Writhing Photons and Berry Phases in Diffusive Wave Scattering

We study theoretically the polarization state of light in multiple scattering media in the limit of weak gradients in refractive index. Linearly polarized photons are randomly rotated due to the Berry phase associated with the scattering path. For circularly polarized light independent speckle patterns are found for the two helical states. The statistics of the geometric phase is related to the writhe distribution of semiflexible polymers such as DNA.Comment: 4 pages, 1 figur

Оценка погрешности лазерного высотомера для измерения наклонов уровня океана

The satellite altimetry of a sea surface allows us to receive an ocean topography picture, which enables making a qualitative and quantitative judgement about tides, currents, whirls, and wind setups.An issue of the measurement accuracy, when using and assimilating data of the satellite altimeter, is of importance. Changing parameters of the satellite orbit, errors of their identification, and measurement errors of the altimeter itself cause the satellite altimetry measurement errors.Laser altimeters are capable to provide potentially high accuracy of measurements. To reduce errors because of changing parameters of the satellite orbit and errors of their identification, using the multi-beam scheme of laser sounding is perspective.Application of the dual-beam scheme allows us to receive a picture of the surface slopes along a trajectory of the satellite flight.The paper estimates a measuring accuracy of the sea surface altitude differences by the laser altimeter set on the satellite in conditions of wind-generated waves and foam-covered sea surface.The paper presents a formula to estimate an average (using a series of the sounding impulses) delay of the laser echo impulse from the sea surface both at low speeds of driving wind (when there is no foam yet), and at high speeds of driving wind (when there a foam on sea surface). The obtained formula enables us to have an expression for the altitude differences of a sea surface measured using a difference of the laser echo impulse delays recorded by the lidar receiver.The received results allow us to estimate a measuring error of the altitude differences of a sea surface by means of the laser altimeter set on the satellite both at low speeds of driving wind, and at high speeds of driving wind when there is foam on the sea surface.It is shown that conditions of sea wind waves (speed of a driving wind) and surface slope on the sounding track define measurement errors, which can be several times more than measured altitude differences of the sea surface. A reducing divergence angle of the lidar radiation leads to the sudden reduction of measurement errors. When the divergence angle of lidar radiation is 0.1 mrad the measured altitude difference practically coincides with its true value.Проводится анализ погрешности спутникового лазерного высотомера для измерения наклонов уровня океана Получены формулы для оценки погрешности измерений перепадов высот морской поверхности с помощью лазерного высотомера в условиях ветрового волнения и покрытия морской поверхности пеной. Показано, что погрешности измерения определяются условиями морского ветрового волнения (скоростью приводного ветра) и наклоном уровенной поверхности на трассе зондирования и могут быть в несколько раз больше измеряемых перепадов высот морской поверхности. Уменьшение угла расходимости излучения лидара приводит к резкому уменьшению ошибок измерения. DOI: 10.7463/rdopt.0415.079318

Electrical spinal stimulation, and imagining of lower limb movements to modulate brain-spinal connectomes that control locomotor-like behavior

© 2018 Gerasimenko, Sayenko, Gad, Kozesnik, Moshonkina, Grishin, Pukhov, Moiseev, Gorodnichev, Selionov, Kozlovskaya and Edgerton. Neuronal control of stepping movement in healthy human is based on integration between brain, spinal neuronal networks, and sensory signals. It is generally recognized that there are continuously occurring adjustments in the physiological states of supraspinal centers during all routines movements. For example, visual as well as all other sources of information regarding the subject's environment. These multimodal inputs to the brain normally play an important role in providing a feedforward source of control. We propose that the brain routinely uses these continuously updated assessments of the environment to provide additional feedforward messages to the spinal networks, which provides a synergistic feedforwardness for the brain and spinal cord. We tested this hypothesis in 8 non-injured individuals placed in gravity neutral position with the lower limbs extended beyond the edge of the table, but supported vertically, to facilitate rhythmic stepping. The experiment was performed while visualizing on the monitor a stick figure mimicking bilateral stepping or being motionless. Non-invasive electrical stimulation was used to neuromodulate a wide range of excitabilities of the lumbosacral spinal segments that would trigger rhythmic stepping movements. We observed that at the same intensity level of transcutaneous electrical spinal cord stimulation (tSCS), the presence or absence of visualizing a stepping-like movement of a stick figure immediately initiated or terminated the tSCS-induced rhythmic stepping motion, respectively. We also demonstrated that during both voluntary and imagined stepping, the motor potentials in leg muscles were facilitated when evoked cortically, using transcranial magnetic stimulation (TMS), and inhibited when evoked spinally, using tSCS. These data suggest that the ongoing assessment of the environment within the supraspinal centers that play a role in planning a movement can routinely modulate the physiological state of spinal networks that further facilitates a synergistic neuromodulation of the brain and spinal cord in preparing for movements

Coherent Umklapp Scattering of Light from Disordered Photonic Crystals

A theoretical study of the coherent light scattering from disordered photonic crystal is presented. In addition to the conventional enhancement of the reflected light intensity into the backscattering direction, the so called coherent backscattering (CBS), the periodic modulation of the dielectric function in photonic crystals gives rise to a qualitatively new effect: enhancement of the reflected light intensity in directions different from the backscattering direction. These additional coherent scattering processes, dubbed here {\em umklapp scattering} (CUS), result in peaks, which are most pronounced when the incident light beam enters the sample at an angle close to the the Bragg angle. Assuming that the dielectric function modulation is weak, we study the shape of the CUS peaks for different relative lengths of the modulation-induced Bragg attenuation compared to disorder-induced mean free path. We show that when the Bragg length increases, then the CBS peak assumes its conventional shape, whereas the CUS peak rapidly diminishes in amplitude. We also study the suppression of the CUS peak upon the departure of the incident beam from Bragg resonance: we found that the diminishing of the CUS intensity is accompanied by substantial broadening. In addition, the peak becomes asymmetric.Comment: LaTeX, 8 two-column pages, 6 figures include

Narrow-band UVB phototherapy in patients with atopic dermatitis: analysis of the factors determining treatment efficacy

Background. Efficacy the narrow-band UVB phototherapy in patients with atopic dermatitis varies greatly. An important condition for achieving optimal therapeutic effect is the identification of factors that can impact on the efficacy of therapy and considering their influence when prescribing treatment. Aims. The present study aimed to identify the factors which affect the efficacy of narrow-band phototherapy in patients with atopic dermatitis Methods. A prospective, open-label trial was conducted to evaluate the efficacy and safety of narrow-band UVB phototherapy for patients with moderate-to-severe atopic dermatitis. All patients were treated with narrow-band UVB phototherapy four times weekly for 5 weeks. Disease severity was evaluated by SCORing of the Atopic Dermatitis Index (SCORAD) and Eczema Area and Severity Index (EASI). Distribution of patients by the severity of therapeutic effect was evaluated. To compare the efficacy of therapy depending on initial atopic dermatitis severity, initial and cumulative irradiation doses, skin phototype, and smoking status patients were divided into subgroups. Results. 40 patients with moderate-to-severe atopic dermatitis received course of narrow-band UVB phototherapy. After NB-UVB therapy SCORAD and EASI scores reduced from 45.6 ± 11.4 at baseline to 22.6 ± 12.4 (p 0,05) and from 14.4 ± 7.2 at baseline to 4.1 ± 3.9 (p 0,05) respectively demonstrating the efficacy of narrow-band UVB phototherapy in patients with atopic dermatitis. Our investigation showed that tobacco smokers had definitely lower efficacy of NB-UVB phototherapy in comparison with non-smokers. Narrow-band UVB phototherapy had definitely higher efficacy when it is started with an initial dose 0.2–0.3 J/cm2 chosen in compliance with results of MED determing in comparison with an initial dose 0.05–0.15 J/cm2 selected according to skin phototype. Conclusions. Factors that impact on the efficacy of narrow-band UVB phototherapy in patients with atopic dermatitis were identified. It was determined that using higher initial dose is associated with higher efficacy of therapy. The obtained data suggest the opportunity of decrease in efficacy of therapy in smokers with atopic dermatitis

Pain development and analgesia in athletes with ankle joints and ligaments injury

The pain feeling in athletes results from nociceptive and antinociceptive systems activity. Mostly pain follows injuries. Ankle joints and ligaments injury is one of the most often trauma. Pain intensity directly depends on the number of injured structures and the degree of the injury. Besides that pain intensity depends upon various factors such as gender and age. The history of injuries can increase the risk of repeated injuries and pain may become chronic. Psycho-emotional experiences during the competition can lead to pain without physical injuries. Anesthesia is important aspect in athletes’ life and it must be effective. Not all currently available medication are approved by the World Anti-Doping Agency. Every year “WADA Prohibited List” is reviewed and every athlete must follow it. The permitted and most effective methods of pain relief for joints and ligaments injury are cooling aerosols, non-steroidal anti-infl ammatory drugs and kinesio taping. Each of these methods has its own characteristics

Зондирование природных образований моноимпульсным лазерным методом

Lidar systems for remote sensing of land surface in the optical spectral band are emerging as a promising application. A capability of sensing lidar systems to provide monitoring in a wide range of atmospheric conditions at any time regardless of day is their advantage. In these systems the use of either spatial scanning or of a mono-pulse sensing method allows a swath width on the land surface.In scanning systems of lidar sensing a longitudinal sweep is provided by the carrier aircraft movement, and a transversal sweep is formed through angular scanning of a laser beam. To simplify hardware implementation and save view time the mono-pulse systems are used. Their operation is based on special processing of the pulse lidar signal reflected from the land surface.The paper discusses application opportunities for the laser mono-pulse method in sensing a reflectivity of the landscape elements under conditions when a spatial distribution of the land surface reflectivity is strongly and nonlinearly changed.It is shown that the problem appears as a solution of the integral equation of the first kind. A quasi-solution method is one of the most efficient to solve these problems. To find quasi-solutions a genetic algorithm was used.Mathematical simulation was conducted to estimate a spatial distribution error of the land surface reflectivity.The mathematical simulation shows that the laser mono-pulse method for sensing the landscape elements allows us to reconstruct the spatial distribution of the reflectivity under real measurement noise in large lidar view.The mono-pulse sensing method using a genetic quasi-solving algorithm to process the measured data allows reasonable (with an error of the expansion coefficients estimated from units of per cent to tens of per cent for relative measurement noise of 1-1,5 %) reconstruction of the spatial distribution for strongly and nonlinearly changing (in the spatial coordinate) land surface reflectivity.Для дистанционного зондирования земной поверхности в оптическом спектральном диапазоне перспективным является использование лидарных систем. Достоинством лидарных систем зондирования является возможность работы независимо от времени суток в широком диапазоне атмосферных условий. В этих системах полоса обзора на земной поверхности обеспечивается использованием или пространственного сканированием или моноимпульсного метода зондирования.В сканирующих системах лидарного зондирования продольная развертка обеспечивается движением носителя, а поперечная развертка формируется за счет углового сканирования лазерного пучка. Для упрощения аппаратурной реализации и сокращения времени обзора используют моноимпульсные системы. Их работа основана специальной обработке импульсного лидарного сигнала отраженного от земной поверхности.В работе исследуются возможности использования лазерного моноимпульсного метода в задаче зондирования коэффициента отражения природных образований в условиях сильно и нелинейно меняющегося пространственного распределения коэффициента отражения земной поверхности. Показано, что задача сводится к решению интегрального уравнения первого рода типа свертки. Для решения подобных задач одним из наиболее эффективных методов является метод подбора квазирешения. Для поиска квазирешений был использован генетический алгоритм.Для оценки погрешности определения пространственного распределения коэффициента отражения земной поверхности проводилось математическое моделирование.Математическое моделирование показывает, что лазерный моноимпульсный метод зондирования природных образований дает возможность восстанавливать пространственное распределение коэффициента отражения в реальных условиях шумов измерения в большом секторе обзора лидара. Моноимпульсный метод зондирования, использующий для обработки данных измерений генетический алгоритм поиска квазирешений, позволяет удовлетворительно (с погрешностью определения коэффициентов разложения от единиц процента до нескольких десятков процентов при шуме измерения 1-1,5 %) восстанавливать пространственное распределение сильно и нелинейно меняющегося (по пространственной координате) коэффициента отражения земной поверхности

Анализ возможности дистанционного лазерного обнаружения утечек пропана

Propane is one of the main components of the wide fraction of light hydrocarbons (WLHF). A large volume of WLHF is transported to petrochemical plants via pipelines. Control of pipelines is carried out by means of in-line pressure sensors. However, they are ineffective for detecting low-intensity leaks.To detect low-intensity propane leaks from pipelines, it is promising to use a remote laser gas analyzer installed on an aircraft.The article is devoted to the analysis of the possibilities of remote laser detection of propane leaks.Based on the data on the absorption of propane and atmospheric gases, the wavelengths of 3370 nm (in the maximum absorption of propane) and 3550 nm (in the spectral region where there is no absorption of propane) were chosen as the sounding wavelengths.It was believed that the monitoring of propane leaks is carried out by a lidar installed on the aircraft in a monostatic sensing scheme. The method of differential absorption with scattering from the earth's surface is used.To detect propane leaks, an information parameter was used, which is equal to the ratio of the power recorded by the receiver at wavelengths of 3370 nm and 3550 nm. The value of the information parameter was calculated for different heights of the propane layer on the earth's surface and different concentrations of propane in the layer.Statistical modeling was performed to quantify the effectiveness of remote detection of propane leaks.In the work, the probability of correct detection of a propane leak (detection of a leak when it is in reality) and the probability of false alarms (detection of a leak when it is not in reality) were calculated.The decision to detect propane leaks was made when the value of the information parameter was less than the threshold.The results of mathematical modeling show that for a propane content in the leak of at least 0.17 % (an order of magnitude less than the concentration limit of flame propagation), the problem of remote detection of propane leaks from the pipeline can be solved with a probability of correct detection of more than 0.999 and a probability of false alarms of less than 0.001 with a thickness of the propane layer on the earth's surface of at least 20 cm.Пропан является одним из основных компонентов широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ). Большой объем ШФЛУ транспортируется до нефтехимических предприятий по трубопроводам. Контроль за трубопроводами осуществляется с помощью внутритрубных датчиков давления. Однако, они неэффективны для обнаружения утечек небольшой интенсивности.Для обнаружения утечек пропана небольшой интенсивности из трубопроводов перспективным представляется использование дистанционного лазерного газоанализатора, установленного на летательном аппарате.Статья посвящена анализу возможностей дистанционного лазерного обнаружения утечек пропана.На основе данных о поглощении пропана и атмосферных газов  в качестве длин волн зондирования были выбраны длины волн 3370 нм (в максимуме поглощения пропана) и 3550 нм (в спектральной области, где поглощения пропаном нет).Считалось, что мониторинг утечек пропана проводится лидаром, установленным на летательном аппарате в моностатической схеме зондирования. Используется метод дифференциального поглощения с рассеянием от земной поверхности.Для обнаружения утечек пропана использовался информационный параметр, который равен соотношению регистрируемых приемником мощностей на длинах волн 3370 нм и 3550 нм. Значение информационного параметра было рассчитано для разной высоты слоя пропана на земной поверхности и разной концентрации пропана в слое.Для количественной оценки эффективности дистанционного обнаружения утечек пропана проводилось статистическое моделирование.В работе проводилось вычисление вероятности правильного обнаружения утечки пропана (обнаружение утечки, когда она есть в действительности) и вероятности ложных тревог (обнаружение утечки, когда ее в действительности нет).Решение об обнаружение утечек пропана принималось, когда значение информационного параметра было меньше порогового.Результаты математического моделирования показывают, что при содержании пропана в утечке не менее 0,17 % (на порядок меньше концентрационного предела распространения пламени) задача дистанционного обнаружения утечек пропана из трубопровода может быть решена с вероятность правильного обнаружения более 0,999 и вероятностью ложных тревог менее 0,001 при толщине слоя пропана на земной поверхности не менее 20 см

Трехспектральный лазерный метод контроля состояния растительного покрова

Vegetation monitoring is one of advanced real-world application of laser sounding.Pollution of environment, unfavourable external conditions, plant diseases, plant pests and other considerations lead to impossibility of plant healthy growth. For this reason engineering of monitoring system for vegetation cover remote sensing is important.Methods of spectral analysis radiation reflected from vegetation cover allow получить operational information about vegetation health on a real time basis and on на large area. Today this optical methods are passive methods. The methods use natural radiation (direct or diffuse solar radiation), reflected from vegetation.However, demerit passive optical sounding systems in visible and near infared spectral bands is monitoring capability only during daylight and heavy reliance on optical state of the atmosphere.The advanced version of optical band device, which allows monitor vegetation cover aside from the time of day at high flight altitude of airborne vehicle, is laser system, using reflection method for vegetation monitoring.This work is concerned with capability analysis of laser reflection system, using for vegetation monitoring three eye-safe sounding wavelengths.Operational efficiency analysis of remote sensing three-spectrum laser method for vegetation monitoring on eye-safe sounding wavelengths in ultraviolet and near infared spectral bands is carried out. Statistical simulation with the use of spectral dependence of vegetation reflection coefficients show that three-spectrum laser method maybe take as a basis of vegetation monitoring. Remote sensing laser sounding on wavelengths 0,355, 1,54 and 2 μm allows to detect of vegetation under the unfavourable conditions with false alarm probability ~ tenths and second decimal places and correct detection probability next to one.Дистанционный контроль состояния растительности является одним из перспективных практических приложений лазерного зондирования.Загрязнение окружающей среды, неблагоприятные внешние условия, болезни, вредители и другие факторы приводят к невозможности нормального развития растений. Поэтому актуальным является разработка систем мониторинга для дистанционный контроля состояния растительного покрова.Методы спектрального анализа отраженного от растительного покрова излучения позволяют получить оперативную информацию о состоянии растений в реальном масштабе времени и на больших площадях. Эти оптические методы на сегодняшний день являются пассивными – они используют излучение естественного происхождения (прямое или рассеянное излучения Солнца), отраженное растительностью.Однако, недостатком систем пассивного оптического зондирования в видимом и ближнем инфракрасном спектральных диапазонах является возможность мониторинга только в светлое время суток и сильная зависимость от оптического состояния атмосферы.Одним из перспективных вариантов аппаратуры оптического диапазона, позволяющей независимо от времени суток проводить мониторинг состояния растительного покрова при большой высоте полета носителя, является лазерная система, использующая рефлектометрический метод контроля состояния растительности. Работа посвящена анализу возможностей лазерной рефлектометричекой системы, использующей для контроля состояния растительности три безопасные для зрения длины волны зондирования.Проведено исследование эффективности работы дистанционного лазерного трехспектрального метода контроля состояния растительного покрова, использующего безопасные для зрения длины волн лазерного излучения в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах. Статистическое моделирование с использованием спектральных зависимостей коэффициентов отражения растений показывает, что трехспектральный лазерный метод может быть положен в основу мониторинга состояния растительного покрова. Дистанционное лазерное зондирование на длинах волн 0,355, 1,54 и 2 мкм дает возможность обнаруживать участки растительности, находящейся в неблагоприятных для развития условиях, с вероятностью ложных тревог ~ десятых и сотых долей и вероятностью правильного обнаружения близкой к 1

Лазерный мониторинг состояния растительного покрова по данным измерений коэффициентов отражения

One of the promising applications of laser remote sensing is a remote control of the vegetation cover. Adverse external factors, lack of fertilizers, and pollution lead to the inability of the normal development of plants. To provide a visual control of such conditions of the vegetation cover at the early stages is often difficult. For this reason it is a relevant task to develop the remote sensing systems to detect plant stress conditions as the indicators of an insufficient nutrient level, pollutants available in the soil, etc.An effective method of remote control of the vegetation conditions is that of laser-induced fluorescence. However, the laser fluorescent method of control has a drawback: for the majority of fluorescent lidars due to small value of the fluorescence cross sections an attainable range of the confident detection of fluorescence signal today is of 100-150 m.Therefore, the relevant objective is to integrate the fluorescent lidar with other optical range equipment that enables remote sensing of vegetation condition from an aircraft at an altitude of several kilometers (with high altitude of flight the scanning equipment provides sensing a greater bandwidth on the earth's surface).The paper analyses the laser remote system capabilities for sensing the vegetation conditions using the measurement data of vegetation reflection coefficients at various wavelengths.It shows that the laser remote sensing system is capable to control vegetation at two radiation wavelengths - one in the visible spectral range (for example, 0.532 mm), and the other - in the near infrared spectral range (e.g. 0.8 ... 0.9 mm).A potential delivery aircraft altitude for the active remote sensing system of vegetation conditions is estimated using the measurements of vegetation reflection coefficients. It is shown that for the wavelength of 0.532 μm in the visible range the limit height of sensing (with realistically attainable now hardware parameters) is about 4 km. For the wavelength of 0.8 ... 0.9 μm in the near infrared range (with the same laser pulse power source) the limit sensing height is higher (in the infrared range the reflection coefficient of vegetation is higher).Одним из перспективных приложений лазерного мониторинга является дистанционный контроль состояния растительности. Неблагоприятные внешние факторы, недостаток удобрений и загрязнение окружающей среды приводят к невозможности нормального развития растений. Такие состояния растений на ранних стадиях часто сложно идентифицировать по внешнему виду растительного покрова. Поэтому актуальным является разработка систем мониторинга для обнаружения стрессовых состояний растений, как индикаторов недостаточного уровня питательных веществ, наличия загрязнителей в почве и т.п.Эффективным дистанционным методом контроля состояния растительности является метод лазерно-индуцированной флуоресценции. Однако, лазерный флуоресцентный метод контроля состояния растений имеет недостаток – из-за небольшого значения сечения флуоресценции для большинства флуоресцентных лидаров достижимой на сегодняшний день является дальность уверенной регистрации флуоресцентного сигнала 100-150 м.Поэтому актуальной является задача комплексирования флуоресцентного лидара с другой аппаратурой оптического диапазона, позволяющей проводить дистанционный контроль состояния растительного покрова с летательного аппарата при высотах несколько километров (при большой высоте полета сканирующая самолетная аппаратура обеспечивает большую полосу мониторинга на земной поверхности).В работе проводится анализ возможностей лазерной системы дистанционного контроля состояния растений по данным измерений коэффициентов отражения растительного покрова на нескольких длинах волн.Показано, что лазерная система дистанционного зондирования может проводить контроль состояния растительного покрова использую две длины волны излучения – одну в видимом спектральном диапазоне (например, 0,532 мкм), а другую – в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне (например, 0,8…0,9 мкм).Проведена оценка возможной высоты авиационного носителя для активной системы дистанционного контроля состояния растений по данным измерений коэффициентов отражения растительного покрова. Показано, что для длины волны 0,532 мкм в видимом диапазоне предельная высота зондирования (при реально достижимых в настоящее время параметрах аппаратуры) порядка 4 км. Для длины волны 0,8…0,9 мкм в ближнем инфракрасном диапазоне (при той же энергии лазерного импульса источника) предельная высота зондирования будет больше (в инфракрасном диапазоне больше коэффициент отражения растительности)