一种双稳态系统随机共振的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量双稳态系统随机共振的方法。
【背景技术】
[0002] 随机共振（Stochastic resonance)现象是双稳态系统中一种重要的非线性效应。 利用随机共振，可以在噪声作用下放大微弱的周期信号或优化系统的性能。随机共振颠覆 了传统观念中噪声总是会抑制信号、破坏信号测量的概念，在Benzi等人发现这一现象后， 随机共振就受到了各领域的广泛关注。目前已经在诸如思密特触发器、双稳态激光器、超导 干涉仪等众多系统中观测到了随机共振效应。随机共振需要满足三个条件：（1) 一个门限 阈值，（2) -个微弱的周期信号，（3)合适强度的噪声。随机共振效应中的一个重要问题， 就是引入一些参量来表征这种效应。现在，人们已经找到了功率谱密度、信噪比、布居时间 和输入输出同步等特征量来表征随机共振。由于噪声和正弦信号共同作用下的双稳态系统 的输出信号是一个随机过程，上述提到的用来表征随机共振的特征量，均需在获得大量的 输出信号的轨迹，并经过数据的后处理才能获得。这通常是一个比较困难的工作。另一方 面，上述提到的各种特征量均对所加正弦信号的周期数很敏感，需要较长时间的测量才能 得出正确的结果，并且无法分辨出所加正弦信号的初始相位。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的问题是提供一种避免复杂的数据后处理，同时对输入信号长度 不敏感，并且可区分出所加正弦信号相位的测量随机共振效应的方法。
[0004] 为解决上述问题，本发明采用的方案如下： 一种双稳态系统随机共振的测量方法，该方法通过向双稳态系统输入正弦信号和噪音 信号后测量该双稳态系统所处状态的概率，从取得状态概率和噪音信号强度的关系表，然 后从状态概率和噪音信号强度的关系表中提取状态概率随噪音信号强度变化的极值，将该 极值作为该双稳态系统随机共振的关键特征；其中，所述双稳态系统对称性可调，所输入的 正弦信号强度不足以使所述双稳态系统发生状态变迁。
[0005] 进一步，该方法包括以下步骤： (1) 将所述双稳态系统调节至其中一个稳定态； (2) 将所述双稳态系统调节至对称的状态； (3) 将正弦信号和噪音信号输入至所述双稳态系统作用一段时间； (4) 测量所述双稳态系统所处的状态； (5) 在保持输入的正弦信号和噪音信号不变的前提下，重复步骤（1)至（4)若干次后计 算该双稳态系统处于新状态的概率； (6) 调整噪音信号的强度后重复步骤（1)至（5)多次，得到状态概率和噪音信号强度的 关系表； (7) 根据状态概率和噪音信号强度的关系表绘制状态概率和噪音信号强度的关系图， 然后根据状态概率和噪音信号强度的关系图获得状态概率随噪音信号强度变化的极值。
[0006] 进一步，所述步骤（3)中将正弦信号和噪音信号输入至所述双稳态系统的作用时 间为1至30个所述正弦信号的周期。
[0007] 进一步，，所述步骤（5)中若干次的次数为不少于1000次。
[0008] 进一步，，所述步骤（7)为根据状态概率和噪音信号强度的关系表采用函数拟合 的方法计算状态概率和噪音信号强度之间的拟合函数，然后计算该拟合函数的极值。
[0009] 进一步，还包括调整所述正弦信号的相位后重复步骤（1)至（7)。
[0010] 本发明的技术效果如下：本发明的方法，可以大幅地降低数据处理的复杂度，可以 区分输入正弦信号的初始相位，并且对输入的正弦信号的周期数不敏感。
【附图说明】
[0011] 图1是rf-SQUID系统的结构示意图。
[0012] 图2是rf-SQUID的势能曲线图。其中，横坐标为穿过rf-SQUID环的总磁通，纵坐 标为rf-SQUID的势能大小。
[0013] 图3是rf-SQUID的势能曲线与加载的磁场偏置的强度变化关系图。
[0014] 图4是rf-SQUID的势能曲线与正弦信号的变化关系图。
[0015] 图5和图6是绘制得到的状态概率和噪音信号强度的关系的点图。其中图5中输 入正弦信号的相位为〇,图6中输入的正弦信号相位180度。
[0016] 图7是图5中作用30个正弦信号周期得到的状态概率和噪音信号强度的关系数 据进行函数拟合后得到的拟合函数曲线。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。
[0018] 图1是一个超导射频干涉（rf-SQUID)系统的结构示意图。该rf-SQUID系统包括 rf-SQUIDl、dc-SQUID2、磁场偏置线3和信号偏置线4。其中，rf-SQUIDl和dc-SQUID2上 设有Jos印hson隧道结2。rf-SQUIDl构成一个双稳态系统，如图2所示，具有两个势阱A 和B的稳定状态。dc-SQUID2用于通过跳变电流读取rf-SQUIDl的状态。磁场偏置线3用 于为rf-SQUIDl加载磁场偏置，通过磁场偏置线3向rf-SQUIDl加载的磁场偏置可以调整 rf-SQUIDl的对称性。信号偏置线4用于向rf-SQUIDl输入正弦信号和噪音信号。双稳态 系统rf-SQUIDl是一个对称性可调的系统。也就是当改变磁场偏置线3加载的磁场偏置的 强度或者当信号偏置线4输入发生变化时，双稳态系统rf-SQUIDl的两个势阱A和B的对称 性相应地发生变化。初始状态下，双稳态系统rf-SQUIDl的两个势阱A和B不对称，当磁场 偏置线3加载的磁场偏置到合适的强度后可使得两个势阱A和B相互对称。如图3所示， 纵坐标Y表示磁场偏置的强度，折线301为磁场偏置线3加载的磁场偏置的强度。L是磁场 偏置线3初始状态下的磁场偏置的强度，对应的曲线302是相应状态下rf-SQUID的势能曲 线，此时，两个势阱处于不对称状态。当磁场偏置线3加载的磁场偏置的强度到达H时，对 应的曲线303是相应状态的rf-SQUID的势能曲线，此时，两个势阱处于对称状态。此外，当 信号偏置线4加载信号后，双稳态系统rf-SQUIDl的两个势阱A和B的对称性也会相应地 发生变化。如图4所示，曲线401为信号偏置线4上加载的正弦信号，曲线402是当输入的 正弦信号强度为O时rf-SQUID相应的势能曲线，曲线403和曲线404分别为当输入的正弦 信号强度在高点和低点时rf-SQUID相应的势能曲线。由曲线402看出，此时由于磁场偏置 线3加载的磁场偏置的作用下，rf-SQUID的势能曲线的两个势阱处于对称状态，而输入的 正弦信号强度在高点或低点时，曲线403和曲线404所代表的rf-SQUID的势能曲线的两个 势阱处于不对称状态。该双稳态系统rf-SQUIDl随机共振的测量方法步骤如下： 第一步，将rf-SQUIDl初始化至其中一个稳定态，即调整至状态A或B。这里的初始化 是指磁场偏置线3加载一定强度磁场偏置，此时rf-SQUID的势能曲线处于非对