Circular microstrip antenna with a sector-slot for dual-port operation

Design of a dual-port circular patch antenna with a sector-slot for dual-frequency operation is presented. The antenna resonates at two distinct frequencies with orthogonal polarizations and broad radiation characteristics. Unlike the conventional circular patch, this antenna can be microstrip-fed to operate at either of the resonances. The two polarizations can be simultaneously excited using two electromagnetically coupled ports with an isolation better than −30 dB between the ports. This antenna has the added advantage of size reduction of 44% compared to the conventional circular patch without any reduction in gain.

Acoustic radiation and scattering from cylindrical bodies and analysis of transducer arrays

New mathematical methods to analytically investigate linear acoustic radiation and scattering from cylindrical bodies and transducer arrays are presented. Three problems of interest involving cylinders in an infinite fluid are studied. In all the three problems, the Helmholtz equation is used to model propagation through the fluid and the beam patterns of arrays of transducers are studied. In the first problem, a method is presented to determine the omni-directional and directional far-field pressures radiated by a cylindrical transducer array in an infinite rigid cylindrical baffle. The solution to the Helmholtz equation and the displacement continuity condition at the interface between the array and the surrounding water are used to determine the pressure. The displacement of the surface of each transducer is in the direction of the normal to the array and is assumed to be uniform. Expressions are derived for the pressure radiated by a sector of the array vibrating in-phase, the entire array vibrating in-phase, and a sector of the array phase-shaded to simulate radiation from a rectangular piston. It is shown that the uniform displacement required for generating a source level of 220 dB ref. μPa @ 1m that is omni directional in the azimuthal plane is in the order of 1 micron for typical arrays. Numerical results are presented to show that there is only a small difference between the on-axis pressures radiated by phased cylindrical arrays and planar arrays. The problem is of interest because cylindrical arrays of projectors are often used to search for underwater objects. In the second problem, the errors, when using data-independent, classical, energy and split beam correlation methods, in finding the direction of arrival (DOA) of a plane acoustic wave, caused by the presence of a solid circular elastic cylindrical stiffener near a linear array of hydrophones, are investigated. Scattering from the effectively infinite cylinder is modeled using the exact axisymmetric equations of motion and the total pressures at the hydrophone locations are computed. The effect of the radius of the cylinder, a, the distance between the cylinder and the array, b, the number of hydrophones in the array, 2H, and the angle of incidence of the wave, α, on the error in finding the DOA are illustrated using numerical results. For an array that is about 30 times the wavelength and for small angles of incidence (α<10), the error in finding the DOA using the energy method is less than that using the split beam correlation method with beam steered to α; and in some cases, the error increases when b increases; and the errors in finding the DOA using the energy method and the split beam correlation method with beam steered to α vary approximately as a7 / 4 . The problem is of interest because elastic stiffeners – in nearly acoustically transparent sonar domes that are used to protect arrays of transducers – scatter waves that are incident on it and cause an error in the estimated direction of arrival of the wave. In the third problem, a high-frequency ray-acoustics method is presented and used to determine the interior pressure field when a plane wave is normally incident on a fluid cylinder embedded in another infinite fluid. The pressure field is determined by using geometrical and physical acoustics. The interior pressure is expressed as the sum of the pressures due to all rays that pass through a point. Numerical results are presented for ka = 20 to 100 where k is the acoustic wavenumber of the exterior fluid and a is the radius of the cylinder. The results are in good agreement with those obtained using field theory. The directional responses, to the plane wave, of sectors of a circular array of uniformly distributed hydrophones in the embedded cylinder are then computed. The sectors are used to simulate linear arrays with uniformly distributed normals by using delays. The directional responses are compared with the output from an array in an infinite homogenous fluid. These outputs are of interest as they are used to determine the direction of arrival of the plane wave. Numerical results are presented for a circular array with 32 hydrophones and 12 hydrophones in each sector. The problem is of interest because arrays of hydrophones are housed inside sonar domes and acoustic plane waves from distant sources are scattered by the dome filled with fresh water and cause deterioration in the performance of the array.

Quantum critical effects in mean-field glassy systems

We consider the effects of quantum fluctuations in mean-field quantum spin-glass models with pairwise interactions. We examine the nature of the quantum glass transition at zero temperature in a transverse field. In models (such as the random orthogonal model) where the classical phase transition is discontinuous an analysis using the static approximation reveals that the transition becomes continuous at zero temperature.

RRNS-convolutional encoded concatenated code for OFDM based wireless communication

The modern telecommunication industry demands higher capacity networks with high data rate. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a promising technique for high data rate wireless communications at reasonable complexity in wireless channels. OFDM has been adopted for many types of wireless systems like wireless local area networks such as IEEE 802.11a, and digital audio/video broadcasting (DAB/DVB). The proposed research focuses on a concatenated coding scheme that improve the performance of OFDM based wireless communications. It uses a Redundant Residue Number System (RRNS) code as the outer code and a convolutional code as the inner code. The bit error rate (BER) performances of the proposed system under different channel conditions are investigated. These include the effect of additive white Gaussian noise (AWGN), multipath delay spread, peak power clipping and frame start synchronization error. The simulation results show that the proposed RRNS-Convolutional concatenated coding (RCCC) scheme provides significant improvement in the system performance by exploiting the inherent properties of RRNS.

Performance Study of an Improved Legendre Moment Descriptor as Region-Based Shape Descriptor

This paper reports a novel region-based shape descriptor based on orthogonal Legendre moments. The preprocessing steps for invariance improvement of the proposed Improved Legendre Moment Descriptor (ILMD) are discussed. The performance of the ILMD is compared to the MPEG-7 approved region shape descriptor, angular radial transformation descriptor (ARTD), and the widely used Zernike moment descriptor (ZMD). Set B of the MPEG-7 CE-1 contour database and all the datasets of the MPEG-7 CE-2 region database were used for experimental validation. The average normalized modified retrieval rate (ANMRR) and precision- recall pair were employed for benchmarking the performance of the candidate descriptors. The ILMD has lower ANMRR values than ARTD for most of the datasets, and ARTD has a lower value compared to ZMD. This indicates that overall performance of the ILMD is better than that of ARTD and ZMD. This result is confirmed by the precision-recall test where ILMD was found to have better precision rates for most of the datasets tested. Besides retrieval accuracy, ILMD is more compact than ARTD and ZMD. The descriptor proposed is useful as a generic shape descriptor for content-based image retrieval (CBIR) applications

Duplication coefficients via generating functions

In this paper, we solve the duplication problem P_n(ax) = sum_{m=0}^{n}C_m(n,a)P_m(x) where {P_n}_{n>=0} belongs to a wide class of polynomials, including the classical orthogonal polynomials (Hermite, Laguerre, Jacobi) as well as the classical discrete orthogonal polynomials (Charlier, Meixner, Krawtchouk) for the specific case a = −1. We give closed-form expressions as well as recurrence relations satisfied by the duplication coefficients.

Iceberg query lattices for datalog

In this paper we study two orthogonal extensions of the classical data mining problem of mining association rules, and show how they naturally interact. The first is the extension from a propositional representation to datalog, and the second is the condensed representation of frequent itemsets by means of Formal Concept Analysis (FCA). We combine the notion of frequent datalog queries with iceberg concept lattices (also called closed itemsets) of FCA and introduce two kinds of iceberg query lattices as condensed representations of frequent datalog queries. We demonstrate that iceberg query lattices provide a natural way to visualize relational association rules in a non-redundant way.

Algorithmen für q-holonome Funktionen und q-hypergeometrische Reihen

Die q-Analysis ist eine spezielle Diskretisierung der Analysis auf einem Gitter, welches eine geometrische Folge darstellt, und findet insbesondere in der Quantenphysik eine breite Anwendung, ist aber auch in der Theorie der q-orthogonalen Polynome und speziellen Funktionen von großer Bedeutung. Die betrachteten mathematischen Objekte aus der q-Welt weisen meist eine recht komplizierte Struktur auf und es liegt daher nahe, sie mit Computeralgebrasystemen zu behandeln. In der vorliegenden Dissertation werden Algorithmen für q-holonome Funktionen und q-hypergeometrische Reihen vorgestellt. Alle Algorithmen sind in dem Maple-Package qFPS, welches integraler Bestandteil der Arbeit ist, implementiert. Nachdem in den ersten beiden Kapiteln Grundlagen geschaffen werden, werden im dritten Kapitel Algorithmen präsentiert, mit denen man zu einer q-holonomen Funktion q-holonome Rekursionsgleichungen durch Kenntnis derer q-Shifts aufstellen kann. Operationen mit q-holonomen Rekursionen werden ebenfalls behandelt. Im vierten Kapitel werden effiziente Methoden zur Bestimmung polynomialer, rationaler und q-hypergeometrischer Lösungen von q-holonomen Rekursionen beschrieben. Das fünfte Kapitel beschäftigt sich mit q-hypergeometrischen Potenzreihen bzgl. spezieller Polynombasen. Wir formulieren einen neuen Algorithmus, der zu einer q-holonomen Rekursionsgleichung einer q-hypergeometrischen Reihe mit nichttrivialem Entwicklungspunkt die entsprechende q-holonome Rekursionsgleichung für die Koeffizienten ermittelt. Ferner können wir einen neuen Algorithmus angeben, der umgekehrt zu einer q-holonomen Rekursionsgleichung für die Koeffizienten eine q-holonome Rekursionsgleichung der Reihe bestimmt und der nützlich ist, um q-holonome Rekursionen für bestimmte verallgemeinerte q-hypergeometrische Funktionen aufzustellen. Mit Formulierung des q-Taylorsatzes haben wir schließlich alle Zutaten zusammen, um das Hauptergebnis dieser Arbeit, das q-Analogon des FPS-Algorithmus zu erhalten. Wolfram Koepfs FPS-Algorithmus aus dem Jahre 1992 bestimmt zu einer gegebenen holonomen Funktion die entsprechende hypergeometrische Reihe. Wir erweitern den Algorithmus dahingehend, dass sogar Linearkombinationen q-hypergeometrischer Potenzreihen bestimmt werden können. ________________________________________________________________________________________________________________

Theory of laser-induced ultrafast structural changes in solids

The present thesis is a contribution to the study of laser-solid interaction. Despite the numerous applications resulting from the recent use of laser technology, there is still a lack of satisfactory answers to theoretical questions regarding the mechanism leading to the structural changes induced by femtosecond lasers in materials. We provide here theoretical approaches for the description of the structural response of different solids (cerium, samarium sulfide, bismuth and germanium) to femtosecond laser excitation. Particular interest is given to the description of the effects of the laser pulse on the electronic systems and changes of the potential energy surface for the ions. Although the general approach of laser-excited solids remains the same, the potential energy surface which drives the structural changes is calculated with different theoretical models for each material. This is due to the difference of the electronic properties of the studied systems. We use the Falicov model combined with an hydrodynamic method to study photoinduced phase changes in cerium. The local density approximation (LDA) together with the Hubbard-type Hamiltonian (LDA+U) in the framework of density functional theory (DFT) is used to describe the structural properties of samarium sulfide. We parametrize the time-dependent potential energy surface (calculated using DFT+ LDA) of bismuth on which we perform quantum dynamical simulations to study the experimentally observed amplitude collapse and revival of coherent $A_{1g}$ phonons. On the basis of a time-dependent potential energy surface calculated from a non-orthogonal tight binding Hamiltonian, we perform molecular dynamics simulation to analyze the time evolution (coherent phonons, ultrafast nonthermal melting) of germanium under laser excitation. The thermodynamic equilibrium properties of germanium are also reported. With the obtained results we are able to give many clarifications and interpretations of experimental results and also make predictions.

On the relationship between the Method of Least Squares and Gram-Schmidt orthogonalization

The method of Least Squares is due to Carl Friedrich Gauss. The Gram-Schmidt orthogonalization method is of much younger date. A method for solving Least Squares Problems is developed which automatically results in the appearance of the Gram-Schmidt orthogonalizers. Given these orthogonalizers an induction-proof is available for solving Least Squares Problems.

On Solutions of Holonomic Divided-Difference Equations on Non-Uniform Lattices

The main aim of this paper is the development of suitable bases (replacing the power basis x^n (n\in\IN_\le 0) which enable the direct series representation of orthogonal polynomial systems on non-uniform lattices (quadratic lattices of a discrete or a q-discrete variable). We present two bases of this type, the first of which allows to write solutions of arbitrary divided-difference equations in terms of series representations extending results given in [16] for the q-case. Furthermore it enables the representation of the Stieltjes function which can be used to prove the equivalence between the Pearson equation for a given linear functional and the Riccati equation for the formal Stieltjes function. If the Askey-Wilson polynomials are written in terms of this basis, however, the coefficients turn out to be not q-hypergeometric. Therefore, we present a second basis, which shares several relevant properties with the first one. This basis enables to generate the defining representation of the Askey-Wilson polynomials directly from their divided-difference equation. For this purpose the divided-difference equation must be rewritten in terms of suitable divided-difference operators developed in [5], see also [6].

The Role of Epistemic Monitoring in Language Comprehension

In der psycholinguistischen Forschung ist die Annahme weitverbreitet, dass die Bewertung von Informationen hinsichtlich ihres Wahrheitsgehaltes oder ihrer Plausibilität (epistemische Validierung; Richter, Schroeder & Wöhrmann, 2009) ein strategischer, optionaler und dem Verstehen nachgeschalteter Prozess ist (z.B. Gilbert, 1991; Gilbert, Krull & Malone, 1990; Gilbert, Tafarodi & Malone, 1993; Herbert & Kübler, 2011). Eine zunehmende Anzahl an Studien stellt dieses Zwei-Stufen-Modell von Verstehen und Validieren jedoch direkt oder indirekt in Frage. Insbesondere Befunde zu Stroop-artigen Stimulus-Antwort-Kompatibilitätseffekten, die auftreten, wenn positive und negative Antworten orthogonal zum aufgaben-irrelevanten Wahrheitsgehalt von Sätzen abgegeben werden müssen (z.B. eine positive Antwort nach dem Lesen eines falschen Satzes oder eine negative Antwort nach dem Lesen eines wahren Satzes; epistemischer Stroop-Effekt, Richter et al., 2009), sprechen dafür, dass Leser/innen schon beim Verstehen eine nicht-strategische Überprüfung der Validität von Informationen vornehmen. Ausgehend von diesen Befunden war das Ziel dieser Dissertation eine weiterführende Überprüfung der Annahme, dass Verstehen einen nicht-strategischen, routinisierten, wissensbasierten Validierungsprozesses (epistemisches Monitoring; Richter et al., 2009) beinhaltet. Zu diesem Zweck wurden drei empirische Studien mit unterschiedlichen Schwerpunkten durchgeführt. Studie 1 diente der Untersuchung der Fragestellung, ob sich Belege für epistemisches Monitoring auch bei Informationen finden lassen, die nicht eindeutig wahr oder falsch, sondern lediglich mehr oder weniger plausibel sind. Mithilfe des epistemischen Stroop-Paradigmas von Richter et al. (2009) konnte ein Kompatibilitätseffekt von aufgaben-irrelevanter Plausibilität auf die Latenzen positiver und negativer Antworten in zwei unterschiedlichen experimentellen Aufgaben nachgewiesen werden, welcher dafür spricht, dass epistemisches Monitoring auch graduelle Unterschiede in der Übereinstimmung von Informationen mit dem Weltwissen berücksichtigt. Darüber hinaus belegen die Ergebnisse, dass der epistemische Stroop-Effekt tatsächlich auf Plausibilität und nicht etwa auf der unterschiedlichen Vorhersagbarkeit von plausiblen und unplausiblen Informationen beruht. Das Ziel von Studie 2 war die Prüfung der Hypothese, dass epistemisches Monitoring keinen evaluativen Mindset erfordert. Im Gegensatz zu den Befunden anderer Autoren (Wiswede, Koranyi, Müller, Langner, & Rothermund, 2013) zeigte sich in dieser Studie ein Kompatibilitätseffekt des aufgaben-irrelevanten Wahrheitsgehaltes auf die Antwortlatenzen in einer vollständig nicht-evaluativen Aufgabe. Die Ergebnisse legen nahe, dass epistemisches Monitoring nicht von einem evaluativen Mindset, möglicherweise aber von der Tiefe der Verarbeitung abhängig ist. Studie 3 beleuchtete das Verhältnis von Verstehen und Validieren anhand einer Untersuchung der Online-Effekte von Plausibilität und Vorhersagbarkeit auf Augenbewegungen beim Lesen kurzer Texte. Zusätzlich wurde die potentielle Modulierung dieser Effeke durch epistemische Marker, die die Sicherheit von Informationen anzeigen (z.B. sicherlich oder vielleicht), untersucht. Entsprechend der Annahme eines schnellen und nicht-strategischen epistemischen Monitoring-Prozesses zeigten sich interaktive Effekte von Plausibilität und dem Vorhandensein epistemischer Marker auf Indikatoren früher Verstehensprozesse. Dies spricht dafür, dass die kommunizierte Sicherheit von Informationen durch den Monitoring-Prozess berücksichtigt wird. Insgesamt sprechen die Befunde gegen eine Konzeptualisierung von Verstehen und Validieren als nicht-überlappenden Stufen der Informationsverarbeitung. Vielmehr scheint eine Bewertung des Wahrheitsgehalts oder der Plausibilität basierend auf dem Weltwissen – zumindest in gewissem Ausmaß – eine obligatorische und nicht-strategische Komponente des Sprachverstehens zu sein. Die Bedeutung der Befunde für aktuelle Modelle des Sprachverstehens und Empfehlungen für die weiterführende Forschung zum Vehältnis von Verstehen und Validieren werden aufgezeigt.

Identifikation spezieller Funktionen, die durch Rodriguesformeln gegeben sind

Es ist allgemein bekannt, dass sich zwei gegebene Systeme spezieller Funktionen durch Angabe einer Rekursionsgleichung und entsprechend vieler Anfangswerte identifizieren lassen, denn computeralgebraisch betrachtet hat man damit eine Normalform vorliegen. Daher hat sich die interessante Forschungsfrage ergeben, Funktionensysteme zu identifizieren, die über ihre Rodriguesformel gegeben sind. Zieht man den in den 1990er Jahren gefundenen Zeilberger-Algorithmus für holonome Funktionenfamilien hinzu, kann die Rodriguesformel algorithmisch in eine Rekursionsgleichung überführt werden. Falls die Funktionenfamilie überdies hypergeometrisch ist, sogar laufzeiteffizient. Um den Zeilberger-Algorithmus überhaupt anwenden zu können, muss es gelingen, die Rodriguesformel in eine Summe umzuwandeln. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Umwandlung einer Rodriguesformel in die genannte Normalform für den kontinuierlichen, den diskreten sowie den q-diskreten Fall vollständig. Das in Almkvist und Zeilberger (1990) angegebene Vorgehen im kontinuierlichen Fall, wo die in der Rodriguesformel auftauchende n-te Ableitung über die Cauchysche Integralformel in ein komplexes Integral überführt wird, zeigt sich im diskreten Fall nun dergestalt, dass die n-te Potenz des Vorwärtsdifferenzenoperators in eine Summenschreibweise überführt wird. Die Rekursionsgleichung aus dieser Summe zu generieren, ist dann mit dem diskreten Zeilberger-Algorithmus einfach. Im q-Fall wird dargestellt, wie Rekursionsgleichungen aus vier verschiedenen q-Rodriguesformeln gewonnen werden können, wobei zunächst die n-te Potenz der jeweiligen q-Operatoren in eine Summe überführt wird. Drei der vier Summenformeln waren bislang unbekannt. Sie wurden experimentell gefunden und per vollständiger Induktion bewiesen. Der q-Zeilberger-Algorithmus erzeugt anschließend aus diesen Summen die gewünschte Rekursionsgleichung. In der Praxis ist es sinnvoll, den schnellen Zeilberger-Algorithmus anzuwenden, der Rekursionsgleichungen für bestimmte Summen über hypergeometrische Terme ausgibt. Auf dieser Fassung des Algorithmus basierend wurden die Überlegungen in Maple realisiert. Es ist daher sinnvoll, dass alle hier aufgeführten Prozeduren, die aus kontinuierlichen, diskreten sowie q-diskreten Rodriguesformeln jeweils Rekursionsgleichungen erzeugen, an den hypergeometrischen Funktionenfamilien der klassischen orthogonalen Polynome, der klassischen diskreten orthogonalen Polynome und an der q-Hahn-Klasse des Askey-Wilson-Schemas vollständig getestet werden. Die Testergebnisse liegen tabellarisch vor. Ein bedeutendes Forschungsergebnis ist, dass mit der im q-Fall implementierten Prozedur zur Erzeugung einer Rekursionsgleichung aus der Rodriguesformel bewiesen werden konnte, dass die im Standardwerk von Koekoek/Lesky/Swarttouw(2010) angegebene Rodriguesformel der Stieltjes-Wigert-Polynome nicht korrekt ist. Die richtige Rodriguesformel wurde experimentell gefunden und mit den bereitgestellten Methoden bewiesen. Hervorzuheben bleibt, dass an Stelle von Rekursionsgleichungen analog Differential- bzw. Differenzengleichungen für die Identifikation erzeugt wurden. Wie gesagt gehört zu einer Normalform für eine holonome Funktionenfamilie die Angabe der Anfangswerte. Für den kontinuierlichen Fall wurden umfangreiche, in dieser Gestalt in der Literatur noch nie aufgeführte Anfangswertberechnungen vorgenommen. Im diskreten Fall musste für die Anfangswertberechnung zur Differenzengleichung der Petkovsek-van-Hoeij-Algorithmus hinzugezogen werden, um die hypergeometrischen Lösungen der resultierenden Rekursionsgleichungen zu bestimmen. Die Arbeit stellt zu Beginn den schnellen Zeilberger-Algorithmus in seiner kontinuierlichen, diskreten und q-diskreten Variante vor, der das Fundament für die weiteren Betrachtungen bildet. Dabei wird gebührend auf die Unterschiede zwischen q-Zeilberger-Algorithmus und diskretem Zeilberger-Algorithmus eingegangen. Bei der praktischen Umsetzung wird Bezug auf die in Maple umgesetzten Zeilberger-Implementationen aus Koepf(1998/2014) genommen. Die meisten der umgesetzten Prozeduren werden im Text dokumentiert. Somit wird ein vollständiges Paket an Algorithmen bereitgestellt, mit denen beispielsweise Formelsammlungen für hypergeometrische Funktionenfamilien überprüft werden können, deren Rodriguesformeln bekannt sind. Gleichzeitig kann in Zukunft für noch nicht erforschte hypergeometrische Funktionenklassen die beschreibende Rekursionsgleichung erzeugt werden, wenn die Rodriguesformel bekannt ist.

Gait Analysis for Classification

This thesis describes a representation of gait appearance for the purpose of person identification and classification. This gait representation is based on simple localized image features such as moments extracted from orthogonal view video silhouettes of human walking motion. A suite of time-integration methods, spanning a range of coarseness of time aggregation and modeling of feature distributions, are applied to these image features to create a suite of gait sequence representations. Despite their simplicity, the resulting feature vectors contain enough information to perform well on human identification and gender classification tasks. We demonstrate the accuracy of recognition on gait video sequences collected over different days and times and under varying lighting environments. Each of the integration methods are investigated for their advantages and disadvantages. An improved gait representation is built based on our experiences with the initial set of gait representations. In addition, we show gender classification results using our gait appearance features, the effect of our heuristic feature selection method, and the significance of individual features.

Properties of Support Vector Machines

Support Vector Machines (SVMs) perform pattern recognition between two point classes by finding a decision surface determined by certain points of the training set, termed Support Vectors (SV). This surface, which in some feature space of possibly infinite dimension can be regarded as a hyperplane, is obtained from the solution of a problem of quadratic programming that depends on a regularization parameter. In this paper we study some mathematical properties of support vectors and show that the decision surface can be written as the sum of two orthogonal terms, the first depending only on the margin vectors (which are SVs lying on the margin), the second proportional to the regularization parameter. For almost all values of the parameter, this enables us to predict how the decision surface varies for small parameter changes. In the special but important case of feature space of finite dimension m, we also show that there are at most m+1 margin vectors and observe that m+1 SVs are usually sufficient to fully determine the decision surface. For relatively small m this latter result leads to a consistent reduction of the SV number.