Artificial surfaces of intertwined square spirals:A CPW model

Intertwining planar spirals arranged in doubly periodic arrays enables a substantially subwavelength response of the unit cell smaller than 1/40 of wavelength with large fractional bandwidths. These properties are important for application at low frequencies, conformal curved surfaces, or with compact radiators. It is shown that interleaving counter-wound spiral arms extended into adjacent unit cells dramatically increase the array equivalent capacitance while reducing the inductance. A coplanar waveguide (CPW) model has been developed to analytically estimate the equivalent capacitance and inductance of intertwined spiral array elements in terms of their geometrical parameters. The proposed CPW model is shown to provide an accurate prediction of the fundamental resonance frequency and can be instrumental in the design of the arrays for a specified frequency response. © 2012 IEEE.

Metasurfaces with interwoven conductor patterns on dielectric substrates

The properties of metasurfaces comprised of interwoven conductor patterns on dielectric substrates have been examined. The significant reduction of the fundamental resonance frequency fr and expanded fractional bandwidths (FBWs) offered by the intertwined spirals and Brigid’s crosses extended beyond a single unit cell has been achieved with the aid of thin dielectric substrates. A qualitative model has been proposed and proved to adequately predict the main properties of entwined spiral arrays on dielectric substrates.

Data Reduction of Power System Disturbances using Wavelet Transforms for Network Operation and Control

Wavelet transforms provide basis functions for time-frequency analysis and have properties that are particularly useful for compression of analogue point on wave transient and disturbance power system signals. This paper evaluates the reduction properties of the wavelet transform using real power system data and discusses the application of the reduction method for information transfer in network communications.

The use of an instrumented vehicle in a wavelet based damage detection approach for bridge structures

Periodic monitoring of structures such as bridges is necessary as their condition can deteriorate due to environmental conditions and ageing, causing the bridge to become unsafe. This monitoring - so called Structural Health Monitoring (SHM) - can give an early warning if a bridge becomes unsafe. This paper investigates an alternative wavelet-based approach for the monitoring of bridge structures which consists of the use of a vehicle fitted with accelerometers on its axles. A simplified vehicle-bridge interaction model is used in theoretical simulations to examine the effectiveness of the approach in detecting damage in the bridge. The accelerations of the vehicle are processed using a continuous wavelet transform, allowing a time-frequency analysis to be performed. This enables the identification of both the existence and location of damage from the vehicle response. Based on this analysis, a damage index is established. A parametric study is carried out to investigate the effect of parameters such as the bridge span length, vehicle speed, vehicle mass, damage level, signal noise level and road surface roughness on the accuracy of results. In addition, a laboratory experiment is carried out to validate the results of the theoretical analysis and assess the ability of the approach to detect changes in the bridge response.

Wavelet Based Damage Detection Approach for Bridge Structures Utilising Vehicle Vibration

This paper investigates a wavelet-based damage detection approach for bridge structures. By analysing the continuous wavelet transform of the vehicle response, the approach aims to identify changes in the bridge response which may indicate the existence of damage. A numerical vehicle-bridge interaction model is used in simulations as part of a sensitivity study. Furthermore, a laboratory experiment is carried out to investigate the effects of varying vehicle configuration, speed and bridge damping on the ability of the vehicle to detect changes in the bridge response. The accelerations of the vehicle and bridge are processed using a continuous wavelet transform, allowing time-frequency analysis to be carried out on the responses of the laboratory vehicle-bridge interaction system. Results indicate the most favourable conditions for successful implementation of the approach.

Multimodal functional and anatomical imaging identifies preclinical microvascular abnormalities in type 1 diabetes mellitus

Structural and functional change in the microcirculation in type 1 diabetes mellitus predicts future end-organ damage and macrovascular events. We explored the utility of novel signal processing techniques to detect and track change in ocular hemodynamics in patients with this disease. 24 patients with uncomplicated type 1 diabetes mellitus, and 18 age-and-sex matched control subjects were studied. Doppler ultrasound was used to interrogate the carotid and ophthalmic arteries and digital photography to image the retinal vasculature. Frequency analysis algorithms were applied to quantify velocity waveform structure and retinal photographic data at baseline and following inhalation of 100% oxygen. Frequency data was compared between groups. No significant differences were found in the resistive index between groups at baseline or following inhaled oxygen. Frequency analysis of the Doppler flow velocity waveforms identified significant differences in bands 3-7 between patients and controls in data captured from the ophthalmic artery (p<0.01 for each band). In response to inhaled oxygen, changes in the frequency band amplitudes were significantly greater in control subjects compared with patients (p<0.05). Only control subjects demonstrated a positive correlation (R=0.61) between change in retinal vessel diameter and frequency band amplitudes derived from ophthalmic artery waveform data. The use of multimodal signal processing techniques applied to Doppler flow velocity waveforms and retinal photographic data identified preclinical change in the ocular microcirculation in patients with uncomplicated diabetes mellitus. An impaired autoregulatory response of the retinal microvasculature may contribute to the future development of retinopathy in such patients.

A wavelet based drive-by bridge inspection system

This paper investigates a low-cost wavelet-based approach for the preliminary monitoring of bridge structures, consisting of the use of a vehicle fitted with accelerometers on its axles. The approach aims to reduce the need for direct instrumentation of the bridge. A time-frequency analysis is carried out in order to identify the existence and location of damage from vehicle accelerations. Firstly, in theoretical simulations, a simplified vehicle-bridge interaction model is used to investigate the effectiveness of the approach. A number of damage indicators are evaluated and compared. A range of parameters such as the bridge span, vehicle speed, damage level and location, signal noise and road roughness are varied in simulations. Secondly, a scaled laboratory experiment is carried out to validate the results of the theoretical analysis and assess the ability of the selected damage indicators to detect changes in the bridge response from vehicle accelerations. 

Étude numérique des phénomènes transitoires dans une turbine axiale de type hélice durant l’emballement

Ce mémoire présente l’étude numérique d’un emballement de turbine hydraulique axiale à échelle modèle. Cet état transitoire est simulé du point de meilleur rendement jusqu’à l’atteinte de 95% de la vitesse d’emballement. Pour ce faire, une méthodologie numérique est développée à l’aide du logiciel commercial ANSYS CFX en utilisant une approche "Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes" avec modèle de turbulence k-ε. Cette méthodologie numérique a été validée grâce à des mesures expérimentales de pression acquises en situation d’emballement sur les aubes d’une roue de turbine axiale étudiée au Laboratoire de Machines Hydrauliques de l’Université Laval. La validation des simulations numériques a été réalisée grâce à des comparaisons dans les domaines temporel et fréquentiel entre les pressions mesurées expérimentalement et calculées numériquement. Les analyses fréquentielles en transitoire ont été effectuées à l’aide de transformées en ondelettes afin de représenter l’évolution temporelle du spectre de fréquence. Des analyses qualitatives de phénomènes hydrauliques prenant place dans la turbine sont aussi présentées. Les analyses effectuées ont permis de confirmer le développement d’un tourbillon en précession par rapport à la roue dans l’aspirateur provocant les fluctuations de pression dominantes à des fréquences subsynchrones. La comparaison entre les données expérimentales et numériques a permis de valider une stratégie de simulation transitoire et d’en définir les limites en vue de prochaines simulations d’emballement. Des tests supplémentaires sont suggérés pour améliorer la précision ou le niveau de confiance de la méthode.

Towards a classification scheme for musical sounds

Signal Processing: Algorithms, Architectures, Arrangements, and Applications (SPA), 2013

Immersioultraäänitutkimuksen kehittäminen

Teräksenvalmistajilta edellytetään jatkuvasti panostusta laadun ja laadunvarmistuksen kehittämiseen. Teräksen laatu ja puhtaus korostuvat varsinkin silloin, kun terästä käytetään vaativiin käyttökohteisiin, kuten autoteollisuuden tarpeisiin. Ultraäänitarkastusmenetelmää käytetään laadun-varmistuksessa teräksen sisävikojen etsimiseen. Ultraäänitarkastuksessa lähetetään suuritaajuuksista ääntä kappaleeseen. Ääni etenee materiaalissa ja heijastuu erilaisista epäjatkuvuuskohdista. Luotaimeen palaavaa ääntä analysoimalla saadaan tietoa teräksestä ja sen sisävioista. Ultraäänitarkastuksen ongelmana on vian tyypin määrittäminen hankaluus sekä herkkyys tutkittavan materiaalin aineominaisuuksille. Työn tavoitteena oli immersioultraäänitarkastuksen kehittäminen sovellettuna teräksenvalmistajan tarpeisiin. Materiaalin aineominaisuuksista tutkittiin seostuksen vaikutusta. Teräslajit tarkastettiin valssitilaisena, karkaistuna ja normalisoituna. Lisäksi tutkittiin kappaleen pinnankarheuden ja -muodon vaikutusta tarkastukseen. Vikatyyppien tunnistamisen mahdollisuuksia ultra-äänitarkastuksessa selvitettiin käyttäen FFT- taajuusanalyysiä. Erilailla lämpökäsitellyillä teräslajeilla näytti eniten tuloksiin vaikuttavan terästen raekoko. Valssitilaisilla teräksillä raekoko on suuri, jolloin ultraääni vaimenee voimakkaasti teräksessä. Huomattavaa kuitenkin oli, että mikäli lämpö-käsittelyillä ei teräksen raekokoa saada juuri pienennettyä, ei myöskään vaimeneminen vähene. Tämän vuoksi lämpökäsittely ei välttämättä ole aina tarpeellinen valmisteltaessa ultraääninäytteitä. Fourier’n taajuusanalyysissä huomattiin olevan eroavaisuuksia verrattaessa huokosista ja sulkeumista palaavien kaikujen taajuusspektrejä. Näiden tulosten perusteella näyttäisi olevan mahdollista käyttää FFT- menetelmää ultraääni-tarkastuksessa vikojen luokitteluun.

Étude intracrânienne sur les mécanismes cérébraux permettant la reconnaissance d’objets

La reconnaissance d’objets est une tâche complexe au cours de laquelle le cerveau doit assembler de manière cohérente tous les éléments d’un objet accessible à l’œil afin de le reconnaître. La construction d’une représentation corticale de l’objet se fait selon un processus appelé « bottom-up », impliquant notamment les régions occipitales et temporales. Un mécanisme « top-down » au niveau des régions pariétales et frontales, facilite la reconnaissance en suggérant des identités potentielles de l’objet à reconnaître. Cependant, le mode de fonctionnement de ces mécanismes est peu connu. Plusieurs études ont démontré une activité gamma induite au moment de la perception cohérente de stimuli, lui conférant ainsi un rôle important dans la reconnaissance d’objets. Cependant, ces études ont utilisé des techniques d’enregistrement peu précises ainsi que des stimuli répétitifs. La première étude de cette thèse vise à décrire la dynamique spatio-temporelle de l’activité gamma induite à l’aide de l’électroencéphalographie intracrânienne, une technique qui possède des résolutions spatiales et temporelles des plus précises. Une tâche d’images fragmentées a été conçue dans le but de décrire l’activité gamma induite selon différents niveaux de reconnaissance, tout en évitant la répétition de stimuli déjà reconnus. Afin de mieux circonscrire les mécanismes « top-down », la tâche a été répétée après un délai de 24 heures. Les résultats démontrent une puissante activité gamma induite au moment de la reconnaissance dans les régions « bottom-up ». Quant aux mécanismes « top-down », l’activité était plus importante aux régions occipitopariétales. Après 24 heures, l’activité était davantage puissante aux régions frontales, suggérant une adaptation des procédés « top-down » selon les demandes de la tâche. Très peu d’études se sont intéressées au rythme alpha dans la reconnaissance d’objets, malgré qu’il soit bien reconnu pour son rôle dans l’attention, la mémoire et la communication des régions neuronales distantes. La seconde étude de cette thèse vise donc à décrire plus précisément l’implication du rythme alpha dans la reconnaissance d’objets en utilisant les techniques et tâches identiques à la première étude. Les analyses révèlent une puissante activité alpha se propageant des régions postérieures aux régions antérieures, non spécifique à la reconnaissance. Une synchronisation de la phase de l’alpha était, quant à elle, observable qu’au moment de la reconnaissance. Après 24 heures, un patron similaire était observable, mais l’amplitude de l’activité augmentait au niveau frontal et les synchronies de la phase étaient davantage distribuées. Le rythme alpha semble donc refléter des processus attentionnels et communicationnels dans la reconnaissance d’objets. En conclusion, cette thèse a permis de décrire avec précision la dynamique spatio-temporelle de l’activité gamma induite et du rythme alpha ainsi que d’en apprendre davantage sur les rôles potentiels que ces deux rythmes occupent dans la reconnaissance d’objets.

Theory and numerical integration of subsurface light transport

En synthèse d’images, reproduire les effets complexes de la lumière sur des matériaux transluminescents, tels que la cire, le marbre ou la peau, contribue grandement au réalisme d’une image. Malheureusement, ce réalisme supplémentaire est couteux en temps de calcul. Les modèles basés sur la théorie de la diffusion visent à réduire ce coût en simulant le comportement physique du transport de la lumière sous surfacique tout en imposant des contraintes de variation sur la lumière incidente et sortante. Une composante importante de ces modèles est leur application à évaluer hiérarchiquement l’intégrale numérique de l’illumination sur la surface d’un objet. Cette thèse révise en premier lieu la littérature actuelle sur la simulation réaliste de la transluminescence, avant d’investiguer plus en profondeur leur application et les extensions des modèles de diffusion en synthèse d’images. Ainsi, nous proposons et évaluons une nouvelle technique d’intégration numérique hiérarchique utilisant une nouvelle analyse fréquentielle de la lumière sortante et incidente pour adapter efficacement le taux d’échantillonnage pendant l’intégration. Nous appliquons cette théorie à plusieurs modèles qui correspondent à l’état de l’art en diffusion, octroyant une amélioration possible à leur efficacité et précision.

PSWT Based Linear Predictive Coding and Development of a Parallel Multiple Subsequence Structure for DWT Computation

During 1990's the Wavelet Transform emerged as an important signal processing tool with potential applications in time-frequency analysis and non-stationary signal processing.Wavelets have gained popularity in broad range of disciplines like signal/image compression, medical diagnostics, boundary value problems, geophysical signal processing, statistical signal processing,pattern recognition,underwater acoustics etc.In 1993, G. Evangelista introduced the Pitch- synchronous Wavelet Transform, which is particularly suited for pseudo-periodic signal processing.The work presented in this thesis mainly concentrates on two interrelated topics in signal processing,viz. the Wavelet Transform based signal compression and the computation of Discrete Wavelet Transform. A new compression scheme is described in which the Pitch-Synchronous Wavelet Transform technique is combined with the popular linear Predictive Coding method for pseudo-periodic signal processing. Subsequently,A novel Parallel Multiple Subsequence structure is presented for the efficient computation of Wavelet Transform. Case studies also presented to highlight the potential applications.

Photoacoustic Thermal Characterization of Porous Rare-Earth Phosphate Ceramics

The laser induced non-destructive photoacoustic technique has been employed to measure the thermal diffusivity of lanthanum phosphate ceramics prepared by the sol–gel route. The thermal diffusivity value was evaluated by knowing the transition frequency between the thermally thin to thermally thick region from the log–log plot of photoacoustic amplitude versus chopping frequency. Analysis of the data was carried out on the basis of the one-dimensional model of Rosencwaig and Gersho. The present investigation reveals that the sintering temperature has great influence on the propagation of heat carriers and hence on the thermal diffusivity value. The results were interpreted in terms of variations in porosity with sintering temperature as well as with changes in grain size.

Broadband coaxial cavity resonator for complex permittivity measurements of liquids

A novel cavity perturbation technique using coaxial cavity resonators for the measurement of complex permittivity of liquids is presented. The method employs two types of resonators (Resonator I and Resonator II). Resonator I operates in the frequency range 600 MHz-7 GHz and resonator II operates in the frequency range 4 GHz-14 GHz. The introduction of the capillary tube filled with the sample liquid into the coaxial resonator causes shifts in the resonance frequency and loaded Q-factor of the resonator. The shifts in the resonance frequency and loaded Q-factor are used to determine the real and imaginary parts of the complex permittivity of the sample liquid, respectively. Using this technique, the dielectric parameters of water and nitrobenzene are measured. The results are compared with those obtained using other standard methods. The sources of errors are analyzed.