Stochastická rezonance - Stochastic resonance
tento článek může být pro většinu čtenářů příliš technická na to, aby tomu rozuměli. Prosím pomozte to vylepšit na aby to bylo srozumitelné pro neodborníky, aniž by byly odstraněny technické podrobnosti. (Září 2011) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) |
Stochastická rezonance (SR) je jev, při kterém lze signál, který je obvykle příliš slabý na to, aby ho snímač detekoval, zesílit přidáním bílý šum na signál, který obsahuje široké spektrum frekvencí. Frekvence v bílém šumu odpovídající frekvencím původního signálu budou rezonovat zesilují původní signál, aniž by zesilovaly zbytek bílého šumu - čímž zvyšují odstup signálu od šumu, což činí původní signál výraznějším. Navíc přidaný bílý šum může stačit k detekci senzorem, který jej poté může odfiltrovat, aby účinně detekoval původní, dříve nezjistitelný signál.
Tento fenomén zesílení nedetekovatelných signálů rezonancí s přidaným bílým šumem se vztahuje i na mnoho dalších systémů - ať už elektromagnetických, fyzikálních nebo biologických - a je aktivní oblastí výzkumu.[1]
Technický popis
Stochastický rezonance (SR) je pozorována, když hluk přidaný do systému nějakým způsobem změní chování systému. Techničtěji, SR nastane, pokud odstup signálu od šumu a nelineární systém nebo zařízení se zvyšuje pro střední hodnoty hluk intenzita. Často se vyskytuje v bistabilní systémy nebo v systémech s a smyslový práh a když je vstupní signál do systému „podprahový“. Při nižší intenzitě šumu signál nezpůsobuje, že zařízení překročí prahovou hodnotu, tak málo signál prochází skrz to. U velkých intenzit šumu dominuje na výstupu šum, což také vede k nízkému poměru signálu k šumu. Při střední intenzitě umožňuje šum signálu dosáhnout prahové hodnoty, ale intenzita šumu není tak velká, aby jej zaplavila. Tak, a spiknutí poměru signálu k šumu jako funkce intenzity šumu obsahuje špičku.
Přísně vzato, stochastická rezonance se vyskytuje v bistabilních systémech, kdy malá periodická (sinusový ) síla působí společně s velkou širokopásmovou stochastickou silou (hlukem). Reakce systému je poháněna kombinací dvou sil, které soutěží / spolupracují, aby systém přepínal mezi dvěma stabilními stavy. Stupeň objednávky souvisí s částkou periodická funkce že se to projeví v odezvě systému. Když je periodická síla zvolena dostatečně malá, aby nedošlo k přepnutí odezvy systému, je nutná přítomnost nezanedbatelného šumu. Když je šum malý, vyskytuje se velmi málo přepínačů, hlavně náhodně bez významné periodicity v odezvě systému. Když je hluk velmi silný, dochází k velkému počtu přepínačů pro každé období sinusoidy a odezva systému nevykazuje pozoruhodnou periodicitu. Mezi těmito dvěma podmínkami existuje optimální hodnota šumu, která kooperativně souhlasí s periodickým nucením, aby bylo možné provést téměř přesně jeden přepínač za periodu (maximum v poměru signál-šum).
Taková příznivá podmínka je kvantitativně stanovena porovnáním dvou časových rozsahů: období sinusoidy (deterministická časová stupnice) a Kramersovy rychlosti[2] (tj. průměrná rychlost přepínání vyvolaná jediným hlukem: inverzní k stochastické časové stupnici[3][4]). Tedy výraz „stochastická rezonance“.
Stochastická rezonance byla objevena a poprvé navržena v roce 1981, aby vysvětlila periodické opakování dob ledových.[5] Od té doby se stejný princip uplatňuje v široké škále systémů. V dnešní době se stochastická rezonance běžně vyvolává, když se šum a nelinearita shodují s určením zvýšení řádu v odezvě systému.
Nadprahová stochastická rezonance
Nadprahová stochastická rezonance je zvláštní forma stochastické rezonance. Je to jev, ve kterém náhodný fluktuace nebo hluk, poskytněte a zpracování signálu výhoda v a nelineární systém. Na rozdíl od většiny nelineárních systémů, ve kterých dochází ke stochastické rezonanci, dochází k nadprahové stochastické rezonanci nejen v případě, že síla fluktuací je malá ve srovnání se silou vstupního signálu, ale vyskytuje se i při nejmenším množství náhodný šum. Kromě toho se neomezuje na podprahový signál, tedy na kvalifikátor.
Neurovědy / psychologie a biologie
Stochastická rezonance byla pozorována v nervové tkáni senzorických systémů několika organismů.[6] Výpočetně neurony vykazují SR kvůli nelinearitám při jejich zpracování. SR musí být ještě plně vysvětlen v biologických systémech, ale neurální synchronizace v mozku (konkrétně v gama vlna frekvence[7]) byl navržen jako možný nervový mechanismus pro SR výzkumníky, kteří zkoumali vnímání „podvědomého“ vizuálního vjemu.[8] Jednotlivé neurony in vitro včetně mozečku Purkyňovy buňky[9] a chobotnice obří axon[10] může také demonstrovat inverzní stochastickou rezonanci, když je špice inhibována synaptický šum konkrétní odchylky.
Lék
Techniky založené na SR byly použity k vytvoření nové třídy zdravotnických prostředků pro zlepšení senzorických a motorických funkcí, jako je vibrační vložky zejména u starších osob nebo pacientů s diabetickou neuropatií nebo cévní mozkovou příhodou.[11]
Viz Recenze moderní fyziky[12] článek pro komplexní přehled stochastické rezonance.
Stochastická rezonance našla pozoruhodné uplatnění v oblasti zpracování obrazu.
Analýza signálu
Příbuzný jev je dithering dříve aplikován na analogové signály analogově-digitální převod.[13] Stochastickou rezonanci lze použít k měření amplitud propustnosti pod detekčním limitem nástroje. Li Gaussovský hluk je přidán k podprahovému (tj. nezměřitelnému) signálu, poté může být přenesen do detekovatelné oblasti. Po detekci je šum odstraněn. Lze dosáhnout čtyřnásobného zlepšení detekčního limitu.[14]
Viz také
- Vzájemná soudržnost (lineární algebra)
- Teorie detekce signálu
- Stochastická rezonance (senzorická neurobiologie)
Reference
- ^ Moss F, Ward LM, Sannita WG (únor 2004). "Stochastická rezonance a zpracování smyslových informací: výukový program a kontrola aplikace". Klinická neurofyziologie. 115 (2): 267–81. doi:10.1016 / j.clinph.2003.09.014. PMID 14744566. S2CID 4141064.
- ^ Kramers, H.A .: Brownův pohyb v silovém poli a difúzní model chemických reakcí. Physica (Utrecht) 7, 284–304 (1940)}
- ^ Peter Hänggi; Peter Talkner; Michal Borkovec (1990). „Teorie reakční rychlosti: padesát let po Kramersovi“. Recenze moderní fyziky. 62 (2): 251–341. Bibcode:1990RvMP ... 62..251H. doi:10.1103 / RevModPhys.62.251. S2CID 122573991.
- ^ Hannes Risken Fokker-Planckova rovnice, 2. vydání, Springer, 1989
- ^ Benzi R, Parisi G, Sutera A, Vulpiani A (1982). "Stochastická rezonance při změně klimatu". Řekni nám. 34 (1): 10–6. Bibcode:1982TellA..34 ... 10B. doi:10.1111 / j.2153-3490.1982.tb01787.x.
- ^ Kosko, Bart (2006). Hluk. New York, NY: Viking. ISBN 978-0-670-03495-6.
- ^ Ward LM, Doesburg SM, Kitajo K, MacLean SE, Roggeveen AB (prosinec 2006). „Nervová synchronizace ve stochastické rezonanci, pozornosti a vědomí“. Může J Exp Psychol. 60 (4): 319–26. doi:10.1037 / cjep2006029. PMID 17285879.
- ^ Melloni L, Molina C, Pena M, Torres D, Singer W, Rodriguez E (březen 2007). „Synchronizace nervové aktivity napříč kortikálními oblastmi koreluje s vědomým vnímáním“. J. Neurosci. 27 (11): 2858–65. doi:10.1523 / JNEUROSCI.4623-06.2007. PMC 6672558. PMID 17360907.
Konečný důkaz role neurální koherence ve vědomí?
- ^ Buchin, Anatoly; Rieubland, Sarah; Häusser, Michael; Gutkin, Boris S .; Roth, Arnd (19. srpna 2016). „Inverzní stochastická rezonance v buňkách mozečku Purkyňova“. PLOS výpočetní biologie. 12 (8): e1005000. Bibcode:2016PLSCB..12E5000B. doi:10,1371 / journal.pcbi.1005000. PMC 4991839. PMID 27541958.
- ^ Paydarfar, D .; Forger, D. B .; Clay, J. R. (9. srpna 2006). „Hlučné vstupy a indukce chování při sepnutí při zapnutí u neuronového kardiostimulátoru“. Journal of Neurophysiology. 96 (6): 3338–3348. doi:10.1152 / jn.00486.2006. PMID 16956993. S2CID 10035457.
- ^ E. Sejdić, L. A. Lipsitz, „Nutnost hluku ve fyziologii a medicíně“ Počítačové metody a programy v biomedicíně, sv. 111, č. 2, s. 459-470, srpen 2013.
- ^ Gammaitoni L, Hänggi P, Jung P, Marchesoni F (1998). „Stochastická rezonance“ (PDF). Recenze moderní fyziky. 70 (1): 223–87. Bibcode:1998RvMP ... 70..223G. doi:10.1103 / RevModPhys.70.223.
- ^ Gammaitoni L (1995). „Stochastická rezonance a efekt rozkladu v prahových fyzických systémech“ (PDF). Phys. Rev.. 52 (5): 4691–8. Bibcode:1995PhRvE..52,4691G. doi:10.1103 / PhysRevE.52.4691. PMID 9963964.
- ^ Palonpon A, Amistoso J, Holdsworth J, Garcia W, Saloma C (1998). "Měření slabých propustností stochastickou rezonancí". Optická písmena. 23 (18): 1480–2. Bibcode:1998OptL ... 23.1480P. doi:10,1364 / OL.23.001480. PMID 18091823.
Bibliografie
- McDonnell MD, a Abbott D (2009). „Co je to stochastická rezonance? Definice, mylné představy, debaty a její význam pro biologii“. PLOS výpočetní biologie. 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). „Stochastická rezonance: pozoruhodný nápad, který změnil naše vnímání hluku“ (PDF). Evropský fyzický deník B. 69 (1): 1–3. Bibcode:2009EPJB ... 69 .... 1G. doi:10.1140 / epjb / e2009-00163-x. S2CID 123073615.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
- Hänggi P (Březen 2002). „Stochastická rezonance v biologii. Jak může hluk zlepšit detekci slabých signálů a pomoci zlepšit zpracování biologických informací?“ (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). "Zvyšování šumu pro zlepšení výkonu při optimálním zpracování". Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment. 2009 (1): P01003. Bibcode:2009JSMTE..01..003C. doi:10.1088 / 1742-5468 / 2009/01 / P01003.
- J.C. Comte; et al. (2003). "Stochastická rezonance: další způsob, jak načíst podprahová digitální data". Fyzikální písmena A. 309 (1): 39–43. Bibcode:2003PhLA..309 ... 39C. doi:10.1016 / S0375-9601 (03) 00166-X.
- Moss F, Ward LM, Sannita WG (únor 2004). "Stochastická rezonance a zpracování smyslových informací: výukový program a kontrola aplikace". Clin Neurophysiol. 115 (2): 267–81. doi:10.1016 / j.clinph.2003.09.014. PMID 14744566. S2CID 4141064.
- Wiesenfeld K, Moss F (leden 1995). „Stochastická rezonance a výhody hluku: od doby ledové po raky a SQUIDY“. Příroda. 373 (6509): 33–6. Bibcode:1995 Natur.373 ... 33 W.. doi:10.1038 / 373033a0. PMID 7800036. S2CID 4287929.
- Bulsara A, Gammaitoni L (1996). „Naladění na hluk“ (PDF). Fyzika dnes. 49 (3): 39–45. Bibcode:1996PhT .... 49c..39B. doi:10.1063/1.881491.
- F. Chapeau-Blondeau; D. Rousseau (2002). „Vylepšení šumu ve stochastické rezonanci: Od zesílení signálu k optimální detekci“. Výkyvy a písmena hluku. 2 (3): L221 – L233. doi:10.1142 / S0219477502000798. S2CID 47951856.
- Priplata AA, Patritti BL, Niemi JB a kol. (Leden 2006). „Kontrola rovnováhy se zvýšeným hlukem u pacientů s diabetem a pacientů s cévní mozkovou příhodou“. Ann. Neurol. 59 (1): 4–12. doi:10.1002 / ana.20670. PMID 16287079. S2CID 3140340.
- Peter Hänggi; Peter Talkner; Michal Borkovec (1990). „Teorie reakční rychlosti: padesát let po Kramersovi“. Recenze moderní fyziky. 62 (2): 251–341. Bibcode:1990RvMP ... 62..251H. doi:10.1103 / RevModPhys.62.251. S2CID 122573991.
- Hannes Risken Fokker-Planckova rovnice, 2. vydání, Springer, 1989
Bibliografie pro nadprahovou stochastickou rezonanci
- N. G. Zásoby „Nadprahová stochastická rezonance ve víceúrovňových prahových systémech,“ Dopisy o fyzické kontrole, 84, str. 2310–2313, 2000.
- M. D. McDonnell, D. Abbott, a C. E. M. Pearce, "Analýza přenosu informací se zvýšeným hlukem v řadě komparátorů," Deník mikroelektroniky 33, str. 1079–1089, 2002.
- M. D. McDonnell a N. G. Zásoby „Nadprahová stochastická rezonance,“ Scholarpedia 4, Článek č. 6508, 2009.
- M. D. McDonnell, N. G. Zásoby, C. E. M. Pearce, D. Abbott, Stochastická rezonance: Od nadprahové stochastické rezonance ke kvantifikaci stochastického signálu, Cambridge University Press, 2008.
- F. Chapeau-Blondeau; D. Rousseau (2004). "Vylepšení šumem v paralelních polích senzorů s výkonově zákonnými charakteristikami". Fyzický přehled E. 70 (6): 060101. Bibcode:2004PhRvE..70f0101C. doi:10.1103 / PhysRevE.70.060101. PMID 15697330. S2CID 30684643.
externí odkazy
- „Stochastická rezonance“. Scholarpedia.
- Scholar Google profil na stochastické rezonanci
- Harry JD, Niemi JB, Priplata AA, Collins JJ (duben 2005). „Balancing Act“. IEEE Spectrum. 42 (4): 36–41. doi:10.1109 / MSPEC.2005.1413729. S2CID 18576276.
- Newsweek Být nepořádek doma i v zahraniční politice může mít své vlastní výhody Vyvolány 3 Jan 2011
- Konference o stochastické rezonanci 1998–2008 deset let nepřetržitého růstu. 17. - 21. srpna 2008, Perugia (Itálie)
- Stochastická rezonance - Od nadprahové stochastické rezonance ke kvantifikaci stochastických signálů (kniha)
- Recenze nadprahové stochastické rezonance
- TAK JAKO. Samardak, A. Nogaret, N. B. Janson, A. G. Balanov, I. Farrer a D. A. Ritchie. „Noise-Controlled Signal Transmission in a Multithread Semiconductor Neuron“ // Fyz. Rev. Lett. 102 (2009) 226802, [1]