Using laboratory and field measurements to constrain a single habit shortwave optical parameterization for cirrus

A single habit parameterization for the shortwave optical properties of cirrus is presented. The parameterization utilizes a hollow particle geometry, with stepped internal cavities as identified in laboratory and field studies. This particular habit was chosen as both experimental and theoretical results show that the particle exhibits lower asymmetry parameters when compared to solid crystals of the same aspect ratio. The aspect ratio of the particle was varied as a function of maximum dimension, D, in order to adhere to the same physical relationships assumed in the microphysical scheme in a configuration of the Met Office atmosphere-only global model, concerning particle mass, size and effective density. Single scattering properties were then computed using T-Matrix, Ray Tracing with Diffraction on Facets (RTDF) and Ray Tracing (RT) for small, medium, and large size parameters respectively. The scattering properties were integrated over 28 particle size distributions as used in the microphysical scheme. The fits were then parameterized as simple functions of Ice Water Content (IWC) for 6 shortwave bands. The parameterization was implemented into the GA6 configuration of the Met Office Unified Model along with the current operational long-wave parameterization. The GA6 configuration is used to simulate the annual twenty-year short-wave (SW) fluxes at top-of-atmosphere (TOA) and also the temperature and humidity structure of the atmosphere. The parameterization presented here is compared against the current operational model and a more recent habit mixture model.

Rossby wave propagation tracks in southern hemisphere mean basic flows associated to generalized frosts over southern South America

Based on previous observational studies on cold extreme events over southern South America, some recent studies suggest a possible relationship between Rossby wave propagation remotely triggered and the occurrence of frost. Using the concept of linear theory of Rossby wave propagation, this paper analyzes the propagation of such waves in two different basic states that correspond to austral winters with maximum and minimum generalized frost frequency of occurrence in the Wet Pampa (central-northwest Argentina). In order to determine the wave trajectories, the ray tracing technique is used in this study. Some theoretical discussion about this technique is also presented. The analysis of the basic state, from a theoretical point of view and based on the calculation of ray tracings, corroborates that remotely excited Rossby waves is the mechanism that favors the maximum occurrence of generalized frosts. The basic state in which the waves propagate is what conditions the places where they are excited. The Rossby waves are excited in determined places of the atmosphere, propagating towards South America along the jet streams that act as wave guides, favoring the generation of generalized frosts. In summary, this paper presents an overview of the ray tracing technique and how it can be used to investigate an important synoptic event, such as frost in a specific region, and its relationship with the propagation of large scale planetary waves.

Front tracking with moving-least-squares surfaces

The representation of interfaces by means of the algebraic moving-least-squares (AMLS) technique is addressed. This technique, in which the interface is represented by an unconnected set of points, is interesting for evolving fluid interfaces since there is]to surface connectivity. The position of the surface points can thus be updated without concerns about the quality of any surface triangulation. We introduce a novel AMLS technique especially designed for evolving-interfaces applications that we denote RAMLS (for Robust AMLS). The main advantages with respect to previous AMLS techniques are: increased robustness, computational efficiency, and being free of user-tuned parameters. Further, we propose a new front-tracking method based on the Lagrangian advection of the unconnected point set that defines the RAMLS surface. We assume that a background Eulerian grid is defined with some grid spacing h. The advection of the point set makes the surface evolve in time. The point cloud can be regenerated at any time (in particular, we regenerate it each time step) by intersecting the gridlines with the evolved surface, which guarantees that the density of points on the surface is always well balanced. The intersection algorithm is essentially a ray-tracing algorithm, well-studied in computer graphics, in which a line (ray) is traced so as to detect all intersections with a surface. Also, the tracing of each gridline is independent and can thus be performed in parallel. Several tests are reported assessing first the accuracy of the proposed RAMLS technique, and then of the front-tracking method based on it. Comparison with previous Eulerian, Lagrangian and hybrid techniques encourage further development of the proposed method for fluid mechanics applications. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Refraction corrected transmission ultrasound computed tomography for application in breast imaging

Purpose: We present an iterative framework for CT reconstruction from transmission ultrasound data which accurately and efficiently models the strong refraction effects that occur in our target application: Imaging the female breast. Methods: Our refractive ray tracing framework has its foundation in the fast marching method (FNMM) and it allows an accurate as well as efficient modeling of curved rays. We also describe a novel regularization scheme that yields further significant reconstruction quality improvements. A final contribution is the development of a realistic anthropomorphic digital breast phantom based on the NIH Visible Female data set. Results: Our system is able to resolve very fine details even in the presence of significant noise, and it reconstructs both sound speed and attenuation data. Excellent correspondence with a traditional, but significantly more computationally expensive wave equation solver is achieved. Conclusions: Apart from the accurate modeling of curved rays, decisive factors have also been our regularization scheme and the high-quality interpolation filter we have used. An added benefit of our framework is that it accelerates well on GPUs where we have shown that clinical 3D reconstruction speeds on the order of minutes are possible.

Modelo 2,5D de predição de propagação para ambientes interiores utilizando o método do traçado de raios

A 2.5D ray-tracing propagation model is proposed to predict radio loss in indoor environment. Specifically, we opted for the Shooting and Bouncing Rays (SBR) method, together with the Geometrieal Theory of Diffrartion (GTD). Besides the line-of-sight propagation (LOS), we consider that the radio waves may experience reflection, refraction, and diffraction (NLOS). In the Shooting and Bouncing Rays (SBR) method, the transmitter antenna launches a bundle of rays that may or may not reach the receiver. Considering the transmitting antenna as a point, the rays will start to launch from this position and can reach the receiver either directly or after reflections, refractions, diffractions, or even after any combination of the previous effects. To model the environment, a database is built to record geometrical characteristics and information on the constituent materials of the scenario. The database works independently of the simulation program, allowing robustness and flexibility to model other seenarios. Each propagation mechanism is treated separately. In line-of-sight propagation, the main contribution to the received signal comes from the direct ray, while reflected, refracted, and diffracted signal dominate when the line-of-sight is blocked. For this case, the transmitted signal reaches the receiver through more than one path, resulting in a multipath fading. The transmitting channel of a mobile system is simulated by moving either the transmitter or the receiver around the environment. The validity of the method is verified through simulations and measurements. The computed path losses are compared with the measured values at 1.8 GHz ftequency. The results were obtained for the main corridor and room classes adjacent to it. A reasonable agreement is observed. The numerical predictions are also compared with published data at 900 MHz and 2.44 GHz frequencies showing good convergence

Optical modeling of aspherical lenses: a human eye study

We have been developing a computational code to project optical lenses, with low aberration effects. Our main interest is model the human eye, particularly, project special corrective lenses. As the lens shape is the focus of the optimization, we have coupled a ray tracing method with Monte Carlo techniques. The initial results indicated that the algorithm must be improved in terms of resolution and reliability.

Measurement of low-derivative surface lenses by two-laser holography with Bi12TiO20 crystals

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Perfil de índices de refração do cristalino humano: simulação computacional

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Análise de propagação de ondas eletromagnéticas em ambiente indoor: modelo do caminho dominante versus traçado de raios e FDTD

Este trabalho trata de alguns modelos de propagação de ondas eletromagnéticas. Primeiramente, foram analisados modelos relacionados com a predição do sinal eletromagnético em ambientes indoor. Os modelos utilizados neste trabalho foram o Traçado de Raios, Caminho Dominante de Energia (DPM) e o FDTD. Para os dois primeiros modelos foi, utilizado um software comercial e para o método FDTD foi desenvolvido um algoritmo para o qual o sinal é analisado em um ambiente com a mesma geometria utilizada no software. Os resultados, para os pontos de recepção analisados, fornecidos pelos três modelos, são concordantes. Verifica-se a influência dos fenômenos de propagação na intensidade do sinal. A relevância deste trabalho encontra-se no fato de não haver, na literatura pesquisada, trabalhos que comparassem os três modelos de predição mencionados, além de propor temas para pesquisas futuras.

Migração (2,5-D) com amplitudes verdadeiras em meios com gradiente constante de velocidade

A migração com amplitudes verdadeiras de dados de reflexão sísmica, em profundidade ou em tempo, possibilita que seja obtida uma medida dos coeficientes de reflexão dos chamados eventos de reflexão primária. Estes eventos são constituídos, por exemplo, pelas reflexões de ondas longitudinais P-P em refletores de curvaturas arbitrárias e suaves. Um dos métodos mais conhecido é o chamado migração de Kirchhoff, através do qual a imagem sísmica é produzida pela integração do campo de ondas sísmicas, utilizando-se superfícies de difrações, denominadas de Superfícies de Huygens. A fim de se obter uma estimativa dos coeficientes de reflexão durante a migração, isto é a correção do efeito do espalhamento geométrico, utiliza-se uma função peso no operador integral de migração. A obtenção desta função peso é feita pela solução assintótica da integral em pontos estacionários. Tanto no cálculo dos tempos de trânsito como na determinação da função peso, necessita-se do traçamento de raios, o que torna a migração em situações de forte heterogeneidade da propriedade física um processo com alto custo computacional. Neste trabalho é apresentado um algoritmo de migração em profundidade com amplitudes verdadeiras, para o caso em que se tem uma fonte sísmica pontual, sendo o modelo de velocidades em subsuperfície representado por uma função que varia em duas dimensões, e constante na terceira dimensão. Esta situação, conhecida como modelo dois-e-meio dimensional (2,5-D), possui características típicas de muitas situações de interesse na exploração do petróleo, como é o caso da aquisição de dados sísmicos 2-D com receptores ao longo de uma linha sísmica e fonte sísmica 3-D. Em particular, é dada ênfase ao caso em que a velocidade de propagação da onda sísmica varia linearmente com a profundidade. Outro tópico de grande importância abordado nesse trabalho diz respeito ao método de inversão sísmica denominado empilhamento duplo de difrações. Através do quociente de dois empilhamentos com pesos apropriados, pode-se determinar propriedades físicas e parâmetros geométricos relacionados com a trajetória do raio refletido, os quais podem ser utilizados a posteriori no processamento dos dados sísmicos, visando por exemplo, a análise de amplitudes.

Projeto e construção de uma câmara reverberante em escala reduzida para a caracterização acústica de materiais absorventes

Na área da Acústica, no que diz respeito às últimas décadas, tem crescido substancialmente a demanda por informações sobre a capacidade de absorção dos materiais acústicos, bem como a utilização de métodos de modelagem que permitam inferir o comportamento acústico dos sistemas reais, os quais demandam uma infraestrutura de porte, o que representa um alto investimento. Assim, visando atender a estas demandas, possibilitar o desenvolvimento de pesquisas sobre as características de absorção sonora de materiais tipicamente regionais e o desenvolvimento de aulas práticas no âmbito da acústica, tanto no curso de graduação quanto na pós-graduação, este trabalho apresenta todas as informações pertinentes ao projeto e construção de uma mini-câmara reverberante, na escala de 1: 6 de um volume de 200 m³. Além disso, é apresentada uma metodologia de qualificação e adequação do campo acústico interno, tendo por base as orientações contidas na norma ISO-354. Por outro lado, são apresentados e discutidos os resultados obtidos, a partir de ensaios realizados nesta mini-câmara, caracterizando e validando os painéis de fibra de coco, desenvolvidos pelo Grupo de Vibração e Acústica, da Universidade Federal do Pará, bem como uma simulação numérica por Raios Acústicos, tendo por base a cavidade acústica da minicâmara, para permitir a validação do modelo numérico a partir dos dados experimentais.

Modelagem sísmica e inversão na presença de anisotropia

A necessidade da adoção de modelos elásticos anisotrópicos, no contexto da sísmica de exploração, vem crescendo com o advento de novas técnicas de aquisição de dados como VSP, walkway VSP, tomografia poço a poço e levantamentos sísmicos com grande afastamento. Meios anisotrópicos, no contexto da sísmica de exploração, são modelos efetivos para explicar a propagação de ondas através de meios que apresentam padrões de heterogeneidade em escala muito menor que o comprimento de onda das ondas sísmicas. Particularmente, estes modelos são muito úteis para explicar o dado sísmico mais robusto que são as medidas de tempo de trânsito. Neste trabalho, são investigados aspectos da propagação de ondas, traçado de raios e inversão de tempos de trânsito em meios anisotrópicos. É estudada a propagação de ondas SH em meios anisotrópicos estratificados na situação mais geral onde estas ondas podem ocorrer, ou seja, em meios monoclínicos com um plano vertical de simetria especular. É mostrado que o campo de ondas SH refletido a partir de um semi-espaço estratificado, não apresenta qualquer informação sobre a possível presença de anisotropia em subsuperfície. São apresentados métodos simples e eficientes para o traçado de raios em 3D através de meios anisotrópicos estratificados, baseados no princípio de Fermat. Estes métodos constituem o primeiro passo para o desenvolvimento de algoritmos de inversão de tempos de trânsito para meios anisotrópicos em 3D, a partir de dados de VSP e walkaway VSP. Esta abordagem é promissora para determinação de modelos de velocidade, que são necessários para migração de dados sísmicos 3D na presença de anisotropia. É efetuada a análise da inversão tomográfica não linear, para meios estratificados transversalmente isotrópicos com um eixo de simetria vertical(TIV). As limitações dos dados de tempo de trânsito de eventos qP para determinação das constantes elásticas, são estabelecidas e caracterizados os efeitos da falta de cobertura angular completa na inversão tomográfica. Um algoritmo de inversão foi desenvolvido e avaliado em dados sintéticos. A aplicação do algoritmo a dados reais demonstra a consistência de meios TIV. Esta abordagem é útil para casos onde há informação a priori sobre a estratificação quase plana das formações e onde os próprios dados do levantamento poço a poço apresentam um alto grau de simetria especular em relação a um plano vertical. Também pode ser útil em interpretações preliminares, onde a estimativa de um meio estratificado, serve como modelo de fundo para se efetuar análises mais detalhadas, por exemplo, como um modelo de velocidades anisotrópico para migração, ou como um modelo de calibração para análises de AVO.

Avaliação de algoritmos para conversão de modelos de velocidade de tempo para profundidade

Ainda hoje, a migração em tempo é o processo de imageamento substancialmente empregado na indústria do petróleo. Tal popularidade é devida ao seu alto grau de eficiência e robustez, além de sua habilidade em focalizar refletores nos mais variados ambientes geológicos. Entretanto, em áreas de alta complexidade geológica a migração em tempo falha de tal forma que a migração em profundidade e um campo de velocidade em profundidade são indispensáveis. Esse campo é geralmente obtido através de processos tomográficos partindo de um campo de velocidade inicial. A conversão de campos de velocidade de tempo para profundidade é uma forma rápida de se obter um campo inicial mais consistente geologicamente para tais processos. Alguns algoritmos de conversão tempo-profundidade recentemente desenvolvidos baseados no traçamento de raios-imagem são revistos e um algoritmo alternativo baseado na propagação da frente de onda-imagem é proposto. Os algoritmos são aplicados a dados sintéticos bidimensionais e avaliados de acordo com suas eficiência e acurácia, destacando suas vantagens, desvantagens e limitações na obtenção de campos de velocidade em profundidade.

Migração com amplitude verdadeira em meios com gradiente constante de velocidade

Este trabalho tem por objetivo a aplicação de um método de migração com amplitudes verdadeiras, considerando-se um meio acústico onde a velocidade de propagação varia linearmente com a profundidade. O método de migração é baseado na teoria dos raios e na integral de migração de Kirchhoff, procurando posicionar de forma correta os refletores e recuperar os respetivos coeficientes de reflexão. No processo de recuperação dos coeficientes de reflexão, busca-se corrigir o fator de espalhamento geométrico de reflexões sísmicas primárias, sem o conhecimento a priori dos refletores procurados. Ao considerar-se configurações fonte-receptor arbitrárias, as reflexões primárias podem ser imageadas no tempo ou profundidade, sendo as amplitudes do campo de ondas migrado uma medida dos coeficientes de reflexão (função do ângulo de incidência). Anteriormente têm sido propostos alguns algoritmos baseados na aproximação de Born ou Kirchhoff. Todos são dados em forma de um operador integral de empilhamento de difrações, que são aplicados à entrada dos dados sísmicos. O resultado é uma seção sísmica migrada, onde cada ponto de reflexão é imageado com uma amplitude proporcional ao coeficiente de reflexão no ponto. No presente caso, o processo de migração faz uso de um modelo com velocidade que apresenta uma distribuição que varia linearmente com a profundidade, conhecido também como gradiente constante de velocidade. O esquema de migração corresponde a uma versão modificada da migração de empilhamento por difração e faz uso explícito da teoria do raio, por exemplo, na descrição de tempos de trânsito e amplitudes das reflexões primárias, com as quais a operação de empilhamento e suas propriedades podem ser entendidas geometricamente. Efeitos como o espalhamento geométrico devido à trajetória do raio levam a distorção das amplitudes. Estes efeitos têm que ser corregidos durante o processamento dos dados sísmicos. Baseados na integral de migração de Kirchhoff e na teoria paraxial dos raios, foi derivada a função peso e o operador da integral por empilhamento de difrações para um modelo sísmico 2,5-D, e aplicado a uma serie de dados sintéticos em ambientes com ruído e livre de ruído. O resultado mostra a precisão e estabilidade do método de migração em um meio 2,5-D como ferramenta para obter informação sobre as propriedades de refletividade da subsuperfície da terra. Neste método não são levados em consideração a existência de caústicas nem a atenuação devido a fricção interna.

Migração em profundidade usando a solução numérica da equação da eiconal

Nos últimos anos tem-se verificado um interesse crescente no desenvolvimento de algoritmos de imageamento sísmico com a finalidade de obter uma imagem da subsuperfície da terra. A migração pelo método de Kirchhoff, por exemplo, é um método de imageamento muito eficiente empregado na busca da localização de refletores na subsuperficie, quando dispomos do cálculo dos tempos de trânsito necessários para a etapa de empilhamento, sendo estes obtidos neste trabalho através da solução da equação eiconal. Primeiramente, é apresentada a teoria da migração de Kirchhoff em profundidade baseada na teoria do raio, sendo em seguida introduzida a equação eiconal, através da qual são obtidos os tempos de trânsitos empregados no empilhamento das curvas de difrações. Em seguida é desenvolvido um algoritmo de migração em profundidade fazendo uso dos tempos de trânsito obtidos através da equação eiconal. Finalmente, aplicamos este algoritmo a dados sintéticos contendo ruído aditivo e múltiplas e obtemos como resultado uma seção sísmica na profundidade. Através dos experimentos feitos neste trabalho observou-se que o algoritmo de migração desenvolvido mostrou-se bastante eficiente e eficaz na reconstrução da imagem dos refletores.