Sztochasztikus rezonancia - Stochastic resonance

A sztochasztikus rezonancia ( SR ) olyan jelenség, amelyben a jel, amely általában túl gyenge ahhoz, hogy egy érzékelő érzékelje, felerősíthető, ha fehér zajt ad hozzá a jelhez, amely széles frekvenciaspektrumot tartalmaz. Az eredeti jel frekvenciáinak megfelelő fehér zaj frekvenciái rezonálnak egymással, felerősítve az eredeti jelet, miközben nem erősítve a fehér zaj többi részét-ezáltal növelve a jel-zaj arányt , ami kiemelkedőbbé teszi az eredeti jelet. Ezenkívül a hozzáadott fehér zaj elegendő lehet ahhoz, hogy az érzékelő észlelje, és ezt követően kiszűrheti, hogy hatékonyan észlelje az eredeti, korábban nem észlelhető jelet.

Ez a jelenség, amikor a nem érzékelhető jeleket fehéredő fehér zajjal rezonálva növeli, számos más rendszerre is kiterjed - legyen az elektromágneses, fizikai vagy biológiai -, és aktív kutatási terület.

Technikai leírás

A sztochasztikus rezonancia (SR) akkor figyelhető meg, ha a rendszerhez hozzáadott zaj valamilyen módon megváltoztatja a rendszer viselkedését. További technikailag, SR akkor jelentkezik, ha a jel-zaj arány egy nemlineáris rendszer vagy eszköz növekszik mérsékelt értékeinek zaj intenzitása . Gyakran előfordul bistabil rendszerekben vagy érzékszervi küszöbértékű rendszerekben, és amikor a rendszer bemeneti jele "küszöb alatti". Alacsonyabb zajintenzitás esetén a jel nem okozza a készülék küszöbértékének átlépését, ezért kevés jel jut át ​​rajta. Nagy zajintenzitás esetén a kimenetet a zaj uralja, ami szintén alacsony jel-zaj arányhoz vezet. Mérsékelt intenzitás esetén a zaj lehetővé teszi, hogy a jel elérje a küszöbértéket, de a zajintenzitás nem olyan nagy, hogy elárasztja azt. Így egy telek a jel-zaj viszony függvényében a zaj intenzitása tartalmaz egy csúcsot.

Szigorúan véve a sztochasztikus rezonancia akkor fordul elő bistabil rendszerekben, amikor kis periodikus ( szinuszos ) erőt fejtünk ki nagy széles sávú sztochasztikus erővel (zaj). A rendszer reakcióját a két erő kombinációja hajtja, amelyek versenyeznek/együttműködnek annak érdekében, hogy a rendszer átkapcsoljon a két stabil állapot között. A sorrend mértéke függ a rendszer válaszában megjelenő periodikus függvény mennyiségétől . Ha a periodikus erőt elég kicsire választjuk, hogy a rendszer ne kapcsoljon át, akkor nem elhanyagolható zaj jelenléte szükséges. Amikor a zaj kicsi, nagyon kevés kapcsoló fordul elő, főként véletlenszerűen, a rendszer válaszának jelentős periodicitása nélkül. Amikor a zaj nagyon erős, a szinuszoid minden egyes periódusában nagyszámú kapcsoló fordul elő, és a rendszer válasza nem mutat jelentős periodicitást. E két feltétel között létezik a zaj optimális értéke, amely együttműködik az időszakos kényszerítéssel annak érdekében, hogy időszakonként majdnem pontosan egy kapcsolást végezzen (maximum a jel-zaj arányban).

Egy ilyen kedvező feltételt mennyiségileg két időskála egyeztetése határoz meg: a szinuszos periódus (a determinisztikus időskála) és a Kramers -arány (azaz az egyetlen zaj által kiváltott átlagos kapcsolási sebesség: a sztochasztikus időskála fordítottja) . Így a "sztochasztikus rezonancia" kifejezés.

A sztochasztikus rezonanciát 1981 -ben fedezték fel és javasolták először a jégkorszak időszakos ismétlődésének magyarázatára . Azóta ugyanazt az elvet alkalmazták a legkülönfélébb rendszerekben. Manapság a sztochasztikus rezonanciát általában akkor hívják fel, amikor a zaj és a nemlinearitás megegyezik a rendszer válaszának rendjének növekedésében.

Suprathreshold

A küszöbön túli sztochasztikus rezonancia a sztochasztikus rezonancia egy speciális formája, amelyben a véletlenszerű ingadozások vagy zajok jelfeldolgozási előnyöket biztosítanak egy nemlineáris rendszerben . Ellentétben a legtöbb nemlineáris rendszerrel, amelyekben sztochasztikus rezonancia fordul elő, a küszöbön túli sztochasztikus rezonancia akkor fordul elő, ha az ingadozás erőssége kicsi a bemeneti jelhez képest, vagy akár kicsi a véletlen zaj esetén . Nem korlátozódik a küszöb alatti jelre, ezért a minősítő.

Idegtudomány, pszichológia és biológia

Sztochasztikus rezonanciát figyeltek meg több organizmus érzékszervi idegszövetében. Számítástechnikailag a neuronok SR-t mutatnak a feldolgozásuk nemlinearitásai miatt. A biológiai rendszerekben az SR -t még nem kell teljesen megmagyarázni, de az agy idegi szinkronját (különösen a gammahullámok frekvenciáját) az SR lehetséges neurális mechanizmusaként javasolták a kutatók, akik a "tudatalatti" vizuális érzékelés észlelését vizsgálták. Egyetlen in vitro idegsejtek , beleértve a kisagyi Purkinje sejteket és a tintahal óriás axonját , szintén bizonyíthatják az inverz sztochasztikus rezonanciát, amikor a szúrást egy bizonyos variancia szinaptikus zaj gátolja .

Orvosság

SR-alapú technikákat alkalmaztak az orvosi eszközök új osztályának létrehozására az érzékszervi és motoros funkciók javítására, mint például rezgő talpbetétek, különösen az idősek vagy a diabéteszes neuropátiában vagy stroke-ban szenvedő betegek számára.

A sztochasztikus rezonancia átfogó áttekintését lásd a Modern fizika áttekintése cikkben.

A Stochastic Resonance figyelemre méltó alkalmazást talált a képfeldolgozás területén.

Jel elemzés

Egy rokon jelenség Dithering alkalmazott analóg jeleket, mielőtt az analóg-digitális átalakítás . A sztochasztikus rezonancia alkalmazható a műszer észlelési határa alatti áteresztési amplitúdók mérésére. Ha Gauss -zajt adunk egy küszöbérték alatti (azaz mérhetetlen) jelhez, akkor azt érzékelhető tartományba lehet hozni. Az észlelés után a zaj megszűnik. Négyszeres javulás érhető el az észlelési határértékben.

Lásd még

• Kölcsönös koherencia (lineáris algebra)
• A jel észlelésének elmélete
• Sztochasztikus rezonancia (szenzoros neurobiológia)

Hivatkozások

Bibliográfia

• McDonnell MD és Abbott D (2009). "Mi a sztochasztikus rezonancia? Definíciók, tévhitek, viták és relevanciája a biológiában" . PLOS Számítási Biológia . 5 (5): e1000348. Bibcode : 2009PLSCB ... 5E0348M . doi : 10.1371/journal.pcbi.1000348 . PMC  2660436 . PMID  19562010 .
• Gammaitoni L , Hänggi P , Jung P, Marchesoni F (2009). "Sztochasztikus rezonancia: figyelemre méltó ötlet, amely megváltoztatta a zajról alkotott felfogásunkat" (PDF) . Európai Fizikai Lapok B . 69. (1): 1–3. Bibcode : 2009EPJB ... 69 .... 1G . doi : 10.1140/epjb/e2009-00163-x . S2CID  123073615 .CS1 maint: több név: szerzői lista ( link )
• Hänggi P (2002. március). "Sztochasztikus rezonancia a biológiában. Hogyan javíthatja a zaj a gyenge jelek észlelését és segíthet javítani a biológiai információfeldolgozást" (PDF) . ChemPhysChem . 3 (3): 285–90. doi : 10.1002/1439-7641 (20020315) 3: 3 <285 :: AID-CPHC285> 3.0.CO; 2-A . PMID  12503175 .
• F. Chapeau-Blondeau; D. Rousseau (2009). "A zaj növelése a teljesítmény javítása érdekében az optimális feldolgozás során". Journal of Statistics Mechanics: Theory and Experiment . 2009 (1): P01003. Bibcode : 2009JSMTE..01..003C . doi : 10.1088/1742-5468/2009/01/P01003 .
• JC Comte; et al. (2003). "Sztochasztikus rezonancia: a küszöb alatti digitális adatok lekérésének másik módja". Fizika A betűk . 309 (1): 39–43. Bibcode : 2003PhLA..309 ... 39C . doi : 10.1016/S0375-9601 (03) 00166-X .
• Moss F, Ward LM, Sannita WG (2004. február). "Sztochasztikus rezonancia és szenzoros információfeldolgozás: oktatóanyag és az alkalmazás felülvizsgálata". Clin Neurophysiol . 115 (2): 267–81. doi : 10.1016/j.clinph.2003.09.014 . PMID  14744566 . S2CID  4141064 .
• Wiesenfeld K, Moss F (1995. január). "Sztochasztikus rezonancia és a zaj előnyei: a jégkorszaktól a rákokig és a SQUID -okig". Természet . 373 (6509): 33–6. Bibcode : 1995Natur.373 ... 33W . doi : 10.1038/373033a0 . PMID  7800036 . S2CID  4287929 .
• Bulsara A , Gammaitoni L (1996). "Hangra hangolás" (PDF) . Fizika ma . 49. (3): 39–45. Bibcode : 1996PhT .... 49c..39B . doi : 10.1063/1.881491 .
• F. Chapeau-Blondeau; D. Rousseau (2002). "Zajjavítások a sztochasztikus rezonanciában: A jelerősítéstől az optimális észlelésig" . Ingadozás és zajbetűk . 2. (3) bekezdés: L221 – L233. doi : 10.1142/S0219477502000798 . S2CID  47951856 .
• Priplata AA, Patritti BL, Niemi JB, et al. (2006. január). "Zajjal fokozott egyensúlyszabályozás cukorbetegeknél és stroke-os betegeknél" . Ann. Neurol . 59. (1): 4–12. doi : 10.1002/ana.20670 . PMID  16287079 . S2CID  3140340 .
• Hänggi Péter; Peter Talkner; Michal Borkovec (1990). "Reakciósebesség-elmélet: ötven évvel Kramers után" . Vélemények a modern fizikáról . 62. (2): 251–341. Bibcode : 1990RvMP ... 62..251H . doi : 10.1103/RevModPhys.62.251 . S2CID  122573991 .
• Hannes Risken A Fokker-Planck egyenlet , 2. kiadás, Springer, 1989

Bibliográfia a küszöb alatti sztochasztikus rezonancia számára

• NG Stocks , "Suprathreshold sztochasztikus rezonancia a többszintű küszöbrendszerekben", Physical Review Letters, 84 , 2310-2313, 2000.
• MD McDonnell , D. Abbott és CEM Pearce : "A zaj fokozott információátvitelének elemzése összehasonlító eszközök tömbjében", Microelectronics Journal 33 , 1079-1089, 2002.
• MD McDonnell és NG Stocks , " Suprathreshold sztochasztikus rezonancia", Scholarpedia 4 , 6508. cikk, 2009.
• MD McDonnell , NG Stocks , CEM Pearce , D. Abbott , Stochastic Resonance: From Suprathreshold Stochastic Resonance to Stochastic Signal Quantization , Cambridge University Press, 2008.
• F. Chapeau-Blondeau; D. Rousseau (2004). "Javítás zajjal párhuzamos érzékelő tömbökben, teljesítmény-törvény jellemzőkkel" . Physical Review E . 70 (6): 060101. Bibcode : 2004PhRvE..70f0101C . doi : 10.1103/PhysRevE.70.060101 . PMID  15697330 . S2CID  30684643 .

Külső linkek

• "Sztochasztikus rezonancia" . Tudósok .
• Tudós Google -profil a sztochasztikus rezonanciáról
• Harry JD, Niemi JB, Priplata AA, Collins JJ (2005. április). "Kiegyensúlyozási törvény" . IEEE spektrum . 42. (4): 36–41. doi : 10.1109/MSPEC.2005.1413729 . S2CID  18576276 .
• Newsweek Rendetlenségnek, mind itthon, mind a külpolitikában, saját előnyei lehetnek. Letöltve: 2011. január 3
• Sztochasztikus rezonancia konferencia 1998–2008 tíz év folyamatos növekedés. 2008. augusztus 17-21., Perugia (Olaszország)
• Sztochasztikus rezonancia - a küszöbérték feletti sztochasztikus rezonanciától a sztochasztikus jel kvantizálásáig (könyv)
• A küszöbérték alatti sztochasztikus rezonancia áttekintése
• AS Samardak, A. Nogaret, NB Janson, AG Balanov, I. Farrer és DA Ritchie. "Zajvezérelt jelátvitel egy többszálú félvezető neuronban" // Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 226802, [1]