Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

Simulation of impulse response for indoor visible light communications using 3D CAD models

n this article, a tool for simulating the channel impulse response for indoor visible light communications using 3D computer-aided design (CAD) models is presented. The simulation tool is based on a previous Monte Carlo ray-tracing algorithm for indoor infrared channel estimation, but including wavelength response evaluation. The 3D scene, or the simulation environment, can be defined using any CAD software in which the user specifies, in addition to the setting geometry, the reflection characteristics of the surface materials as well as the structures of the emitters and receivers involved in the simulation. Also, in an effort to improve the computational efficiency, two optimizations are proposed. The first one consists of dividing the setting into cubic regions of equal size, which offers a calculation improvement of approximately 50% compared to not dividing the 3D scene into sub-regions. The second one involves the parallelization of the simulation algorithm, which provides a computational speed-up proportional to the number of processors used.

Evaluación del ruido ambiental en espacios naturales protegidos: implicaciones para su gestión

Esta Tesis Doctoral trata sobre la caracterización acústica de los ecosistemas naturales y la evaluación del impacto ambiental del ruido antropogénico sobre sus potenciales receptores en estos lugares, incluidos los receptores no humanos y sus efectos ecológicos, además, analiza las implicaciones para su gestión a distintas escalas y se lleva a cabo una valoración económica. Este trabajo ofrece soluciones para caracterizar los paisajes sonoros de forma compatible con distintas escalas de trabajo, nivel de esfuerzo técnico y en contextos de recursos limitados que haga viable su tratamiento como cualquier otra variable ambiental en el ámbito de la conservación y gestión del medio natural. Se han adaptado herramientas y metodologías propias de disciplinas como la acústica ambiental, bioacústica y ecología del paisaje, para servir a los objetivos específicos de la evaluación y gestión de los paisajes sonoros y el ruido ambiental en amplias extensiones geográficas. Se ha establecido un método general de muestreo sistemático para trabajo de campo y también se han adaptado métodos de modelización informática, que permiten analizar escenarios sonoros dinámicos en el tiempo y en el espacio, desde localizaciones puntuales hasta la escala del paisaje. Es posible elaborar cartografía ambiental con esta información y se ha representado gráficamente la zona de influencia de distintas fuentes de ruido sobre la calidad de distintos hábitats faunísticos. Se recomienda el uso del indicador del nivel de presión sonora equivalente (Leq) por su operatividad en medición y modelización, y su adaptabilidad a cualquier dimensión espacial y temporal que se requiera, por ejemplo en función del paisaje, actividades o especies que se establezcan como objeto de análisis. Se ha comprobado que las voces y conversaciones de parte de los excursionistas en zonas de reposo, observación y descanso (Laguna Grande de Peñalara) es la fuente de ruido que con mayor frecuencia identifican los propios visitantes (51%) y causa un incremento del nivel de presión sonora equivalente de unos 4,5 dBA sobre el nivel correspondiente al ambiente natural (Lnat). También se ha comprobado que carreteras con bajo nivel de tráfico (IMD<1000) pueden causar estrés fisiológico sobre la fauna y afectar a la calidad de sus hábitats. La isófona de 30 dBA del índice Leq (24h) permite dividir a los corzos de la zona de estudio en dos grupos con diferente nivel de estrés fisiológico, más elevado en los que se sitúan más cerca de la carretera con mayor volumen de tráfico y se expone a mayores niveles de ruido. Por otro lado, ha sido posible delimitar una zona de exclusión para la nidificación de buitre negro alrededor de las carreteras, coincidente con la isófona Leq (24h) de 40 dBA que afecta al 11% de su hábitat potencial. Además se ha llevado a cabo una novedosa valoración económica de la contaminación acústica en espacios naturales protegidos, mediante el análisis de la experiencia sonora de los visitantes del antiguo Parque Natural de Peñalara, y se ha constatado su disposición al pago de una entrada de acceso a estos lugares (aproximadamente 1 euro) si redundara en una mejora de su estado de conservación. En conclusión, los espacios naturales protegidos pueden sufrir un impacto ambiental significativo causado por fuentes de ruido localizadas en su interior pero también lejanas a ellos, que se sitúan fuera del ámbito de competencias de sus gestores. Sucesos sonoros como el sobrevuelo de aviones pueden incrementar en aproximadamente 8 dBA el nivel de referencia Lnat en las zonas tranquilas del parque. Se recomienda llevar a cabo una gestión activa del medio ambiente sonoro y se considera necesario extender la investigación sobre los efectos ecológicos del ruido ambiental a otros lugares y especies animales. ABSTRACT This PhD Thesis deals with acoustic characterization of natural ecosystems and anthropogenic noise impact assessment on potential receivers, including non-human receivers and their ecological effects. Besides, its management implications at different scales are analyzed and an economic valuation is performed. This study provides solutions for characterizing soundscapes in a compatible way with different working scales, level of technical effort and in a context of limited resources, so its treatment becomes feasible as for any other environmental variable in conservation and environmental management. Several tools and methodologies have been adapted from a variety of disciplines such as environmental acoustics, bioacoustics and landscape ecology, to better serve the specific goals of assessing and managing soundscapes and environmental noise in large areas. A procedure has been established for systematic field measurement surveys and noise common computer modelling methods have also been adapted in order to analyze dynamic soundscapes across time and space, from local to landscape scales. It is possible to create specific thematic cartography as for instance delimiting potential influence zone from different noise sources on animal habitats quality. Use of equivalent continuous sound pressure level index (Leq) is recommended because it provides great flexibility in operation for noise measurement and modelling, and because of its adaptability to any required temporal and spatial dimension, for instance landscape, activities or the target species established as study subjects. It has been found that human voices and conversations in a resting and contemplation area (Laguna Grande de Peñalara) is the most frequently referred noise source by national park visitors (51 %) when asked. Human voices alter this recreational area by increasing the sound pressure level approximately 4.5 dBA over the natural ambient level (Lnat). It has also been found that low traffic roads (AADT<1000 ) may cause physiological stress on wildlife and affect the quality of their habitats. It has also been possible to define a road-effect zone by noise mapping, which suggests an effective habitat loss within the Leq (24h) 30 dBA isophone in case of Roe deer and also divide the study area in two groups with different physiological stress level, higher for those exposed to higher noise levels and traffic volume. On the other hand, it has been possible to determine an exclusion area for Cinereous vulture nesting surrounding roads which is coincident with the Leq (24h) 40 dBA isophone and affects 11 % of the vulture potential habitat. It has also been performed an economic estimation of noise pollution impact on visitors’ perception and results showed that visitors would be willing to pay an entrance fee of approximately 1 euro if such payment is really bringing an improvement of the conservation status. In conclusion, protected areas may be significantly affected by anthropogenic noise sources located within the park borders but perturbations may also be caused by large-distance noise sources outside the park managers’ jurisdiction. Aircraft overflight events disrupted quietness and caused Leq increases of almost 8 dBA during a monitoring period with respect to Lnat reference levels in the park quiet areas. It is recommended to actively manage the acoustic environment. Finally, further research on ecological impacts of environmental noise needs to be extended to other species and places.

Haptic teleoperation of mobile robots for augmentation of operator perception in environments with low-wireless signal

Wireless teleoperation of field robots for maintenance, inspection and rescue missions is often performed in environments with low wireless connectivity, caused by signal losses from the environment and distance from the wireless transmitters. Various studies from the literature have addressed these problems with time-delay robust control systems and multi-hop wireless relay networks. However, such approaches do not solve the issue of how to present wireless data to the operator to avoid losing control of the robot. Despite the fact that teleoperation for maintenance often already involves haptic devices, no studies look at the possibility of using this existing feedback to aid operators in navigating within areas of variable wireless connectivity. We propose a method to incorporate haptic information into the velocity control of an omnidirectional robot to augment the operators perception of wireless signal strength in the remote environment. In this paper we introduce a mapping between wireless signal strength from multiple receivers to the force feedback of a 6 Degree of Freedom haptic master and evaluate the proposed approach using experimental data and randomly generated wireless maps

Herramienta de planificación y dimensionamiento para redes WiMAX

A software tool for planning and dimensioning Wireless Networks based on standard 802.16 is presented in this paper. Due to the deployment of communication systems based on this standard, it is necessary a tool which allows an easy implementation and dimensioning of this type of networks. With this tool the user will be able to evaluate point to point and point to multipoint networks, obtaining results such as losses in the link, power received, signal noise rate, coverage or bit rates the network is able to handle. For that purpose, the tool will employ technical specifications of transmitters and receivers, design parameters of the network and different propagation models.

Wavelets in High-Capacity DWDM Systems and Modal-Division Multiplexed Transmissions

Optical communications receivers using wavelet signals processing is proposed in this paper for dense wavelength-division multiplexed (DWDM) systems and modal-division multiplexed (MDM) transmissions. The optical signal-to-noise ratio (OSNR) required to demodulate polarization-division multiplexed quadrature phase shift keying (PDM-QPSK) modulation format is alleviated with the wavelet denoising process. This procedure improves the bit error rate (BER) performance and increasing the transmission distance in DWDM systems. Additionally, the wavelet-based design relies on signal decomposition using time-limited basis functions allowing to reduce the computational cost in Digital-Signal-Processing (DSP) module. Attending to MDM systems, a new scheme of encoding data bits based on wavelets is presented to minimize the mode coupling in few-mode (FWF) and multimode fibers (MMF). The Shifted Prolate Wave Spheroidal (SPWS) functions are proposed to reduce the modal interference.

Diseño de receptor de torre central para generación directa de vapor con perfil de potencia variable longitudinal y transversalmente

En este estudio se ha realizado el diseño de un receptor de una central de Torre Central de energía solar para generación directa de vapor, mediante el uso de métodos numéricos, con un perfil de potencia incidente variable longitudinal y transversalmente. Para ello se ha dividido la geometría del receptor según el método de diferencias finitas, y se ha procedido a resolver las ecuaciones del balance de energía. Una vez resuelto el sistema de ecuaciones se dispone de la distribución de temperaturas en el receptor y se puede proceder a analizar los resultados así como a calcular otros datos de interés. ABSTRACT In this study it has been made a Central Receiver Solar Thermal Power Plant’s Receiver design for direct steam production, by using numerical methods, with a variable longitudinally and transversely income solar power profile. With this propose, the receiver’s geometry has been divided using the finite difference method, and the energy balance equations have been solved. Once the equations system has been solved, the receiver´s temperature distribution is known, and you can analyze the results as well as calculate other interesting data.

Diseño de algoritmos de guerra electrónica y radar para su implementación en sistemas de tiempo real

Esta tesis se centra en el estudio y desarrollo de algoritmos de guerra electrónica {electronic warfare, EW) y radar para su implementación en sistemas de tiempo real. La llegada de los sistemas de radio, radar y navegación al terreno militar llevó al desarrollo de tecnologías para combatirlos. Así, el objetivo de los sistemas de guerra electrónica es el control del espectro electomagnético. Una de la funciones de la guerra electrónica es la inteligencia de señales {signals intelligence, SIGINT), cuya labor es detectar, almacenar, analizar, clasificar y localizar la procedencia de todo tipo de señales presentes en el espectro. El subsistema de inteligencia de señales dedicado a las señales radar es la inteligencia electrónica {electronic intelligence, ELINT). Un sistema de tiempo real es aquel cuyo factor de mérito depende tanto del resultado proporcionado como del tiempo en que se da dicho resultado. Los sistemas radar y de guerra electrónica tienen que proporcionar información lo más rápido posible y de forma continua, por lo que pueden encuadrarse dentro de los sistemas de tiempo real. La introducción de restricciones de tiempo real implica un proceso de realimentación entre el diseño del algoritmo y su implementación en plataformas “hardware”. Las restricciones de tiempo real son dos: latencia y área de la implementación. En esta tesis, todos los algoritmos presentados se han implementado en plataformas del tipo field programmable gate array (FPGA), ya que presentan un buen compromiso entre velocidad, coste total, consumo y reconfigurabilidad. La primera parte de la tesis está centrada en el estudio de diferentes subsistemas de un equipo ELINT: detección de señales mediante un detector canalizado, extracción de los parámetros de pulsos radar, clasificación de modulaciones y localization pasiva. La transformada discreta de Fourier {discrete Fourier transform, DFT) es un detector y estimador de frecuencia quasi-óptimo para señales de banda estrecha en presencia de ruido blanco. El desarrollo de algoritmos eficientes para el cálculo de la DFT, conocidos como fast Fourier transform (FFT), han situado a la FFT como el algoritmo más utilizado para la detección de señales de banda estrecha con requisitos de tiempo real. Así, se ha diseñado e implementado un algoritmo de detección y análisis espectral para su implementación en tiempo real. Los parámetros más característicos de un pulso radar son su tiempo de llegada y anchura de pulso. Se ha diseñado e implementado un algoritmo capaz de extraer dichos parámetros. Este algoritmo se puede utilizar con varios propósitos: realizar un reconocimiento genérico del radar que transmite dicha señal, localizar la posición de dicho radar o bien puede utilizarse como la parte de preprocesado de un clasificador automático de modulaciones. La clasificación automática de modulaciones es extremadamente complicada en entornos no cooperativos. Un clasificador automático de modulaciones se divide en dos partes: preprocesado y el algoritmo de clasificación. Los algoritmos de clasificación basados en parámetros representativos calculan diferentes estadísticos de la señal de entrada y la clasifican procesando dichos estadísticos. Los algoritmos de localization pueden dividirse en dos tipos: triangulación y sistemas cuadráticos. En los algoritmos basados en triangulación, la posición se estima mediante la intersección de las rectas proporcionadas por la dirección de llegada de la señal. En cambio, en los sistemas cuadráticos, la posición se estima mediante la intersección de superficies con igual diferencia en el tiempo de llegada (time difference of arrival, TDOA) o diferencia en la frecuencia de llegada (frequency difference of arrival, FDOA). Aunque sólo se ha implementado la estimación del TDOA y FDOA mediante la diferencia de tiempos de llegada y diferencia de frecuencias, se presentan estudios exhaustivos sobre los diferentes algoritmos para la estimación del TDOA, FDOA y localización pasiva mediante TDOA-FDOA. La segunda parte de la tesis está dedicada al diseño e implementación filtros discretos de respuesta finita (finite impulse response, FIR) para dos aplicaciones radar: phased array de banda ancha mediante filtros retardadores (true-time delay, TTD) y la mejora del alcance de un radar sin modificar el “hardware” existente para que la solución sea de bajo coste. La operación de un phased array de banda ancha mediante desfasadores no es factible ya que el retardo temporal no puede aproximarse mediante un desfase. La solución adoptada e implementada consiste en sustituir los desfasadores por filtros digitales con retardo programable. El máximo alcance de un radar depende de la relación señal a ruido promedio en el receptor. La relación señal a ruido depende a su vez de la energía de señal transmitida, potencia multiplicado por la anchura de pulso. Cualquier cambio hardware que se realice conlleva un alto coste. La solución que se propone es utilizar una técnica de compresión de pulsos, consistente en introducir una modulación interna a la señal, desacoplando alcance y resolución. ABSTRACT This thesis is focused on the study and development of electronic warfare (EW) and radar algorithms for real-time implementation. The arrival of radar, radio and navigation systems to the military sphere led to the development of technologies to fight them. Therefore, the objective of EW systems is the control of the electromagnetic spectrum. Signals Intelligence (SIGINT) is one of the EW functions, whose mission is to detect, collect, analyze, classify and locate all kind of electromagnetic emissions. Electronic intelligence (ELINT) is the SIGINT subsystem that is devoted to radar signals. A real-time system is the one whose correctness depends not only on the provided result but also on the time in which this result is obtained. Radar and EW systems must provide information as fast as possible on a continuous basis and they can be defined as real-time systems. The introduction of real-time constraints implies a feedback process between the design of the algorithms and their hardware implementation. Moreover, a real-time constraint consists of two parameters: Latency and area of the implementation. All the algorithms in this thesis have been implemented on field programmable gate array (FPGAs) platforms, presenting a trade-off among performance, cost, power consumption and reconfigurability. The first part of the thesis is related to the study of different key subsystems of an ELINT equipment: Signal detection with channelized receivers, pulse parameter extraction, modulation classification for radar signals and passive location algorithms. The discrete Fourier transform (DFT) is a nearly optimal detector and frequency estimator for narrow-band signals buried in white noise. The introduction of fast algorithms to calculate the DFT, known as FFT, reduces the complexity and the processing time of the DFT computation. These properties have placed the FFT as one the most conventional methods for narrow-band signal detection for real-time applications. An algorithm for real-time spectral analysis for user-defined bandwidth, instantaneous dynamic range and resolution is presented. The most characteristic parameters of a pulsed signal are its time of arrival (TOA) and the pulse width (PW). The estimation of these basic parameters is a fundamental task in an ELINT equipment. A basic pulse parameter extractor (PPE) that is able to estimate all these parameters is designed and implemented. The PPE may be useful to perform a generic radar recognition process, perform an emitter location technique and can be used as the preprocessing part of an automatic modulation classifier (AMC). Modulation classification is a difficult task in a non-cooperative environment. An AMC consists of two parts: Signal preprocessing and the classification algorithm itself. Featurebased algorithms obtain different characteristics or features of the input signals. Once these features are extracted, the classification is carried out by processing these features. A feature based-AMC for pulsed radar signals with real-time requirements is studied, designed and implemented. Emitter passive location techniques can be divided into two classes: Triangulation systems, in which the emitter location is estimated with the intersection of the different lines of bearing created from the estimated directions of arrival, and quadratic position-fixing systems, in which the position is estimated through the intersection of iso-time difference of arrival (TDOA) or iso-frequency difference of arrival (FDOA) quadratic surfaces. Although TDOA and FDOA are only implemented with time of arrival and frequency differences, different algorithms for TDOA, FDOA and position estimation are studied and analyzed. The second part is dedicated to FIR filter design and implementation for two different radar applications: Wideband phased arrays with true-time delay (TTD) filters and the range improvement of an operative radar with no hardware changes to minimize costs. Wideband operation of phased arrays is unfeasible because time delays cannot be approximated by phase shifts. The presented solution is based on the substitution of the phase shifters by FIR discrete delay filters. The maximum range of a radar depends on the averaged signal to noise ratio (SNR) at the receiver. Among other factors, the SNR depends on the transmitted signal energy that is power times pulse width. Any possible hardware change implies high costs. The proposed solution lies in the use of a signal processing technique known as pulse compression, which consists of introducing an internal modulation within the pulse width, decoupling range and resolution.

Design and optimization of optical, fiber based PSK demodulators for high-bit-rate optical networks

El objetivo principal de esta tesis ha sido el diseño y la optimización de receptores implementados con fibra óptica, para ser usados en redes ópticas de alta velocidad que empleen formatos de modulación de fase. En los últimos años, los formatos de modulación de fase (Phase Shift keying, PSK) han captado gran atención debido a la mejora de sus prestaciones respecto a los formatos de modulación convencionales. Principalmente, presentan una mejora de la eficiencia espectral y una mayor tolerancia a la degradación de la señal causada por la dispersión cromática, la dispersión por modo de polarización y los efectos no-lineales en la fibra óptica. En este trabajo, se analizan en detalle los formatos PSK, incluyendo sus variantes de modulación de fase diferencial (Differential Phase Shift Keying, DPSK), en cuadratura (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK) y multiplexación en polarización (Polarization Multiplexing Differential Quadrature Phase Shift Keying, PM-DQPSK), con la finalidad de diseñar y optimizar los receptores que permita su demodulación. Para ello, se han analizado y desarrollado nuevas estructuras que ofrecen una mejora en las prestaciones del receptor y una reducción de coste comparadas con las actualmente disponibles. Para la demodulación de señales DPSK, en esta tesis, se proponen dos nuevos receptores basados en un interferómetro en línea Mach-Zehnder (MZI) implementado con tecnología todo-fibra. El principio de funcionamiento de los MZI todo-fibra propuestos se asienta en la interferencia modal que se produce en una fibra multimodo (MMF) cuando se situada entre dos monomodo (SMF). Este tipo de configuración (monomodo-multimodo-monomodo, SMS) presenta un buen ratio de extinción interferente si la potencia acoplada en la fibra multimodo se reparte, principal y equitativamente, entre dos modos dominantes. Con este objetivo, se han estudiado y demostrado tanto teórica como experimentalmente dos nuevas estructuras SMS que mejoran el ratio de extinción. Una de las propuestas se basa en emplear una fibra multimodo de índice gradual cuyo perfil del índice de refracción presenta un hundimiento en su zona central. La otra consiste en una estructura SMS con las fibras desalineadas y donde la fibra multimodo es una fibra de índice gradual convencional. Para las dos estructuras, mediante el análisis teórico desarrollado, se ha demostrado que el 80 – 90% de la potencia de entrada se acopla a los dos modos dominantes de la fibra multimodo y se consigue una diferencia inferior al 10% entre ellos. También se ha demostrado experimentalmente que se puede obtener un ratio de extinción de al menos 12 dB. Con el objeto de demostrar la capacidad de estas estructuras para ser empleadas como demoduladores de señales DPSK, se han realizado numerosas simulaciones de un sistema de transmisión óptico completo y se ha analizado la calidad del receptor bajo diferentes perspectivas, tales como la sensibilidad, la tolerancia a un filtrado óptico severo o la tolerancia a las dispersiones cromática y por modo de polarización. En todos los casos se ha concluido que los receptores propuestos presentan rendimientos comparables a los obtenidos con receptores convencionales. En esta tesis, también se presenta un diseño alternativo para la implementación de un receptor DQPSK, basado en el uso de una fibra mantenedora de la polarización (PMF). A través del análisi teórico y del desarrollo de simulaciones numéricas, se ha demostrado que el receptor DQPSK propuesto presenta prestaciones similares a los convencionales. Para complementar el trabajo realizado sobre el receptor DQPSK basado en PMF, se ha extendido el estudio de su principio de demodulación con el objeto de demodular señales PM-DQPSK, obteniendo como resultado la propuesta de una nueva estructura de demodulación. El receptor PM-DQPSK propuesto se basa en la estructura conjunta de una única línea de retardo junto con un rotador de polarización. Se ha analizado la calidad de los receptores DQPSK y PM-DQPSK bajo diferentes perspectivas, tales como la sensibilidad, la tolerancia a un filtrado óptico severo, la tolerancia a las dispersiones cromática y por modo de polarización o su comportamiento bajo condiciones no-ideales. En comparación con los receptores convencionales, nuestra propuesta exhibe prestaciones similares y además permite un diseño más simple que redunda en un coste potencialmente menor. En las redes de comunicaciones ópticas actuales se utiliza la tecnología de multimplexación en longitud de onda (WDM) que obliga al uso de filtros ópticos con bandas de paso lo más estrechas posibles y a emplear una serie de dispositivos que incorporan filtros en su arquitectura, tales como los multiplexores, demultiplexores, ROADMs, conmutadores y OXCs. Todos estos dispositivos conectados entre sí son equivalentes a una cadena de filtros cuyo ancho de banda se va haciendo cada vez más estrecho, llegando a distorsionar la forma de onda de las señales. Por esto, además de analizar el impacto del filtrado óptico en las señales de 40 Gbps DQPSK y 100 Gbps PM-DQPSK, este trabajo de tesis se completa estudiando qué tipo de filtro óptico minimiza las degradaciones causadas en la señal y analizando el número máximo de filtros concatenados que permiten mantener la calidad requerida al sistema. Se han estudiado y simulado cuatro tipos de filtros ópticos;Butterworth, Bessel, FBG y F-P. ABSTRACT The objective of this thesis is the design and optimization of optical fiber-based phase shift keying (PSK) demodulators for high-bit-rate optical networks. PSK modulation formats have attracted significant attention in recent years, because of the better performance with respect to conventional modulation formats. Principally, PSK signals can improve spectrum efficiency and tolerate more signal degradation caused by chromatic dispersion, polarization mode dispersion and nonlinearities in the fiber. In this work, many PSK formats were analyzed in detail, including the variants of differential phase modulation (Differential Phase Shift Keying, DPSK), in quadrature (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK) and polarization multiplexing (Polarization Multiplexing Differential Quadrature Phase Shift Keying, PM-DQPSK), in order to design and optimize receivers enabling demodulations. Therefore, novel structures, which offer good receiver performances and a reduction in cost compared to the current structures, have been analyzed and developed. Two novel receivers based on an all-fiber in-line Mach-Zehnder interferometer (MZI) were proposed for DPSK signal demodulation in this thesis. The operating principle of the all-fiber MZI is based on the modal interference that occurs in a multimode fiber (MMF) when it is located between two single-mode fibers (SMFs). This type of configuration (Single-mode-multimode-single-mode, SMS) can provide a good extinction ratio if the incoming power from the SMF could be coupled equally into two dominant modes excited in the MMF. In order to improve the interference extinction ratio, two novel SMS structures have been studied and demonstrated, theoretically and experimentally. One of the two proposed MZIs is based on a graded-index multimode fiber (MMF) with a central dip in the index profile, located between two single-mode fibers (SMFs). The other one is based on a conventional graded-index MMF mismatch spliced between two SMFs. Theoretical analysis has shown that, in these two schemes, 80 – 90% of the incoming power can be coupled into the two dominant modes exited in the MMF, and the power difference between them is only ~10%. Experimental results show that interference extinction ratio of 12 dB could be obtained. In order to demonstrate the capacity of these two structures for use as DPSK signal demodulators, numerical simulations in a completed optical transmission system have been carried out, and the receiver quality has been analyzed under different perspectives, such as sensitivity, tolerance to severe optical filtering or tolerance to chromatic and polarization mode dispersion. In all cases, from the simulation results we can conclude that the two proposed receivers can provide performances comparable to conventional ones. In this thesis, an alternative design for the implementation of a DQPSK receiver, which is based on a polarization maintaining fiber (PMF), was also presented. To complement the work made for the PMF-based DQPSK receiver, the study of the demodulation principle has been extended to demodulate PM-DQPSK signals, resulting in the proposal of a novel demodulation structure. The proposed PM-DQPSK receiver is based on only one delay line and a polarization rotator. The quality of the proposed DQPSK and PM-DQPSK receivers under different perspectives, such as sensitivity, tolerance to severe optical filtering, tolerance to chromatic dispersion and polarization mode dispersion, or behavior under non-ideal conditions. Compared with the conventional receivers, our proposals exhibit similar performances but allow a simpler design which can potentially reduce the cost. The wavelength division multiplexing (WDM) technology used in current optical communications networks requires the use of optical filters with a passband as narrow as possible, and the use of a series of devices that incorporate filters in their architecture, such as multiplexers, demultiplexers, switches, reconfigurable add-drop multiplexers (ROADMs) and optical cross-connects (OXCs). All these devices connected together are equivalent to a chain of filters whose bandwidth becomes increasingly narrow, resulting in distortion to the waveform of the signals. Therefore, in addition to analyzing the impact of optical filtering on signal of 40 Gbps DQPSK and 100 Gbps PM-DQPSK, we study which kind of optical filter minimizes the signal degradation and analyze the maximum number of concatenated filters for maintaining the required quality of the system. Four types of optical filters, including Butterworth, Bessel, FBG and FP, have studied and simulated.

Contribución a la caracterización espacial de canales con sistemas MIMO-OFDM en la banda de 2,45 Ghz

La tecnología de múltiples antenas ha evolucionado para dar soporte a los actuales y futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas en su afán por proporcionar la calidad de señal y las altas tasas de transmisión que demandan los nuevos servicios de voz, datos y multimedia. Sin embargo, es fundamental comprender las características espaciales del canal radio, ya que son las características del propio canal lo que limita en gran medida las prestaciones de los sistemas de comunicación actuales. Por ello surge la necesidad de estudiar la estructura espacial del canal de propagación para poder diseñar, evaluar e implementar de forma más eficiente tecnologías multiantena en los actuales y futuros sistemas de comunicación inalámbrica. Las tecnologías multiantena denominadas antenas inteligentes y MIMO han generado un gran interés en el área de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo los sistemas de telefonía celular o más recientemente en las redes WLAN (Wireless Local Area Network), principalmente por la mejora que proporcionan en la calidad de las señales y en la tasa de transmisión de datos, respectivamente. Las ventajas de estas tecnologías se fundamentan en el uso de la dimensión espacial para obtener ganancia por diversidad espacial, como ya sucediera con las tecnologías FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access) y CDMA (Code Division Multiplexing Access) para obtener diversidad en las dimensiones de frecuencia, tiempo y código, respectivamente. Esta Tesis se centra en estudiar las características espaciales del canal con sistemas de múltiples antenas mediante la estimación de los perfiles de ángulos de llegada (DoA, Direction-of- Arrival) considerando esquemas de diversidad en espacio, polarización y frecuencia. Como primer paso se realiza una revisión de los sistemas con antenas inteligentes y los sistemas MIMO, describiendo con detalle la base matemática que sustenta las prestaciones ofrecidas por estos sistemas. Posteriormente se aportan distintos estudios sobre la estimación de los perfiles de DoA de canales radio con sistemas multiantena evaluando distintos aspectos de antenas, algoritmos de estimación, esquemas de polarización, campo lejano y campo cercano de las fuentes. Así mismo, se presenta un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,45 Ghz, el cual está preparado para caracterizar experimentalmente el rendimiento de los sistemas MIMO, y para caracterizar espacialmente canales de propagación, considerando los esquemas de diversidad espacial, por polarización y frecuencia. Los estudios aportados se describen a continuación. Los sistemas de antenas inteligentes dependen en gran medida de la posición de los usuarios. Estos sistemas están equipados con arrays de antenas, los cuales aportan la diversidad espacial necesaria para obtener una representación espacial fidedigna del canal radio a través de los perfiles de DoA (DoA, Direction-of-Arrival) y por tanto, la posición de las fuentes de señal. Sin embargo, los errores de fabricación de arrays así como ciertos parámetros de señal conlleva un efecto negativo en las prestaciones de estos sistemas. Por ello se plantea un modelo de señal parametrizado que permite estudiar la influencia que tienen estos factores sobre los errores de estimación de DoA, tanto en acimut como en elevación, utilizando los algoritmos de estimación de DOA más conocidos en la literatura. A partir de las curvas de error, se pueden obtener parámetros de diseño para sistemas de localización basados en arrays. En un segundo estudio se evalúan esquemas de diversidad por polarización con los sistemas multiantena para mejorar la estimación de los perfiles de DoA en canales que presentan pérdidas por despolarización. Para ello se desarrolla un modelo de señal en array con sensibilidad de polarización que toma en cuenta el campo electromagnético de ondas planas. Se realizan simulaciones MC del modelo para estudiar el efecto de la orientación de la polarización como el número de polarizaciones usadas en el transmisor como en el receptor sobre la precisión en la estimación de los perfiles de DoA observados en el receptor. Además, se presentan los perfiles DoA obtenidos en escenarios quasiestáticos de interior con un prototipo de medida MIMO 4x4 de banda estrecha en la banda de 2,45 GHz, los cuales muestran gran fidelidad con el escenario real. Para la obtención de los perfiles DoA se propone un método basado en arrays virtuales, validado con los datos de simulación y los datos experimentales. Con relación a la localización 3D de fuentes en campo cercano (zona de Fresnel), se presenta un tercer estudio para obtener con gran exactitud la estructura espacial del canal de propagación en entornos de interior controlados (en cámara anecóica) utilizando arrays virtuales. El estudio analiza la influencia del tamaño del array y el diagrama de radiación en la estimación de los parámetros de localización proponiendo, para ello, un modelo de señal basado en un vector de enfoque de onda esférico (SWSV). Al aumentar el número de antenas del array se consigue reducir el error RMS de estimación y mejorar sustancialmente la representación espacial del canal. La estimación de los parámetros de localización se lleva a cabo con un nuevo método de búsqueda multinivel adaptativo, propuesto con el fin de reducir drásticamente el tiempo de procesado que demandan otros algoritmos multivariable basados en subespacios, como el MUSIC, a costa de incrementar los requisitos de memoria. Las simulaciones del modelo arrojan resultados que son validados con resultados experimentales y comparados con el límite de Cramer Rao en términos del error cuadrático medio. La compensación del diagrama de radiación acerca sustancialmente la exactitud de estimación de la distancia al límite de Cramer Rao. Finalmente, es igual de importante la evaluación teórica como experimental de las prestaciones de los sistemas MIMO-OFDM. Por ello, se presenta el diseño e implementación de un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D autocalibrado con sistema de posicionamiento de antena automático en la banda de 2,45 Ghz con capacidad para evaluar la capacidad de los sistemas MIMO. Además, tiene la capacidad de caracterizar espacialmente canales MIMO, incorporando para ello una etapa de autocalibración para medir la respuesta en frecuencia de los transmisores y receptores de RF, y así poder caracterizar la respuesta de fase del canal con mayor precisión. Este sistema incorpora un posicionador de antena automático 3D (SPAA3D) basado en un scanner con 3 brazos mecánicos sobre los que se desplaza un posicionador de antena de forma independiente, controlado desde un PC. Este posicionador permite obtener una gran cantidad de mediciones del canal en regiones locales, lo cual favorece la caracterización estadística de los parámetros del sistema MIMO. Con este prototipo se realizan varias campañas de medida para evaluar el canal MIMO en términos de capacidad comparando 2 esquemas de polarización y tomando en cuenta la diversidad en frecuencia aportada por la modulación OFDM en distintos escenarios. ABSTRACT Multiple-antennas technologies have been evolved to be the support of the actual and future wireless communication systems in its way to provide the high quality and high data rates required by new data, voice and data services. However, it is important to understand the behavior of the spatial characteristics of the radio channel, since the channel by itself limits the performance of the actual wireless communications systems. This drawback raises the need to understand the spatial structure of the propagation channel in order to design, assess, and develop more efficient multiantenna technologies for the actual and future wireless communications systems. Multiantenna technologies such as ‘Smart Antennas’ and MIMO systems have generated great interest in the field of wireless communications, i.e. cellular communications systems and more recently WLAN (Wireless Local Area Networks), mainly because the higher quality and the high data rate they are able to provide. Their technological benefits are based on the exploitation of the spatial diversity provided by the use of multiple antennas as happened in the past with some multiaccess technologies such as FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access), and CDMA (Code Division Multiplexing Access), which give diversity in the domains of frequency, time and code, respectively. This Thesis is mainly focus to study the spatial channel characteristics using schemes of multiple antennas considering several diversity schemes such as space, polarization, and frequency. The spatial characteristics will be study in terms of the direction-of-arrival profiles viewed at the receiver side of the radio link. The first step is to do a review of the smart antennas and MIMO systems technologies highlighting their advantages and drawbacks from a mathematical point of view. In the second step, a set of studies concerning the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles are addressed. The performance of several DoA estimation methods is assessed considering several aspects regarding antenna array structure, polarization diversity, and far-field and near-field conditions. Most of the results of these studies come from simulations of data models and measurements with real multiantena prototypes. In the same way, having understand the importance of validate the theoretical data models with experimental results, a 2,4 GHz MIMO-OFDM-SPAA2D prototype is presented. This prototype is intended for evaluating MIMO-OFDM capacity in indoor and outdoor scenarios, characterize the spatial structure of radio channels, assess several diversity schemes such as polarization, space, and frequency diversity, among others aspects. The studies reported are briefly described below. As is stated in Chapter two, the determination of user position is a fundamental task to be resolved for the smart antenna systems. As these systems are equipped with antenna arrays, they can provide the enough spatial diversity to accurately draw the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles, and therefore the source location. However, certain real implementation factors related to antenna errors, signals, and receivers will certainly reduce the performance of such direction finding systems. In that sense, a parameterized narrowband signal model is proposed to evaluate the influence of these factors in the location parameter estimation through extensive MC simulations. The results obtained from several DoA algorithms may be useful to extract some parameter design for directing finding systems based on arrays. The second study goes through the importance that polarization schemes can have for estimating far-field DoA profiles in radio channels, particularly for scenarios that may introduce polarization losses. For this purpose, a narrowband signal model with polarization sensibility is developed to conduct an analysis of several polarization schemes at transmitter (TX) and receiver (RX) through extensive MC simulations. In addition, spatial characterization of quasistatic indoor scenarios is also carried out using a 2.45 GHz MIMO prototype equipped with single and dual-polarized antennas. A good agreement between the measured DoA profiles with the propagation scenario is achieved. The theoretical and experimental evaluation of polarization schemes is performed using virtual arrays. In that case, a DoA estimation method is proposed based on adding an phase reference to properly track the DoA, which shows good results. In the third study, the special case of near-field source localization with virtual arrays is addressed. Most of DoA estimation algorithms are focused in far-field source localization where the radiated wavefronts are assume to be planar waves at the receive array. However, when source are located close to the array, the assumption of plane waves is no longer valid as the wavefronts exhibit a spherical behavior along the array. Thus, a faster and effective method of azimuth, elevation angles-of-arrival, and range estimation for near-field sources is proposed. The efficacy of the proposed method is evaluated with simulation and validated with measurements collected from a measurement campaign carried out in a controlled propagation environment, i.e. anechoic chamber. Moreover, the performance of the method is assessed in terms of the RMSE for several array sizes, several source positions, and taking into account the effect of radiation pattern. In general, better results are obtained with larger array and larger source distances. The effect of the antennas is included in the data model leading to more accurate results, particularly for range rather than for angle estimation. Moreover, a new multivariable searching method based on the MUSIC algorithm, called MUSA (multilevel MUSIC-based algorithm), is presented. This method is proposed to estimate the 3D location parameters in a faster way than other multivariable algorithms, such as MUSIC algorithm, at the cost of increasing the memory size. Finally, in the last chapter, a MIMO-OFDM-SPAA3D prototype is presented to experimentally evaluate different MIMO schemes regarding antennas, polarization, and frequency in different indoor and outdoor scenarios. The prototype has been developed on a Software-Defined Radio (SDR) platform. It allows taking measurements where future wireless systems will be developed. The novelty of this prototype is concerning the following 2 subsystems. The first one is the tridimensional (3D) antenna positioning system (SPAA3D) based on three linear scanners which is developed for making automatic testing possible reducing errors of the antenna array positioning. A set of software has been developed for research works such as MIMO channel characterization, MIMO capacity, OFDM synchronization, and so on. The second subsystem is the RF autocalibration module at the TX and RX. This subsystem allows to properly tracking the spatial structure of indoor and outdoor channels in terms of DoA profiles. Some results are draw regarding performance of MIMO-OFDM systems with different polarization schemes and different propagation environments.

Analysis of thermo-mechanical stress effects on CPV receiver under high intensity light cycles

After construction of the LYSS (Light cYcling Stressing Source) in early 2014, several CPV receivers, with and without secondary optical element (SOE) have been aged under fast transient illumination cycling,. The test plan for Madrid consisted of 50000 cycles. Receivers with poor heat spreaders showed low reliability but those with thicker metal layers passed the test well. The operation of LYSS along 8 months, after more than 250000 cycles, did not show any significant failure, except lamp reposition every 120 hours, in average. The equipment seems valid for unveiling weak receiver designs with respect to intensive illumination, in steady and transient modes.

Regulación del movimiento y anticipación en el resto del primer servicio en tenis

Aunque se han logrado importantes avances en estudios de laboratorio con diseños experimentales poco representativos (e.g., Farrow y Reid, 2012; Nieminen, Piirainen, Salmi, y Linnamo, 2013), a día de hoy, todavía se desconoce a cabalidad cómo los jugadores de tenis de diferente nivel de pericia calibran o ajustan sus movimientos a las demandas espacio-temporales presentes en la tarea de resto de un primer servicio. ! Escasos trabajos se han llevado a cabo in situ y a la mayoría se les puede cuestionar algún aspecto de la metodología empleada. Así pues, en varios estudios la frecuencia de grabación ha sido limitada (e.g., a 50 Hz en Jackson y Gudgeon, 2004; Triolet, Benguigui, Le Runigo y Williams, 2013), o la velocidad del saque ha sido visiblemente inferior a la habitual (cf. Carboch, Süss y Kocib, 2014; Williams, Singer y Weigelt, 1998). También, en algunos estudios los participantes experimentados no han sido jugadores de nivel internacional (e.g., Avilés, Ruiz, Sanz y Navia, 2014), y el tamaño muestral ha sido muy pequeño (e.g., Gillet, Leroy, Thouvarecq, Mégrot y Stein, 2010). ! Además, en los diferentes trabajos se han utilizado una diversidad de métodos e instrumentos de medida y los criterios de codificación del inicio de los movimientos y de las respuestas han diferido; como consecuencia el lapso visomotor de respuesta (LVMr) ha sido muy dispar variando considerablemente de 198 a 410 ms. Considerando los inconvenientes señalados anteriormente, el presente estudio tuvo como objetivo determinar un modelo técnico de regulación temporal de los movimientos y de la respuesta del restador, tomando en cuenta el flujo continuo de información proporcionado por el sacador. Para ello, se realizó un análisis cronométrico de los restos de doce jugadores de diferente nivel deportivo (seis internacionales y seis nacionales) que respondieron de forma natural enviando sus devoluciones hacia las dianas. Se grabaron las acciones de los restadores y sacadores con una cámara Casio Exilim Pro Ex-F1 de alta velocidad (300 Hz) y luego se realizó un análisis imagen por imagen cada 3.33 ms. Una vez obtenidos los datos de los vídeos se realizaron análisis con las pruebas de ANOVA de un factor, ANCOVA con la velocidad del saque como covariable, U de Mann-Whitney y Chi-cuadrado de Pearson. En cuanto a la regulación del movimiento hasta el momento del despegue, los jugadores internacionales iniciaron sus acciones antes que los jugadores nacionales lo que podría indicar una mejor preparación al ejecutar los movimientos como reflejo del nivel de pericia. Los jugadores internacionales iniciaron la elevación del pie posterior a -293 ms y los jugadores nacionales a -202 ms. Todas estas acciones se fueron enlazando unas con otras y fue en el momento del impacto del sacador donde los restadores demostraron una remarcable coordinación perceptivo-motriz. Por consiguiente, los jugadores internacionales despegaron e iniciaron el vuelo a tan solo -6.5 ms del impacto y los jugadores nacionales lo hicieron más tarde a +19.5 ms. A lo largo de la secuencia temporal, todo parece indicar que las informaciones que utilizan los restadores interactúan entre sí; información más temprana y menos fiable para anticipar o moverse antes e información más tardía y más fiable para regular la temporalización de las acciones. Los restadores de nivel internacional y nacional anticiparon a nivel espacial en un bajo porcentaje (7.7% vs. 13.6%) y en tiempos similares (-127 vs. -118 ms) sugiriendo que la utilización de variables ópticas tempranas y menos fiables solo se produce en contadas ocasiones. Por otra parte, estos datos se relacionan con una gran precisión en la respuesta ya que tanto los jugadores internacionales como los nacionales demostraron un alto porcentaje de acierto al responder (95.4% vs. 96.7%). Se había señalado que los jugadores internacionales y nacionales se diferenciarían en el tiempo de caída (i.e., aterrizaje) del primer pie del salto preparatorio, sin embargo ese efecto no fue encontrado (128 vs. 135 ms). Tampoco se hallaron diferencias en el porcentaje de caída con el pie contrario a la dirección de la pelota (58% vs. 62%). Donde sí ambos grupos se diferenciaron fue en el tiempo de caída del segundo pie (147 vs. 168 ms). Esta diferencia de 21 ms fue crucial y fue una prueba de la mayor rapidez de los jugadores internacionales; sugiriendo que ésta acción se podría relacionar con el momento del inicio de la respuesta. Aunque los jugadores internacionales hayan demostrado ser más rápidos en relación con sus capacidades funcionales, ambos grupos no se diferenciaron en todas las variables relacionadas con el LVMr. Ellos no utilizaron esos valiosos milisegundos ganados en el instante de la caída del segundo pie para responder más pronto, ya que el LVMr del miembro superior fue el mismo para ambos grupos (179 vs. 174 ms). Es como si hubiesen tenido todo el tiempo del mundo para seguir ajustando sus acciones hasta el propio golpeo. Además, estos tiempos largos sugieren que en la gran mayoría de los restos la información clave que determinó la respuesta fue detectada (extraída) en momentos cercanos al golpeo del sacador y en la primera parte del vuelo de la pelota. Asimismo, se constató que en general el LVMr se ve influenciado por el tipo de información utilizada. De esta manera, cuando se tomaron en cuenta los ensayos en los que hubo anticipación espacial reflejados en el LVMr del cuerpo entero los tiempos disminuyeron (152 vs. 136 ms). Por otra parte, existieron ocasiones (13%) en los que tanto los jugadores internacionales como los nacionales respondieron tarde recibiendo saques directos (208 vs. 195 ms). Es muy posible que en estos casos los jugadores hayan tenido problemas para detectar la información respondiendo fuera de los márgenes temporales de acción lo que mermó su rendimiento. Lo mismo pudo haber ocurrido cuando ambos grupos de jugadores corrigieron el movimiento del miembro superior tras el impacto (17% vs. 10%) lo que aumentó el tiempo en responder al redirigir la respuesta hacia el lado correcto (208 vs. 205 ms). Además, los jugadores internacionales obtuvieron tiempos de movimiento menores que el de los jugadores nacionales (509 vs. 531 ms) lo que se reflejó en un tiempo total de actuación menor (683 vs. 703 ms). Por último, en cuanto al rendimiento del resto, los jugadores internacionales obtuvieron valores superiores a los jugadores nacionales (1.3 vs. 0.9). ABSTRACT Although there have been significant advances in laboratory studies with unrepresentative experimental designs (e.g., Farrow y Reid, 2012; Nieminen, Piirainen, Salmi, y Linnamo, 2013), today it is still unknown to full extent how tennis players of different levels of expertise calibrate or adjust their movements to the spatial-temporal demands present in the return of a first serve. Few studies have been carried out in situ and some aspects of the methodology most of them used can be questioned. Thus, in several studies the recording frequency has been limited (e.g., a 50 Hz en Jackson y Gudgeon, 2004; Triolet, Benguigui, Le Runigo y Williams, 2013), or serve speed was visibly lower than the usual one (cf. Carboch, Süss y Kocib, 2014; Williams, Singer y Weigelt, 1998). Also, in some studies, experienced participants have not played at international level (e.g., Avilés, Ruiz, Sanz y Navia, 2014), and the sample size has been very small (e.g., Gillet, Leroy, Thouvarecq, Mégrot y Stein, 2010). Furthermore, different works have used a variety of methods and measurement instruments and coding criteria of the onset of movements and responses have differed; due to this, visuomotor response delay (LVMr) has been very uneven, varying considerably from 198-410 ms. Considering the drawbacks mentioned above, this study aimed to determine a technical model of temporal regulation of movements and returner’s response, taking into account the continuous flow of information provided by the server. For this, a chronometric analysis of the returns of twelve players (six international and six national) of different sports level, that naturally responded by hitting their returns towards the targets, was performed. Actions of servers and returners were recorded with a Casio Exilim Pro Ex-F1 high speed camera (300 Hz) and then every 3.33 ms analysis was made frame by frame. Once the data of the videos were obtained, analyses were performed using one factor ANOVA test, ANCOVA with the speed of the serve as a covariate, U of Mann- Whitney and Pearson’s Chi-square test. As for the regulation of movement until the moment of serve, international players began their actions before national players, which could indicate that they were better prepared to execute movements reflecting the level of their expertise. International players began raising the rear foot at -293 ms and national players at -202 ms. All these actions were being linked to each other and it was at the moment of impact of the server when the receivers demonstrated a remarkable perceptual-motor coordination. Therefore, international players took off and started their flight just -6.5 ms before the serve and national players did the same somewhat later: +19.5 ms after the serve. Along the timeline, everything seems to indicate that the information used by returners interact with each other; early information which is less reliable to anticipate or move before, and later information more reliable appears to regulate the timing of actions. Returners of international and national levels anticipated at spatial level in a low percentage (7.7% vs. 13.6%) and in similar times (-127 vs. -118 ms) suggesting that the use of early and less reliable optical variables is only produced on rare occasions. Moreover, these data relate to a precise response as both international and national players showed a high percentage of success in responding (95.4% vs. 96.7%). It had been noted that international and national players would differ in the time the fall (i.e., landing) of the first foot of the split-step, however, this effect was not found (128 vs. 135 ms). No differences in the percentage of fall with the opposite foot to the direction of the ball (58% vs. 62%) were found. Where the two groups differed was in the time of the fall of the second foot (147 vs. 168 ms). This difference of 21 ms was crucial and it was a proof of mayor speed of international players; suggesting that this action could be related to the onset time of response. Although international players have proven to be faster in relation to their functional capabilities, both groups did not differ in all variables related to LVMr. They did not use those precious milliseconds earned at the time of the fall of the second foot to respond as soon, since the LVMr of the upper limb was the same for both groups (179 vs. 174 ms). It is as if they had all the time in the world to continue to adjust their actions until the return itself. Furthermore, these long times suggest that in the vast majority of the returns, key information that determined the response was detected (pick-up) in moments close to the hit of the server and in the first part of the ball flight. It was also found that in general the LVMr is influenced by the type of information used. Thus, when taking into account the trials during which there was spatial anticipation, reflected in LVMr of the whole body, the times decreased (152 vs. 136 ms). On the other hand, there were occasions (13%) where both international and national players responded late, thus receiving aces (208 vs. 195 ms). It is quite possible that in these cases the players have had trouble to pick-up information, responding out of temporary margins of action, which affected their performance. The same could have occurred when both groups of players corrected upper limb movement after impact (17% vs. 10%), which increased the time to respond and to redirect the return towards the right side (208 vs. 205 ms). Moreover, international players scored lower movement times than the national players (509 vs. 531 ms), which was reflected in a shorter total response time (683 vs. 703 ms). Finally, as far as the performance of return is concerned, international players scored above the national players values (1.3 vs. 0.9).

Development of a full hybrid lighting-CPV prototype and savings in a real case operation

A full Hybrid lighting-CPV prototype has been assembled. This new concept mixes a classical CPV module with the production of light for illumination without a double conversion (solar energy to electricity and electricity to light) allowing a higher efficiency to the whole system. The present prototype is based on a commercial CPV module that has been adapted in order to be hybrid, adjusting the receivers to pass the fibers into the module, inserting a holder to adjust x,y and z position of the fibers and changing the original parquet of lenses by a bifocal one composed most of the original lenses and the inclusion of other lenses in the position of the corners. Results show that with a minimal loss in the CPV part, a luminous flux is obtained that can be used to illuminate. Adding an additional electrical lamp and a light sensor that enables this lamp when no light from the sun is received, a 38% saving on lighting electricity is expected in Madrid during a year.

Obtención de la función receptora en las estaciones sísmicas de banda ancha del Instituto Geográfico Nacional.

La estructura de velocidad en los primeros metros debajo de una estación sísmica produce un cierto efecto sobre el sismograma que ésta registra, dicho efecto se denomina función receptora. Si se conoce esta función, es posible, mediante modelización, obtener esa estructura de velocidad. La onda P que genera un telesismo, queda “atrapada” en los últimos kilómetros de su trayectoria en la estructura próxima a la estación que la registra, reverberando entre las discontinuidades de la misma y convirtiéndose, en algunas partes, en onda S. La diferencia de registro existente entre el sismograma del rayo no atrapado (componente vertical del registro) y el producido por este fenómeno (componente radial), sería la función receptora. En este proyecto, se pretende obtener mediante la técnica de Langston (1979),las funciones receptoras de las 55 estaciones que forman la Red Sísmica de banda ancha del Instituto Geográfico Nacional, con el fin de que en trabajos venideros, sea posible conocer de una manera más realista, la estructura de la corteza terrestre bajo el territorio español. Para la obtención de estas funciones, será necesario trabajar con un conjunto de sismogramas registrados por estaciones de banda ancha a partir de telesismos cuyos parámetros focales reúnan una serie de condiciones, definidas y detalladas ampliamente en esta memoria. Tras un proceso de selección, que será constante a lo largo de todo este trabajo,se van a emplear para el cálculo de las funciones receptoras, un total de 5231 sismogramas, generados por 186 telesismos. Para terminar, a modo de ejemplo y con el objetivo de mostrar la finalidad para la que se ha llevado a cabo este proyecto, se procederá a realizar la inversión de la función receptora obtenida para una de las estaciones sísmicas de la red, obteniendo así, un modelo de velocidades aproximado de la estructura de la litosfera existente bajo dicha estación. Abstract: The speed structure in the first layers under a seismic station produces an effect on the seismogram that is registered. This effect is known as receiver function. It is possible to obtain the speed structure if this function is detected through modelling. The P wave, which generates a teleseism, gets trapped in the final kilometres of its trajectory in the nearby station structure, reverberating among its discontinuities and turning into a S wave. The registered difference between the not caught ray seismogram (vertical component of the register) and the one that is produced by this phenomenon (radial component) would be known as receiver function. This project aims to obtain, through the Langston technique (1979), the receiver function of the 55 stations that make up the Broadband Seismic Network of the National Geography Institute to get to know, in a more realistic way, the structure of the Earth’s crust under the Spanish territory. In order to obtain these functions, it will be necessary to work with a number of seismograms registered by the broadband stations whose focal parameters meet the requirements that are well defined and detailed in the development of this memory. After selecting the appropriate data, that would be constant throughout the development of this project, we are going to apply a total of 5231 seismograms obtained by 186 teleseism to calculate the receivers functions. To conclude, and with the aim of demonstrating the purposes and uses that lie behind the development of this project, we will reverse the receiver function for one of the seismic stations, obtaining a approximate speeds’ model of the lithosphere structure that can be found under the previously mentioned station.