Imaging of crustal scatterers using multiple seismic arrays

Array seismology is an useful tool to perform a detailed investigation of the Earth’s interior. Seismic arrays by using the coherence properties of the wavefield are able to extract directivity information and to increase the ratio of the coherent signal amplitude relative to the amplitude of incoherent noise. The Double Beam Method (DBM), developed by Krüger et al. (1993, 1996), is one of the possible applications to perform a refined seismic investigation of the crust and mantle by using seismic arrays. The DBM is based on a combination of source and receiver arrays leading to a further improvement of the signal-to-noise ratio by reducing the error in the location of coherent phases. Previous DBM works have been performed for mantle and core/mantle resolution (Krüger et al., 1993; Scherbaum et al., 1997; Krüger et al., 2001). An implementation of the DBM has been presented at 2D large-scale (Italian data-set for Mw=9.3, Sumatra earthquake) and at 3D crustal-scale as proposed by Rietbrock & Scherbaum (1999), by applying the revised version of Source Scanning Algorithm (SSA; Kao & Shan, 2004). In the 2D application, the rupture front propagation in time has been computed. In 3D application, the study area (20x20x33 km3), the data-set and the source-receiver configurations are related to the KTB-1994 seismic experiment (Jost et al., 1998). We used 60 short-period seismic stations (200-Hz sampling rate, 1-Hz sensors) arranged in 9 small arrays deployed in 2 concentric rings about 1 km (A-arrays) and 5 km (B-array) radius. The coherence values of the scattering points have been computed in the crustal volume, for a finite time-window along all array stations given the hypothesized origin time and source location. The resulting images can be seen as a (relative) joint log-likelihood of any point in the subsurface that have contributed to the full set of observed seismograms.

Ku band transmitarray lens for microwave applications

In this document a microstrip constrained lens device for Ku band, for microwave purpose, is presented. This paper offers an overview of artificial lens-type devices and the proposed transmitarray lens is thoroughly studied in terms of design and manufacturing, with architecture discussion and selection, along with the design, manufacturing and validation of all the forming components of the transmitarray (transmission circuits, radiating elements, etc.). Each element is properly characterized and assembled properly in the complete transmitarray prototype. Eventually, radiation pattern measurements as well as gain and directivity values, are provided to show the proper behaviour of the proposed transmitarray lens.

Contribution to the quality improvement of the antenna measurement using post-processing techniques = Contribución a la mejora de la calidad de medida de antena usando técnicas de post-procesado

One important task in the design of an antenna is to carry out an analysis to find out the characteristics of the antenna that best fulfills the specifications fixed by the application. After that, a prototype is manufactured and the next stage in design process is to check if the radiation pattern differs from the designed one. Besides the radiation pattern, other radiation parameters like directivity, gain, impedance, beamwidth, efficiency, polarization, etc. must be also evaluated. For this purpose, accurate antenna measurement techniques are needed in order to know exactly the actual electromagnetic behavior of the antenna under test. Due to this fact, most of the measurements are performed in anechoic chambers, which are closed areas, normally shielded, covered by electromagnetic absorbing material, that simulate free space propagation conditions, due to the absorption of the radiation absorbing material. Moreover, these facilities can be employed independently of the weather conditions and allow measurements free from interferences. Despite all the advantages of the anechoic chambers, the results obtained both from far-field measurements and near-field measurements are inevitably affected by errors. Thus, the main objective of this Thesis is to propose algorithms to improve the quality of the results obtained in antenna measurements by using post-processing techniques and without requiring additional measurements. First, a deep revision work of the state of the art has been made in order to give a general vision of the possibilities to characterize or to reduce the effects of errors in antenna measurements. Later, new methods to reduce the unwanted effects of four of the most commons errors in antenna measurements are described and theoretical and numerically validated. The basis of all them is the same, to perform a transformation from the measurement surface to another domain where there is enough information to easily remove the contribution of the errors. The four errors analyzed are noise, reflections, truncation errors and leakage and the tools used to suppress them are mainly source reconstruction techniques, spatial and modal filtering and iterative algorithms to extrapolate functions. Therefore, the main idea of all the methods is to modify the classical near-field-to-far-field transformations by including additional steps with which errors can be greatly suppressed. Moreover, the proposed methods are not computationally complex and, because they are applied in post-processing, additional measurements are not required. The noise is the most widely studied error in this Thesis, proposing a total of three alternatives to filter out an important noise contribution before obtaining the far-field pattern. The first one is based on a modal filtering. The second alternative uses a source reconstruction technique to obtain the extreme near-field where it is possible to apply a spatial filtering. The last one is to back-propagate the measured field to a surface with the same geometry than the measurement surface but closer to the AUT and then to apply also a spatial filtering. All the alternatives are analyzed in the three most common near-field systems, including comprehensive noise statistical analyses in order to deduce the signal-to-noise ratio improvement achieved in each case. The method to suppress reflections in antenna measurements is also based on a source reconstruction technique and the main idea is to reconstruct the field over a surface larger than the antenna aperture in order to be able to identify and later suppress the virtual sources related to the reflective waves. The truncation error presents in the results obtained from planar, cylindrical and partial spherical near-field measurements is the third error analyzed in this Thesis. The method to reduce this error is based on an iterative algorithm to extrapolate the reliable region of the far-field pattern from the knowledge of the field distribution on the AUT plane. The proper termination point of this iterative algorithm as well as other critical aspects of the method are also studied. The last part of this work is dedicated to the detection and suppression of the two most common leakage sources in antenna measurements. A first method tries to estimate the leakage bias constant added by the receiver’s quadrature detector to every near-field data and then suppress its effect on the far-field pattern. The second method can be divided into two parts; the first one to find the position of the faulty component that radiates or receives unwanted radiation, making easier its identification within the measurement environment and its later substitution; and the second part of this method is able to computationally remove the leakage effect without requiring the substitution of the faulty component. Resumen Una tarea importante en el diseño de una antena es llevar a cabo un análisis para averiguar las características de la antena que mejor cumple las especificaciones fijadas por la aplicación. Después de esto, se fabrica un prototipo de la antena y el siguiente paso en el proceso de diseño es comprobar si el patrón de radiación difiere del diseñado. Además del patrón de radiación, otros parámetros de radiación como la directividad, la ganancia, impedancia, ancho de haz, eficiencia, polarización, etc. deben ser también evaluados. Para lograr este propósito, se necesitan técnicas de medida de antenas muy precisas con el fin de saber exactamente el comportamiento electromagnético real de la antena bajo prueba. Debido a esto, la mayoría de las medidas se realizan en cámaras anecoicas, que son áreas cerradas, normalmente revestidas, cubiertas con material absorbente electromagnético. Además, estas instalaciones se pueden emplear independientemente de las condiciones climatológicas y permiten realizar medidas libres de interferencias. A pesar de todas las ventajas de las cámaras anecoicas, los resultados obtenidos tanto en medidas en campo lejano como en medidas en campo próximo están inevitablemente afectados por errores. Así, el principal objetivo de esta Tesis es proponer algoritmos para mejorar la calidad de los resultados obtenidos en medida de antenas mediante el uso de técnicas de post-procesado. Primeramente, se ha realizado un profundo trabajo de revisión del estado del arte con el fin de dar una visión general de las posibilidades para caracterizar o reducir los efectos de errores en medida de antenas. Después, se han descrito y validado tanto teórica como numéricamente nuevos métodos para reducir el efecto indeseado de cuatro de los errores más comunes en medida de antenas. La base de todos ellos es la misma, realizar una transformación de la superficie de medida a otro dominio donde hay suficiente información para eliminar fácilmente la contribución de los errores. Los cuatro errores analizados son ruido, reflexiones, errores de truncamiento y leakage y las herramientas usadas para suprimirlos son principalmente técnicas de reconstrucción de fuentes, filtrado espacial y modal y algoritmos iterativos para extrapolar funciones. Por lo tanto, la principal idea de todos los métodos es modificar las transformaciones clásicas de campo cercano a campo lejano incluyendo pasos adicionales con los que los errores pueden ser enormemente suprimidos. Además, los métodos propuestos no son computacionalmente complejos y dado que se aplican en post-procesado, no se necesitan medidas adicionales. El ruido es el error más ampliamente estudiado en esta Tesis, proponiéndose un total de tres alternativas para filtrar una importante contribución de ruido antes de obtener el patrón de campo lejano. La primera está basada en un filtrado modal. La segunda alternativa usa una técnica de reconstrucción de fuentes para obtener el campo sobre el plano de la antena donde es posible aplicar un filtrado espacial. La última es propagar el campo medido a una superficie con la misma geometría que la superficie de medida pero más próxima a la antena y luego aplicar también un filtrado espacial. Todas las alternativas han sido analizadas en los sistemas de campo próximos más comunes, incluyendo detallados análisis estadísticos del ruido con el fin de deducir la mejora de la relación señal a ruido lograda en cada caso. El método para suprimir reflexiones en medida de antenas está también basado en una técnica de reconstrucción de fuentes y la principal idea es reconstruir el campo sobre una superficie mayor que la apertura de la antena con el fin de ser capaces de identificar y después suprimir fuentes virtuales relacionadas con las ondas reflejadas. El error de truncamiento que aparece en los resultados obtenidos a partir de medidas en un plano, cilindro o en la porción de una esfera es el tercer error analizado en esta Tesis. El método para reducir este error está basado en un algoritmo iterativo para extrapolar la región fiable del patrón de campo lejano a partir de información de la distribución del campo sobre el plano de la antena. Además, se ha estudiado el punto apropiado de terminación de este algoritmo iterativo así como otros aspectos críticos del método. La última parte de este trabajo está dedicado a la detección y supresión de dos de las fuentes de leakage más comunes en medida de antenas. El primer método intenta realizar una estimación de la constante de fuga del leakage añadido por el detector en cuadratura del receptor a todos los datos en campo próximo y después suprimir su efecto en el patrón de campo lejano. El segundo método se puede dividir en dos partes; la primera de ellas para encontrar la posición de elementos defectuosos que radian o reciben radiación indeseada, haciendo más fácil su identificación dentro del entorno de medida y su posterior substitución. La segunda parte del método es capaz de eliminar computacionalmente el efector del leakage sin necesidad de la substitución del elemento defectuoso.

Seismic Hazard and Ground Motion Characterization at the Itoiz Dam (Northern Spain).

This paper presents a new hazard-consistent ground motion characterization of the Itoiz dam site, located in Northern Spain. Firstly, we propose a methodology with different approximation levels to the expected ground motion at the dam site. Secondly, we apply this methodology taking into account the particular characteristics of the site and of the dam. Hazard calculations were performed following the Probabilistic Seismic Hazard Assessment method using a logic tree, which accounts for different seismic source zonings and different ground-motion attenuation relationships. The study was done in terms of peak ground acceleration and several spectral accelerations of periods coinciding with the fundamental vibration periods of the dam. In order to estimate these ground motions we consider two different dam conditions: when the dam is empty (T = 0.1 s) and when it is filled with water to its maximum capacity (T = 0.22 s). Additionally, seismic hazard analysis is done for two return periods: 975 years, related to the project earthquake, and 4,975 years, identified with an extreme event. Soil conditions were also taken into account at the site of the dam. Through the proposed methodology we deal with different forms of characterizing ground motion at the study site. In a first step, we obtain the uniform hazard response spectra for the two return periods. In a second step, a disaggregation analysis is done in order to obtain the controlling earthquakes that can affect the dam. Subsequently, we characterize the ground motion at the dam site in terms of specific response spectra for target motions defined by the expected values SA (T) of T = 0.1 and 0.22 s for the return periods of 975 and 4,975 years, respectively. Finally, synthetic acceleration time histories for earthquake events matching the controlling parameters are generated using the discrete wave-number method and subsequently analyzed. Because of the short relative distances between the controlling earthquakes and the dam site we considered finite sources in these computations. We conclude that directivity effects should be taken into account as an important variable in this kind of studies for ground motion characteristics.

An Asymptotic Solution for Surface Fields on a Dielectric-Coated Circular Cylinder with an Effective Impedance Boundary Condition.

Reverberation chambers are well known for providing a random-like electric field distribution. Detection of directivity or gain thereof requires an adequate procedure and smart post-processing. In this paper, a new method is proposed for estimating the directivity of radiating devices in a reverberation chamber (RC). The method is based on the Rician K-factor whose estimation in an RC benefits from recent improvements. Directivity estimation relies on the accurate determination of the K-factor with respect to a reference antenna. Good agreement is reported with measurements carried out in near-field anechoic chamber (AC) and using a near-field to far-field transformation.

Procedimiento para la medición y verificación de la directividad y la cobertura de una fuente sobre un elemento de fachada de acuerdo a la norma ISO 140-5

El apartado <4.2 Altavoz> de la Norma Internacional UNE-EN ISO 140-5 [1] especifica que la directividad del altavoz usado en el ensayo debe asegurar en todas las bandas de frecuencias de interés, unas diferencias de nivel locales inferiores a 5dB (o a 10 dB para fachadas de dimensiones mayores a 5m), medidas en campo libre, sobre una superficie del mismo tamaño y orientación que la pared o elemento a ensayar. Este requisito debe verificarse en unas bandas de frecuencia de interés que sean como mínimo los tercios de octava desde 100Hz hasta 3150Hz, y preferiblemente desde 50Hz hasta 5kHz. Desde hace unos años, en el Laboratorio de sonido de la EUIT de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid, los autores han implementado un método en el que, a partir de las medidas de directividad en cámara anecoica de la fuente sonora a ensayar, se calcula el campo sonoro directo sobre una superficie ficticia que representa un elemento de fachada en la misma disposición que se indica en la norma ICO 140-5 y con unas dimensiones según se requieran en el procedimiento. También se estima la dimensión horizontal máxima ΔXmax de una fachada rectangular en relación de aspecto fija que permite verificar la norma con los criterios de 5dB y 10dB de diferencias máximas de niveles directos en dicha fachada. En esta ponencia se detalla el procedimiento anterior. ABSTRACT. The Section "4.2 loudspeaker" of the UNE-EN ISO 140-5 International Standard: "Field measurements of airborne sound insulation of façade elements and façades", specifies that the directivity of the loudspeaker used in the test must ensure in all frequency bands of interest, local level differences less than 5dB (or 10dB for façade dimensions greater than 5m), measured in free field over an area of the same size and orientation as the wall or element to be tested. This requirement must be verified in the frequency bands of interest which are, at least, the third octave bands from 100Hz to 3150Hz, preferably from 50Hz to 5kHz. In recent years, in the Laboratory of Sound of the EUIT Telecomunicación (Universidad Politécnica de Madrid), the authors have implemented a method that, from directivity measurements of loudspeakers performed in the anechoic room, the direct sound field on a surface in the same layout as indicated in the ISO standard is calculated. It is also estimated the maximum horizontal dimension Δxmax of a rectangular façade for each aspect ratio which verify the standard criteria of either 5dB or 10dB for the maximum differences of direct levels in the façade. This paper details the procedure above introduced.

Diseño y configuración técnica de un espectáculo de directo

En primer lugar se realiza una breve introducción a la historia del refuerzo sonoro, en el cual veremos cómo a ido evolucionando hasta lo que se conoce hoy en día como Line Array, luego nos centraremos en los factores acústicos a tener en cuenta, en ellos repasaremos los conceptos de fase y la importancia de este factor en cuanto a la interacción de más de altavoz, en esta parte también repasaremos como afectan las condiciones climáticas como la atenuación del aire y la temperatura, a la propagación de sonido. A continuación nos centraremos en el diseño de arreglos de altavoces, veremos las diferentes configuraciones para diferentes rangos de trabajo, veremos sus ventajas y desventajas de cada arreglo y también se verá la forma de controlar la directividad de los arreglos para optimizar la propagación del sonido en el área a cubrir, para terminar esta parte profundizaremos en el diseño de los sistemas Line Array, analizando su estructura interna para entender su comportamiento directivo y eficaz en cuanto a la propagación de ondas. Por último se hará el análisis de un montaje real, en el cual tuve participación directa en el montaje ya que la empresa para la que trabajaba se encargó de hacer la gira del grupo español Amaral. Esta gira se realiza en el año 2008-2009, gracias a esta experiencia he podido llevar a cabo este proyecto donde también he podido comprobar algunos conceptos empleados en el diseño de arreglos. De esta Gira, se analizará la efectividad y el rendimiento del diseño de arreglo empleado, para esto se generará mediante software de predicción acústica, el mapa de presión sonora generado por el diseño empleado, una vez visto los resultados, se planteará una reorganización del arreglo de altavoces, para poder conseguir un mejor rendimiento en el área a cubrir. ABSTRACT. First is a brief introduction to the history of sound reinforcement, in which we will see how to have evolved into what is known today as Line Array, then we will focus on acoustic factors to consider in they will review phase concepts and the importance of this factor as to the interaction of the speaker more in this part also review such as climatic conditions affecting air attenuation and temperature, to the propagation of sound. Here we focus on the speaker array design, we see the different configurations for different ranges of work, we will see the advantages and disadvantages of each arrangement and also see how to control the directivity of the arrays to optimize sound propagation in the area to be covered, to finish this part will delve into the design of line array systems, analyzing its internal structure to understand its behavior management and effective in terms of wave propagation. Finally, we will analyze a real assembly, which had direct involvement in the assembly as the company for which he worked was commissioned to do the tour of the Spanish group Amaral. This tour takes place in the year 2008-2009, thanks to this experience I have been able to conduct this project where I have seen also some concepts used in the array design. In this tour, we analyze the effectiveness and performance of the array design used for this is generated by acoustical prediction software, the map of sound pressure generated by the design employed, once seen the results, he will consider reorganization under speaker, in order to achieve better performance in the area to be covered.

Aspects of a phased array radar feed and bias network design

Radar technologies have been developed to improve the efficiency when detecting targets. Radar is a system composed by several devices connected and working together. Depending on the type of radar, the improvements are focused on different functionalities of the radar. One of the most important devices composing a radar is the antenna, that sends the radio-frequency signal to the space in order to detect targets. This project is focused on a specific type of radar called phased array radar. This type of radar is characterized by its antenna, which consist on a linear array of radiating elements, in this particular case, eight dipoles working at the frequency band S. The main advantage introduced by the phased array antenna is that using the fundamentals of arrays, the directivity of the antenna can change by shifting the phase of the signal at the input of each radiating element. This can be done using phase shifters. Phase shifter consists on a device which produces a phase shift in the radio-frequency input signal depending on a control DC voltage. Using a phased array antenna allows changing the directivity of the antenna without a mechanical rotating system. The objective of this project is to design the feed network and the bias network of the phased antenna. The feed network consists on a parallel-fed network composed by power dividers that sends the radio-frequency signal from the source to each radiating element of the antenna. The bias network consists on a system that generates the control DC voltages supplied to the phase shifters in order to change the directivity. The architecture of the bias network is composed by a software, implemented in Matlab and run in a laptop which is connected to a micro-controller by a serial communication port. The software calculates the control DC voltages needed to obtain a determined directivity or scan angle. These values are sent by the serial communication port to the micro-controller as data. Then the micro-controller generates the desired control DC voltages and supplies them to the phase shifters. In this project two solutions for bias network are designed. Each one is tested and final conclusions are obtained to determine the advantages and disadvantages. Finally a graphic user interface is developed in order to make the system easy to use. RESUMEN. Las tecnologías empleadas por lo dispositivos radar se han ido desarrollando para mejorar su eficiencia y usabilidad. Un radar es un sistema formado por varios subsistemas conectados entre sí. Por lo que dependiendo del tipo de radar las mejoras se centran en los subsistemas correspondientes. Uno de los elementos más importantes de un radar es la antena. Esta se emplea para enviar la señal de radiofrecuencia al espacio y así poder detectar los posibles obstáculos del entorno. Este proyecto se centra en un tipo específico de radar llamado phased array radar. Este tipo de radar se caracteriza por la antena que es un array de antenas, en concreto para este proyecto se trata de un array lineal de ocho dipolos en la banda de frequencia S. El uso de una antena de tipo phased array supone una ventaja importante. Empleando los fundamentos de radiación aplicado a array de antenas se obtiene que la directividad de la antena puede ser modificada. Esto se consigue aplicando distintos desfasajes a la señal de radiofrecuencia que alimenta a cada elemento del array. Para aplicar los desfasajes se emplea un desplazador de fase, este dispositivo aplica una diferencia de fase a su salida con respecto a la señal de entrada dependiendo de una tensión continua de control. Por tanto el empleo de una antena de tipo phased array supone una gran ventaja puesto que no se necesita un sistema de rotación para cambiar la directividad de la antena. El objetivo principal del proyecto consiste en el diseño de la red de alimentación y la red de polarización de la antena de tipo phased array. La red de alimentación consiste en un circuito pasivo que permite alimentar a cada elemento del array con la misma cantidad de señal. Dicha red estará formada por divisores de potencia pasivos y su configuración será en paralelo. Por otro lado la red de polarización consiste en el diseño de un sistema automático que permite cambiar la directividad de la antena. Este sistema consiste en un programa en Matlab que es ejecutado en un ordenador conectado a un micro-controlador mediante una comunicación serie. El funcionamiento se basa en calcular las tensiones continuas de control, que necesitan los desplazadores de fase, mediante un programa en Matlab y enviarlos como datos al micro-controlador. Dicho micro-controlador genera las tensiones de control deseadas y las proporciona a cada desplazador de fase, obteniendo así la directividad deseada. Debido al amplio abanico de posibilidades, se obtienen dos soluciones que son sometidas a pruebas. Se obtienen las ventajas y desventajas de cada una. Finalmente se implementa una interfaz gráfica de usuario con el objetivo de hacer dicho sistema manejable y entendible para cualquier usuario.

Procedure for verification of sound source coverage over façades according to the International Standard ISO 140-5

This paper presents a new verification procedure for sound source coverage according to ISO 140?5 requirements. The ISO 140?5 standard applies to the measurement of façade insulation and requires a sound source able to achieve a sufficiently uniform sound field in free field conditions on the façade under study. The proposed method involves the electroacoustic characterisation of the sound source in laboratory free field conditions (anechoic room) and the subsequent prediction by computer simulation of the sound free field radiated on a rectangular surface equal in size to the façade being measured. The loudspeaker is characterised in an anechoic room under laboratory controlled conditions, carefully measuring directivity, and then a computer model is designed to calculate the acoustic free field coverage for different loudspeaker positions and façade sizes. For each sound source position, the method provides the maximum direct acoustic level differences on a façade specimen and therefore determines whether the loudspeaker verifies the maximum allowed level difference of 5 dB (or 10 dB for façade dimensions greater than 5 m) required by the ISO standard. Additionally, the maximum horizontal dimension of the façade meeting the standard is calculated and provided for each sound source position, both with the 5 dB and 10 dB criteria. In the last section of the paper, the proposed procedure is compared with another method used by the authors in the past to achieve the same purpose: in situ outdoor measurements attempting to recreate free field conditions. From this comparison, it is concluded that the proposed method is able to reproduce the actual measurements with high accuracy, for example, the ground reflection effect, at least at low frequencies, which is difficult to avoid in the outdoor measurement method, and it is fully eliminated with the proposed method to achieve the free field requisite.

Análisis de bocinas en MatLab

El presente proyecto parte de un programa utilizado en las prácticas de laboratorio en la asignatura Antenas y Compatibilidad Electromagnética del sexto semestre llamado SABOR, que pretende ser actualizado para que en las nuevas versiones de los sistemas operativos ofrecidos por la compañía Windows pueda ser operativo. El objetivo principal será diseñar e implementar nuevas funcionalidades así como desarrollar mejoras y corregir errores del mismo. Para su mejor entendimiento se ha creado una herramienta en entorno MATLAB para analizar uno de los tipos más comunes de Apertura que se utilizan actualmente, las bocinas. Dicha herramienta es una interfaz gráfica que tiene como entradas las variables elementales de diseño de la apertura como por ejemplo: dimensiones de la propia bocina o los parámetros generales comunes a todas ellas. A su vez, el software nos genera algunos de los parámetros de salida fundamentales de las antenas: Directividad, Ancho de haz, Centro de fase y Spillover. Para el correcto desarrollo del software se ha realizado numerosas pruebas con el fin de depurar y corregir errores con respecto a la anterior versión del SABOR. Por otra parte se ha hecho también hincapié en la funcionalidad del programa para que sea más intuitivo y evitar complejidades. El tipo de antena que se pretende estudiar es la bocina que consiste en una guía de onda en la cual el área de la sección se va incrementando progresivamente hasta un extremo abierto, que se comporta como una apertura. Se utilizan extensamente en satélites comerciales para coberturas globales desde órbitas geoestacionarias, pero el uso más común es como elemento de radiación para reflectores de antenas. Los tipos de bocinas que se van a examinar en la herramienta son: Sectorial H, Sectorial E, Piramidal, Cónica, Cónica Corrugada y Piramidal Corrugada. El proyecto está desarrollado de manera que pueda servir de información teórico-práctico de todo el software SABOR. Por ello, el documento además de revisar la teoría de las bocinas analizadas, mostrará la información relacionada con la programación orientado a objetos en entorno MATLAB cuyo objetivo propio es adquirir una nueva forma de pensamiento acerca del proceso de descomposición de problemas y desarrollo de soluciones de programación. Finalmente se ha creado un manual de autoayuda para dar soporte al software y se han incluido los resultados de diversas pruebas realizadas para poder observar todos los detalles de su funcionamiento, así como las conclusiones y líneas futuras de acción. ABSTRACT This Project comes from a program used in the labs of the subject Antennas and Electromagnetic Compatibility in the sixth semester called SABOR, which aims to be updated in order to any type of computer running a Windows operating systems(Windows 7 and subsequent versions). The main objectives are design and improve existing functionalities and develop new features. In addition, we will correct mistakes in earlier versions. For a better understanding a new custom tool using MATLAB environment has been created to analyze one of the most common types of apertura antenna which is used for the moment, horns. This tool is a graphical interface that has elementary design variables as a inputs, for example: Dimensions of the own horn or common general parameters of all horns. At the same time, the software generate us some of the fundamental parameters of antennas output like Directivity, Beamwidth, Phase centre and Spillover. This software has been performed numerous tests for the proper functioning of the Software and we have been cared in order to debug and correct errors that were detected in earlier versions of SABOR. In addition, it has also been emphasized the program's functionality in order to be more intuitive and avoiding unnecessary barriers or complexities. The type of antenna that we are going to study is the horn which consists of a waveguides which the section area has been gradually increasing to an open-ended, that behaves as an aperture. It is widely used in comercial satellites for global coverage from geostationary orbits. However, the most common use is radiating element for antenna reflectors. The types of horns which is going to be considered are: Rectangular H-plane sectorial, Rectangular E-plane sectorial, Rectangular Pyramidal, Circular, Corrugated Circular and Corrugated Pyramidal. The Project is developed so that it can be used as practical-theorical information around the SABOR software. Therefore, In addition to thoroughly reviewing the theory document of analyzed horns, it display information related to the object-oriented programming in MATLAB environment whose goal leads us to a new way of thinking about the process of decomposition of problems and solutions development programming. Finally, it has been created a self-help manual in order to support the software and has been included the results of different tests to observe all the details of their operations, as well as the conclusions and future action lines.

Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.

Restauración virtual del patrimonio sonoro. Aplicación al antiguo rito hispánico

Una de las aplicaciones más interesantes de las tecnologías de Realidad Acústica Virtual es la posibilidad de recuperar el patrimonio cultural del sonido de los recintos históricos que se han perdido o cuyas características se han modificado a lo largo de los siglos. En este trabajo, las tecnologías de realidad acústica virtual se utilizan para tratar de reconstruir virtualmente el sonido producido en las actividades litúrgicas del antiguo rito hispánico. Bajo este nombre se conoce a la liturgia que celebraban los cristianos de la península ibérica hasta su prohibición, en favor del culto romano, a mediados del siglo XI. El rito hispánico -también conocido como rito visigótico-mozárabe- es una de las manifestaciones culturales más interesantes de la Alta Edad Media en occidente. Se trata de un patrimonio cultural desaparecido, tanto desde el punto de vista de las señales sonoras que lo integraban -ya que la mayoría de las melodías que conformaban el rito se han perdido- como desde el punto de vista de los espacios en los que se desarrollaba, debido a que las iglesias conservadas de la época han experimentado modificaciones a lo largo de los siglos que alteran sus condiciones acústicas con respecto a las que tenían en el periodo de vigencia de esta liturgia. Para llevar a cabo este proyecto, se han realizado modelos acústicos digitales de un grupo representativo de iglesias prerrománicas de la Península Ibérica en su estado primitivo. Se ha procurado que las iglesias seleccionadas representen la variedad de comportamientos acústicos esperables en este tipo de edificios. Con este objetivo, se han elegido cinco iglesias prerrománicas que presentan diferencias sustanciales en los parámetros que, a priori, van a influir en mayor manera a su comportamiento acústico: el volumen del recinto, la forma de la planta y el tipo de cubierta. El proceso de creación de los modelos acústicos digitales de las iglesias se ha dividido en dos fases: en la primera se han creado modelos de los edificios en su estado actual, que se han validado a partir de los datos obtenidos en mediciones acústicas realizadas in situ; a partir de los modelos validados de las iglesias en su estado actual, en la segunda fase se han generado los modelos acústicos digitales correspondientes al estado primitivo de las mismas, modificando los modelos anteriores de acuerdo con las hipótesis de reconstrucción propuestas en las investigaciones arqueológicas más recientes. Se han realizado grabaciones en cámara anecoica de una serie de piezas del repertorio original del canto mozárabe. Las grabaciones se han llevado a cabo con un array esférico compuesto por 32 micrófonos, con objeto de obtener información sobre la directividad de la emisión sonora de los cantantes, que se aplicará en las auralizaciones. Finalmente, se han realizado diversas auralizaciones, teniendo en cuenta diferentes configuraciones litúrgicas que eran usuales en este rito. ABSTRACT One of the most interesting applications of the Acoustic Virtual Reality technologies is the possibility to recover the cultural heritage of the sound of the historical sites that have been lost or whose characteristics have been modified through time. In this work, Acoustic Virtual Reality technologies are used to try to reconstruct virtually the sound produced in the liturgical activities of the Hispanic Rite. This is the name given to the liturgy celebrated by Christians of the Iberian Peninsula prior to the introduction of the Roman cult in the mid-eleventh century. The Hispanic Rite (also known as Visigothic or Mozarabic rite) is one of the most interesting cultural manifestations of the Middle Ages. It is a lost cultural heritage, both from the point of view of the sound signals that were used since the majority of the melodies that conformed the rite have been lost, and from the point of view of the spaces in which this liturgy was celebrated, because the churches preserved from that era have changed over the centuries altering its acoustic conditions respect to which they were in the period in which this liturgy was in effect. To carry out this project, acoustic models of a representative group of the pre-Romanesque churches in the Iberian Peninsula have been made in his primitive state. To select the sample of buildings to study, efforts have been made to ensure that the selected churches were representative of the range of expected acoustic behaviors in this type of buildings. Five churches have been selected, showing differences in the parameters that have the greatest influence on their acoustic behavior: the enclosure volume, the shape of the floor plan and the type of roof. The process of creating digital acoustic models of the churches has been divided into two phases. In the first phase acoustic models of the churches in its current state have been created. These models have been validated with the data obtained from in situ acoustic measurements. From the validated models of churches in its current state, in the second phase, changes in the acoustic models have been performed in order to represent the primitive state of the churches, according to the historical reconstruction hypothesis that have been proposed in the most recent archaeological investigations. Anechoic recordings of a series of pieces of the original Mozarabic Chant repertoire have been recorded. The recordings were made with a spherical array composed of 32 microphones, in order to obtain information on the directivity of the sound emission of the singers. These directivity data will be used to simulate the directional radiation of the sound sources in the auralizations. Finally, auralizations were produced corresponding to different liturgical configurations which were common in this rite.

Desenvolvimento e otimização de antenas Vivaldi antipodais para aplicações a altas frequências.

Esta tese propõe a síntese e o estudo de uma nova técnica de cavidades de borda aplicada a antenas Vivaldi, com o intuito de melhorar suas características de diretividade. Embora as antenas do tipo Vivaldi possuam características diretivas, elas produzem radiações laterais indesejáveis, o que se reflete nos elevados índices de lóbulos laterais devido a correntes superficiais que fluem ao longo das bordas metalizadas nas laterais da antena. Estas correntes são a origem das radiações laterais que vêm sendo mitigadas pela aplicação de cavidades ressonantes, triangulares ou retangulares, que aprisionam tais correntes e, consequentemente, atenuam os lóbulos laterais, sem o incremento do lóbulo principal, uma vez que toda a energia dos lóbulos laterais é apenas confinada nos ressonadores e por isso literalmente perdida. Ao contrário desses esforços, este trabalho propõe cavidades radiantes tanto na forma de abertura exponencial, como na forma do fractais de Koch, que funcionam como radiadores auxiliares (antenas auxiliares), canalizando as correntes de borda e aproveitando-as para aumentar os níveis do lóbulo principal, mitigando os níveis de lóbulo lateral. A síntese desta nova técnica foi implementada em uma antena Vivaldi antipodal com características de baixa diretividade, como qualquer antena Vivaldi, o que foi corrigido e a aplicação da técnica de cavidades radiantes deu origem a duas novas antenas Vivaldis efetivamente diretivas. Os resultados foram obtidos através de simulações do modelo numérico no CST Microwave Studio e confirmados com medidas de laboratório, o que evidenciou a melhora das características de diretividade da antena pela aplicação da nova técnica de cavidades radiantes.

3D numerical modelling of acoustic horns using the method of fundamental solutions

In the present work, a three-dimensional (3D) formulation based on the method of fundamental solutions (MFS) is applied to the study of acoustic horns. The implemented model follows and extends previous works that only considered two-dimensional and axisymmetric horn configurations. The more realistic case of 3D acoustic horns with symmetry regarding two orthogonal planes is addressed. The use of the domain decomposition technique with two interconnected sub-regions along a continuity boundary is proposed, allowing for the computation of the sound pressure generated by an acoustic horn installed on a rigid screen. In order to reduce the model discretization requirements for these cases, Green’s functions derived with the image source methodology are adopted, automatically accounting for the presence of symmetry conditions. A strategy for the calculation of an optimal position of the virtual sources used by the MFS to define the solution is also used, leading to improved reliability and flexibility of the proposed method. The responses obtained by the developed model are compared to reference solutions, computed by well-established models based on the boundary element method. Additionally, numerically calculated acoustic parameters, such as directivity and beamwidth, are compared with those evaluated experimentally.

Microphone and loudspeaker arrays for room acoustic measurements

A multichannel spherical speaker array allows, together with a spherical microphones array, the measurement of the MIMO (Multiple Input Multiple Output) acoustic impulse response of an environment capturing meaningful information about propagation of sound between source an receiver. The mathematical framework for extracting arbitrary directivity virtual microphones from real microphones array signals is recalled and the application of the same method to the speakers array to generate arbitrary directivity source is presented. A convenient solutions for the construction and calibration of speakers spherical array for measurement purposes is illustrated. The postprocessing technique developed to compute and visualize acoustic path between source and receiver from measured MIMO impulse response is discussed. Real word results from measurement in a small theater are shown.