Imaging simulation of atmospheric turbulence based on phase screen methods

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Ansatz zur bildbasierten Simulation von Luftturbulenzstörungen vorgestellt. Es wird aufgezeigt, wie durch einen bestehenden Ansatz aus experimentellen Kameradaten Parameter von aktuellen Turbulenzmodellen abgeschätzt werden können. Diese Parameter werden dann für vergleichbare Simulationen genutzt und mit experimentellen Daten verglichen. Eine weit verbreitete Methode ist das sogenannte "Split-step"-Strahlpropagationsverfahren, welches die Ausbreitung eines Lichtsignals durch ein turbulentes Medium simulieren kann. Hierbei werden Phasenstörungen des elektromagnetischen Felds verursacht durch Turbulenz als zweidimensionale Phasenschirme in mehreren Abständen zwischen Lichtquelle und Kamerasensor modelliert und simuliert. Anhand aktueller Turbulenzmodelle werden zwei Methoden zur Phasenschirmerzeugung hinsichtlich Genauigkeit und Rechenzeit verglichen. Zum einen ist das als Goldstandard die inverse Fouriertransformation von gefiltertem Rauschen mit Hinzufügen von subharmonischen Frequenzen. Zum anderen ist das die "Sparse Spectrum"-Methode zur Erzeugung von korrelierten Phasenschirmen durch Überlagerung von planaren Wellen mit zufälligen Ausrichtungen. Phasenschirme stellen 2D-Abbilder von zufälligen räumliche Schwankungen des Brechungsindex von Luft dar, die zu meist unerwünschten Störeffekten bei der Übertragung von Lichtsignalen führen. In der Kamerabildgebung äußern sich diese Störeffekte durch räumliche und zeitliche Schwankungen der Bildunschärfe und Position ("Image dancing") einzelner Bildausschnitte. Diese Schwankungen entstehen durch Induktion turbulenter Luftströmungen durch Sonneneinstrahlung verbunden mit der Temperaturund Druckabhängigkeit des Brechungsindex von Luft. Da exakte fluiddynamische Simulationen zeitund rechenaufwendig sind und die Kenntnis vieler Randbedingungen, z.B. der Bodenbeschaffenheit voraussetzen, werden diese Brechungsindexschwankungen oft durch Rauschleistungsspektren als Turbulenzmodelle beschrieben. Mithilfe der Phasenstrukturfunktion als häufig genutztes Validierungskriterium wird gezeigt, dass erzeugte Phasenschirme korrekte, zu erwartende räumliche Korrelationen aufweisen. Für beide Methoden werden zweidimensionale Ausbreitungsprofile von Lichtpunktquellen berechnet und mit gängigen Metriken validiert. Dies sind zum Beispiel Langzeit- und Kurzzeitmodulationstransferfunktionen ("long-exposure/short-exposure"), das Strehlverhältnis und der aperturgemittelte Szintillationsindex. Das Strehlverhältnis setzt zwei Maximalwerte für eine räumliche, ensemble-gemittelte optischen Intensitätsverteilung ins Verhältnis, einem Maximalwert für eine gegebene Turbulenzstärke und dem Maximalwert für den turbulenzfreien Fall. Durch zunehmende Turbulenzstärke werden die optischen Intensitätsverteilungen im Allgmeinen breiter. Dadurch sinken diese Maximalwerte und dadurch auch das Strehlverhältnis. Das Punktbildprofil auf dem Sensor ergibt sich dann durch Fourieroptik aus der Feldverteilung an der Apertur. Diese Punktbildprofile repräsentieren die Turbulenzstörung einzelner Lichtpunktquellen für bestimmte Sichtlinien. Durch Verschiebung der Phasenschirme senkrecht zur Ausbreitungsrichtung lassen sich Punktbildprofile für unterschiedliche Sichtlinien zum Sensor berechnen. Dadurch ergeben sich räumlich variierende und korrelierte Punktbildprofile. Es lassen sich regelmäßige Gitter solcher Punktbildprofile berechnen, und zur ungleichmäßigen Filterung über beliebige Bilder als Eingangsszenen nutzen. Zur experimentellen Validierung werden in mehreren Feldversuchen vergleichbare Messungen mit LED-Matrizen als Gitter von Punktquellen durchgeführt. Durch Verwendung von zwei Arten von LEDs von geringfügig unterschiedlichen mittleren Wellenlängen wird untersucht, ob und inwieweit sich der erwartete Unterschied in der Bildunschärfe der LED-Projektion zur Verbesserung der Abschätzung von Turbulenzmodellparametern eignet. Aus gemessenen Bildern der LED-Matrizen werden außerdem differentielle Neigungsvarianzen berechnet. Die differentielle Neigungsvarianz als Maß für die räumliche Korrelation der Zentroidverschiebungen dieser Punktbildprofile ist analytisch beschreibbar und wird deshalb auch zur Validierung genutzt. Durch Anpassung theoretischer Ausdrücke an diese lassen sich die wahrscheinlichsten Parameter von aktuellen Turbulenzmodellen abschätzen. Basierend auf diesen Parametern werden turbulent gestörte Punktgitter simuliert und daraus abgeleitete Neigungsvarianzen mit experimentellen Daten verglichen. Ebenso werden Verteilungen der Turbulenzmodellparameter über alle Messtage aufgezeigt sowie ihrer Anisotropie zwischen horizontaler und vertikaler Richtung. Dies kann als Datengrundlage für zukünftige bildgebenden Turbulenzsimulationen genutzt werden, zum Beispiel zur Bewertung von Kameras oder der Entwicklung und Verbesserung von turbulenzkompensierenden Bildverarbeitungstechniken. Die aufgefundenen Verteilungen von Turbulenzmodellparametern können außerdem zur Validierung von Simulationen und Messungen von kleinskaligen atmosphärischen Phänomenen in Bodennähe genutzt werden

The genomics of neonatal abstinence syndrome

Significant variability has been observed in the development and severity of neonatal abstinence syndrome (NAS) among neonates exposed to prenatal opioids. Since maternal opioid dose does not appear to correlate directly with neonatal outcome, maternal, placental, and fetal genomic variants may play important roles in NAS. Previous studies in small cohorts have demonstrated associations of variants in maternal and infant genes that encode the μ-opioid receptor (OPRM1), catechol-O-methyltransferase (COMT), and prepronociceptin (PNOC) with a shorter length of hospital stay and less need for treatment in neonates exposed to opioids in utero. Consistently falling genomic sequencing costs and computational approaches to predict variant function will permit unbiased discovery of genomic variants and gene pathways associated with differences in maternal and fetal opioid pharmacokinetics and pharmacodynamics and with placental opioid transport and metabolism. Discovery of pathogenic variants should permit better delineation of the risk of developing more severe forms of NAS. This review provides a summary of the current role of genomic factors in the development of NAS and suggests strategies for further genomic discovery

How to Think, Say, or Do Precisely the Worst Thing For Any Occasion

In slapstick comedy, the worst thing that could happen usually does: The person with a sore toe manages to stub it, sometimes twice. Such errors also arise in daily life, and research traces the tendency to do precisely the worst thing to ironic processes of mental control. These monitoring processes keep us watchful for errors of thought, speech, and action and enable us to avoid the worst thing in most situations, but they also increase the likelihood of such errors when we attempt to exert control under mental load (stress, time pressure, or distraction). Ironic errors in attention and memory occur with identifiable brain activity and prompt recurrent unwanted thoughts; attraction to forbidden desires; expression of objectionable social prejudices; production of movement errors; and rebounds of negative experiences such as anxiety, pain, and depression. Such ironies can be overcome when effective control strategies are deployed and mental load is minimized.Psycholog

Sensing Noncollinear Magnetism at the Atomic Scale Combining Magnetic Exchange and Spin-Polarized Imaging

Storing and accessing information in atomic-scale magnets requires magnetic imaging techniques with single-atom resolution. Here, we show simultaneous detection of the spin-polarization and exchange force, with or without the flow of current, with a new method, which combines scanning tunneling microscopy and non-contact atomic force microscopy. To demonstrate the application of this new method, we characterize the prototypical nano-skyrmion lattice formed on a monolayer of Fe/Ir(111). We resolve the square magnetic lattice by employing magnetic exchange force microscopy, demonstrating its applicability to non-collinear magnetic structures, for the first time. Utilizing distance-dependent force and current spectroscopy, we quantify the exchange forces in comparison to the spin-polarization. For strongly spin-polarized tips, we distinguish different signs of the exchange force which we suggest arises from a change in exchange mechanisms between the probe and a skyrmion. This new approach may enable both non-perturbative readout combined with writing by current-driven reversal of atomic-scale magnets

Designer quantum states of matter created atom-by-atom

With the advances in high resolution and spin-resolved scanning tunneling microscopy as well as atomic-scale manipulation, it has become possible to create and characterize quantum states of matter bottom-up, atom-by-atom. This is largely based on controlling the particle- or wave-like nature of electrons, as well as the interactions between spins, electrons, and orbitals and their interplay with structure and dimensionality. We review the recent advances in creating artificial electronic and spin lattices that lead to various exotic quantum phases of matter, ranging from topological Dirac dispersion to complex magnetic order. We also project future perspectives in non-equilibrium dynamics, prototype technologies, engineered quantum phase transitions and topology, as well as the evolution of complexity from simplicity in this newly developing field

The Gravity of Unwanted Thoughts: Asymmetric Priming Effects in Thought Suppression

An unwanted thought appears to be cued easily by reminders in the environment but often the thought itself seems to cue nothing more than the desire to eliminate it from consciousness. This unusual asymmetry in the way unwanted thoughts are linked to other thoughts was the focus of the present research. Participants who were asked to suppress a thought or to concentrate on it completed a task assessing the influence of priming on reaction time (RT) for word/non-word judgments. Results revealed that suppression under cognitive load produced asymmetric priming: Priming with the associate of a suppressed word speeded RT for the suppressed word, but priming with a suppressed word did not speed RT for associated words. These findings suggest that thought suppression induces an unusual form of cognitive accessibility in which movement of activation toward the suppressed thought from associates is facilitated but movement of activation away from the suppressed thought to associates is undermined.Psycholog

Hidden Complications of Thought Suppression

Although the suppression of thoughts may seem to be an effective solution, this strategy can lead to an exacerbation of the very thought that one is attempting to suppress. This ironic effect is the most obvious unwanted outcome of suppression and has now been investigated empirically for more than two decades. However, the fact that suppression is an effortful process implies that, even when suppression does not lead to an ironic rebound of the unwanted thought, it puts an insidious cognitive load on the individual attempting to suppress. Moreover, whether or not suppression leads to an exacerbation of the unwanted thought, it is rarely successful, and hence adds to the individual's distress. In this article we describe the phenomenon of suppression and consider how it might complicate a range of emotional disorders. Taken together, studies on thought suppression in psychopathology present a more nuanced picture now than was emerging in the early years of its investigation. Some evidence is consistent with the idea that the counterproductive effects of suppression are causally implicated in the disorder, but for the most part a more parsimonious conclusion is that thought suppression acts as a complication of the disorder. In certain disorders, suppression complicates the disorder by leading to an ironic rebound of the unwanted thoughts. In all disorders, the cost of undertaking suppression is a persistent cognitive load, which, in turn undermines the ability to suppress, and hence sets off a cycle of failed expectations and distress.Psycholog