Стохастический резонанс - Stochastic resonance

Стохастический резонанс ( SR ) - это явление, при котором сигнал, который обычно слишком слаб для обнаружения датчиком, может быть усилен путем добавления белого шума к сигналу, который содержит широкий спектр частот. Частоты белого шума, соответствующие частотам исходного сигнала, будут резонировать друг с другом, усиливая исходный сигнал, но не усиливая остальной белый шум, тем самым увеличивая отношение сигнал / шум , что делает исходный сигнал более заметным. Кроме того, добавленного белого шума может быть достаточно для обнаружения датчиком, который затем может отфильтровать его для эффективного обнаружения исходного, ранее необнаруживаемого сигнала.

Это явление усиления необнаруживаемых сигналов за счет резонанса с добавленным белым шумом распространяется на многие другие системы - электромагнитные, физические или биологические - и является активной областью исследований.

Техническое описание

Стохастический резонанс (SR) наблюдается, когда шум, добавленный к системе, каким-либо образом изменяет поведение системы. С технической точки зрения SR возникает, если отношение сигнал / шум нелинейной системы или устройства увеличивается при умеренных значениях интенсивности шума . Это часто происходит в бистабильных системах или в системах с сенсорным порогом, и когда входной сигнал в систему является «подпороговым». При более низкой интенсивности шума сигнал не заставляет устройство пересекать пороговое значение, поэтому через него проходит небольшой сигнал . При большой интенсивности шума на выходе преобладает шум, что также приводит к низкому отношению сигнал / шум. При умеренной интенсивности шум позволяет сигналу достичь порога, но интенсивность шума не настолько велика, чтобы заглушить его. Таким образом, график зависимости отношения сигнал / шум от интенсивности шума содержит пик.

Строго говоря, стохастический резонанс возникает в бистабильных системах, когда небольшая периодическая ( синусоидальная ) сила применяется вместе с большой широкополосной стохастической силой (шумом). Реакция системы определяется комбинацией двух сил, которые конкурируют / взаимодействуют, чтобы заставить систему переключаться между двумя стабильными состояниями. Степень упорядоченности связана с количеством периодических функций, которые она показывает в ответе системы. Когда периодическая сила выбрана достаточно малой, чтобы не вызвать переключение отклика системы, для того, чтобы это произошло, требуется присутствие немалого шума. Когда шум небольшой, происходит очень мало переключений, в основном случайных, без значительной периодичности в ответе системы. Когда шум очень сильный, большое количество переключений происходит для каждого периода синусоиды, и реакция системы не показывает заметной периодичности. Между этими двумя условиями существует оптимальное значение шума, которое кооперативно согласуется с периодическим форсированием, чтобы сделать почти ровно одно переключение за период (максимум отношения сигнал / шум).

Такое благоприятное состояние количественно определяется согласованием двух шкал времени: периода синусоиды (детерминированная шкала времени) и скорости Крамерса (т. Е. Средней скорости переключения, вызванной единственным шумом: инверсия шкалы стохастического времени) . Отсюда и термин «стохастический резонанс».

Стохастический резонанс был открыт и впервые предложен в 1981 году для объяснения периодической повторяемости ледниковых периодов. С тех пор тот же принцип применялся в самых разных системах. В настоящее время стохастический резонанс обычно вызывают, когда шум и нелинейность совпадают для определения увеличения порядка в отклике системы.

Надпороговый

Надпороговый стохастический резонанс - это особая форма стохастического резонанса, при котором случайные флуктуации или шум обеспечивают преимущество обработки сигнала в нелинейной системе . В отличие от большинства нелинейных систем, в которых возникает стохастический резонанс, надпороговый стохастический резонанс возникает, когда сила флуктуаций мала по сравнению с силой входного сигнала или даже мала для случайного шума . Это не ограничивается подпороговым сигналом, отсюда и квалификатор.

Неврология, психология и биология

Основная статья: Стохастический резонанс (сенсорная нейробиология)

Стохастический резонанс наблюдался в нервной ткани сенсорных систем нескольких организмов. С вычислительной точки зрения нейроны демонстрируют SR из-за нелинейности их обработки. СР еще предстоит полностью объяснить в биологических системах, но нейронная синхронизация в мозге (особенно в частоте гамма-волн ) была предложена в качестве возможного нейронного механизма для СР исследователями, которые исследовали восприятие «подсознательного» зрительного ощущения. Одиночные нейроны in vitro, включая клетки Пуркинье мозжечка и гигантский аксон кальмара, также могут демонстрировать обратный стохастический резонанс, когда выброс подавляется синаптическим шумом определенной вариации.

Медицина

Методы на основе SR были использованы для создания нового класса медицинских устройств для улучшения сенсорных и моторных функций, таких как вибрирующие стельки, особенно для пожилых людей или пациентов с диабетической невропатией или инсультом.

См. Статью « Обзор современной физики» для полного обзора стохастического резонанса.

Стохастический резонанс нашел достойное применение в области обработки изображений.

Анализ сигналов

Связанное с этим явление - это дизеринг, применяемый к аналоговым сигналам перед аналого-цифровым преобразованием . Стохастический резонанс можно использовать для измерения амплитуд пропускания ниже предела обнаружения прибора. Если к подпороговому (т. Е. Неизмеримому) сигналу добавляется гауссов шум , то он может быть перенесен в обнаруживаемую область. После обнаружения шум удаляется. Можно получить четырехкратное улучшение предела обнаружения.

Смотрите также

использованная литература

Библиография

Библиография по надпороговому стохастическому резонансу

внешние ссылки