随机共振理论及其应用发展研究

0概述
1981年,意大利物理学家RobertoBenzi 等人在研究古气象冰川问题时,首先提出了随机共振[1]的概念,圆满解释了古气象中冰川期和暖和期以大约10万年为周期交替出现的现象。

在过去的70万年中地球环境的周期性变化时的研究发现,地球围绕太阳转动变化的周期也大约为10万年,这显示出太阳对地球施加了周期性变化的信号,由于该周期信号非常之小,不足以导致气候在冷暖状态的大幅度变迁。

Benzi 等人据此提出了一种气候模型,认为地球所处的非线性的环境条件可使地球处于冷态或暖态两种状态,在地球所受的噪声(如:太阳常数的无规律变化等)作用下,太阳施加的周期信号,致使地球的古气象气候在冷暖两态间发生了大幅度的周期变动。

这种当噪声和弱信号输入一个非线性系统时,在某个非零的噪声强度上,系统对输入信号的响应将达最优的现象被称为随机共振。

这便是最初的随机共振理论模型。

1随机共振理论分类
随着研究的不断深入,越来越多的随机共振理论被学者所提出。

1.1经典随机共振理论
经典随机共振理论是针对双稳态随机共振系统所提出的,主要包括绝热近似理论、线性响应理论、驻留时间分布理论和本征值理论或弗洛克理论。

而在随机共振机制的研究中,双稳态系统则是最常用的非线性系统,朗之万方程由于具有简洁的表达方式和典型的动力学特性,成为较为理想的研究对象。

由朗之万方程[2]描述的双稳态系统模型如式来描述,相应地,系统势函数表示为:
U (x )=-12a (x )2+14
b (x )2
-x ·f (t )+ζ(t )()
由势函数描述的朗之万方程为:dx dt =-dU (x )dx
势函数u(x)描述了由两个势阱和一个势垒所组成的双稳态系统,即当输入信号幅值和噪声强度为零时,系统存在两个对称的势阱,分别对应系统的两个稳定状态,阱底分别位于x m =±
a b
√
,系统的势垒高度为ΔU =a 2
4b。

1.2非经典随机共振理论
随着随机共振的研究方法不断更新以及研究领域的逐渐拓展,诞生了越来越多的非经典随机共振理论,主要包括:非周期随机共振理论、单稳态随机共振和多稳态随机共振、乘性随机共振、阈上值随机共振、静态随机共振理论、随机共振的调节理论和阵列随机共振理论。

由于非经典理论较多,本文不一一详细介绍。

2随机共振的应用
由于随机共振理论对噪声能量的良好应用,很多学科领域已经对随机共振展开了研究。

目前对随机共振系统的研究和应用已经涉及到物理、生物、化学、医学、电子神经网络等众多学科领域。

2.1在信息技术领域的应用
在采集处理过程中,由于系统中内噪声和外在噪声的共同作用,导致信号不可避免地受到干扰。

传统的信号处理方法通过抑制噪声来提高系统的检测性能。

此类方法在低信噪比情况下,通常能达到较好的效果。

然而,对于被强噪声污染的弱信号,噪声与有用信号的特征差异很细微,其信号消噪的能力被严重削弱,检测的效果并不理想。

随机共振理论的出现给信号处理提供了很好的依据和途径。

当噪声通过非
线性系统时,随着噪声强度的增加,输出信噪比会出现一个峰值,说明噪声的存在有助于提高非线性系统对弱信号的检测能力。

现阶段基于双稳态系统的随机共振对一维弱信号的处理研究较多,已逐渐扩展到强噪声背景下的图像增强与复原。

神经元随机共振的研究和应用也被越来越多的研究者所关注。

研究神经元随机共振与信号检测及增强之间的关系,为研究生物神经系统中信息的传递提供一定的参考。

2.2在医学上的应用
Morse [3]等人的研究表明,随机共振机制在耳蜗助听器方面的应用研究已较为成功。

用于商业的耳蜗助听器利用一组带通滤波器来模拟耳蜗神经的不同部分,通过神经刺激结构,向耳蜗的输入信号中加入噪声,利用随机共振现象,提高检测耳蜗助听器信道输出共振峰频率的能力,以增强语音信息时间的编码能力。

Rubinstein 等人认为耳听觉神经中的随机共振现象是伪随机自发行为,设计了针对耳蜗助听器的信号处理方案。

Henry 等人则在研究声音包络检测等问题。

Matsuoka 等人对动物和人体的神经细胞内噪声的相关性质进行了研究,也有助于增强耳蜗助听器的语音编码能力。

当噪声作用于神经系统时,如果噪声太小,则有用信息不会被增强放大,如果噪声太大,有用信号又会被噪声淹没。

通常情况下,只有在合适的噪声级上,才能最大限度地增强信号信息。

而且Bahar 等人的研究已经证明当周期信号作用于神经系统时,随机共振的效果和神经元间的同步性相关。

2.3在生物学上的应用
Levin 等人对蟋蟀尾部的机械性刺激感受器做了相关的研究,发现了随机共振现象;Douglas 等人认为噪声可以增强螯虾尾部的机械性刺激感受对外界刺激的感受能力,即存在随机共振现象;Bahar 等人研究表明随机共振增强了在小龙虾的传感系统中对外部微弱水信号的编码能力;Russen 等人也发现白鲟在捕食行为中充分地利用了噪声。

这些实验都证实了随机共振现象。

可见,生物体中各种神经感官能充分利用体内的噪声以及外部环境噪声来感知存在于环境噪声中的危险信号、捕食对象等有用的外部刺激信号,甚至在生物自身的病理信号检测及活动周期控制和系统平衡控制等机制中都利用了随机共非线性现象。

2.4在神经科学中的应用
单个的神经元可以简单地看作一个当输入信号超过某阈值时被激发的信号探测器,常用作于演示随机共振。

研究表明,在神经元系统中,某些噪声可以放大通过系统的信号信息。

Moss 等人研究的结果表明,随机共振现象在脑功能神经模型中普遍存在,促进了科学家在生物医学中的拓展研究。

Necker 立方体模糊图像和Haken 图像双稳视觉理解实验中模糊图像的研究已经有很长的研究过程,但并没有具体的理论解释,Riani 和Chialvo 利用随机共振的概念进行了分析,对于这种图像,观察者在观察时,将受到噪声的干扰,视觉神经的判断也给出不同的图像解释。

Kawaguchi M 研究了海马CA1区神经模型中背景噪声输入位置对信息传输的作用,仿真结果表明,在理想的噪声强度下,互信息率将达到最大值,而噪声强度则依赖于细胞和输入噪声位置之间的距离。

这些研究都表明随机共振可以提高输出信噪比,增强神经元对信号的检测能力。

3结语
随机共振是近二十几年发展起来的一个非线性系统学科分支。

当前,随机共振研究方兴未艾,尽管它的研究还处在探索阶段,它的理论还未成熟,仍处在不断发展完善阶段,尤其是随机共振的应用性实验研究刚刚起步,许多特性和演化规律有待人们去探究。

但是,它的物理特性和能把噪声变害为益的无限魅力,对随机共振的研究会给信号处理及其他应用带来巨大潜力,最终成为对科学应用(下转第122页)
随机共振理论及其应用发展研究
王新旭
(中国人民武装警察部队工程大学研究生管理大队,陕西西安710086)
【摘要】在输入信号、噪声和非线性系统的协同作用下,噪声能量可以向有用的信号能量转化,从而提高输出信号的信噪比,这种现象称为随机共振。

本文介绍了随机共振的发展及其在多领域的探究应用,综述了随机共振在工程信号处理方面的进展。

【关键词】随机共振;信号处理;能量增强
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1研究对象
体育专业大学生的体育锻炼与合理膳食情况。

2研究方法
问卷调查法。

3运动与合理膳食的研究现状
在近几年的饮食状况调查中,社会更加给予关注的是学生的运动与饮食。

社会首先从现在社会经济的飞速发展,膳食结构的巨大变化以及交通运输的方便快捷、还有信息技术的飞速发展,人们参加体力劳动的机会越来越少。

所以肥胖病、高血压、血脂稠、冠心病等系列疾病出现了,人们的健康受到了威胁。

但是社会关注的合理膳食侧重于各类社会成员,譬如婴幼儿运动与饮食安排,青少年运动营养现状与对策,中老年饮食状况与健康安排,营养组合调控对运动能力的提高等等。

在饮食与健康方面的建议与指导侧重于大众方面,社会的指导与研究涉及到了人们体育锻炼与合理膳食的方方面面。

但是大众的饮食情况一般根据自己的饮食习惯决定,而不是根据营养的需求情况来合理安排自己的饮食。

合理的营养是保持健康状态的重要物质基础。

营养缺乏或过剩,既会削弱体能,也易患各种疾病。

因此,关注自己的饮食习惯,保持合理的营养对你的健康至关重要。

需要强调的是,要想增强体能、预防疾病、增进健康,你就必须在坚持体育锻炼的同时,注意合理的营养,只重视一方面,忽视另一方面的做法是不利于健康的。

此问题存在的原因首先是社会老是把问题归结于某一社会群体的饮食情况与健康状况的现状调查与研究分析;其次是把问题归结于某一特殊群体,例如优秀运动员,举重运动员。

这种情况导致的结果或者过于宽泛,或者过于紧密;使得部分社会问题得不到解决,因为中间的群体被疏忽或者轻视,社会中现实问题得不到确切的解决。

近几年科学研究,主要是运动与饮食,运动与营养补充,运动与能力与运动营养,高校大学生运动营养现状与对策,运动营养学等方面的营养学方面。

社会成员的合理膳食不仅仅是通过合理宽泛的建议给予指导即可,更重要的是给予细致可见更重要的是现实可行的指导。

4运动后膳食情况及能量补充情况的现状调查
体育素质是一个民族旺盛生命力的体现,是社会文明进步的标志。

近几年高校的学生体质健康标准测试数据上报结果显示在校大学生的体质状况呈现逐年下降的趋势。

健康的体质是由合理膳食、体育锻炼和充足的睡眠合理搭配为前提的。

体质状况的下降与这三方面的安排合理与否关系密切。

像现在的体育专业大学生对体育锻炼与合理膳食、体育营养学、运动营养学、运动时间营养学,中国饮食宝塔、运动营养食品的现状、营养组合调控等方面知识了解很少。

即使是体育专业的学生对这些知识的了解也是很少,更为明显的是即使了解营养学与饮食方面知识的学生也不会完全按照营养所需搭配自己的膳食。

上述表现仅仅是在平常的生活里中,大部分的大学生是这样表现。

对于掌握运动营养学与体育营养学的体育专业大学生来说他们更加详细的了解体育锻炼与合理膳食的关系。

优秀运动员营养学与运动时间营养学详细的介绍了运动员在比赛前期、中期以及后期的营养补充情况,各种不同运动项目、不同体质的运动员在训练及比赛过程中的营养补充情况;还详细介绍了神经系统、消化系统、呼吸系统等系统及中枢神经系统生物节律、人体内分泌节律、人类摄食的生物节律等节律与运动过程中营养补充的详细情况。

体育专业大学生对体育与饮食的知识掌握情况要高于其他专业的学生,并且体育专业生参加体育锻炼的机会更要多一些。

他们可以在生活中更好地安排体育锻炼与合理膳食,以达到更好地把握实践体育锻炼与合理膳食的关系,把所学的知识投入到体育实践中。

但是当今大学生貌似只是在理论上学习相关的体育与膳食关系,并没有把所学知识真正的运用到现实生活中。

很多大学生仅仅是根据自己的饮食习惯,在锻炼前中后都没有做出相应的饮食调节,在整个锻炼的过程中增加的物质只有水,其他营养物质基本上处于只流失不补充的状态下。

仅仅有少数学生根据自己所学知识合理的安排自己的饮食,做到各种营养物质的合理搭配。

5小结
体育锻炼是为了拥有一个健康的体魄,为自己未来的事业打下坚实的基础。

但是一个健康的体魄需要合理的锻炼、饮食与睡眠安排才可实现。

人就像是一部自我控制的机器,操控的是自己本身,维修与护理的同样是自己本身。

体育专业大学生应该在日常生活中充分运用所学的营养学知识,与体育锻炼充分的结合起来。

因为体育锻炼过程中机体是以一个整体参与到运动的过程中,所以我们在体育锻炼过程中不能仅仅追求外在美,而忽视了内在的健康。

合理膳食为我们提供的不仅仅是塑造美好身型营养物质,更重要是提供了维持机体内外环境稳定同时提高运动能力的营养物质。

在做好自我管理的同时,将自己的饮食习惯推荐给周边同学,把体育锻炼与合理膳食、合理膳食的理念推广开来。

实现“阳光体育”的理念,使全民体质得到真正的提高。

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[责任编辑:杨扬]体育专业大学生体育锻炼与合理膳食的现状调查
郭妍妍
(山东外事翻译职业学院,山东乳山264504)
【摘要】随着社会的发展,健康越来越受到人们的重视,对健康的的渴望追求显得越来越强烈,健康将成为新世纪大学生更为时尚的追求。

大学生时代是学知识的良好时期,但是知识的学习是以健康的体魄为基础的。

尤其是体育专业的大学生对知识的掌握,学以致用是学习的最高境界。

社会给予大学生大力的支持与关注。

在饮食方面,社会及科学界给予关注与合理建议;但是体育专业大学生应该把自己的日常锻炼与合理膳食作出合理安排,运用所学知识合理安排自己的饮食,充分利用所学知识,学以致用。

做到真正的以锻炼、饮食、与睡眠相结合,做到充分增强个人体质的目的。

【关键词】体育锻炼;合理膳食;膳食侧重现状;合理建议
(上接第80页)的利器。

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[责任编辑:王迎迎]
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