Design and development of compact optical systems = Diseño y desarrollo de sistemas ópticos compactos

Esta tesis considera dos tipos de aplicaciones del diseño óptico: óptica formadora de imagen por un lado, y óptica anidólica (nonimaging) o no formadora de imagen, por otro. Las ópticas formadoras de imagen tienen como objetivo la obtención de imágenes de puntos del objeto en el plano de la imagen. Por su parte, la óptica anidólica, surgida del desarrollo de aplicaciones de concentración e iluminación, se centra en la transferencia de energía en forma de luz de forma eficiente. En general, son preferibles los diseños ópticos que den como resultado sistemas compactos, para ambos tipos de ópticas (formadora de imagen y anidólica). En el caso de los sistemas anidólicos, una óptica compacta permite tener costes de producción reducidos. Hay dos razones: (1) una óptica compacta presenta volúmenes reducidos, lo que significa que se necesita menos material para la producción en masa; (2) una óptica compacta es pequeña y ligera, lo que ahorra costes en el transporte. Para los sistemas ópticos de formación de imagen, además de las ventajas anteriores, una óptica compacta aumenta la portabilidad de los dispositivos, que es una gran ventaja en tecnologías de visualización portátiles, tales como cascos de realidad virtual (HMD del inglés Head Mounted Display). Esta tesis se centra por tanto en nuevos enfoques de diseño de sistemas ópticos compactos para aplicaciones tanto de formación de imagen, como anidólicas. Los colimadores son uno de los diseños clásicos dentro la óptica anidólica, y se pueden utilizar en aplicaciones fotovoltaicas y de iluminación. Hay varios enfoques a la hora de diseñar estos colimadores. Los diseños convencionales tienen una relación de aspecto mayor que 0.5. Con el fin de reducir la altura del colimador manteniendo el área de iluminación, esta tesis presenta un diseño de un colimador multicanal. En óptica formadora de imagen, las superficies asféricas y las superficies sin simetría de revolución (o freeform) son de gran utilidad de cara al control de las aberraciones de la imagen y para reducir el número y tamaño de los elementos ópticos. Debido al rápido desarrollo de sistemas de computación digital, los trazados de rayos se pueden realizar de forma rápida y sencilla para evaluar el rendimiento del sistema óptico analizado. Esto ha llevado a los diseños ópticos modernos a ser generados mediante el uso de diferentes técnicas de optimización multi-paramétricas. Estas técnicas requieren un buen diseño inicial como punto de partida para el diseño final, que será obtenido tras un proceso de optimización. Este proceso precisa un método de diseño directo para superficies asféricas y freeform que den como resultado un diseño cercano al óptimo. Un método de diseño basado en ecuaciones diferenciales se presenta en esta tesis para obtener un diseño óptico formado por una superficie freeform y dos superficies asféricas. Esta tesis consta de cinco capítulos. En Capítulo 1, se presentan los conceptos básicos de la óptica formadora de imagen y de la óptica anidólica, y se introducen las técnicas clásicas del diseño de las mismas. El Capítulo 2 describe el diseño de un colimador ultra-compacto. La relación de aspecto ultra-baja de este colimador se logra mediante el uso de una estructura multicanal. Se presentará su procedimiento de diseño, así como un prototipo fabricado y la caracterización del mismo. El Capítulo 3 describe los conceptos principales de la optimización de los sistemas ópticos: función de mérito y método de mínimos cuadrados amortiguados. La importancia de un buen punto de partida se demuestra mediante la presentación de un mismo ejemplo visto a través de diferentes enfoques de diseño. El método de las ecuaciones diferenciales se presenta como una herramienta ideal para obtener un buen punto de partida para la solución final. Además, diferentes técnicas de interpolación y representación de superficies asféricas y freeform se presentan para el procedimiento de optimización. El Capítulo 4 describe la aplicación del método de las ecuaciones diferenciales para un diseño de un sistema óptico de una sola superficie freeform. Algunos conceptos básicos de geometría diferencial son presentados para una mejor comprensión de la derivación de las ecuaciones diferenciales parciales. También se presenta un procedimiento de solución numérica. La condición inicial está elegida como un grado de libertad adicional para controlar la superficie donde se forma la imagen. Basado en este enfoque, un diseño anastigmático se puede obtener fácilmente y se utiliza como punto de partida para un ejemplo de diseño de un HMD con una única superficie reflectante. Después de la optimización, dicho diseño muestra mejor rendimiento. El Capítulo 5 describe el método de las ecuaciones diferenciales ampliado para diseños de dos superficies asféricas. Para diseños ópticos de una superficie, ni la superficie de imagen ni la correspondencia entre puntos del objeto y la imagen pueden ser prescritas. Con esta superficie adicional, la superficie de la imagen se puede prescribir. Esto conduce a un conjunto de tres ecuaciones diferenciales ordinarias implícitas. La solución numérica se puede obtener a través de cualquier software de cálculo numérico. Dicho procedimiento también se explica en este capítulo. Este método de diseño da como resultado una lente anastigmática, que se comparará con una lente aplanática. El diseño anastigmático converge mucho más rápido en la optimización y la solución final muestra un mejor rendimiento. ABSTRACT We will consider optical design from two points of view: imaging optics and nonimaging optics. Imaging optics focuses on the imaging of the points of the object. Nonimaging optics arose from the development of concentrators and illuminators, focuses on the transfer of light energy, and has wide applications in illumination and concentration photovoltaics. In general, compact optical systems are necessary for both imaging and nonimaging designs. For nonimaging optical systems, compact optics use to be important for reducing cost. The reasons are twofold: (1) compact optics is small in volume, which means less material is needed for mass-production; (2) compact optics is small in size and light in weight, which saves cost in transportation. For imaging optical systems, in addition to the above advantages, compact optics increases portability of devices as well, which contributes a lot to wearable display technologies such as Head Mounted Displays (HMD). This thesis presents novel design approaches of compact optical systems for both imaging and nonimaging applications. Collimator is a typical application of nonimaging optics in illumination, and can be used in concentration photovoltaics as well due to the reciprocity of light. There are several approaches for collimator designs. In general, all of these approaches have an aperture diameter to collimator height not greater than 2. In order to reduce the height of the collimator while maintaining the illumination area, a multichannel design is presented in this thesis. In imaging optics, aspheric and freeform surfaces are useful in controlling image aberrations and reducing the number and size of optical elements. Due to the rapid development of digital computing systems, ray tracing can be easily performed to evaluate the performance of optical system. This has led to the modern optical designs created by using different multi-parametric optimization techniques. These techniques require a good initial design to be a starting point so that the final design after optimization procedure can reach the optimum solution. This requires a direct design method for aspheric and freeform surface close to the optimum. A differential equation based design method is presented in this thesis to obtain single freeform and double aspheric surfaces. The thesis comprises of five chapters. In Chapter 1, basic concepts of imaging and nonimaging optics are presented and typical design techniques are introduced. Readers can obtain an understanding for the following chapters. Chapter 2 describes the design of ultra-compact collimator. The ultra-low aspect ratio of this collimator is achieved by using a multichannel structure. Its design procedure is presented together with a prototype and its evaluation. The ultra-compactness of the device has been approved. Chapter 3 describes the main concepts of optimizing optical systems: merit function and Damped Least-Squares method. The importance of a good starting point is demonstrated by presenting an example through different design approaches. The differential equation method is introduced as an ideal tool to obtain a good starting point for the final solution. Additionally, different interpolation and representation techniques for aspheric and freeform surface are presented for optimization procedure. Chapter 4 describes the application of differential equation method in the design of single freeform surface optical system. Basic concepts of differential geometry are presented for understanding the derivation of partial differential equations. A numerical solution procedure is also presented. The initial condition is chosen as an additional freedom to control the image surface. Based on this approach, anastigmatic designs can be readily obtained and is used as starting point for a single reflective surface HMD design example. After optimization, the evaluation shows better MTF. Chapter 5 describes the differential equation method extended to double aspheric surface designs. For single optical surface designs, neither image surface nor the mapping from object to image can be prescribed. With one more surface added, the image surface can be prescribed. This leads to a set of three implicit ordinary differential equations. Numerical solution can be obtained by MATLAB and its procedure is also explained. An anastigmatic lens is derived from this design method and compared with an aplanatic lens. The anastigmatic design converges much faster in optimization and the final solution shows better performance.

Caracterización estructural de los rellenos situados en el trasdós de bóvedas de edificios históricos

El papel esencial de los rellenos en el comportamiento y la estabilidad de las construcciones de fábrica ha sido sorprendentemente ignorado en la bibliografía técnica, contribuyendo este trabajo a cubrir esta laguna del conocimiento. Se presenta en primer lugar la configuración morfológica de los rellenos del trasdós de bóvedas en la Península Ibérica en tres periodos histórico-técnicos: la construcción romana, la románica y la gótica. La clasificación se ha realizado en base a inspecciones visuales de diferentes edificios. En sendos anexos se presentan análisis comparados de la base de datos que se ha reunido y las fichas de las construcciones consideradas. En segundo lugar se ha caracterizado el papel estructural de los rellenos, identificándose las características intrínsecas que se estiman más significativas de dichos rellenos en relación tanto con su propia configuración como con su función estructural. Muy en particular se proponen unas leyes de empujes coherentes con la naturaleza y con las condiciones de contorno de los rellenos y las bóvedas. En esta tesis se ha desarrollado una sencilla, potente y suficiente herramienta de análisis que considera las principales variables que intervienen en el comportamiento de una estructura de fábrica, incluyendo muy particularmente los rellenos. Para ello se ha planteado una herramienta basada en el análisis límite que incluye la comprobación tensional de los diferentes esfuerzos, normales o tangenciales, así como la interfaz entre bóvedas y rellenos, dotándose a los técnicos de una herramienta que permite entender estas estructuras, de complejo funcionamiento. La herramienta propuesta incluye consideraciones energéticas para encontrar la solución más cercana al funcionamiento real. La herramienta se ha calibrado con ejemplos analizados por otros autores con diferentes procedimientos, poniéndose de manifiesto su suficiente precisión y eficacia, especialmente si se tiene en cuenta que requiere sólo de unos datos mínimos. La calibración se ha extendido al ensayo en modelo reducido de este tipo de estructuras en el Laboratorio de Estructuras de la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Madrid. Fruto de esa calibración, se ha realizado un amplio estudio paramétrico que permite cuantificar la influencia que tienen en el comportamiento estructural variables como el apuntamiento de las bóvedas (relación luz/flecha), su esbeltez (relación luz/canto en clave), la altura de los rellenos rígidos, la altura de los rellenos granulares, etc. Ese estudio ha permitido identificar los puntos críticos, las ratios características que condicionan el comportamiento y, en fin, los aspectos clave del análisis estructural de estas construcciones desde el punto de vista de la interrelación, hasta ahora desconocida, de estructura y relleno, que también es estructura. Ello permitirá orientar de mejor manera las inspecciones de estas estructuras y sus análisis estructurales. Finalmente, la tesis concluye con el desarrollo de tres ejemplos, correspondientes cada uno de ellos a los periodos históricos referidos, en los que se pone de manifiesto el papel crucial de los rellenos en la estabilidad no sólo de las bóvedas sino del resto de elementos estructurales que componen un edificio (pilares, muros, botareles, etc.). Al final se presentan las conclusiones del trabajo y se enumeran las muchas líneas de trabajo que quedan abiertas tras esta tesis. It is surprising that the essential role of the backfill at the extrados of masonry vaults and domes has been ignored or misunderstood in the technical literature. The main purpose of this work is to contribute to overcome such a lacuna. Firstly, the morphological configuration of backfill that can be found in the Iberian Peninsula in Roman, Romanesque and Gothic buildings is also presented. Two annexes are devoted to show the collected database and the result of its analysis. Then, the structural role of backfill is characterised, as well as the intrinsic and most significant properties related both to its configuration and structural function. Thus, specific thrust values are proposed to analyse such structures, taking into account the nature and boundary conditions of walls and vaults. The simple, powerful and sufficient tool of analysis that has been developed is also presented, including the main variables involved, especially the backfill. The limit analysis method, followed by a stress verification, including the extrados of vaults and backfill interface, and an enhanced algorithm based on energetic considerations, are used to provide technicians a tool to understand this type of structures efficiently, in a balanced situation between the rather scarce amount of information and sufficient accuracy and liability. The tool was calibrated by comparing the experimental and theoretical results provided by different authors regarding several examples, as well as our own experimental campaign carried out at the Civil Engineering School of Madrid. A parametric study is also developed, providing original information about the structural importance of several parameters, as the span-to-depth or span-to-rise ratios, relative height of backfill, etc. As a result of this analysis, critical points and tendencies of structural behaviour were detected, helping technicians to inspect and analyse these constructions, also revealing some particularities related to their construction. Furthermore, a set of three examples corresponding to the three structural typologies analysed (Roman, Romanesque and Gothic) is studied. The crucial importance of backfill is then highlighted, not only for the stability of vaults or domes, but also for the equilibrium of walls, pillars and buttresses. Finally, the conclusions of the study and the future research fields are also presented.

Estabilidad de puentes líquidos bajo el efecto de una rotación no axilsimétrica

El estudio de la influencia de perturbaciones de distinta naturaleza en configuraciones de puentes líquidos apoyados en dos discos coaxiales en rotación encuentra una importante motivación en el uso de dicha configuración en la fabricación de cristales semiconductores ultra-puros por la denominada técnica de zona flotante, en la que la rotación de los discos se utiliza para alcanzar temperaturas uniformes. El presente estudio muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de un método numérico en el análisis de la estabilidad de puentes líquidos en isorrotación sometidos al efecto de una fuerza axial uniforme (gravedad axial) y una excentricidad entre el eje de giro y el eje de los discos. Se analiza el efecto de la aplicación de estos factores tanto de forma conjunta como por separado. Aunque existen numerosos estudios previos sobre puentes líquidos sometidos a diversos efectos, el análisis del efecto combinado de la rotación con excentricidad y gravedad axial no ha sido realizado con anterioridad. Este estudio permite además entender los resultados del experimento a bordo de la misión TEXUS-23, en el que un puente líquido sujeto entre dos discos circulares y coaxiales es sometido al efecto de una rotación creciente en torno a un eje desplazado respecto al eje de los discos. Aunque en el experimento no se impone una fuerza axial controlada, la desestabilización y rotura del puente se produce de forma notablemente asimétrica, lo que no puede ser explicado con los estudios precedentes y sugiere una posible presencia de una aceleración axial residual. Se ha desarrollado por tanto un método de análisis de imágenes que permite comparar las formas obtenidas en el experimento con las calculadas numéricamente. En este estudio se muestran los detalles del procesado realizado en las imágenes de la misión TEXUS-23, y los resultados de su comparación con el análisis numérico, que permiten determinar el valor de la gravedad axial que mejor reproduce los resultados del experimento. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia del conocimiento y la modelización de efectos cuya presencia (intencionada o no) afectan de forma visible a la estabilidad y la morfología de los puentes líquidos. ABSTRACT The study of the influence of various disturbances in configurations consisting of a liquid bridge supported by two co-axial disks in rotation has an important motivation in the use of this configuration in the fabrication of ultrapure semiconductor crystals via the so-called floating zone technique, in which the rotation of the disks is used to achieve a uniform temperature field. The present study shows the results obtained through the application of a numerical method in the analysis of the stability of liquid bridges in isorotation under the effect of a uniform axial force field (axial gravity) and an offset between the rotation axis and the axis of the supporting disks (eccentricity). The analysis studies the effect of both the combined and separate application of these factors. Although there are numerous studies on liquid bridges subject to various effects, the analysis of the combined effect of rotation with eccentricity and axial gravity has not been done before. Furthermore, this study allows us to understand the results from the experiment aboard the TEXUS-23 mission, in which a liquid bridge supported between two circular-shaped, co-axial disks is subject to the effect of an increasing rotation around an axis with an offset with respect to the axis of the disks. Although the experiment conditions do not include a controlled axial force field, the instability and breakage of the bridge occurs with a marked asymmetry, which cannot be explained by previous studies and suggests the possible presence of a residual axial gravity. Therefore, an image analysis method has been developed which allows to compare the shapes obtained in the experiment with those calculated with the numerical method. This study shows the details of the processing performed on the images from the TEXUS-23 mission and the results from their comparison with the numerical analysis, which allow to determine the axial gravity value which best recovers the experimental results. These results highlight the importance of the understanding and modelling of effects which, when present (intentionally or not), noticeably affect the stability and shape of the liquid bridges.

Caracterización de sistemas vibroacústicos mediante análisis estadístico de energía

Hoy día nadie discute la importancia de predecir el comportamiento vibroacústico de estructuras (edificios, vehículos aeronaves, satélites). También se ha hecho patente, con el tiempo, que el rango espectral en el que la respuesta es importante se ha desplazado hacia alta frecuencia en prácticamente todos los campos. Esto ha hecho que los métodos de análisis en este rango alto de frecuencias cobren importancia y actualidad. Uno de los métodos más extendidos para este fin es el basado en el Análisis Estadístico de la Energía, SEA. Es un método que ha mostrado proporcionar un buen equilibrio entre potencia de calculo, precisión y fiabilidad. En un SEA el sistema (estructura, cavidades o aire circundante) se modela mediante una matriz de coeficientes que dependen directamente de los factores de pérdidas de las distintas partes del sistema. Formalmente es un método de análisis muy cómodo e intuitivo de manejar cuya mayor dificultad es precisamente la determinación de esos factores de pérdidas. El catálogo de expresiones analíticas o numéricas para su determinación no es suficientemente amplio por lo que normalmente siempre se suele acabar necesitando hacer uso de herramientas experimentales, ya sea para su obtención o la comprobación de los valores utilizados. La determinación experimental tampoco está exenta de problemas, su obtención necesita de configuraciones experimentales grandes y complejas con requisitos que pueden llegar a ser muy exigentes y en las que además, se ven involucrados problemas numéricos relacionados con los valores de los propios factores de pérdidas, el valor relativo entre ellos y las características de las matrices que conforman. Este trabajo estudia la caracterización de sistemas vibroacústicos mediante el análisis estadístico de energía. Se centra en la determinación precisa de los valores de los factores de pérdidas. Dados los problemas que puede presentar un sistema experimental de estas características, en una primera parte se estudia la influencia de todas las magnitudes que intervienen en la determinación de los factores de pérdidas mediante un estudio de incertidumbres relativas, que, por medio de los coeficientes de sensibilidad normalizados, indicará la importancia de cada una de las magnitudes de entrada (esencialmente energías y potencias) en los resultados. De esta parte se obtiene una visión general sobre a qué mensurados se debe prestar más atención, y de qué problemas pueden ser los que más influyan en la falta de estabilidad (o incoherencia) de los resultados. Además, proporciona un modelo de incertidumbres válido para los casos estudiados y ha permitido evaluar el error cometido por algún método utilizado habitualmente para la caracterización de factores de pérdidas como la aproximación a 2 subsistemas En una segunda parte se hace uso de las conclusiones obtenidas en la primera, de forma que el trabajo se orienta en dos direcciones. Una dirigida a la determi nación suficientemente fiel de la potencia de entrada que permita simplificar en lo posible la configuración experimental. Otra basada en un análisis detallado de las propiedades de la matriz que caracteriza un SEA y que conduce a la propuesta de un método para su determinación robusta, basada en un filtrado de Montecarlo y que, además, muestra cómo los problemas numéricos de la matriz SEA pueden no ser tan insalvables como se apunta en la literatura. Por último, además, se plantea una solución al caso en el que no todos los subsistemas en los que se divide el sistema puedan ser excitados. El método propuesto aquí no permite obtener el conjunto completo de coeficientes necesarios para definir un sistema, pero el solo hecho de poder obtener conjuntos parciales ya es un avance importante y, sobre todo, abre la puerta al desarrollo de métodos que permitan relajar de forma importante las exigencias que la determinación experimental de matrices SEA tiene. ABSTRACT At present there is an agreement about the importance to predict the vibroacoustic response of structures (buildings, vehicles, aircrafts, satellites, etc.). In addition, there has become clear over the time that the frequency range over which the response is important has been shift to higher frequencies in almost all the engineering fields. As a consequence, the numerical methods for high frequency analysis have increase in importance. One the most widespread methods for this type of analysis is the one based on the Statistical Energy Analysis, SEA. This method has shown to provide a good balance among calculation power, accuracy and liability. Within a SEA, a system (structure, cavities, surrounding air) is modeled by a coefficients matrix that depends directly on the loss factors of the different parts of the system. Formally, SEA is a very handy and intuitive analysis method whose greatest handicap is precisely the determination of the loss factors. The existing set of analytical or numerical equations to obtain the loss factor values is not enough, so that usually it is necessary to use experimental techniques whether it is to its determination to to check the estimated values by another mean. The experimental determination presents drawbacks, as well. To obtain them great and complex experimental setups are needed including requirements that can be very demanding including numerical problems related to the values of the loss factors themselves, their relative value and the characteristics of the matrices they define. The present work studies the characterization of vibroacousti systems by this SEA method. It focuses on the accurate determination of the loss factors values. Given all the problems an experimental setup of these characteristics can show, the work is divided in two parts. In the first part, the influence of all the quantities involved on the determination of the loss factors is studied by a relative uncertainty estimation, which, by means of the normalised sensitivity coefficients, will provide an insight about the importance of every input quantities (energies and input powers, mainly) on the final result. Besides, this part, gives an uncertainty model that has allowed assessing the error of one of the methods more widely used to characterize the loss factors: the 2-subsystem approach. In the second part, use of the former conclusions is used. An equation for the input power into the subsystems is proposed. This equation allows simplifying the experimental setup without changing the liability of the test. A detailed study of the SEA matrix properties leads to propose a robust determination method of this SEA matrix by a Monte Carlo filtering. In turn, this new method shows how the numerical problems of the SEA matrix can be overcome Finally, a solution is proposed for the case where not all the subsystems are excited. The method proposed do not allows obtaining the whole set of coefficients of the SEA matrix, but the simple fact of getting partial sets of loss factors is a significant advance and, over all, it opens the door to the development of new methods that loosen the requirements that an experimental determination of a SEA matrix have.

Tecnología y competitividad en la economía mundial. Factores e indicadores clave de actuación

Durante los últimos 30 años se han creado una gran cantidad de índices e indicadores para evaluar la práctica totalidad de los países bajo distintas premisas. La tesis parte de un análisis detallado de más de un centenar de estos índices diferenciados entre los enfocados al desarrollo y los enfocados a la competitividad económica (véase Módulo I anexo) y tras esto, dentro del estudio teórico nos hemos centrado en 35 indicadores relacionados con la tecnología (capítulo 3, apartado 3.3.). La justificación, el objetivo de la investigación y la estructura de la tesis se presenta en el capítulo 2. Respecto a la metodología, tal y como se plantea en la hipótesis (apartado 2.2.), se presentan los criterios de selección de seis grupos de países (EP, EPC, EC, ECI, EI y EM)1, que se van a evaluar. Posteriormente se plantea el Protocolo de Cálculo para el total de grupos seleccionados dentro de los periodos 2005-2006 y 2007-2008 y se realiza una profunda evaluación estadística como se plantea dentro de la coherencia estadística explicada en el apartado 3.4.4.5. (también se dispone de los cálculos dentro de los Módulos II, III, IV y V anexos). Tras la metodología establecemos la construcción de un índice sintético NRI(A) y, tras esto, estudiamos las relaciones así como la interpretación de los resultados (capítulo 4, apartado 4.1.). Una vez obtenidos los resultados realizamos la validación de los mismos para el periodo 2007-2015 (capítulo 4 - apartado 4.2. – y los Módulos VI y VII anexos). En el capítulo 5, evaluamos el nivel de preparación tecnológico y su relación con la competitividad para los seis grupos de países (véase desde los apartados 5.1.y 5.2.). Dentro de cada uno de los seis grupos de países, sabemos las variables que cualitativamente tienen que priorizarse para mejorar el nivel de preparación tecnológica de los mismos. Estas variables inicialmente son sesenta y ocho – año 2007-08 –, y al final de la implementación del método se reducen notablemente. Estas variables finales, llamadas Indicadores Clave de Actuación (ICA), se agrupan – vía análisis factorial – en Factores Clave de Actuación que nos simplifican lo planteado. Para cada grupo de países se realizan los conglomerados de acuerdo a sus valores dentro de las ICAs en busca de singularidades y se ha llevado a cabo un análisis minucioso en función de los Indicadores Clave de Actuación. La Tesis, plantea científicamente como podemos evaluar el nivel de preparación tecnológica y su relación con la competitividad, desde un índice sintético creado NRI(A), que contempla únicamente Indicadores Clave de Actuación (variables seleccionadas) a partir de las variables originales del Network Readiness Index (NRI(R)) . Por último se plantea dentro de las conclusiones, capítulo 6, diferentes líneas de investigación, desarrollando dos de ellas que se pueden encontrar en el Modulo VIII anexo. Por un lado presentamos una línea de investigación centrada en 29 economías africanas (EA) de las que disponemos información fidedigna y por otro lado una segunda línea en la que nos centramos en la evaluación de España respecto a sus naciones coetáneas. La principal voluntad de la presente tesis doctoral, es simplificar la evaluación del nivel de preparación tecnológica y la relación de esta con la competitividad a partir de la creación de un índice sintético propio NRI(A). ABSTRACT - During the last 30 years, many institutions have been evaluating and endless range of variables in practically all of the world´s economies. This Thesis is the product of a detail analysis of more than one hundred indicators / index, which we have divided into two parts: those focused on development and those focused on economic competitiveness (see module I annex). Secondly, in our theoretical research we have concentrated on those indicators, which are related to technology (chapters 3, section 3.3). The selection criteria of the six economic groups to be evaluated are included in our methodology, as mentioned in the hypothesis (see section 2.2.). Subsequently the calculation procedure is also presented for all of the groups selected between the periods 2005-2006 and 2007-2008. Next, we perform a statistical study, which is presented accordingly in the segment dealing with statistics, section 3.4.4.5. The calculations are provided in modules I, II, III, IV and V annex. After the methods segment of the Thesis, we develop our argument, in which we presented the explanation of the relations as well as the interpretation of the results. Also at the chapter 4 you can find the result validation from 2007 till 2015. Finally in chapters 6, we evaluate the conclusions for the six economic groups (see section 6.2.). The Thesis scientifically explains the way in which we evaluate economic competitiveness in 135 countries from a standpoint of strictly technological variables. Six groups of countries are evaluated, being divided by criteria, which homogenize the economies under review. We recognize that the variables of each economic group should be prioritized in order to better their competitiveness. Initially the group consisted of 68 variables, a number which was considerably reduced after the implementation of our methodology. Likewise, these final variables, dubbed “key performance indicators”, were grouped into factors (key performance factors), which greatly simplify the prioritization process. At the same time, conglomerates have been created for each economic group according to their value concerning the selected variables. A detailed country – by – country analysis of their positioning in each of the six groups was conducted for each of the mathematically selected key performance indicators. Finally, at the Conclusion we introduce new research lines and between them we focus on two research lines in which ones we are working with (see chapter 6). We basically try to apply the multivariable analysis method, the factorial analysis and the conglomerates to designed and implemented our method first in a geographically group of countries (Africa) and secondly to evaluate and develop the public policies for Spain for the development of its competitively, comparing Spain to his coetaneous countries in Europe (see Module VIII). The main objective of this Doctoral Thesis is to noticeably simplify the comparison of the Network Readiness Index and its relation with the economic competitiveness of the countries using a new synthetic index design by us.

New methods for the synthesis of radiation patterns of coupled antenna arrays = Nuevos métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas acopladas

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas, en donde se realiza una caracterización electromagnética rigurosa de los elementos radiantes y de los acoplos mutuos existentes. Esta caracterización no se realiza habitualmente en la gran mayoría de métodos de síntesis encontrados en la literatura, debido fundamentalmente a dos razones. Por un lado, se considera que el diagrama de radiación de un array de antenas se puede aproximar con el factor de array que únicamente tiene en cuenta la posición de los elementos y las excitaciones aplicadas a los mismos. Sin embargo, como se mostrará en esta tesis, en múltiples ocasiones un riguroso análisis de los elementos radiantes y del acoplo mutuo entre ellos es importante ya que los resultados obtenidos pueden ser notablemente diferentes. Por otro lado, no es sencillo combinar un método de análisis electromagnético con un proceso de síntesis de diagramas de radiación. Los métodos de análisis de agrupaciones de antenas suelen ser costosos computacionalmente, ya que son estructuras grandes en términos de longitudes de onda. Generalmente, un diseño de un problema electromagnético suele comprender varios análisis de la estructura, dependiendo de las variaciones de las características, lo que hace este proceso muy costoso. Dos métodos se utilizan en esta tesis para el análisis de los arrays acoplados. Ambos están basados en el método de los elementos finitos, la descomposición de dominio y el análisis modal para analizar la estructura radiante y han sido desarrollados en el grupo de investigación donde se engloba esta tesis. El primero de ellos es una técnica de análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito. Su uso es indicado para arrays planos de grandes dimensiones con elementos equiespaciados. El segundo caracteriza el array y el acoplo mutuo entre elementos a partir de una expansión en modos esféricos del campo radiado por cada uno de los elementos. Este método calcula los acoplos entre los diferentes elementos del array usando las propiedades de traslación y rotación de los modos esféricos. Es capaz de analizar agrupaciones de elementos distribuidos de forma arbitraria. Ambas técnicas utilizan una formulación matricial que caracteriza de forma rigurosa el campo radiado por el array. Esto las hace muy apropiadas para su posterior uso en una herramienta de diseño, como los métodos de síntesis desarrollados en esta tesis. Los resultados obtenidos por estas técnicas de síntesis, que incluyen métodos rigurosos de análisis, son consecuentemente más precisos. La síntesis de arrays consiste en modificar uno o varios parámetros de las agrupaciones de antenas buscando unas determinadas especificaciones de las características de radiación. Los parámetros utilizados como variables de optimización pueden ser varios. Los más utilizados son las excitaciones aplicadas a los elementos, pero también es posible modificar otros parámetros de diseño como son las posiciones de los elementos o las rotaciones de estos. Los objetivos de las síntesis pueden ser dirigir el haz o haces en una determinada dirección o conformar el haz con formas arbitrarias. Además, es posible minimizar el nivel de los lóbulos secundarios o del rizado en las regiones deseadas, imponer nulos que evitan posibles interferencias o reducir el nivel de la componente contrapolar. El método para el análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito considera un array finito como un array infinito con un número finito de elementos excitados. Los elementos no excitados están físicamente presentes y pueden presentar tres diferentes terminaciones, corto-circuito, circuito abierto y adaptados. Cada una de estas terminaciones simulará mejor el entorno real en el que el array se encuentre. Este método de análisis se integra en la tesis con dos métodos diferentes de síntesis de diagramas de radiación. En el primero de ellos se presenta un método basado en programación lineal en donde es posible dirigir el haz o haces, en la dirección deseada, además de ejercer un control sobre los lóbulos secundarios o imponer nulos. Este método es muy eficiente y obtiene soluciones óptimas. El mismo método de análisis es también aplicado a un método de conformación de haz, en donde un problema originalmente no convexo (y de difícil solución) es transformado en un problema convexo imponiendo restricciones de simetría, resolviendo de este modo eficientemente un problema complejo. Con este método es posible diseñar diagramas de radiación con haces de forma arbitraria, ejerciendo un control en el rizado del lóbulo principal, así como en el nivel de los lóbulos secundarios. El método de análisis de arrays basado en la expansión en modos esféricos se integra en la tesis con tres técnicas de síntesis de diagramas de radiación. Se propone inicialmente una síntesis de conformación del haz basado en el método de la recuperación de fase resuelta de forma iterativa mediante métodos convexos, en donde relajando las restricciones del problema original se consiguen unas soluciones cercanas a las óptimas de manera eficiente. Dos métodos de síntesis se han propuesto, donde las variables de optimización son las posiciones y las rotaciones de los elementos respectivamente. Se define una función de coste basada en la intensidad de radiación, la cual es minimizada de forma iterativa con el método del gradiente. Ambos métodos reducen el nivel de los lóbulos secundarios minimizando una función de coste. El gradiente de la función de coste es obtenido en términos de la variable de optimización en cada método. Esta función de coste está formada por la expresión rigurosa de la intensidad de radiación y por una función de peso definida por el usuario para imponer prioridades sobre las diferentes regiones de radiación, si así se desea. Por último, se presenta un método en el cual, mediante técnicas de programación entera, se buscan las fases discretas que generan un diagrama de radiación lo más cercano posible al deseado. Con este método se obtienen diseños que minimizan el coste de fabricación. En cada uno de las diferentes técnicas propuestas en la tesis, se presentan resultados con elementos reales que muestran las capacidades y posibilidades que los métodos ofrecen. Se comparan los resultados con otros métodos disponibles en la literatura. Se muestra la importancia de tener en cuenta los diagramas de los elementos reales y los acoplos mutuos en el proceso de síntesis y se comparan los resultados obtenidos con herramientas de software comerciales. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of optimization methods for the radiation pattern synthesis of array antennas in which a rigorous electromagnetic characterization of the radiators and the mutual coupling between them is performed. The electromagnetic characterization is usually overlooked in most of the available synthesis methods in the literature, this is mainly due to two reasons. On the one hand, it is argued that the radiation pattern of an array is mainly influenced by the array factor and that the mutual coupling plays a minor role. As it is shown in this thesis, the mutual coupling and the rigorous characterization of the array antenna influences significantly in the array performance and its computation leads to differences in the results obtained. On the other hand, it is difficult to introduce an analysis procedure into a synthesis technique. The analysis of array antennas is generally expensive computationally as the structure to analyze is large in terms of wavelengths. A synthesis method requires to carry out a large number of analysis, this makes the synthesis problem very expensive computationally or intractable in some cases. Two methods have been used in this thesis for the analysis of coupled antenna arrays, both of them have been developed in the research group in which this thesis is involved. They are based on the finite element method (FEM), the domain decomposition and the modal analysis. The first one obtains a finite array characterization with the results obtained from the infinite array approach. It is specially indicated for the analysis of large arrays with equispaced elements. The second one characterizes the array elements and the mutual coupling between them with a spherical wave expansion of the radiated field by each element. The mutual coupling is computed using the properties of translation and rotation of spherical waves. This method is able to analyze arrays with elements placed on an arbitrary distribution. Both techniques provide a matrix formulation that makes them very suitable for being integrated in synthesis techniques, the results obtained from these synthesis methods will be very accurate. The array synthesis stands for the modification of one or several array parameters looking for some desired specifications of the radiation pattern. The array parameters used as optimization variables are usually the excitation weights applied to the array elements, but some other array characteristics can be used as well, such as the array elements positions or rotations. The desired specifications may be to steer the beam towards any specific direction or to generate shaped beams with arbitrary geometry. Further characteristics can be handled as well, such as minimize the side lobe level in some other radiating regions, to minimize the ripple of the shaped beam, to take control over the cross-polar component or to impose nulls on the radiation pattern to avoid possible interferences from specific directions. The analysis method based on the infinite array approach considers an infinite array with a finite number of excited elements. The infinite non-excited elements are physically present and may have three different terminations, short-circuit, open circuit and match terminated. Each of this terminations is a better simulation for the real environment of the array. This method is used in this thesis for the development of two synthesis methods. In the first one, a multi-objective radiation pattern synthesis is presented, in which it is possible to steer the beam or beams in desired directions, minimizing the side lobe level and with the possibility of imposing nulls in the radiation pattern. This method is very efficient and obtains optimal solutions as it is based on convex programming. The same analysis method is used in a shaped beam technique in which an originally non-convex problem is transformed into a convex one applying symmetry restrictions, thus solving a complex problem in an efficient way. This method allows the synthesis of shaped beam radiation patterns controlling the ripple in the mainlobe and the side lobe level. The analysis method based on the spherical wave expansion is applied for different synthesis techniques of the radiation pattern of coupled arrays. A shaped beam synthesis is presented, in which a convex formulation is proposed based on the phase retrieval method. In this technique, an originally non-convex problem is solved using a relaxation and solving a convex problems iteratively. Two methods are proposed based on the gradient method. A cost function is defined involving the radiation intensity of the coupled array and a weighting function that provides more degrees of freedom to the designer. The gradient of the cost function is computed with respect to the positions in one of them and the rotations of the elements in the second one. The elements are moved or rotated iteratively following the results of the gradient. A highly non-convex problem is solved very efficiently, obtaining very good results that are dependent on the starting point. Finally, an optimization method is presented where discrete digital phases are synthesized providing a radiation pattern as close as possible to the desired one. The problem is solved using linear integer programming procedures obtaining array designs that greatly reduce the fabrication costs. Results are provided for every method showing the capabilities that the above mentioned methods offer. The results obtained are compared with available methods in the literature. The importance of introducing a rigorous analysis into the synthesis method is emphasized and the results obtained are compared with a commercial software, showing good agreement.

Shadow Analysis of Soil Surface Roughness Compared to the Chain Set Method and Direct Measurement of Micro-relief.

Erosion potential and the effects of tillage can be evaluated from quantitative descriptions of soil surface roughness. The present study therefore aimed to fill the need for a reliable, low-cost and convenient method to measure that parameter. Based on the interpretation of micro-topographic shadows, this new procedure is primarily designed for use in the field after tillage. The principle underlying shadow analysis is the direct relationship between soil surface roughness and the shadows cast by soil structures under fixed sunlight conditions. The results obtained with this method were compared to the statistical indexes used to interpret field readings recorded by a pin meter. The tests were conducted on 4-m2 sandy loam and sandy clay loam plots divided into 1-m2 subplots tilled with three different tools: chisel, tiller and roller. The highly significant correlation between the statistical indexes and shadow analysis results obtained in the laboratory as well as in the field for all the soil?tool combinations proved that both variability (CV) and dispersion (SD) are accommodated by the new method. This procedure simplifies the interpretation of soil surface roughness and shortens the time involved in field operations by a factor ranging from 12 to 20.

The use of direct boundary element method for gaining insight into complex seismic site response

The boundary element method is specially well suited for the analysis of the seismic response of valleys of complicated topography and stratigraphy. In this paper the method’s capabilities are illustrated using as an example an irregularity stratified (test site) sedimentary basin that has been modelled using 2D discretization and the Direct Boundary Element Method (DBEM). Site models displaying different levels of complexity are used in practice. The multi-layered model’s seismic response shows generally good agreement with observed data amplification levels, fundamental frequencies and the high spatial variability. Still important features such as the location of high frequencies peaks are missing. Even 2D simplified models reveal important characteristics of the wave field that 1D modelling does not show up.

Systematic analysis of direct-drive baseline designs for shock ignition with the Laser MégaJoule

We present direct-drive target design studies for the laser mégajoule using two distinct initial aspect ratios (A = 34 and A = 5). Laser pulse shapes are optimized by a random walk method and drive power variations are used to cover a wide variety of implosion velocities between 260 km/s and 365 km/s. For selected implosion velocities and for each initial aspect ratio, scaled-target families are built in order to find self-ignition threshold. High-gain shock ignition is also investigated in the context of Laser MégaJoule for marginally igniting targets below their own self-ignition threshold.