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随机共振在神经弱信号检测中的应用研究

黄丹  
【摘要】: 通常人们认为噪声不利于信号的检测,它降低了系统的信号输出反应,使埋没在大量嘈杂噪声中的信号难以测量出来。但是,随机共振理论却指出,通过加入一定的噪声,能提高非线性系统的输出能力,从而增强对该系统弱信号的检测。本文以神经弱信号检测为研究对象,提出了利用随机共振原理进行神经弱信号检测的基本思想及实现方法。 本文首先综合回顾了随机共振的理论研究和实验研究,在此基础上,根据弱信号测量要求,系统地研究了出现随机共振现象时系统与信号、噪声之间的关系。 然后根据产生神经冲动时动作电位全或无式瞬时快速变化的特点,采用H-H方程作为描述这种变化的神经元模型,结合随机共振理论进行了仿真研究。仿真中的主要工作如下: 1.由于H-H方程是由四个非线性的微分方程组成,运算工作量大,并且为了研究随机共振现象,要在方程中加入随机高斯白噪声,因此本文采用了一种新的求解随机微分方程的算法,该算法简单易行,通过仿真结果表明该算法正确可行。 2.在系统模型的基础上,研究了随机噪声与信号在神经元中的相互作用,以及它们之间因协同效应而出现的随机共振现象的变化规律,得出结论,通过加入一定的噪声,弱信号通过非线性系统后输出放大,噪声增强了非线性系统的信号输出。 最后在对神经元中随机共振现象仿真研究的基础上,对人体电感觉中的随机共振效应进行了心理物理实验。在心理物理实验中,结合心理物理学和信号检测论的基本原理,采用了二间隔的强迫选择法(2AFC)作为实验方法,研究不同噪声量级情况下人体电感觉阈值的变化。实验结果表明,随着噪声量级的增加,人体电感觉阈值下降,噪声增强了人体对弱信号的感知能力。但是,感觉阈值并没有出现随着噪声量级的继续增加转而上升的趋势,研究工作有待进一步的开展。


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