Tesis doctorales DIEE - IEES Doktoretza tesiak

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Advanced metamaterials for high resolution focusing and invisibility cloaks
(2016) Orazbayev, Bakhtiyar; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Los metamateriales, descendientes de los dieléctricos artificiales, tienen parámetros electromagnéticos inusuales y proporcionan más posibilidades que los dieléctricos naturales para el control de la propagación de la luz. Los metamateriales han posibilitado la obtención de medios doblemente negativos, gracias a la capacidad que ofrecen para controlar tanto la permitividad y la permeabilidad. La primera realización experimental de un medio de ese tipo dio un enorme impulso a la investigación en el campo del electromagnetismo. Como resultado, se han desarrollado desde entonces muchos dispositivos electromagnéticos fascinantes, incluyendo lentes de metamateriales, dispositivos de control de dirección de haz e incluso capas de invisibilidad. Las posibles aplicaciones de los metamateriales no se limitan a estos dispositivos y se pueden aplicar en muchas áreas como las telecomunicaciones, sistemas de seguridad, detección biológica y química, la espectroscopía, nanoóptica integrada, la nanotecnología, los sistemas de imágenes médicas, etc. El objetivo de esta tesis doctoral, realizada en la Universidad Pública de Navarra en colaboración con la Universidad de Texas en Austin, el Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia de la UPV y el King’s College London, es contribuir al desarrollo de dispositivos basados en metamateriales, incluyendo su fabricación y, cuando sea posible, la verificación experimental. La tesis no se centra en una sola aplicación o dispositivo, sino que trata de proporcionar una extensa exploración de diferentes dispositivos de metamateriales. Los resultados de la misma son los siguientes: Se presentan tres lentes de diferentes diseños basados en un metamaterial fishnet: una lente zonada de ancha banda, una lente Soret y una lente de Wood. Todas las lentes han sido experimentalmente realizadas, demostrando un buen acuerdo con el análisis numérico. Por otra parte, se ha demostrado una capa de invisibilidad ultrafina basada en una metasuperficie, un caso 2D de metamaterial, construida con resonadores de anillo. Se ha realizado un análisis numérico, y experimental confirmando el comportamiento de invisibilidad dentro de un rango de frecuencias y de ángulos relativamente amplios. Además, se presenta un diseño de una capa de invisibilidad basada en la óptica de transformación para la luz difusa. Se demuestra, que mediante la restricción de la capa para trabajar en una sola dirección es posible obtener un rendimiento de camuflaje ideal bajo las condiciones de iluminación transitoria, que normalmente está fuera de alcance en los diseños típicos de capas de invisibilidad. Por último, se presenta la demostración teórica de tres diferentes dispositivos de control del haz basados en metamateriales de grafeno. El metamaterial de grafeno utilizado permite controlar dinámicamente el ángulo de salida de la radiación con velocidad ultra alta.
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Amorphous glass-coated ferromagnetic wires in microwave engineering
(2013) Liberal Olleta, Íñigo; Gonzalo García, Ramón; Ederra Urzainqui, Íñigo; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
En esta tesis se ha estudiado el uso de hilos ferromagnéticos recubiertos de vidrio en ingeniería de microondas. Para este fin, se han formulado modelos analíticos y equivalentes circuitales de la interacción entre un hilo ferromagnético y campos electromagnéticos. Dichos modelos se han utilizado para estudiar los fenómenos más relevantes relacionados con la interacción entre un hilo ferromagnético y campos electromagnéticos, incluyendo la transición de efectos superficiales a volumétricos, y las múltiples peculiaridades del espectro de absorción. Además, se han investigado los límites fundamentales en el equilibrio de potencias presente en interacciones de un hilo ferromagnético con campos electromagnéticos, así como sus implicaciones tecnológicas. Estructuras consistentes en varios hilos ferromagnéticos se han modelado como materiales electromagnéticos artificiales (los cuales pertenecen a la clase de materiales dieléctricos con permitividad controlada por las propiedades magnéticas de los hilos) y superficies artificiales. Basado en estos estudios fundamentales, absorbentes electromagnéticos reconfigurables y sensores de estrés mecánico basados en técnicas de radar se han identificado como las aplicaciones más prometedoras. A este respecto, se han presentado diseños de prueba de concepto de un absorbente de banda ancha con una banda estrecha de reflexión, y un absorbente de banda estrecha. Dichos dispositivos podrían utilizarse en la práctica para monitorizar objetos ocultos a observadores externos, y para mitigar interferencias en comunicaciones inalámbricas. En lo concerniente a sensores de estrés mecánico basados en técnicas de radar, se ha presentado un procedimiento para caracterizar los hilos bajo estreses mecánicos. Utilizando dicha técnica se han caracterizado hilos en los que la posición en frecuencia de la resonancia ferromagnética natural aumenta en función del estrés aplicado. Estos resultados sugieren el uso de hilos ferromagnéticos para monitorizar estructuras arquitectónicas e implantes.
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Análisis, diseño y control de convertidores multinivel
(2016) Burguete Archel, Eduardo; López Taberna, Jesús; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Esta tesis doctoral se enmarca en el proyecto “Azimut: Energía Eólica Offshore 2020" cuyo objetivo es el desarrollo de nuevas estructuras de conversión que permitan alcanzar una mayor potencia y tensión para aplicaciones de generación eólica en parques offshore. Tradicionalmente, los aerogeneradores se han diseñado para trabajar con redes de 690 V. Este nivel de tensión, sin embargo, resulta cada vez más pequeño a medida que aumenta la potencia de los aerogeneradores. Las aplicaciones offshore, además, emplean casi de forma generalizada estructuras full-converter que requieren convertidores de mucho mayor tamaño que los hasta ahora dominantes sistemas DFIG. Todo ello hace que exista un fuerte interés en aumentar la tensión de trabajo de manera a poder trabajar con una potencia cada vez mayor sin que la corriente aumente de forma inmanejable. Distintos fabricantes trabajan ya en esta línea y actualmente existen en el mercado turbinas comerciales que trabajan a una tensión de 3.3 kV para lo cual emplean convertidores de tres niveles, normalmente de tipo NPC. En un futuro próximo se prevé que la tensión siga aumentando hasta alcanzar tensiones de 6.6 kV. La finalidad de este trabajo de investigación es la concepción de un convertidor capaz de trabajar con una potencia de 10 MW conectado a una red de 6.6 KV. Para ello se parte de la base de que el convertidor empleará una topología de 5 niveles lo que permitirá alcanzar estos valores empleando IGBTs de 4.500 V y 1.200 A. La tesis repasa las topologías existentes en la literatura actual y las analiza desde el punto de vista de las duras condiciones propias de las aplicaciones eólicas full-converter (que deben trabajar en un rango de variación total del índice de modulación y del factor de potencia). Debido a los diversos inconvenientes que presentan, se han propuesto dos nuevas estructuras de convertidores de 5 niveles. La tesis presenta además una novedosa modulación vectorial que permite controlar todas las variables de las nuevas topologías y, al mismo tiempo, asegurar una frecuencia fija de conmutación de los semiconductores. Finalmente, las ventajas de las topologías propuestas, así como de su modulación, son corroboradas experimentalmente.
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Analysis, characterization and modeling of interference sources on wireless communication systems in complex indoor scenarios
(2017) López Iturri, Peio; Falcone Lanas, Francisco ; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
This research work presents a novel methodology of assessing wireless interferences on Wireless Sensor Networks (WSN) by the aid of an in-house developed 3D Ray Launching method, which is a novel deterministic approach for radio propagation prediction in complex environments. Firstly, the 3D Ray Launching simulation procedure has been validated by means of comparing the simulation results with radio propagation measurements within different complex scenarios. Afterwards, a novel point of view regarding the traditional use of radio propagation models is presented: its use for assessing wireless interferences between different deployed wireless networks and WSNs, instead of only predicting the radio propagation of the transceivers belonging to a wireless communication system. The obtained results show that the assessment of potential wireless interferences will be a major issue in order to deploy optimally WSNs, even more taking into account that in a future framed by the Smart City concept and the so called Internet of Things (IoT) along the appearance of 5G systems, the quantity of wireless transceivers is expected to be huge. Once the methodology for the assessment of the interferences between wireless communication systems has been performed, a further step has been taken in order to analyze the interferences created by electrical devices which do not belong to wireless communication systems. For that purpose, a novel hybrid simulation method based on the 3D Ray Launching algorithm and Equivalent Sources has been developed in order to obtain computational models for the estimation of radiated emissions of potential wireless interference sources. Specifically, a common domestic microwave oven has been chosen as the interference source under analysis.
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Application of visual hyperacuity to imaging and antenna systems
(2017) Lagunas Tabar, Adur; Río Bocio, Carlos del; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
El Sistema Visual Humano es capaz de llevar a cabo múltiples tareas, tales como enfocar objetos a diferentes distancias u obtener imágenes con un amplio rango dinámico. Sin embargo, la función más impresionante está relacionada con las imágenes de alta resolución que es capaz de generar gracias a la hiperagudeza visual: la capacidad del ojo humano de resolver detalles más allá de la agudeza definida por el número, el tamaño y la distribución de los fotorreceptores. Aunque en un principio pueda parecer complicado, el sistema visual está basado en una arquitectura relativamente sencilla y obtiene imágenes de alta resolución partiendo de un número limitado de sensores. La hipótesis principal de este trabajo de investigación se basa en que la difracción introducida por el sistema óptico del ojo humano desempeña un papel fundamental en la obtención de la hiperagudeza visual. La implementación del concepto de la hiperagudeza resulta de gran interés para diversas aplicaciones tecnológicas, como los sistemas de captación de imágenes o antenas, donde la resolución es un aspecto importante. Esta idea tiene especial relevancia para los sistemas que trabajan en el rango de frecuencias de los terahercios, donde existen limitaciones tecnológicas para utilizar un elevado número de sensores. Por otro lado, la obtención de altas resoluciones angulares en los sistemas de antenas suele implicar el uso de dispositivos de grandes dimensiones que pueden generar problemas de diferente naturaleza. La aplicación de la hiperagudeza visual posibilita el uso de antenas con aperturas menores sin suponer una significante pérdida en términos de resolución angular. En esta tesis doctoral se presenta un método que pretende simular e implementar la hiperagudeza visual del ojo humano mediante la introducción de una distorsión controlada que mejora la resolución final de las imágenes o señales cuando se dispone de un limitado número de sensores. Asimismo, se desarrolla un estudio cuyo objetivo principal es mostrar su potencial y las posibilidades que este método ofrece para aplicaciones relacionadas con sistemas de imágenes y antenas.
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Characterization of wireless propagation in complex indoor environments
(2015) Azpilicueta Fernández de las Heras, Leyre; Falcone Lanas, Francisco; López Martín, Antonio; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
En este trabajo de investigación se ha propuesto un nuevo modelo de propagación determinista para analizar la propagación radioeléctrica en entornos complejos. En primer lugar, se ha realizado un profundo análisis de los modelos de propagación usados más frecuentemente en la literatura. Se demuestra que las técnicas determinísticas en su versión de trazado de rayos o lanzado de rayos consiguen un compromiso entre la exactitud de los resultados y el tiempo de simulación. Por ello, en esta tesis se ha implementado un nuevo método determinista basado en lanzado de rayos. El algoritmo se explica en detalle a lo largo del trabajo, así como un análisis de convergencia con el fin de detener los parámetros óptimos de entrada del algoritmo para mejorar su eficiencia. Además, se proponen dos nuevas técnicas híbridas de aceleración que dan lugar a resultados precisos con un tiempo de simulación considerablemente menor. Finalmente, se han presentado diversas aplicaciones del método propuesto y los resultados de simulación se han comparado con medidas reales logrando buenos resultados con valores de error muy pequeños.
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Ciudad y tecnología. Metodología de estudio para ciudades inteligentes
(2015) Branchi, Pablo Emilio; Matías Maestro, Ignacio; Fernández Valdivielso, Carlos; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
La revolución digital actual ha revolucionado la evolución de las redes de comunicación así como el desarrollo de nuevos esquemas productivos. Los escenarios tecnológicos tradicionales asumen nuevos retos, y las ciudades se encuentran una nueva base para la competitividad urbana en forma de Ciudades Inteligentes. Sin embargo, se ha detectado una gran falta de claridad al intentar definir qué es realmente una Smart City. Al mismo tiempo, es el ciudadano quien tiene el poder de establecer estos nuevos escenarios, y es por ello que se necesita definir la forma en que las personas interactúan con sus nuevas ciudades híper-tecnológicas. Las tecnologías de la información y de la comunicación que gestionan y transforman las ciudades del Siglo 21 deben ser analizadas, estudiando su impacto en los nuevos comportamientos sociales que dan forma a los espacios urbanos y redefinen la forma de relacionarse, estableciendo la base de una metodología de análisis para revisar los diferentes elementos que afectan un entorno Smart City. Se requiere de una herramienta para contrastar las diferentes tecnologías urbanas en base a su funcionalidad y las consecuencias de su utilización, teniendo en cuenta el impacto de cada aplicación, para luego evaluar la combinación de los diferentes sistemas como la mejor manera de determinar lo que es una ciudad inteligente. Por todo lo anterior, el principal objetivo de este trabajo es definir y poner a prueba esas herramientas en escenarios prácticos, teniendo en cuenta cómo los nuevos sistemas y tecnologías afectan a las ciudades y sus ciudadanos, que deben ser la principal preocupación de todo el desarrollo urbano.
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Conexión en paralelo de convertidores para la generación de la red auxiliar de un tren
(2014) Garralda Sanz, Daniel; Gubía Villabona, Eugenio; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Los equipos de potencia destinados a crear la red eléctrica interna que alimenta todos los sistemas eléctricos del tren, a excepción de los motores de tracción, se denominan sistemas de alimentación auxiliar y constituyen el tema objeto de esta tesis. La elevada potencia demandada, junto con la redundancia necesaria, ha propiciado que se opte por configuraciones donde se conectan convertidores trifásicos en paralelo, siendo esencial la sincronización de las tensiones de salida de cada uno de ellos. Básicamente se diferencian dos modos de funcionamiento; modo centralizado, donde un único sistema de control gestiona la conmutación de los convertidores y modo distribuido, donde cada convertidor trabaja de forma independiente. En ambos casos se busca un reparto equilibrado de la potencia suministrada a la red auxiliar. Esta tesis aporta un novedoso enfoque para el análisis de la conexión de equipos en paralelo, definiendo modelos que permiten conocer la dinámica de la potencia suministrada por los convertidores en los sistemas centralizados y distribuídos.
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Contribución al desarrollo de refractómetros de fibra óptica basados en resonancias de modos con pérdidas
(2017) Sánchez Zábal, Pedro; Ruiz Zamarreño, Carlos; Arregui San Martín, Francisco Javier; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
El desarrollo de nuevos materiales y métodos de deposición a escala nanométrica ha supuesto una auténtica revolución en muchas disciplinas de la investigación. En particular, los recubrimientos nanoestructurados permiten generar efectos ópticos que no son apreciables mediante la utilización de materiales con espesores mayores. El principal objetivo de esta tesis es la fabricación de refractómetros utilizando thin films de óxidos metálicos capaces de generar un tipo de fenómeno muy concreto, resonancias asociadas a modos con pérdidas. En este trabajo utilizan estructuras ópticas como multimodo sobre las que se fijan las películas delgadas usando técnicas de fabricación como el dip-coating o el sputtering. Además, se dedica un capítulo al desarrollo de aplicaciones sensoras concretas, como sensores de humedad o sensores de degradación de aceite lubricante, de los refractómetros estudiados previamente.
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Contribution to the advancement of Brillouin optical time-domain analysis sensors
(2018) Iribas Pardo, Haritz; Loayssa Lara, Alayn; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Distributed fiber optic sensors (DFOS) are becoming an increasingly used technology to monitor the integrity of structures. This is due to the fact that this technology can be embedded within the structure and provide distributed information of several relevant parameters for the structure, such as stress, temperature or strain. In DFOS the fiber itself is the transducer, and the measurement of a given parameter is provided continuously along the fiber at a particular spatial resolution, without blind spots. This is the main advantage of DFOS compared to other sensing technologies, the fact that DFOS provide information of a given parameter over thousands or hundreds of thousands of positions along the optical fiber. Conversely, other sensing technologies only give information over the specific points where they are installed, that is to say, they are point sensors. This characteristic of distributed fiber sensors makes them enormously interesting when many points of a structure need to be monitored. In this case, a single distributed fiber sensor can replace many point sensors, which considerably reduces the cost per sensing point when monitoring large structures. In addition, due to the properties of the optical fiber, these sensors have a better performance compared to other kind of sensors. Among other important features, DFOS present a low signal loss, electromagnetic interference immunity, remote sensing and multiplexing capabilities, light weight, and are chemically passive, which make them a very attractive technology for field measurements. Therefore, DFOS have the added advantage of being electrically, magnetically, and chemically passive, so that can be placed in harsh environments, such as nuclear plants or areas with gas concentration, where, due to the possibility of a short circuit, electronic sensors cannot be placed. Al these characteristics make this technology unique. Among the different types of DFOS, those based on stimulated Brillouin scattering, and more specifically, those that build upon the Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA) technique, are one of the most promising. The main characteristic that makes BOTDA sensors as promising, is the ability to perform distributed strain and temperature measurements over long distances at high spatial resolution. For the functioning of the sensor, the general interaction that takes place in the BOTDA technique involves two optical waves: a continuous wave probe and a counter-propagating pump pulse. The performance of the sensor response is limited, among others, by the maximum optical power of both waves that can be injected into the fiber. In this way, the main research line in BOTDA sensors is focused on the study of the physical limitations of the technique as well as the development of solutions to these constraints. Another important line relies on the simplification of the sensor setup so as to reduce the complexity and the cost of the sensor. This thesis dissertation contributes to the development of BOTDA sensors by means of different contributions in these two research lines. Several theoretical and experimental studies have been conducted to accurately determine the main limits to the sensor performance in terms of the maximum optical power of the pump and probe waves that can be used. One of the most important limitation in BOTDA sensors is the onset of non-local effects, which limits the maximum pump and probe waves power that can be injected in the fiber, and hence, the signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver is worsen. The so-called non-local effects generate measurement errors, because the Brillouin spectra measured at distant locations depend on the interaction at previous positions in the fiber. In this research line, we have examined the effects caused by the limited extinction ratio (ER) of the pump pulse, finding that, among other impairments, it leads to the onset of a new non-local effect originated in the depletion of the pedestal of the pump wave. In addition, it has been found that the pedestal deformation caused by the transient response of erbium-doped fiber amplifiers, which are typically deployed to amplify the pump pulse, also constrains the performance of the sensor. Another contribution is the study of the techniques presented in the literature to mitigate the impairments caused by second-order non-local effects, which cause a frequency-dependent spectral deformation of the pulse. The findings of this study show that these techniques are only applicable when the Brillouin frequency shift (BFS) of the fiber is uniform, which is hard to find in real applications. Lastly, another subject of study is the limitations of the pump and probe optical power in coded-pump wave BOTDA configurations. We have observed that, in addition to some known limitations, there are two important restrictions that have to be taken into account: the onset of non-local effects and the non-linear amplification of the probe wave, both generated by the successive gain induced by the multiple pulses of the coded-pump wave. As a consequence of the findings of these studies, BOTDA configurations intended to solve these limitations have also been proposed during the thesis work. A technique to mitigate the constraints induced by the limited ER of the pump pulse has been presented. This method is based on adding a dithering to the optical source used to generate the two waves involved in the BOTDA sensor, so that the optical wavelength of both signals is modulated. In this way, the Brillouin interaction between the pedestal and the probe wavefronts become uncorrelated, and hence, the influence of the pedestal is greatly reduced. Another contribution is a technique focused on completely overcome the onset of second-order non-local effects. This method is based on continuously tracking the BFS distribution of the fiber, which combined with the probe-dithering method, has allowed, to the best of our knowledge, to inject the highest demonstrated probe wave power in a BOTDA sensor to date. In addition, in order to improve the SNR of the sensor, a novel BOTDA sensor has been proposed. This analyzer combines mono-color cyclic coding and probe-dithering techniques, so that the impairments caused by a coded pump wave are reduced, and hence, it is possible to increase the optical power and consequently enhance the sensing distance range. Finally, a novel simplified BOTDA sensor has been presented, which relies on passive optical filtering of the spectral components generated in a single optical source. In this way, the sensor setup is simplified reducing the number of optical devices, and therefore, the cost of the sensor is also reduced. This BOTDA configuration has been shown to have a performance comparable to more complex setups.
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Contribution to the development of Brillouin optical time-domain analysis sensors
(2016) Urricelqui Polvorinos, Javier; Loayssa Lara, Alayn; Sagüés García, Mikel; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
This thesis dissertation concentrates on solving some of the limitations described by proposing novel techniques. The first technique is based on using a phase-modulated probe wave with self-heteroyne detection and RF demodulation in BOTDA sensors. The self-heterodyne detection along with the RF demodulation allows to increase the SNR of vii the detected signal and to recover the amplitude of the Brillouin interaction as well as the phase-shift. The phase modulation allows to measure a phase-shift spectrum that obviously depends on the BFS measurement but also it is tolerant to changes of the pulse power and the attenuation of the fiber. This technique is interesting for dynamic BOTDA sensors, i.e. real-time monitoring sensors, in which attenuation of the optical fiber is a usual issue due to the losses caused by mechanical stress. Furthermore, as the technique is tolerant to changes of the peak power of the pulsed signal, it can tolerate non-local effects. This allows to increase the SNR by the increment of the probe power. Furthemore, this BOTDA sensor has been combined with a well-known technique, called differential pulse-width pair technique. It allows to enhance the spatial resolution without broadening the measured spectrum. In this case, the technique was applied to amplitude and phase-shift measurements. In addition to it, new approaches of this sensor based on the deployment of multiple pulsed signals with special features have been deployed to mitigate the effect of modulation instability and to reduce the measurement time in dynamic BOTDA sensors. A second technique proposed during this thesis dissertation is the BOTDA sensor using a probe wave whose optical frequency is modulated along the distance of the fiber. As mentioned before, if the BFS of the fiber is uniform, the effect induced by non-local effects is more detrimental. Consequently, if the probe wave changes along the fiber, the Brillouin interaction is not longer uniform and the probe power can be increased. Moreover, this technique also allows to reduce the noised added to the probe wave due to amplification of spontaneous Brillouin scattering components overcoming both limitations of the probe wave. Consequently, the proposed technique allows to considerably increase the precision of the sensor. In addition to it, the second technique is also useful to generate distributed Brillouin amplifiers (DBA). Combining the DBA with a standard BOTDA sensor, the DBA can transfer energy to the pulsed signal at the final kilometers of the fiber, i.e. the fiber section in which the pulsed signal has a low power due to the suffered attenuation. Therefore, the system allows to increase the detected SNR of the measurement. Finally, the thesis presents a study of the different noise sources that could affect to BOTDA sensors. Different noises sources such as double Rayleigh scattering generated by the probe wave or phase-to-intensity noise conversion in the SBS process are theoretically and experimentally analyzed. The study points out some guidelines of the importance of each noise for the different distance ranges in BOTDA sensors.
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Contribution to the development of distributed fiber optic sensors based on stimulated Brillouin scattering
(2014) Zornoza Indart, Ander; Loayssa Lara, Alayn; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua, 13326; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Fiber optic sensors are becoming a disruptive technology in monitoring integrity of structures. Their low loss, electromagnetic immunity, remote sensing possibilities, multiplexing possibilities and light weight are very attractive in field measurements. Also, the possibility of performing distributed measurements is only possible with fiber optics. In distributed fiber sensors the fiber itself is the transducer, and the measurement of a given parameter i.e. temperature, strain… is given continuously along the fiber at a given spatial resolution, without blind spots. Between the different types of fiber optics distributed sensors, the ones based on stimulated Brillouin scattering are the most promising technology, since they potentially allow high resolution measurements in tenths of kilometer long fibers. However, field applications of these sensors require better performance: faster response sensors in hundreds of kilometer long fibers, at high resolutions (better than 1 meter) at the lowest possible cost. This thesis contributes to the development of fiber optics sensors based on stimulated Brillouin scattering in that direction. We first develop theoretical models so as to study the behavior of the sensor and focus in the main limitations these sensors manifest. Then, after studying different solutions in the literature, we show our contributions. A sensing setup, based on the RF-shaping of pump pulses is presented as a solution to simplify the sensor setup. Furthermore this setup helps in extending the overall sensing length by minimizing non-local effects. An alternative to the common Brillouin spectrum scan, exploiting the wavelength dependence of Brillouin frequency shift, is introduced. This adds a new degree of freedom to the existing Brillouin based sensors. The work carried out during a research stay in Aversa, Italy, is also explained. It consists in a technique, TDM-BOTDA, which enhances the SNR in detection and minimizes non-local effects, improving the sensor performance. In order to integrate point sensors in a distributed sensors network, two designs are proposed and demonstrated. They take advantage of Raman distributed amplification so as to reduce the loss generated by long fibers and multiplexing. Finally, the application of coherent light-wave systems to BOTDA is studied by the introduction of BOTDA sensors with self-heterodyne detection. Self-heterodyne BOTDA sensors increase the SNR in detection considerably. Furthermore, they add the possibility of measuring the Brillouin phase shift generated along the fiber. This is very important, since it enables the possibility of performing dynamic measurements which are independent of loss.
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Contribution to the development of functional nanostructured coatings based on silver nanoparticles
(2014) Rivero Fuente, Pedro J.; Goicoechea Fernández, Javier; Arregui San Martín, Francisco Javier; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Esta tesis se centra en la síntesis de nanopartículas de plata (AgNPs) y su posterior incorporación en recubrimientos delgados usando dos métodos alternativos: el proceso de síntesis in situ (ISS) de AgNPs y la técnica de embebido capa a capa (LbL-E) de AgNPs. Un preciso control de varios parámetros tales como la forma, tamaño, estado de agregación o la distribución de las nanopartículas de plata en los recubrimientos tiene una gran influencia en la posición final de la longitud de onda de la resonancia localizada de plasmones superficiales (LSPR). Además, estas películas que incorporan nanopartículas de plata han sido estudiadas para dos aplicaciones diferentes. La primera aplicación es la fabricación de recubrimientos antibacterianos eficientes. La segunda aplicación es la fabricación de un nuevo tipo de sensores de fibra óptica basados en la incorporación de nanopartículas de plata en películas nanoestructuradas, que hace posible obtener y observar dos resonancias ópticas diferentes, (LSPR) y resonancias de modos con pérdidas (LMR), en un mismo dispositivo
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Contribution to the development of new photonic systems for fiber optic sensing applications
(2015) Bravo Acha, Mikel; López-Amo Sáinz, Manuel; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
En este trabajo de doctorado se presentan nuevos sistemas y subsistemas de sensores de fibra óptica. Así, se proponen y desarrollan nuevas técnicas, componentes y tecnologías basadas en láseres de fibra con espejos distribuidos (random), fibras de cristal fotónico, estructuras de luz lenta, multiplexores de inserción y extracción (add and drop), conmutadores tele-alimentados por luz, reflectometría óptica tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia o filtros ópticos reconfigurables. También se han demostrado nuevas aplicaciones para estructuras de sensores tradicionales y técnicas de medida ya conocidas. Todas ellas dirigidas a la mejora del funcionamiento de los actuales transductores, redes de sensores y aplicaciones de monitorización de salud estructural. De este modo, y en primer lugar, se han desarrollado nuevos transductores puntuales. En concreto, dos sensores interferométricos basados en fibras de cristal fotónico y otro basado en una estructura resonante en anillo. También se han realizado diferentes redes de sensores utilizando OTDRs comerciales. Por un lado, se han multiplexado diferentes sensores utilizando una red en forma de bus y, por el otro, se ha interrogado de manera remota un sensor FLM/LPG a una distancia de 253 km sin necesidad de amplificación. Se han estudiado láseres basados en efecto de realimentación distribuida random (RDFB) para su uso en interrogación de sensores. Para ello, se han demostrado dos nuevos láseres multi-longitud de onda y también, por primera vez, se ha modulado un laser random. Después, se han demostrado experimentalmente varias redes de sensores de fibra óptica teniendo en cuenta los principales desafíos que estas presentan: multiplexar varios sensores en una misma red y permitir su monitorización de manera remota. En primer lugar, se han multiplexado sensores basados en la modulación de la intensidad óptica utilizando técnicas de multiplexación en dominio del tiempo. En segundo lugar, se han multiplexado sensores basados en fibras de cristal fotónico. En tercer lugar, se presentan tres nuevos métodos para la medida remota de sensores. Por último, se incluye la demostración de un conmutador de fibra óptica tele-alimentado a través de luz. Éste se utiliza en tres redes diferentes para añadir robustez e incrementar la versatilidad en la multiplexación. Finalmente, se han realizado tres pruebas de campo para aplicaciones de monitorización de salud estructural.
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Contributions to a novel remote control and configuration extension for interoperable Personal Health Devices (PHD) based on ISO/IEEE11073 standard
(2016) Barrón González, Hector Gilberto; Serrano Arriezu, Luis Javier; Martínez de Espronceda Cámara, Miguel; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
La norma de interoperabilidad ISO/IEEE11073 (X73) fue inicialmente concebida para entornos clínicos en el Punto de Cuidado (POC). La rama más reciente de esta norma, orientada a dispositivos de salud personal (X73PHD), permite el desarrollo de los ecosistemas de monitorización de salud interoperables y trae beneficios tanto a los fabricantes de tecnología (reducción de costos de diseño, intercambio de experiencias y conocimiento, facilidad de comercialización) como a sus usuarios (plug-and-play, accesibilidad, facilidad de integración, precios más competitivos). En el momento de esta escritura, más de 11 especializaciones se han publicado con éxito por el Grupo de Trabajo de X73PHD (PHD-WG). Más recientemente, han aparecido nuevos casos de uso en el PHD-WG que muestran la necesidad de un procedimiento de control remoto para permitir la configuración de parámetros y ajustes del agente desde el manager. La necesidad de definir y modelar estas nuevas funciones de gestión de una manera general y normalizada es clara desde el punto de vista PHD-WG. En este contexto, este trabajo presenta una propuesta para ampliar X73PHD con la inclusión de una definición y procedimientos de configuración y control remoto generales. Con este objetivo, se han analizado estudios previos y los casos de uso relacionados, con control remoto y los resultados se han discutido en el PHD-WG. Los casos de uso incluyen el servicio Holter Inteligente (HOLTIN), el equipo de terapia de apnea del sueño (SABTE), y el monitor de medicación. Además, se propone una clasificación de los resultados para cada caso de uso, los cuales son la base para la propuesta de ampliación de X73PHD para incluir un paquete de control remoto. Trabajos previos tales como el modelo de información de dominio (DIM) clásico (X73-10201) y el paquete de control de POC en su versión borrador (X73-20301) también se han tenido en cuenta. La solución final se ha definido siguiendo las directrices del PHD-WG y la propuesta preliminar del nuevo protocolo de intercambio (X73-20601) se ha compartido con el PHD-WG para su discusión. Por otra parte, esta propuesta se ha implementado como prueba de concepto en una báscula, como configuración básica estándar, y en el dispositivo de grabación de electrocardiograma HOLTIN, el cual requiere de una configuración más avanzada. Como conclusión, los resultados de las implementaciones de prueba de concepto demuestran que la propuesta es adecuada para implementar control remoto en ambos casos de uso y posiblemente estas conclusiones puedan extenderse a otros PHDs.
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Contributions to Head Pose Estimation methods
(2016) Ariz Galilea, Mikel; Cabeza Laguna, Rafael; Villanueva Larre, Arantxa; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Head Pose Estimation (HPE) is currently a growing research field, mainly because of the proliferation of human-computer interfaces (HCI) in the last decade. It offers a wide variety of applications, including driver assistance systems, pose-invariant face recognition, human behavior analysis, or popular HCI applications such as gaze estimation systems. HCIs show an increasing tendency to integrate HPE as another bridge for interaction, since it is a rich form of communication. For instance, gaze tracking systems suffer in unconstrained environments because they are very sensitive to head motion, and HPE has become a key point for successful gaze estimation. This thesis thus aims to contribute to the development of robust and accurate HPE methods based on 2D tracking of the face in videos. With the idea of achieving a better understanding of every aspect of the HPE process, a complete framework has been created in the first part of the thesis as a pillar to sustain the rest of the work. This framework consists of both simulation and realistic environments for HPE algorithm analysis. It includes the recording of two head pose databases of videos, one with synthetically generated heads and the other one with real subjects. They have proven to be extremely useful tools for the purpose, and therefore we expect to make them available for the whole scientific community. The problem of 3D face reconstruction using only 2D images from the videos has received special attention. A whole chapter has been devoted to the study and comparison of different single-view and multi-view based reconstruction methods in a controlled simulation environment. This has allowed us to isolate the 3D model fitting problem, thus drawing several conclusions regarding the influence of this critical part in a HPE system. With the aim of achieving a wider impact with this thesis, the pose estimation problem is addressed from a general perspective in which techniques that are generalizable to any kind of 3D object are proposed. Starting from a basic pose estimation approach (2D tracking & POSIT), different alternatives have been developed to improve performance. On the one hand, a tracking accuracy index (TAI) calculation method has been proposed, based on invariant shape metrics obtained from interlandmark relationships. This allows us to apply weights that compensate for 2D tracking inaccuracies and optimize the 3D pose estimation. On the other hand, outlier detection and outlier correction methods that aim to improve the 2D tracking itself have been proposed, addressing the typical drifting problem of point-tracking systems, and hence improving the 3D pose estimation further. These global methods have then been specifically adapted to HPE and evaluated using two head pose databases: our real database, which reflects the expected performance in current technological conditions, and the BU database, a widely referenced older database that allows an extensive comparison with other state-of-the-art HPE methods.
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Control digital de los convertidores de cuarto orden continua continua: CUK, SEPIC, ZETA Y X
(2017) Valls Martí, Josep María; Gil Izco, Peio; Corres Sanz, Jesús María; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
En una primera parte de esta tesis doctoral se estudian los convertidores de la clase de Cuk. Es de especial interés la deducción del convertidor X que está poco desarrollada en la literatura. Se hace el estudio de cada convertidor en régimen permanente, pequeña señal, modo de conducción continua y modo de conducción discontinua. También se ha trabajado con componentes con pérdidas y se ha usado un método innovador en Ja obtención de las funciones de transferencia: tensión de salida-control y tensión de salida-tensión de entrada. Esta primera parte ha permitido presentar tres comunicaciones en congresos del Seminario Anual de Aplicaciones Electrónicas e Industriales SAAEI, en Tánger y Zaragoza y en el Intemational Conference on Modem Electrical Power Engineering en Las Palmas de Gran Canaria. También se ha publicado un artículo en la revista Joumal of Energy and Power Engineering JEPE de David Publisbing. En una segunda parte se estudian diferentes tipos de control y su implementación. Se ha estudiado el control Sigma-Delta, el control Proporcional Derivativo Integral PID, el control Predictivo, el control Adaptativo, el Control por Pico de Corriente PCC, el Control en Modo Deslizante SMC. Se ha buscado la forma de aplicar estas estrategias de control de forma digital para poder implementarlas con microcontroladores o dispositivos digitales. De esta parte, se hizo una comunicación en el Seminario de Aplicaciones Industriales de Control Avanzado SAICA en Barcelona. De estos controles se ha implementado el controlador Delta, el Sigma-Delta, el PID y SMC. Además del estudio y realización de dos prototipos de planta se han desarrollado dos herramientas para poder probar como un generador de PWM y una carga electrónica.
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Conversión de energía en generadores eólicos con MSIP de gran potencia
(2015) Juankorena Saldias, Xabier; López Taberna, Jesús; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Tras un primer capítulo de introducción y objetivos, en el capítulo 2 se describe el sistema analizado, explicando los diferentes elementos que lo componen. También se modeliza la MSIP y se detalla el esquema que se ha utilizado para controlar el sistema de conversión. En el capítulo 3 se introduce el convertidor NPC, comentando sus características y funcionamiento, y se analizan las modulaciones escalar y vectorial y el control de la tensión del punto medio de dicho convertidor. El capítulo 4 se ocupa de la paralelización de convertidores. En él, se modeliza la interacción entre varios convertidores puestos en paralelo y se comentan varias maneras de realizar esta paralelización y de controlar los convertidores. Se analiza un problema de estabilidad del sistema que puede surgir en caso de utilizar un esquema de control en particular, dando las pautas para detectarlo y proponiendo un esquema de control alternativo para solucionarlo. También se presenta la que se considera la manera óptima de paralelizar convertidores en sistemas de generación eólicos. Los capítulos 5 y 6 se dedican a los huecos de tensión. En el capítulo 5 se dan diferentes opciones para solucionar el problema de la disminución de la potencia vertida a red originado por los huecos trifásicos. En el capítulo 6 se analizan los problemas originados por los desequilibrios en la red y se proponen posibles soluciones. En el capítulo 7 se presenta un novedoso método de control que permite realizar regulación primaria a nivel de aerogenerador. Por último, en el capítulo 8 se trata de reducir las corrientes por tierra en sistemas con convertidor NPC. Para ello, primero se obtiene un modelo del sistema en modo común, para después presentar varias modulaciones que reducen la tensión en modo común introducida por el convertidor NPC.
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Desarrollo de software de simulación basado en el método numérico FDTD y su aplicación en el diseño de dispositivos de microondas miniaturizados
(2017) Marcotegui Iturmendi, José Antonio; Falcone Lanas, Francisco ; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Esta tesis es fruto de mi participación en diferentes proyectos en algunos casos como gestor, en otras ocasiones como investigador, aunque yo diría más bien como desarrollador. La tesis la he estructurado en 4 capítulos: 1) El capítulo 1 es una presentación de los fundamentales del método FDTD (Finite Difference Time Domain) con los cuales es posible llevar a cabo numerosas simulaciones de dispositivos como lo demuestran los 4 proyectos final de carrera que dirigí mientras fui profesor asociado de UPNA. 2) El capítulo 2 presento algunos de los aspectos asociados a T-Solver (FDTD) la herramienta desarrollada por Tafco: Metawireless para el cálculo electromagnético durante el proyecto NEOTEC "Desarrollo de software de aplicación para el diseño y consultoría electromagnética (T-Solver)". 3) El capítulo 3 presenta los resultados obtenidos en diferentes proyectos de disefios de filtros y circuladores. Proyectos: PROFIT 2003-2004, Acorde, Fagor, IDEATA y METAFER. 4) El capítulo 4 presento las conclusiones y lineas futuras.
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Development of advanced structures for optical fiber lasers and sensors
(2015) Rota Rodrigo, Sergio; López-Amo Sáinz, Manuel; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Desde la irrupción de la fibra óptica en las telecomunicaciones, han surgido multitud de desarrollos basados en sus propiedades. Así, en las últimas décadas, la rápida evolución de los sistemas basados en fibra óptica, así como la aparición en el mercado de dispositivos como los amplificadores ópticos, los láseres de semiconductor de alta potencia, y otros elementos, ha hecho avanzar considerablemente la investigación en este campo. Además de la utilización de la fibra óptica en telecomunicaciones, han surgido nuevas aplicaciones, generando nuevas familias de dispositivos. Dos de ellas particularmente interesantes, son los láseres de fibra óptica y los sensores de fibra óptica. Ambas familias pueden combinarse de manera que sensores y redes de sensores de fibra óptica pueden interrogarse por medio de láseres de fibra óptica. En este marco de investigación se centra esta tesis, donde se han desarrollado estructuras avanzadas de fibra óptica para láseres y sensores. El objetivo ha sido mejorar las propiedades de los láseres de fibra, sensores y sus sistemas de monitorización, así como abordar los diferentes problemas que éstos presentan actualmente. Los retos encontrados, así como los objetivos de cada sistema, varían en función del tipo de sistema desarrollado. De esta forma, la primera parte de este trabajo ha sido dedicada al desarrollo de láseres de fibra óptica, buscando mejorar sus propiedades en términos de estabilidad, relación señal ruido, modos longitudinales, múltiples líneas de emisión y anchura de las mismas. Se han abordado diferentes tipos de configuraciones clásicas de láseres en anillo y de cavidad lineal. También se han realizado estudios de láseres de cavidad distribuida mediante dispersión Rayleigh (random). Estos láseres han suscitado gran interés en los últimos años dado que no presentan modos longitudinales. Por otro lado en el ámbito de la monitorización de sensores, se han desarrollado transductores ópticos basados en fibras micro-estructuradas, aprovechando las ventajas que éstas presentan en comparación con las fibras ópticas estándar. Finalmente se han desarrollado diferentes configuraciones de sistemas sensores con el objetivo de contribuir a la mejora de alguno de sus parámetros, como su alcance, capacidad de multiplexación, sensibilidad, rango dinámico y estabilidad de los sistemas sensores.