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Denoising amplification of arbitrary coherent signals using the Talbot effect.

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Crockett, Benjamin (2019). Denoising amplification of arbitrary coherent signals using the Talbot effect. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 132 p.

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Résumé

L’optique et la photonique ont été au coeur d’une panoplie d’avancements scientifiques et technologiques depuis quelques décennies. En particulier depuis l’avénement du laser, des approches basées sur l’optique ont été capitales au déploiement d’une multitudes d’applications, notamment en spectroscopie, imagerie, métrologie, télécommunication, pour le traitement d’informations, etc.. Malgré le progrès formidable des technologies photoniques, certains développements névralgiques dans ces divers domaines demandent une sensibilité et une tolérance au bruit accrues afin de pouvoir fructueusement extraire l’information requise d’un signal optique donné. Le problème est d’autant plus important lorsque le signal d’intérêt est faible, car dans ce cas, de l’énergie externe est habituellement injectée afin que la forme d’onde atteigne suffisamment de puissance pour être détectée. Cependant, toute forme d’amplification dégrade nécessairement la qualité d’un signal, de sorte qu’il est possible que la forme d’onde soit corrompue par le bruit à un point tel que l’information contenue soit totalement perdue. En fait, le problème du bruit est omniprésent, car pratiquement tous les signaux requièrent une forme ou une autre d’atténuation de bruit due à l’intrusion inévitable de bruit qui peut affecter les différents procédés d’un mécanisme de traitement de signal, soit dès lors qu’un signal est généré, durant sa propagation, où au moment de la détection. La méthode la plus répandue pour atténuer le bruit est d’utiliser un filtre de bande passante, qui élimine toute l’énergie à l’extérieur d’une plage de fréquences données. Néanmoins, cette approche est mal adapté aux signaux qui consiste en une gamme de fréquences très restreintes, ainsi que ceux qui consiste en une gamme très large de fréquences. En particulier, les signaux à bande étroite sont difficiles à traiter car il est complexe de concevoir un filtre optique efficace avec une bande passante très étroite, tout en maintenant une perte d’insertion basse. D’autre part, l’atténuation du bruit par filtre à bande passante est inefficace pour traiter les signaux à large bande, car une quantité importante du bruit est contenue à même la bande du signal. Des méthodes alternatives afin de contrer ce bruit interbande sont très rares, et sont le sujet de recherches actives depuis longtemps. Les quelques solutions existantes se basent sur des post-traitements digitales qui ne peuvent pas être appliquées aux signaux optiques. Ce mémoire présente la nouvelle solution que j’ai développée pour le rétablissement de signaux optiques noyés sous le bruit. Le concept est basé sur la théorie de l’effet Talbot, et consiste à redistribuer l’énergie d’un signal en une série de pointes dont l’enveloppe suit une forme amplifiée du signal initial. Ce procédé est physiquement implanté exclusivement par des manipulations de phases, afin de réaliser un échantillonnage sans perte menant à une amplification sans bruit du signal. La méthode proposée offre le rétablissement du signal en temps réel et à la volée, sans avoir recours à un post-traitement digital, agissant directement sur le support physique de l’onde. Elle peut être instaurée soit pour les signaux à bande étroite ou à large bande, visant les problèmes mentionnés quant à l’atténuation de bruit pour chaque type de signal. Le concept apporte donc une approche opportune et universelle pour la détection de signaux considérablement différents, qui pourrait permettre le rétablissement d’information précédemment inaccessible, accordant potentiellement de nouvelles avancées pour des domaines variant de la radioastronomie, aux télécommunications, et à la biologie.

Abstract

Optics and photonics have been at the heart of a plethora of scientific and technological advancements in the last decades. Particularly since the advent of the laser, optical approaches have been key to numerous scientific and technological applications, namely in spectroscopy, imaging, metrology, telecommunication, and information processing, amongst many others. Despite tremendous advancements in photonic technologies, successful key applications in these diverse fields require higher sensitivity and tolerance against noise to be able to extract the needed information from a given optical signal. This is particularly problematic when the waveform of interest is weak, since in this case, energy is typically injected in the signal in order for it to have sufficient power to be detected, but any form of active amplification will necessarily degrade the quality of a signal, in such a way that the information can get completely corrupted by noise in the amplification process. In fact, the problem of noise is ubiquitous, as practically all signals require some form of noise mitigation due the unavoidable intrusion of noise that can affect a signal processing scheme, which may happen when the signal is generated, during its propagation or at the time of detection. The most common method to mitigate noise is to use a bandpass filter, which eliminates all the energy outside of a given bandwidth. However, this approach is ill-suited for signals which consists of a very narrow band of frequency components as well as those that consist of a very broad range of frequency components. In particular, narrowband optical signals are difficult to process because it is difficult to design effective optical filters with very narrow pass bands and low loss. On the other hand, noise mitigation by bandpass filtering is ineffective for broadband signals since a large amount of noise is contained within the bandwidth of the signal itself, and as such, is unaffected by bandpass filtering. Alternative methods to mitigate this so-called in-band noise are scarce and have been the subject of much research these past decades. Current solutions typical relying on digital post processing methods that are ill-suited for broadband optical signals. In this thesis, I present a novel solution I developed for the recovery of optical signals buried under noise. The concept is based on the theory of the Talbot effect, and consist of redistributing the energy of the signal into discrete bins using phase-only manipulations, simultaneously implementing lossless sampling and noiseless amplification of the signal. The proposed method provides signal recovery on the fly and in real-time, directly on the physical wave domain, thus avoiding the need for digitalization and post-processing. It can be implemented for either narrowband or broadband signals, targeting the aforementioned difficulties in noise reduction associated with each kind of signals. It thus brings a timely, universal approach for the detection of vastly different signals, and could enable the recovery of previously unattainable information, allowing for new advances in fields ranging from radio-astronomy to telecommunications and biology.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Azaña, José
Co-directeurs de mémoire/thèse: Ruediger, Andreas Peter
Mots-clés libres: atténuation du bruit; détection de signaux faibles; amplification sans bruit; effet Talbot; noise mitigation; weak signal detection; noiseless amplification; Talbot effect
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 03 juin 2020 14:57
Dernière modification: 03 juin 2020 14:57
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/10321

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