Rectangular room dimensions estimation using narrowband signal and sectorized antennas

A system for estimation of unknown rectangular room dimensions based on two radio transceivers, both capable of full duplex operations, is presented. The approach is based on CIR measurements taken at the same place where the signal is transmitted (generated), commonly known as self- to-self CIR. Another novelty is the receiver antenna design which consists of eight sectorized antennas with 45° aperture in the horizontal plane, whose total coverage corresponds to the isotropic one. The dimensions of a rectangular room are reconstructed directly from radio impulse responses by extracting the information regarding features like round trip time, received signal strength and reverberation time. Using radar approach the estimation of walls and corners positions are derived. Additionally, the analysis of the absorption coefficient of the test environment is conducted and a typical coefficient for office room with furniture is proposed. Its accuracy is confirmed through the results of volume estimation. Tests using measured data were performed, and the simulation results confirm the feasibility of the approach.

Self-positioning and mapping of rectangular rooms with sectorized narrowband antennas

A system for simultaneous 2D estimation of rectangular room and transceiver localization is proposed. The system is based on two radio transceivers, both capable of full duplex operations (simultaneous transmission and reception). This property enables measurements of channel impulse response (CIR) at the same place the signal is transmitted (generated), commonly known as self-to-self CIR. Another novelty of the proposed system is the spatial CIR discrimination that is possible with the receiver antenna design which consists of eight sectorized antennas with 45° aperture in the horizontal plane and total coverage equal to the isotropic one. The dimensions of a rectangular room are reconstructed directly from spatial radio impulse responses by extracting the information regarding round trip time (RTT). Using radar approach estimation of walls and corners positions is derived. Tests using measured data were performed, and the simulation results confirm the feasibility of the approach.

Placa ortotropa rectangular

Se estudia en este artículo un modo consistente de determinar la superficie de influencia o función de Green para una losa ortótropa rectangular, con dos bordes opuestos simplemente apoyados y en los otros dos con condiciones de bordes generales. La solución se presenta en forma matricial adecuada para el cálculo con ordenador.

Measurements of different acoustic conditions in small rectangular rooms

Impulse response measurements are carried out in laboratory facilities at Ecophon, Sweden, simulating a typical classroom with varying suspended ceilings and furniture arrangements. The aim of these measurements is to build a reliable database of acoustical parameters in order to have enough data to validate the new acoustical simulation tool which is under development at Danmarks Tekniske Universitet, Denmark. The different classroom configurations are also simulated using ODEON Room Acoustics software and are compared with the measurements. The resulting information is essential for the development of the acoustical simulation tool because it will enable the elimination of prediction errors, especially those below the Schroeder frequency. The surface impedance of the materials used during the experiments is measured in a Kundt’s tube at DTU, in order to characterize them as accurately as possible at the time of incorporation into the model. A brief study about porous materials frequently used in classrooms is presented. Wide diferences are found between methods of measuring absorption coefficients and local or extended assumptions. RESUMEN. Mediciones de Respuesta al Impulso son llevadas a cabo en las instalaciones con que cuenta la empresa Ecophon en su sede central de Hyllinge, Suecia. En una de sus salas, se recrean diferentes configuraciones típicas de aula, variando la altura y composición de los techos, colocando paneles absorbentes de pared e incluyendo diferentes elementos mobiliario como pupitres y sillas. Tres diferentes materiales absorbentes porosos de 15, 20 y 50 mm de espesor, son utilizados como techos suspendidos así como uno de 40 mm es utilizado en forma de paneles. Todas las medidas son realizadas de acuerdo al estándar ISO 3382, utilizando 12 combinaciones de fuente sonora y micrófono para cada configuración, así como respetando las distancias entre ellos establecidas en la norma. El objetivo de toda esta serie de medidas es crear una base de datos de parámetros acústicos tales como tiempo de reverberación, índice de claridad o índice de inteligibilidad medidos bajo diferentes configuraciones con el objeto de que éstos sirvan de referencia para la validación de una nueva herramienta de simulación acústica llamada PARISM que está siendo desarrollada en este momento en la Danmarks Tekniske Universitet de Copenhague. Esta herramienta tendrá en cuenta la fase, tanto en propagación como en reflexión, así como el comportamiento angulodependiente de los materiales y la difusión producida por las superficies. Las diferentes configuraciones de aula recreadas en Hyllinge, son simuladas también utilizando el software de simulación acústica ODEON con el fin de establecer comparaciones entre medidas y simulaciones para discutir la validez de estas ultimas. La información resultante es esencial para el desarrollo de la nueva herramienta de simulación, especialmente los resultados por debajo de la frecuencia de corte de Schroeder, donde ODEON no produce predicciones precisas debido a que no tiene en cuenta la fase ni en propagación ni en reflexión. La impedancia de superficie de los materiales utilizados en los experimentos, todos ellos fabricados por la propia empresa Ecophon, es medida utilizando un tubo de Kundt. De este modo, los coeficientes de absorción de incidencia aleatoria son calculados e incorporados a las simulaciones. Además, estos coeficientes también son estimados mediante el modelo empírico de Miki, con el fin de ser comparados con los obtenidos mediante otros métodos. Un breve estudio comparativo entre coeficientes de absorción obtenidos por diversos métodos y el efecto producido por los materiales absorbentes sobre los tiempos de reverberación es realizado. Grandes diferencias son encontradas, especialmente entre los métodos de tubo de impedancia y cámara reverberante. La elección de reacción local o extendida a la hora de estimar los coeficientes también produce grandes diferencias entre los resultados. Pese a que la opción de absorción angular es activada en todas las simulaciones realizadas con ODEON para todos los materiales, los resultados son mucho más imprecisos de lo esperado a la hora de compararlos con los valores extraidos de las medidas de Respuesta al Impulso. En salas como las recreadas, donde una superficie es mucho más absorbente que las demás, las ondas sonoras tienden a incidir en la superficie altamente absorbente desde ángulos de incidencia muy pequeños. En este rango de ángulos de incidencia, las absorciones que presentan los materiales absorbentes porosos estudiados son muy pequeñas, pese a que sus valores de coeficientes de absorción de incidencia aleatoria son altos. Dado que como descriptor de las superficies en ODEON se utiliza el coeficiente de absorción de incidencia aleatoria, los tiempos de reverberación son siempre subestimados en las simulaciones, incluso con la opción de absorción angular activada. Esto es debido a que el algoritmo que ejecuta esta opción, solo tiene en cuenta el tamaño y posición de las superficies, mientras que el comportamiento angulodependiente es diferente para cada material. Es importante destacar, que cuando la opción es activada, los tiempos simulados se asemejan más a los medidos, por lo tanto esta característica sí produce ciertas mejoras pese a no modelar la angulodependencia perfectamente. Por otra parte, ODEON tampoco tiene en cuenta el fenómeno de difracción, ni acepta longitudes de superficie menores de una longitud de onda a frecuencias medias (30 cm) por lo que en las configuraciones que incluyen absorbentes de pared, los cuales presentan un grosor de 4 cm que no puede ser modelado, los tiempos de reverberación son siempre sobreestimados. Para evitar esta sobreestimación, diferentes métodos de correción son analizados. Todas estas deficiencias encontradas en el software ODEON, resaltan la necesidad de desarrollar cuanto antes la herramienta de simulación acústica PARISM, la cual será capaz de predecir el comportamiento del campo sonoro de manera precisa en este tipo de salas, sin incrementar excesivamente el tiempo de cálculo. En cuanto a los parámetros extraidos de las mediciones de Respuesta al Impulso, bajo ninguna de las configuraciones recreadas los tiempos de reverberación cumplen con las condiciones establecidas por la regulación danesa en materia de edificación. Es importante destacar que los experimentos son llevados a cabo en un edificio construido para uso industrial, en el que, pese a contar con un buen aislamiento acústico, los niveles de ruido pueden ser superiores a los existentes dentro del edificio donde finalmente se ubique el aula. Además, aunque algunos elementos de mobiliario como pupitres y sillas son incluidos, en una configuración real de aula normalmente aparecerían algunos otros como taquillas, que no solo presentarían una mayor absorción, sino que también dispersarían las ondas incidentes produciendo un mejor funcionamiento del techo absorbente. Esto es debido a que las ondas incidirían en el techo desde una mayor variedad de ángulos, y no solo desde ángulos cercanos a la dirección paralela al techo, para los cuales los materiales presentan absorciones muy bajas o casi nulas. En relación a los otros parámetros como índice de claridad o índice de inteligibilidad extraidos de las medidas, no se han podido extraer conclusiones válidas dada la falta de regulación existente. Sin embargo, el efecto que produce sobre ellos la inclusión de techos, paneles de pared y mobiliario sí es analizada, concluyendo que, como era de esperar, los mejores resultados son obtenidos cuando todos los elementos están presentes en la sala en el mismo momento.

Functionalism and Caprice in Stonecutting. The Case of the Nativity Chapel in Burgos Cathedral

Starting from the inaugural text of Philibert de L'Orme, stereotomic treatises and manuscripts are subject to the opposing forces of reason and fancy. The Nativity Chapel in Burgos Cathedral provides an outstanding case study on this subject. It was built in 1571-1582 by Martín de Bérriz and Martín de la Haya, using an oval vault resting on trumpet squinches to span a rectangular bay. Bed joints and rib axes are not planar curves, as usual in oval vaults. This warping is not capricious; we shall argue that it is the outcome of a systematic tracing method. As a result of this process, the slope of the bed joints increases slightly in the first courses, but stays fairly constant after the third course; this solution prevents the upper courses from slipping. Thus, in the Nativity Chapel of Burgos Cathedral, the constraints of masonry construction fostered a singular solution verging on capriccio. It is also worthwhile to remark that the warping of the joints is not easily appreciable to the eye and that the tracing process does not seem to start from a previous conception of the resulting form. All this suggests that we should be quite careful when talking about the whimsical character of Late Gothic and Early Renaissance; in some occasions, apparent caprice is the offspring of practical thinking.

Análisis teórico-experimental de pilares y vigas de hormigón armado reforzados con fibra de carbono

El presente trabajo se refiere al estudio teórico-experimental del comportamiento de pilares y vigas de hormigón armado reforzados con fibra de carbono o CFRP. El análisis se realiza considerando que los pilares se refuerzan mediante la técnica de adhesión de tejidos de fibra de carbono, generando un efecto de confinamiento. Las vigas se refuerzan mediante la incorporación de barras del mismo material, con refuerzos a cortante. El objetivo es poder comparar el estudio analítico de este tipo de refuerzos con resultados experimentales obtenidos con anterioridad a la realización de este documento, y así poder obtener conclusiones de las posibles diferencias. Hay que señalar que los modelos experimentales no forman parte de este estudio. Los ensayos en pilares fueron realizados en sección cuadrada y circular evaluando la rotura a compresión de las piezas, habiendo sido éstas escaladas con un factor de reducción de 2,3. Los ensayos correspondientes a vigas se realizaron en sección rectangular, centrándose en la evaluación de la rotura a flexión y habiendo sido escaladas igualmente, pero con un factor de reducción de 1:2. El documento se estructura en cuatro capítulos, cuyo contenido se expone de forma concisa a continuación. En el capítulo uno o marco teórico se exponen los principios de comportamiento y tipologías de los pilares y vigas de hormigón armado, las bases teóricas de su refuerzo y confinamiento, así como las diversas técnicas de refuerzo existentes. Se detalla la técnica con FRP, comparando y analizando sus ventajas e inconvenientes. En el capítulo dos se expone el proceso de fabricación, refuerzo y resultados de los modelos experimentales realizados para ambos elementos estructurales. La obtención de los modelos teóricos forma parte del capítulo tres, comparándose con los resultados experimentales en el cuarto capítulo. Finalmente, en el último capítulo se presentan las conclusiones obtenidas al realizar esta comparativa en el refuerzo de vigas y pilares con fibra de carbono. This work refers to the theoretical and experimental study of the behavior of CFRP reinforced concrete columns and beams. The analysis was done considering that the pillars are reinforced by CFRP wrapping technique, resulting in a confinement effect. The beams are reinforced by the addition of bars of the same material, with shear reinforcements. The objective is to compare the analytical study of this type of reinforcement with experimental results obtained prior to the performance of this document, and draw conclusions for any differences. Notice that experimental models are not part of this study. The tests were performed on circular and square section pillars, evaluating compression fracture of the pieces, having been scaled down with a factor of 2.3. The tests were performed on rectangular section beams, focusing on evaluation of the bending fracture and being scaled down equally, but with a factor of 1:2. The document is divided into four chapters, whose content is set out concisely below. The chapter one or theoretical framework sets out the principles of behavior and types of columns and beams of reinforced concrete, the theoretical basis of its reinforcement and confinement, as well as various existing reinforcement techniques. CFRP technique it’s detailed, comparing and analyzing their advantages and disadvantages. Chapter two describes the process of manufacture, reinforcement and results of experimental models made for both structural elements. Chapter three shows the obtaining of the theoretical models, comparing them with the experimental results in the fourth chapter. Finally, the last chapter presents the conclusions to make this comparison in the strengthening of beams and columns with carbon fiber.

Comparison of experimental and numerical sloshing loads in partially filled tanks

Sloshing describes the movement of liquids inside partially filled tanks, generating dynamic loads on the tank structure. The resulting impact pressures are of great importance in assessing structural strength, and their correct evaluation still represents a challenge for the designer due to the high level of nonlinearities involved, with complex free surface deformations, violent impact phenomena and influence of air trapping. In the present paper, a set of two-dimensional cases, for which experimental results are available, is considered to assess the merits and shortcomings of different numerical methods for sloshing evaluation, namely two commercial RANS solvers (FLOW-3D and LS-DYNA), and two academic software (Smoothed Particle Hydrodynamics and RANS). Impact pressures at various critical locations and global moment induced by water motion in a partially filled rectangular tank, subject to a simple harmonic rolling motion, are evaluated and predictions are compared with experimental measurements. 2012 Copyright Taylor and Francis Group, LLC.

Three-dimensional flow instability in a lid-driven isosceles triangular cavity

Linear three-dimensional modal instability of steady laminar two-dimensional states developing in a lid-driven cavity of isosceles triangular cross-section is investigated theoretically and experimentally for the case in which the equal sides form a rectangular corner. An asymmetric steady two-dimensional motion is driven by the steady motion of one of the equal sides. If the side moves away from the rectangular corner, a stationary three-dimensional instability is found. If the motion is directed towards the corner, the instability is oscillatory. The respective critical Reynolds numbers are identified both theoretically and experimentally. The neutral curves pertinent to the two configurations and the properties of the respective leading eigenmodes are documented and analogies to instabilities in rectangular lid-driven cavities are discussed.

Self-adaptive grids for noise mapping refinement

Noise maps are usually represented as contour or isolines maps describing the sound levels in a region. Using this kind of representation the user can easily find the noise level assigned to every location in the map. But the acoustic calculations behind the map are not performed for every single location on it; they are only performed in a grid of receivers. The results in this calculation grid are interpolated to draw the isolines or contours. Therefore, the resolution of the calculation grid and the way it was created (rectangular, triangulated, random…) have an effect on the resulting map. In this paper we describe a smart iterative procedure to optimize the quality of the map at a really low additional computational cost, using self-adaptive grids for the acoustic calculations. These self-adaptive grids add new receivers to the sampling grid in those locations where they are expected to be more useful, so that the performance at the output of the interpolator is enhanced. Self-adaptive sampling grids can be used for minimizing the overall error of the map (improving its quality), or for reducing calculation times, and can be also applied selectively to target areas or contour lines. This can be done by the user customizing the maximum number of iterations, the number of new receivers for each iteration, the target isolines, the target quality…

Repeatability and Two-Dimensionality of Model Scale Sloshing Impacts

Canonical test cases for sloshing wave impact problems are pre-sented and discussed. In these cases the experimental setup has been simpli?ed seeking the highest feasible repeatability; a rectangular tank subjected to harmonic roll motion has been the tested con?guration. Both lateral and roof impacts have been studied, since both cases are relevant in sloshing assessment and show speci?c dynamics. An analysis of the impact pressure of the ?rst four impact events is provided in all cases. It has been found that not in all cases a Gaussian ?tting of each individual peak is feasible. The tests have been conducted with both water and oil in order to obtain high and moderate Reynolds number data; the latter may be useful as simpler test cases to assess the capabilities of CFD codes in simulating sloshing impacts. The re-peatability of impact pressure values increases dramatically when using oil. In addition, a study of the two-dimensionality of the problem using a tank con?guration that can be adjusted to 4 di?erent thicknesses has been carried out. Though the kinemat-ics of the free surface does not change signi cantly in some of the cases, the impact pressure values of the ?rst impact events changes substantially from the small to the large aspect ratios thus meaning that attention has to be paid to this issue when reference data is used for validation of 2D and 3D CFD codes.

Computation of nonlinear streaky structures in boundary layer flow

En esta tesis se integran numéricamente las ecuaciones reducidas de Navier Stokes (RNS), que describen el flujo en una capa límite tridimensional que presenta también una escala característica espacial corta en el sentido transversal. La formulación RNS se usa para el cálculo de “streaks” no lineales de amplitud finita, y los resultados conseguidos coinciden con los existentes en la literatura, obtenidos típicamente utilizando simulación numérica directa (DNS) o nonlinear parabolized stability equations (PSE). El cálculo de los “streaks” integrando las RNS es mucho menos costoso que usando DNS, y no presenta los problemas de estabilidad que aparecen en la formulación PSE cuando la amplitud del “streak” deja de ser pequeña. El código de integración RNS se utiliza también para el cálculo de los “streaks” que aparecen de manera natural en el borde de ataque de una placa plana en ausencia de perturbaciones en la corriente uniforme exterior. Los resultados existentes hasta ahora calculaban estos “streaks” únicamente en el límite lineal (amplitud pequeña), y en esta tesis se lleva a cabo el cálculo de los mismos en el régimen completamente no lineal (amplitud finita). En la segunda parte de la tesis se generaliza el código RNS para incluir la posibilidad de tener una placa no plana, con curvatura en el sentido transversal que varía lentamente en el sentido de la corriente. Esto se consigue aplicando un cambio de coordenadas, que transforma el dominio físico en uno rectangular. La formulación RNS se integra también expresada en las correspondientes coordenadas curvilíneas. Este código generalizado RNS se utiliza finalmente para estudiar el flujo de capa límite sobre una placa con surcos que varían lentamente en el sentido de la corriente, y es usado para simular el flujo sobre surcos que crecen en tal sentido. Abstract In this thesis, the reduced Navier Stokes (RNS) equations are numerically integrated. This formulation describes the flow in a three-dimensional boundary layer that also presents a short characteristic space scale in the spanwise direction. RNS equations are used to calculate nonlinear finite amplitude “streaks”, and the results agree with those reported in the literature, typically obtained using direct numerical simulation (DNS) or nonlinear parabolized stability equations (PSE). “Streaks” simulations through the RNS integration are much cheaper than using DNS, and avoid stability problems that appear in the PSE when the amplitude of the “streak” is not small. The RNS integration code is also used to calculate the “streaks” that naturally emerge at the leading edge of a flat plate boundary layer in the absence of any free stream perturbations. Up to now, the existing results for these “streaks” have been only calculated in the linear limit (small amplitude), and in this thesis their calculation is carried out in the fully nonlinear regime (finite amplitude). In the second part of the thesis, the RNS code is generalized to include the possibility of having a non-flat plate, curved in the spanwise direction and slowly varying in the streamwise direction. This is achieved by applying a change of coordinates, which transforms the physical domain into a rectangular one. The RNS formulation expressed in the corresponding curvilinear coordinates is also numerically integrated. This generalized RNS code is finally used to study the boundary layer flow over a plate with grooves which vary slowly in the streamwise direction; and this code is used to simulate the flow over grooves that grow in the streamwise direction.

Probabilistic mapping with mobile robots in structured environments

La mayor parte de los entornos diseñados por el hombre presentan características geométricas específicas. En ellos es frecuente encontrar formas poligonales, rectangulares, circulares . . . con una serie de relaciones típicas entre distintos elementos del entorno. Introducir este tipo de conocimiento en el proceso de construcción de mapas de un robot móvil puede mejorar notablemente la calidad y la precisión de los mapas resultantes. También puede hacerlos más útiles de cara a un razonamiento de más alto nivel. Cuando la construcción de mapas se formula en un marco probabilístico Bayesiano, una especificación completa del problema requiere considerar cierta información a priori sobre el tipo de entorno. El conocimiento previo puede aplicarse de varias maneras, en esta tesis se presentan dos marcos diferentes: uno basado en el uso de primitivas geométricas y otro que emplea un método de representación cercano al espacio de las medidas brutas. Un enfoque basado en características geométricas supone implícitamente imponer un cierto modelo a priori para el entorno. En este sentido, el desarrollo de una solución al problema SLAM mediante la optimización de un grafo de características geométricas constituye un primer paso hacia nuevos métodos de construcción de mapas en entornos estructurados. En el primero de los dos marcos propuestos, el sistema deduce la información a priori a aplicar en cada caso en base a una extensa colección de posibles modelos geométricos genéricos, siguiendo un método de Maximización de la Esperanza para hallar la estructura y el mapa más probables. La representación de la estructura del entorno se basa en un enfoque jerárquico, con diferentes niveles de abstracción para los distintos elementos geométricos que puedan describirlo. Se llevaron a cabo diversos experimentos para mostrar la versatilidad y el buen funcionamiento del método propuesto. En el segundo marco, el usuario puede definir diferentes modelos de estructura para el entorno mediante grupos de restricciones y energías locales entre puntos vecinos de un conjunto de datos del mismo. El grupo de restricciones que se aplica a cada grupo de puntos depende de la topología, que es inferida por el propio sistema. De este modo, se pueden incorporar nuevos modelos genéricos de estructura para el entorno con gran flexibilidad y facilidad. Se realizaron distintos experimentos para demostrar la flexibilidad y los buenos resultados del enfoque propuesto. Abstract Most human designed environments present specific geometrical characteristics. In them, it is easy to find polygonal, rectangular and circular shapes, with a series of typical relations between different elements of the environment. Introducing this kind of knowledge in the mapping process of mobile robots can notably improve the quality and accuracy of the resulting maps. It can also make them more suitable for higher level reasoning applications. When mapping is formulated in a Bayesian probabilistic framework, a complete specification of the problem requires considering a prior for the environment. The prior over the structure of the environment can be applied in several ways; this dissertation presents two different frameworks, one using a feature based approach and another one employing a dense representation close to the measurements space. A feature based approach implicitly imposes a prior for the environment. In this sense, feature based graph SLAM was a first step towards a new mapping solution for structured scenarios. In the first framework, the prior is inferred by the system from a wide collection of feature based priors, following an Expectation-Maximization approach to obtain the most probable structure and the most probable map. The representation of the structure of the environment is based on a hierarchical model with different levels of abstraction for the geometrical elements describing it. Various experiments were conducted to show the versatility and the good performance of the proposed method. In the second framework, different priors can be defined by the user as sets of local constraints and energies for consecutive points in a range scan from a given environment. The set of constraints applied to each group of points depends on the topology, which is inferred by the system. This way, flexible and generic priors can be incorporated very easily. Several tests were carried out to demonstrate the flexibility and the good results of the proposed approach.

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.

Contribution to the design of waveguide-fed compound-slot arrays by means of equivalent circuit modelling

Los arrays de ranuras son sistemas de antennas conocidos desde los años 40, principalmente destinados a formar parte de sistemas rádar de navíos de combate y grandes estaciones terrenas donde el tamaño y el peso no eran altamente restrictivos. Con el paso de los años y debido sobre todo a importantes avances en materiales y métodos de fabricación, el rango de aplicaciones de este tipo de sistemas radiantes creció en gran medida. Desde nuevas tecnologías biomédicas, sistemas anticolisión en automóviles y navegación en aviones, enlaces de comunicaciones de alta tasa binaria y corta distancia e incluso sistemas embarcados en satélites para la transmisión de señal de televisión. Dentro de esta familia de antennas, existen dos grupos que destacan por ser los más utilizados: las antennas de placas paralelas con las ranuras distribuidas de forma circular o espiral y las agrupaciones de arrays lineales construidos sobre guia de onda. Continuando con las tareas de investigación desarrolladas durante los últimos años en el Instituto de Tecnología de Tokyo y en el Grupo de Radiación de la Universidad Politécnica de Madrid, la totalidad de esta tesis se centra en este último grupo, aunque como se verá se separa en gran medida de las técnicas de diseño y metodologías convencionales. Los arrays de ranuras rectas y paralelas al eje de la guía rectangular que las alimenta son, sin ninguna duda, los modelos más empleados debido a la fiabilidad que presentan a altas frecuencias, su capacidad para gestionar grandes cantidades de potencia y la sencillez de su diseño y fabricación. Sin embargo, también presentan desventajas como estrecho ancho de banda en pérdidas de retorno y rápida degradación del diagrama de radiación con la frecuencia. Éstas son debidas a la naturaleza resonante de sus elementos radiantes: al perder la resonancia, el sistema global se desajusta y sus prestaciones degeneran. En arrays bidimensionales de slots rectos, el campo eléctrico queda polarizado sobre el plano transversal a las ranuras, correspondiéndose con el plano de altos lóbulos secundarios. Esta tesis tiene como objetivo el desarrollo de un método sistemático de diseño de arrays de ranuras inclinadas y desplazadas del centro (en lo sucesivo “ranuras compuestas”), definido en 1971 como uno de los desafíos a superar dentro del mundo del diseño de antennas. La técnica empleada se basa en el Método de los Momentos, la Teoría de Circuitos y la Teoría de Conexión Aleatoria de Matrices de Dispersión. Al tratarse de un método circuital, la primera parte de la tesis se corresponde con el estudio de la aplicabilidad de las redes equivalentes fundamentales, su capacidad para recrear fenómenos físicos de la ranura, las limitaciones y ventajas que presentan para caracterizar las diferentes configuraciones de slot compuesto. Se profundiza en las diferencias entre las redes en T y en ! y se condiciona la selección de una u otra dependiendo del tipo de elemento radiante. Una vez seleccionado el tipo de red a emplear en el diseño del sistema, se ha desarrollado un algoritmo de cascadeo progresivo desde el puerto alimentador hacia el cortocircuito que termina el modelo. Este algoritmo es independiente del número de elementos, la frecuencia central de funcionamiento, del ángulo de inclinación de las ranuras y de la red equivalente seleccionada (en T o en !). Se basa en definir el diseño del array como un Problema de Satisfacción de Condiciones (en inglés, Constraint Satisfaction Problem) que se resuelve por un método de Búsqueda en Retroceso (Backtracking algorithm). Como resultado devuelve un circuito equivalente del array completo adaptado a su entrada y cuyos elementos consumen una potencia acorde a una distribución de amplitud dada para el array. En toda agrupación de antennas, el acoplo mutuo entre elementos a través del campo radiado representa uno de los principales problemas para el ingeniero y sus efectos perjudican a las prestaciones globales del sistema, tanto en adaptación como en capacidad de radiación. El empleo de circuito equivalente se descartó por la dificultad que suponía la caracterización de estos efectos y su inclusión en la etapa de diseño. En esta tesis doctoral el acoplo también se ha modelado como una red equivalente cuyos elementos son transformadores ideales y admitancias, conectada al conjunto de redes equivalentes que representa el array. Al comparar los resultados estimados en términos de pérdidas de retorno y radiación con aquellos obtenidos a partir de programas comerciales populares como CST Microwave Studio se confirma la validez del método aquí propuesto, el primer método de diseño sistemático de arrays de ranuras compuestos alimentados por guía de onda rectangular. Al tratarse de ranuras no resonantes, el ancho de banda en pérdidas de retorno es mucho mas amplio que el que presentan arrays de slots rectos. Para arrays bidimensionales, el ángulo de inclinación puede ajustarse de manera que el campo quede polarizado en los planos de bajos lóbulos secundarios. Además de simulaciones se han diseñado, construido y medido dos prototipos centrados en la frecuencia de 12GHz, de seis y diez elementos. Las medidas de pérdidas de retorno y diagrama de radiación revelan excelentes resultados, certificando la bondad del método genuino Method of Moments - Forward Matching Procedure desarrollado a lo largo de esta tésis. Abstract The slot antenna arrays are well known systems from the decade of 40s, mainly intended to be part of radar systems of large warships and terrestrial stations where size and weight were not highly restrictive. Over the years, mainly due to significant advances in materials and manufacturing methods, the range of applications of this type of radiating systems grew significantly. From new biomedical technologies, collision avoidance systems in cars and aircraft navigation, short communication links with high bit transfer rate and even embedded systems in satellites for television broadcast. Within this family of antennas, two groups stand out as being the most frequent in the literature: parallel plate antennas with slots placed in a circular or spiral distribution and clusters of waveguide linear arrays. To continue the vast research work carried out during the last decades in the Tokyo Institute of Technology and in the Radiation Group at the Universidad Politécnica de Madrid, this thesis focuses on the latter group, although it represents a technique that drastically breaks with traditional design methodologies. The arrays of slots straight and parallel to the axis of the feeding rectangular waveguide are without a doubt the most used models because of the reliability that they present at high frequencies, its ability to handle large amounts of power and their simplicity of design and manufacturing. However, there also exist disadvantages as narrow bandwidth in return loss and rapid degradation of the radiation pattern with frequency. These are due to the resonant nature of radiating elements: away from the resonance status, the overall system performance and radiation pattern diminish. For two-dimensional arrays of straight slots, the electric field is polarized transverse to the radiators, corresponding to the plane of high side-lobe level. This thesis aims to develop a systematic method of designing arrays of angled and displaced slots (hereinafter "compound slots"), defined in 1971 as one of the challenges to overcome in the world of antenna design. The used technique is based on the Method of Moments, Circuit Theory and the Theory of Scattering Matrices Connection. Being a circuitry-based method, the first part of this dissertation corresponds to the study of the applicability of the basic equivalent networks, their ability to recreate the slot physical phenomena, their limitations and advantages presented to characterize different compound slot configurations. It delves into the differences of T and ! and determines the selection of the most suitable one depending on the type of radiating element. Once the type of network to be used in the system design is selected, a progressive algorithm called Forward Matching Procedure has been developed to connect the proper equivalent networks from the feeder port to shorted ending. This algorithm is independent of the number of elements, the central operating frequency, the angle of inclination of the slots and selected equivalent network (T or ! networks). It is based on the definition of the array design as a Constraint Satisfaction Problem, solved by means of a Backtracking Algorithm. As a result, the method returns an equivalent circuit of the whole array which is matched at its input port and whose elements consume a power according to a given amplitude distribution for the array. In any group of antennas, the mutual coupling between elements through the radiated field represents one of the biggest problems that the engineer faces and its effects are detrimental to the overall performance of the system, both in radiation capabilities and return loss. The employment of an equivalent circuit for the array design was discarded by some authors because of the difficulty involved in the characterization of the coupling effects and their inclusion in the design stage. In this thesis the coupling has also been modeled as an equivalent network whose elements are ideal transformers and admittances connected to the set of equivalent networks that represent the antennas of the array. By comparing the estimated results in terms of return loss and radiation with those obtained from popular commercial software as CST Microwave Studio, the validity of the proposed method is fully confirmed, representing the first method of systematic design of compound-slot arrays fed by rectangular waveguide. Since these slots do not work under the resonant status, the bandwidth in return loss is much wider than the longitudinal-slot arrays. For the case of two-dimensional arrays, the angle of inclination can be adjusted so that the field is polarized at the low side-lobe level plane. Besides the performed full-wave simulations two prototypes of six and ten elements for the X-band have been designed, built and measured, revealing excellent results and agreement with the expected results. These facts certify that the genuine technique Method of Moments - Matching Forward Procedure developed along this thesis is valid and trustable.

Propagation Mechanism modeling in the Near-Region of Arbitrary Cross-Sectional Tunnels.

Along with the increase of the use of working frequencies in advanced radio communication systems, the near-region inside tunnels lengthens considerably and even occupies the whole propagation cell or the entire length of some short tunnels. This paper analytically models the propagation mechanisms and their dividing point in the near-region of arbitrary cross-sectional tunnels for the first time. To begin with, the propagation losses owing to the free space mechanism and the multimode waveguide mechanism are modeled, respectively. Then, by conjunctively employing the propagation theory and the three-dimensional solid geometry, the paper presents a general model for the dividing point between two propagation mechanisms. It is worthy to mention that this model can be applied in arbitrary cross-sectional tunnels. Furthermore, the general dividing point model is specified in rectangular, circular, and arched tunnels, respectively. Five groups of measurements are used to justify the model in different tunnels at different frequencies. Finally, in order to facilitate the use of the model, simplified analytical solutions for the dividing point in five specific application situations are derived. The results in this paper could help deepen the insight into the propagation mechanisms in tunnels.