光学信号处理技术在激光雷达,空间光通信和远程光学遥感等相关领域有着重要的应用价值。在实际应用中,光学待测信号很容易被传输介质散射或背景光噪声干扰,造成接收信噪比急剧下降。当噪声强度远高于信号,或噪声和信号存在关联性时,以滤波技术为主的常规检测方法难以实现初始信号的有效识别。然而在某些特殊的非线性系统中,噪声的增强反而使得输出信噪比出现一定程度提升,即呈现随机共振现象。基于随机共振效应可以有效地将被噪声湮没的信号恢复出来,但作为一种新型的信号处理技术,其基础理论距离实际应用仍存在较大差距,需要开展更深入的研究工作。本文主要研究多种噪声环境中,利用非线性光学效应实现随机共振,从而获得高质量的弱光信号重构。具体研究内容如下:1、论述了噪声环境中弱光信号探测技术的重要意义,以及该技术发展的瓶颈。在此基础上引入了光学随机共振的概念,总结了统计噪声、规则信号和非线性系统三要素在实现随机共振中起到的作用,以及弱光信号随机共振探测性能的衡量指标,并简要回顾了随机共振在微弱信号处理中的发展历程。2、研究了常见的基于二能级介质共振环形腔双稳态的随机共振理论,证明了限制时域信号重构响应时间的主要原因在于临界慢化效应导致的时域延迟,据此提出了基于表面等离子体双稳态的弱光纳秒脉冲信号随机共振重构。设计了含Kretschmann结构的反馈型环形腔光路,推导了输入与输出强度的双稳态方程和传播常数方程,通过优化金属层厚度和入射角度,最大程度地激发表面等离子体以降低非线性介质表面的反射系数和相位延迟,实现了高强度噪声中的纳秒脉冲信号提取。该方法克服了以往双稳态随机共振响应时间为毫秒级的限制,最高互相关度增益达8倍。3、提出了一种在光学时空混沌系统中基于调制不稳定性机理实现随机共振的方法,从二维复数金兹堡-朗道方程出发,推导了部分相干光的时空混沌不稳定性增益方程,通过调节非线性介质中的自聚焦系数、衍射系数和入射光相干长度,实现了噪声强度增加时初始信号的隐藏与重构,并发现信噪比增益随噪声强度的增强而提升,最高信噪比增益为5 dB,时域窗口约为100 ms。4、研究了光学图像在大气介质中传播时空间相干性退化的原因,并探究了强散射介质中弱光脉冲图像信号的随机共振重构机理。利用空域调制不稳定性理论、光折变带输运理论及辐射模Wigner-Moyal变换方法,推导了噪声信号不稳定性增益方程,分析了包括光折变晶体外加电场强度和相干长度等系统参数对输出效果的影响。在输入图像信噪比为1:25时,通过参数调谐,实现了互相关度增益高达10倍的纳秒脉冲图像信号重构。5、针对常规探测方式难以有效识别乘性噪声图像信号,以及自调制不稳定性随机共振中图像高频信息丢失的难题,提出了基于交叉调制不稳定性的图像随机共振重构,建立了部分相干光噪声与信号耦合的不稳定性增益模型。发现通过耦合相干程度较低的背景噪声,待测信号可以获得更高的不稳定性增益,从而实现噪声光能量向信号光的有序转移。实验设计了乘性含噪信号和背景噪声的双光束耦合光路,优化噪声和信号相干长度实现了互相关度增益3.2倍的乘性噪声图像重构,并证明该方法可以有效恢复初始图像的形状轮廓等低频信息和边缘细节等高频信息。