Contribution to the Development of the LHCb Vertex Locator Readout Electronics

L'expérience LHCb sera installée sur le futur accélérateur LHC du CERN. LHCb est un spectromètre à un bras consacré aux mesures de précision de la violation CP et à l'étude des désintégrations rares des particules qui contiennent un quark b. Actuellement LHCb se trouve dans la phase finale de recherche et développement et de conception. La construction a déjà commencé pour l'aimant et les calorimètres. Dans le Modèle Standard, la violation CP est causée par une phase complexe dans la matrice 3x3 CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) de mélange des quarks. L'expérience LHCb compte utiliser les mesons B pour tester l'unitarité de cette matrice, en mesurant de diverses manières indépendantes tous les angles et côtés du "triangle d'unitarité". Cela permettra de surdéterminer le modèle et, peut-être, de mettre en évidence des incohérences qui seraient le signal de l'existence d'une physique au-delà du Modèle Standard. La reconstruction du vertex de désintégration des particules est une condition fondamentale pour l'expérience LHCb. La présence d'un vertex secondaire déplacé est une signature de la désintégration de particules avec un quark b. Cette signature est utilisée dans le trigger topologique du LHCb. Le Vertex Locator (VeLo) doit fournir des mesures précises de coordonnées de passage des traces près de la région d'interaction. Ces points sont ensuite utilisés pour reconstruire les trajectoires des particules et l'identification des vertices secondaires et la mesure des temps de vie des hadrons avec quark b. L'électronique du VeLo est une partie essentielle du système d'acquisition de données et doit se conformer aux spécifications de l'électronique de LHCb. La conception des circuits doit maximiser le rapport signal/bruit pour obtenir la meilleure performance de reconstruction des traces dans le détecteur. L'électronique, conçue en parallèle avec le développement du détecteur de silicium, a parcouru plusieurs phases de "prototyping" décrites dans cette thèse.<br/><br/>The LHCb experiment is being built at the future LHC accelerator at CERN. It is a forward single-arm spectrometer dedicated to precision measurements of CP violation and rare decays in the b quark sector. Presently it is finishing its R&D and final design stage. The construction already started for the magnet and calorimeters. In the Standard Model, CP violation arises via the complex phase of the 3 x 3 CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) quark mixing matrix. The LHCb experiment will test the unitarity of this matrix by measuring in several theoretically unrelated ways all angles and sides of the so-called "unitary triangle". This will allow to over-constrain the model and - hopefully - to exhibit inconsistencies which will be a signal of physics beyond the Standard Model. The Vertex reconstruction is a fundamental requirement for the LHCb experiment. Displaced secondary vertices are a distinctive feature of b-hadron decays. This signature is used in the LHCb topology trigger. The Vertex Locator (VeLo) has to provide precise measurements of track coordinates close to the interaction region. These are used to reconstruct production and decay vertices of beauty-hadrons and to provide accurate measurements of their decay lifetimes. The Vertex Locator electronics is an essential part of the data acquisition system and must conform to the overall LHCb electronics specification. The design of the electronics must maximise the signal to noise ratio in order to achieve the best tracking reconstruction performance in the detector. The electronics is being designed in parallel with the silicon detector development and went trough several prototyping phases, which are described in this thesis.

Physiological noise in human cerebellar fMRI.

OBJECTIVES: To compare physiological noise contributions in cerebellar and cerebral regions of interest in high-resolution functional magnetic resonance imaging (fMRI) data acquired at 7T, to estimate the need for physiological noise removal in cerebellar fMRI. MATERIALS AND METHODS: Signal fluctuations in high resolution (1 mm isotropic) 7T fMRI data were attributed to one of the following categories: task-induced BOLD changes, slow drift, signal changes correlated with the cardiac and respiratory cycles, signal changes related to the cardiac rate and respiratory volume per unit of time or other. [Formula: see text] values for all categories were compared across regions of interest. RESULTS: In this high-resolution data, signal fluctuations related to the phase of the cardiac cycle and cardiac rate were shown to be significant, but comparable between cerebellar and cerebral regions of interest. However, respiratory related signal fluctuations were increased in the cerebellar regions, with explained variances that were up to 80 % higher than for the primary motor cortex region. CONCLUSION: Even at a millimetre spatial resolution, significant correlations with both cardiac and respiratory RETROICOR components were found in all healthy volunteer data. Therefore, physiological noise correction is highly likely to improve the temporal signal-to-noise ratio (SNR) for cerebellar fMRI at 7T, even at high spatial resolution.

Michelson interferometer with porch swing bearing for portable FTIR spectrometer

The interferometer for low resolution portable Fourier Transform middle infrared spectrometer was developed and studied experimentally. The final aim was a concept for a commercial prototype. Because of the portability, the interferometer should be compact sized and insensitive to the external temperature variations and mechanical vibrations. To minimise the size and manufacturing costs, Michelson interferometer based on plane mirrors and porch swing bearing was selected and no dynamic alignment system was applied. The driving motor was a linear voice coil actuator to avoid mechanical contact of the moving parts. The driving capability for low mirror driving velocities required by the photoacoustic detectors was studied. In total, four versions of such an interferometer were built and experimentally studied. The thermal stability during the external temperature variations and the alignment stability over the mirror travel were measured using the modulation depth of the wide diameter laser beam. Method for estimating the mirror tilt angle from the modulation depth was developed to take account the effect from the non-uniform intensity distribution of the laser beam. The spectrometer stability was finally studied also using the infrared radiation. The latest interferometer was assembled for the middle infrared spectrometer with spectral range from 750 cm−1 to 4500 cm−1. The interferometer size was (197 × 95 × 79) mm3 with the beam diameter of 25 mm. The alignment stability as the change of the tilt angle over the mirror travel of 3 mm was 5 μrad, which decreases the modulation depth only about 0.7 percent in infrared at 3000 cm−1. During the temperature raise, the modulation depth at 3000 cm−1 changed about 1 . . . 2 percentage units per Celsius over short term and even less than 0.2 percentage units per Celsius over the total temperature raise of 30 °C. The unapodised spectral resolution was 4 cm−1 limited by the aperture size. The best achieved signal to noise ratio was about 38 000:1 with commercially available DLaTGS detector. Although the vibration sensitivity requires still improving, the interferometer performed, as a whole, very well and could be further developed to conform all the requirements of the portable and stable spectrometer.

Topographic distribution of the tibial somatosensory evoked potential using coherence

The objective of the present study was to determine the adequate cortical regions based on the signal-to-noise ratio (SNR) for somatosensory evoked potential (SEP) recording. This investigation was carried out using magnitude-squared coherence (MSC), a frequency domain objective response detection technique. Electroencephalographic signals were collected (International 10-20 System) from 38 volunteers, without history of neurological pathology, during somatosensory stimulation. Stimuli were applied to the right posterior tibial nerve at the rate of 5 Hz and intensity slightly above the motor threshold. Response detection was based on rejecting the null hypothesis of response absence (significance level α= 0.05 and M = 500 epochs). The best detection rates (maximum percentage of volunteers for whom the response was detected for the frequencies between 4.8 and 72 Hz) were obtained for the parietal and central leads mid-sagittal and ipsilateral to the stimulated leg: C4 (87%), P4 (82%), Cz (89%), and Pz (89%). The P37-N45 time-components of the SEP can also be observed in these leads. The other leads, including the central and parietal contralateral and the frontal and fronto-polar leads, presented low detection capacity. If only contralateral leads were considered, the centro-parietal region (C3 and P3) was among the best regions for response detection, presenting a correspondent well-defined N37; however, this was not observed in some volunteers. The results of the present study showed that the central and parietal regions, especially sagittal and ipsilateral to the stimuli, presented the best SNR in the gamma range. Furthermore, these findings suggest that the MSC can be a useful tool for monitoring purposes.

Imagerie à haut contraste et caractérisation d'exoplanètes par la spectroscopie intégrale de champ

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe.

Problèmes de perception de la parole dans le bruit chez les enfants présentant un trouble de traitement auditif

Il est bien connu que les enfants qui présentent un trouble de traitement auditif (TTA) ont de la difficulté à percevoir la parole en présence de bruit de fond. Cependant, il n’existe aucun consensus quant à l’origine de ces difficultés d’écoute. Ce programme de recherche est consacré à l’étude des incapacités sous-jacentes aux problèmes de perception de la parole dans le bruit chez les enfants présentant un TTA. Le Test de Phrases dans le Bruit (TPB) a été développé afin d’examiner si les difficultés de perception de la parole dans le bruit d’enfants ayant un TTA relèvent d’incapacités auditives, d’incapacités cognitivo-linguistiques ou des deux à la fois. Il comprend cinq listes de 40 phrases, composées de 20 phrases hautement prévisibles (HP) et de 20 phrases faiblement prévisibles (FP), de même qu’un bruit de verbiage. Le niveau de connaissance du mot clé (mot final) de chaque phrase a été vérifié auprès d’un groupe d’enfants âgés entre 5 et 7 ans. De plus, le degré d’intelligibilité des phrases dans le bruit et le niveau de prévisibilité ont été mesurées auprès d’adultes pour assurer l’équivalence entre les listes. Enfin, le TPB a été testé auprès d’un groupe de 15 adultes et d’un groupe de 69 enfants sans trouble auditif avant de l’administrer à des enfants ayant un TTA. Pour répondre à l’objectif général du programme de recherche, dix enfants présentant un TTA (groupe TTA) et dix enfants jumelés selon le genre et l’âge sans difficulté auditive (groupe témoin) ont été soumis aux listes de phrases du TPB selon différentes conditions sonores. Le groupe TTA a obtenu des performances significativement plus faibles comparativement au groupe témoin à la tâche de reconnaissance du mot final des phrases présentées en même temps qu’un bruit de verbiage compétitif, aux rapports signal-sur-bruit de 0, +3 et +4 dB. La moyenne de la différence des scores obtenue entre les phrases HP et FP à chaque condition expérimentale de bruit était similaire entre les deux groupes. Ces résultats suggèrent que les enfants ayant un TTA ne se distinguent pas des enfants du groupe témoin au plan de la compétence cognitivo-linguistique. L’origine des difficultés d’écoute de la parole dans le bruit dans le cas de TTA serait de nature auditive. Toutefois, les résultats des analyses de groupe diffèrent de ceux des analyses individuelles. Les divers profils de difficultés d’écoute identifiés auprès de cette cohorte appuient l’importance de continuer les investigations afin de mieux comprendre l’origine des problèmes de perception de la parole dans le bruit dans le cas de TTA. En connaissant mieux la nature de ces difficultés, il sera possible d’identifier les stratégies d’intervention de réadaptation spécifiques et efficaces.

Les cartes fonctionnelles dans le cortex visuel du chat : nouvelles stratégies d’évaluation en imagerie optique et mise en évidence de l’organisation anatomo-fonctionnelle

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire.

Développement d'une nouvelle méthode de caractérisation tissulaire basée sur l'élastographie ultrasonore : application pour le dépistage précoce du cancer du sein

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez la femme. Il demeure la cause de mortalité la plus importante chez les femmes âgées entre 35 et 55 ans. Au Canada, plus de 20 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année. Les études scientifiques démontrent que l'espérance de vie est étroitement liée à la précocité du diagnostic. Les moyens de diagnostic actuels comme la mammographie, l'échographie et la biopsie comportent certaines limitations. Par exemple, la mammographie permet de diagnostiquer la présence d’une masse suspecte dans le sein, mais ne peut en déterminer la nature (bénigne ou maligne). Les techniques d’imagerie complémentaires comme l'échographie ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont alors utilisées en complément, mais elles sont limitées quant à la sensibilité et la spécificité de leur diagnostic, principalement chez les jeunes femmes (< 50 ans) ou celles ayant un parenchyme dense. Par conséquent, nombreuses sont celles qui doivent subir une biopsie alors que leur lésions sont bénignes. Quelques voies de recherche sont privilégiées depuis peu pour réduire l`incertitude du diagnostic par imagerie ultrasonore. Dans ce contexte, l’élastographie dynamique est prometteuse. Cette technique est inspirée du geste médical de palpation et est basée sur la détermination de la rigidité des tissus, sachant que les lésions en général sont plus rigides que le tissu sain environnant. Le principe de cette technique est de générer des ondes de cisaillement et d'en étudier la propagation de ces ondes afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu via un problème inverse préétabli. Cette thèse vise le développement d'une nouvelle méthode d'élastographie dynamique pour le dépistage précoce des lésions mammaires. L'un des principaux problèmes des techniques d'élastographie dynamiques en utilisant la force de radiation est la forte atténuation des ondes de cisaillement. Après quelques longueurs d'onde de propagation, les amplitudes de déplacement diminuent considérablement et leur suivi devient difficile voir impossible. Ce problème affecte grandement la caractérisation des tissus biologiques. En outre, ces techniques ne donnent que l'information sur l'élasticité tandis que des études récentes montrent que certaines lésions bénignes ont les mêmes élasticités que des lésions malignes ce qui affecte la spécificité de ces techniques et motive la quantification de d'autres paramètres mécaniques (e.g.la viscosité). Le premier objectif de cette thèse consiste à optimiser la pression de radiation acoustique afin de rehausser l'amplitude des déplacements générés. Pour ce faire, un modèle analytique de prédiction de la fréquence de génération de la force de radiation a été développé. Une fois validé in vitro, ce modèle a servi pour la prédiction des fréquences optimales pour la génération de la force de radiation dans d'autres expérimentations in vitro et ex vivo sur des échantillons de tissu mammaire obtenus après mastectomie totale. Dans la continuité de ces travaux, un prototype de sonde ultrasonore conçu pour la génération d'un type spécifique d'ondes de cisaillement appelé ''onde de torsion'' a été développé. Le but est d'utiliser la force de radiation optimisée afin de générer des ondes de cisaillement adaptatives, et de monter leur utilité dans l'amélioration de l'amplitude des déplacements. Contrairement aux techniques élastographiques classiques, ce prototype permet la génération des ondes de cisaillement selon des parcours adaptatifs (e.g. circulaire, elliptique,…etc.) dépendamment de la forme de la lésion. L’optimisation des dépôts énergétiques induit une meilleure réponse mécanique du tissu et améliore le rapport signal sur bruit pour une meilleure quantification des paramètres viscoélastiques. Il est aussi question de consolider davantage les travaux de recherches antérieurs par un appui expérimental, et de prouver que ce type particulier d'onde de torsion peut mettre en résonance des structures. Ce phénomène de résonance des structures permet de rehausser davantage le contraste de déplacement entre les masses suspectes et le milieu environnant pour une meilleure détection. Enfin, dans le cadre de la quantification des paramètres viscoélastiques des tissus, la dernière étape consiste à développer un modèle inverse basé sur la propagation des ondes de cisaillement adaptatives pour l'estimation des paramètres viscoélastiques. L'estimation des paramètres viscoélastiques se fait via la résolution d'un problème inverse intégré dans un modèle numérique éléments finis. La robustesse de ce modèle a été étudiée afin de déterminer ces limites d'utilisation. Les résultats obtenus par ce modèle sont comparés à d'autres résultats (mêmes échantillons) obtenus par des méthodes de référence (e.g. Rheospectris) afin d'estimer la précision de la méthode développée. La quantification des paramètres mécaniques des lésions permet d'améliorer la sensibilité et la spécificité du diagnostic. La caractérisation tissulaire permet aussi une meilleure identification du type de lésion (malin ou bénin) ainsi que son évolution. Cette technique aide grandement les cliniciens dans le choix et la planification d'une prise en charge adaptée.

ECG Noise Removal using GA tuned Sign-Data Least Mean Square Algorithm

Adaptive filter is a primary method to filter Electrocardiogram (ECG), because it does not need the signal statistical characteristics. In this paper, an adaptive filtering technique for denoising the ECG based on Genetic Algorithm (GA) tuned Sign-Data Least Mean Square (SD-LMS) algorithm is proposed. This technique minimizes the mean-squared error between the primary input, which is a noisy ECG, and a reference input which can be either noise that is correlated in some way with the noise in the primary input or a signal that is correlated only with ECG in the primary input. Noise is used as the reference signal in this work. The algorithm was applied to the records from the MIT -BIH Arrhythmia database for removing the baseline wander and 60Hz power line interference. The proposed algorithm gave an average signal to noise ratio improvement of 10.75 dB for baseline wander and 24.26 dB for power line interference which is better than the previous reported works

GA-based Optimization of a Fourth-order Sigma-delta Modulator for WLAN

Over-sampling sigma-delta analogue-to-digital converters (ADCs) are one of the key building blocks of state of the art wireless transceivers. In the sigma-delta modulator design the scaling coefficients determine the overall signal-to-noise ratio. Therefore, selecting the optimum value of the coefficient is very important. To this end, this paper addresses the design of a fourthorder multi-bit sigma-delta modulator for Wireless Local Area Networks (WLAN) receiver with feed-forward path and the optimum coefficients are selected using genetic algorithm (GA)- based search method. In particular, the proposed converter makes use of low-distortion swing suppression SDM architecture which is highly suitable for low oversampling ratios to attain high linearity over a wide bandwidth. The focus of this paper is the identification of the best coefficients suitable for the proposed topology as well as the optimization of a set of system parameters in order to achieve the desired signal-to-noise ratio. GA-based search engine is a stochastic search method which can find the optimum solution within the given constraints.

Climate response to basin-scale warming and cooling of the North Atlantic Ocean

Using experiments with an atmospheric general circulation model, the climate impacts of a basin-scale warming or cooling of the North Atlantic Ocean are investigated. Multidecadal fluctuations with this pattern were observed during the twentieth century, and similar variations--but with larger amplitude--are believed to have occurred in the more distant past. It is found that in all seasons the response to warming the North Atlantic is strongest, in the sense of highest signal-to-noise ratio, in the Tropics. However there is a large seasonal cycle in the climate impacts. The strongest response is found in boreal summer and is associated with suppressed precipitation and elevated temperatures over the lower-latitude parts of North and South America. In August­-September-­October there is a significant reduction in the vertical shear in the main development region for Atlantic hurricanes. In winter and spring, temperature anomalies over land in the extratropics are governed by dynamical changes in circulation rather than simply reflecting a thermodynamic response to the warming or cooling of the ocean. The tropical climate response is primarily forced by the tropical SST anomalies, and the major features are in line with simple models of the tropical circulation response to diabatic heating anomalies. The extratropical climate response is influenced both by tropical and higher-latitude SST anomalies and exhibits nonlinear sensitivity to the sign of the SST forcing. Comparisons with multidecadal changes in sea level pressure observed in the twentieth century support the conclusion that the impact of North Atlantic SST change is most important in summer, but also suggest a significant influence in lower latitudes in autumn and winter. Significant climate impacts are not restricted to the Atlantic basin, implying that the Atlantic Ocean could be an important driver of global decadal variability. The strongest remote impacts are found to occur in the tropical Pacific region in June­-August and September­-November. Surface anomalies in this region have the potential to excite coupled ocean­atmosphere feedbacks, which are likely to play an important role in shaping the ultimate climate response.

The potential to narrow uncertainty in projections of regional precipitation change

We separate and quantify the sources of uncertainty in projections of regional (*2,500 km) precipitation changes for the twenty-first century using the CMIP3 multi-model ensemble, allowing a direct comparison with a similar analysis for regional temperature changes. For decadal means of seasonal mean precipitation, internal variability is the dominant uncertainty for predictions of the first decade everywhere, and for many regions until the third decade ahead. Model uncertainty is generally the dominant source of uncertainty for longer lead times. Scenario uncertainty is found to be small or negligible for all regions and lead times, apart from close to the poles at the end of the century. For the global mean, model uncertainty dominates at all lead times. The signal-to-noise ratio (S/N) of the precipitation projections is highest at the poles but less than 1 almost everywhere else, and is far lower than for temperature projections. In particular, the tropics have the highest S/N for temperature, but the lowest for precipitation. We also estimate a ‘potential S/N’ by assuming that model uncertainty could be reduced to zero, and show that, for regional precipitation, the gains in S/N are fairly modest, especially for predictions of the next few decades. This finding suggests that adaptation decisions will need to be made in the context of high uncertainty concerning regional changes in precipitation. The potential to narrow uncertainty in regional temperature projections is far greater. These conclusions on S/N are for the current generation of models; the real signal may be larger or smaller than the CMIP3 multi-model mean. Also note that the S/N for extreme precipitation, which is more relevant for many climate impacts, may be larger than for the seasonal mean precipitation considered here.

Stray light analysis of SALEX instrument

Discrepancies between recent global earth albedo anomaly data obtained from the climate models, space and ground observations call for a new and better earth reflectance measurement technique. The SALEX (Space Ashen Light Explorer) instrument is a space-based visible and IR instrument for precise estimation of the global earth albedo by measuring the ashen light reflected off the shadowy side of the Moon from the low earth orbit. The instrument consists of a conventional 2-mirror telescope, a pair of a 3-mirror visible imager and an IR bolometer. The performance of this unique multi-channel optical system is sensitive to the stray light contamination due to the complex optical train incorporating several reflecting and refracting elements, associated mounts and the payload mechanical enclosure. This could be further aggravated by the very bright and extended observation target (i.e. the Moon). In this paper, we report the details of extensive stray light analysis including ghosts and cross-talks, leading to the optimum set of stray light precautions for the highest signal-to-noise ratio attainable.

Mapping and controlling molecular processes: The application of control theory and system identification algorithms to ASOPS and other fast pulse spectroscopies

Asynchronous Optical Sampling (ASOPS) [1,2] and frequency comb spectrometry [3] based on dual Ti:saphire resonators operated in a master/slave mode have the potential to improve signal to noise ratio in THz transient and IR sperctrometry. The multimode Brownian oscillator time-domain response function described by state-space models is a mathematically robust framework that can be used to describe the dispersive phenomena governed by Lorentzian, Debye and Drude responses. In addition, the optical properties of an arbitrary medium can be expressed as a linear combination of simple multimode Brownian oscillator functions. The suitability of a range of signal processing schemes adopted from the Systems Identification and Control Theory community for further processing the recorded THz transients in the time or frequency domain will be outlined [4,5]. Since a femtosecond duration pulse is capable of persistent excitation of the medium within which it propagates, such approach is perfectly justifiable. Several de-noising routines based on system identification will be shown. Furthermore, specifically developed apodization structures will be discussed. These are necessary because due to dispersion issues, the time-domain background and sample interferograms are non-symmetrical [6-8]. These procedures can lead to a more precise estimation of the complex insertion loss function. The algorithms are applicable to femtosecond spectroscopies across the EM spectrum. Finally, a methodology for femtosecond pulse shaping using genetic algorithms aiming to map and control molecular relaxation processes will be mentioned.

An ultra-wide passband (5-30µm) filter for FTIR studies of Photosystem II

This paper reports on the design and manufacture of an ultra-wide (5-30µm) infrared edge filter for use in FTIR studies of the low frequency vibrational modes of metallo-proteins. We present details of the spectral design and manufacture of such a filter which meets the demanding bandwidth and transparency requirements of the application, and spectra that present the new data possible with such a filter. A design model of the filter and the materials used in its construction has been developed capable of accurately predicting spectral performance at both 300K and at the reduced operating temperature at 200K. This design model is based on the optical and semiconductor properties of a multilayer filter containing PbTe (IV-VI) layer material in combination with the dielectric dispersion of ZnSe (II-VI) deposited on a CdTe (II-VI) substrate together with the use of BaF2 (II-VII) as an antireflection layer. Comparisons between the computed spectral performance of the model and spectral measurements from manufactured coatings over a wavelength range of 4-30µm and temperature range 300-200K are presented. Finally we present the results of the FTIR measurements of Photosystem II showing the improvement in signal to noise ratio of the measurement due to using the filter, together with a light induced FTIR difference spectrum of Photosystem II.