Das Monitoring von Landwirtschaftsflächen ist eines der Kernthemen der zukünftigen EnMAP Mission, einem deutschen, hyperspektralen Fernerkundungssensor, dessen Start für 2015 geplant ist. In Vorbereitung dieser Mission gehören die Erweiterung und Entwicklung objektiver, robuster sowie zuverlässiger Methoden zur Ableitung biophysikalischer Parameter zu den Hauptaufgaben. Die für das Monitoring von Vegetation notwendige hohe zeitliche Auflösung wird durch ein stufenloses Schwenken von bis zu +/-30° quer zur Flugrichtung erreicht. Daraus resultiert, dass die Daten durch variierende Ein- und Ausstrahlungsgeometrien stark beeinflusst werden. Daher ist eine detaillierte Kenntnis der bidirektionalen Reflexionsfunktion (engl. bidirectional reflectance distribution function, BRDF) der beobachteten Oberflächen notwendig, um diese Einflüsse auf das Reflexionssignal zu identifizieren und anschließend zu korrigieren. Zu diesem Zweck wurde in dieser Arbeit eine Methodik entwickelt, die es ermöglicht, auf der Basis von simulierten Spektren realistische BRDF Szenarien zu modellieren und oberflächenspezifische Korrekturfunktionen abzuleiten. Die Methodik besteht aus drei aufeinander aufbauenden Komponenten. Im ersten Schritt erfolgt die Modellierung der BRDF von landwirtschaftlichen Vegetationsbeständen. Im zweiten Schritt wird der Einfluss der Bestandsarchitektur auf die BRDF analysiert. Darüber hinaus wird untersucht, inwiefern sich Variationen in der BRDF auf die quantitative Ausprägung von Vegetationsindizes auswirken. Solche Indizes sind eine häufig genutzte Möglichkeit zur Quantifizierung biophysikalische Parameter im Rahmen empirischer Verfahren. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurden im dritten Schritt Korrekturfunktionen für ausgewählte Vegetationsindizes entwickelt, um Schrägblickbeobachtungen in Nadirbeobachtungen zu transformieren. Abschließend wurde die entwickelte Methodik auf simulierte, sensorspezifische Spektren übertragen. / Monitoring of arable crops is one of the core applications of the upcoming spaceborne EnMAP mission, a German hyperspectral imaging spectrometer scheduled for launch in 2015. During the present preparatory phase one of the primary tasks is the development of accurate, robust and reliable retrieval methods for biophysical canopy parameters. Monitoring of crop canopies requires a frequent temporal coverage. In case of EnMAP, this will be realised by an off-nadir pointing of the sensor up to +/-30° across to the flight direction. The off-nadir pointing leads to data strongly influenced by varying acquisition geometry. Therefore, detailed knowledge of bidirectional reflectance distribution functions (BRDF) of the observed surfaces is necessary to identify and to correct BRDF influenced reflectance signals. For this purpose, a methodology was developed that allows modelling of realistic BRDF scenarios and of surface-specific correction functions. This methodology consists of three consecutive parts. In the first part, modelling of the BRDF of crop canopies was performed. In the second part, the influence of canopy architecture on the BRDF was analysed. Additionally, the BRDF related dependencies of vegetation indices were investigated. Such indices are widely used to quantify biophysical canopy parameters based on empirical methods. In the third part, correction functions were developed for selected vegetation indices to enable a transformation from off-nadir into nadir observations. These correction functions incorporate results obtained in the second part of the methodology. Finally, the developed methodology was applied on sensor-specific simulated spectra.

Domänenspezifische Sprachen (DSLs) sind Software-Sprachen, die speziell für bestimmte Anwendungsdomänen entwickelt wurden. Mithilfe von DSLs können Domänenexperten ihr Domänenwissen auf einem hohen Abstraktionsniveau beschreiben. Wie andere Software-Sprachen auch, benötigen DSLs Sprachwerkzeuge, die Assistenz bei der Erstellung und Verarbeitung von domänenspezifischen Modellen bieten. Eine domänenspezifische Werkbank (DSW) ist ein Software-Werkzeug, welches mehrere solcher Sprachwerkzeuge für eine DSL miteinander integriert. Existierende Werkzeuge, die es erlauben eine DSW aufgrund der Beschreibung einer DSL automatisch generieren zu lassen, unterstützen jedoch nicht die Beschreibung und Generierung von editierbaren Sichten. Eine Sicht ist ein Teil einer DSW, der nur einen bestimmten Aspekt eines Modells darstellt. Diese Dissertation stellt spezielle Modelltransformationssprachen (MTLs) vor, mit denen die Synchronisation von Sichten in einer generierten DSW beschrieben werden kann. Dadurch können DSWs mit editierbaren Sichten mittels existierender Werkzeuge zur Generierung von Sprachwerkzeugen erstellt werden. Dafür wird eine DSW für die Nanophysik-Domäne sowie eine Taxonomie von Synchronisationstypen vorgestellt, welche es erlaubt genau zu bestimmen, welche Art von Modelltransformationen für die Synchronisation von Sichten in dieser Werkbank benötigt werden. Entsprechend dieser Anforderungen werden zwei MTLs entwickelt. Insbesondere wird eine bidirektionale MTL entwickelt. Mit solch einer Sprache kann man eine Relation, welche definiert ob zwei Modelle synchron sind, so beschreiben, dass die entsprechende Synchronisationslogik automatisch abgeleitet werden kann. Die gezeigten MTLs werden als interne DSLs - das heißt eingebettet als ausdrucksstarke Bibliotheken - in der Programmiersprache Scala implementiert. Auf diese Weise kann Scalas Typprüfung genutzt werden, um Transformationen und deren Komposition statisch zu verifizieren. / Domain-specific languages (DSLs) are software languages which are tailored to a specific application domain. DSLs enable domain experts to create domain-specific models, that is, high-level descriptions of domain knowledge. As any other software languages, DSLs rely on language tools which provide assistance for processing and managing domain-specific models. A domain-specific workbench is an integrated set of such tools for a DSL. A recently proposed approach is to automatically generate a domain-specific workbench for a DSL from a description of that DSL. However, existing tools which apply this approach do not support to describe and generate editable domain-specific views. A view is a part of domain-specific workbench that presents only one aspect of a model, for example, its hierarchical structure. This dissertation presents special model transformation languages which support the description of view synchronization in a generated domain-specific workbench. This allows a multi-view domain-specific workbench to be created with existing tools for language tool generation. We present a generated domain-specific workbench for the nanophysics domain and present a taxonomy of synchronization types. This allows us to precisely define what model transformations are required for view synchronization in that workbench. According to these requirements, we develop two transformation languages by adapting existing ones. In particular, we develop a bidirectional transformation language. With such a language one can describe a relation which defines whether two models are in sync and let the synchronization logic be inferred automatically. We implement model transformation languages as internal DSLs - that is, embedded as expressive libraries - in the Scala programming language and use Scala''s type checking for static verification of transformations and their composition.

Thermoakustische Motoren wandeln Wärme in die Energie einer Schallwelle um. In Kombination mit einem akustisch-elektrischen Wandler lassen sie sich nutzen, um aus einem niedertemperierten Wärmestrom höherwertige elektrische Leistung zu generieren. Sie besitzen einen einfachen Aufbau und können dabei einen relativ hohen Wirkungsgrad erreichen. Als wesentliche Voraussetzung praktischer Anwendungen gilt die Verwertbarkeit niedertemperierter Wärmeströme. Die Entwicklung mehrstufiger thermoakustischer Motoren auf Basis eines λ-Resonators hat gezeigt, dass dieses Kriterium erfüllbar ist. Störungen der Schallwelle, welche eine effiziente Umsetzung des thermoakustischen Prozesses erschweren, gleichen sich in mehrstufigen Systemen inhärent aus. Mit Hilfe eines zusätzlichen akustisch wirksamen Elements können diese Störungen auch in einstufigen Aufbauten gemindert werden. Obwohl die Methode prinzipiell bekannt ist, fand eine systematische Analyse bisher lediglich rudimentär statt. Mit Ausnutzung der sich ergebenden Möglichkeiten wäre eine der am wenigsten komplexen Formen thermoakustischer Motoren mit geringer Temperaturdifferenz betreibbar. Parallel kann die innovative Anwendung zusätzlicher akustischer Elemente auch in mehrstufigen Anlagen förderlich sein und beschriebene geometrische Restriktionen auflösen. In Form numerischer Studien, gelingt ein Wirksamkeitsnachweis der vorgestellten Methoden. Die Option zur vergleichbaren Justierung des akustischen Feldes in ein- und mehrstufigen Systemen mittels wirksamer Elemente lässt erstmals eine objektive Beurteilung der Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit der Systemkomplexität zu. Durch eine strukturierte Variation einer Vielzahl geometrischer, akustischer und thermischer Parameter ist zudem die Darstellung sich überlagernder Abhängigkeiten auf Systemebene durchführbar. Die Betrachtungen erlauben einen tieferen Einblick in die Funktionsweisen und erweitern das generelle Verständnis grundlegend. Mit der Nutzung eines eigens entwickelten thermoakustischen Versuchsstandes erfolgt eine experimentelle Validierung der verwendeten Simulationsmodelle am Beispiel des einstufigen Motors. Dieser kommt auch für weiterführende Untersuchungen zur Unterdrückung schadhafter konvektiver Strömungen zum Einsatz. Mit der Implementierung einer vollbetriebsfähigen bidirektionalen Turbine zur akustisch-elektrischen Wandlung erfolgt ein erster Funktionsnachweis eines thermoakustisch-elektrischen Generators nach besprochener Bauform. Die umfassenden Analyseergebnisse lassen sich als Entwurfsvorlage für die optimierte Umsetzung nachfolgender thermoakustischer Systeme nutzen. Unter Berücksichtigung der vorgestellten Methoden zeigt die Arbeit mögliche Wege auf, wie sich zukünftig niedertemperierte Wärme für den Betrieb eines elektrischen Verbrauchers verwerten ließe.:Kurzfassung Danksagung Inhaltsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Aufbau der Arbeit 2 Thermoakustik 2.1 Geschichtlicher Hintergrund 2.1.1 Frühe Entwicklung 2.1.2 Moderne Entwicklung 2.2 Funktionsprinzip 2.2.1 Richtung der Energieübertragung 2.2.2 Thermodynamischer Vergleichsprozess 2.3 Theorie der linearen Thermoakustik 2.3.1 Verlustloser Kanal 2.3.2 Viskose und thermische Randschichteffekte 2.3.3 Berücksichtigung eines Temperaturgradienten 2.3.4 Akustische Leistung 2.4 Anwendungen 2.4.1 Anwendungen nach dem Prinzip einer stehenden Welle 2.4.2 Anwendungen nach dem Prinzip einer Wanderwelle 2.4.3 Anwendungen für die Nutzung von Niedertemperatur-Wärme 3 Parameterstudie an einem einstufigen System 3.1 Zugrunde liegender Aufbau und DeltaEC-Modell 3.2 Untersuchte Parameter 3.2.1 Akustische Bedingungen im Regenerator 3.2.2 Geometrie des Regenerators 3.2.3 Geometrie der Wärmeübertrager 3.2.4 Flächenverhältnis und Länge der Hohlräume 3.2.5 Akustische Last und Wirkungsgrad 3.2.6 Prozessparameter - Druck, Gas, Resonanzfrequenz und Temperatur 3.3 Ergebnisse und Diskussion 3.3.1 Akustische Bedingungen im Regenerator 3.3.2 Geometrie des Regenerators 3.3.3 Geometrie der Wärmeübertrager 3.3.4 Flächenverhältnis und Länge der Hohlräume 3.3.5 Akustische Last 3.3.6 Prozessparameter – Druck, Gas, Resonanzfrequenz und Temperatur 3.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 4 Alternative Varianten zur Manipulation der akustischen Bedingungen 4.1 Bauformen einstufiger Systeme 4.2 Übergeordnete Position des Stutzens 4.3 Kompressibel und träge wirkende Rohrabschnitte 4.3.1 Funktionsweise der wirksamen Rohrabschnitte 4.3.2 Abhängigkeit von der Länge der wirksamen Rohrabschnitte 4.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 5 Mehrstufige Systeme 5.1 Zweistufige Systeme 5.1.1 Symmetrisches zweistufiges System mit gesonderter Impedanzanpassung 5.1.2 Zweistufiges System mit natürlicher Selbstanpassung 5.2 Drei-, vier- und fünfstufige Systeme 5.2.1 Akustische Bedingungen bei natürlicher Selbstanpassung 5.2.2 Beeinflussung der Selbstanpassung durch akustisch wirksame Elemente 5.2.3 Beeinflussung der Selbstanpassung durch unterschiedlich lange Hohlräume 5.3 Leistungsvergleich bezüglich Wirkungsgrad und Temperatur 5.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 6 Auslegung, Entwurf und Aufbau des thermoakustischen Versuchsstandes 6.1 Anforderungen an den thermoakustischen Versuchsstand 6.2 Thermoakustischer Motor 6.2.1 Struktureller Rohrleitungsbau 6.2.2 Regenerator 6.2.3 Wärmeübertrager 6.2.4 Gesamtsystem des thermoakustischen Motors 6.3 Kontrolle der Gedeon-Strömung 6.3.1 Theorie der Gedeon-Strömung 6.3.2 Membran 6.3.3 Strömungsdiode 6.4 Helmholtz-Resonator als akustische Last 6.4.1 Theoretische Grundlagen 6.4.2 Entwurf und Aufbau 6.5 Bidirektionale Turbine als akustisch-elektrischer Wandler 6.5.1 Theoretische Grundlagen 6.5.2 Entwurf und Aufbau 6.6 Wärmezufuhr 6.7 Wärmeabfuhr 6.8 Gasversorgung 6.9 Messtechnik, Datenerfassung und -auswertung 6.9.1 Temperaturmessung 6.9.2 Messung der akustischen Parameter 6.9.3 Steuerung der elektrischen Heizpatronen 6.9.4 Belastung und Vermessung der Turbine-Generator Einheit 6.10 Halterung 7 Versuchsdurchführung und Auswertung 7.1 Bildung des numerischen Modells 7.1.1 Modellbildung des thermoakustischen Motors 7.1.2 Methodik zum Abgleich des akustischen Feldes von Experiment und Simulation 7.1.3 Modellbildung des Helmholtz-Resonators als akustische Last 7.2 Variation der Stutzenparameter bei 1 bar 7.2.1 Umfangskorrektur und Abgleich der Stutzenparameter 7.2.2 Unbelastetes System 7.2.3 Belastetes System 7.3 Variation der Stutzenparameter bei 20 bar 7.3.1 Umfangskorrektur und Abgleich der Stutzenparameter 7.3.2 Unbelastetes System 7.3.3 Belastetes System 7.4 Temperaturabhängigkeit des Leistungsvermögens 7.4.1 Einsetztemperatur der akustischen Schwingung 7.4.2 Temperaturabhängiges Leistungsvermögen 7.5 Untersuchungen am Helmholtz-Resonator 7.5.1 Abhängigkeit der Lastimpedanz von den Stutzenparametern 7.5.2 Variation der Lastposition 7.5.3 Temperaturabhängigkeit der Leistungsfähigkeit 7.5.4 Variation der Halslänge 7.6 Thermalmodell und Wärmeverluste 7.6.1 Thermale Randbedingungen im Modell 7.6.2 Überprüfung der kaltseitigen Wärmeübertragung 7.6.3 Wärmeverluste bei unterbundener thermoakustischer Wandlung 7.6.4 Betriebsabhängige konvektive Wärmeverluste 7.7 Untersuchungen zur Gedeon-Strömung 7.7.1 Einfache Bauart 7.7.2 Geviertelte Bauart 7.7.3 Membran 7.8 Bidirektionale Turbine 7.9 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 8 Zusammenfassung und Ausblick 8.1 Einstufige Systeme 8.2 Mehrstufige Systeme 8.3 Experimentelle Versuchsergebnisse 8.4 Ausblick Anhang Literaturverzeichnis

For adjoint calculations, parameter estimation, and similar purposes one may need to reverse the execution of a computer program. The simplest option is to record a complete execution log and then to read it backwards. This requires massive amounts of storage. Instead one may generate the execution log piecewise by restarting the ``forward'' calculation repeatedly from suitably placed checkpoints. This thesis extends the theoretical results of the parallel reversal schedules. First a algorithm was constructed which carries out the ``forward'' calculation and distributes checkpoints in a way, such that the reversal calculation can be started at any time. This approach provides adaptive parallel reversal schedules for simulations where the number of time steps is not known a-priori. The number of checkpoints and processors used is optimal at any time. Further, an algorithm was described which makes is possible to restart the initial computer program during the program reversal. Again, this can be done without any additional computation at any time. Hence, optimal parallel reversal schedules for the bidirectional simulation are provided by this thesis. / Bei der Berechnung von Adjungierten, zum Debuggen und für ähnliche Anwendungen kann man die Umkehr der entsprechenden Programmauswertung verwenden. Der einfachste Ansatz, nämlich das Erstellen einer kompletten Mitschrift der Vorwärtsrechnung, welche anschließend rückwärts gelesen wird, verursacht einen enormen Speicherplatzbedarf. Als Alternative dazu kann man die Mitschrift auch stückweise erzeugen, indem die Programmauswertung von passend gewählten Checkpoints wiederholt gestartet wird. In dieser Arbeit wird die Theorie der optimalen parallelen Umkehrschemata erweitert. Zum einen erfolgt die Konstruktion von adaptiven parallelen Umkehrschemata. Dafür wird ein Algorithmus beschrieben, der es durch die Nutzung von mehreren Prozessen ermöglicht, Checkpoints so zu verteilen, daß die Umkehrung des Programmes jederzeit ohne Zeitverlust erfolgen kann. Hierbei bleibt die Zahl der verwendeten Checkpoints und Prozesse innerhalb der bekannten Optimalitätsgrenzen. Zum anderen konnte für die adaptiven parallelen Umkehrschemata ein Algorithmus entwickelt werden, welcher ein Restart der eigentlichen Programmauswertung basierend auf der laufenden Programmumkehr erlaubt. Dieser Restart kann wieder jederzeit ohne Zeitverlust erfolgen und die entstehenden Checkpointverteilung erfüllen wieder sowohl Optimalitäts- als auch die Adaptivitätskriterien. Zusammenfassend wurden damit in dieser Arbeit Schemata konstruiert, die bidirektionale Simulationen ermöglichen.

For adjoint calculations, parameter estimation, and similar purposes one may need to reverse the execution of a computer program. The simplest option is to record a complete execution log and then to read it backwards. This requires massive amounts of storage. Instead one may generate the execution log piecewise by restarting the ``forward'' calculation repeatedly from suitably placed checkpoints. This thesis extends the theoretical results of the parallel reversal schedules. First a algorithm was constructed which carries out the ``forward'' calculation and distributes checkpoints in a way, such that the reversal calculation can be started at any time. This approach provides adaptive parallel reversal schedules for simulations where the number of time steps is not known a-priori. The number of checkpoints and processors used is optimal at any time. Further, an algorithm was described which makes is possible to restart the initial computer program during the program reversal. Again, this can be done without any additional computation at any time. Hence, optimal parallel reversal schedules for the bidirectional simulation are provided by this thesis. / Bei der Berechnung von Adjungierten, zum Debuggen und für ähnliche Anwendungen kann man die Umkehr der entsprechenden Programmauswertung verwenden. Der einfachste Ansatz, nämlich das Erstellen einer kompletten Mitschrift der Vorwärtsrechnung, welche anschließend rückwärts gelesen wird, verursacht einen enormen Speicherplatzbedarf. Als Alternative dazu kann man die Mitschrift auch stückweise erzeugen, indem die Programmauswertung von passend gewählten Checkpoints wiederholt gestartet wird. In dieser Arbeit wird die Theorie der optimalen parallelen Umkehrschemata erweitert. Zum einen erfolgt die Konstruktion von adaptiven parallelen Umkehrschemata. Dafür wird ein Algorithmus beschrieben, der es durch die Nutzung von mehreren Prozessen ermöglicht, Checkpoints so zu verteilen, daß die Umkehrung des Programmes jederzeit ohne Zeitverlust erfolgen kann. Hierbei bleibt die Zahl der verwendeten Checkpoints und Prozesse innerhalb der bekannten Optimalitätsgrenzen. Zum anderen konnte für die adaptiven parallelen Umkehrschemata ein Algorithmus entwickelt werden, welcher ein Restart der eigentlichen Programmauswertung basierend auf der laufenden Programmumkehr erlaubt. Dieser Restart kann wieder jederzeit ohne Zeitverlust erfolgen und die entstehenden Checkpointverteilung erfüllen wieder sowohl Optimalitäts- als auch die Adaptivitätskriterien. Zusammenfassend wurden damit in dieser Arbeit Schemata konstruiert, die bidirektionale Simulationen ermöglichen.