Análise de propagação de ondas eletromagnéticas em ambiente indoor: modelo do caminho dominante versus traçado de raios e FDTD

Este trabalho trata de alguns modelos de propagação de ondas eletromagnéticas. Primeiramente, foram analisados modelos relacionados com a predição do sinal eletromagnético em ambientes indoor. Os modelos utilizados neste trabalho foram o Traçado de Raios, Caminho Dominante de Energia (DPM) e o FDTD. Para os dois primeiros modelos foi, utilizado um software comercial e para o método FDTD foi desenvolvido um algoritmo para o qual o sinal é analisado em um ambiente com a mesma geometria utilizada no software. Os resultados, para os pontos de recepção analisados, fornecidos pelos três modelos, são concordantes. Verifica-se a influência dos fenômenos de propagação na intensidade do sinal. A relevância deste trabalho encontra-se no fato de não haver, na literatura pesquisada, trabalhos que comparassem os três modelos de predição mencionados, além de propor temas para pesquisas futuras.

Migração (2,5-D) com amplitudes verdadeiras em meios com gradiente constante de velocidade

A migração com amplitudes verdadeiras de dados de reflexão sísmica, em profundidade ou em tempo, possibilita que seja obtida uma medida dos coeficientes de reflexão dos chamados eventos de reflexão primária. Estes eventos são constituídos, por exemplo, pelas reflexões de ondas longitudinais P-P em refletores de curvaturas arbitrárias e suaves. Um dos métodos mais conhecido é o chamado migração de Kirchhoff, através do qual a imagem sísmica é produzida pela integração do campo de ondas sísmicas, utilizando-se superfícies de difrações, denominadas de Superfícies de Huygens. A fim de se obter uma estimativa dos coeficientes de reflexão durante a migração, isto é a correção do efeito do espalhamento geométrico, utiliza-se uma função peso no operador integral de migração. A obtenção desta função peso é feita pela solução assintótica da integral em pontos estacionários. Tanto no cálculo dos tempos de trânsito como na determinação da função peso, necessita-se do traçamento de raios, o que torna a migração em situações de forte heterogeneidade da propriedade física um processo com alto custo computacional. Neste trabalho é apresentado um algoritmo de migração em profundidade com amplitudes verdadeiras, para o caso em que se tem uma fonte sísmica pontual, sendo o modelo de velocidades em subsuperfície representado por uma função que varia em duas dimensões, e constante na terceira dimensão. Esta situação, conhecida como modelo dois-e-meio dimensional (2,5-D), possui características típicas de muitas situações de interesse na exploração do petróleo, como é o caso da aquisição de dados sísmicos 2-D com receptores ao longo de uma linha sísmica e fonte sísmica 3-D. Em particular, é dada ênfase ao caso em que a velocidade de propagação da onda sísmica varia linearmente com a profundidade. Outro tópico de grande importância abordado nesse trabalho diz respeito ao método de inversão sísmica denominado empilhamento duplo de difrações. Através do quociente de dois empilhamentos com pesos apropriados, pode-se determinar propriedades físicas e parâmetros geométricos relacionados com a trajetória do raio refletido, os quais podem ser utilizados a posteriori no processamento dos dados sísmicos, visando por exemplo, a análise de amplitudes.

Projeto e construção de uma câmara reverberante em escala reduzida para a caracterização acústica de materiais absorventes

Na área da Acústica, no que diz respeito às últimas décadas, tem crescido substancialmente a demanda por informações sobre a capacidade de absorção dos materiais acústicos, bem como a utilização de métodos de modelagem que permitam inferir o comportamento acústico dos sistemas reais, os quais demandam uma infraestrutura de porte, o que representa um alto investimento. Assim, visando atender a estas demandas, possibilitar o desenvolvimento de pesquisas sobre as características de absorção sonora de materiais tipicamente regionais e o desenvolvimento de aulas práticas no âmbito da acústica, tanto no curso de graduação quanto na pós-graduação, este trabalho apresenta todas as informações pertinentes ao projeto e construção de uma mini-câmara reverberante, na escala de 1: 6 de um volume de 200 m³. Além disso, é apresentada uma metodologia de qualificação e adequação do campo acústico interno, tendo por base as orientações contidas na norma ISO-354. Por outro lado, são apresentados e discutidos os resultados obtidos, a partir de ensaios realizados nesta mini-câmara, caracterizando e validando os painéis de fibra de coco, desenvolvidos pelo Grupo de Vibração e Acústica, da Universidade Federal do Pará, bem como uma simulação numérica por Raios Acústicos, tendo por base a cavidade acústica da minicâmara, para permitir a validação do modelo numérico a partir dos dados experimentais.

Modelagem sísmica e inversão na presença de anisotropia

A necessidade da adoção de modelos elásticos anisotrópicos, no contexto da sísmica de exploração, vem crescendo com o advento de novas técnicas de aquisição de dados como VSP, walkway VSP, tomografia poço a poço e levantamentos sísmicos com grande afastamento. Meios anisotrópicos, no contexto da sísmica de exploração, são modelos efetivos para explicar a propagação de ondas através de meios que apresentam padrões de heterogeneidade em escala muito menor que o comprimento de onda das ondas sísmicas. Particularmente, estes modelos são muito úteis para explicar o dado sísmico mais robusto que são as medidas de tempo de trânsito. Neste trabalho, são investigados aspectos da propagação de ondas, traçado de raios e inversão de tempos de trânsito em meios anisotrópicos. É estudada a propagação de ondas SH em meios anisotrópicos estratificados na situação mais geral onde estas ondas podem ocorrer, ou seja, em meios monoclínicos com um plano vertical de simetria especular. É mostrado que o campo de ondas SH refletido a partir de um semi-espaço estratificado, não apresenta qualquer informação sobre a possível presença de anisotropia em subsuperfície. São apresentados métodos simples e eficientes para o traçado de raios em 3D através de meios anisotrópicos estratificados, baseados no princípio de Fermat. Estes métodos constituem o primeiro passo para o desenvolvimento de algoritmos de inversão de tempos de trânsito para meios anisotrópicos em 3D, a partir de dados de VSP e walkaway VSP. Esta abordagem é promissora para determinação de modelos de velocidade, que são necessários para migração de dados sísmicos 3D na presença de anisotropia. É efetuada a análise da inversão tomográfica não linear, para meios estratificados transversalmente isotrópicos com um eixo de simetria vertical(TIV). As limitações dos dados de tempo de trânsito de eventos qP para determinação das constantes elásticas, são estabelecidas e caracterizados os efeitos da falta de cobertura angular completa na inversão tomográfica. Um algoritmo de inversão foi desenvolvido e avaliado em dados sintéticos. A aplicação do algoritmo a dados reais demonstra a consistência de meios TIV. Esta abordagem é útil para casos onde há informação a priori sobre a estratificação quase plana das formações e onde os próprios dados do levantamento poço a poço apresentam um alto grau de simetria especular em relação a um plano vertical. Também pode ser útil em interpretações preliminares, onde a estimativa de um meio estratificado, serve como modelo de fundo para se efetuar análises mais detalhadas, por exemplo, como um modelo de velocidades anisotrópico para migração, ou como um modelo de calibração para análises de AVO.

Avaliação de algoritmos para conversão de modelos de velocidade de tempo para profundidade

Ainda hoje, a migração em tempo é o processo de imageamento substancialmente empregado na indústria do petróleo. Tal popularidade é devida ao seu alto grau de eficiência e robustez, além de sua habilidade em focalizar refletores nos mais variados ambientes geológicos. Entretanto, em áreas de alta complexidade geológica a migração em tempo falha de tal forma que a migração em profundidade e um campo de velocidade em profundidade são indispensáveis. Esse campo é geralmente obtido através de processos tomográficos partindo de um campo de velocidade inicial. A conversão de campos de velocidade de tempo para profundidade é uma forma rápida de se obter um campo inicial mais consistente geologicamente para tais processos. Alguns algoritmos de conversão tempo-profundidade recentemente desenvolvidos baseados no traçamento de raios-imagem são revistos e um algoritmo alternativo baseado na propagação da frente de onda-imagem é proposto. Os algoritmos são aplicados a dados sintéticos bidimensionais e avaliados de acordo com suas eficiência e acurácia, destacando suas vantagens, desvantagens e limitações na obtenção de campos de velocidade em profundidade.

Migração com amplitude verdadeira em meios com gradiente constante de velocidade

Este trabalho tem por objetivo a aplicação de um método de migração com amplitudes verdadeiras, considerando-se um meio acústico onde a velocidade de propagação varia linearmente com a profundidade. O método de migração é baseado na teoria dos raios e na integral de migração de Kirchhoff, procurando posicionar de forma correta os refletores e recuperar os respetivos coeficientes de reflexão. No processo de recuperação dos coeficientes de reflexão, busca-se corrigir o fator de espalhamento geométrico de reflexões sísmicas primárias, sem o conhecimento a priori dos refletores procurados. Ao considerar-se configurações fonte-receptor arbitrárias, as reflexões primárias podem ser imageadas no tempo ou profundidade, sendo as amplitudes do campo de ondas migrado uma medida dos coeficientes de reflexão (função do ângulo de incidência). Anteriormente têm sido propostos alguns algoritmos baseados na aproximação de Born ou Kirchhoff. Todos são dados em forma de um operador integral de empilhamento de difrações, que são aplicados à entrada dos dados sísmicos. O resultado é uma seção sísmica migrada, onde cada ponto de reflexão é imageado com uma amplitude proporcional ao coeficiente de reflexão no ponto. No presente caso, o processo de migração faz uso de um modelo com velocidade que apresenta uma distribuição que varia linearmente com a profundidade, conhecido também como gradiente constante de velocidade. O esquema de migração corresponde a uma versão modificada da migração de empilhamento por difração e faz uso explícito da teoria do raio, por exemplo, na descrição de tempos de trânsito e amplitudes das reflexões primárias, com as quais a operação de empilhamento e suas propriedades podem ser entendidas geometricamente. Efeitos como o espalhamento geométrico devido à trajetória do raio levam a distorção das amplitudes. Estes efeitos têm que ser corregidos durante o processamento dos dados sísmicos. Baseados na integral de migração de Kirchhoff e na teoria paraxial dos raios, foi derivada a função peso e o operador da integral por empilhamento de difrações para um modelo sísmico 2,5-D, e aplicado a uma serie de dados sintéticos em ambientes com ruído e livre de ruído. O resultado mostra a precisão e estabilidade do método de migração em um meio 2,5-D como ferramenta para obter informação sobre as propriedades de refletividade da subsuperfície da terra. Neste método não são levados em consideração a existência de caústicas nem a atenuação devido a fricção interna.

Migração em profundidade usando a solução numérica da equação da eiconal

Nos últimos anos tem-se verificado um interesse crescente no desenvolvimento de algoritmos de imageamento sísmico com a finalidade de obter uma imagem da subsuperfície da terra. A migração pelo método de Kirchhoff, por exemplo, é um método de imageamento muito eficiente empregado na busca da localização de refletores na subsuperficie, quando dispomos do cálculo dos tempos de trânsito necessários para a etapa de empilhamento, sendo estes obtidos neste trabalho através da solução da equação eiconal. Primeiramente, é apresentada a teoria da migração de Kirchhoff em profundidade baseada na teoria do raio, sendo em seguida introduzida a equação eiconal, através da qual são obtidos os tempos de trânsitos empregados no empilhamento das curvas de difrações. Em seguida é desenvolvido um algoritmo de migração em profundidade fazendo uso dos tempos de trânsito obtidos através da equação eiconal. Finalmente, aplicamos este algoritmo a dados sintéticos contendo ruído aditivo e múltiplas e obtemos como resultado uma seção sísmica na profundidade. Através dos experimentos feitos neste trabalho observou-se que o algoritmo de migração desenvolvido mostrou-se bastante eficiente e eficaz na reconstrução da imagem dos refletores.

Lensometry by two-laser holography with photorefractive Bi12TiO20

Refractive and profilometric measurements of lenses were performed through holography with a photorefractive Bi12TiO20 crystal as the recording medium. Two properly aligned diode lasers emitting in the red region were employed as light sources. Both lasers were tuned in order to provide millimetric and sub-millimetric synthetic wavelengths. The surfaces of the test lens were covered by a 25-μm opaque plastic tape in order to allow the lens profilometry upon illuminating them with a collimated beam. The resulting holographic images appear covered by interference fringes corresponding to the wavefront geometry of the wave scattered by the lens. For refractive index measurement a diffusely scattering flat surface was positioned behind the uncovered lens which was also illuminated by a plane wave. The resulting contour interferogram describes the form of the wavefront after the beam traveled back and forth through the lens. The fringe quantitative evaluation was carried out through the four-stepping technique and the resulting phase map and the Branch-cut method was employed for phase unwrapping. The only non-optical procedure for lens characterization was the thickness measurement, made by a dial caliper. Exact ray tracing calculation was performed in order to establish a relation between the output wavefront geometry and the lens parameters like radii of curvature, thickness and refractive index. By quantitatively comparing the theoretical wavefront geometry with the experimental results relative uncertainties bellow 3% for refractive index and 1 % for focal length were obtained. © 2008 American Institute of Physics.

Beyond the diffraction limit of optical/IR interferometers I. Angular diameter and rotation parameters of Achernar from differential phases

Context. Spectrally resolved long-baseline optical/IR interferometry of rotating stars opens perspectives to investigate their fundamental parameters and the physical mechanisms that govern their interior, photosphere, and circumstellar envelope structures. Aims. Based on the signatures of stellar rotation on observed interferometric wavelength-differential phases, we aim to measure angular diameters, rotation velocities, and orientation of stellar rotation axes. Methods. We used the AMBER focal instrument at ESO-VLTI in its high-spectral resolution mode to record interferometric data on the fast rotator Achernar. Differential phases centered on the hydrogen Br gamma line (K band) were obtained during four almost consecutive nights with a continuous Earth-rotation synthesis during similar to 5h/night, corresponding to similar to 60 degrees position angle coverage per baseline. These observations were interpreted with our numerical code dedicated to long-baseline interferometry of rotating stars. Results. By fitting our model to Achernar's differential phases from AMBER, we could measure its equatorial radius R-eq = 11.6 +/- 0.3 R-circle dot, equatorial rotation velocity V-eq = 298 +/- 9 km s(-1), rotation axis inclination angle i = 101.5 +/- 5.2 degrees, and rotation axis position angle (from North to East) PA(rot) = 34.9 +/- 1.6 degrees. From these parameters and the stellar distance, the equatorial angular diameter circle divide(eq) of Achernar is found to be 2.45 +/- 0.09 mas, which is compatible with previous values derived from the commonly used visibility amplitude. In particular, circle divide(eq) and PA(rot) measured in this work with VLTI/AMBER are compatible with the values previously obtained with VLTI/VINCI. Conclusions. The present paper, based on real data, demonstrates the super-resolution potential of differential interferometry for measuring sizes, rotation velocities, and orientation of rotating stars in cases where visibility amplitudes are unavailable and/or when the star is partially or poorly resolved. In particular, we showed that differential phases allow the measurement of sizes up to similar to 4 times smaller than the diffraction-limited angular resolution of the interferometer.

Microstructure, growth and remodeling of the non-deformed and deformed vertebrae of the Red Porgy (Pagrus pagrus)

Máster Oficial en Cultivos Marinos. VI Máster Internacional en Acuicultura. Trabajo presentado como requisito parcial para la obtención del Título de Máster Oficial en Cultivos Marinos, otorgado por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC), el Instituto Canario de Ciencias Marinas (ICCM), y el Centro Internacional de Altos Estudios Agronómicos Mediterráneos de Zaragoza (CIHEAM)

Nonlinear/electromagnetic co-simulation of microwaves and millimeter-waves links

The Ph.D. thesis describes the simulations of different microwave links from the transmitter to the receiver intermediate-frequency ports, by means of a rigorous circuit-level nonlinear analysis approach coupled with the electromagnetic characterization of the transmitter and receiver front ends. This includes a full electromagnetic computation of the radiated far field which is used to establish the connection between transmitter and receiver. Digitally modulated radio-frequency drive is treated by a modulation-oriented harmonic-balance method based on Krylov-subspace model-order reduction to allow the handling of large-size front ends. Different examples of links have been presented: an End-to-End link simulated by making use of an artificial neural network model; the latter allows a fast computation of the link itself when driven by long sequences of the order of millions of samples. In this way a meaningful evaluation of such link performance aspects as the bit error rate becomes possible at the circuit level. Subsequently, a work focused on the co-simulation an entire link including a realistic simulation of the radio channel has been presented. The channel has been characterized by means of a deterministic approach, such as Ray Tracing technique. Then, a 2x2 multiple-input multiple-output antenna link has been simulated; in this work near-field and far-field coupling between radiating elements, as well as the environment factors, has been rigorously taken into account. Finally, within the scope to simulate an entire ultra-wideband link, the transmitting side of an ultrawideband link has been designed, and an interesting Front-End co-design technique application has been setup.

Nonlinear / electromagnetic co-simulation and co-design of microwave links in highly polluted and / or strongly inhomogeneous environments

The objective of the Ph.D. thesis is to put the basis of an all-embracing link analysis procedure that may form a general reference scheme for the future state-of-the-art of RF/microwave link design: it is basically meant as a circuit-level simulation of an entire radio link, with – generally multiple – transmitting and receiving antennas examined by EM analysis. In this way the influence of mutual couplings on the frequency-dependent near-field and far-field performance of each element is fully accounted for. The set of transmitters is treated as a unique nonlinear system loaded by the multiport antenna, and is analyzed by nonlinear circuit techniques. In order to establish the connection between transmitters and receivers, the far-fields incident onto the receivers are evaluated by EM analysis and are combined by extending an available Ray Tracing technique to the link study. EM theory is used to describe the receiving array as a linear active multiport network. Link performances in terms of bit error rate (BER) are eventually verified a posteriori by a fast system-level algorithm. In order to validate the proposed approach, four heterogeneous application contexts are provided. A complete MIMO link design in a realistic propagation scenario is meant to constitute the reference case study. The second one regards the design, optimization and testing of various typologies of rectennas for power generation by common RF sources. Finally, the project and implementation of two typologies of radio identification tags, at X-band and V-band respectively. In all the cases the importance of an exhaustive nonlinear/electromagnetic co-simulation and co-design is demonstrated to be essential for any accurate system performance prediction.

Sintesi di immagini realistiche mediante l'uso del Photon differentials come estensione del Photon mapping

Questa tesi intende presentare una tecnica per la sintesi di immagini realistiche al calcolatore basata sul concetto di particle tracing. Il metodo proposto opera una stima sulla densità locale dei fotoni estendendo il concetto del photon differentials anche alla gestione delle riflessioni diffusive. Si è scelto di implementare il nuovo algoritmo di illuminazione globale all’interno di XCModel come estensione del photon mapping.

Electromagnetic simulation and measurement of diffuse scattering from building walls

Il fenomeno dello scattering diffuso è stato oggetto di numerosi studi nell’arco degli ultimi anni, questo grazie alla sua rilevanza nell’ambito della propagazione elettromagnetica così come in molti altri campi di applicazione (remote sensing, ottica, fisica, etc.), ma la compresione completa di questo effetto è lungi dall’essere raggiunta. Infatti la complessità nello studio e nella caratterizzazione della diffusione deriva dalla miriade di casistiche ed effetti che si possono incontrare in un ambiente di propagazione reale, lasciando intuire la necessità di trattarne probabilisticamente il relativo contributo. Da qui nasce l’esigenza di avere applicazioni efficienti dal punto di vista ingegneristico che coniughino la definizione rigorosa del fenomeno e la conseguente semplificazione per fini pratici. In tale visione possiamo descrivere lo scattering diffuso come la sovrapposizione di tutti quegli effetti che si scostano dalle classiche leggi dell’ottica geometrica (riflessione, rifrazione e diffrazione) che generano contributi del campo anche in punti dello spazio e direzioni in cui teoricamente, per oggetti lisci ed omogenei, non dovrebbe esserci alcun apporto. Dunque l’effetto principale, nel caso di ambiente di propagazione reale, è la diversa distribuzione spaziale del campo rispetto al caso teorico di superficie liscia ed omogenea in congiunzione ad effetti di depolarizzazione e redistribuzione di energia nel bilancio di potenza. Perciò la complessità del fenomeno è evidente e l’obiettivo di tale elaborato è di proporre nuovi risultati che permettano di meglio descrivere lo scattering diffuso ed individuare altresì le tematiche sulle quali concentrare l’attenzione nei lavori futuri. In principio è stato quindi effettuato uno studio bibliografico così da identificare i modelli e le teorie esistenti individuando i punti sui quali riflettere maggiormente; nel contempo si sono analizzate le metodologie di caratterizzazione della permittività elettrica complessa dei materiali, questo per valutare la possibilità di ricavare i parametri da utilizzare nelle simulazioni utilizzando il medesimo setup di misura ideato per lo studio della diffusione. Successivamente si è realizzato un setup di simulazione grazie ad un software di calcolo elettromagnetico (basato sul metodo delle differenze finite nel dominio del tempo) grazie al quale è stato possibile analizzare la dispersione tridimensionale dovuta alle irregolarità del materiale. Infine è stata condotta una campagna di misure in camera anecoica con un banco sperimentale realizzato ad-hoc per effettuare una caratterizzazione del fenomeno di scattering in banda larga.