Stokastik rezonans - Stochastic resonance

Stokastik rezonans ( SR ), normalde bir sensör tarafından algılanamayacak kadar zayıf olan bir sinyalin, geniş bir frekans spektrumu içeren sinyale beyaz gürültü eklenerek güçlendirilebildiği bir olgudur . Beyaz gürültüdeki orijinal sinyalin frekanslarına karşılık gelen frekanslar birbirleriyle rezonansa girecek ve beyaz gürültünün geri kalanını yükseltmeden orijinal sinyali güçlendirecek ve böylece orijinal sinyali daha belirgin hale getiren sinyal -gürültü oranını artıracaktır . Ayrıca, eklenen beyaz gürültü, daha önce tespit edilemeyen orijinal sinyali etkili bir şekilde algılamak için daha sonra filtreleyebilen sensör tarafından algılanabilmesi için yeterli olabilir.

Eklenen beyaz gürültü ile rezonansa girerek tespit edilemeyen sinyalleri artırma olgusu, elektromanyetik, fiziksel veya biyolojik birçok başka sisteme uzanır ve aktif bir araştırma alanıdır.

Teknik Açıklama

Bir sisteme eklenen gürültü sistemin davranışını bir şekilde değiştirdiğinde stokastik rezonans (SR) gözlemlenir. Daha teknik, SR oluşursa , sinyal-gürültü oranı bir ait lineer olmayan orta değerleri için sistem ya da aygıt artar gürültü yoğunluğu . Genellikle iki durumlu sistemlerde veya duyusal eşiği olan sistemlerde ve sisteme giriş sinyali "eşik altı" olduğunda ortaya çıkar. Daha düşük gürültü yoğunlukları için sinyal, cihazın eşiği geçmesine neden olmaz, bu nedenle üzerinden çok az sinyal geçer. Büyük gürültü yoğunlukları için, çıkışa gürültü hakimdir ve bu da düşük bir sinyal-gürültü oranına yol açar. Orta şiddette gürültü, sinyalin eşiğe ulaşmasına izin verir, ancak gürültü yoğunluğu, onu silip süpürecek kadar büyük değildir. Bu nedenle, gürültü yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak sinyal-gürültü oranının bir grafiği bir tepe içerir.

Kesin olarak söylemek gerekirse, stokastik rezonans, küçük bir periyodik ( sinüzoidal ) kuvvet ile birlikte geniş bir geniş bant stokastik kuvvet (gürültü) uygulandığında , iki durumlu sistemlerde meydana gelir . Sistem yanıtı, sistemin iki kararlı durum arasında geçiş yapmasını sağlamak için rekabet eden/işbirliği yapan iki kuvvetin kombinasyonu tarafından yönlendirilir. Sıra derecesi , sistem yanıtında gösterdiği periyodik fonksiyonun miktarı ile ilgilidir . Periyodik kuvvet, sistem yanıtını değiştirmemek için yeterince küçük seçildiğinde, bunun gerçekleşmesi için ihmal edilemez bir gürültünün varlığı gereklidir. Gürültü küçük olduğunda, sistem yanıtında önemli bir periyodiklik olmaksızın, çoğunlukla rastgele olmak üzere çok az sayıda anahtar meydana gelir. Gürültü çok güçlü olduğunda, sinüzoidin her periyodu için çok sayıda anahtar meydana gelir ve sistem yanıtı dikkate değer bir periyodiklik göstermez. Bu iki koşul arasında, periyot başına neredeyse tam olarak bir geçiş yapmak için periyodik zorlama ile işbirliği içinde olan gürültünün optimal bir değeri vardır (sinyal-gürültü oranında bir maksimum).

Böyle uygun bir koşul, iki zaman ölçeğinin eşleştirilmesiyle nicel olarak belirlenir: sinüzoid periyodu (deterministik zaman ölçeği) ve Kramers hızı (yani, tek gürültünün neden olduğu ortalama geçiş hızı: stokastik zaman ölçeğinin tersi) . Dolayısıyla "stokastik rezonans" terimi.

Stokastik rezonans, buzul çağlarının periyodik tekrarını açıklamak için ilk kez 1981'de keşfedildi ve önerildi . O zamandan beri, aynı prensip çok çeşitli sistemlerde uygulanmıştır. Günümüzde stokastik rezonans, sistem yanıtındaki bir düzen artışını belirlemek için gürültü ve doğrusal olmama birleştiğinde yaygın olarak çağrılır.

Eşik üstü

Eşik üstü stokastik rezonans, rastgele dalgalanmaların veya gürültünün doğrusal olmayan bir sistemde sinyal işleme avantajı sağladığı belirli bir stokastik rezonans şeklidir . Stokastik rezonansın meydana geldiği doğrusal olmayan sistemlerin çoğundan farklı olarak, eşik üstü stokastik rezonans, dalgalanmaların gücü bir giriş sinyalininkine göre küçük veya rastgele gürültü için bile küçük olduğunda meydana gelir . Bir alt eşik sinyali ile sınırlı değildir, dolayısıyla niteleyicidir.

Sinirbilim, psikoloji ve biyoloji

Çeşitli organizmaların duyu sistemlerinin sinir dokusunda stokastik rezonans gözlemlenmiştir. Hesaplamalı olarak, nöronlar, işlemlerinde doğrusal olmamalarından dolayı SR sergilerler. SR henüz biyolojik sistemlerde tam olarak açıklanmamıştır, ancak beyindeki nöral senkronizasyon (özellikle gama dalga frekansında), "bilinçaltı" görsel duyum algısını araştıran araştırmacılar tarafından SR için olası bir sinir mekanizması olarak öne sürülmüştür. Serebellar Purkinje hücreleri ve kalamar dev aksonu dahil olmak üzere in vitro tek nöronlar , yükselme belirli bir varyansın sinaptik gürültüsü tarafından engellendiğinde ters stokastik rezonansı da gösterebilir .

İlaç

SR tabanlı teknikler, özellikle yaşlılar veya diyabetik nöropati veya felçli hastalar için titreşimli tabanlık gibi duyusal ve motor işlevleri geliştirmek için yeni bir tıbbi cihaz sınıfı oluşturmak için kullanılmıştır .

Bkz Modern Fizik Gözden stokastik rezonans kapsamlı bir bakış için makale.

Stokastik Rezonans, görüntü işleme alanında kayda değer bir uygulama bulmuştur.

sinyal analizi

İlgili bir fenomen, analogdan dijitale dönüştürmeden önce analog sinyallere uygulanan titremedir . Stokastik rezonans, bir cihazın algılama sınırının altındaki geçirgenlik genliklerini ölçmek için kullanılabilir. Eğer Gauss gürültü bir eşik altı ilave edilir (diğer bir deyişle, ölçülemez) sinyali, o zaman tespit edilebilir bir bölgesi içine getirilebilir. Algılamadan sonra gürültü giderilir. Tespit sınırında dört kat iyileştirme elde edilebilir.

Ayrıca bakınız

• Karşılıklı tutarlılık (doğrusal cebir)
• Sinyal algılama teorisi
• Stokastik rezonans (duyusal nörobiyoloji)

Referanslar

bibliyografya

• McDonnell MD ve Abbott D (2009). "Stokastik Rezonans Nedir? Tanımlar, kavram yanılgıları, tartışmalar ve biyoloji ile ilgisi" . PLOS Hesaplamalı Biyoloji . 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). "Stokastik Rezonans: Gürültü algımızı değiştiren olağanüstü bir fikir" (PDF) . Avrupa Fiziksel Dergisi B . 69 (1): 1-3. Bibcode : 2009EPJB...69....1G . doi : 10.1140/epjb/e2009-00163-x . S2CID  123073615 .CS1 bakımı: birden çok ad: yazar listesi ( bağlantı )
• Hänggi P (Mart 2002). "Biyolojide stokastik rezonans. Gürültü, zayıf sinyallerin algılanmasını nasıl geliştirebilir ve biyolojik bilgi işlemeyi geliştirmeye yardımcı olabilir" (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). "Optimum işlemede performansı artırmak için gürültüyü yükseltmek". İstatistiksel Mekanik Dergisi: Teori ve Deney . 2009 (1): P01003. Bibcode : 2009JSMTE..01..003C . doi : 10.1088/1742-5468/2009/01/P01003 .
• JC Comte; ve diğerleri (2003). "Stokastik rezonans: eşik altı dijital verileri almanın başka bir yolu". Fizik Harfleri A . 309 (1): 39-43. Bibcode : 2003PhLA..309...39C . doi : 10.1016/S0375-9601(03)00166-X .
• Moss F, Ward LM, Sannita WG (Şubat 2004). "Stokastik rezonans ve duyusal bilgi işleme: bir eğitim ve uygulama incelemesi". Klinik Nörofizyol . 115 (2): 267-81. doi : 10.1016/j.clinph.2003.09.014 . PMID  14744566 . S2CID  4141064 .
• Wiesenfeld K, Moss F (Ocak 1995). "Stokastik rezonans ve gürültünün faydaları: buz çağlarından kerevitlere ve kalamarlara". Doğa . 373 (6509): 33–6. Bibcode : 1995Natur.373...33W . doi : 10.1038/373033a0 . PMID  7800036 . S2CID  4287929 .
• Bulsara A , Gammaitoni L (1996). "Gürültüye uyum sağlama" (PDF) . Fizik Bugün . 49 (3): 39-45. Bibcode : 1996PhT....49c..39B . doi : 10.1063/1.881491 .
• F. Chapeau-Blondeau; D. Rousseau (2002). "Stokastik rezonansta gürültü iyileştirmeleri: Sinyal amplifikasyonundan optimal algılamaya" . Dalgalanma ve Gürültü Harfleri . 2 (3): L221–L233. doi : 10.1142/S0219477502000798 . S2CID  47951856 .
• Priplata AA, Patritti BL, Niemi JB, et al. (Ocak 2006). "Diyabetli hastalarda ve felçli hastalarda gürültü artırılmış denge kontrolü" . Anne. Nörol . 59 (1): 4–12. doi : 10.1002/ana.20670 . PMID  16287079 . S2CID  3140340 .
• Peter Hanggi; Peter Talkner; Michal Borkovec (1990). "Reaksiyon hızı teorisi: Kramers'den elli yıl sonra" . Modern Fizik İncelemeleri . 62 (2): 251–341. Bibcode : 1990RvMP...62..251H . doi : 10.1103/RevModPhys.62.251 . S2CID  122573991 .
• Hannes Risken Fokker-Planck Denklemi , 2. baskı, Springer, 1989

Eşik üstü stokastik rezonans için kaynakça

• NG Stocks , "Çok düzeyli eşik sistemlerinde eşik üstü stokastik rezonans," Physical Review Letters, 84 , s. 2310–2313, 2000.
• MD McDonnell , D. Abbott ve CEM Pearce , "Bir dizi karşılaştırıcıda gürültüyle güçlendirilmiş bilgi iletiminin analizi", Microelectronics Journal 33 , s. 1079–1089, 2002.
• MD McDonnell ve NG Stocks , "Eşik üstü stokastik rezonans", Scholarpedia 4 , Makale No. 6508, 2009.
• MD McDonnell , NG Stocks , CEM Pearce , D. Abbott , Stokastik Rezonans: Eşik Üstü Stokastik Rezonanstan Stokastik Sinyal Kuantizasyonuna , Cambridge University Press, 2008.
• F. Chapeau-Blondeau; D. Rousseau (2004). "Güç yasası özelliklerine sahip paralel sensör dizilerinde gürültü ile iyileştirme" . Fiziksel İnceleme E . 70 (6): 060101. Bibcode : 2004PhRvE..70f0101C . doi : 10.1103/PhysRevE.70.060101 . PMID  15697330 . S2CID  30684643 .

Dış bağlantılar

• "Stokastik rezonans" . Scholarpedia .
• Stokastik rezonansla ilgili bilgin Google profili
• Harry JD, Niemi JB, Priplata AA, Collins JJ (Nisan 2005). "Dengeleme Yasası" . IEEE Spektrumu . 42 (4): 36–41. doi : 10.1109/MSPEC.2005.1413729 . S2CID  18576276 .
• Newsweek Hem içeride hem de dış politikada dağınık olmanın kendine göre avantajları olabilir Erişim tarihi 3 Ocak 2011
• Stokastik Rezonans Konferansı 1998–2008 on yıllık sürekli büyüme. 17-21 Ağustos 2008, Perugia (İtalya)
• Stokastik Rezonans - Eşik Üstü Stokastik Rezonanstan Stokastik Sinyal Niceleme (kitap)
• Eşik Üstü Stokastik Rezonansın Gözden Geçirilmesi
• AS Samardak, A. Nogaret, NB Janson, AG Balanov, I. Farrer ve DA Ritchie. "Çok İş parçacıklı Yarı İletken Nöronda Gürültü Kontrollü Sinyal İletimi" // Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 226802, [1]