Добавление шума для усиления слабого сигнала - явление восприятия, обычное в животном мире, но необычное для датчиков, созданных человеком. Теперь исследователи штата Пенсильвания добавили небольшое количество фонового шума, чтобы усилить очень слабые сигналы в источнике света, слишком тусклом для восприятия, - пишет eurekalert.org со ссылкой на Nature Communications.
В отличие от большинства датчиков, для которых шум является проблемой, которую необходимо подавлять, ученые обнаружили, что добавление нужного количества фонового шума может фактически усилить сигнал, слишком слабый для восприятия обычными датчиками, до уровня, на котором его можно обнаружить.
Хотя их датчик, основанный на двумерном материале, называемом дисульфидом молибдена, обнаруживает свет, тот же принцип может быть использован для обнаружения других сигналов, а поскольку он требует очень мало энергии и места по сравнению с обычными датчиками, может найти широкую адаптацию в ближайшем будущем. Интернет вещей развернет продажу десятков миллионов дачтчиков для мониторинга условий в доме и на фабриках, а низкое энергопотребление станет сильным бонусом.
«Это явление часто наблюдается в природе, - говорит Саптарши Дас, доцент кафедры инженерных наук и механики. - Например, веслонос (вид пресноводных лучепёрых рыб), живущий в илистых водах, не может с помощью зрения найти себе пищу, которая представляет собой фитопланктон, называемый дафниями. У веслоноса есть электрорецепторы, которые могут улавливать очень слабый электрический сигнал от дафний на расстоянии до 50 метров. Если добавить немного шума, то веслонос сможет найти дафнию на расстоянии 75 или даже 100 метрах. Эта способность добавляет баллы к эволюционному успеху этого животного».
Другой интересный пример – жуки - златки, которые могут обнаружить лесной пожар на расстоянии 50 миль. Самый продвинутый инфракрасный детектор может это сделать только на расстоянии от 10 до 20 миль. Это происходит из-за явления, которое используют эти животные, под названием стохастический резонанс.
«Стохастический резонанс - это явление, при котором слабый сигнал, находящийся ниже порога обнаружения датчика, может быть обнаружен в присутствии конечного и подходящего количества шума», - говорит Ахил Додда - аспирант кафедры инженерных наук и механики, первый автор новой статьи.
В своей статье исследователи демонстрируют первое использование этой техники для обнаружения подпорогового фотонного сигнала.
Рассматривается одно возможное использование для войск в бою. Военнослужащие в полевых условиях уже несут очень громоздкое снаряжение. Невозможно добавить тяжелое энергоемкое оборудование, необходимое для усиления подпорогового сигнала. Их методика также применима в условиях ограниченных ресурсов или под океаном, где люди хотят отслеживать очень слабые сигналы. Его также можно использовать в вулканических районах или для своевременного мониторинга землетрясений, чтобы подать сигнал тревоги.
«Кто бы мог подумать, что шум может играть конструктивную роль в обнаружении сигналов? Мы бросили вызов традиции обнаруживать иным образом необнаруживаемые сигналы с минимальным потреблением энергии. Это может открыть двери в совершенно неизведанную и игнорируемую область обнаружения сигналов с усилением шума», - сказал Аарян Оберой - аспирант кафедры технических наук и механики и соавтор статьи.
Их следующий шаг - продемонстрировать эту технику на кремниевом
фотодиоде, который сделает устройство очень масштабируемым. По
словам Даса, с помощью этой концепции можно улучшить любой
современный датчик.
[Фото: ru.123rf.com/profile_aimage]
