《Advanced Science》：Mechanically-Gated Stochastic Resonance for All-Optical Acoustic Sensing in Noisy Environments
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在恶劣且强噪声环境中进行微弱信号检测仍是跨领域的关键挑战。随机共振（SR）通过利用噪声增强而非抑制微弱信号，提供了一种反直觉的策略，但其实际部署受到频率选择性差、对波动噪声水平适应性不足以及依赖离线后处理的严重限制。本文报道了机械共振门控随机共振（MGSR）的
在恶劣且强噪声环境中进行微弱信号检测仍是跨领域的关键挑战。随机共振（SR）通过利用噪声增强而非抑制微弱信号，提供了一种反直觉的策略，但其实际部署受到频率选择性差、对波动噪声水平适应性不足以及依赖离线后处理的严重限制。本文报道了机械共振门控随机共振（MGSR）的发现与实验验证，这是一种将随机共振与固有机械共振相耦合的新型物理机制。通过利用机械共振主动调制双稳态势垒，MGSR实现了目标谱线选择、对变化噪声条件的稳健适应以及微弱信号检测中信噪比（SNR）增益的显著提升。研究人员进一步通过光纤布拉格光栅（FBG）反馈机制实现了实时、抗电磁干扰的全光双稳态系统，使硬件级MGSR无需计算延迟。在真实海洋环境噪声下进行的测试中，该系统在设计频率处获得了19.26 dB的显著SNR增益，代表了基于硬件的随机共振声学传感器的明显进步。这项工作深化了对随机共振的理解，建立了稳健的全光架构，并为环境监测、结构健康诊断和水下安全等高性能、抗噪声声学与振动传感开辟了可扩展的路径。
在恶劣噪声环境中提取微弱信号是环境监测、结构健康诊断、水下安全及航空航天工程等领域长期面临的跨学科难题。以水下声学探测为例，目标特征主要由线谱构成，其准确提取对目标识别至关重要。然而，检测性能正受到两方面协同趋势的日益严重的制约：其一，声学超材料等减振降噪技术的进步使目标信号强度衰减至几乎与背景噪声难以区分的水平；其二，海上航运、资源勘探和海洋工程的扩张加剧了海洋环境噪声的复杂性与强度。传统框架严重依赖自适应抵消、数字降噪和空间滤波等噪声抑制策略，这些方法不可避免地衰减微弱信号、依赖难以在非平稳环境中泛化的预设先验，并产生阻碍实时运行的计算延迟，从而对高灵敏度传感施加了性能上限。1981年，Benzi等人在研究冰川周期时首次报道了随机共振（SR）效应，揭示了噪声激励增强微弱信号检测的反直觉机制。传统上，SR在非线性系统中实现，已在光机械谐振器、可穿戴监测、MEMS传感、纳机电系统、微波检测、铁电装置、结构健康监测和流体传感等领域得到广泛研究。在经典非线性范式之外，广义随机共振（GSR）框架下的平行研究线索已经出现，该框架通过识别依赖系统和噪声参数的非单调响应行为拓宽了SR概念，并证明SR类现象也可在由乘性噪声驱动的线性系统中产生。近期研究进一步将GSR扩展至实际故障诊断应用，包括变速条件下多谐波特征增强的稳健GSR阵列、与轻量级神经网络集成以实现高效分类以及数据稀缺场景下的GSR增强稀疏特征学习。然而，现有SR实现主要依赖算法后处理，尤其在水声领域。此外，在实际复杂场景中部署时，这些方法仍存在三个关键缺陷：第一，受系统工作点跃迁频率的制约，同等信号强度下低频信号经随机共振处理后的SNR始终高于高频信号，使其固有偏向低频分量且缺乏对目标信号恢复的可控频率选择性；第二，其性能受环境噪声强度大范围波动的严重影响，导致在动态环境中适应性差；第三，其对离线数字处理或电子硬件的依赖引入了计算延迟和电磁干扰脆弱性。因此，现有SR方法尚未能在恶劣现场环境的实际应用中实现可靠、实时的硬件级部署。针对这一挑战，研究人员引入并实验验证了一种将随机共振与传感器固有机械共振协同集成的新型物理机制，称为机械共振门控随机共振（MGSR）。通过利用机械共振主动调制双稳态势垒景观，MGSR相比传统方法实现了三项关键进展：微弱信号的目标频率选择性增强、对宽范围动态噪声环境的稳健适应性以及确保实时响应无计算延迟和电磁干扰的全光硬件实现。为验证MGSR机制，研究人员构建了基于光纤布拉格光栅（FBG）的全光传感系统，并系统表征了其频率选择性、噪声适应性和实时响应。在真实海洋环境噪声下进行的实验表明，在设计频率处获得了19.26 dB的显著SNR增益。这项工作深化了对非线性随机动力学的理解，并为复杂严苛场景中的下一代传感提供了稳健、可扩展的平台。
在研究背景方面，微弱信号检测在恶劣噪声环境中面临根本性挑战。传统噪声抑制方法（自适应抵消、数字降噪、空间滤波）不可避免地衰减微弱信号且依赖难以泛化的先验知识，并产生计算延迟。现有SR实现主要依赖算法后处理，存在频率选择性差（固有偏向低频）、对噪声波动适应性不足以及依赖离线处理导致实时性差和电磁干扰脆弱性等问题。因此，研究人员旨在开发一种硬件级、实时、具有频率选择性和噪声稳健性的随机共振传感机制。
研究人员开展的核心工作包括：提出机械共振门控随机共振（MGSR）理论机制，通过机械共振主动调制双稳态势垒实现频率选择性增强；基于FBG反馈机制构建全光双稳态硬件系统；在高斯白噪声和真实海洋环境噪声下系统验证MGSR的频率选择性、噪声稳健性和微弱信号增益效果。研究结论表明，MGSR系统在设计频率处（140 Hz机械共振频率）实现了显著的SNR增益，在海洋环境噪声下增益达17.20至19.26 dB，且具备频率选择性、噪声稳健性和抗电磁干扰等优势。重要意义在于：将随机共振从算法后处理推进至硬件级实时实现，为水下微弱信号检测提供了兼具频率选择性、噪声稳健性和电磁干扰免疫的全光解决方案，并为环境监测、结构健康诊断、管道监测、地震预警和引力波检测等应用建立了通用平台。论文发表在《Advanced Science》。
在关键技术方法方面，研究人员采用的主要方法包括：（1）基于广义Kramers逃逸率理论建立MGSR数值模型，引入机械共振作为门控机制，通过无量纲化处理分析信号、噪声与非线性势垒之间的竞争关系；（2）设计基于FBG反馈机制的全光双稳态系统，利用FBG反射率的高斯型分布与负反馈回路实现双稳态输出，通过调制入射光功率和波长调控滞回窗口宽度；（3）制备推挽结构光纤水听器（将Michelson干涉仪绕制于树脂套筒上），采用PGC（相位生成载波）调制解调方案处理干涉信号；（4）在驻波管中表征光纤水听器的机械共振特性，确定共振频率为140 Hz；（5）分别以高斯白噪声和厦门海域采集的三个640 s海洋环境噪声样本（Noise 1、Noise 2、Noise 3）作为噪声输入进行系统测试。
研究结果方面：
2.1 机械共振门控随机共振机制原理：研究人员从经典双稳态系统的Langevin方程出发，推导了静态势垒高度和Kramers逃逸率，进而引入周期激励信号对势垒的倾斜效应，建立了瞬时Kramers逃逸率模型。在此基础上，将传感器机械共振响应以高斯形式（Aeff(f)）引入逃逸率模型，定义了有效势垒高度调制因子μ作为势垒可调门控，当Aeff(f)=0时模型退化为经典Kramers理论，从而建立了MGSR的理论框架。
2.2 MGSR效果的仿真验证：通过建立基于广义Kramers逃逸率的数值模型，研究人员发现SR处理后的SNR随噪声强度呈非单调变化，且信号幅度从0.232降至0.046时峰值增益从8.01升至10.44 dB，揭示了SR的微弱信号放大能力。引入机械共振曲线后，共振频率处的SNR曲线高于非共振频率，表现出明显的频率选择性；在多频激励下，无机械共振时SNR随频率单调下降（固有偏向低频），而引入Q因子为1.70的机械共振后60 Hz目标信号获得非线性增益，SNR超过非共振频率。更高Q因子（2.55）的共振曲线使60 Hz信号的噪声稳健范围从0.67扩展至1.6，同时抑制非共振频率的SNR。仿真结果共同证实了MGSR在微弱信号放大、宽带噪声稳健性和目标频率选择性提取方面的可行性。
2.3 基于FBG反馈机制的MGSR物质化实现：研究人员设计了基于FBG反馈机制的硬件双稳态系统，满足Bragg条件的光信号被反射并分束，一路作为系统输出，另一路转换为电信号叠加到外部目标信号和噪声上，通过调制FBG中心波长建立负反馈回路。FBG反射率随输入电压呈高斯型分布，负反馈使工作点稳定在反射率曲线与反馈曲线的交点处，通过调制输入电压或光功率使交点位置移动，诱发输出突变，实现双稳态切换。该平台为研究光学双稳态提供了稳健可重复的框架，并为全光双稳态系统在噪声增强传感中的广泛应用建立了通用路径。
2.4 MGSR传感系统的实验表征：在λ=1549.95 nm、P=3 mW条件下，80 Hz信号（幅度100 mV）的频谱峰值随噪声标准差σ增加先增强后减弱（从?15.31 dB升至?2.76 dB后降至?5.53 dB），而无SR处理时峰值单调下降。SNR在σ=2.54时达最大22.74 dB，相比无SR情况最大增益5.47 dB。频率扫描（90–180 Hz）显示SNR呈高斯分布，在140 Hz共振频率处峰值23.88 dB，与光纤水听器固有频率响应高度吻合，直接证实了MGSR理论的预测有效性。在60 Hz和105 Hz处，噪声稳健范围随频率接近共振频率而从1.24扩展至2.0，最优噪声强度从2.54降至2.40，与理论预测一致。在140 Hz处降低输入幅度（30至10 mV），MGSR峰值增益从1.40增至4.80 dB，最优噪声标准差从2.40升至2.69，表明MGSR对更微弱信号具有更高提取效能。
2.5 真实海洋环境噪声下MGSR传感系统的应用：研究人员在厦门海域采集了三段640 s海洋环境噪声（Noise 1–3），其PSD随频率增加而递减，能量主要集中在甚低频段。在外部信号幅度仅1 mV条件下，经MGSR处理后140 Hz频谱峰值从?27.09 dB升至?11.47 dB。在90–180 Hz频率扫描中，MGSR系统在机械共振频率处的SNR增益在Noise 1至Noise 3条件下为17.20至19.26 dB，相比高斯白噪声条件下的增益最大提升13.79 dB。与已有基于随机共振的声学传感研究相比，该系统实现了更高的SNR增益，且优于当前通过硬件实现随机共振的先进声学传感器；尽管DSRA方案增益更高，但其基于离线数字后处理，而MGSR系统具有更优的实时信号处理性能。
讨论部分总结：研究人员通过FBG反馈机制增强的优化双稳态系统，在水声领域硬件层面实验证实了MGSR。该方法不仅实现微弱信号增益，还能对特定频率进行靶向增强同时抑制其他频率输出，具备频率选择性和高噪声稳健性。MGSR系统主要采用光纤进行信号传输并具有全光传感前端，具备高响应带宽、大动态范围、耐腐蚀和抗电磁干扰等优势，避免了后处理固有的实时性差问题并降低了制造难度。初步实验结果表明可通过引入自适应机制动态调整光波长或功率进一步提升和稳定输出增益。传感与处理单元的结构解耦赋予方案通用性，可通过修改传感端结构适配多种声学或振动传感器，并允许独立优化解调电子设备。未来工作需进一步研究电子元件热噪声基底的影响（环境噪声不足时可作为有益补充驱动系统达到最优SR状态，但剧烈波动时固定热噪声基底可能阻碍最优增益的获得，可结合数字锁相放大技术扩展动态范围），以及宽带信号处理中机械共振频率选择性可能引入的局限性（可采用不同机械共振频率的传感器阵列及FBG阵列实现多谱线同步增强），同时需降低部署成本和空间占用。总体而言，MGSR系统通过将随机共振从算法后处理推进至硬件级实时实现，为水下微弱信号检测提供了兼具频率选择性、噪声稳健性和电磁干扰免疫的全光解决方案。研究结论翻译：总之，通过使用光纤布拉格光栅反馈机制增强的优化双稳态系统，研究人员在水声领域硬件层面实验证实了机械共振门控随机共振（MGSR）。该方法不仅实现了微弱信号的增益，还实现了对特定频率随机共振处理的靶向增强，同时抑制其他频率的输出，从而提供了频率选择性和高噪声稳健性。此外，与以往通过离线数字后处理或电子硬件实现随机共振的方法不同，MGSR传感系统主要使用光纤进行信号传输并具有全光传感前端。该设计具有高响应带宽、大动态范围、耐腐蚀和抗电磁干扰等优势。而且，MGSR传感系统避免了后处理固有的实时性差的问题，同时降低了制造难度，从而降低了在水下实际环境中部署随机共振传感技术的门槛。值得注意的是，初步实验结果表明，通过引入自适应机制动态调整光波长或功率等优化策略，可以进一步提高和稳定系统的输出增益。这些调整可以调制单一稳态的驻留时间或状态切换的阈值电压，从而动态调整双稳态势垒的初始位置，使系统能够适应变化的海洋环境噪声条件。此外，传感与处理单元的结构解耦不仅赋予该方案相当大的通用性，使得仅通过修改传感端结构即可直接适配多种声学或振动传感器，还允许独立优化解调电子设备，为后续工作中进一步提升MGSR传感系统奠定了基础。因此，这项工作为从管道监测和地震预警到引力波检测等应用中实时、高保真传感建立了通用平台，彰显了其广泛的技术影响力。
