Deep Learning Architectures for time of arrival detection in Acoustic Emissions Monitoring

Acoustic Emission (AE) monitoring can be used to detect the presence of damage as well as determine its location in Structural Health Monitoring (SHM) applications. Information on the time difference of the signal generated by the damage event arriving at different sensors is essential in performing localization. This makes the time of arrival (ToA) an important piece of information to retrieve from the AE signal. Generally, this is determined using statistical methods such as the Akaike Information Criterion (AIC) which is particularly prone to errors in the presence of noise. And given that the structures of interest are surrounded with harsh environments, a way to accurately estimate the arrival time in such noisy scenarios is of particular interest. In this work, two new methods are presented to estimate the arrival times of AE signals which are based on Machine Learning. Inspired by great results in the field, two models are presented which are Deep Learning models - a subset of machine learning. They are based on Convolutional Neural Network (CNN) and Capsule Neural Network (CapsNet). The primary advantage of such models is that they do not require the user to pre-define selected features but only require raw data to be given and the models establish non-linear relationships between the inputs and outputs. The performance of the models is evaluated using AE signals generated by a custom ray-tracing algorithm by propagating them on an aluminium plate and compared to AIC. It was found that the relative error in estimation on the test set was < 5% for the models compared to around 45% of AIC. The testing process was further continued by preparing an experimental setup and acquiring real AE signals to test on. Similar performances were observed where the two models not only outperform AIC by more than a magnitude in their average errors but also they were shown to be a lot more robust as compared to AIC which fails in the presence of noise.

Enabling 5G and beyond: millimeter wave propagation and cloud RAN evolution

In the last few years, mobile wireless technology has gone through a revolutionary change. Web-enabled devices have evolved into essential tools for communication, information, and entertainment. The fifth generation (5G) of mobile communication networks is envisioned to be a key enabler of the next upcoming wireless revolution. Millimeter wave (mmWave) spectrum and the evolution of Cloud Radio Access Networks (C-RANs) are two of the main technological innovations of 5G wireless systems and beyond. Because of the current spectrum-shortage condition, mmWaves have been proposed for the next generation systems, providing larger bandwidths and higher data rates. Consequently, new radio channel models are being developed. Recently, deterministic ray-based models such as Ray-Tracing (RT) are getting more attractive thanks to their frequency-agility and reliable predictions. A modern RT software has been calibrated and used to analyze the mmWave channel. Knowledge of the electromagnetic properties of materials is therefore essential. Hence, an item-level electromagnetic characterization of common construction materials has been successfully achieved to obtain information about their complex relative permittivity. A complete tuning of the RT tool has been performed against indoor and outdoor measurement campaigns at 27 and 38 GHz, setting the basis for the future development of advanced beamforming techniques which rely on deterministic propagation models (as RT). C-RAN is a novel mobile network architecture which can address a number of challenges that network operators are facing in order to meet the continuous customers’ demands. C-RANs have already been adopted in advanced 4G deployments; however, there are still some issues to deal with, especially considering the bandwidth requirements set by the forthcoming 5G systems. Open RAN specifications have been proposed to overcome the new 5G challenges set on C-RAN architectures, including synchronization aspects. In this work it is described an FPGA implementation of the Synchronization Plane for an O-RAN-compliant radio system.

Propagation modelling and resource allocation in mobile radio communications

Over the past years, ray tracing (RT) models popularity has been increasing. From the nineties, RT has been used for field prediction in environment such as indoor and urban environments. Nevertheless, with the advent of new technologies, the channel model has become decidedly more dynamic and to perform RT simulations at each discrete time instant become computationally expensive. In this thesis, a new dynamic ray tracing (DRT) approach is presented in which from a single ray tracing simulation at an initial time t0, through analytical formulas we are able to track the motion of the interaction points. The benefits that this approach bring are that Doppler frequencies and channel prediction can be derived at every time instant, without recurring to multiple RT runs and therefore shortening the computation time. DRT performance was studied on two case studies and the results shows the accuracy and the computational gain that derives from this approach. Another issue that has been addressed in this thesis is the licensed band exhaustion of some frequency bands. To deal with this problem, a novel unselfish spectrum leasing scheme in cognitive radio networks (CRNs) is proposed that offers an energy-efficient solution minimizing the environmental impact of the network. In addition, a network management architecture is introduced and resource allocation is proposed as a constrained sum energy efficiency maximization problem. System simulations demonstrate an increment in the energy efficiency of the primary users’ network compared with previously proposed algorithms.

L'edilizia residenziale nell'era dell'economia circolare. Modelli e paradigmi per la rigenerazione delle periferie urbane

Il patrimonio residenziale italiano ammonta a 12,2 milioni di edifici, di cui il 57,5% ha più di 50 anni ed è stato costruito in assenza di normative specifiche, in termini di sicurezza sismica, resistenza al fuoco, efficienza energetica e accessibilità, e manifesta un’avanzata obsolescenza. Agire su questo patrimonio significa operare tramite le due macro categorie di intervento: demolizione/ricostruzione o riqualificazione energetica. Questa ricerca dottorale vuole indagare la demolizione/ricostruzione di comparti urbani periferici, costruiti tra 1945-1965, quale strategia di rigenerazione urbana, integrandola in un modello edilizio basato sui criteri dell’economia circolare. Vengono definite le caratteristiche costruttive e i principi di questo modello di progettazione ecosistemica, denominato Integrho, che coniuga i criteri di ecodesign nel ciclo di vita (Building in Layers, Design for Disassembly e il Design out Waste) con quelli di bioclimaticità e di adattabilità funzionale. Il lavoro è stato improntato secondo due livelli gerarchici, scala urbana e scala edilizia, tra loro correlate mediante quella intermedia dell’isolato, al fine di ottenere un obiettivo di natura metodologica: definire uno strumento di supporto decisionale, capace di indirizzare tra le categorie di intervento attraverso parametri oggettivi, valutati con analisi comparative speditive. Tale metodologia viene applicata al contesto di Bologna, e si fonda sulla creazione di un’approfondita base conoscitiva attraverso la catalogazione delle 8.209 pratiche edilizie di nuova costruzione presentate tra 1945 e il 1965. Tale strumento georeferenziato, contenente informazioni tipologiche, costruttive ecc., è impiegato per valutare in modo quantitativo e speditivo i consumi energetici, i materiali incorporati, gli impatti ambientali e i costi economici dei differenti scenari di intervento nel ciclo di vita. Infine, l’applicazione del modello edilizio Integrho e del paradigma Ri-Costruire per Ri-Generare ad uno degli isolati periferici selezionati, è impiegata come esemplificazione dell’intero processo, dalla fase conoscitiva a quella strumentale, al fine di verificarne l’attendibilità e l’applicabilità su larga scala.

First steps in underwater photogrammetry with the support of an unmanned underwater vehicle

The evolution of modern and increasingly sensitive image sensors, the increasingly compact design of the cameras, and the recent emergence of low-cost cameras allowed the Underwater Photogrammetry to become an infallible and irreplaceable technique used to estimate the structure of the seabed with high accuracy. Within this context, the main topic of this work is the Underwater Photogrammetry from a geomatic point of view and all the issues associated with its implementation, in particular with the support of Unmanned Underwater Vehicles. Questions such as: how does the technique work, what is needed to deal with a proper survey, what tools are available to apply this technique, and how to resolve uncertainties in measurement will be the subject of this thesis. The study conducted can be divided into two major parts: one devoted to several ad-hoc surveys and tests, thus a practical part, another supported by the bibliographical research. However the main contributions are related to the experimental section, in which two practical case studies are carried out in order to improve the quality of the underwater survey of some calibration platforms. The results obtained from these two experiments showed that, the refractive effects due to water and underwater housing can be compensated by the distortion coefficients in the camera model, but if the aim is to achieve high accuracy then a model that takes into account the configuration of the underwater housing, based on ray tracing, must also be coupled. The major contributions that this work brought are: an overview of the practical issues when performing surveys exploiting an UUV prototype, a method to reach a reliable accuracy in the 3D reconstructions without the use of an underwater local geodetic network, a guide for who addresses underwater photogrammetry topics for the first time, and the use of open-source environments.

Studio della propagazione radio MIMO in scenari street-intersection

L'elaborato si suddivide essenzialmente in due parti principali. Una prima parte descrittiva dove vengono presentati i concetti fondamentali per la corretta comprensione della seconda, nella quale viene descritto il progetto svolto. Esso mira a valutare l’effetto che oggetti in metallo presenti in prossimità di un incrocio stradale hanno sulla propagazione del segnale radio, e in particolare sulla generazione di cammini multipli. I cammini multipli vengono infatti sfruttati dalle tecnologie di trasmissione a multiple antenne (MIMO) per incrementare la capacità di trasmissione. Un parametro sintetico che permette di caratterizzare le prestazioni dei sistemi MIMO è il cosiddetto Condition Number, che si è utilizzato in questo elaborato. Per effettuare lo studio delle prestazioni MIMO si sono utilizzate simulazioni elettromagnetiche a raggi (ray-tracing) e misure sperimentali, che sono state effettuate in prossimità del campus dell’Università Jiaotong di Shanghai, in Cina. Inizialmente, utilizzando una mappa standard dell’ambiente di propagazione, contenente i soli edifici, i valori di Condition Number ottenuti dalle simulazioni ray-tracing differivano notevolmente dai valori sperimentali. Il mio compito è stato quello di modellare nuovi elementi di forma cilindrica che ben simulano le proprietà fisico-geometriche dei pali e di altri oggetti metallici presenti lungo il tragitto e nelle intersezioni stradali e di inserirli nella mappa nella corretta posizione. Le simulazioni poi sono servite per valutare l’efficacia in termini di miglioramento delle prestazioni, in particolare sulla generazione di nuovi cammini sfasati nel tempo e nello spazio, e il relativo effetto sui valori numerici del condition number. Successivamente, è stata fatta una valutazione sull’influenza della vegetazione presente in loco per vedere quanta influenza abbia sul collegamento radio.

Anisotropic seismic tomography with the reversible jump Markov chain Monte Carlo

The established isotropic tomographic models show the features of subduction zones in terms of seismic velocity anomalies, but they are generally subjected to the generation of artifacts due to the lack of anisotropy in forward modelling. There is evidence for the significant influence of seismic anisotropy in the mid-upper mantle, especially for boundary layers like subducting slabs. As consequence, in isotropic models artifacts may be misinterpreted as compositional or thermal heterogeneities. In this thesis project the application of a trans-dimensional Metropolis-Hastings method is investigated in the context of anisotropic seismic tomography. This choice arises as a response to the important limitations introduced by traditional inversion methods which use iterative procedures of optimization of a function object of the inversion. On the basis of a first implementation of the Bayesian sampling algorithm, the code is tested with some cartesian two-dimensional models, and then extended to polar coordinates and dimensions typical of subduction zones, the main focus proposed for this method. Synthetic experiments with increasing complexity are realized to test the performance of the method and the precautions for multiple contexts, taking into account also the possibility to apply seismic ray-tracing iteratively. The code developed is tested mainly for 2D inversions, future extensions will allow the anisotropic inversion of seismological data to provide more realistic imaging of real subduction zones, less subjected to generation of artifacts.

Studio di modelli a raggi per Superfici Intelligenti Riconfigurabili

In questa trattazione viene presentato lo studio di un modello a raggi che permette di simulare il comportamento macroscopico delle Superfici Intelligenti. L’ottimizzazione del canale radio, in particolare dell’ambiente di propagazione, si rivela fondamentale per la futura introduzione del 6G. Per la pianificazione della propagazione in ambienti ampi, risulta necessario implementare modelli di simulazione. I modelli a raggi possono essere integrati più facilmente all’interno di algoritmi per le previsioni di campo computazionalmente efficienti, come gli algoritmi di Ray Tracing. Nell’elaborato si è analizzato il comportamento del modello, con riferimento a tre funzioni tipiche realizzate da una Superficie Intelligente: il riflettore anomalo, la lente focalizzante e la lente defocalizzante. Attraverso una griglia di ricevitori è stato calcolato il campo dell’onda nelle varie configurazioni. Infine, si sono confrontati i risultati ottenuti con quelli del modello elettromagnetico.

Convertitori elettronici di potenza ad alta frequenza di commutazione con isolamento galvanico

L’importanza sempre crescente dell’elettronica è accompagnata da una crescente necessità di compattezza ed efficienza energetica. Una parte sostanziale del costo e delle dimensioni dei moderni dispositivi elettronici è legata ai sistemi di conversione di potenza, il cui volume è dominato dai passivi. Per poter affrontare la miniaturizzazione dei circuiti elettronici di potenza sono dunque necessari metodi di design e tecnologie che permettano di ridurre i requisiti di immagazzinamento di energia. Un possibile approccio è aumentare la frequenza di commutazione nel range delle decine di MHz facendo in modo che l’efficienza non venga penalizzata dall’aumento delle perdite in commutazione. Ciò è reso possibile dall’impiego di topologie di convertitori risonanti che implementano la condizione ZVS. Oltre all’impiego di convertitori risonanti, l’aumento della frequenza operativa, mantenendo elevata l’efficienza, è abilitato dall’impiego di dispositivi a semiconduttore a largo band-gap come il nitruro di gallio (GaN), i quali mostrano performance superiori al silicio in termini di temperature operative, frequenze di funzionamento e densità di potenza. Inoltre, ad elevate frequenze di commutazione, l’utilizzo di magnetici coreless diventa una valida alterativa ai magnetici tradizionali, con vantaggi in termini di costo, ingombro e di efficienza. Il focus di questa tesi è il progetto di un convertitore DC-DC risonante con isolamento coreless ad alta efficienza e ad alta frequenza in tecnologia GaN a 650 V pensato per applicazioni wall-adapter. A seguito dello studio di alcune topologie di inverter risonanti e dei rispettivi rettificatori, si è scelta la topologia phi2 per il design del convertitore DC-DC double phi2 isolato (simulato con LTspice). È stato poi effettuato il design di un trasformatore coreless su PCB tramite simulatore elettromagnetico (ADS Keysight Momentum). Il convertitore complessivo presenta un’efficienza del 95,8% con una efficienza del link del 98%.

Obiettivo NZEB nella riqualificazione di condomini: studio di fattibilità di impianto centralizzato a pompa di calore tramite simulazioni in regime dinamico

Molti edifici realizzati negli anni ‘80-‘90 sono caratterizzati da impianti con caldaie autonome e nell’ambito degli interventi di riqualificazione energetica solo raramente vengono inserite delle pompe di calore a causa della temperatura di funzionamento dell’impianto, che spesso deve essere mantenuta elevata per i sistemi di emissione a radiatori. Tuttavia la riduzione dei carichi termici dovuti all'isolamento degli edifici consente di utilizzare i terminali esistenti facendoli lavorare a bassa temperatura, con temperature medie di 45-50°C. Obiettivo principale della tesi è quindi la valutazione della fattibilità e dei vantaggi energetici nell’ambito della sostituzione di un sistema di riscaldamento autonomo a gas con un sistema a pompa di calore. Viene preso in esame un edificio condominiale formato da 47 alloggi sito a San Lazzaro di Savena e in particolare verrà valutata la fattibilità di inserire un impianto centralizzato a pompa di calore per ogni corpo scala di cui è composto l’edificio, alimentando l’impianto con pannelli fotovoltaici installati in copertura. Per valutare i vantaggi energetici è stato utilizzato il software di simulazione dinamica Design Builder che consente di analizzare i fabbisogni energetici e la produzione di energia con step orario. Il modello dinamico permette anche di studiare le strategie d’involucro più opportune per diminuire il fabbisogno energetico e poter far lavorare la pompa di calore con i radiatori esistenti a bassa temperatura. I risultati attesi dal lavoro sono molteplici: in primo luogo verificare che la scelta dell’introduzione della pompa di calore consenta all'edificio di ridurre i consumi di energia primaria da fonti non rinnovabili, con lo scopo di portare l’edificio ad una richiesta di quasi zero energia (NZEB) in linea con le nuove normative europee e nazionali; in secondo luogo che l’utilizzo della simulazione oraria consenta di valutare il matching reale tra produzione e consumo di energia.

Consumo energetico dei forni elettrici ad uso domestico: rassegna dei modelli matematici

Un forno è un oggetto costituito da una camera vuota, definita cavità, che espone in maniera controllata i materiali posti al suo interno ad un ambiente caldo. Esistono diversi tipi di forni (a gas, elettrici, a microonde, a legna) e sono utilizzati con diversi scopi a seconda delle dimensioni e di come generano il calore. Il prodotto alimentare viene cotto in forno attraverso la trasmissione di calore per irraggiamento, per convezione o per una combinazione di entrambi. Questo processo di riscaldamento richiede un elevato dispendio di energia, di cui solo il 20-25% è utilizzato per riscaldare il cibo in preparazione. I forni nello specifico sono responsabili di circa il 10-12% dell’impatto ambientale complessivo degli edifici civili, collocandosi tra i peggiori elettrodomestici in termini di efficienza energetica. A ragione di ciò, l’industria dei forni è stimolata a sviluppare tecnologie sempre più efficienti, attraverso la ricerca di un miglior controllo della temperatura interna del forno. Sono state redatte due normative europee, EN 60350 e EN 50304, che stabiliscono procedure di raccolta dati e calcolo dell’efficienza energetica di un forno per guidare i costruttori verso una progettazione a minor impatto energetico, che permetta loro di restare competitivi sul mercato. L’obiettivo del seguente lavoro bibliografico è stato quello di descrivere in maniera dettagliata le normative inerenti la determinazione dell’efficienza energetica dei forni domestici. Inoltre, è stata redatta una rassegna sistematica degli studi scientifici riguardanti la valutazione del consumo energico mediante modelli matematici.

Soluzioni per coperture wireless in ambiente indoor con l'ausilio di superfici intelligenti riconfigurabili

I sistemi di comunicazione 6G si prevede che soddisfino requisiti più stringenti rispetto alle reti 5G in termini di capacità di trasmissione, affidabilità, latenza, copertura, consumo energetico e densità di connessione. I miglioramenti che si possono ottenere agendo solo sugli end-points dell'ambiente wireless potrebbero non essere sufficienti per adempiere a tali obiettivi. Performance migliori potrebbero invece essere raggiunte liberandosi del postulato che fissa l'ambiente di propagazione come elemento incontrollabile. In questo panorama spicca una tecnologia recente che prende il nome di Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) e che si pone l'obiettivo di rendere personalizzabile l'ambiente di propagazione wireless attraverso elaborazioni quasi passive di segnale. Una RIS è una superficie sottile ingegnerizzata al fine di possedere proprietà che le permettono di controllare dinamicamente le onde elettromagnetiche attraverso, ad esempio, la riflessione, rifrazione e focalizzazione del segnale. Questo può portare alla realizzazione del cosiddetto Smart Radio Environment (SRE), ovvero un ambiente di propagazione che non è visto come entità aleatoria incontrollabile, ma come parametro di design che svolge un ruolo fondamentale nel processo di ottimizzazione della rete. Nel presente elaborato, partendo da un modello macroscopico del comportamento di una RIS sviluppato dal gruppo di ricerca di propagazione e integrato all'interno di un simulatore di ray tracing, si effettua uno studio di coperture wireless con l'ausilio di RIS in semplici scenari indoor di riferimento.

"Tecniche di Load Pull attivo a bassa frequenza per la caratterizzazione in banda base di transistori per applicazioni RF"

Una sempre crescente quantità di informazione digitale viene condivisa tra miliardi di dispositivi connessi in ogni angolo del pianeta. Per riuscire a sfruttare una banda più ampia ed aumentare la velocità di trasmissione dei dati, i prossimi standard di telecomunicazioni wireless dovranno adoperare frequenze operative sempre più alte, cercando di rispettare stringenti specifiche in termini di affidabilità ed efficienza energetica. In generale, le prestazioni di un transistor dipenderanno dalle terminazioni a cui esso è collegato. In un setup di caratterizzazione e test, è possibile, tramite un metodo noto come load pull attivo, sintetizzare un determinato valore di impedenza ad uno o più piani di riferimento all'interno di un circuito. Questa strategia si basa in generale sulla manipolazione del rapporto tra onde entranti ed uscenti da un piano di riferimento del dispositivo. Se da una parte tecniche di load pull attivo a banda larga a radiofrequenza hanno ricevuto un notevole interesse sia commerciale che accademico, dall'altra le strategie per la sintesi di impedenze presenti al terminale di alimentazione dell'amplificatore, sono state meno investigate. Questo elaborato si propone di introdurre un algoritmo per il load pull attivo a banda base per amplificatori per applicazioni RF. Dopo un'introduzione sui modelli comportamentali degli amplificatori, è stato considerato il problema degli effetti di memoria. È stata poi descritta la tecnica per l'emulazione di impedenze. Dapprima, è stato considerato il caso lineare. Poi, tramite il design di un amplificatore di potenza per applicazioni a radio frequenza usato come device under test (DUT), sono stati affrontati due esempi in presenza di non linearità, verificando la correttezza della tecnica proposta tramite l'uso di simulazioni.

X-ray absorption and phase contrast imaging to study the interplay between plant roots and soil structure

Plant performance is, at least partly, linked to the location of roots with respect to soil structure features and the micro-environment surrounding roots. Measurements of root distributions from intact samples, using optical microscopy and field tracings have been partially successful but are imprecise and labour-intensive. Theoretically, X-ray computed micro-tomography represents an ideal solution for non-invasive imaging of plant roots and soil structure. However, before it becomes fast enough and affordable or easily accessible, there is still a need for a diagnostic tool to investigate root/soil interplay. Here, a method for detection of undisturbed plant roots and their immediate physical environment is presented. X-ray absorption and phase contrast imaging are combined to produce projection images of soil sections from which root distributions and soil structure can be analyzed. The clarity of roots on the X-ray film is sufficient to allow manual tracing on an acetate sheet fixed over the film. In its current version, the method suffers limitations mainly related to (i) the degree of subjectivity associated with manual tracing and (ii) the difficulty of separating live and dead roots. The method represents a simple and relatively inexpensive way to detect and quantify roots from intact samples and has scope for further improvements. In this paper, the main steps of the method, sampling, image acquisition and image processing are documented. The potential use of the method in an agronomic perspective is illustrated using surface and sub-surface soil samples from a controlled wheat trial. Quantitative characterization of root attributes, e.g. radius, length density, branching intensity and the complex interplay between roots and soil structure, is presented and discussed.

3D reconstruction and quantification of macropores using X-ray computed tomography and image analysis

Axial X-ray Computed tomography (CT) scanning provides a convenient means of recording the three-dimensional form of soil structure. The technique has been used for nearly two decades, but initial development has concentrated on qualitative description of images. More recently, increasing effort has been put into quantifying the geometry and topology of macropores likely to contribute to preferential now in soils. Here we describe a novel technique for tracing connected macropores in the CT scans. After object extraction, three-dimensional mathematical morphological filters are applied to quantify the reconstructed structure. These filters consist of sequences of so-called erosions and/or dilations of a 32-face structuring element to describe object distances and volumes of influence. The tracing and quantification methodologies were tested on a set of undisturbed soil cores collected in a Swiss pre-alpine meadow, where a new earthworm species (Aporrectodea nocturna) was accidentally introduced. Given the reduced number of samples analysed in this study, the results presented only illustrate the potential of the method to reconstruct and quantify macropores. Our results suggest that the introduction of the new species induced very limited chance to the soil structured for example, no difference in total macropore length or mean diameter was observed. However. in the zone colonised by, the new species. individual macropores tended to have a longer average length. be more vertical and be further apart at some depth. Overall, the approach proved well suited to the analysis of the three-dimensional architecture of macropores. It provides a framework for the analysis of complex structures, which are less satisfactorily observed and described using 2D imaging. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.