Ressonância estocástica - Stochastic resonance

A ressonância estocástica ( SR ) é um fenômeno no qual um sinal que normalmente é muito fraco para ser detectado por um sensor, pode ser aumentado adicionando ruído branco ao sinal, que contém um amplo espectro de frequências. As frequências no ruído branco correspondentes às frequências do sinal original ressoarão umas com as outras, amplificando o sinal original, mas não amplificando o resto do ruído branco - aumentando assim a relação sinal-ruído , o que torna o sinal original mais proeminente. Além disso, o ruído branco adicionado pode ser suficiente para ser detectado pelo sensor, que pode então filtrá-lo para detectar efetivamente o sinal original, anteriormente indetectável.

Este fenômeno de aumentar sinais indetectáveis ​​por ressonância com ruído branco adicionado se estende a muitos outros sistemas - sejam eletromagnéticos, físicos ou biológicos - e é uma área ativa de pesquisa.

Descrição técnica

A ressonância estocástica (SR) é observada quando o ruído adicionado a um sistema altera o comportamento do sistema de alguma forma. Mais tecnicamente, a SR ocorre se a relação sinal-ruído de um sistema ou dispositivo não linear aumenta para valores moderados de intensidade de ruído . Frequentemente ocorre em sistemas biestáveis ou em sistemas com um limiar sensorial e quando o sinal de entrada para o sistema é "sublimiar". Para intensidades de ruído mais baixas, o sinal não faz com que o dispositivo ultrapasse o limiar, portanto, pouco sinal passa por ele. Para grandes intensidades de ruído, a saída é dominada pelo ruído, também levando a uma baixa relação sinal-ruído. Para intensidades moderadas, o ruído permite que o sinal atinja o limiar, mas a intensidade do ruído não é tão grande a ponto de sufocá-lo. Assim, um gráfico da relação sinal-ruído em função da intensidade do ruído contém um pico.

A rigor, a ressonância estocástica ocorre em sistemas biestáveis, quando uma pequena força periódica ( sinusoidal ) é aplicada junto com uma grande força estocástica de banda larga (ruído). A resposta do sistema é impulsionada pela combinação das duas forças que competem / cooperam para fazer o sistema alternar entre os dois estados estáveis. O grau de ordem está relacionado à quantidade de funções periódicas que ele mostra na resposta do sistema. Quando a força periódica é escolhida pequena o suficiente para não fazer com que a resposta do sistema comute, a presença de um ruído não desprezível é necessária para que isso aconteça. Quando o ruído é pequeno, muito poucas mudanças ocorrem, principalmente ao acaso, sem periodicidade significativa na resposta do sistema. Quando o ruído é muito forte, um grande número de mudanças ocorre para cada período da sinusóide, e a resposta do sistema não mostra periodicidade notável. Entre essas duas condições, existe um valor ótimo do ruído que concorre cooperativamente com o forçamento periódico para fazer quase exatamente uma troca por período (um máximo na relação sinal-ruído).

Tal condição favorável é determinada quantitativamente pelo casamento de duas escalas de tempo: o período da sinusóide (a escala de tempo determinística) e a taxa de Kramers (ou seja, a taxa de mudança média induzida pelo único ruído: o inverso da escala de tempo estocástica) . Daí o termo "ressonância estocástica".

A ressonância estocástica foi descoberta e proposta pela primeira vez em 1981 para explicar a recorrência periódica das eras glaciais. Desde então, o mesmo princípio foi aplicado em uma ampla variedade de sistemas. Hoje em dia a ressonância estocástica é comumente invocada quando ruído e não linearidade concorrem para determinar um aumento de ordem na resposta do sistema.

Suprathreshold

A ressonância estocástica suprarlimiar é uma forma particular de ressonância estocástica, na qual flutuações aleatórias , ou ruído, fornecem um benefício de processamento de sinal em um sistema não linear . Ao contrário da maioria dos sistemas não lineares nos quais ocorre a ressonância estocástica, a ressonância estocástica supralimiar ocorre quando a intensidade das flutuações é pequena em relação a de um sinal de entrada, ou mesmo pequena para ruído aleatório . Não está restrito a um sinal de sublimiar, daí o qualificador.

Neurociência, psicologia e biologia

Artigo principal: Ressonância estocástica (neurobiologia sensorial)

A ressonância estocástica foi observada no tecido neural dos sistemas sensoriais de vários organismos. Computacionalmente, os neurônios exibem RS devido às não linearidades em seu processamento. A SR ainda não foi totalmente explicada nos sistemas biológicos, mas a sincronia neural no cérebro (especificamente na frequência da onda gama ) foi sugerida como um possível mecanismo neural para a SR por pesquisadores que investigaram a percepção da sensação visual "subconsciente". Neurônios únicos in vitro, incluindo células de Purkinje cerebelares e axônio gigante de lula, também podem demonstrar a ressonância estocástica inversa, quando o spiking é inibido pelo ruído sináptico de uma variação particular.

Medicina

Técnicas baseadas em SR têm sido usadas para criar uma nova classe de dispositivos médicos para melhorar as funções sensoriais e motoras, como palmilhas vibratórias especialmente para idosos ou pacientes com neuropatia diabética ou acidente vascular cerebral.

Veja o artigo Review of Modern Physics para uma visão abrangente da ressonância estocástica.

A ressonância estocástica encontrou uma aplicação notável no campo do processamento de imagens.

Análise de sinal

Um fenômeno relacionado é o pontilhamento aplicado aos sinais analógicos antes da conversão analógica para digital . A ressonância estocástica pode ser usada para medir as amplitudes de transmitância abaixo do limite de detecção de um instrumento. Se o ruído gaussiano for adicionado a um sinal de subliminar (ou seja, incomensurável), ele pode ser levado a uma região detectável. Após a detecção, o ruído é removido. Uma melhoria de quatro vezes no limite de detecção pode ser obtida.

Veja também

Referências

Bibliografia

Bibliografia para ressonância estocástica supralimiar

links externos