Escape beam statistics and dynamical properties for a periodically corrugated waveguide

Some escape and dynamical properties for a beam of light inside a corrugated waveguide are discussed by using Fresnel reflectance. The system is described by a mapping and is controlled by a parameter δ defining a transition from integrability (δ = 0) to non integrability (δ ≠ 0). The phase space is mixed containing periodic islands, chaotic seas and invariant tori. The histogram of escaping orbits is shown to be scaling invariant with respect to δ. The waveguide is immersed in a region with different refractive index. Different optical materials are used to overcame the results. © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Efeitos da matéria orgânica sobre óxidos de ferro em um latossolo vermelho

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Migração em profundidade pré-empilhamento utilizando os atributos cinemáticos do empilhamento por superfície de reflexão comum

O empilhamento por superfície de reflexão comum (ou empilhamento SRC), conhecido como empilhamento CRS, do inglês Commom reflection surface, constitui-se em um novo método para o processamento sísmico na simulação de seções afastamento nulo (AN) e afastamento comum (AC). Este método é baseado em uma aproximação paraxial hiperbólica de segunda ordem dos tempos de trânsito de reflexão na vizinhança de um raio central. Para a simulação de seção AN, o raio central é um raio normal, enquanto que para a simulação de uma seção AC o raio central é um raio de afastamento finito. Em adição à seção AN, o método de empilhamento SRC também fornece estimativas dos atributos cinemáticos do campo de onda, sendo aplicados, por exemplo, na determinação (por um processo de inversão) da velocidade intervalar, no cálculo do espalhamento geométrico, na estimativa da zona de Fresnel, e também na simulação de eventos de tempos de difrações, este último tendo uma grande importância para a migração pré-empilhamento. Neste trabalho é proposta uma nova estratégia para fazer uma migração em profundidade pré-empilhamento, que usa os atributos cinemáticos do campo de onda derivados do empilhamento SRC, conhecido por método CRS-PSDM, do inglês CRS based pre-stack depth migration. O método CRS-PSDM usa os resultados obtidos do método SRC, isto é, as seções dos atributos cinemáticos do campo de onda, para construir uma superfície de tempos de trânsito de empilhamento, ao longo da qual as amplitudes do dado sísmico de múltipla cobertura são somadas, sendo o resultado da soma atribuído a um dado ponto em profundidade, na zona alvo de migração que é definida por uma malha regular. Similarmente ao método convencional de migração tipo Kirchhoff (K-PSDM), o método CRS-PSDM precisa de um modelo de velocidade de migração. Contrário ao método K-PSDM, o método CRS-PSDM necessita apenas computar os tempos de trânsito afastamento nulo, ao seja, ao longo de um único raio ligando o ponto considerado em profundidade a uma dada posição de fonte e receptor coincidentes na superfície. O resultado final deste procedimento é uma imagem sísmica em profundidade dos refletores a partir do dado de múltipla cobertura.

CRS seismic data imaging system: a case study for basib reevaluation

Este trabalho apresenta resultados práticos de uma atenção sistemática dada ao processamento e à interpretação sísmica de algumas linhas terrestres do conjunto de dados do gráben do Tacutu (Brasil), sobre os quais foram aplicadas etapas fundamentais do sistema WIT de imageamento do empilhamento CRS (Superfície de Reflexão Comum) vinculado a dados. Como resultado, esperamos estabelecer um fluxograma para a reavaliação sísmica de bacias sedimentares. Fundamentado nos atributos de frente de onda resultantes do empilhamento CRS, um macro-modelo suave de velocidades foi obtido através de inversão tomográfica. Usando este macro-modelo, foi realizado uma migração à profundidade pré- e pós-empilhamento. Além disso, outras técnicas baseadas no empilhamento CRS foram realizadas em paralelo como correção estática residual e migração de abertura-limitada baseada na zona de Fresnel projetada. Uma interpretação geológica sobre as seções empilhadas e migradas foi esboçada. A partir dos detalhes visuais dos painéis é possível interpretar desconformidades, afinamentos, um anticlinal principal falhado com conjuntos de horstes e grábens. Também, uma parte da linha selecionada precisa de processamento mais detalhado para evidenciar melhor qualquer estrutura presente na subsuperfície.

Caracterização térmica de compostos orgânicos usando a técnica de lente térmica

Utilizou-se a técnica de espectroscopia de lente térmica com dois feixes quase paralelos em modo descasado para estudar as propriedades térmicas de cinco óleos vegetais e de um composto específico de oleína de palma e p-caroteno (OP+BC), preparado no laboratório. As medidas de difusividade térmica foram obtidas do ajuste entre a curva experimental do sinal temporal de lente térmica no fotodetector com a equação obtida no modelo aberrante de lente térmica com modos descasados, tendo em conta a difração de Fresnel para o campo distante. São reportadas as medidas da difusividade térmica de diversos óleos vegetais da Amazônia e do composto OP+BC. É verificado um crescimento exponencial da difusividade térmica com a concentração, o que se atribui à estrutura molecular do p-caroteno. Até o momento, os resultados são inéditos e não têm sido reportados na literatura.

Migração 3-D Kirchhoff-Gaussian-Beam (KGB) pré-empilhamento no domínio da profundidade

O Feixe Gaussiano (FG) é uma solução assintótica da equação da elastodinâmica na vizinhança paraxial de um raio central, a qual se aproxima melhor do campo de ondas do que a aproximação de ordem zero da Teoria do Raio. A regularidade do FG na descrição do campo de ondas, assim como a sua elevada precisão em algumas regiões singulares do meio de propagação, proporciona uma forte alternativa na solução de problemas de modelagem e imageamento sísmicos. Nesta Tese, apresenta-se um novo procedimento de migração sísmica pré-empilhamento em profundidade com amplitudes verdadeiras, que combina a flexibilidade da migração tipo Kirchhoff e a robustez da migração baseada na utilização de Feixes Gaussianos para a representação do campo de ondas. O algoritmo de migração proposto é constituído por dois processos de empilhamento: o primeiro é o empilhamento de feixes (“beam stack”) aplicado a subconjuntos de dados sísmicos multiplicados por uma função peso definida de modo que o operador de empilhamento tenha a mesma forma da integral de superposição de Feixes Gaussianos; o segundo empilhamento corresponde à migração Kirchhoff tendo como entrada os dados resultantes do primeiro empilhamento. Pelo exposto justifica-se a denominação migração Kirchhoff-Gaussian-Beam (KGB). As principais características que diferenciam a migração KGB, durante a realização do primeiro empilhamento, de outros métodos de migração que também utilizam a teoria dos Feixes Gaussianos, são o uso da primeira zona de Fresnel projetada para limitar a largura do feixe e a utilização, no empilhamento do feixe, de uma aproximação de segunda ordem do tempo de trânsito de reflexão. Como exemplos são apresentadas aplicações a dados sintéticos para modelos bidimensionais (2-D) e tridimensionais (3-D), correspondentes aos modelos Marmousi e domo de sal da SEG/EAGE, respectivamente.

Migração Kirchhoff pré-empilhamento em profundidade modificada usando o operador de feixes gaussianos

A teoria dos feixes gaussianos foi introduzida na literatura sísmica no início dos anos 80 por pesquisadores russos e tchecos, e foi originalmente utilizada no cálculo do campo de ondas eletromagnéticas, baseado na teoria escalar da difração. Na teoria dos feixes gaussianos, o campo de ondas sísmicas é obtido por uma integral, cujo o integrando é constituído de duas partes, a saber: (1) as amplitudes dos campos das ondas na vizinhança do ponto de observação e (2) a função fase de cada um desses campos de ondas, que neste caso é representada por um tempo de trânsito paraxial complexo. Como ferramenta de imageamento, mais precisamente como operador de migração, os primeiros trabalhos usando feixes gaussianos datam do final da década de 80 e início dos anos 90. A regularidade dos campos de ondas descritos pelos feixes gaussianos, além de sua alta precisão em regiões singulares do modelo de velocidades, tornaram o uso de feixes gaussianos como uma alternativa híbrida viável para a migração. Nesse trabalho, unimos a flexibilidade da migração tipo Kirchhoff em profundidade em verdadeira amplitude com a regularidade da descrição do campo de ondas, representado pela sobreposição de feixes gaussianos. Como forma de controlar de forma estável quantidades usadas na construção de feixes gaussianos, utilizamos informações advindas do volume de Fresnel, mais precisamente a zona de Fresnel ao redor do ponto de reflexão e a zona de Fresnel projetada, localizada ao redor do ponto de registro do sismograma e cuja a informação se encontra nas curvas de reflexão de dados sísmico. Nosso processo de migração pode ser chamado como uma migração Kirchhoff em verdadeira amplitude usando um operador de feixes gaussianos.

Aproximações hiperbólicas dos tempos de trânsito de raios paraxiais a um raio central refletido e difratado

A simulação de uma seção sísmica de afastamento nulo (AN) a partir de dados de cobertura múltipla para um meio 2-D, através do empilhamento, é um método de imageamento de reflexão sísmica muito utilizado, que permite reduzir a quantidade de dados e melhor a razão sinal/ruído. Baseado na aproximação hiperbólica dos tempos de trânsito dependente de três parâmetros ou atributos cinemáticos de frentes de onda, recentemente, vem desenvolvendo-se um novo método para simular seções (AN) chamado método de empilhamento sísmico por Superfície de Reflexão Comum (ou empilhamento SRC). Também, seguindo este novo conceito de imageamento sísmico está surgindo um método para simular seções com afastamento comum (AC) a partir de dados de cobertura múltipla usando aproximações dos tempos de trânsito paraxiais na vizinhança de um raio central com afastamento finito. Esta nova aproximação dos tempos de trânsito depende de cinco atributos cinemáticos. Neste trabalho, a partir da aproximação dos tempos de trânsito paraxiais em relação a um raio central com afastamento finito, derivamos uma nova equação do tempo de trânsito usando a condição de um ponto difrator em profundidade, reduzindo a equação original para quatro parâmetros. Para ambas aproximações (reflexão e difração), mostramos a superfície de empilhamento SRC com afastamento finito (SRC-AF). Considerando um modelo sintético, realizamos um estudo comparativo das aproximações dos tempos de trânsito para as quatro configurações sísmicas (fonte comum (FC), receptor comum (RC), ponto-médio-comum (PMC) e afastamento comum (AC)). Para analisar o comportamento do operador SRC-AF, quando este é perturbado, discutimos sua sensibilidade em relação a cada um dos cinco parâmetros (K₁, K₂, K₃, β_S e β_G). Esta análise de sensibilidade é realizada em duas formas: Sensibilidade através da primeira derivada e Sensibilidade no Empilhamento SRC-AF. Após realizar a análise de sensibilidade utilizamos uma nova condição, K₂ = 0 e assim, obtemos uma nova aproximação, agora dependente de três parâmetros. Usando essas aproximações hiperbólicas (em função de cinco, quatro e três parâmetros), propomos um algoritmo para a simulação de seções AC a partir de dados de cobertura múltipla. Finalmente, é apresentado um estudo da zona de Fresnel, com o objetivo de determinar a delimitação da abertura da superfície de empilhamento SRC-AF.

Estudo do método de empilhamento SRC e aplicação em dados sintéticos e reais

O empilhamento sísmico é um método de imageamento utilizado para simulação de seções sísmicas com afastamento nulo (AN) a partir de dados de cobertura múltipla, produzindo um aumento da razão sinal/ruído na seção simulada. Este método é realizado usando o processamento convencional denominado ponto médio comum (PMC), através das chamadas correções sobretempo normal e sobretempo oblíquo (STN/STO). Alternativamente, um novo método de empilhamento sísmico, denominado superfície de reflexão comum (SRC) pode ser usado para simular seções sísmicas em afastamento nulo (AN). O método SRC tem como principais características: 1) a construção de uma aproximação do tempo de trânsito de reflexões primárias na vizinhança de um raio de reflexão normal; 2) esta aproximação de empilhamento tem como parâmetros os ângulos de emergência do raio normal e os raios de curvaturas de duas ondas hipotéticas denominadas onda ponto de incidência normal (onda PIN) e onda normal (onda N). O método pressupõe ainda que a velocidade da onda longitudinal na parte superior do modelo próxima à superfície da Terra seja conhecida. Para determinar adequadamente os parâmetros supracitados, fundamentais para o método de imageamento SRC, são necessárias estratégias de busca que utilizem casos particulares da aproximação de segunda ordem hiperbólica dos tempos de trânsito. As estratégias de busca apresentadas são: SRC pragmático-extendito e SRC global-local. Neste trabalho é apresentada uma revisão extensa dos fundamentos teóricos de método de empilhamento SRC, como também das estratégias de busca dos parâmetros SRC, dos algoritmos de implementação, e da delimitação de aberturas do operador de empilhamento SRC usando conceitos de zonas de Fresnel e o fator de estiramento da correção STN. Como um exemplo de aplicação dos atributos ou parâmetros SRC é apresentado o resultado da correção STN, sem estiramento do sinal sísmico, obtido utilizando as velocidades estimadas dos parâmetros SRC. Também, são apresentados os resultados da aplicação dos três métodos de empilhamento (PMC (STN/STO), SRC pragmático-extendido, SRC global-local) nos dados sintéticos Marmousi e real terrestre da bacia paleozóica Amazônica. Finalmente apresentam-se as discussões sobre os resultados, quanto à resolução da imagem sísmica e custo computacional.

Inversão de dados sísmicos de reflexão a partir da curva do tempo de trânsito

A presente Dissertação de Mestrado tem como objetivo o estudo do problema de inversão sísmica baseada em refletores planos para arranjo fonte-comum (FC) e ponto-médiocomum (PMC). O modelo direto é descrito por camadas homogêneas, isotrópicas com interfaces plano-horizontais. O problema é relacionado ao empilhamento NMO baseado na otimização da função semblance, para seções PMC corrigidas de sobretempo normal (NMO). O estudo foi baseado em dois princípios. O primeiro princípio adotado foi de combinar dois grupos de métodos de inversão: um Método Global e um Método Local. O segundo princípio adotado foi o de cascata, segundo a teoria Wichert-Herglotz-Bateman, que estabelece que para conhecer uma camada inferior tem-se que conhecer primeiro a camada superior (dissecação). A aplicação do estudo é voltada à simulação sísmica de Bacia Sedimentar do Solimões e de Bacia Marinha para se obter uma distribuição local 1D de velocidades e espessuras para a subsuperfície em horizontes alvo. Sendo assim, limitamos a inversão entre 4 e 11 refletores, uma vez que na prática a indústria limita uma interpretação realizada apenas em número equivalente de 3 a 4 refletores principais. Ressalta-se que este modelo é aplicável como condição inicial ao imageamento de seções sísmicas em regiões geologicamente complexas com variação horizontal suave de velocidades. Os dados sintéticos foram gerados a partir dos modelos relacionados a informações geológicas, o que corresponde a uma forte informação a priori no modelo de inversão. Para a construção dos modelos relacionados aos projetos da Rede Risco Exploratório (FINEP) e de formação de recursos humanos da ANP em andamento, analisamos os seguintes assuntos relevantes: (1) Geologia de bacias sedimentares terrestre dos Solimões e ma rinha (estratigráfica, estrutural, tectônica e petrolífera); (2) Física da resolução vertical e horizontal; e (3) Discretização temporal-espacial no cubo de multi-cobertura. O processo de inversão é dependente do efeito da discretização tempo-espacial do campo de ondas, dos parâmetros físicos do levantamento sísmico, e da posterior reamostragem no cubo de cobertura múltipla. O modelo direto empregado corresponde ao caso do operador do empilhamento NMO (1D), considerando uma topografia de observação plana. O critério básico tomado como referência para a inversão e o ajuste de curvas é a norma 2 (quadrática). A inversão usando o presente modelo simples é computacionalmente atrativa por ser rápida, e conveniente por permitir que vários outros recursos possam ser incluídos com interpretação física lógica; por exemplo, a Zona de Fresnel Projetada (ZFP), cálculo direto da divergência esférica, inversão Dix, inversão linear por reparametrização, informações a priori, regularização. A ZFP mostra ser um conceito út il para estabelecer a abertura da janela espacial da inversão na seção tempo-distância, e representa a influência dos dados na resolução horizontal. A estimativa da ZFP indica uma abertura mínima com base num modelo adotado, e atualizável. A divergência esférica é uma função suave, e tem base física para ser usada na definição da matriz ponderação dos dados em métodos de inversão tomográfica. A necessidade de robustez na inversão pode ser analisada em seções sísmicas (FC, PMC) submetida a filtragens (freqüências de cantos: 5;15;75;85; banda-passante trapezoidal), onde se pode identificar, comparar e interpretar as informações contidas. A partir das seções, concluímos que os dados são contaminados com pontos isolados, o que propõe métodos na classe dos considerados robustos, tendo-se como referência a norma 2 (quadrados- mínimos) de ajuste de curvas. Os algoritmos foram desenvolvidos na linguagem de programação FORTRAN 90/95, usando o programa MATLAB para apresentação de resultados, e o sistema CWP/SU para modelagem sísmica sintética, marcação de eventos e apresentação de resultados.

Vibro-Acoustography Beam Formation with Reconfigurable Arrays

In this work, we present a numerical study of the use of reconfigurable arrays (RCA) for vibro-acoustography (VA) beam formation. A parametric study of the aperture selection, number of channels, number of elements, focal distance, and steering parameters is presented to show the feasibility and evaluate the performance of VA imaging based on RCA. The transducer aperture was based on two concentric arrays driven by two continuous-wave or toneburst signals at slightly different frequencies. The mathematical model considers a homogeneous, isotropic, inviscid medium. The point-spread function of the system is calculated based on angular spectrum methods using the Fresnel approximation for rectangular sources. Simulations considering arrays with 50 x 50 to 200 x 200 elements with number of channels varying in the range of 32 to 128 are evaluated to identify the best configuration for VA. Advantages of two-dimensional and RCA arrays and aspects related to clinical importance of the RCA implementation in VA, such as spatial resolution, image frame rate, and commercial machine implementation, are discussed. It is concluded that RCA transducers can produce spatial resolution similar to confocal transducers and steering is possible in the elevational and azimuthal planes. Optimal settings for number of elements, number of channels, maximum steering, and focal distance are suggested for VA clinical applications. Furthermore, an optimization for beam steering based on the channel assignment is proposed for balancing the contribution of the two waves in the steered focus.

Simulative Investigation on the Electronic, Vibrational and Optical Properties of the Ge2Sb2Te5 Chalcogenide

Chalcogenides are chemical compounds with at least one of the following three chemical elements: Sulfur (S), Selenium (Sn), and Tellurium (Te). As opposed to other materials, chalcogenide atomic arrangement can quickly and reversibly inter-change between crystalline, amorphous and liquid phases. Therefore they are also called phase change materials. As a results, chalcogenide thermal, optical, structural, electronic, electrical properties change pronouncedly and significantly with the phase they are in, leading to a host of different applications in different areas. The noticeable optical reflectivity difference between crystalline and amorphous phases has allowed optical storage devices to be made. Their very high thermal conductivity and heat fusion provided remarkable benefits in the frame of thermal energy storage for heating and cooling in residential and commercial buildings. The outstanding resistivity difference between crystalline and amorphous phases led to a significant improvement of solid state storage devices from the power consumption to the re-writability to say nothing of the shrinkability. This work focuses on a better understanding from a simulative stand point of the electronic, vibrational and optical properties for the crystalline phases (hexagonal and faced-centered cubic). The electronic properties are calculated implementing the density functional theory combined with pseudo-potentials, plane waves and the local density approximation. The phonon properties are computed using the density functional perturbation theory. The phonon dispersion and spectrum are calculated using the density functional perturbation theory. As it relates to the optical constants, the real part dielectric function is calculated through the Drude-Lorentz expression. The imaginary part results from the real part through the Kramers-Kronig transformation. The refractive index, the extinctive and absorption coefficients are analytically calculated from the dielectric function. The transmission and reflection coefficients are calculated using the Fresnel equations. All calculated optical constants compare well the experimental ones.

Optimal beam forming for laser beam propagation through random media

Focusing optical beams on a target through random propagation media is very important in many applications such as free space optical communica- tions and laser weapons. Random media effects such as beam spread and scintillation can degrade the optical system's performance severely. Compensation schemes are needed in these applications to overcome these random media effcts. In this research, we investigated the optimal beams for two different optimization criteria: one is to maximize the concentrated received intensity and the other is to minimize the scintillation index at the target plane. In the study of the optimal beam to maximize the weighted integrated intensity, we derive a similarity relationship between pupil-plane phase screen and extended Huygens-Fresnel model, and demonstrate the limited utility of maximizing the average integrated intensity. In the study ofthe optimal beam to minimize the scintillation index, we derive the first- and second-order moments for the integrated intensity of multiple coherent modes. Hermite-Gaussian and Laguerre-Gaussian modes are used as the coherent modes to synthesize an optimal partially coherent beam. The optimal beams demonstrate evident reduction of scintillation index, and prove to be insensitive to the aperture averaging effect.

In-situ measurement and characterization of cloud particles using digital in-line holography

Satellite measurement validations, climate models, atmospheric radiative transfer models and cloud models, all depend on accurate measurements of cloud particle size distributions, number densities, spatial distributions, and other parameters relevant to cloud microphysical processes. And many airborne instruments designed to measure size distributions and concentrations of cloud particles have large uncertainties in measuring number densities and size distributions of small ice crystals. HOLODEC (Holographic Detector for Clouds) is a new instrument that does not have many of these uncertainties and makes possible measurements that other probes have never made. The advantages of HOLODEC are inherent to the holographic method. In this dissertation, I describe HOLODEC, its in-situ measurements of cloud particles, and the results of its test flights. I present a hologram reconstruction algorithm that has a sample spacing that does not vary with reconstruction distance. This reconstruction algorithm accurately reconstructs the field to all distances inside a typical holographic measurement volume as proven by comparison with analytical solutions to the Huygens-Fresnel diffraction integral. It is fast to compute, and has diffraction limited resolution. Further, described herein is an algorithm that can find the position along the optical axis of small particles as well as large complex-shaped particles. I explain an implementation of these algorithms that is an efficient, robust, automated program that allows us to process holograms on a computer cluster in a reasonable time. I show size distributions and number densities of cloud particles, and show that they are within the uncertainty of independent measurements made with another measurement method. The feasibility of another cloud particle instrument that has advantages over new standard instruments is proven. These advantages include a unique ability to detect shattered particles using three-dimensional positions, and a sample volume size that does not vary with particle size or airspeed. It also is able to yield two-dimensional particle profiles using the same measurements.

Culture experiments to evaluate CO2 effects on growth and morphology of the coccolithophore Pleurochrysis cf. pseudoroscoffensis

In the framework of the Italian project CO2 Monitor, two culture experiments were carried out in vertical closed photobioreactors with Pleurochrysis cf. pseudoroscoffensis Gayral & Fresnel 1983, a coccolithophore isolated from the Gulf of Trieste (North Adriatic Sea). The aim of this study was to investigate the effects induced by pH variations due to CO2 emissions on its growth and morphology. Two experiments were carried out with two different CO2 concentrations (1 and 2%). Growth and cell size in light microscopy, morphology and coccolith size in scanning electron microscopy, particulate nitrogen (PN) and particulate inorganic and organic carbon (PIC and POC) content of the coccolithophore were investigated during the light and dark phases. Dissolved inorganic nutrient (nitrate and phosphate) concentrations and pH of the medium and the presence of heterotrophic prokaryotes (HP) were monitored as well.