Radar based improvements and diagnosis of the convective capabilities of the cosmo-2 model

In the last few years the resolution of numerical weather prediction (nwp) became higher and higher with the progresses of technology and knowledge. As a consequence, a great number of initial data became fundamental for a correct initialization of the models. The potential of radar observations has long been recognized for improving the initial conditions of high-resolution nwp models, while operational application becomes more frequent. The fact that many nwp centres have recently taken into operations convection-permitting forecast models, many of which assimilate radar data, emphasizes the need for an approach to providing quality information which is needed in order to avoid that radar errors degrade the model's initial conditions and, therefore, its forecasts. Environmental risks can can be related with various causes: meteorological, seismical, hydrological/hydraulic. Flash floods have horizontal dimension of 1-20 Km and can be inserted in mesoscale gamma subscale, this scale can be modeled only with nwp model with the highest resolution as the COSMO-2 model. One of the problems of modeling extreme convective events is related with the atmospheric initial conditions, in fact the scale dimension for the assimilation of atmospheric condition in an high resolution model is about 10 Km, a value too high for a correct representation of convection initial conditions. Assimilation of radar data with his resolution of about of Km every 5 or 10 minutes can be a solution for this problem. In this contribution a pragmatic and empirical approach to deriving a radar data quality description is proposed to be used in radar data assimilation and more specifically for the latent heat nudging (lhn) scheme. Later the the nvective capabilities of the cosmo-2 model are investigated through some case studies. Finally, this work shows some preliminary experiments of coupling of a high resolution meteorological model with an Hydrological one.

Tracking, photometry and spectroscopy of space debris: the Malindi, Loiano, Las Campanas and Cerro Tololo observation campaign results

The main purpose of my thesis has been the analysis of the space debris environment and their characterization through optical measurements. In particular I had the opportunity to contribute to the Italian Space Agency activities in space debris optical observation campaign and I cooperated directly with NASA Orbital Debris Program Office by working at the Astronomy Department of the University of Michigan for six months.

Progetto e realizzazione di un dispositivo di controllo e gestione remoto per un sistema di tracking satellitare (ALMATracker)

La seguente tesi presenta lo sviluppo di un sistema di controllo e gestione remota per il tracking di un satellite. Il progetto, denominato ALMATracker, è sviluppato dal corso di Ingegneria Aerospaziale della scuola di Ingegneria e Architettura Aerospaziale dell’Università di Bologna con sede a Forlì. Consiste nella creazione di una motorizzazione per antenne su due assi, movimentata da un hardware commerciale programmabile. Il posizionamento può essere eseguito sia manualmente, su richiesta di un utente da PC remoto, sia automaticamente secondo un’orbita preimpostata. I setpoint di velocità o posizione sono elaborati dal sistema fino ad ottenere un segnale che procede alla movimentazione in velocità dell’antenna. Il comando automatico, invece, orienta l’antenna in modo tale da mantenerla fissa su una traiettoria orbitale di uno specifico spacecraft. La movimentazione automatica segue funzioni polinomiali fornite dall’utente, ricavate da software di propagazione e predizione esterno al sistema ALMATracker. In questo caso il sistema deve procedere alla rotazione mantenendo la velocità richiesta dalla funzione polinomiale. Il controllo effettuato in catena chiusa è attuato tramite una serie di trasduttori di posizione presenti nel sistema.

Simulazioni Software-In-the-Loop per la verifica funzionale di un sistema di tracking satellitare (ALMATracker)

L'ALMATracker è un sistema di puntamento per la stazione di terra di ALMASat-1. La sua configurazione non segue la classica Azimuth-Elevazione, bensì utilizza gli assi α-β per evitare punti di singolarità nelle posizioni vicino allo zenit. Ancora in fase di progettazione, utilizzando in congiunta SolidWorks e LabVIEW si è creato un Software-in-the-loop per la sua verifica funzionale, grazie all'utilizzo del relativamente nuovo pacchetto NI Softmotion. Data la scarsa esperienza e documentazione che si hanno su questo recente tool, si è prima creato un Case Study che simulasse un sistema di coordinate cilindriche in modo da acquisire competenza. I risultati conseguiti sono poi stati sfruttati per la creazione di un SIL per la simulazione del movimento dell'ALMATracker. L'utilizzo di questa metodologia di progettazione non solo ha confermato la validità del design proposto, ma anche evidenziato i problemi e le potenzialità che caratterizzano questo pacchetto software dandone un analisi approfondita.

Studio di fattibilità di applicazione di radar UWB per controlli non distruttivi

Studio di fattibilità sull'utilizzo della tecnologia radar Ultra Wideband per il controllo non distruttivo di manufatti in materiale composito in fibra di carbonio. La tecnologia radar UWB permette, a differenza dei radar convenzionali, una maggiore risoluzione e un maggior quantitativo di informazioni estraibili dal segnale ricevuto come eco. Nella prima parte del lavoro ci si è concentrati sulla individuazione dell'eventuale presenza del difetto in lastre di materiale composito di differenti dimensioni. Le lastre vengono "illuminate" da un fascio di onde radar UWB dal cui eco si estraggono le informazioni necessarie per determinare la presenza o meno del difetto. Lo scopo è progettare le basi di un algoritmo che, qualora la lastra in esame presenti una certa difettologia, informi l'utente della presenza dell'anomalia. Nella seconda parte si è passati a scansionare la lastra con un radar UWB in modo tale da costruire un'immagine della stessa grazie alle informazioni ricevute dai segnali eco. Per fare questo è stata necessaria dapprima la costruzione di un movimentatore ad hoc in grado di muovere il radar lungo due dimensioni (per permetterne la scansione del piano della lastra). Il movimentatore, autocostruito, è gestibile da Matlab attraverso cavo USB. L'algoritmo di controllo gestisce sia la movimentazione che l'acquisizione dei segnali ricevuti e quindi la creazione del database, punto di partenza per la creazione dell'immagine della lastra. Rispetto alla prima fase del lavoro dove si cercava di sapere se ci fosse o meno il difetto, ora, si è in grado di determinare dimensione e posizione dello stesso.

Studio di sistemi precipitanti con radar polarimetrico in banda c e disdrometro a microonde

In questo lavoro di tesi si studiano quattro sistemi precipitanti di carattere principalmente convettivo che hanno interessato la regione Emilia-Romagna tra la primavera 2012 e l'inverno 2013. Si fornisce una trattazione che prevede l'utilizzo di due strumenti basati sulla tecnologia radar: il pluviometro disdrometro a microonde PLUDIX e il radar polarimetrico in banda C di San Pietro Capofiume (SPC). Gli strumenti sono posizionati ad una distanza di circa 30 km in linea d'aria. PLUDIX, situato al Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) di Bologna, rileva le idrometeore al suolo e fornisce informazioni pluviometriche e disdrometriche sulla precipitazione in corso. Il radar SPC analizza echi provenienti dall'atmosfera circostante, fino alla distanza di 112.5 km e all'elevazione di 13° rispetto a terra. Si confrontano i profili temporali di intensità di precipitazione ottenuti da PLUDIX con quelli ricavati dalle variabili polarimetriche radar, che permettono di meglio interpretare l'evoluzione temporale degli eventi. Si procede, inoltre, alla classificazione delle idrometeore in atmosfera. A tal fine si implementa un algoritmo di classificazione polarimetrico basato sul lavoro di Park et al. (2009) e modificato in funzione della letteratura scientifica al riguardo. La classificazione di idrometeore che più interessa è quella relativa alle quote radar sulla verticale del CNR, che può essere messa a confronto con le evidenze disdrometriche da PLUDIX al suolo. I risultati sono soddisfacenti e mostrano che i due strumenti vedono gli stessi fenomeni da due punti di vista. L'analisi combinata dei dati eterogenei da PLUDIX e dal radar SPC permette di ricavare importanti informazioni sui processi fisici in nube e sull'evoluzione temporale e spaziale dei sistemi precipitanti.

Ground penetrating radar early-time technique for soil electromagnetic parameters estimation

In recent years, thanks to the technological advances, electromagnetic methods for non-invasive shallow subsurface characterization have been increasingly used in many areas of environmental and geoscience applications. Among all the geophysical electromagnetic methods, the Ground Penetrating Radar (GPR) has received unprecedented attention over the last few decades due to its capability to obtain, spatially and temporally, high-resolution electromagnetic parameter information thanks to its versatility, its handling, its non-invasive nature, its high resolving power, and its fast implementation. The main focus of this thesis is to perform a dielectric site characterization in an efficient and accurate way studying in-depth a physical phenomenon behind a recent developed GPR approach, the so-called early-time technique, which infers the electrical properties of the soil in the proximity of the antennas. In particular, the early-time approach is based on the amplitude analysis of the early-time portion of the GPR waveform using a fixed-offset ground-coupled antenna configuration where the separation between the transmitting and receiving antenna is on the order of the dominant pulse-wavelength. Amplitude information can be extracted from the early-time signal through complex trace analysis, computing the instantaneous-amplitude attributes over a selected time-duration of the early-time signal. Basically, if the acquired GPR signals are considered to represent the real part of a complex trace, and the imaginary part is the quadrature component obtained by applying a Hilbert transform to the GPR trace, the amplitude envelope is the absolute value of the resulting complex trace (also known as the instantaneous-amplitude). Analysing laboratory information, numerical simulations and natural field conditions, and summarising the overall results embodied in this thesis, it is possible to suggest the early-time GPR technique as an effective method to estimate physical properties of the soil in a fast and non-invasive way.

Development Of New Toolkits For Orbit Determination Codes For Precise Radio Tracking Experiments

This thesis describes the developments of new models and toolkits for the orbit determination codes to support and improve the precise radio tracking experiments of the Cassini-Huygens mission, an interplanetary mission to study the Saturn system. The core of the orbit determination process is the comparison between observed observables and computed observables. Disturbances in either the observed or computed observables degrades the orbit determination process. Chapter 2 describes a detailed study of the numerical errors in the Doppler observables computed by NASA's ODP and MONTE, and ESA's AMFIN. A mathematical model of the numerical noise was developed and successfully validated analyzing against the Doppler observables computed by the ODP and MONTE, with typical relative errors smaller than 10%. The numerical noise proved to be, in general, an important source of noise in the orbit determination process and, in some conditions, it may becomes the dominant noise source. Three different approaches to reduce the numerical noise were proposed. Chapter 3 describes the development of the multiarc library, which allows to perform a multi-arc orbit determination with MONTE. The library was developed during the analysis of the Cassini radio science gravity experiments of the Saturn's satellite Rhea. Chapter 4 presents the estimation of the Rhea's gravity field obtained from a joint multi-arc analysis of Cassini R1 and R4 fly-bys, describing in details the spacecraft dynamical model used, the data selection and calibration procedure, and the analysis method followed. In particular, the approach of estimating the full unconstrained quadrupole gravity field was followed, obtaining a solution statistically not compatible with the condition of hydrostatic equilibrium. The solution proved to be stable and reliable. The normalized moment of inertia is in the range 0.37-0.4 indicating that Rhea's may be almost homogeneous, or at least characterized by a small degree of differentiation.

Tracking, b-tagging and measurement of the b-jet production cross section with the ATLAS detector

The Standard Model of elementary particle physics was developed to describe the fundamental particles which constitute matter and the interactions between them. The Large Hadron Collider (LHC) at CERN in Geneva was built to solve some of the remaining open questions in the Standard Model and to explore physics beyond it, by colliding two proton beams at world-record centre-of-mass energies. The ATLAS experiment is designed to reconstruct particles and their decay products originating from these collisions. The precise reconstruction of particle trajectories plays an important role in the identification of particle jets which originate from bottom quarks (b-tagging). This thesis describes the step-wise commissioning of the ATLAS track reconstruction and b-tagging software and one of the first measurements of the b-jet production cross section in pp collisions at sqrt(s)=7 TeV with the ATLAS detector. The performance of the track reconstruction software was studied in great detail, first using data from cosmic ray showers and then collisions at sqrt(s)=900 GeV and 7 TeV. The good understanding of the track reconstruction software allowed a very early deployment of the b-tagging algorithms. First studies of these algorithms and the measurement of the b-tagging efficiency in the data are presented. They agree well with predictions from Monte Carlo simulations. The b-jet production cross section was measured with the 2010 dataset recorded by the ATLAS detector, employing muons in jets to estimate the fraction of b-jets. The measurement is in good agreement with the Standard Model predictions.

Sviluppo di tecniche di Speckle tracking per la correzione del movimento in ecografia epatica perfusionale

L'ecografia con mezzo di contrasto è una tecnica non invasiva che consente di visualizzare la micro e la macrocircolazione grazie all'utilizzo di microbolle gassose che si distribuiscono in tutto il sistema cardiovascolare. Le informazioni emodinamiche e perfusionali ricavabili dalle immagini eco con contrasto possono essere utilizzate per costruire un modello a grafo dell'albero vascolare epatico. L'analisi della connettività del grafo rappresenta una strategia molto promettente che potrebbe consentire di sostituire la misurazione del gradiente pressorio venoso del fegato, che richiede cateterismo, determinando un notevole miglioramento nella gestione dei pazienti cirrotici. La presente tesi si occupa della correzione dei movimenti del fegato, che deve essere realizzata prima di costruire il grafo per garantire un'accuratezza adeguata. Per correggere i movimenti è proposta una tecnica di Speckle tracking, testata sia in vitro su sequenze eco sintetiche, sia in vivo su sequenze reali fornite dal Policlinico Sant'Orsola.

Wavetrack, implementazione ottimizzata di un algoritmo di pitch tracking basato su wavelet

WaveTrack é un'implementazione ottimizzata di un algoritmo di pitch tracking basato su wavelet, nello specifico viene usata la trasformata Fast Lifting Wavelet Transform con la wavelet di Haar. La libreria è stata scritta nel linguaggio C e tra le sue peculiarità può vantare tempi di latenza molto bassi, un'ottima accuratezza e una buona flessibilità d'uso grazie ad alcuni parametri configurabili.

Software tools and efficient algorithms for the feature detection, feature tracking, event localization, and visualization of large sets of atmospheric data

Data sets describing the state of the earth's atmosphere are of great importance in the atmospheric sciences. Over the last decades, the quality and sheer amount of the available data increased significantly, resulting in a rising demand for new tools capable of handling and analysing these large, multidimensional sets of atmospheric data. The interdisciplinary work presented in this thesis covers the development and the application of practical software tools and efficient algorithms from the field of computer science, aiming at the goal of enabling atmospheric scientists to analyse and to gain new insights from these large data sets. For this purpose, our tools combine novel techniques with well-established methods from different areas such as scientific visualization and data segmentation. In this thesis, three practical tools are presented. Two of these tools are software systems (Insight and IWAL) for different types of processing and interactive visualization of data, the third tool is an efficient algorithm for data segmentation implemented as part of Insight.Insight is a toolkit for the interactive, three-dimensional visualization and processing of large sets of atmospheric data, originally developed as a testing environment for the novel segmentation algorithm. It provides a dynamic system for combining at runtime data from different sources, a variety of different data processing algorithms, and several visualization techniques. Its modular architecture and flexible scripting support led to additional applications of the software, from which two examples are presented: the usage of Insight as a WMS (web map service) server, and the automatic production of a sequence of images for the visualization of cyclone simulations. The core application of Insight is the provision of the novel segmentation algorithm for the efficient detection and tracking of 3D features in large sets of atmospheric data, as well as for the precise localization of the occurring genesis, lysis, merging and splitting events. Data segmentation usually leads to a significant reduction of the size of the considered data. This enables a practical visualization of the data, statistical analyses of the features and their events, and the manual or automatic detection of interesting situations for subsequent detailed investigation. The concepts of the novel algorithm, its technical realization, and several extensions for avoiding under- and over-segmentation are discussed. As example applications, this thesis covers the setup and the results of the segmentation of upper-tropospheric jet streams and cyclones as full 3D objects. Finally, IWAL is presented, which is a web application for providing an easy interactive access to meteorological data visualizations, primarily aimed at students. As a web application, the needs to retrieve all input data sets and to install and handle complex visualization tools on a local machine are avoided. The main challenge in the provision of customizable visualizations to large numbers of simultaneous users was to find an acceptable trade-off between the available visualization options and the performance of the application. Besides the implementational details, benchmarks and the results of a user survey are presented.

Progettazione di un banco di prova per radar UWB per l'analisi non distruttiva dei danni sui materiali compositi

Breve introduzione sui radar, sistemi Ultra WideBand, controlli non distruttivi e progettazione di un banco di prova per radar UWB per l'analisi non distruttiva dei danni sui materiali compositi.

Tracking di oggetti mediante la libreria opencv

Tracking di oggetti mediante la libreria opencv

Sviluppo e validazione sperimentale di un software di acquisizione ed elaborazione dati provenienti da un sistema di eye tracking per lo studio dei movimenti oculari

L'argomento del seguente lavoro di tesi è lo sviluppo di un software per acquisire e elaborare i dati provenienti da un sistema di eye tracking, per lo studio dei movimenti oculari.