Space-state robust control of a Buck converter with amorphous core coil and variable load

Pulse-width modulation is widely used to control electronic converters. One of the most frequently used topologies for high DC voltage/low DC voltage conversion is the Buck converter. These converters are described by a second order system with an LC filter between the switching subsystem and the load. The use of a coil with an amorphous magnetic material core rather than an air core permits the design of smaller converters. If high switching frequencies are used to obtain high quality voltage output, then the value of the auto inductance L is reduced over time. Robust controllers are thus needed if the accuracy of the converter response must be preserved under auto inductance and payload variations. This paper presents a robust controller for a Buck converter based on a state space feedback control system combined with an additional virtual space variable which minimizes the effects of the inductance and load variations when a switching frequency that is not too high is applied. The system exhibits a null steady-state average error response for the entire range of parameter variations. Simulation results and a comparison with a standard PID controller are also presented.

Design techniques for xilinx virtex FPGA configuration memory scrubbers

SRAM-based FPGAs are in-field reconfigurable an unlimited number of times. This characteristic, together with their high performance and high logic density, proves to be very convenient for a number of ground and space level applications. One drawback of this technology is that it is susceptible to ionizing radiation, and this sensitivity increases with technology scaling. This is a first order concern for applications in harsh radiation environments, and starts to be a concern for high reliability ground applications. Several techniques exist for coping with radiation effects at user application. In order to be effective they need to be complemented with configuration memory scrubbing, which allows error mitigation and prevents failures due to error accumulation. Depending on the radiation environment and on the system dependability requirements, the configuration scrubber design can become more or less complex. This paper classifies and presents current and novel design methodologies and architectures for SRAM-based FPGAs, and in particular for Xilinx Virtex-4QV/5QV, configuration memory scrubbers.

Space-time ocean wave measurement using variational stereo vision systems

Remote sensing imaging systems for the measurement of oceanic sea states have recently attracted renovated attention. Imaging technology is economical, non-invasive and enables a better understanding of the space-time dynamics of ocean waves over an area rather than at selected point locations of previous monitoring methods (buoys, wave gauges, etc.). We present recent progress in space-time measurement of ocean waves using stereo vision systems on offshore platforms. Both traditional disparity-based systems and modern elevation-based ones are presented in a variational optimization framework: the main idea is to pose the stereoscopic reconstruction problem of the surface of the ocean in a variational setting and design an energy functional whose minimizer is the desired temporal sequence of wave heights. The functional combines photometric observations as well as spatial and temporal smoothness priors. Disparity methods estimate the disparity between images as an intermediate step toward retrieving the depth of the waves with respect to the cameras, whereas elevation methods estimate the ocean surface displacements directly in 3-D space. Both techniques are used to measure ocean waves from real data collected at offshore platforms in the Black Sea (Crimean Peninsula, Ukraine) and the Northern Adriatic Sea (Venice coast, Italy). Then, the statistical and spectral properties of the resulting observed waves are analyzed. We show the advantages and disadvantages of the presented stereo vision systems and discuss the improvement of their performance in critical issues such as the robustness of the camera calibration in spite of undesired variations of the camera parameters.

Combining Text and Graphics for Interactive Exploration of Behavior Datasets

Modern sensor technologies and simulators applied to large and complex dynamic systems (such as road traffic networks, sets of river channels, etc.) produce large amounts of behavior data that are difficult for users to interpret and analyze. Software tools that generate presentations combining text and graphics can help users understand this data. In this paper we describe the results of our research on automatic multimedia presentation generation (including text, graphics, maps, images, etc.) for interactive exploration of behavior datasets. We designed a novel user interface that combines automatically generated text and graphical resources. We describe the general knowledge-based design of our presentation generation tool. We also present applications that we developed to validate the method, and a comparison with related work.

A review of electrodynamic tethers for space applications

Space applications of electrodynamic tethers, and basic issues and constraints on their operation are reviewed. The status of the bare-tether solution to the problem of effective electron collection from a rarefied magnetized plasma is revisited. Basic modes of tether operation are analyzed; design parameters and parametric domains where a bare electrodynamic tether is most efficient in deorbiting, rebooking, or power generation, are determined. Use of bare tethers for Radiation Belt Remediation and generation of electron beams for ionospheric research is considered. Teiher heating, arcing, and bowing or breaking, as well deployment strategies are discussed.

Development of an Elevated Temperature Loop Heat Pipe for Space Applications and Investigation of Non Condensable Gas Impact on its Performance

Un caloducto en bucle cerrado o Loop Heat Pipe (LHP) es un dispositivo de transferencia de calor cuyo principio de operación se basa en la evaporación/condensación de un fluido de trabajo, que es bombeado a través de un circuito cerrado gracias a fuerzas de capilaridad. Gracias a su flexibilidad, su baja masa y su mínimo (incluso nulo) consumo de potencia, su principal aplicación ha sido identificada como parte del subsistema de control térmico de vehículos espaciales. En el presente trabajo se ha desarrollado un LHP capaz de funcionar eficientemente a temperaturas de hasta 125 oC, siguiendo la actual tendencia de los equipos a bordo de satélites de incrementar su temperatura de operación. En la selección del diseño optimo para dicho LHP, la compatibilidad entre materiales y fluido de trabajo se identificó como uno de los puntos clave. Para seleccionar la mejor combinación, se llevó a cabo una exhaustiva revisión del estado del arte, además de un estudio especifico que incluía el desarrollo de un banco de ensayos de compatibilidad. Como conclusión, la combinación seleccionada como la candidata idónea para ser integrada en el LHP capaz de operar hasta 125 oC fue un evaporador de acero inoxidable, líneas de titanio y amoniaco como fluido de trabajo. En esa línea se diseñó y fabricó un prototipo para ensayos y se desarrolló un modelo de simulación con EcosimPro para evaluar sus prestaciones. Se concluyó que el diseño era adecuado para el rango de operación definido. La incompatibilidad entre el fluido de trabajo y los materiales del LHP está ligada a la generación de gases no condensables. Para un estudio más detallado de los efectos de dichos gases en el funcionamiento del LHP se analizó su comportamiento con diferentes cantidades de nitrógeno inyectadas en su cámara de compensación, simulando un gas no condensable formado en el interior del dispositivo. El estudio se basó en el análisis de las temperaturas medidas experimentalmente a distintos niveles de potencia y temperatura de sumidero o fuente fría. Adicionalmente, dichos resultados se compararon con las predicciones obtenidas por medio del modelo en EcosimPro. Las principales conclusiones obtenidas fueron dos. La primera indica que una cantidad de gas no condensable más de dos veces mayor que la cantidad generada al final de la vida de un satélite típico de telecomunicaciones (15 años) tiene efectos casi despreciables en el funcionamiento del LHP. La segunda es que el principal efecto del gas no condensable es una disminución de la conductancia térmica, especialmente a bajas potencias y temperaturas de sumidero. El efecto es más significativo cuanto mayor es la cantidad de gas añadida. Asimismo, durante la campaña de ensayos se observó un fenómeno no esperado para grandes cantidades de gas no condensable. Dicho fenómeno consiste en un comportamiento oscilatorio, detectado tanto en los ensayos como en la simulación. Este efecto es susceptible de una investigación más profunda y los resultados obtenidos pueden constituir la base para dicha tarea. ABSTRACT Loop Heat Pipes (LHPs) are heat transfer devices whose operating principle is based on the evaporation/condensation of a working fluid, and which use capillary pumping forces to ensure the fluid circulation. Thanks to their flexibility, low mass and minimum (even null) power consumption, their main application has been identified as part of the thermal control subsystem in spacecraft. In the present work, an LHP able to operate efficiently up to 125 oC has been developed, which is in line with the current tendency of satellite on-board equipment to increase their operating temperatures. In selecting the optimal LHP design for the elevated temperature application, the compatibility between the materials and working fluid has been identified as one of the main drivers. An extensive literature review and a dedicated trade-off were performed, in order to select the optimal combination of fluids and materials for the LHP. The trade-off included the development of a dedicated compatibility test stand. In conclusion, the combination of stainless steel evaporator, titanium piping and ammonia as working fluid was selected as the best candidate to operate up to 125 oC. An LHP prototype was designed and manufactured and a simulation model in EcosimPro was developed to evaluate its performance. The first conclusion was that the defined LHP was suitable for the defined operational range. Incompatibility between the working fluid and LHP materials is linked to Non Condensable Gas (NCG) generation. Therefore, the behaviour of the LHP developed with different amounts of nitrogen injected in its compensation chamber to simulate NCG generation, was analyzed. The LHP performance was studied by analysis of the test results at different temperatures and power levels. The test results were also compared to simulations in EcosimPro. Two additional conclusions can be drawn: (i) the effects of an amount of more than two times the expected NCG at the end of life of a typical telecommunications satellite (15 years) is almost negligible on the LHP operation, and (ii) the main effect of the NCG is a decrease in the LHP thermal conductance, especially at low temperatures and low power levels. This decrease is more significant with the progressive addition of NCG. An unexpected phenomenon was observed in the LHP operation with large NCG amounts. Namely, an oscillatory behaviour, which was observed both in the tests and the simulation. This effect provides the basis for further studies concerning oscillations in LHPs.

Bare-tape scaling laws for de-orbit missions in a space debris environment

El entorno espacial actual hay un gran numero de micro-meteoritos y basura espacial generada por el hombre, lo cual plantea un riesgo para la seguridad de las operaciones en el espacio. La situación se agrava continuamente a causa de las colisiones de basura espacial en órbita, y los nuevos lanzamientos de satélites. Una parte significativa de esta basura son satélites muertos, y fragmentos de satélites resultantes de explosiones y colisiones de objetos en órbita. La mitigación de este problema se ha convertido en un tema de preocupación prioritario para todas las instituciones que participan en operaciones espaciales. Entre las soluciones existentes, las amarras electrodinámicas (EDT) proporcionan un eficiente dispositivo para el rápido de-orbitado de los satélites en órbita terrestre baja (LEO), al final de su vida útil. El campo de investigación de las amarras electrodinámicas (EDT) ha sido muy fructífero desde los años 70. Gracias a estudios teóricos, y a misiones para la demostración del funcionamiento de las amarras en órbita, esta tecnología se ha desarrollado muy rápidamente en las últimas décadas. Durante este período de investigación, se han identificado y superado múltiples problemas técnicos de diversa índole. Gran parte del funcionamiento básico del sistema EDT depende de su capacidad de supervivencia ante los micro-meteoritos y la basura espacial. Una amarra puede ser cortada completamente por una partícula cuando ésta tiene un diámetro mínimo. En caso de corte debido al impacto de partículas, una amarra en sí misma, podría ser un riesgo para otros satélites en funcionamiento. Por desgracia, tras varias demostraciones en órbita, no se ha podido concluir que este problema sea importante para el funcionamiento del sistema. En esta tesis, se presenta un análisis teórico de la capacidad de supervivencia de las amarras en el espacio. Este estudio demuestra las ventajas de las amarras de sección rectangular (cinta), en cuanto a la probabilidad de supervivencia durante la misión, frente a las amarras convencionales (cables de sección circular). Debido a su particular geometría (longitud mucho mayor que la sección transversal), una amarra puede tener un riesgo relativamente alto de ser cortado por un único impacto con una partícula de pequeñas dimensiones. Un cálculo analítico de la tasa de impactos fatales para una amarra cilindrica y de tipo cinta de igual longitud y masa, considerando el flujo de partículas de basura espacial del modelo ORDEM2000 de la NASA, muestra mayor probabilidad de supervivencia para las cintas. Dicho análisis ha sido comparado con un cálculo numérico empleando los modelos de flujo el ORDEM2000 y el MASTER2005 de ESA. Además se muestra que, para igual tiempo en órbita, una cinta tiene una probabilidad de supervivencia un orden y medio de magnitud mayor que una amarra cilindrica con igual masa y longitud. Por otra parte, de-orbitar una cinta desde una cierta altitud, es mucho más rápido, debido a su mayor perímetro que le permite capturar más corriente. Este es un factor adicional que incrementa la probabilidad de supervivencia de la cinta, al estar menos tiempo expuesta a los posibles impactos de basura espacial. Por este motivo, se puede afirmar finalmente y en sentido práctico, que la capacidad de supervivencia de la cinta es bastante alta, en comparación con la de la amarra cilindrica. El segundo objetivo de este trabajo, consiste en la elaboración de un modelo analítico, mejorando la aproximación del flujo de ORDEM2000 y MASTER2009, que permite calcular con precisión, la tasa de impacto fatal al año para una cinta en un rango de altitudes e inclinaciones, en lugar de unas condiciones particulares. Se obtiene el numero de corte por un cierto tiempo en función de la geometría de la cinta y propiedades de la órbita. Para las mismas condiciones, el modelo analítico, se compara con los resultados obtenidos del análisis numérico. Este modelo escalable ha sido esencial para la optimización del diseño de la amarra para las misiones de de-orbitado de los satélites, variando la masa del satélite y la altitud inicial de la órbita. El modelo de supervivencia se ha utilizado para construir una función objetivo con el fin de optimizar el diseño de amarras. La función objectivo es el producto del cociente entre la masa de la amarra y la del satélite y el numero de corte por un cierto tiempo. Combinando el modelo de supervivencia con una ecuación dinámica de la amarra donde aparece la fuerza de Lorentz, se elimina el tiempo y se escribe la función objetivo como función de la geometría de la cinta y las propietades de la órbita. Este modelo de optimización, condujo al desarrollo de un software, que esta en proceso de registro por parte de la UPM. La etapa final de este estudio, consiste en la estimación del número de impactos fatales, en una cinta, utilizando por primera vez una ecuación de límite balístico experimental. Esta ecuación ha sido desarollada para cintas, y permite representar los efectos tanto de la velocidad de impacto como el ángulo de impacto. Los resultados obtenidos demuestran que la cinta es altamente resistente a los impactos de basura espacial, y para una cinta con una sección transversal definida, el número de impactos críticos debidos a partículas no rastreables es significativamente menor. ABSTRACT The current space environment, consisting of man-made debris and tiny meteoroids, poses a risk to safe operations in space, and the situation is continuously deteriorating due to in-orbit debris collisions and to new satellite launches. Among these debris a significant portion is due to dead satellites and fragments of satellites resulted from explosions and in-orbit collisions. Mitigation of space debris has become an issue of first concern for all the institutions involved in space operations. Bare electrodynamic tethers (EDT) can provide an efficient mechanism for rapid de-orbiting of defunct satellites from low Earth orbit (LEO) at end of life. The research on EDT has been a fruitful field since the 70’s. Thanks to both theoretical studies and in orbit demonstration missions, this technology has been developed very fast in the following decades. During this period, several technical issues were identified and overcome. The core functionality of EDT system greatly depends on their survivability to the micrometeoroids and orbital debris, and a tether can become itself a kind of debris for other operating satellites in case of cutoff due to particle impact; however, this very issue is still inconclusive and conflicting after having a number of space demonstrations. A tether can be completely cut by debris having some minimal diameter. This thesis presents a theoretical analysis of the survivability of tethers in space. The study demonstrates the advantages of tape tethers over conventional round wires particularly on the survivability during the mission. Because of its particular geometry (length very much larger than cross-sectional dimensions), a tether may have a relatively high risk of being severed by the single impact of small debris. As a first approach to the problem, survival probability has been compared for a round and a tape tether of equal mass and length. The rates of fatal impact of orbital debris on round and tape tether, evaluated with an analytical approximation to debris flux modeled by NASA’s ORDEM2000, shows much higher survival probability for tapes. A comparative numerical analysis using debris flux model ORDEM2000 and ESA’s MASTER2005 shows good agreement with the analytical result. It also shows that, for a given time in orbit, a tape has a probability of survival of about one and a half orders of magnitude higher than a round tether of equal mass and length. Because de-orbiting from a given altitude is much faster for the tape due to its larger perimeter, its probability of survival in a practical sense is quite high. As the next step, an analytical model derived in this work allows to calculate accurately the fatal impact rate per year for a tape tether. The model uses power laws for debris-size ranges, in both ORDEM2000 and MASTER2009 debris flux models, to calculate tape tether survivability at different LEO altitudes. The analytical model, which depends on tape dimensions (width, thickness) and orbital parameters (inclinations, altitudes) is then compared with fully numerical results for different orbit inclinations, altitudes and tape width for both ORDEM2000 and MASTER2009 flux data. This scalable model not only estimates the fatal impact count but has proved essential in optimizing tether design for satellite de-orbit missions varying satellite mass and initial orbital altitude and inclination. Within the frame of this dissertation, a simple analysis has been finally presented, showing the scalable property of tape tether, thanks to the survivability model developed, that allows analyze and compare de-orbit performance for a large range of satellite mass and orbit properties. The work explicitly shows the product of tether-to-satellite mass-ratio and fatal impact count as a function of tether geometry and orbital parameters. Combining the tether dynamic equation involving Lorentz drag with space debris impact survivability model, eliminates time from the expression. Hence the product, is independent of tether de-orbit history and just depends on mission constraints and tether length, width and thickness. This optimization model finally led to the development of a friendly software tool named BETsMA, currently in process of registration by UPM. For the final step, an estimation of fatal impact rate on a tape tether has been done, using for the first time an experimental ballistic limit equation that was derived for tapes and accounts for the effects of both the impact velocity and impact angle. It is shown that tape tethers are highly resistant to space debris impacts and considering a tape tether with a defined cross section, the number of critical events due to impact with non-trackable debris is always significantly low.

COST Action Urban Agriculture Europe Training School «Urban agriculture inside the city:alternatives for vacant lots and public space»

The third Training School of the Action took place in Vitoria-Gasteiz (Basque country, Spain) from 24th to 26th September 2014. Vitoria-Gateiz has experimented an important urban outgrowth in the last decade, mainly through the planning and development of two new neighborhoods, Zabalgana and Salburúa, situated at the eastern and western border of the city, by the Greenbelt. These new development are well-equipped and designed according to sustainability principles. Nevertheless, among the main problems they present is their over-dimensioned public space, which creates some areas lacking enough density and mix of uses. On the other hand it is very expensive for the municipality to maintain these public space with the high Vitorian urban standards for public space. The proposed solution for this problem is a strategy of "re-densification" through the insertion of new uses The debate has arisen about which are the most adequate uses to insert in order to get an increasing of urban vitality, specially considering that housing has reached its peak and that Vitoria-Gasteiz is well served with social and sport amenities. The main goal of the TS was to offer an opportunity for the reflection about how urban agriculture might be an optimal alternative for the re-qualifying of this over-dimensioned public space in the new neighbourhoods, especially considering it synergic potential as a tool for production, leisure and landscaping, including the possibility of energy crops within the limits of urban space. Continuity with rural and natural surrounding area through alternatives for urban fringe at the small scale is a relevant issue to be considered as well within the reflection. Taking Zabalgana neighbourhood as a practical field for experiment, the Training School is conceived as a practical and intensive design charrette to be held during a whole day after two days of local knowledge-deepening through field visits and presentations.

Análisis y diseño de multiplicadores y mezcladores mediante el método de Monte Carlo en la banda de THz = Analysis and design of multipliers and mixers via Monte Carlo modelling at THz bands

La región del espectro electromagnético comprendida entre 100 GHz y 10 THz alberga una gran variedad de aplicaciones en campos tan dispares como la radioastronomía, espectroscopíamolecular, medicina, seguridad, radar, etc. Los principales inconvenientes en el desarrollo de estas aplicaciones son los altos costes de producción de los sistemas trabajando a estas frecuencias, su costoso mantenimiento, gran volumen y baja fiabilidad. Entre las diferentes tecnologías a frecuencias de THz, la tecnología de los diodos Schottky juega un importante papel debido a su madurez y a la sencillez de estos dispositivos. Además, los diodos Schottky pueden operar tanto a temperatura ambiente como a temperaturas criogénicas, con altas eficiencias cuando se usan como multiplicadores y con moderadas temperaturas de ruido en mezcladores. El principal objetivo de esta tesis doctoral es analizar los fenómenos físicos responsables de las características eléctricas y del ruido en los diodos Schottky, así como analizar y diseñar circuitos multiplicadores y mezcladores en bandas milimétricas y submilimétricas. La primera parte de la tesis presenta un análisis de los fenómenos físicos que limitan el comportamiento de los diodos Schottky de GaAs y GaN y de las características del espectro de ruido de estos dispositivos. Para llevar a cabo este análisis, un modelo del diodo basado en la técnica de Monte Carlo se ha considerado como referencia debido a la elevada precisión y fiabilidad de este modelo. Además, el modelo de Monte Carlo permite calcular directamente el espectro de ruido de los diodos sin necesidad de utilizar ningún modelo analítico o empírico. Se han analizado fenómenos físicos como saturación de la velocidad, inercia de los portadores, dependencia de la movilidad electrónica con la longitud de la epicapa, resonancias del plasma y efectos no locales y no estacionarios. También se ha presentado un completo análisis del espectro de ruido para diodos Schottky de GaAs y GaN operando tanto en condiciones estáticas como variables con el tiempo. Los resultados obtenidos en esta parte de la tesis contribuyen a mejorar la comprensión de la respuesta eléctrica y del ruido de los diodos Schottky en condiciones de altas frecuencias y/o altos campos eléctricos. También, estos resultados han ayudado a determinar las limitaciones de modelos numéricos y analíticos usados en el análisis de la respuesta eléctrica y del ruido electrónico en los diodos Schottky. La segunda parte de la tesis está dedicada al análisis de multiplicadores y mezcladores mediante una herramienta de simulación de circuitos basada en la técnica de balance armónico. Diferentes modelos basados en circuitos equivalentes del dispositivo, en las ecuaciones de arrastre-difusión y en la técnica de Monte Carlo se han considerado en este análisis. El modelo de Monte Carlo acoplado a la técnica de balance armónico se ha usado como referencia para evaluar las limitaciones y el rango de validez de modelos basados en circuitos equivalentes y en las ecuaciones de arrastredifusión para el diseño de circuitos multiplicadores y mezcladores. Una notable característica de esta herramienta de simulación es que permite diseñar circuitos Schottky teniendo en cuenta tanto la respuesta eléctrica como el ruido generado en los dispositivos. Los resultados de las simulaciones presentados en esta parte de la tesis, tanto paramultiplicadores comomezcladores, se han comparado con resultados experimentales publicados en la literatura. El simulador que integra el modelo de Monte Carlo con la técnica de balance armónico permite analizar y diseñar circuitos a frecuencias superiores a 1 THz. ABSTRACT The terahertz region of the electromagnetic spectrum(100 GHz-10 THz) presents a wide range of applications such as radio-astronomy, molecular spectroscopy, medicine, security and radar, among others. The main obstacles for the development of these applications are the high production cost of the systems working at these frequencies, highmaintenance, high volume and low reliability. Among the different THz technologies, Schottky technology plays an important rule due to its maturity and the inherent simplicity of these devices. Besides, Schottky diodes can operate at both room and cryogenic temperatures, with high efficiency in multipliers and moderate noise temperature in mixers. This PhD. thesis is mainly concerned with the analysis of the physical processes responsible for the characteristics of the electrical response and noise of Schottky diodes, as well as the analysis and design of frequency multipliers and mixers at millimeter and submillimeter wavelengths. The first part of the thesis deals with the analysis of the physical phenomena limiting the electrical performance of GaAs and GaN Schottky diodes and their noise performance. To carry out this analysis, a Monte Carlo model of the diode has been used as a reference due to the high accuracy and reliability of this diode model at millimeter and submillimter wavelengths. Besides, the Monte Carlo model provides a direct description of the noise spectra of the devices without the necessity of any additional analytical or empirical model. Physical phenomena like velocity saturation, carrier inertia, dependence of the electron mobility on the epilayer length, plasma resonance and nonlocal effects in time and space have been analysed. Also, a complete analysis of the current noise spectra of GaAs and GaN Schottky diodes operating under static and time varying conditions is presented in this part of the thesis. The obtained results provide a better understanding of the electrical and the noise responses of Schottky diodes under high frequency and/or high electric field conditions. Also these results have helped to determine the limitations of numerical and analytical models used in the analysis of the electrical and the noise responses of these devices. The second part of the thesis is devoted to the analysis of frequency multipliers and mixers by means of an in-house circuit simulation tool based on the harmonic balance technique. Different lumped equivalent circuits, drift-diffusion and Monte Carlo models have been considered in this analysis. The Monte Carlo model coupled to the harmonic balance technique has been used as a reference to evaluate the limitations and range of validity of lumped equivalent circuit and driftdiffusion models for the design of frequency multipliers and mixers. A remarkable feature of this reference simulation tool is that it enables the design of Schottky circuits from both electrical and noise considerations. The simulation results presented in this part of the thesis for both multipliers and mixers have been compared with measured results available in the literature. In addition, the Monte Carlo simulation tool allows the analysis and design of circuits above 1 THz.

Development of Shape-Optimization Tools for the Aerodynamic Design of Turbomachinery Blades

The aim of this work is to develop an automated tool for the optimization of turbomachinery blades founded on an evolutionary strategy. This optimization scheme will serve to deal with supersonic blades cascades for application to Organic Rankine Cycle (ORC) turbines. The blade geometry is defined using parameterization techniques based on B-Splines curves, that allow to have a local control of the shape. The location in space of the control points of the B-Spline curve define the design variables of the optimization problem. In the present work, the performance of the blade shape is assessed by means of fully-turbulent flow simulations performed with a CFD package, in which a look-up table method is applied to ensure an accurate thermodynamic treatment. The solver is set along with the optimization tool to determine the optimal shape of the blade. As only blade-to-blade effects are of interest in this study, quasi-3D calculations are performed, and a single-objective evolutionary strategy is applied to the optimization. As a result, a non-intrusive tool, with no need for gradients definition, is developed. The computational cost is reduced by the use of surrogate models. A Gaussian interpolation scheme (Kriging model) is applied for the estimated n-dimensional function, and a surrogate-based local optimization strategy is proved to yield an accurate way for optimization. In particular, the present optimization scheme has been applied to the re-design of a supersonic stator cascade of an axial-flow turbine. In this design exercise very strong shock waves are generated in the rear blade suction side and shock-boundary layer interaction mechanisms occur. A significant efficiency improvement as a consequence of a more uniform flow at the blade outlet section of the stator is achieved. This is also expected to provide beneficial effects on the design of a subsequent downstream rotor. The method provides an improvement to gradient-based methods and an optimized blade geometry is easily achieved using the genetic algorithm.

Morphological Functions with Parallel Sets for the Pore Space of X-ray CT Images of Soil Columns

During the last few decades, new imaging techniques like X-ray computed tomography have made available rich and detailed information of the spatial arrangement of soil constituents, usually referred to as soil structure. Mathematical morphology provides a plethora of mathematical techniques to analyze and parameterize the geometry of soil structure. They provide a guide to design the process from image analysis to the generation of synthetic models of soil structure in order to investigate key features of flow and transport phenomena in soil. In this work, we explore the ability of morphological functions built over Minkowski functionals with parallel sets of the pore space to characterize and quantify pore space geometry of columns of intact soil. These morphological functions seem to discriminate the effects on soil pore space geometry of contrasting management practices in a Mediterranean vineyard, and they provide the first step toward identifying the statistical significance of the observed differences.

World Space Observatory-Ultraviolet: ISSIS, the imaging instrument

The Imaging and Slitless Spectroscopy Instrument (ISSIS) will be flown as part of the science instrumentation in the World Space Observatory-Ultraviolet (WSO-UV). ISSIS will be the first UV imager to operate in a high Earth orbit from a 2 m class space telescope. In this contribution, the science driving the ISSIS design and the main characteristics of this instrument are presented.

Considering cycling for commuting : the role of mode familiarity : an exploration on the (circular) relation between cycling behaviours and attitudes toward cycling in Vitoria-Gasteiz, Spain

¿La gente utiliza la bicicleta porque les gusta? ¿O es el propio hecho de usarla la razón por la que les gusta hacerlo? ¿O es una combinación de las dos? Este tipo de preguntas reflejan un problema que se puede llamar ‘el círculo de la consideración de la bicicleta’: para poder considerar el uso de la bicicleta en el conjunto de posibles opciones a escoger, un individuo tiene que tener creencias positivas sobre ella, sobre todo en el caso de ‘contextos de bajo uso’. Pero parece poco probable que se formen creencias positivas cuando hay bajos niveles de familiaridad al modo, es decir, con un bajo conocimiento de sus características, su funcionamiento y del imaginario asociado; al mismo tiempo, la familiaridad irá alcanzando niveles más altos conforme aumente el tiempo y la intensidad con la que se utilice la bicicleta a lo largo de la vida de los individuos. El problema parece un circulo recursivo huevo-gallina, ya que es difícil que alguien considere el usar la bicicleta en lugares donde su uso es una práctica poco extendida. En estos lugares, y dentro del conglomerado actual de tecnologías, infraestructuras, reglas, prácticas de los usuarios y preferencias culturales que se han desarrollado alrededor del automóvil (el actual "sistema socio-técnico de la movilidad urbana", Urry 2004; Geels 2005, 2012) usar la bicicleta es considerado por la mayoría como algo difícil, inseguro, y anormal. Como consecuencia, los procesos de aumento de familiaridad con la bicicleta permanecen inactivos. La tesis asume la familiaridad como una fuente de información e influencia sobre las creencias positivas sobre la bicicleta. En ‘contextos de bajo uso’, sin familiaridad al uso de la bicicleta, estas creencias sólo pueden surgir de ciertos rasgos personales (afecto, valores, identidades, voluntad, etc.). Tal como han evidenciado investigaciones recientes, en estos contextos la posibilidad de considerar el uso de la bicicleta (y su eventual adopción), se circunscribe principalmente a los ‘entusiastas’, a los que están dispuestos a “ir contra corriente” (Horton & Parkin 2012), limitando el alcance de las políticas de promoción. La investigación llevada a cabo en esta tesis ofrece un nuevo enfoque al problema del ‘círculo de la consideración de la bicicleta’. Para ello, plantea un modelo en el que se introduce a la familiaridad como un constructo que media entre el comportamiento final –qué modo de transporte elige el individuo– y el conjunto de constructos psicosociales que preceden la elección modal (creencias y actitudes). La familiaridad al uso de la bicicleta se concibe como una medida de la intensidad relativa del uso de una bicicleta, real y percibida (basándose en Diana & Mokhtarian 2009) que puede formarse de manera distinta según sus fines (utilitarios o no utilitarios). El constructo familiaridad con el modo bicicleta está relacionado con la cantidad de tiempo, la intensidad y la regularidad con la que un individuo ha hecho uso de la bicicleta a lo largo de su vida. La familiaridad se concibe así como una condición que permite definir adecuadamente el contexto en el que se toman las decisiones modales de los individuos, en línea con investigaciones que postulan patrones de causalidad alternativos entre los procesos cognitivos de elección y los comportamientos modales (Tardif 1977; Dobson et al. 1978; Golob et al. 1979; Golob 2001; Schwanen et al. 2012; Diana et al. 2009; Vij & Walker 2014). De este modo se plantea que el esquema unidireccional actitudesconductas podría no ser completamente valido en el caso de la consideración de la bicicleta, explorando la hipótesis que sean las propias conductas a influenciar la formación de las actitudes. En esta tesis, el constructo de familiaridad se articula teórica y metodológicamente, y se emplea un instrumento de diseño transversal para contrastarlo. Los resultados de una encuesta telefónica a una muestra representativa de 736 personas en la ciudad española de Vitoria-Gasteiz proveen evidencias que sugieren –aunque de forma preliminar– que la familiaridad juega un papel de mediadora en la relación entre la utilización de la bicicleta y la formación de las creencias y actitudes hacia el su uso. La tesis emplea mediciones para cada individuo con respecto tanto a su consideración como a su familiaridad al uso de la bicicleta. Éstas mediciones se definen haciendo uso del análisis factorial exploratorio (AFE). Por un lado, el AFE arroja una estructura del constructo ‘consideración’ formada por cuatro factores, tres de ellos asociados con elementos positivos y uno con elementos negativos: (1) de cómo el uso de la bicicleta se considera verde e inteligente (G&S); (2) sobre su carácter agradable y adecuado (P&S); (3) sobre su eficacia como modo de transporte para ir al trabajo (E); y (4) sobre los principales inconvenientes de su uso, es decir, las dificultades implícitas (sudoración y estar expuestos a las inclemencias del tiempo) y la sensación de inseguridad que genera (sentirse en riesgo de accidentes y estresarse por el tráfico) (D&T). Por otro lado, la familiaridad al uso de la bicicleta se mide en dos distintas variables ordinales (según se base en el uso utilitario o no utilitario). Como resultado, se puede hablar de que cada individuo se encuentra en una de las siguientes cuatro etapas en orden creciente hacia una familiaridad completa al modo: no familiarizados; apenas familiarizados; moderadamente familiarizados; totalmente familiarizados. El análisis de los datos de los cuatro grupos de sujetos de la muestra, –definidos de acuerdo con cada una de las cuatro etapas de familiaridad definidas– ha evidenciado la existencia de diferencias intergrupo estadísticamente significativas, especialmente para la medida relacionada con el uso utilitario. Asimismo, las personas en los niveles inferiores de familiaridad tienen una consideración menor de los aspectos positivos de la bicicleta y por el contrario presentan preocupaciones mayores hacia las características negativas respecto a aquellas personas que están más familiarizados en el uso utilitario. El uso, aunque esporádico, de una bicicleta para fines utilitarios (ir de compras, hacer recados, etc.), a diferencia de no usarla en absoluto, aparece asociado a unas puntuaciones significativamente más altas en los tres factores positivos (G&S, E, P&S), mientras que parece estar asociado a puntuaciones significativamente más bajas en el factor relacionado con las características negativas (D&U). Aparecen resultados similares cuando se compara un uso moderado, con uno esporádico, sobre todo con respecto a la consideración de las características negativas. Los resultados de esta tesis están en línea con la literatura anterior que se ha basado en variables similares (por ejemplo, de Geus et al. 2008; Stinson & Bhat 2003, 2004; Hunt & Abraham 2006; y van Bekkum et al. 2011a, entre otros), pero en este estudio las diferencias se observan en un contexto de bajo uso y se derivan de un análisis de toda la población de personas que se desplazan a su lugar de trabajo o estudio, lo cual eleva la fiabilidad de los resultados. La posibilidad de que unos niveles más altos de uso de la bicicleta para fines utilitarios puedan llevar a niveles más positivos de su consideración abre el camino a implicaciones teóricas y de políticas que se discuten en la tesis. Con estos resultados se argumenta que el enfoque convencional basado en el cambio de actitudes puede no ser el único y prioritario para lograr cambios a la hora de fomentar el uso de la bicicleta. Los resultados apuntan al potencial de otros esquemas de causalidad, basados en patrones de influencia más descentrados y distribuidos, y que adopten una mirada más positiva hacia los hábitos de transporte, conceptualizándolos como “inteligencia encarnada y pre-reflexiva” (Schwanen et al. 2012). Tales esquemas conducen a un enfoque más práctico para la promoción del uso de la bicicleta, con estrategias que podrían basarse en acciones de ‘degustación’ de su uso o de mayor ‘exposición’ a su uso. Is the fact that people like cycling the reason for them to cycle? Or is the fact that they do cycle the reason for them to like cycling? Or is a combination of the two? This kind of questions reflect a problem that can be called ‘the cycle of cycling consideration’: in order to consider cycling in the set of possible options to be chosen, an individual needs to have positive beliefs about it, especially in the case of ‘low-cycling contexts’. However, positive beliefs seem unlikely to be formed with low levels of mode familiarity, say, with a low acquaintance with mode features, functioning and images; at the same time, higher levels of familiarity are likely to be reached if cycling is practised over relative threshold levels of intensities and extensively across individual life courses. The problem looks like a chicken-egg recursive cycle, since the latter condition is hardly met in places where cycling is little practised. In fact, inside the current conglomerate of technologies, infrastructures, regulations, user practices, cultural preferences that have grown around the automobile (the current “socio-technical system of urban mobility”, Urry 2004; Geels 2005, 2012) cycling is commonly considered as difficult, unsafe, and abnormal. Consequently, the processes of familiarity forming remain disabled, and, as a result, beliefs cannot rely on mode familiarity as a source of information and influence. Without cycling familiarity, origins of positive beliefs are supposed to rely only on personal traits (affect, values, identities, willingness, etc.), which, in low-cycling contexts, confine the possibility of cycling consideration (and eventual adoption) mainly to ‘cycling enthusiasts’ who are willing to “go against the grain” (Horton & Parkin 2012), as it results from previous research. New research conducted by author provides theoretical insights for a different approach of the cycling consideration problem in which the presence of the new construct of cycling familiarity is hypothesised in the relationship between mode choice behaviour and the set of psychosocial constructs that are supposed to precede it (beliefs and attitudes). Cycling familiarity is conceived as a measure of the real and the perceived relative intensity of use of a bicycle (building upon Diana & Mokhtarian 2009) which may be differently formed for utilitarian or non-utilitarian purposes. The construct is assumed to be related to the amount of time, the intensity and the regularity an individual spends in using a bicycle for the two distinct categories of purposes, gaining in this way a certain level of acquaintance with the mode. Familiarity with a mode of transport is conceived as an enabling condition to properly define the decision-making context in which individual travel mode choices are taken, in line with rather disperse research efforts postulating inverse relationships between mode behaviours and mode choices (Tardiff 1977; Dobson et al. 1978; Golob et al. 1979; Golob 2001; Schwanen et al. 2012; Diana et al. 2009; Vij & Walker 2014). The new construct is built theoretically and methodologically, and a cross-sectional design instrument is employed. Results from a telephone survey in a representative sample of 736 commuters in the Spanish city of Vitoria-Gasteiz, provide suggestive –although preliminary– evidence on the role of mode familiarity as a mediator in the relationship between cycling use and the formation of beliefs and attitudes toward cycling. Measures of both cycling consideration and cycling familiarity are defined making use of exploratory factor analysis. On the one hand, four distinct cycling consideration measures are created, based on attitude expressions on four underlying factors relating to the cycling commuting behaviour: on how cycling commuting is considered green and smart (G&S); on its pleasant and suited character (P&S); on its efficiency as a mode of transport for commuting (E); and on the main drawbacks of its use, namely the difficulties implied (sweating and being exposed to adverse weather conditions) and the sense of unsafety it generates (feeling at risk of accidents and getting stressed by traffic) (D&U). On the other hand, dimensions of cycling familiarity are measured on two distinct ordinal variables (whether based on the utilitarian or non-utilitarian use) comprising four stages to a complete mode familiarity: not familiar; barely familiar; moderately familiar; fully familiar. For each of the four stages of cycling familiarity defined, statistical significant differences are found, especially for the measure related to the utilitarian use. Consistently, people at the lower levels of cycling familiarity have a lower consideration of the positive aspects of cycling and conversely they exhibit higher concerns towards the negative characteristics than those individuals that are more familiar in utilitarian cycling. Using a bicycle occasionally for practical purposes, as opposed to not using it at all, seems associated to significant higher scores in the three positive factors (G&S, E, P&S) while it appears to be associated to significant lower scores in the factor relating with the negative characteristics of cycling commuting (D&U). A same pattern also occurs with a moderate use, as opposed to an occasional one, especially for the consideration of the negative characteristics. The results are in line with previous literature based on similar variables (e.g. de Geus et al. 2008; Stinson & Bhat 2003, 2004; Hunt & Abraham 2006; and van Bekkum et al. 2011a, among others), but in this study the differences are observed in a low-cycling context and derive from an analysis of the entire population of commuters, which rises the reliability of results.

Optimization and evaluation in space conditions of multi-GHz optical modulators

Among the different optical modulator technologies available such as polymer, III-V semiconductors, Silicon, the well-known Lithium Niobate (LN) offers the best trade-off in terms of performances, ease of use, and power handling capability [1-9]. The LN technology is still widely deployed within the current high data rate fibre optic communications networks. This technology is also the most mature and guarantees the reliability which is required for space applications [9].In or der to fulfil the target specifications of opto-microwave payloads, an optimization of the design of a Mach-Zehnder (MZ) modulator working at the 1500nm telecom wavelength was performed in the frame of the ESA-ARTES "Multi GigaHertz Optical Modulator" (MGOM) project in order to reach ultra-low optical insertion loss and low effective driving voltage in the Ka band. The selected modulator configuration was the X-cut crystal orientation, associated to high stability Titanium in-diffusion process for the optical waveguide. Starting from an initial modulator configuration exhibiting 9 V drive voltage @ 30 GHz, a complete redesign of the coplanar microwave electrodes was carried out in order to reach a 6 V drive voltage @ 30GHz version. This redesign was associated to an optimization of the interaction between the optical waveguide and the electrodes. Following the optimisation steps, an evaluation program was applied on a lot of 8 identical modulators. A full characterisation was carried out to compare performances, showing small variations between the initial and final functional characteristics. In parallel, two similar modulators were submitted to both gamma (10-100 krad) and proton irradiation (10.109 p/cm²) with minor performance degradation.

Color uniformity in spotligths - visual perception and system design

La iluminación con diodos emisores de luz (LED) está reemplazando cada vez en mayor medida a las fuentes de luz tradicionales. La iluminación LED ofrece ventajas en eficiencia, consumo de energía, diseño, tamaño y calidad de la luz. Durante más de 50 años, los investigadores han estado trabajando en mejoras LED. Su principal relevancia para la iluminación está aumentando rápidamente. Esta tesis se centra en un campo de aplicación importante, como son los focos. Se utilizan para enfocar la luz en áreas definidas, en objetos sobresalientes en condiciones profesionales. Esta iluminación de alto rendimiento requiere una calidad de luz definida, que incluya temperaturas ajustables de color correlacionadas (CCT), de alto índice de reproducción cromática (CRI), altas eficiencias, y colores vivos y brillantes. En el paquete LED varios chips de diferentes colores (rojo, azul, fósforo convertido) se combinan para cumplir con la distribución de energía espectral con alto CRI. Para colimar la luz en los puntos concretos deseados con un ángulo de emisión determinado, se utilizan blancos sintonizables y diversos colores de luz y ópticas secundarias. La combinación de una fuente LED de varios colores con elementos ópticos puede causar falta de homogeneidad cromática en la distribución espacial y angular de la luz, que debe resolverse en el diseño óptico. Sin embargo, no hay necesidad de uniformidad perfecta en el punto de luz debido al umbral en la percepción visual del ojo humano. Por lo tanto, se requiere una descripción matemática del nivel de uniformidad del color con respecto a la percepción visual. Esta tesis está organizada en siete capítulos. Después de un capítulo inicial que presenta la motivación que ha guiado la investigación de esta tesis, en el capítulo 2 se presentan los fundamentos científicos de la uniformidad del color en luces concentradas, como son: el espacio de color aplicado CIELAB, la percepción visual del color, los fundamentos de diseño de focos respecto a los motores de luz y ópticas no formadoras de imágenes, y los últimos avances en la evaluación de la uniformidad del color en el campo de los focos. El capítulo 3 desarrolla diferentes métodos para la descripción matemática de la distribución espacial del color en un área definida, como son la diferencia de color máxima, la desviación media del color, el gradiente de la distribución espacial de color, así como la suavidad radial y axial. Cada función se refiere a los diferentes factores que influyen en la visión, los cuales necesitan un tratamiento distinto que el de los datos que se tendrán en cuenta, además de funciones de ponderación que pre- y post-procesan los datos simulados o medidos para la reducción del ruido, la luminancia de corte, la aplicación de la ponderación de luminancia, la función de sensibilidad de contraste, y la función de distribución acumulativa. En el capítulo 4, se obtiene la función de mérito Usl para la estimación de la uniformidad del color percibida en focos. Se basó en los resultados de dos conjuntos de experimentos con factor humano realizados para evaluar la percepción visual de los sujetos de los patrones de focos típicos. El primer experimento con factor humano dio lugar al orden de importancia percibida de los focos. El orden de rango percibido se utilizó para correlacionar las descripciones matemáticas de las funciones básicas y la función ponderada sobre la distribución espacial del color, que condujo a la función Usl. El segundo experimento con factor humano probó la percepción de los focos bajo condiciones ambientales diversas, con el objetivo de proporcionar una escala absoluta para Usl, para poder así sustituir la opinión subjetiva personal de los individuos por una función de mérito estandarizada. La validación de la función Usl se presenta en relación con el alcance de la aplicación y condiciones, así como las limitaciones y restricciones que se realizan en el capítulo 5. Se compararon los datos medidos y simulados de varios sistemas ópticos. Se discuten los campos de aplicación , así como validaciones y restricciones de la función. El capítulo 6 presenta el diseño del sistema de focos y su optimización. Una evaluación muestra el análisis de sistemas basados en el reflector y la lente TIR. Los sistemas ópticos simulados se comparan en la uniformidad del color Usl, sensibilidad a las sombras coloreadas, eficiencia e intensidad luminosa máxima. Se ha comprobado que no hay un sistema único que obtenga los mejores resultados en todas las categorías, y que una excelente uniformidad de color se pudo alcanzar por la conjunción de dos sistemas diferentes. Finalmente, el capítulo 7 presenta el resumen de esta tesis y la perspectiva para investigar otros aspectos. ABSTRACT Illumination with light-emitting diodes (LED) is more and more replacing traditional light sources. They provide advantages in efficiency, energy consumption, design, size and light quality. For more than 50 years, researchers have been working on LED improvements. Their main relevance for illumination is rapidly increasing. This thesis is focused on one important field of application which are spotlights. They are used to focus light on defined areas, outstanding objects in professional conditions. This high performance illumination required a defined light quality including tunable correlated color temperatures (CCT), high color rendering index (CRI), high efficiencies and bright, vivid colors. Several differently colored chips (red, blue, phosphor converted) in the LED package are combined to meet spectral power distribution with high CRI, tunable white and several light colors and secondary optics are used to collimate the light into the desired narrow spots with defined angle of emission. The combination of multi-color LED source and optical elements may cause chromatic inhomogeneities in spatial and angular light distribution which needs to solved at the optical design. However, there is no need for perfect uniformity in the spot light due to threshold in visual perception of human eye. Therefore, a mathematical description of color uniformity level with regard to visual perception is required. This thesis is organized seven seven chapters. After an initial one presenting the motivation that has guided the research of this thesis, Chapter 2 introduces the scientific basics of color uniformity in spot lights including: the applied color space CIELAB, the visual color perception, the spotlight design fundamentals with regards to light engines and nonimaging optics, and the state of the art for the evaluation of color uniformity in the far field of spotlights. Chapter 3 develops different methods for mathematical description of spatial color distribution in a defined area, which are the maximum color difference, the average color deviation, the gradient of spatial color distribution as well as the radial and axial smoothness. Each function refers to different visual influencing factors, and they need different handling of data be taken into account, along with weighting functions which pre- and post-process the simulated or measured data for noise reduction, luminance cutoff, the implementation of luminance weighting, contrast sensitivity function, and cumulative distribution function. In chapter 4, the merit function Usl for the estimation of the perceived color uniformity in spotlights is derived. It was based on the results of two sets of human factor experiments performed to evaluate the visual perception of typical spotlight patterns by subjects. The first human factor experiment resulted in the perceived rank order of the spotlights. The perceived rank order was used to correlate the mathematical descriptions of basic functions and weighted function concerning the spatial color distribution, which lead to the Usl function. The second human factor experiment tested the perception of spotlights under varied environmental conditions, with to objective to provide an absolute scale for Usl, so the subjective personal opinion of individuals could be replaced by a standardized merit function. The validation of the Usl function is presented concerning the application range and conditions as well as limitations and restrictions in carried out in chapter 5. Measured and simulated data of various optical several systems were compared. Fields of applications are discussed as well as validations and restrictions of the function. Chapter 6 presents spotlight system design and their optimization. An evaluation shows the analysis of reflector-based and TIR lens systems. The simulated optical systems are compared in color uniformity Usl , sensitivity to colored shadows, efficiency, and peak luminous intensity. It has been found that no single system which performed best in all categories, and that excellent color uniformity could be reached by two different system assemblies. Finally, chapter 7 summarizes the conclusions of the present thesis and an outlook for further investigation topics.