Кіріспе

Ақ шуды пайдалана отырып сигналды күшейту құбылысы. Стохастикалық резонанс (SR) – бұл сенсормен әдетте анықтауға тым әлсіз сигналдың, кең спектрлі жиіліктерді қамтитын ақ шуды қосу арқылы күшейтілуі мүмкін болатын құбылыс. Ақ шудың бастапқы сигналдың жиіліктерімен сәйкес келетін жиіліктері бір-бірімен резонансқа түсіп, бастапқы сигналды күшейтеді, бірақ ақ шудың қалған бөлігін күшейтпейді, осылайша сигнал-шу қатынасы артады, нәтижесінде бастапқы сигнал жақсырақ көрінеді. Бұдан әрі, қосылған ақ шу сенсор анықтай алатындай жеткілікті болуы мүмкін, содан кейін оны сүзіп, бұрын анықталмаған бастапқы сигналды тиімді анықтауға болады. Ақ шумен резонанс арқылы анықталмайтын сигналдарды күшейту құбылысы электромагниттік, физикалық немесе биологиялық жүйелерге де қатысты және зерттеудің белсенді саласы болып табылады. Стохастикалық резонанс алғаш рет 1981 жылы итальян физиктері Роберто Бенци, Альфонсо Сутера және Анджело Вулпиани ұсынған, ал олардың ұсынған алғашқы қолданылуы (Джорджо Паризимен бірге) климат динамикасы саласында болды.

Техникалық сипаттама

Стохастикалық резонанс (СР) жүйеге қосылған шудың жүйе мінез-құлқын өзгертетіні байқалғанда туындайды. Техникалық тұрғыдан алғанда, SR – сызықтық емес жүйенің немесе құрылғының сигнал-шу арақатынасы шу интенсивтілігінің орташа деңгейінде артатын жағдай. Бұл көбінесе бистабильді жүйелерде, сенсорлық шектік мәні бар жүйелерде және жүйеге түсетін сигнал шектік мәннен төмен («sub threshold») болғанда кездеседі. Шу интенсивтілігі төмен болса, сигнал құрылғыны шектік мәннен өтуге итермейді, сондықтан аз сигнал өткізіледі. Шу интенсивтілігі жоғары болса, шығыс сигнал шумен басылады, нәтижесінде сигнал-шу арақатынасы төмендейді. Орташа интенсивтілікте шу сигналдың шектік мәнге жетуіне мүмкіндік береді, бірақ шудың күші сигналды жоғалтуға жеткілікті емес. Осылайша, сигнал-шу арақатынасының шу интенсивтілігіне тәуелді графигінде максимум пайда болады. Қатаң айтқанда, стохастикалық резонанс бистабильді жүйелерде, кішкентай периодты (синусоидты) күш, үлкен кең спектрлі стохастикалық күшпен (шумен) бірге қолданылғанда пайда болады. Жүйенің жауабы екі тұрақты күй арасында ауысуға итермелейтін екі күштің өзара әрекеттесуімен басқарылады. Реттілік дәрежесі жүйелік жауаптағы периодты функцияның мөлшерімен байланысты. Егер периодты күш жүйенің жауабын өзгертуге жеткілікті емес болса, оның пайда болуы үшін шудың болуы қажет. Шу аз болса, ауысулар өте сирек болады, көбінесе кездейсоқ түрде және жүйелік жауапта маңызды периодтылық байқалмайды. Шу өте күшті болса, синусоидтың әрбір периоды үшін көптеген ауысулар орын алады, ал жүйелік жауап айқын периодтылықты көрсетпейді. Осы екі жағдайдың арасында шудың оңтайлы мәні бар, ол периодты күшпен бірлесіп, әр периодта шамамен бір ауысу жасауға (сигнал-шу арақатынасының максимумы) мүмкіндік береді. Мұндай жағдай екі уақыт өлшемінің сәйкестігімен анықталады: синусоидтың периоды (детерминистік уақыт өлшемі) және Крамерс жылдамдығы (яғни, тек шудың әсерінен туындаған орташа ауысу жылдамдығы: стохастикалық уақыт өлшемінің кері шамасы). Стохастикалық резонанс 1981 жылы мұз дәуірлерінің периодты қайталануын түсіндіру үшін алғаш рет ашылды және ұсынылды. Содан бері осы принциптің қолданылуы кеңейді. Қазіргі таңдағы стохастикалық резонанс жүйелік жауаптың реттілігін арттыру үшін шу мен сызықтық емес факторлардың бірлескен әсерінен туындайтын жағдайларда қолданылады.

Төменгі шектен жоғары

Строгомерден жоғары стохастикалық резонанс – стохастикалық резонанстың нақты бір түрі. Онда кездейсоқ ауытқулар немесе шу, сызықтық емес жүйеде сигналды өңдеуге көмектеседі. Стохастикалық резонанс пайда болатын көптеген сызықтық емес жүйелерден өзгеше, строгомерден жоғары стохастикалық резонанс, кіріс сигналына қарағанда ауытқулардың күші аз болғанда немесе тіпті кездейсоқ шу үшін де аз болғанда пайда болады. Ол шекті сигналмен ғана шектелмейді, сондықтан осылай аталады.

Нейробиологиялық ғылымдар, психология және биология

Стохастикалық резонанс бірнеше организмдердің сезім жүйелерінің жүйке тіндерінде байқалды. Есептеу жүйесінде нейрондар өңдеудегі сызықтық емес қасиеттерінің арқасында SR көрсетеді. SR биологиялық жүйелерде әлі толыққанды түсіндірілмеген, бірақ мидағы нейрондық синхронизация (әсіресе гамма толқыны жиілігінде) "белгісіз" визуалды сезімді зерттеген ғалымдар тарапынан SR үшін мүмкін нервтік механизм ретінде ұсынылған. Мишақшаның Пуркинье жасушалары және кальмардың алып аксоны сияқты in vitro жағдайындағы жеке нейрондар да белгілі бір дисперсиядағы синаптық шу арқылы импульстіқ белсенділік тежелген кезде кері стохастикалық резонанс көрсете алады.

Медицина

SR негізделген әдістер қарт адамдарға, диабетикалық нейропатиясы немесе инсультпен ауыратын науқастарға арналған, сенсорлық және моторлық функцияларды жақсартатын, мысалы, дірілдейтін табандар сияқты медициналық құрылғылардың жаңа класын жасау үшін қолданылды. Стохастикалық резонанс туралы толық мәліметтерді «Заманауи физика шолуы» мақаласынан таба аласыз. Стохастикалық резонанс бейнелеу өңдеу саласында маңызды қолданысқа ие.

Сигналдарды талдау

Осыған байланысты құбылыс – аналогтық сигналдарға аналогтан цифрлыққа түрлендіру алдында қолданылатын дірілдеу. Стохастикалық резонанс аспаптың анықтау шегінен төменгі өткізу амплитудаларын өлшеу үшін пайдаланылуы мүмкін. Егер гаусс шуы төңкерілген (яғни өлшенбейтін) сигналға қосылса, оны анықтамалы аймаққа жеткізуге болады. Анықтаудан кейін шу алынып тасталады. Анықтау шегін төрт есе жақсартуға болады.

Стокстатикалық резонанстың шегінен жоғары библиографиясы

Н. Г. Стокc, "Көп деңгейлі шегі бар жүйелердегі шектен тыс стохастикалық резонанс", Physical Review Letters, 84, бб. 2310–2313, 2000 ж. М. Д. МакДоннелл, Д. Эбботт және С. Э. М. Пирс, "Бейнелеушілер массивіндегі шу арқылы күшейтілген ақпарат таратуды талдау", Microelectronics Journal 33, бб. 1079–1089, 2002 ж. М. Д. МакДоннелл және Н. Г. Стокc, "Шектен жоғары стохастикалық резонанс", Scholarpedia 4, Мақала № 6508, 2009 ж. М. Д. МакДоннелл, Н. Г. Стокc, С. Э. М. Пирс, Д. Эбботт, Стохастикалық резонанс: шектен жоғары стохастикалық резонанстан стохастикалық сигналдың квантталуына дейін, Кембридж университетінің баспасы, 2008.