统对周期信号的响应在噪声作用下得到加强,并且在一确定的噪声强度下取得最优化,形成这中反直觉的现象的机理在于非线性系统与随机力之间协同作用。本论文从双稳系统的随机共振模型出发,研究光学双稳系统中随机共振增强效应,实现了噪声淹没下弱光脉冲信号的有效重构。本文的主要研究内容概括如下:1、首先从弱光信号检测中存在的科学问题出发,阐述了噪声背景下微弱信号检测的处理方法及研究现状,对随机共振理论的发展历程及其在弱光信号增强和重构中的应用进行综述,阐明随机共振理论在弱光信号处理中的独特优势和研究意义。2、基于经典双稳系统随机共振模型阐述随机共振效应的基本原理。简要分析F-P腔中光学双稳系统的输出特性及其形成原理,以描述经典粒子非线性动力学的朗之万方程为出发点,概述随机微分方程模型的建立以及参数优化,分析周期信号和噪声扰动下双稳系统势函数的跃迁特性。数值分析不同噪声强度下双稳系统随机共振输出特性,引入度量随机共振效应的评价函数。3、建立基于SOI波导光学双稳随机共振的随机微分方程。理论上提出一种集成p-i-n结构的SOI波导腔,研究波导长度、腔镜反射系数以及自由载流子寿命等系统参数对光学双稳输出的影响。推导了基于SOI波导的光学双稳系统的随机微分方程,分析系统对不同强度信号、噪声的重构能力,并通过计算互相关增益评价SOI波导双稳随机共振系统的输出性能。4、提出一种基于光热效应的曲面微腔双稳系统实现随机共振信号重构的方法。从F-P腔经典双稳态模型出发,推导微腔双稳模型并对其双稳透射特性进行了数值分析,研究初始失谐波长、微腔有效腔长对光学双稳态特性的影响。通过分析微腔双稳态势阱跃迁特性解释信号重构机理,阐释噪声信号与非线性系统之间相互作用。