Dissertationen

Kognitive Fähigkeiten wie Sprache, Gedächtnis und Entscheidungsfindung resultieren vermutlich aus der Interaktion vieler fundamentaler neuronaler Elemente, sogenannter kanonischer Schaltkreise. Eine vertiefte Einsicht in das Zusammenwirken dieser kanonischen Schaltkreise verspricht ein besseres Verständnis kognitiver Fähigkeiten, möglicher Funktionsstörungen und Therapieansätze. Die vorliegende Dissertation untersucht ein generatives Modell kanonischer Schaltkreise und erforscht mit dessen Hilfe die Zusammensetzung kognitiver Fähigkeiten aus konstitutiven Mechanismen neuronaler Interaktion. Es wurde ein biologisch-plausibles neuronales Massenmodell erstellt, das mögliche Architekturen kanonischer Schaltkreise generisch berücksichtigt. Anhand von Simulationen sowie Bifurkations- und Stabilitätsanalysen wurde untersucht, inwiefern das Modell grundlegende Operationen der Informationsverarbeitung, nämlich Selektion und temporäre Speicherung einer transienten Stimulation, unterstützt. Die Untersuchung zeigt, dass eine bistabile Aktivität einer neuronalen Population und die Beurteilung der Salienz des Signals den grundlegenden Operationen zugrunde liegen. Die Beurteilung der Salienz beruht dabei hinsichtlich der Signalstärke auf dem Abstand des Arbeitspunktes zu einer Sattel-Knoten-Bifurkation und hinsichtlich der Signalkonsistenz und -vergänglichkeit auf einer Hopf-Separatrix im Zustandsraum des Systems. Die Netzwerkbalance modifiziert diesen Zustandsraum und damit die Funktionsfähigkeit des Modells. Nur ein Drei-Populationenmodell mit getrennten erregenden Populationen für Signalempfang und -emission weist die notwendigen Bedingungen im Zustandsraum auf und genügt der Definition eines minimalen kanonischen Schaltkreises. In diesem Drei-Populationenmodell erleichtert ein Feedbacksignal die Speicherfähigkeit für sensorische Feedforwardsignale. Dementsprechend weisen hierarchisch interagierende minimale kanonische Schaltkreise ein zeitliches Verarbeitungsgedächtnis auf, das zustandsabhängige Verarbeitungsoperationen erlaubt. Die Bedeutung dieser konstitutiven Operationen wird für die neuronalen Operationen Priming und Strukturbildung verdeutlicht. Letztere wurde als wichtiger Mechanismus in einem Netzwerk zur Syntaxanalyse identifiziert und belegt das Potential des Modellansatzes für die neurokognitive Forschung. Diese Dissertation konkretisiert die konnektionistische Ansicht höhere Verarbeitungsoperationen als Ergebnis der Kombination minimaler Verarbeitungselemente zu verstehen und befördert das Verständnis für die Frage wie kognitive Fähigkeiten im Nervengewebe des Gehirns implementiert sind.

Die Arbeit widmet sich der elastokinematischen Modellierung tubulärer Kontinuumsroboter aus Nickel-Titan-Röhrchen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Berücksichtigung des nichtlinearen und hysteresebehafteten Werkstoffverhaltens der Nickel-Titan-Legierung und dessen Einfluss auf das mechanische Verhalten tubulärer Kontinuumsmechanismen. Einleitend erfolgt eine Motivation zur potentiellen Anwendung tubulärer Kontinuumsroboter in der Medizin, eine Gegenüberstellung unterschiedlicher Kanülen zur aktiven Trajektorienverfolgung sowie die Darlegung des Standes der Forschung von tubulären Kontinuumsrobotern. Die Modellierung wird dann in mehreren Stufen, aus zum Teil verschachtelten, Teilmodellen aufgebaut. Zunächst wird die Werkstoffcharakteristik der Nickel-Titan-Legierung durch ein nichtlineares Werkstoffmodell mit Hystereseberücksichtigung abgebildet und mit Messungen verglichen. Darauf aufbauend wird ein Bauteilmodell hergeleitet, welches einzelne Nickel-Titan-Röhrchen unter reiner Biegung abbilden kann. Anschließend erfolgt die Betrachtung der Auswirkung der Werkstoffhysterese auf die Gleichgewichtslage tubulärer Kontinuumsmechanismen sowie die Bestimmung von Gleichgewichtskrümmungen und Übergangswinkeln. Diese Teilmodelle werden aus einer numerischen Kontaktsimulation einer einfachen Röhrchenkombination mit linearelastischem Werkstoffverhalten abgeleitet. Eine Gesamtkinematik führt die, aus den Teilmodellen gewonnenen, kinematischen Zustände zu einer Beschreibung des Bewegungsverhaltens des gesamten Kontinuumsmechanismus zusammen. Zur Beurteilung der Modellqualität erfolgen Messungen der Trajektorie der Röhrchenenden eines tubulären Kontinuumsmechanismus aus zwei Röhrchen. Es wird gezeigt, dass es mit der Modellierungsweise möglich ist, die gesamte Trajektorie für eine maximale Kanülenlänge von 70 mm mit einer maximalen euklidischen Abweichung von etwa 2 mm abzubilden. Die Kalibrierung der kinematischen Zustände reduziert die maximale euklidische Abweichung deutlich unter 1 mm. Basierend auf dem nichtlinearen Bauteilmodell und der berechneten Gleichgewichtslage erfolgt eine modellbasierte Bestimmung der erforderlichen Antriebskräfte zum Verschieben der Röhrchen und der Vergleich dieser mit Messungen. Die Arbeit schließt mit der Beschreibung aller verwendeten Experimentalaufbauten ab. Dazu gehören die Antriebseinheit zur Verschiebung der Röhrchen, eine schwenkbare Austrittsbuchse zur Erhöhung der Bewegungsfreiheit tubulärer Kontinuumsmechanismen, ein Stereokamera-Messsystem zur Trajektorienmessung und ein Kraftmesssystem zur Bestimmung der erforderlichen Antriebskräfte.

Das Ziel dieses Promotionsvorhabens ist es, die Adsorptionskälteanlage zu optimieren und die großen Entwicklungshindernisse der Adsorptionskältetechnik zu überwinden. Beispiele hierfür sind die geringe Leistungszahl und die lange Zykluszeit zur Erzeugung des Kältemittels, die sich je nach den verwendeten Arbeitspaaren und der Fahrtemperatur unterscheidet. Ein weiteres Problem stellt das intermittierende Arbeitsprinzip für den einfachsten Zyklus eines Adsorptionskühlsystems dar. Daher wird in dieser Arbeit eine analytische, thermodynamische und numerische Untersuchung eines Neubaus einer Adsorptionskälteanlage für Gefrieranwendungen vorgestellt. Dieses neuartige System, das in dieser Promotion als kombiniertes Adsorptions- Eisproduktionssystem (com-AIP-System) bezeichnet wird, verwendet zwei verschiedene Adsorptionsmaterialien zusammen in einer Maschine. Die Hauptziele der vorliegenden Arbeit sind: Erhöhung der pro Zyklus erzeugten Eismenge, Erzeugung von kontinuierlicher Kälteleistung, Verbesserung der Zykluszeit und Einsparung der erforderlichen Eingangswärme durch Erhöhung der Massenstromrate des Kältemittels. Dieses Kältemittel verlässt den Adsorptionsreaktor und fließt in Richtung des Kondensators. Um dies zu erreichen, umfasst das com-AIP-System zwei Adsorptionsreaktoren. Der erste Adsorptionsreaktor ist mit Silikagel und der zweite mit Aktivkohle als Adsorptionsmittel gefüllt. Methanol wurde als Adsorbat und Kühlmittel mit beiden Reaktoren verwendet. Das com-AIP-System ermöglicht die Nutzung der Vorteile der physikalischen Eigenschaften der Adsorbentien SG und AC. Diese vorgeschlagene Strategie des AIP-Systems unterscheidet sich vollständig von den herkömmlichen Adsorptionsreaktoren, die mit einem Adsorptionsmittel in einem oder in zwei Reaktoren gefüllt sind. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine numerische und analytische Untersuchung der Wirkung der HTF-Strömung vorgestellt. Die Desorption und Leistung des Adsorptionsreaktors wird ausgewertet. Die Wirkung der HTF-Natur wird für die gleichen Adsorptionsreaktoren (SG- und AC-Reaktoren) betrachtet, die zum Desorbieren von 1 kg Methanol erhitzt wurden. Um den HTF-Flow-Natur-Effekt zu untersuchen, wurde die Variation der Reynolds-, Nusselt- und Biot-Zahlen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Temperaturverteilung durch beide Reaktoren beobachtet. Die Verwendung der thermischen Heizung, wie Abwärme oder Solarenergie der Industrie, hat einige schwerwiegende Nachteile bei der Entwicklung der Adsorptionstechnologie. Der größte Nachteil ist, dass der Adsorptionsreaktor eine lange Zeit von etwa einer Stunde benötigt um die erforderliche Menge des Adsorbats zu desorbieren. Darüber hinaus hat der Adsorptionsreaktor einen komplexen Aufbau, welcher aus Rohren mit heißem Wasser und einer Vielzahl an Heizrippen besteht. Um die Probleme konventioneller Methoden (thermisches Heizen) zu überwinden, wird im Rahmen dieser Arbeit ein neues Design vorgestellt. Dieses besteht aus zwei gleichen Adsorptionsreaktoren mit einer neuen Wärmequelle (Induktionserwärmung). Das Dissertationsprojekt behandelt auch eine mathematische Modellierung und numerische Simulation eines Induktionsheizsystems für zwei Adsorptionsreaktoren, gefüllt mit Silikagel und Aktivkohle als Adsorptionsmaterial sowie Methanol als Adsorbat. Der Zweck dieser Untersuchung war die Verwendung der elektromagnetischen Induktionstechnologie als eine neue Wärmequelle des Adsorptionseis-Produktionssystems. Die Induktionsheizung wird mit der thermischen Beheizung verglichen. Dazu werden die beiden thermischen und induktiven Adsorptionsreaktoren ausgelegt, um die gleiche desorbierte Kältemittelmenge von 1 kg zu erzeugen. Dieser Aufbau wurde unter gleichen Betriebs- und Randbedingungen getestet. Für die numerische und mathematische Modellierung werden die Programme ANSYS Electronics, ANSYS Fluent und MATLAB verwendet.

Die Schätzung der Einfallsrichtungen (Directions of Arrival/DOA) mehrerer ebener Wellenfronten mit Hilfe eines Antennen-Arrays ist eine der prominentesten Fragestellungen im Gebiet der Array-Signalverarbeitung. Das nach wie vor starke Forschungsinteresse in dieser Richtung konzentriert sich vor allem auf die Reduktion des Hardware-Aufwands, im Sinne der Komplexität und des Energieverbrauchs der Empfänger, bei einem vorgegebenen Grad an Genauigkeit und Robustheit gegen Mehrwegeausbreitung. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Anwendung von Compressive Sensing (CS) auf das Gebiet der DOA-Schätzung mit dem Ziel, hiermit die Komplexität der Empfängerhardware zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Richtungsauflösung und Robustheit zu erreichen. CS wurde bereits auf das DOA-Problem angewandt unter der Ausnutzung der Tatsache, dass eine Superposition ebener Wellenfronten mit einer winkelabhängigen Leistungsdichte korrespondiert, die über den Winkel betrachtet sparse ist. Basierend auf der Idee wurden CS-basierte Algorithmen zur DOA-Schätzung vorgeschlagen, die sich durch eine geringe Rechenkomplexität, Robustheit gegenüber Quellenkorrelation und Flexibilität bezüglich der Wahl der Array-Geometrie auszeichnen. Die Anwendung von CS führt darüber hinaus zu einer erheblichen Reduktion der Hardware-Komplexität, da weniger Empfangskanäle benötigt werden und eine geringere Datenmenge zu verarbeiten und zu speichern ist, ohne dabei wesentliche Informationen zu verlieren. Im ersten Teil der Arbeit wird das Problem des Modellfehlers bei der CS-basierten DOA-Schätzung mit gitterbehafteten Verfahren untersucht. Ein häufig verwendeter Ansatz um das CS-Framework auf das DOA-Problem anzuwenden ist es, den kontinuierlichen Winkel-Parameter zu diskreditieren und damit ein Dictionary endlicher Größe zu bilden. Da die tatsächlichen Winkel fast sicher nicht auf diesem Gitter liegen werden, entsteht dabei ein unvermeidlicher Modellfehler, der sich auf die Schätzalgorithmen auswirkt. In der Arbeit wird ein analytischer Ansatz gewählt, um den Effekt der Gitterfehler auf die rekonstruierten Spektra zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass sich die Messung einer Quelle aus beliebiger Richtung sehr gut durch die erwarteten Antworten ihrer beiden Nachbarn auf dem Gitter annähern lässt. Darauf basierend wird ein einfaches und effizientes Verfahren vorgeschlagen, den Gitterversatz zu schätzen. Dieser Ansatz ist anwendbar auf einzelne Quellen oder mehrere, räumlich gut separierte Quellen. Für den Fall mehrerer dicht benachbarter Quellen wird ein numerischer Ansatz zur gemeinsamen Schätzung des Gitterversatzes diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir das Design kompressiver Antennenarrays für die DOA-Schätzung. Die Kompression im Sinne von Linearkombinationen der Antennensignale, erlaubt es, Arrays mit großer Apertur zu entwerfen, die nur wenige Empfangskanäle benötigen und sich konfigurieren lassen. In der Arbeit wird eine einfache Empfangsarchitektur vorgeschlagen und ein allgemeines Systemmodell diskutiert, welches verschiedene Optionen der tatsächlichen Hardware-Realisierung dieser Linearkombinationen zulässt. Im Anschluss wird das Design der Gewichte des analogen Kombinations-Netzwerks untersucht. Numerische Simulationen zeigen die Überlegenheit der vorgeschlagenen kompressiven Antennen-Arrays im Vergleich mit dünn besetzten Arrays der gleichen Komplexität sowie kompressiver Arrays mit zufällig gewählten Gewichten. Schließlich werden zwei weitere Anwendungen der vorgeschlagenen Ansätze diskutiert: CS-basierte Verzögerungsschätzung und kompressives Channel Sounding. Es wird demonstriert, dass die in beiden Gebieten durch die Anwendung der vorgeschlagenen Ansätze erhebliche Verbesserungen erzielt werden können.

Von Beginn an haben Satelliten Kommunikationsdienste über große Distanzen bereitgestellt. Endgeräte für die mobile Satellitenkommunikation sind mit einer Nachführeinrichtung ausgestattet, um den verwendeten Satelliten bei Bewegung zu verfolgen. Für höchstmöglichen Datendurchsatz und um Störaussendungen zu benachbarten Satelliten zu vermeiden bedarf es akkurater Nachführalgorithmen. Die Prüfung solcher Satcom-On-The-Move (SOTM) Terminals wird dabei zunehmend wichtig, wie Betreiber von Satellitendiensten anhand des negativen Einflusses suboptimaler Geräte auf ihre Infrastruktur bemerken. Herkömmlich werden SOTM-Terminals im Rahmen von Feldtests mit operativen Satelliten geprüft. Solche Tests sind allerdings nicht exakt wiederholbar. Die Reproduzierbarkeit von Tests ist jedoch insbesondere beim Vergleichstest mehrerer Terminals wichtig. Dieser Beitrag widmet sich der Untersuchung eines umfassenden Qualifikationstests von SOTM-Terminals innerhalb einer Laborumgebung, welche Reproduzierbarkeit ermöglicht. Wesentlicher Vorteil der Laborumgebung ist die Möglichkeit, Terminals unter realitätsnahen Bedingungen zu testen - ohne dass reale Satelliten benötigt werden, was die Kosten reduziert. Diese Arbeit behandelt darüber hinaus die Testmethodik in der Fraunhofer-Testanlage Facility for Over-the-air Research and Testing (FORTE). Wichtige Leistungsparameter wie Nachführgenauigkeit (Antenna De-pointing) und Nachbarsatellitenstörung (Adjacent Satellite Interference, ASI) können akkurat gemessen und ausgewertet werden. Die verwendete Methodik zur Gewinnung der vorgeschlagenen Profile wird in der Arbeit ebenso behandelt wie Testergebnisse von Ka-Band-SOTM Terminals. Wesentlicher Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung von Bewegungs- und Abschattungsprofilen für SOTM-Terminaltests. Bewegungsprofilen für die Landmobile und Maritime Umgebungen wurden entwickelt. Für jede Umgebung, zwei Klassen wurden definiert, Klasse A mit Profile die hohe Bewegungsdynamik haben und Klasse B mit Profile die relativ niedrige Bewegungsdynamik haben. Die vorgeschlagenen Bewegungsprofile wurden in der GVF-105 Standard des Global VSAT Forums berücksichtigt. Die Standardisierung solcher Profile ist notwendig, um einen fairen Leistungsvergleich verschiedener Terminals zu garantieren und solche Geräte sicher zu identifizieren, welche Interferenzen im Satellitennetz verursachen. Dies bedeutet im Ergebnis einen Gewinn für die gesamte Satellitenindustrie.