Bernstein polynomials in element-free Galerkin method

In the recent decades, meshless methods (MMs), like the element-free Galerkin method (EFGM), have been widely studied and interesting results have been reached when solving partial differential equations. However, such solutions show a problem around boundary conditions, where the accuracy is not adequately achieved. This is caused by the use of moving least squares or residual kernel particle method methods to obtain the shape functions needed in MM, since such methods are good enough in the inner of the integration domains, but not so accurate in boundaries. This way, Bernstein curves, which are a partition of unity themselves,can solve this problem with the same accuracy in the inner area of the domain and at their boundaries.

Differential resultant formulas for linear od-polynomials.

Ponencia

Differential resultants of super essential systems of linear OD-polynomials

The sparse differential resultant dres(P) of an overdetermined system P of generic nonhomogeneous ordinary differential polynomials, was formally defined recently by Li, Gao and Yuan (2011). In this note, a differential resultant formula dfres(P) is defined and proved to be nonzero for linear "super essential" systems. In the linear case, dres(P) is proved to be equal, up to a nonzero constant, to dfres(P*) for the supper essential subsystem P* of P.

Learning Bayesian networks from data by the incremental compilation of new network polynomials

Probabilistic graphical models are a huge research field in artificial intelligence nowadays. The scope of this work is the study of directed graphical models for the representation of discrete distributions. Two of the main research topics related to this area focus on performing inference over graphical models and on learning graphical models from data. Traditionally, the inference process and the learning process have been treated separately, but given that the learned models structure marks the inference complexity, this kind of strategies will sometimes produce very inefficient models. With the purpose of learning thinner models, in this master thesis we propose a new model for the representation of network polynomials, which we call polynomial trees. Polynomial trees are a complementary representation for Bayesian networks that allows an efficient evaluation of the inference complexity and provides a framework for exact inference. We also propose a set of methods for the incremental compilation of polynomial trees and an algorithm for learning polynomial trees from data using a greedy score+search method that includes the inference complexity as a penalization in the scoring function.

Conditional density approximations with mixtures of polynomials

Mixtures of polynomials (MoPs) are a non-parametric density estimation technique especially designed for hybrid Bayesian networks with continuous and discrete variables. Algorithms to learn one- and multi-dimensional (marginal) MoPs from data have recently been proposed. In this paper we introduce two methods for learning MoP approximations of conditional densities from data. Both approaches are based on learning MoP approximations of the joint density and the marginal density of the conditioning variables, but they differ as to how the MoP approximation of the quotient of the two densities is found. We illustrate and study the methods using data sampled from known parametric distributions, and we demonstrate their applicability by learning models based on real neuroscience data. Finally, we compare the performance of the proposed methods with an approach for learning mixtures of truncated basis functions (MoTBFs). The empirical results show that the proposed methods generally yield models that are comparable to or significantly better than those found using the MoTBF-based method.

A finite class of orthogonal functions generated by Routh-Romanovski polynomials

It is known that some orthogonal systems are mapped onto other orthogonal systems by the Fourier transform. In this article we introduce a finite class of orthogonal functions, which is the Fourier transform of Routh-Romanovski orthogonal polynomials, and obtain its orthogonality relation using Parseval identity.

Bivariate Krawtchouk polynomials: Inversion and connection problems with the NAVIMA algorithm

In this paper we present a recurrent procedure to solve an inversion problem for monic bivariate Krawtchouk polynomials written in vector column form, giving its solution explicitly. As a by-product, a general connection problem between two vector column of monic bivariate Krawtchouk families is also explicitly solved. Moreover, in the non monic case and also for Krawtchouk families, several expansion formulas are given, but for polynomials written in scalar form.

Resolución De La Ecuación De Convección Difusión Mediante Métodos Espectrales

Expresar la solución de una ecuación diferencial como una serie funcional es la base sobre la que se construyen la mayor parte de los métodos numéricos de resolución de ecuaciones diferenciales. En este primer capítulo se muestran dos de las aproximaciones más comunes y utilizadas: serie de potencias (Taylor) y trigonométricas. Entre estas últimas cabe destacar la serie de Fourier como la más conocida, pero existen otras muchas, en particular nos centraremos en la expansión de una función utilizando polinomios de Chebyshev

A parallel implementation of 3D Zernike moment analysis

Zernike polynomials are a well known set of functions that find many applications in image or pattern characterization because they allow to construct shape descriptors that are invariant against translations, rotations or scale changes. The concepts behind them can be extended to higher dimension spaces, making them also fit to describe volumetric data. They have been less used than their properties might suggest due to their high computational cost. We present a parallel implementation of 3D Zernike moments analysis, written in C with CUDA extensions, which makes it practical to employ Zernike descriptors in interactive applications, yielding a performance of several frames per second in voxel datasets about 2003 in size. In our contribution, we describe the challenges of implementing 3D Zernike analysis in a general-purpose GPU. These include how to deal with numerical inaccuracies, due to the high precision demands of the algorithm, or how to deal with the high volume of input data so that it does not become a bottleneck for the system.

Aplicaciones de filtrado adaptativo LMS para mejorar la respuesta de acelerómetros

El proyecto, “Aplicaciones de filtrado adaptativo LMS para mejorar la respuesta de acelerómetros”, se realizó con el objetivo de eliminar señales no deseadas de la señal de información procedentes de los acelerómetros para aplicaciones automovilísticas, mediante los algoritmos de los filtros adaptativos LMS. Dicho proyecto, está comprendido en tres áreas para su realización y ejecución, los cuales fueron ejecutados desde el inicio hasta el último día de trabajo. En la primera área de aplicación, diseñamos filtros paso bajo, paso alto, paso banda y paso banda eliminada, en lo que son los filtros de butterworth, filtros Chebyshev, de tipo uno como de tipo dos y filtros elípticos. Con esta primera parte, lo que se quiere es conocer, o en nuestro caso, recordar el entorno de Matlab, en sus distintas ecuaciones prediseñadas que nos ofrece el mencionado entorno, como también nos permite conocer un poco las características de estos filtros. Para posteriormente probar dichos filtros en el DSP. En la segunda etapa, y tras recordar un poco el entorno de Matlab, nos centramos en la elaboración y/o diseño de nuestro filtro adaptativo LMS; experimentado primero con Matlab, para como ya se dijo, entender y comprender el comportamiento del mismo. Cuando ya teníamos claro esta parte, procedimos a “cargar” el código en el DSP, compilarlo y depurarlo, realizando estas últimas acciones gracias al Visual DSP. Resaltaremos que durante esta segunda etapa se empezó a excitar las entradas del sistema, con señales provenientes del Cool Edit Pro, y además para saber cómo se comportaba el filtro adaptativo LMS, se utilizó señales provenientes de un generador de funciones, para obtener de esta manera un desfase entre las dos señales de entrada; aunque también se utilizó el propio Cool Edit Pro para obtener señales desfasadas, pero debido que la fase tres no podíamos usar el mencionado software, realizamos pruebas con el generador de funciones. Finalmente, en la tercera etapa, y tras comprobar el funcionamiento deseado de nuestro filtro adaptativo DSP con señales de entrada simuladas, pasamos a un laboratorio, en donde se utilizó señales provenientes del acelerómetro 4000A, y por supuesto, del generador de funciones; el cual sirvió para la formación de nuestra señal de referencia, que permitirá la eliminación de una de las frecuencias que se emitirá del acelerómetro. Por último, cabe resaltar que pudimos obtener un comportamiento del filtro adaptativo LMS adecuado, y como se esperaba. Realizamos pruebas, con señales de entrada desfasadas, y obtuvimos curiosas respuestas a la salida del sistema, como son que la frecuencia a eliminar, mientras más desfasado estén estas señales, mas se notaba. Solucionando este punto al aumentar el orden del filtro. Finalmente podemos concluir que pese a que los filtros digitales probados en la primera etapa son útiles, para tener una respuesta lo más ideal posible hay que tener en cuenta el orden del filtro, el cual debe ser muy alto para que las frecuencias próximas a la frecuencia de corte, no se atenúen. En cambio, en los filtros adaptativos LMS, si queremos por ejemplo, eliminar una señal de entre tres señales, sólo basta con introducir la frecuencia a eliminar, por una de las entradas del filtro, en concreto la señal de referencia. De esta manera, podemos eliminar una señal de entre estas tres, de manera que las otras dos, no se vean afectadas por el procedimiento. Abstract The project, "LMS adaptive filtering applications to improve the response of accelerometers" was conducted in order to remove unwanted signals from the information signal from the accelerometers for automotive applications using algorithms LMS adaptive filters. The project is comprised of three areas for implementation and execution, which were executed from the beginning until the last day. In the first area of application, we design low pass filters, high pass, band pass and band-stop, as the filters are Butterworth, Chebyshev filters, type one and type two and elliptic filters. In this first part, what we want is to know, or in our case, remember the Matlab environment, art in its various equations offered by the mentioned environment, as well as allows us to understand some of the characteristics of these filters. To further test these filters in the DSP. In the second stage, and recalling some Matlab environment, we focus on the development and design of our LMS adaptive filter; experimented first with Matlab, for as noted above, understand the behavior of the same. When it was clear this part, proceeded to "load" the code in the DSP, compile and debug, making these latest actions by the Visual DSP. Will highlight that during this second stage began to excite the system inputs, with signals from the Cool Edit Pro, and also for how he behaved the LMS adaptive filter was used signals from a function generator, to thereby obtain a gap between the two input signals, but also used Cool Edit Pro himself for phase signals, but due to phase three could not use such software, we test the function generator. Finally, in the third stage, and after checking the desired performance of our DSP adaptive filter with simulated input signals, we went to a laboratory, where we used signals from the accelerometer 4000A, and of course, the function generator, which was used for the formation of our reference signal, enabling the elimination of one of the frequencies to be emitted from the accelerometer. Note that they were able to obtain a behavior of the LMS adaptive filter suitable as expected. We test with outdated input signals, and got curious response to the output of the system, such as the frequency to remove, the more outdated are these signs, but noticeable. Solving this point with increasing the filter order. We can conclude that although proven digital filters in the first stage are useful, to have a perfect answer as possible must be taken into account the order of the filter, which should be very high for frequencies near the frequency cutting, not weakened. In contrast, in the LMS adaptive filters if we for example, remove a signal from among three signals, only enough to eliminate the frequency input on one of the inputs of the filter, namely the reference signal. Thus, we can remove a signal between these three, so that the other two, not affected by the procedure.

Técnicas de procesado digital de señal aplicadas a acelerómetros

En este proyecto se estudian y analizan las diferentes técnicas de procesado digital de señal aplicadas a acelerómetros. Se hace uso de una tarjeta de prototipado, basada en DSP, para realizar las diferentes pruebas. El proyecto se basa, principalmente, en realizar filtrado digital en señales provenientes de un acelerómetro en concreto, el 1201F, cuyo campo de aplicación es básicamente la automoción. Una vez estudiadas la teoría de procesado y las características de los filtros, diseñamos una aplicación basándonos sobre todo en el entorno en el que se desarrollaría una aplicación de este tipo. A lo largo del diseño, se explican las diferentes fases: diseño por ordenador (Matlab), diseño de los filtros en el DSP (C), pruebas sobre el DSP sin el acelerómetro, calibración del acelerómetro, pruebas finales sobre el acelerómetro... Las herramientas utilizadas son: la plataforma Kit de evaluación 21-161N de Analog Devices (equipado con el entorno de desarrollo Visual DSP 4.5++), el acelerómetro 1201F, el sistema de calibración de acelerómetros CS-18-LF de Spektra y los programas software MATLAB 7.5 y CoolEditPRO 2.0. Se realizan únicamente filtros IIR de 2º orden, de todos los tipos (Butterworth, Chebyshev I y II y Elípticos). Realizamos filtros de banda estrecha, paso-banda y banda eliminada, de varios tipos, dentro del fondo de escala que permite el acelerómetro. Una vez realizadas todas las pruebas, tanto simulaciones como físicas, se seleccionan los filtros que presentan un mejor funcionamiento y se analizan para obtener conclusiones. Como se dispone de un entorno adecuado para ello, se combinan los filtros entre sí de varias maneras, para obtener filtros de mayor orden (estructura paralelo). De esta forma, a partir de filtros paso-banda, podemos obtener otras configuraciones que nos darán mayor flexibilidad. El objetivo de este proyecto no se basa sólo en obtener buenos resultados en el filtrado, sino también de aprovechar las facilidades del entorno y las herramientas de las que disponemos para realizar el diseño más eficiente posible. In this project, we study and analize digital signal processing in order to design an accelerometer-based application. We use a hardware card of evaluation, based on DSP, to make different tests. This project is based in design digital filters for an automotion application. The accelerometer type is 1201F. First, we study digital processing theory and main parameters of real filters, to make a design based on the application environment. Along the application, we comment all the different steps: computer design (Matlab), filter design on the DSP (C language), simulation test on the DSP without the accelerometer, accelerometer calibration, final tests on the accelerometer... Hardware and software tools used are: Kit of Evaluation 21-161-N, based on DSP, of Analog Devices (equiped with software development tool Visual DSP 4.5++), 1201-F accelerometer, CS-18-LF calibration system of SPEKTRA and software tools MATLAB 7.5 and CoolEditPRO 2.0. We only perform 2nd orden IIR filters, all-type : Butterworth, Chebyshev I and II and Ellyptics. We perform bandpass and stopband filters, with very narrow band, taking advantage of the accelerometer's full scale. Once all the evidence, both simulations and physical, are finished, filters having better performance and analyzed and selected to draw conclusions. As there is a suitable environment for it, the filters are combined together in different ways to obtain higher order filters (parallel structure). Thus, from band-pass filters, we can obtain many configurations that will give us greater flexibility. The purpose of this project is not only based on good results in filtering, but also to exploit the facilities of the environment and the available tools to make the most efficient design possible.

Medidas autosemejantes en el plano, momentos y matrices de Hessenberg

La tesis MEDIDAS AUTOSEMEJANTES EN EL PLANO, MOMENTOS Y MATRICES DE HESSENBERG se enmarca entre las áreas de la teoría geométrica de la medida, la teoría de polinomios ortogonales y la teoría de operadores. La memoria aborda el estudio de medidas con soporte acotado en el plano complejo vistas con la óptica de las matrices infinitas de momentos y de Hessenberg asociadas a estas medidas que en la teoría de los polinomios ortogonales las representan. En particular se centra en el estudio de las medidas autosemejantes que son las medidas de equilibrio definidas por un sistema de funciones iteradas (SFI). Los conjuntos autosemejantes son conjuntos que tienen la propiedad geométrica de descomponerse en unión de piezas semejantes al conjunto total. Estas piezas pueden solaparse o no, cuando el solapamiento es pequeño la teoría de Hutchinson [Hut81] funciona bien, pero cuando no existen restricciones falla. El problema del solapamiento consiste en controlar la medida de este solapamiento. Un ejemplo de la complejidad de este problema se plantea con las convoluciones infinitas de distribuciones de Bernoulli, que han resultado ser un ejemplo de medidas autosemejantes en el caso real. En 1935 Jessen y A. Wintner [JW35] ya se planteaba este problema, lejos de ser sencillo ha sido estudiado durante más de setenta y cinco años y siguen sin resolverse las principales cuestiones planteadas ya por A. Garsia [Gar62] en 1962. El interés que ha despertado este problema así como la complejidad del mismo está demostrado por las numerosas publicaciones que abordan cuestiones relacionadas con este problema ver por ejemplo [JW35], [Erd39], [PS96], [Ma00], [Ma96], [Sol98], [Mat95], [PS96], [Sim05],[JKS07] [JKS11]. En el primer capítulo comenzamos introduciendo con detalle las medidas autosemejante en el plano complejo y los sistemas de funciones iteradas, así como los conceptos de la teoría de la medida necesarios para describirlos. A continuación se introducen las herramientas necesarias de teoría de polinomios ortogonales, matrices infinitas y operadores que se van a usar. En el segundo y tercer capítulo trasladamos las propiedades geométricas de las medidas autosemejantes a las matrices de momentos y de Hessenberg, respectivamente. A partir de estos resultados se describen algoritmos para calcular estas matrices a partir del SFI correspondiente. Concretamente, se obtienen fórmulas explícitas y algoritmos de aproximación para los momentos y matrices de momentos de medidas fractales, a partir de un teorema del punto fijo para las matrices. Además utilizando técnicas de la teoría de operadores, se han extendido al plano complejo los resultados que G. Mantica [Ma00, Ma96] obtenía en el caso real. Este resultado es la base para definir un algoritmo estable de aproximación de la matriz de Hessenberg asociada a una medida fractal u obtener secciones finitas exactas de matrices Hessenberg asociadas a una suma de medidas. En el último capítulo, se consideran medidas, μ, más generales y se estudia el comportamiento asintótico de los autovalores de una matriz hermitiana de momentos y su impacto en las propiedades de la medida asociada. En el resultado central se demuestra que si los polinomios asociados son densos en L2(μ) entonces necesariamente el autovalor mínimo de las secciones finitas de la matriz de momentos de la medida tiende a cero. ABSTRACT The Thesis work “Self-similar Measures on the Plane, Moments and Hessenberg Matrices” is framed among the geometric measure theory, orthogonal polynomials and operator theory. The work studies measures with compact support on the complex plane from the point of view of the associated infinite moments and Hessenberg matrices representing them in the theory of orthogonal polynomials. More precisely, it concentrates on the study of the self-similar measures that are equilibrium measures in a iterated functions system. Self-similar sets have the geometric property of being decomposable in a union of similar pieces to the complete set. These pieces can overlap. If the overlapping is small, Hutchinson’s theory [Hut81] works well, however, when it has no restrictions, the theory does not hold. The overlapping problem consists in controlling the measure of the overlap. The complexity of this problem is exemplified in the infinite convolutions of Bernoulli’s distributions, that are an example of self-similar measures in the real case. As early as 1935 [JW35], Jessen and Wintner posed this problem, that far from being simple, has been studied during more than 75 years. The main cuestiones posed by Garsia in 1962 [Gar62] remain unsolved. The interest in this problem, together with its complexity, is demonstrated by the number of publications that over the years have dealt with it. See, for example, [JW35], [Erd39], [PS96], [Ma00], [Ma96], [Sol98], [Mat95], [PS96], [Sim05], [JKS07] [JKS11]. In the first chapter, we will start with a detailed introduction to the self-similar measurements in the complex plane and to the iterated functions systems, also including the concepts of measure theory needed to describe them. Next, we introduce the necessary tools from orthogonal polynomials, infinite matrices and operators. In the second and third chapter we will translate the geometric properties of selfsimilar measures to the moments and Hessenberg matrices. From these results, we will describe algorithms to calculate these matrices from the corresponding iterated functions systems. To be precise, we obtain explicit formulas and approximation algorithms for the moments and moment matrices of fractal measures from a new fixed point theorem for matrices. Moreover, using techniques from operator theory, we extend to the complex plane the real case results obtained by Mantica [Ma00, Ma96]. This result is the base to define a stable algorithm that approximates the Hessenberg matrix associated to a fractal measure and obtains exact finite sections of Hessenberg matrices associated to a sum of measurements. In the last chapter, we consider more general measures, μ, and study the asymptotic behaviour of the eigenvalues of a hermitian matrix of moments, together with its impact on the properties of the associated measure. In the main result we demonstrate that, if the associated polynomials are dense in L2(μ), then necessarily follows that the minimum eigenvalue of the finite sections of the moments matrix goes to zero.

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

Analytic design method for optimal imaging: coupling three ray sets using two free-form lens profiles

In this work, a new two-dimensional optics design method is proposed that enables the coupling of three ray sets with two lens surfaces. The method is especially important for optical systems designed for wide field of view and with clearly separated optical surfaces. Fermat’s principle is used to deduce a set of functional differential equations fully describing the entire optical system. The presented general analytic solution makes it possible to calculate the lens profiles. Ray tracing results for calculated 15th order Taylor polynomials describing the lens profiles demonstrate excellent imaging performance and the versatility of this new analytic design method.

Order 10 4 speedup in global linear instability analysis using matrix formation

A unified solution framework is presented for one-, two- or three-dimensional complex non-symmetric eigenvalue problems, respectively governing linear modal instability of incompressible fluid flows in rectangular domains having two, one or no homogeneous spatial directions. The solution algorithm is based on subspace iteration in which the spatial discretization matrix is formed, stored and inverted serially. Results delivered by spectral collocation based on the Chebyshev-Gauss-Lobatto (CGL) points and a suite of high-order finite-difference methods comprising the previously employed for this type of work Dispersion-Relation-Preserving (DRP) and Padé finite-difference schemes, as well as the Summationby- parts (SBP) and the new high-order finite-difference scheme of order q (FD-q) have been compared from the point of view of accuracy and efficiency in standard validation cases of temporal local and BiGlobal linear instability. The FD-q method has been found to significantly outperform all other finite difference schemes in solving classic linear local, BiGlobal, and TriGlobal eigenvalue problems, as regards both memory and CPU time requirements. Results shown in the present study disprove the paradigm that spectral methods are superior to finite difference methods in terms of computational cost, at equal accuracy, FD-q spatial discretization delivering a speedup of ð (10 4). Consequently, accurate solutions of the three-dimensional (TriGlobal) eigenvalue problems may be solved on typical desktop computers with modest computational effort.