Análisis e implementación de estrategias de rutado dinámico basado en CTP para redes de sensores inalámbricas multi-salto

Una red de sensores inalámbrica es un conjunto de dispositivos electrónicos que se comunican entre sí sin la necesidad de una infraestructura, recogiendo información del entorno en el que han sido desplegados, procesándola y transmitiéndola hasta una estación base mediante saltos sucesivos entre los nodos de la red (multi-salto). Durante las dos últimas décadas, este campo ha sido muy desarrollado en la comunidad científica, debido a las ventajas que ofrece el despliegue de una red inalámbrica en un entorno con el fin de estudiarlo y/o controlarlo. La ausencia de una infraestructura, junto con el reducido tamaño de los nodos, permite este estudio sin que dicho entorno se vea significativamente afectado por factores externos como pueda ser la presencia humana, permitiendo además aumentar el número de nodos que componen la red o cambiar la posición de algunos de ellos sin que sea necesario reconfigurarla manualmente. El principal reto que presentan las redes de sensores inalámbricas es su autonomía. En general, se requiere que un nodo tenga la capacidad de funcionar durante largos períodos de tiempo (varios meses o incluso un año) antes de que su batería se agote. Esto hace de la gestión del consumo energético un aspecto crítico en el diseño de la red y sus nodos. En el presente trabajo se busca optimizar este consumo mediante la gestión del proceso de comunicación y enrutamiento de la red. Con este fin, se implementa el protocolo CTP (Collection Tree Protocol) en la plataforma Cookies desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial (CEI) de la UPM. CTP es un protocolo de rutado centrado en los datos, que utiliza una topología en árbol, con el nodo coordinador o estación base como raíz del mismo, para la transmisión de la información desde los sensores hasta la estación base. Además, no utiliza direcciones predeterminadas, dotando a la red de la flexibilidad requerida para hacer frente a inconsistencias y/o variaciones en la densidad y tamaño de la red. La ruta escogida se basa en un gradiente de rutado decreciente, ETX (Expected Transmission Count), que representa la calidad de la conexión entre un nodo y su nodo padre. Este gradiente de enrutamiento se obtiene mediante una conversión directa a partir del LQI (Link Quality Indication) definido por el estándar IEEE 802.15.4. Esta conversión directa supone una aproximación utilizando valores umbral del LQI. Un nodo escogerá el siguiente salto que realizará el paquete a enviar seleccionando de entre sus vecinos a aquél que tenga el menor ETX, evitando de esta forma la aparición de bucles. Otro de los aspectos que supone un gran consumo es el proceso de mantenimiento de la estructura de la red, pues requiere el envío periódico de señales de control o beacons a lo largo de toda la red. El protocolo CTP aprovecha el algoritmo de goteo (Trickle Algorithm), para gestionar el mantenimiento: durante la formación de la red y cuando se detecte alguna inconsistencia, se incrementa la frecuencia de emisión de los beacons, permitiendo así una rápida propagación de las señales de control para crear o reparar las conexiones entre los nodos. En cambio, cuando la topología de la red es estable, esta frecuencia de emisión se reduce significativamente, limitándose a asegurar que la topología se mantiene estable y favoreciendo así el ahorro de energía.

Nuevos ecocomposites a partir de residuos plásticos y celulósicos. Absorción de agua.

El plástico se ha convertido en el material del siglo XXI. Se adapta a múltiples aplicaciones, por eso se emplea para todo tipo de propósitos, entre los cuales destaca el empaquetado por su versatilidad, flexibilidad y durabilidad. Un efecto directo de su continuo uso es la producción de residuos poliméricos, que tras su utilización, se desechan. A partir de ese momento, solo existen dos vías de acción: reciclado y vertido. El vertido de residuos se ha convertido en un grave problema del día a día. En consecuencia, se deben tomar medidas para evitar su acumulación, que implica grandes problemas medioambientales que afectan tanto a personas como a fauna y flora. Por consiguiente, para evitar el desaprovechamiento de una buena parte de los residuos, de aquellos que son plásticos, se lleva a cabo su reciclado. Existen tres tipos de reciclado para los materiales poliméricos: el mecánico o convencional, el químico y la valorización energética. El más sostenible de todos ellos es el reciclado mecánico que además es el empleado para la elaboración de las probetas de este estudio. El reciclado convencional posee varias etapas, entre las cuales destacan fundir el plástico y procesarlo posteriormente. El producto final aparece en forma de pellets, que pueden ser transformados según el uso ulterior. El polímero generado posee una calidad inferior a la de los materiales vírgenes, dado que durante su utilización ha podido ser contaminado por otras substancias. Por tanto, no puede emplearse para muchos de sus pasados usos si no es reforzado con algún otro material. Es entonces cuando surgen los ecocomposites o biocomposites. Los ecocomposites son unos materiales compuestos de matriz polimérica, que presentan especiales ventajas medioambientales, porque utilizan refuerzos celulósicos de fuentes renovables y/o matrices de plásticos reciclados. En nuestro caso, la matriz es una mezcla de residuos plásticos agrarios (RAP) y urbanos, que principalmente están formados por polietileno de alta densidad (HDPE). Por sí solos estos plásticos reciclados, no poseen las cualidades necesarias para su utilización. Por consiguiente, se refuerzan con fibras de celulosa. Estas hebras añadidas también son residuales ya que carecen de las propiedades adecuadas para la fabricación de papel y, en lugar de ser incineradas o desechadas, se emplean en los ecocomposites como ayuda para soportar los esfuerzos mecánicos. Otro beneficio medioambiental del uso de la celulosa, es que hace que los ecocomposites sean más biodegradables en comparación con las fibras minerales que se añaden en los otros composites. Cabe mencionar que, al tratarse de un material totalmente reciclado, también genera una serie de ventajas económicas y sociales. El reciclado mecánico necesita de trabajadores que lleven a cabo la labor. De este modo, aparecen nuevos puestos de trabajo que dan solución a problemas sociales de la población. El reciclado de plásticos irá aumentando durante los próximos años dado que en 2014 la Comunidad Europea fijó como objetivo una economía circular que implica procesar todos los residuos para evitar su acumulación. En la actualidad, aún no se reciclan gran cantidad de plásticos agrarios. Sin embargo, con este compromiso se espera un aumento del volumen de PE agrícola reciclado mecánicamente, ya que el origen del material obtenido a partir de ellos es ecológico y favorece el cuidado del medio ambiente, al emplear materiales de desecho en la generación de los nuevos. Combinando los plásticos reciclados y la celulosa, se crea un material respetuoso con el medio ambiente. No obstante, existe un motivo mayor para su fabricación: se trata de un compuesto con propiedades mecánicas optimizadas que se adapta a numerosas aplicaciones como mobiliario urbano, señales de tráfico… Sus características aúnan los beneficios de unir ambos materiales. Por un lado, la baja densidad, las posibilidades de reciclado y la alta resistencia al impacto aportadas por el plástico. Por el otro, las hebras celulósicas mejoran notablemente el módulo de Young, la rigidez y el límite de tensión que son capaces de soportar con respecto a probetas de misma forma pero sin fibras. Estas propiedades no son las únicas que se modifican al combinar las dos substancias. El refuerzo, al tratarse de un material hidrófilo, tenderá a atrapar la humedad ambiental. Como consecuencia, se producirá un hinchamiento que es posible que repercuta en la estabilidad dimensional del material durante su uso. Asimismo, si la celulosa está en contacto continuo con agua, modifica su naturaleza ya que se producen una serie de cambios en su estructura. El agua genera también la rotura de las interacciones fibra-matriz en la interfase del material compuesto, lo que reduce grandemente las propiedades del ecocomposite. Así pues, la absorción de agua es uno de los principales problemas de estos materiales y limita sus aplicaciones y también la reciclabilidad de los residuos celulósicos y plásticos. Por lo tanto, el principal objetivo de este proyecto es la caracterización tanto de la cinética como del mecanismo de la absorción de agua en los ecocomposites a través de varias técnicas y ensayos siempre con el fin último de reducir la absorción de agua y mejorar las propiedades y las aplicaciones de estos materiales reciclados. Se estudiaron ecocomposites obtenidos a partir de residuos plásticos agrarios y urbanos, con una cantidad variable de celulosa residual, entre 25 y 35%. A algunos de ellos se les había añadido un peróxido orgánico en proporción del 0,025% o 0,05% en peso. Una parte de los materiales había sido sometida a un envejecimiento acelerado de 100, 250 o 500 horas en cámara climática, donde se exponen a calor y humedad. La proporción no constante de celulosa se empleó para descubrir cuánto afecta su variación en la absorción de agua. El peróxido estaba presente como ayuda para entrecruzar la matriz con el refuerzo, que ya se había comprobado que mejoraba las propiedades mecánicas del material, y se pretendía investigar si también podía causar una mejora en la absorción de agua, o bien suponía un empeoramiento. Por último, se pretendía estudiar si el envejecimiento de estos materiales altera la absorción de agua. La absorción se caracterizó principalmente a través de tres procedimientos, todos ellos basados en la medición de ciertas propiedades tras la inmersión de las muestras en viales con agua destilada. Por un lado, se controló la absorción midiendo la ganancia de masa de las muestras mediante una balanza analítica. Por otro lado, se midió el hinchamiento de las probetas a lo largo del tiempo. Finalmente, se caracterizó el agua absorbida y se midió la absorción mediante espectrofotometría infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), lo que suministró información sobre los tipos de agua absorbida y los mecanismos de absorción. En el estudio del hinchamiento y de la absorción por gravimetría se tomaron todas las muestras, con una y dos replicaciones. Para la espectrofotometría se analizaron los filmes de código 43500, 43505, 43520 y 43525. La absorción de agua es un fenómeno que se puede explicar en muchos casos a través de la segunda ley de Fick. Para poder emplear esta ley, se toman como hipótesis que la difusión es no estacionaria, la presión y la temperatura son constantes y se trata de difusión unidireccional. Para la aplicación de esta teoría, es necesario que las muestras sean láminas bidimensionales de espesor despreciable. Los coeficientes de difusión se pueden calcular mediante una serie de métodos propuestos por Crank en The Mathematics of Diffusion [5] que recopilan soluciones a esta segunda ley de Fick. La absorción de agua fue aumentando con el tiempo. Inicialmente, el gradiente es superior; esto es, se absorbió más durante las primeras horas de inmersión. Para que la difusión sea Fickiana, el proceso debe ser reversible y alcanzarse un valor de equilibrio de absorción. Nuestros resultados indican que esto no se cumple para largos tiempos de inmersión ya que la teoría predice que la masa absorbida tiende a un valor constante en el equilibrio, mientras que los datos experimentales muestran una tendencia de la absorción a crecer indefinidamente Para tiempos cortos inferiores a 50h, al tratarse de pocas horas de inmersión, el material no se degrada, por lo que el proceso puede describirse como Fickiano. Se calcularon los coeficientes de difusión aparentes y valor estable de cantidad de agua al que tiende la absorción cuando el comportamiento es Fickiano. Los resultados indican que la celulosa afecta considerablemente a la absorción, favoreciéndola cuanto mayor es el porcentaje de fibras. Asimismo, el peróxido no tiene un efecto reseñable en la absorción, porque aúna dos efectos contrarios: favorece el entrecruzamiento de la interfase matriz-refuerzo y degrada parcialmente el material, sobre todo las impurezas de polipropileno en el rHDPE. Finalmente, el envejecimiento muestra una tendencia a facilitar la absorción, pero es importante señalar que esta tendencia desaparece cuando se utiliza peróxido en la composición del ecocomposite, por lo que el peróxido puede aumentar la duración del material. Por último, la espectroscopía FTIR fue muy útil para conocer los tipos de agua que se encuentran en el interior del material, ya que el espectro infrarrojo del agua absorbida depende de cómo se encuentre unida al material. La espectroscopía FTIR ha permitido también observar la cinética de absorción de los diferentes tipos de agua por separado. La absorción del agua libre y el agua ligada se describe bien mediante un modelo Fickiano. La bondad del ajuste para un comportamiento Fickiano es alta. Así pues, los resultados obtenidos aportan información sobre la cinética y los mecanismos de absorción de agua y han mostrado que la absorción depende del contenido en celulosa y no empeora por la adición de peróxido. Por el contrario, el peróxido añadido parece reducir la absorción en materiales envejecidos, lo que puede contribuir a aumentar la duración de estos materiales y mejorar así la reciclabilidad de los residuos empleados.

Crecimiento forestal en el bosque tropical de montaña: efectos de la diversidad florística y de la manipulación de nutrientes

El bosque tropical de montaña, es considerado zona de mega diversidad y de alto grado de endemismo, por las diferentes zonas ecológicas que presenta. Durante las últimas décadas estos bosques han recibido mayor atención por parte de investigadores, sin embargo, aún existe poca investigación en determinar cuáles son las respuestas de los bosques a los cambios ambientales a los que son sometidos. Estos bosques están sufriendo serias amenazas como pérdida de cobertura vegetal y cambios en los ciclos de nutrientes. El trabajo se dividió en cuatro objetivos específicos. i) Caracterización y análisis de patrones altitudinales de la riqueza de especies en el bosque tropical de montaña en el sur del Ecuador; con el fin de conocer cómo varía la diversidad de especies riqueza lo largo de un gradiente altitudinal. ii) Conocer los patrones espaciales del crecimiento en tres remanentes boscosos de un bosque tropical de montaña para determinar cómo la vecindad y la semejanza funcional de ésta influyen en el crecimiento forestal. iii) Conocer los efectos de la fertilización en el crecimiento diamétrico de especies arbóreas, en el bosque tropical de montaña; se analizó cómo reaccionan los árboles a la adición de nutrientes N y P en tres tipos de bosque. iv) Saber la respuesta de la comunidad de árboles a la adición de nutrientes en el bosque montano andino; este objetivo se basó con el supuesto de la deficiencia de tres tipos de nutrientes N, P y Ca, en esta formación boscosa y cómo reaccionan los árboles a la adición de nutrientes. El presente trabajo se llevó a cabo, en el bosque tropical de montaña que se encuentra localizada en la parte adyacente del Parque Nacional Podocarpus (PNP) en la cordillera del Consuelo, forma parte de la cadena oriental de los Andes del sur del Ecuador El trabajo de desarrollo entre los años 2008 y 2014. Para abordar el primer objetivo se establecieron 54 parcelas ubicadas aleatoriamente a lo largo de un gradiente altitudinal (3 niveles de altitud) y se e midieron e identificaron todos los individuos mayores a 5cm de DAP. Se construyó una filogenia con Phylocom y se calcularon diferentes componentes de diversidad para cada parcela ( riqueza taxonómica, diversidad filogenética y edad media de las especies). Ajustando modelos lineares se contrastó el efecto de la altitud sobre dichos componentes y se vio que la riqueza taxonómica y la edad media de las especies aumentaron con la altitud, en sentido contrario a las predicciones de la "hipótesis del conservadurismo tropical" (Tropical Conservatism Hypothesis). Para abordar el segundo objetivo se realizó una remedición de todos los árboles cartografiados en tres parcelas permanentes de alrededor de 5000 m2 cada una, representativas de tres estados diferentes de la sucesión del bosque montano. A partir de las coordenadas y de los datos de registrados, y empleando diferentes funciones de correlación de marca se analizó la distribución espacial del tamaño y del crecimiento relativo y del tamaño. Se constató que mientras que el tamaño de los árboles presentó una correlación espacial negativa, el crecimiento presentó correlación espacial positiva, en ambos casos a distancias cortas. El rango y la magnitud de ambas correlaciones aumentaron al avanzar la sucesión. La distribución espacial del crecimiento mostró una correlación negativa con la distribución espacial de tamaños. Por otro lado, la distribución espacial del crecimiento mostró una correlación negativa para árboles semejantes funcionalmente y positiva cuando se calculó entre árboles con diferente estrategia funcional. En conjunto, los resultados obtenidos señalan un aumento de la importancia de procesos competitivos y una mayor estructuración espacial del crecimiento y de la distribución de tamaños al avanzar la sucesión. Para el tercer y cuarto objetivo se instalaron 52 parcelas distribuidas en bloques donde se fertilizaron dos veces al año durante 6,4 años, se identificaron todos los individuos mayores a 10 cm de DAP, y se midió el crecimiento diamétrico durante estos años Con la adición de nutrientes realizada a los diferentes tipos de bosque en la gradiente altitudinal, encontramos que el efecto sobre el crecimiento diamétrico en la comunidad varia con el rango altitudinal, y el tipo de nutriente, analizando a nivel de las especies, en la mayoría de los casos las especies comunes no tuvieron cambios significativos a la adición de nutrientes. Los resultados de este estudio aportan nuevas evidencias para el entendimiento de la diversidad, estructura y dinámica de los bosques tropicales de montaña. ABSTRACT The montane tropical forest is considered a megadiverse habitat that harbor an enormous degree of endemism. This is mainly due to the high degree of environmental heterogeneity found and the presence of different well defined ecological areas. These forests have received more attention during the last decades, however, the information regarding the responses of these forests to environmental change, is still scarce. These forests are seriously endangered and are suffering serious threats, such as loss of vegetative cover, changes in the nutrient cycles. The work was divided in four specific objectives: i) Characterization and analysis of the species richness altitudinal patterns in the montane tropical forest of south Ecuador. Specifically, how species diversity changes along altitudinal gradients. ii) Exploring the spatial patterns of tree growth in three remnants of a montane tropical forest, and analyze how tree neighborhood and functional similarity among trees influence tree growth. Tropical Conservatism Hypothesis iii) Understanding the effects of fertilization in arboreal species growth (increase in diameter) of the montane tropical forest. Specifically we studied the effects of P and N addition on three different forests across an altitudinal gradient. iv) Know the response of the community of trees to the addition of nutrients in the Andean montane forest; this objective was based on the supposition of deficiency of three types of nutrients: P, N and Ca in this forest all formation and how the trees react to the addition of these nutrients. The present work was carried out in the montane tropical forest located in Bombuscaro, San Francisco and Cajanuma close to Podocarpus National Park (PNP) on Consuelo mountain range (Andean oriental range) at South of Ecuador. Field work was carried out during 2008 and 2014. To address the first objective, we randomly placed 54 plots along an altitudinal gradient. In these plots, every individual larger than 5 cm of DBH was measured and identified. A phylogeny was build with Phylocom and different diversity components (taxonomic richness, phylogenetic diversity and average species age) were computed for each plot. Linear models were used to test the effects of altitude on the diversity components. Our results showed that, contrary to the Tropical Conservatism Hypothesis, both taxonomic richness and average species age increased with altitude. To address our second objective, all mapped trees in three successional permanent plots (around ~5000 m2 each) were re-measured. Using different mark correlation functions, we analyzed the spatial distribution of tree-size and tree relative growth rate. Whereas tree size showed negative spatial correlation at fine spatial scales, relative growth rate showed positive correlation at the same scales. The range and magnitude of those correlations increased along successional stage. The spatial distribution of the relative growth rate was negatively correlated with the spatial distribution of tree sizes. Additionally, we found that the spatial correlation of the relative growth rate was negative for functionally similar trees and positive when computed for functionally different trees. In synthesis, our results point to an increase of competitive processes and strong spatial structure of relative growth rate and tree size along succession. For the third and fourth objectives, 52 plots were placed in a block design and were fertilized twice a year for 6,4 years. In these plots all the individuals with DBH > 10 cm were identified, and the diametrical growth was measured during these years. The nutrient addition at the three different altitude forests, revealed that the effect on the diametrical growth in the community varied with the altitudinal range. When analyzed at species level, the addition of nutrients was no significant in most cases. These results represent new evidences that will improved our understanding of diversity patterns and structure, and the dynamics of tropical montane forests.

Fenología y capacidad de dispersión de Monochamus galloprovincialis (Olivier 1795) en la Península Ibérica = Phenology and dispersal ability of Monochamus galloprovincialis (Olivier 1795) at Iberian Peninsula

La aparición y avance de la enfermedad del marchitamiento del pino (Pine Wilt Desease, PWD), causada por Bursaphelenchus xylophilus (Nematoda; Aphelenchoididae), el nematodo de la madera del pino (NMP), en el suroeste de Europa, ha puesto de manifiesto la necesidad de estudiar la fenología y la dispersión de su único vector conocido en Europa, Monochamus galloprovincialis (Col., Cerambycidae). El análisis de 12 series de emergencias entre 2010 y 2014, registradas en Palencia, València y Teruel, con material procedente de diversos puntos de la península ibérica, demostró una alta variabilidad en la fenología de M. galloprovincialis y la divergencia térmica respecto de las poblaciones portuguesas. Para éstas, el establecimiento de los umbrales térmicos de desarrollo de las larvas post-dormantes del vector (12,2 y 33,5ºC) permitió la predicción de la emergencia mediana para la fecha en la que se acumulaban de 822 grados-día. Ninguna de las series analizadas en este trabajo necesitó de dichos grados-día estimados para la emergencia mediana. Asimismo, la emergencia se adelantó en las regiones más calurosas, mientras que se retrasó en las zonas más templadas. Más allá de la posible variabilidad entre poblaciones locales peninsulares, se detectaron indicios de que la diferencia en la acumulación de calor durante el otoño puede afectar el grado de maduración de las larvas invernantes, y su posterior patrón temporal de emergencia. Por último, también fueron observados comportamientos de protandria en las emergencias. Respecto a la fenología de su vuelo, entre los años 2010 y 2015, fueron ejecutados un total de 8 experimentos de captura de M. galloprovincialis mediante trampas cebadas con atrayentes en diferentes regiones (Castellón, Teruel, Segovia y Alicante) permitiendo el seguimiento del periodo de vuelo. Su análisis permitió constatar la disminución de las capturas y el acortamiento del periodo de vuelo con la altitud, el inicio del vuelo en el mes de mayo/junio a partir de los 14ºC de temperatura media diaria, la influencia de las altas temperaturas en la disminución de las capturas estivales (potencial causante de perfiles bimodales en las curvas de vuelo en las zonas menos frías), la evolución de la proporción de sexos a lo largo del periodo de vuelo (que muestra una mayor captura de hembras al inicio y de machos al final) y el comportamiento diurno y ligado a las altas temperaturas del vuelo circadiano del insecto. Dos redes de muestreo sistemático de insectos saproxílicos instaladas en la Comunitat Valencia (Red MUFFET, 15 parcelas, año 2013) y en Murcia (Red ESFP, 20 parcelas, años 2008-2010) permitieron el estudio de la comunidad de insectos relacionada con M. galloprovincialis. Cada una de las parcelas contaba con una trampa cebada con atrayentes y una estación meteorológica. El registro de más de 250 especies de coleópteros saproxílicos demostró el potencial que tiene el empleo de redes de trampas vigía para la detección temprana de organismos exóticos, además de permitir la caracterización y evaluación de las comunidades de entomofauna útil, representando una de las mejores herramientas de la gestión integrada de plagas. En este caso, la comunidad de saproxílicos estudiada mostró ser muy homogénea respecto a la variación ambiental de las zonas de muestreo, y que pese a las pequeñas variaciones entre las comunidades de los diferentes ecosistemas, el rol que M. galloprovincialis desempeña en ellas a lo largo de todo el gradiente estudiado es el mismo. Con todo, el análisis mediante redes de interacción mostró su relevancia ecológica al actuar de conector entre los diferentes niveles tróficos. Por último, un total de 12 experimentos de marcaje-liberación-recaptura desarrollados entre 2009 y 2012 en Castellón, Teruel, Valencia y Murcia permitieron evaluar el comportamiento dispersivo de M. galloprovincialis. Las detecciones mediante trampas cebadas de los insectos liberados se dieron por lo menos 8 días después de la emergencia. La abundancia de población pareció relacionada con la continuidad, la naturalización de la masa, y con la afección previa de incendios. La dispersión no estuvo influida por la dirección ni la intensidad de los vientos dominantes. La abundancia de material hospedante (en lo referente a las variables de masa y a los índices de competencia) influyó en la captura del insecto en paisajes fragmentados, aunque la ubicación de las trampas optimizó el número de capturas cuando se ubicaron en el límite de la masa y en zonas visibles. Por último también se constató que M. galloprovincialis posee suficiente capacidad de dispersión como para recorrer hasta 1500 m/día, llegando a alcanzar distancias máximas de 13600m o de 22100 m. ABSTRACT The detection and expansion of the Pine Wilt Desease (PWD), caused by Bursaphelenchus xylophilus (Nematoda; Aphelenchoididae), Pine Wood Nematode (PWN), in southwestern Europe since 1999, has triggered off the study of the phenology and the dispersion of its unique vector in the continent, Monochamus galloprovincialis (Coleoptera, Cerambycidae). The analysis of 12 emergence series between 2010 and 2014 registered in Palencia, Teruel and Valencia (Spain), registered from field colonized material collected at several locations of the Iberian Peninsula, showed a high variability in the emergence phenology of M. galloprovincialis. In addition, these patterns showed a very acute thermal divergence regarding a development model fitted earlier in Portugal. Such model forecasted the emergence of 50% of M. galloprovincialis individuals in the Setúbal Peninsula (Portugal) when an average of 822 degree-days (DD) were reached, based on the accumulation of heat from the 1st of March until emergence and lower and upper thresholds of 12.2 ºC and 33,5 °C respectively. In our results, all analyzed series needed less than 822 DD to complete the 50% of the emergence. Also, emergency occurred earlier in the hottest regions, while it was delayed in more temperate areas. Beyond the possible variability between local populations, the difference in the heat accumulation during the fall season may have affected the degree of maturation of overwintering larvae, and subsequently, the temporal pattern of M. galloprovincialis emergences. Therefore these results suggest the need to differentiate local management strategies for the PWN vector, depending on the location, and the climatic variables of each region. Finally, protandrous emergence patterns were observed for M. galloprovincialis in most of the studied data-sets. Regarding the flight phenology of M. galloprovincialis, a total of 8 trapping experiments were carried out in different regions of the Iberian Peninsula (Castellón, Teruel, Segovia and Alicante) between 2010 and 2015. The use of commercial lures and traps allowed monitoring of the flight period of M. galloprovincialis. The analyses of such curves, helped confirming different aspects. First, a decline in the number of catches and a shortening of the flight period was observed as the altitude increased. Flight period was recorded to start in May / June when the daily average temperature went over 14 ° C. A significant influence of high temperatures on the decrease of catches in the summer was found in many occasions, which frequently lead to a bimodal profile of the flight curves in warm areas. The evolution of sex ratio along the flight period shows a greater capture of females at the beginning of the period, and of males at the end. In addition, the circadian response of M. galloprovincialis to lured traps was described for the first time, concluding that the insect is diurnal and that such response is linked to high temperatures. Two networks of systematic sampling of saproxylic insects were installed in the Region of Valencia (Red MUFFET, 15 plots, 2013) and Murcia (Red ICPF, 20 plots, 2008-2010). These networks, intended to serve the double purpose of early-detection and long term monitoring of the saproxylic beetle assemblies, allowed the study of insect communities related to M. galloprovincialis. Each of the plots had a trap baited with attractants and a weather station. The registration of almost 300 species of saproxylic beetles demonstrated the potential use of such trapping networks for the early detection of exotic organisms, while at the same time allows the characterization and evaluation of useful entomological fauna communities, representing one of the best tools for the integrated pest management. In this particular case, the studied community of saproxylic beetles was very homogeneous with respect to environmental variation of the sampling areas, and despite small variations between communities of different ecosystems, the role that M. galloprovincialis apparently plays in them across the studied gradient seems to be the same. However, the analysis through food-webs showed the ecological significance of M. galloprovincialis as a connector between different trophic levels. Finally, 12 mark-release-recapture experiments were carried out between 2009 and 2012 in Castellón, Teruel, Valencia and Murcia (Spain) with the aim to describe the dispersive behavior of M. galloprovincialis as well as the stand and landscape characteristics that could influence its abundance and dispersal. No insects younger than 8 days were caught in lured traps. Population abundance estimates from mark-release-recapture data, seemed related to forest continuity, naturalization, and to prior presence of forest fires. On the other hand, M. galloprovincialis dispersal was not found to be significantly influenced by the direction and intensity of prevailing winds. The abundance of host material, very related to stand characteristics and spacing indexes, influenced the insect abundance in fragmented landscapes. In addition, the location of the traps optimized the number of catches when they were placed in the edge of the forest stands and in visible positions. Finally it was also found that M. galloprovincialis is able to fly up to 1500 m / day, reaching maximum distances of up to 13600 m or 22100 m.

El borde urbano: un acercamiento paisajístico y funcional de los límites del suelo urbanizado en las ciudades medias españolas

Asistimos a una evolución en la relación entre ciudad y resto del territorio. Este cambio desemboca en la eliminación del límite. La ciudad moderna se diluye en el territorio: el límite tradicional que separaba espacio urbano de espacio natural se ha diluído. La Discontinuidad entre la ciudad y el campo no se produce de forma definida (bien mediante un límite abrupto o con un gradiente) sino mediante una interfase fragmentada de funcionamiento inadecuado y que, además, no permite una clara identificación paisajística, creando problemas de eficiencia y de identidad urbana. El primer objetivo de esta investigación será determinar si existe la posibilidad de dibujar gráficamente el límite de nuestras ciudades medias para detectar si realmente existe y de qué manera se produce. A partir de aquí se realizará una catalogación del límite con el objetivo de determinar si existe algún tipo predominante sobre los demás. La comparativa entre las ciudades nos aportará la visión de en qué medida el tipo de límite es común o por el contrario singular a unas características propias de cada ciudad. El muestreo se realiza sobre un total de seis ciudades medias españolas, todas ellas capitales de provincia y con una población entre 100.000 y 300.000 habitantes: Vitoria-Gasteiz, Burgos, Pamplona, Valladolid, Lleida y Logroño. El primer paso de la metodología consiste en identificar el límite a través de su representación cartográfica. A partir de aquí se estudia qué limita con qué: cuáles son los usos urbanos que se sitúan en el borde y con qué usos no urbanos limitan. De este modo se hacen cuantificables y por lo tanto medibles. Se establecen las relaciones numéricas de estos usos del suelo y sus porcentajes. El recorrido a lo largo del límite confirma que se trata de un espacio multifuncional. Y se identifica el Límite de lo Común, un límite similar en cuanto a usos y tipologías en todas las ciudades estudiadas. La identidad en el límite se genera a partir de una imagen Genérica (el límite de lo común), una imagen Cerrada, una imagen más o menos Rural, una imagen Cultural (la huella del límite histórico) y finalmente a través de una imagen en Degradación. El límite adquiere una entidad espacial llamada Intefase, compuesta por piezas urbanas dispersas a lo largo de una franja que rodea la ciudad. Este espacio adopta usos y lógicas de localización propios, lo que le confiere una identidad única. En la segunda parte de la tesis se categorizan las diferentes tipologías del límite, el límite según Barreras, según las relaciones campo-ciudad y según aspectos visuales. Los datos confirman que la ciudad media española muestra un aspecto de ciudad dispersa, en diferentes grados de desarrollo; es una ciudad sin barreras que sin embargo se muestra cerrada hacia el campo. ABSTRACT The urban-rural relationship is currently evolving; the in-between boundary is finally been removed. The contemporary city sprawls over the countryside, and the boundary of the traditional city, the urban-rural divide, fades away. Discontinuity between the city and the countryside does not happen in a defined pattern (either by an abrupt or a gradient boundary) but by a malfunctioning rural-urban fringe fragmented and that also does not allow a clear identification landscape, creating problems of efficiency and urban identity. This research focuses on mapping our medium cities boundary, in order to identify whether it exists and how it occurs. The case studies are six medium size Spanish cities with a population between 100.000 and 300.000: Vitoria-Gasteiz, Burgos, Pamplona, Valladolid, Lleida and Logroño. Tracking the boundaries confirms that these are multifunctional spaces. This research defines a new concept called the Common Boundary, that involves similar uses and types in all the boundaries of the case studies. The boundary identity is built up with a Generic image (the common boundary), a closed image, a rural image, a cultural image (the imprint of the historic boundary) and finally with a degradation image. This boundary acquires a spatial entity called Intefase composed of sprawl urban pieces along a rural-urban fringe surrounding the city. New uses and different logical location appear in this fringe, therefore it gives it the uniqueness of the fringe. Finally this research categorizes the different boundary types: the boundary as barriers, the boundary as rural-urban relations and as visual aspects. Examined data confirms that the medium size Spanish city suffers from urban sprawl at different stages. Moreover a city without barriers and closed to the countryside is shown.

La implementación arquitectónica de los acristalamientos activos con agua circulante, y su contribución en edificios de consumo de energía casi nulo

La presente Tesis Doctoral evalúa la contribución de una fachada activa, constituida por acristalamientos con circulación de agua, en el rendimiento energético del edificio. Con especial énfasis en la baja afección sobre su imagen, su integración ha de favorecer la calificación del edificio con el futuro estándar de Edificio de consumo de Energía Casi Nulo (EECN). El propósito consiste en cuantificar su aportación a limitar la demanda de climatización, como solución de fachada transparente acorde a las normas de la energía del 2020. En el primer capítulo se introduce el planteamiento del problema. En el segundo capítulo se desarrollan la hipótesis y el objetivo fundamental de la investigación. Para tal fin, en el tercer capítulo, se revisa el estado del arte de la tecnología y de la investigación científica, mediante el análisis de la literatura de referencia. Se comparan patentes, prototipos, sistemas comerciales asimilables, investigaciones en curso en Universidades, y proyectos de investigación y desarrollo, sobre envolventes que incorporan acristalamientos con circulación de agua. El método experimental, expuesto en el cuarto capítulo, acomete el diseño, la fabricación y la monitorización de un prototipo expuesto, durante ciclos de ensayos, a las condiciones climáticas de Madrid. Esta fase ha permitido adquirir información precisa sobre el rendimiento del acristalamiento en cada orientación de incidencia solar, en las distintas estaciones del año. En paralelo, se aborda el desarrollo de modelos teóricos que, mediante su asimilación a soluciones multicapa caracterizadas en las herramientas de simulación EnergyPlus y IDA-ICE (IDA Indoor Climate and Energy), reproducen el efecto experimental. En el quinto capítulo se discuten los resultados experimentales y teóricos, y se analiza la respuesta del acristalamiento asociado a un determinado volumen y temperatura del agua. Se calcula la eficiencia en la captación de la radiación y, mediante la comparativa con un acristalamiento convencional, se determina la reducción de las ganancias solares y las pérdidas de energía. Se comparan el rendimiento del acristalamiento, obtenido experimentalmente, con el ofrecido por paneles solares fototérmicos disponibles en el mercado. Mediante la traslación de los resultados experimentales a casos de células de tamaño habitable, se cuantifica la afección del acristalamiento sobre el consumo en refrigeración y calefacción. Diferenciando cada caso por su composición constructiva y orientación, se extraen conclusiones sobre la reducción del gasto en climatización, en condiciones de bienestar. Posteriormente, se evalúa el ahorro de su incorporación en un recinto existente, de construcción ligera, localizado en la Escuela de Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Mediante el planteamiento de escenarios de rehabilitación energética, se estima su compatibilidad con un sistema de climatización mediante bomba de calor y extracción geotérmica. Se describe el funcionamiento del sistema, desde la perspectiva de la operación conjunta de los acristalamientos activos e intercambio geotérmico, en nuestro clima. Mediante la parametrización de sus funciones, se estima el beneficio adicional de su integración, a partir de la mejora del rendimiento de la bomba de calor COP (Coefficient of Performance) en calefacción, y de la eficiencia EER (Energy Efficiency Ratio) en refrigeración. En el recinto de la ETSAM, se ha analizado la contribución de la fachada activa en su calificación como Edificio de Energía Casi Nula, y estudiado la rentabilidad económica del sistema. En el sexto capítulo se exponen las conclusiones de la investigación. A la fecha, el sistema supone alta inversión inicial, no obstante, genera elevada eficiencia con bajo impacto arquitectónico, reduciéndose los costes operativos, y el dimensionado de los sistemas de producción, de mayor afección sobre el edificio. Mediante la envolvente activa con suministro geotérmico no se condena la superficie de cubierta, no se ocupa volumen útil por la presencia de equipos emisores, y no se reduce la superficie o altura útil a base de reforzar los aislamientos. Tras su discusión, se considera una alternativa de valor en procesos de diseño y construcción de Edificios de Energía Casi Nulo. Se proponen líneas de futuras investigación cuyo propósito sea el conocimiento de la tecnología de los acristalamientos activos. En el último capítulo se presentan las actividades de difusión de la investigación. Adicionalmente se ha proporcionado una mejora tecnológica a las fachadas activas existentes, que ha derivado en la solicitud de una patente, actualmente en tramitación. ABSTRACT This Thesis evaluates the contribution of an active water flow glazing façade on the energy performance of buildings. Special emphasis is made on the low visual impact on its image, and the active glazing implementation has to encourage the qualification of the building with the future standard of Nearly Zero Energy Building (nZEB). The purpose is to quantify the façade system contribution to limit air conditioning demand, resulting in a transparent façade solution according to the 2020 energy legislation. An initial approach to the problem is presented in first chapter. The second chapter develops the hypothesis and the main objective of the research. To achieve this purpose, the third chapter reviews the state of the art of the technology and scientific research, through the analysis of reference literature. Patents, prototypes, assimilable commercial systems, ongoing research in other universities, and finally research and development projects incorporating active fluid flow glazing are compared. The experimental method, presented in fourth chapter, undertakes the design, manufacture and monitoring of a water flow glazing prototype exposed during test cycles to weather conditions in Madrid. This phase allowed the acquisition of accurate information on the performance of water flow glazing on each orientation of solar incidence, during different seasons. In parallel, the development of theoretical models is addressed which, through the assimilation to multilayer solutions characterized in the simulation tools EnergyPlus and IDA-Indoor Climate and Energy, reproduce the experimental effect. Fifth chapter discusses experimental and theoretical results focused to the analysis of the active glazing behavior, associated with a specific volume and water flow temperature. The efficiency on harvesting incident solar radiation is calculated, and, by comparison with a conventional glazing, the reduction of solar gains and energy losses are determined. The experimental performance of fluid flow glazing against the one offered by photothermal solar panels available on the market are compared. By translating the experimental and theoretical results to cases of full-size cells, the reduction in cooling and heating consumption achieved by active fluid glazing is quantified. The reduction of energy costs to achieve comfort conditions is calculated, differentiating each case by its whole construction composition and orientation. Subsequently, the saving of the implementation of the system on an existing lightweight construction enclosure, located in the School of Architecture at the Polytechnic University of Madrid (UPM), is then calculated. The compatibility between the active fluid flow glazing and a heat pump with geothermal heat supply system is estimated through the approach of different energy renovation scenarios. The overall system operation is described, from the perspective of active glazing and geothermal heat exchange combined operation, in our climate. By parameterization of its functions, the added benefit of its integration it is discussed, particularly from the improvement of the heat pump performance COP (Coefficient of Performance) in heating and efficiency EER (Energy Efficiency Ratio) in cooling. In the case study of the enclosure in the School of Architecture, the contribution of the active glazing façade in qualifying the enclosure as nearly Zero Energy Building has been analyzed, and the feasibility and profitability of the system are studied. The sixth chapter sets the conclusions of the investigation. To date, the system may require high initial investment; however, high efficiency with low architectural impact is generated. Operational costs are highly reduced as well as the size and complexity of the energy production systems, which normally have huge visual impact on buildings. By the active façade with geothermal supply, the deck area it is not condemned. Useful volume is not consumed by the presence of air-conditioning equipment. Useful surface and room height are not reduced by insulation reinforcement. After discussion, water flow glazing is considered a potential value alternative in nZEB design and construction processes. Finally, this chapter proposes future research lines aiming to increase the knowledge of active water flow glazing technology. The last chapter presents research dissemination activities. Additionally, a technological improvement to existing active facades has been developed, which has resulted in a patent application, currently in handling process.

Diseño de un cuadricóptero de bajo coste basado en herramientas de software libre

El presente proyecto tiene como objetivo la realización de un cuadricóptero de bajo coste desarrollado con herramientas de software libre, con el fin de permitir el acceso y modificación del mismo a cualquiera que posea los conocimientos necesarios. Los cuadricópteros se definen como un vehículo aéreo no tripulado con cuatro rotores en los extremos. Los ejemplos existentes de estos tipos de vehículos son casi siempre de grandes cuadricópteros, los cuales utilizan diferentes tecnologías en los motores y control de los mismos. Los cuadricópteros de similar tamaño al que se pretende realizar son por lo general de compañías con hardware y software cerrado. En el caso de este proyecto se ha realizado un cuadricóptero de tamaño menor a 5 x 5 cm. La innovación que se propone con este proyecto es una forma de detectar obstáculos para cuadricópteros de tamaño similar, en los que la limitación del peso del dron supone una disminución de las opciones disponibles. Se desea que el cuadricóptero sea capaz de realizar un vuelo estable detectando y esquivando obstáculos sin necesidad de ayuda externa como operadores con mando de radio frecuencia. Para la creación del cuadricóptero, se ha realizado tanto el diseño de los esquemáticos como el diseño de las huellas para la utilización en el desarrollo de la PCB. Para ello se ha hecho uso de herramientas de software libre como es Kicad, software para el desarrollo de esquemáticos y placas de circuito impreso con las funcionalidades principales de cualquier software privativo relacionado. Se pretende de esta forma aportar a la literatura, un aspecto práctico de la realización de cuadricópteros, tanto desde los aspectos teóricos del diseño como los aspectos prácticos de la fabricación y soldadura de los componentes del cuadricóptero. En la realización del presente proyecto se ha tenido en cuenta los diferentes algoritmos que existen para la fusión de datos de la unidad de medida inercial, tanto la facilidad de implementación de los mismos como la facilidad de los cálculos resultantes de esta implementación. Se ha hecho una implementación de un filtro complementario, dando resultados satisfactorios debido a las características intrínsecas de la unidad de medida inercial. Además del filtro complementario, se ha realizado una implementación del filtro diseñado por Sebastian Madgwick [1]. Este filtro está especialmente diseñado para la fusión de los datos provenientes de la unidad de medida inercial, proporcionando la orientación del sistema haciendo uso de la representación en cuaternios de los datos del acelerómetro y giróscopo, permitiendo el uso del método del gradiente para el cálculo del error del giróscopo. Para la selección de los componentes, se ha hecho un análisis pormenorizado de las diferentes opciones disponibles, tomando como punto de partida los cuadricópteros que existen en la actualidad. Se han elegido estos componentes en función de las características de los mismos, prestando especial atención al tamaño, relacionado directamente con el peso de los mismos así como del precio, para lograr un cuadricóptero fácilmente reproducible de bajo coste. En este análisis se ha tenido en cuenta las dificultades existentes en la selección de determinados componentes como son los motores y las hélices. Al ser estos dos componentes caracterizados mediante tablas creadas por los fabricantes y usuarios de los mismos, la selección de los mismos se ha visto dificultada a la hora de elegir componentes de coste reducido al poseer poca información sobre los mismos. En especial, las formulas desarrolladas para el cálculo del empuje de los motores están directamente relacionados con los parámetros de las hélices. Estos parámetros están caracterizados para la mayoría de las hélices comerciales utilizadas en cuadricópteros. Para caracterizar las hélices se utiliza un banco de trabajo en donde es posible medir el empuje realizado por el conjunto del motor y hélice. En el caso del presente proyecto, no se disponía de la herramienta necesaria por lo que se ha realizado una estimación de los parámetros en función de las tablas disponibles para hélices similares de mayor tamaño. Para la elección de los sensores para la detección de los obstáculos se ha realizado un estudio de los diferentes sensores disponibles, analizando las ventajas y desventajas de los mismos para la elección del más adecuado para el proyecto. Se ha decidido el uso de sensores de distancia basados en tecnología infrarroja por ser los únicos que se adaptan a los requisitos de peso impuesto por el modelo. Además en este proyecto se ha realizado el montaje y soldadura de los componentes de la PCB. Estos componentes al ser de tamaño reducido, se ha comprobado que para la soldadura de los mismos es necesario el uso de herramientas especializadas, como puede ser estaciones de soldadura y pistola de aire caliente lo que dificulta su soldadura de manera no profesional. Al término de este proyecto se ha comprobado la dificultad de la realización de una correcta soldadura de los componentes, lo que introduce errores de conectividad entre los componentes, en concreto se ha detectado errores entre el microprocesador y unidad de medida inercial. Además de estos errores, se ha comprobado la dificultad de regular el sistema, no logrando un vuelo estable en el tiempo de escritura del presente proyecto. Por último se presenta el prototipo creado a lo largo del proyecto, al cual se le pueden hacer diferentes modificaciones como posibles líneas futuras, entre las que se encuentran una mejor regulación que permita el vuelo de un conjunto de drones.

Discrete linear stability and sensitivity analysis of fluid flows

Este trabajo presenta un método discreto para el cálculo de estabilidad hidrodinámica y análisis de sensibilidad a perturbaciones externas para ecuaciones diferenciales y en particular para las ecuaciones de Navier-Stokes compressible. Se utiliza una aproximación con variable compleja para obtener una precisión analítica en la evaluación de la matriz Jacobiana. Además, mapas de sensibilidad para la sensibilidad a las modificaciones del flujo de base y a una fuerza constante permiten identificar las regiones del campo fluido donde una modificacin (ej. fuerza puntual) tiene un efecto estabilizador del flujo. Se presentan cuatro casos de prueba: (1) un caso analítico para comprobar la derivación discreta, (2) una cavidad cerrada a bajo Reynolds para mostrar la mayor precisión en el cálculo de los valores propios con la aproximación de paso complejo, (3) flujo 2D en un cilindro circular para validar la metodología, y (4) flujo en un cavidad abierta, presentado para validar el método en casos de inestabilidades convectivamente inestables. Los tres últimos casos mencionados (2-4) se resolvieron con las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles, utilizando un método Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Se obtuvo una buena concordancia para el caso de validación (3), cuando se comparó el nuevo método con resultados de la literatura. Además, este trabajo muestra que para el cálculo de los modos propios directos y adjuntos, así como para los mapas de sensibilidad, el uso de variables complejas es de suprema importancia para obtener una predicción precisa. El método descrito es aplicado al análisis para la estabilización de la estela generada por un disco actuador, que representa un modelo sencillo para hélices, rotores de helicópteros o turbinas eólicas. Se explora la primera bifurcación del flujo para un disco actuador, y se sugiere que está asociada a una inestabilidad de tipo Kelvin-Helmholtz, cuya estabilidad se controla con en el número de Reynolds y en la resistencia del disco actuador (o fuerza resistente). En primer lugar, se verifica que la disminución de la resistencia del disco tiene un efecto estabilizador parecido a una disminución del Reynolds. En segundo lugar, el análisis hidrodinmico discreto identifica dos regiones para la colocación de una fuerza puntual que controle las inestabilidades, una cerca del disco y otra en una zona aguas abajo. En tercer lugar, se muestra que la inclusión de un forzamiento localizado cerca del actuador produce una estabilización más eficiente que al forzar aguas abajo. El análisis de los campos de flujo controlados confirma que modificando el gradiente de velocidad cerca del actuador es más eficiente para estabilizar la estela. Estos resultados podrían proporcionar nuevas directrices para la estabilización de la estela de turbinas de viento o de marea cuando estén instaladas en un parque eólico y minimizar las interacciones no estacionarias entre turbinas. ABSTRACT A discrete framework for computing the global stability and sensitivity analysis to external perturbations for any set of partial differential equations is presented. In particular, a complex-step approximation is used to achieve near analytical accuracy for the evaluation of the Jacobian matrix. Sensitivity maps for the sensitivity to base flow modifications and to a steady force are computed to identify regions of the flow field where an input could have a stabilising effect. Four test cases are presented: (1) an analytical test case to prove the theory of the discrete framework, (2) a lid-driven cavity at low Reynolds case to show the improved accuracy in the calculation of the eigenvalues when using the complex-step approximation, (3) the 2D flow past a circular cylinder at just below the critical Reynolds number is used to validate the methodology, and finally, (4) the flow past an open cavity is presented to give an example of the discrete method applied to a convectively unstable case. The latter three (2–4) of the aforementioned cases were solved with the 2D compressible Navier–Stokes equations using a Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Good agreement was obtained for the validation test case, (3), with appropriate results in the literature. Furthermore, it is shown that for the calculation of the direct and adjoint eigenmodes and their sensitivity maps to external perturbations, the use of complex variables is paramount for obtaining an accurate prediction. An analysis for stabilising the wake past an actuator disc, which represents a simple model for propellers, helicopter rotors or wind turbines is also presented. We explore the first flow bifurcation for an actuator disc and it suggests that it is associated to a Kelvin- Helmholtz type instability whose stability relies on the Reynolds number and the flow resistance applied through the disc (or actuator forcing). First, we report that decreasing the disc resistance has a similar stabilising effect to an decrease in the Reynolds number. Second, a discrete sensitivity analysis identifies two regions for suitable placement of flow control forcing, one close to the disc and one far downstream where the instability originates. Third, we show that adding a localised forcing close to the actuator provides more stabilisation that forcing far downstream. The analysis of the controlled flow fields, confirms that modifying the velocity gradient close to the actuator is more efficient to stabilise the wake than controlling the sheared flow far downstream. An interesting application of these results is to provide guidelines for stabilising the wake of wind or tidal turbines when placed in an energy farm to minimise unsteady interactions.

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.