Tesis doctorales DIEE - IEES Doktoretza tesiak

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http://hdl.handle.net/2454/14776

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Tecnologías de alimentación renovable para invernaderos avanzados: diseño, caracterización, dimensionado y captadores fotovoltaicos
(2016) Moriana García, Irune; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
El propósito general de esta tesis consiste en el estudio y análisis de los sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos de generación de energía eléctrica y su implementación en invernaderos. Concretamente, el trabajo realizado se enmarca en el CENIT (Consorcios Estratégicos Nacionales en Investigación Técnica) MEDIODÍA ('Multiplicación de Esfuerzos para el Desarrollo, Innovación, Optimización y Diseño de Invernaderos Avanzados'). El objetivo general de este proyecto consistió en realizar una investigación de carácter estratégico en el campo de la agricultura bajo plástico, para la obtención de nuevos conocimientos multidisciplinares que permitieran el futuro desarrollo de un nuevo concepto de invernadero avanzado. En este sentido, se definieron tres invernaderos prototipo de tres regiones climáticas en España: uno de cultivo hortícola en Almería, representativo de clima mediterráneo, otro de cultivo ornamental en Madrid, ejemplo de un clima continental, y otro de cultivo hortícola en Sartaguda, Navarra, representativo del clima típico del Valle del Ebro. La presente tesis se centra en el estudio de mejoras tecnológicas para el invernadero de Sartaguda. El trabajo se llevó a cabo con el apoyo de la empresa Acciona Energía, y se enfocó, principalmente, en tres direcciones: desarrollo de metodologías de análisis de consumos eléctricos en invernaderos, diseño avanzado de sistemas de alimentación renovables para invernaderos (especialmente de tipo eólico-fotovoltaico), y análisis y modelado de la producción eléctrica de sistemas fotovoltaicos basados en capa delgada y flexible para su incorporación a los invernaderos de tipo capilla.
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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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Luminescence-based optical fiber oxygen sensors fabricated by means of layer-by-layer nano-assembly
(2018) Acha Morrás, Nerea de; Elosúa Aguado, César; Arregui San Martín, Francisco Javier; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Over the last decades, luminescence quenching has been established as a widespread technique for gaseous oxygen monitoring in a broad range of applications. Thus, considerable effort has been made to manufacture luminescent oxygen sensors. The performances of such sensors are determined by the oxygen indicator and the matrix that entraps this indicator as well. In spite of its versatility for fine-tuning the final features of nanostructures, the Layer-by-Layer nano-assembly technique has been rarely studied for fabricating these sensors. This could be explained by the fact that most of the optically stable and highly sensitive oxygen indicators are not water soluble. The main objective of this work is to combine these detection and deposition techniques with optical fiber setups, for the fabrication and characterization of luminescent optical fiber oxygen sensors fabricated by Layer-by-Layer nano-assembly.
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Energy storage systems based on lithium-ion batteries and supercapacitors: characterization, modelling and integration with renewable energies
(2017) Berrueta Irigoyen, Alberto; Ursúa Rubio, Alfredo; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
Los inconvenientes medioambientales, sociales y económicos que presentan los combustibles fósiles y nucleares están propiciando un uso cada vez mayor de fuentes de energía renovables. El fuerte desarrollo tecnológico de los sistemas de generación basados en estas fuentes de energía, especialmente de los sistemas eólicos y fotovoltaicos, ha abaratado enormemente sus costes de producción, resultando ya tecnologías competitivas en relación con las plantas convencionales. Actualmente, el principal obstáculo que limita su integración masiva en la red eléctrica es su gestionabilidad, dada la naturaleza intermitente del recurso renovable. Los sistemas de almacenamiento energético distribuidos, y en particular las baterías de litio y los supercondensadores, surgen como una de las mejores alternativas para mejorar la gestión de esta energía y facilitar la operación de una red el ectrica cada vez más basada en sistemas renovables. Esta tesis analiza en profundidad ambas tecnologías de almacenamiento, especialmente cuando funcionan en entornos de generación renovable. Las principales líneas de trabajo de la tesis son: Análisis del estado actual de las tecnologías; Estudio de la influencia de los fenómenos termodinámicos, electroquímicos y térmicos en el funcionamiento de estos sistemas de almacenamiento; Modelado electroquímico y térmico de ambas tecnologías de almacenamiento; Estimación del estado de carga y del envejecimiento en baterías de litio; Validación experimental de los modelos propuestos ante diferentes condiciones de funcionamiento; Desarrollo de metodologías para el diseño y funcionamiento óptimo de sistemas de almacenamiento basados en baterías de litio en entornos renovables y particularización para centrales fotovoltaicas.
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Gaze estimation: a mathematical challenge
(2017) Sesma Sánchez, Laura; Díaz Lucas, Silvia; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
El interés en los sistemas de eye tracking está creciendo significativamente en la actualidad. Aunque la tecnología de eye tracking puede parecer nueva, el estudio del movimiento del ojo ya empezó a principios del siglo XIX y los primeros sistemas de eye tracking basados en video-oculografía surgieron a principios de los años ochenta. Los eye trackers han estado limitados principalmente a la investigación y a las personas con discapacidad, pero en los últimos años el uso de esta tecnología se está expandiendo. Los sistemas de eye tracking pueden cambiar la forma de interactuar con los dispositivos cotidianos. El objetivo de esta tesis es facilitar el uso general de esta tecnología. Con este fin, los eye trackers tienen que ser baratos, precisos y permitir al usuario mover la cabeza libremente. Hay un gran interés en estimar la mirada con una sola cámara web, ya que casi todos los dispositivos incluyen una, y en reducir el número de luces infrarrojas. Sin embargo, el eye tracking basado en una cámara web supone nuevos desafíos tales como un campo de visión más amplio y una calidad de imagen inferior. En esta tesis, la precisión y robustez de métodos de estimación de la mirada existentes basadas en una cámara y dos luces infrarrojas son evaluadas para un rango amplio de movimiento de cabeza cuando se utiliza una cámara web. Una de las principales fuentes de error en la estimación de la mirada es la precisión de los detectores de características, por ello se analiza el impacto de las características de la cámara en los errores de detección de características. La ventaja de usar una cámara web es que el gran campo de visión permite capturar ambos ojos. El uso de datos binoculares es explotado para diseñar nuevos métodos de estimación de la mirada. La mayoría de los métodos de estimación de la mirada existentes se basan en al menos dos luces infrarrojas para proporcionar robustez al movimiento de cabeza. En esta tesis, se proponen y evalúan métodos de estimación de la mirada que sólo requieren de una cámara y una sola luz infrarroja manteniendo una robustez aceptable al movimiento de cabeza. También se presentan e investigan métodos de estimación de la mirada que no requieren luz infrarroja. Además, se proponen los procesos gaussianos como una alternativa a las regresiones polinomiales.
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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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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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Frequency responses and synthesis methods for advanced microwave applications
(2014) Lujambio Genua, Aintzane; Lopetegui Beregaña, José María; Gómez Laso, Miguel Ángel; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
In this thesis, a new approximation procedure based on digital filter design techniques and a direct synthesismethod based on inverse scattering are proposed to provide flexibility to themicrowave filter design process. The combination of bothmethods has been used for the design, fabrication, and measurement of a multiband filter. Further modifications have been done in the design to improve its integration using the latest Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC)multilayer technology. Different type of rectangular waveguide filters with smooth profiles have been presented that provide wideband rejection, high power handling capability and higher order mode suppression, typical specifications of satellite communication systems. The analysis of the proposed devices makes special emphasis on multi-mode effects, which are analyzed using a home-made mode-matching program that allows to obtain the evolution of themodes and the coupling between theminside the structure. Finally, dispersive delay lines (DDLs), the basic elements of analog signal processing systems, have been considered in detail. After a review of the state of the art, a new method to design chirped delay lines (CDLs) in coupled-lines is proposed and validated by the design, fabrication, and measurement of a device aimed for Ultra Wideband signal processing. In addition, several CDLs in coupled lines are designed to compensate the chromatic dispersion of optical communication systems obtaining very good results for relatively short optical links.
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Low power channel selection filtering for highly integrated wireless receivers
(2013) García Alberdi, Coro; López Martín, Antonio; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
In this research work, low-voltage and low-power techniques have been applied to implement novel analog circuits, mainly Gm-C filters. The structure of the thesis follows a bottom-up scheme: basic techniques at device level are proposed in the first place, followed by the introduction of novel circuit topologies at cell level, and finally the achievement of new designs at system level. At device level the main contribution of this work is the employment of Floating-Gate (FG) and Quasi-Floating-Gate (QFG) transistors in order to reduce the power consumption. By using them, new topologies are proposed at cell level, being a high-performance tunable class AB transconductor well adapted to low power and low voltage environments the most important one. This circuit employs a resistive divider implemented by MOS transistors operating in triode region as tuning scheme. Regarding system level, new designs have been achieved by employing these novel cells. In fact, as a final result, this dissertation introduces a new tunable highly-linear third-order Butterworth low-pass Gm-C filter, suitable for channel selection filtering in a Zero-IF receiver. Automatic tuning systems are also proposed to improve it. Moreover, a VGA is also implemented by employing the same basic cell. It operates with constant bandwidth for all the gain settings. Both are important blocks in a Zero-IF wireless receiver. All the proposed circuits have been fabricated using a 0.5μm doublepoly n-well CMOS technology, and the corresponding measurement results are provided and analyzed to validate their operation. Furthermore, different approaches to obtain the final designs are discussed together with theoretical analysis to fully explore the potential of the resulting circuits and systems in the scenario of low-power low-voltage applications.
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Estructuras de conversión para sistemas fotovoltaicos de alta potencia
(2014) Borrega Ayala, Mikel; Marroyo Palomo, Luis; González Senosiain, Roberto; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Dentro de las grandes plantas fotovoltaicas, el inversor es un elemento crítico y debe ayudar a reducir el coste de la misma. Los inversores de alta potencia utilizados utilizan tres tipos de arquitecturas de conversión: inversor centralizado, inversor multi-string y el inversor maestro-esclavo. A lo largo de esta tesis se han analizado los tres tipos, realizándose aportaciones sobre el estado del arte en todas ellas. La aportación principal es la nueva técnica de control propuesta para los inversores maestro-esclavo. Esta técnica de control elimina las corrientes circulantes entre los diferentes inversores de los que está compuesto el inversor maestro-esclavo, posibilitando la utilización de transformadores de un único secundario e inductancias trifásicas. Con el consiguiente ahorro económico. Otra aportación ha sido el análisis en modo común realizado a las tres arquitecturas de conversión. Se ha propuesto una metodología de diseño de los filtros en modo común que obtiene analíticamente las frecuencias de resonancia del circuito.
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Integración de tecnologías inalámbricas en sistemas de control y monitorización
(2014) Nazábal Urriza, Juan Antonio; Falcone Lanas, Francisco; Matías Maestro, Ignacio; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
En este trabajo se explora el concepto de ‘Internet of things’ y la integración de diferentes tecnologías de sensado en un mismo sistema de monitorización y control remoto. Básicamente la idea consiste en que todo esté conectado con todo a través de una red de transporte genérica aunque la red utilizada en este trabajo ha sido Internet debido a su alcance prácticamente global. Existen diferentes tecnologías de sensado a utilizar con sus diferentes ventajas e inconvenientes y en este trabajo s se propone el uso conjunto de algunas de ellas. Por un lado se propone el uso de dispositivos inalámbricos basados en IEEE 802.15.4. Debido a que presentan un bajo consumo y poseen una baja tasa de transmisión los convierten en buenos candidatos a la hora de su utilización en redes de sensores. Además se comentan las características radioeléctricas de los mismos, así como los principales problemas radioeléctricos asociados, cobertura, calidad de enlace, etc. También se estudia su uso en sistemas de baja movilidad así como su uso colocados sobre el cuerpo humano. Otra tecnología interesante a integrar es KNX. Este estándar domótico posee una amplia experiencia y lleva mucho tiempo en el mercado. Además existen multitud de diferentes modelos de dispositivos de diferentes fabricantes. En este trabajo se habla de cómo acceder a los datos del bus KNX mediante USB y también mediante redes IP utilizando el protocolo KNXNet/IP. Además se comentan los principales inconveniente del mismo y se propone un cambio en el protocolo para subsanarlos. Finalmente una tecnología que proporciona grandes ventajas es la fibra óptica. Dentro del amplio abanico de posibilidades, este trabajo se centra exclusivamente en el uso de sensores basados en redes de difracción en fibra (FBG). Se comenta la dificultad de acceso a los datos de los sensores en equipos de fibra óptica debido principalmente a la falta de estandarización. Finalmente se muestra tres casos concretos de dispositivos ópticos y el mecanismo necesario para acceder a los datos de los sensores conectados a los mismos. En último lugar se comentan varias implementaciones prácticas de diferentes sistemas de monitorización remota con la integración de dos o más de las tecnologías mencionadas anteriormente.
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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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Non-negative matrix decomposition for single-channel source separation in biomedical signal processing applications
(2017) Niegowski, Maciej; Zivanovic, Miroslav; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
La separación de fuentes en el procesamiento de señales digitales, consiste en encontrar las mejores aproximaciones de las componentes de una mezcla de señales. Aunque en la mayoría de los casos no se dispone de antemano de una información detallada sobre las fuentes, es posible realizar una separación parcial. Uno de los posibles métodos es la factorización de matrices no negativa (NMF). A pesar de su creciente popularidad en la comunidad de procesamiento de señales biomédicas, se presta poca atención a los importantes inconvenientes que a menudo impiden su uso de forma directa. Uno de estos inconvenientes es la inicialización aleatoria del algoritmo, lo que a menudo lleva a un mínimo local y a resultados irreproducibles. La selección del rango de las fuentes individuales es a menudo engañosa. Una solución habitual para este problema es asignar el rango de acuerdo con la cantidad de fuentes y luego ajustarlo mediante un procedimiento iterativo de prueba y error. Desafortunadamente, este procedimiento es computacionalmente costoso y no hay garantía de que converja al rango óptimo para cada fuente. Otro aspecto importante es la transformación utilizada para pasar del dominio del tiempo a la representación no negativa (matricial) y viceversa. En la presente tesis se abordan los problemas mencionados y se proponen nuevas características para algoritmo, tales como: estimación inequívoca del rango no-negativo e inicialización con estructuras cuidadosamente diseñadas. Todos los métodos propuestos se han comparado con al menos dos de referencia.
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Metamaterials and extraordinary transmission structures applied to microwave, millimeter and terahertz waves devices
(2017) Rodríguez Ulibarri, Pablo; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Los metamateriales aparecen en los primeros años del siglo XXI como materiales artificiales que presentan un comportamiento electromagnético de alguna manera exótico. Al mismo tiempo, se descubre un nuevo fenómeno denominado transmisión extraordinaria. Ambas disciplinas conllevaron a una revisión profunda del electromagnetismo básico aunando dos comunidades científicas que últimamente permanecían desligadas, las microondas y la óptica. Además, tanto los metamateriales como la transmisión extraordinaria fueron explotados para desarrollar nuevos dispositivos para un amplio abanico de aplicaciones tales como seguridad, comunicaciones o espectroscopía. En esta Tesis se investiga el uso de dispositivos inspirados en estructuras metamaterial y el fenómeno de transmisión extraordinaria operando a frecuencias de microondas, ondas milimétricas y terahercios. El contenido de la Tesis se puede dividir en tres partes diferenciadas que se relacionan con cada uno de los rangos frecuenciales estudiados, es decir, microondas, ondas milimétricas y terahercios. La primera parte de la Tesis está dedicada a investigar cómo los metamateriales pueden mejorar las prestaciones de un sistema de antenas para aplicaciones radar en el rango de las microondas. La segunda parte trata de forma teórica y experimental diferentes estructuras periódicas bidimensionales que trabajan en el rango de las ondas milimétricas con el fin de estudiar los límites entre el fenómeno de transmisión extraordinaria y regímenes ordinarios, diseñar dispositivos unidireccionales y sintonizables y metasuperficies con una respuesta angular no convencional. Finalmente, la tercera parte de la Tesis, hace extensible el uso de estructuras periódicas bidimensionales para aplicaciones de sensado a frecuencias de terahercio.
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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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Synthesis and design of novel metamaterial radiation structures
(2017) Ortiz Pérez de Eulate, Noelia; Falcone Lanas, Francisco; Sorolla Ayza, Mario; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
The present thesis deals with the design and practical implementation of novel netamaterial planar antenna structures based on Complementary Split Ring Resonator (CSRR) particles. As CSRR particles display a very attractive electrical performance when used as unit cell for metasurfaces, the authors of this thesis have proposed to implement such particles in waveguide lters. In this case, the possibility to design waveguide lters with lengths equal to the thickness of a metallic sheet is con rmed. Consequently, the proposed structure constitutes a signi cant reduction of the dimensions of the well-known resonant cavity waveguide lters coupled by irises. The behavior of CSRR particles within compact waveguide lter suggested the authors to use them as stand alone radiating elements. As expected, due to the reduced electrical volume of CSRRs, such particles exhibited low radiation e ciency. In order to improve the radiation e ciency, the idea to implement CSRRs inside a larger structure came to us. Measurement results con rm this hypothesis and raise the question to design multi-band antennas. In order to implement multi-band antennas, several CSRRs are inserted at di erent positions in the patch. It is then observed that the grouping of CSRRs can provide either multi-band operation or polarization rotation capabilities, when Electro-Inductive Waves (EIW) are supported. Finally, thanks to EIW propagation, the idea to use longer CSRR chains as radiating structures came to us. As an intermediate step, and in order to validate simulated results, a nite array composed of nine CSRRs is manufactured and partially tested. Though partial, this test results are very encouraging and motivate a more in deep measurement campaign. This campaign is expected to result into new publications on this topic. These results support the use of the proposed CSRR chains for the design of leaky wave antennas.
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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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Electronic model-driven health computing platforms in the management of chronicity: contributions to integration and harmonization of e-health standards and modelling efficient eophthalmology services
(2016) Eguzkitza Diego, Aitor; Serrano Arriezu, Luis Javier; Trigo Vilaseca, Jesús Daniel; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
En general, los servicios de salud se diseñan para tratar episodios agudos, mientras que las enfermedades crónicas consumen cerca del 80% del presupuesto de los servicios nacionales de salud debido a una gestión subóptima de la cronicidad. En paralelo, la proliferación de dispositivos en el ámbito clínico con la capacidad de intercambiar información a través de redes de comunicación ha abierto nuevos horizontes en la práctica clínica. Este nuevo escenario de salud electrónica nos lleva a reconsiderar la práctica clínica tradicional en pro de la precisión diagnóstica y una redistribución más eficiente de los recursos disponibles, ya sean materiales o humanos. De modo que, con el fin de adaptar los servicios de salud ya existentes de forma coherente, integral y reutilizable, surgen una serie de necesidades a considerar, tal y como se describe a continuación. En primer lugar, para lograr un intercambio fiable de la información clínica, las normas de salud electrónica deben garantizar la estandarización a diferentes niveles de interoperabilidad. Y sin embargo, de momento no hay una solución integral para alcanzar dicha interoperabilidad. De hecho, incluso los diferentes estándares de salud electrónica disponibles hoy día no son directamente interoperables entre sí. Para suplir dicha carencia, esta tesis proporciona una metodología integral para formalizar la información clínica de acuerdo a los niveles de interoperabilidad técnica, sintáctica, semántica, de proceso/organizativa y de presentación. Esta metodología guiará a los expertos del dominio clínico a participar activamente en el modelado de procesos clínicos para que sean integrados en sistemas de información clínicos. En segundo lugar, dada la heterogeneidad de los sistemas de información que deben interoperar en un servicio de salud convencional, existe la necesidad de integrar nuevas tecnologías y nuevos dispositivos en los sistemas de información ya existentes. En este contexto, esta tesis identifica los diferentes sistemas de información que participan en la gestión de los procesos clínicos centrados en el paciente y propone una arquitectura que conecta dichos sistemas en una plataforma abierta de salud electrónica. En tercer lugar, es cierto que las ventajas de los estándares actuales en salud electrónica (los cuales diferencian entre la estructura de los datos y el conocimiento del dominio a la hora de modelar la información clínica) son patentes. Sin embargo, en vista de la escasez de artefactos de conocimiento disponibles hasta la fecha, se percibe una clara necesidad de contribuir al corpus de modelos electrónicos existente. Tal contribución ayudaría a ampliar el abanico de escenarios clínicos en los cuales se puede aplicar el enfoque del modelo dual. Por consiguiente, en el marco de esta tesis se formalizan una serie de modelos electrónicos que se corresponden con escenarios clínicos reales. Más específicamente, se proporcionan modelos para tres afecciones oculares estratégicas en la gestión de la cronicidad en oftalmología: retinopatía diabética, degeneración macular asociada a la edad y glaucoma crónico. Éstas se corresponden con las causas más frecuentes de ceguera evitable en Europa y sus procesos clínicos asociados amenazan con sobrecargar las listas de espera de los servicios de salud debido a la escasez de especialistas disponibles para hacer el seguimiento de los pacientes dentro de los intervalos recomendados. En consecuencia, esta tesis propone el modelado de los procesos clínicos asociados a estas tres afecciones, basándose en la metodología y de acuerdo a la plataforma abierta de salud electrónica anteriormente propuestas. Aunque los modelos resultantes se crean para el Servicio Navarro de Salud - Osasunbidea (SNS-O), esta tesis fomenta la reutilización de los recursos electrónicos que los componen. En definitiva, esta tesis demuestra que la definición de una metodología integral para formalizar la práctica clínica dentro de los sistemas de información, el diseño de una plataforma abierta basada en modelos y estándares de salud electrónica y la creación de modelos electrónicos estructurados semánticamente mejora la gestión de la información electrónica, la interoperabilidad, así como la reutilización de los recursos en el ámbito de la salud.
Open Access
Leaky wave antennas, plasmonics and metamaterials in the terahertz
(2017) Beaskoetxea Gartzia, Unai; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
La demostración del fenómeno de EOT en el rango de las milimétricas y las microondas y la presentación de la antena BE de onda de fuga en [53], propició el desarrollo de diversas antenas BE corrugadas, cada una de ellas con características físicas únicas y compartiendo como rasgo común su bajo perfil y características radiantes que igualaban, e incluso superaban, aquellas de antenas de bocina más volumétricas. En esta tesis se han presentado nuevos dispositivos de esta familia de antenas BE corrugadas de onda de fuga, cada una de ellas con el propósito de mejorar diseños previos o con la idea de demostrar nuevas capacidades. El empleo de una superficie sinusoidal y su comparación con una antena de corrugaciones rectangulares fue primeramente presentado. Se vio que el uso de esta geometría era igualmente válido para conseguir una antena eficiente y, además, se previó su uso en aplicaciones de alta potencia donde el efecto multipactor puede resultar dañino. Se ha presentado un trabajo en el cual se intentaba demostrar la validez de la configuración apertura lambda medios más corrugaciones en el terahercio. Mediante el análisis experimental de tal estructura, así como el análisis numérico de estructuras parecidas, se demostró su validez, así como se dio una explicación de la formación de los haces radiados en este tipo de estructuras. El empleo de antenas ligeras de alta ganancia y perfil reducido en aplicaciones tales como comunicaciones espaciales o vehículos aéreos no tripulados, como drones, ha atraído la atención de la comunidad de ingeniería y continuamente se anuncia la consecución de diversos tipos de estructuras para tales fines. En este trabajo, se ha presentado una antena fabricada mediante un proceso de estereolitografía y metalización, con el añadido del estudio analítico y desarrollo de la formulación necesarios para conseguir un haz que radie en una dirección inclinada respecto a la dirección normal a la superficie, a través del diseño adecuado del patrón corrugado. Basada en la demostración numérica de la mayor transmisión conseguible mediante el uso de corrugaciones más anchas de las hasta el momento utilizadas, e incluyendo una soft surface en la estructura, se diseñó y fabricó una antena miniaturizada de alta ganancia (resultando en una alta eficiencia de apertura), con lóbulos laterales bajos. Este dispositivo puede ser de interés para aplicaciones tales como las arriba comentadas (comunicaciones espaciales, drones…) debido a la alta ganancia que se consigue con dispositivos de volumen tan reducido y gran ligereza. Se ha mostrado la posibilidad de obtener diversos tipos estructuras interesantes basadas en una configuración similar en un amplio rango de frecuencias en el campo de las comunicaciones.
Open Access
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.