Contribution to the Analysis, Design and Assessment of Compact Antenna Test Ranges At Millimeter Wavelengths - Contribución al Análisis, Diseño y Caracterización de Sistemas de Medida de Antenas en Rango Compacto para Frecuencias Milimétricas

This Doctoral Thesis entitled Contribution to the analysis, design and assessment of compact antenna test ranges at millimeter wavelengths aims to deepen the knowledge of a particular antenna measurement system: the compact range, operating in the frequency bands of millimeter wavelengths. The thesis has been developed at Radiation Group (GR), an antenna laboratory which belongs to the Signals, Systems and Radiocommunications department (SSR), from Technical University of Madrid (UPM). The Radiation Group owns an extensive experience on antenna measurements, running at present four facilities which operate in different configurations: Gregorian compact antenna test range, spherical near field, planar near field and semianechoic arch system. The research work performed in line with this thesis contributes the knowledge of the first measurement configuration at higher frequencies, beyond the microwaves region where Radiation Group features customer-level performance. To reach this high level purpose, a set of scientific tasks were sequentially carried out. Those are succinctly described in the subsequent paragraphs. A first step dealed with the State of Art review. The study of scientific literature dealed with the analysis of measurement practices in compact antenna test ranges in addition with the particularities of millimeter wavelength technologies. Joint study of both fields of knowledge converged, when this measurement facilities are of interest, in a series of technological challenges which become serious bottlenecks at different stages: analysis, design and assessment. Thirdly after the overview study, focus was set on Electromagnetic analysis algorithms. These formulations allow to approach certain electromagnetic features of interest, such as field distribution phase or stray signal analysis of particular structures when they interact with electromagnetic waves sources. Properly operated, a CATR facility features electromagnetic waves collimation optics which are large, in terms of wavelengths. Accordingly, the electromagnetic analysis tasks introduce an extense number of mathematic unknowns which grow with frequency, following different polynomic order laws depending on the used algorithmia. In particular, the optics configuration which was of our interest consisted on the reflection type serrated edge collimator. The analysis of these devices requires a flexible handling of almost arbitrary scattering geometries, becoming this flexibility the nucleus of the algorithmia’s ability to perform the subsequent design tasks. This thesis’ contribution to this field of knowledge consisted on reaching a formulation which was powerful at the same time when dealing with various analysis geometries and computationally speaking. Two algorithmia were developed. While based on the same principle of hybridization, they reached different order Physics performance at the cost of the computational efficiency. Inter-comparison of their CATR design capabilities was performed, reaching both qualitative as well as quantitative conclusions on their scope. In third place, interest was shifted from analysis - design tasks towards range assessment. Millimetre wavelengths imply strict mechanical tolerances and fine setup adjustment. In addition, the large number of unknowns issue already faced in the analysis stage appears as well in the on chamber field probing stage. Natural decrease of dynamic range available by semiconductor millimeter waves sources requires in addition larger integration times at each probing point. These peculiarities increase exponentially the difficulty of performing assessment processes in CATR facilities beyond microwaves. The bottleneck becomes so tight that it compromises the range characterization beyond a certain limit frequency which typically lies on the lowest segment of millimeter wavelength frequencies. However the value of range assessment moves, on the contrary, towards the highest segment. This thesis contributes this technological scenario developing quiet zone probing techniques which achieves substantial data reduction ratii. Collaterally, it increases the robustness of the results to noise, which is a virtual rise of the setup’s available dynamic range. In fourth place, the environmental sensitivity of millimeter wavelengths issue was approached. It is well known the drifts of electromagnetic experiments due to the dependance of the re sults with respect to the surrounding environment. This feature relegates many industrial practices of microwave frequencies to the experimental stage, at millimeter wavelengths. In particular, evolution of the atmosphere within acceptable conditioning bounds redounds in drift phenomena which completely mask the experimental results. The contribution of this thesis on this aspect consists on modeling electrically the indoor atmosphere existing in a CATR, as a function of environmental variables which affect the range’s performance. A simple model was developed, being able to handle high level phenomena, such as feed - probe phase drift as a function of low level magnitudes easy to be sampled: relative humidity and temperature. With this model, environmental compensation can be performed and chamber conditioning is automatically extended towards higher frequencies. Therefore, the purpose of this thesis is to go further into the knowledge of millimetre wavelengths involving compact antenna test ranges. This knowledge is dosified through the sequential stages of a CATR conception, form early low level electromagnetic analysis towards the assessment of an operative facility, stages for each one of which nowadays bottleneck phenomena exist and seriously compromise the antenna measurement practices at millimeter wavelengths.

Approach to the use of indicators for the assessment of the environmental level of construction products

The European construction industry is supposed to consume the 40% of the natural European resources and to generate the 40% of the European solid waste. Conscious of the great damage being suffered by the environment because of construction activity, this work tries to provide the building actors with a new tool to improve the current situation. The tool proposed is a model for the comprehensive evaluation of construction products by determining their environmental level. In this research, the environmental level of a construction product has been defined as its quality of accomplishing the construction requirements needed by causing the minimum ecological impact in its surrounding environment. This information allows building actors to choose suitable materials for building needs and also for the environment, mainly in the project stage or on the building site, contributing to improve the relationship between buildings and environment. For the assessment of the environmental level of construction products, five indicators have been identified regarding their global environmental impact through the product life cycle: CO2 emissions provoked during their production, volume and toxicity of waste generated on the building site, durability and recycling capacity after their useful life. Therefore, the less environmental impact one construction product produces, the higher environmental level performs. The model has been tested in 30 construction products that include environmental criteria in their description. The results obtained will be discussed in this article. Furthermore, this model can lay down guidelines for the selection of ecoefficient construction products and the design of new eco-competitive and eco-committed ones

Impacto del cambio climático sobre los usos del agua en Europa

Esta Tesis realiza una contribución metodológica al estudio del impacto del cambio climático sobre los usos del agua, centrándose particularmente en la agricultura. Tomando en consideración su naturaleza distinta, la metodología aborda de forma integral los impactos sobre la agricultura de secano y la agricultura de regadío. Para ello incorpora diferentes modelos agrícolas y de agua que conjuntamente con las simulaciones de los escenarios climáticos permiten determinar indicadores de impacto basados en la productividad de los cultivos, para el caso de la agricultura de secano, e indicadores de impacto basados en la disponibilidad de agua para irrigación, para el caso de la agricultura de regadío. La metodología toma en consideración el efecto de la variabilidad climática en la agricultura, evaluando las necesidades de adaptación y gestión asociadas a los impactos medios y a la variabilidad en la productividad de los cultivos y el efecto de la variabilidad hidrológica en la disponibilidad de agua para regadío. Considerando la gran cantidad de información proporcionada por las salidas de las simulaciones de los escenarios climáticos y su complejidad para procesarla, se ha desarrollado una herramienta de cálculo automatizada que integra diferentes escenarios climáticos, métodos y modelos que permiten abordar el impacto del cambio climático sobre la agricultura, a escala de grandes extensiones. El procedimiento metodológico parte del análisis de los escenarios climáticos en situación actual (1961-1990) y futura (2071-2100) para determinar su fiabilidad y conocer qué dicen exactamente las proyecciones climáticas a cerca de los impactos esperados en las principales variables que intervienen en el ciclo hidrológico. El análisis hidrológico se desarrolla en los ámbitos territoriales de la planificación hidrológica en España, considerando la disponibilidad de información para validar los resultados en escenario de control. Se utilizan como datos observados las series de escorrentía en régimen natural estimadas el modelo hidrológico SIMPA que está calibrado en la totalidad del territorio español. Al trabajar a escala de grandes extensiones, la limitada disponibilidad de datos o la falta de modelos hidrológicos correctamente calibrados para obtener los valores de escorrentía, muchas veces dificulta el proceso de evaluación, por tanto, en este estudio se plantea una metodología que compara diferentes métodos de interpolación y alternativas para generar series anuales de escorrentía que minimicen el sesgo con respecto a los valores observados. Así, en base a la alternativa que genera los mejores resultados, se obtienen series mensuales corregidas a partir de las simulaciones de los modelos climáticos regionales (MCR). Se comparan cuatro métodos de interpolación para obtener los valores de las variables a escala de cuenca hidrográfica, haciendo énfasis en la capacidad de cada método para reproducir los valores observados. Las alternativas utilizadas consideran la utilización de la escorrentía directa simulada por los MCR y la escorrentía media anual calculada utilizando cinco fórmulas climatológicas basadas en el índice de aridez. Los resultados se comparan además con la escorrentía global de referencia proporcionada por la UNH/GRDC que en la actualidad es el “mejor estimador” de la escorrentía actual a gran escala. El impacto del cambio climático en la agricultura de secano se evalúa considerando el efecto combinado de los riesgos asociados a las anomalías dadas por los cambios en la media y la variabilidad de la productividad de los cultivos en las regiones agroclimáticas de Europa. Este procedimiento facilita la determinación de las necesidades de adaptación y la identificación de los impactos regionales que deben ser abordados con mayor urgencia en función de los riesgos y oportunidades identificadas. Para ello se utilizan funciones regionales de productividad que han sido desarrolladas y calibradas en estudios previos en el ámbito europeo. Para el caso de la agricultura de regadío, se utiliza la disponibilidad de agua para irrigación como un indicador del impacto bajo escenarios de cambio climático. Considerando que la mayoría de estudios se han centrado en evaluar la disponibilidad de agua en régimen natural, en este trabajo se incorpora el efecto de las infraestructuras hidráulicas al momento de calcular el recurso disponible bajo escenarios de cambio climático Este análisis se desarrolla en el ámbito español considerando la disponibilidad de información, tanto de las aportaciones como de los modelos de explotación de los sistemas hidráulicos. Para ello se utiliza el modelo de gestión de recursos hídricos WAAPA (Water Availability and Adaptation Policy Assessment) que permite calcular la máxima demanda que puede atenderse bajo determinados criterios de garantía. Se utiliza las series mensuales de escorrentía observadas y las series mensuales de escorrentía corregidas por la metodología previamente planteada con el objeto de evaluar la disponibilidad de agua en escenario de control. Se construyen proyecciones climáticas utilizando los cambios en los valores medios y la variabilidad de las aportaciones simuladas por los MCR y también utilizando una fórmula climatológica basada en el índice de aridez. Se evalúan las necesidades de gestión en términos de la satisfacción de las demandas de agua para irrigación a través de la comparación entre la disponibilidad de agua en situación actual y la disponibilidad de agua bajo escenarios de cambio climático. Finalmente, mediante el desarrollo de una herramienta de cálculo que facilita el manejo y automatización de una gran cantidad de información compleja obtenida de las simulaciones de los MCR se obtiene un proceso metodológico que evalúa de forma integral el impacto del cambio climático sobre la agricultura a escala de grandes extensiones, y a la vez permite determinar las necesidades de adaptación y gestión en función de las prioridades identificadas. ABSTRACT This thesis presents a methodological contribution for studying the impact of climate change on water use, focusing particularly on agriculture. Taking into account the different nature of the agriculture, this methodology addresses the impacts on rainfed and irrigated agriculture, integrating agricultural and water planning models with climate change simulations scenarios in order to determine impact indicators based on crop productivity and water availability for irrigation, respectively. The methodology incorporates the effect of climate variability on agriculture, assessing adaptation and management needs associated with mean impacts, variability in crop productivity and the effect of hydrologic variability on water availability for irrigation. Considering the vast amount of information provided by the outputs of the regional climate model (RCM) simulations and also its complexity for processing it, a tool has been developed to integrate different climate scenarios, methods and models to address the impact of climate change on agriculture at large scale. Firstly, a hydrological analysis of the climate change scenarios is performed under current (1961-1990) and future (2071-2100) situation in order to know exactly what the models projections say about the expected impact on the main variables involved in the hydrological cycle. Due to the availability of information for validating the results in current situation, the hydrological analysis is developed in the territorial areas of water planning in Spain, where the values of naturalized runoff have been estimated by the hydrological model SIMPA, which are used as observed data. By working in large-scale studies, the limited availability of data or lack of properly calibrated hydrological model makes difficult to obtain runoff time series. So as, a methodology is proposed to compare different interpolation methods and alternatives to generate annual times series that minimize the bias with respect to observed values. Thus, the best alternative is selected in order to obtain bias-corrected monthly time series from the RCM simulations. Four interpolation methods for downscaling runoff to the basin scale from different RCM are compared with emphasis on the ability of each method to reproduce the observed behavior of this variable. The alternatives consider the use of the direct runoff of the RCMs and the mean annual runoff calculated using five functional forms of the aridity index. The results are also compared with the global runoff reference provided by the UNH/GRDC dataset, as a contrast of the “best estimator” of current runoff on a large scale. Secondly, the impact of climate change on rainfed agriculture is assessed considering the combined effect of the risks associated with anomalies given by changes in the mean and variability of crop productivity in the agro-climatic regions of Europe. This procedure allows determining adaptation needs based on the regional impacts that must be addressed with greater urgency in light of the risks and opportunities identified. Statistical models of productivity response are used for this purpose which have been developed and calibrated in previous European study. Thirdly, the impact of climate change on irrigated agriculture is evaluated considering the water availability for irrigation as an indicator of the impact. Given that most studies have focused on assessing water availability in natural regime, the effect of regulation is incorporated in this approach. The analysis is developed in the Spanish territory considering the available information of the observed stream flows and the regulation system. The Water Availability and Adaptation Policy Assessment (WAAPA) model is used in this study, which allows obtaining the maximum demand that could be supplied under certain conditions (demand seasonal distribution, water supply system management, and reliability criteria) for different policy alternatives. The monthly bias corrected time series obtained by previous methodology are used in order to assess water availability in current situation. Climate change projections are constructed taking into account the variation in mean and coefficient of variation simulated by the RCM. The management needs are determined by the agricultural demands satisfaction through the comparison between water availability under current conditions and under climate change projections. Therefore, the methodology allows evaluating the impact of climate change on agriculture to large scale, using a tool that facilitates the process of a large amount of complex information provided by the RCM simulations, in order to determine the adaptation and management needs in accordance with the priorities of the indentified impacts.

Global flow analysis as a practical compilation tool

This paper addresses the issue of the practicality of global flow analysis in logic program compilation, in terms of speed of the analysis, precisión, and usefulness of the information obtained. To this end, design and implementation aspects are discussed for two practical abstract interpretation-based flow analysis systems: MA , the MCC And-parallel Analyzer and Annotator; and Ms, an experimental mode inference system developed for SB-Prolog. The paper also provides performance data obtained (rom these implementations and, as an example of an application, a study of the usefulness of the mode information obtained in reducing run-time checks in independent and-parallelism.Based on the results obtained, it is concluded that the overhead of global flow analysis is not prohibitive, while the results of analysis can be quite precise and useful.

Sobre los aeropuertos verdes: marco para la evaluación ambiental suficiente de una construcción bajo interpretación transversal

En el estudio buscamos caracterizar el análisis de la SOSTENIBILIDAD (Suficiencia) del CICLO DE VIDA de una INFRAESTRUCTURA AEROPORTUARIA centrándonos en la evaluación de los aspectos SOCIALES (de forma Interdisciplinaria o Transversal) que le afectan y considerando todos los AGENTES involucrados (ingenieros/ operadores/ mantenedores/ usuarios/ stakeholders/ etc.). La complejidad de las interacciones entre los edificios y su entorno hace que sea difícil definir y evaluar con precisión la sostenibilidad de un edificio. Las NORMAS AMBIENTALES para la construcción (unas pocas existentes y algunos en fase de desarrollo) se centran en la sostenibilidad ECONÓMICA, SOCIAL Y AMBIENTAL que caracteriza a un edificio, siendo los aspectos socio-económicos difíciles de evaluar. En consecuencia, los métodos existentes para la evaluación de la construcción sostenible (por ejemplo, LEED, BREEAM, SBTool) tienden a superar los aspectos ambientales pues son más fáciles de evaluar de manera cuantitativa. Así desde el punto de vista holístico (global) y utilizando la teoría de sistemas complejos, la sostenibilidad debe ser evaluada, en parte, utilizando los INDICADORES DE SOSTENIBILIDAD SOCIALES Y ECONÓMICOS para cubrir todos los factores de Sostenibilidad. El estudio propone una metodología para valorar la sostenibilidad en la construcción aeroportuaria a través de la evaluación de los indicadores sostenibles de la construcción (SKPIs) sin y superando las carencias presentadas. Para ello hemos implementado una herramienta de evaluación de la sostenibilidad, donde: Puede evaluar, en primer aproximación e independientemente, la sostenibilidad del CICLO DE VIDA de la INFRAESTRUCTURA AEROPORTUARIA Puede COMPLETAR otras herramientas comerciales disponibles (ej. BREEAM, LEED), bajo un enfoque ECONÓMICO-SOCIAL y complementando el enfoque ambiental La evaluación de los KPIs se realiza por medio de TECNOLOGÍAS Y ESTRATEGIAS SOSTENIBLES, cuya aplicación supondría un aumento de la sostenibilidad del edificio La herramienta propuesta considera la complejidad y transdisciplinariedad del problema, fundada en un SISTEMA DE CRÉDITOS fácil de usar. Así el programa diseñado permite el análisis y la comparación del CICLO DE VIDA de la INFRAESTRUCTURA AEROPORTUARIA: Abarcando las etapas de construcción (diseño, operación, mantenimiento, etc.) Incluyendo a todos los agentes de construcción (ocupantes, stakeholders, constructores, etc.) Finalmente, se aporta un ejemplo teórico de una INFRAESTRUCTURA AEROPORTUARIA (Terminal Aeroportuaria) para fijar, demostrar y discutir el estudio presentado Abstract We seek to characterize the sustainability analysis of the life cycle of a building focus us on the evaluation of social aspect. From a holistic point of view and using complex systems theory, sustainability must be evaluated, in part, using social key performance indicator (KPI) to cover all factors of sustainability. The most remarkable of the proposed framework is to provide a methodology to achieve the sustainability in construction through the assessment of social KPIs. Besides we implement a tool to assess sustainability, where this tool could complete other commercial tools available (e.g. BREEAM, LEED). The proposed tool considers the complexity and trans-disciplinary of the problem. The procedure is based on a credit system easy to use. It also allows analysis and comparison of the boundary conditions of the building, embracing construction stages (design, operation), involving all the building agents (occupants, stakeholders, etc.)

El problema del rozamiento en el análisis de estructuras de fábrica mediante modelos de sólidos rígidos

La evaluación de la seguridad de estructuras antiguas de fábrica es un problema abierto.El material es heterogéneo y anisótropo, el estado previo de tensiones difícil de conocer y las condiciones de contorno inciertas. A comienzos de los años 50 se demostró que el análisis límite era aplicable a este tipo de estructuras, considerándose desde entonces como una herramienta adecuada. En los casos en los que no se produce deslizamiento la aplicación de los teoremas del análisis límite estándar constituye una herramienta formidable por su simplicidad y robustez. No es necesario conocer el estado real de tensiones. Basta con encontrar cualquier solución de equilibrio, y que satisfaga las condiciones de límite del material, en la seguridad de que su carga será igual o inferior a la carga real de inicio de colapso. Además esta carga de inicio de colapso es única (teorema de la unicidad) y se puede obtener como el óptimo de uno cualquiera entre un par de programas matemáticos convexos duales. Sin embargo, cuando puedan existir mecanismos de inicio de colapso que impliquen deslizamientos, cualquier solución debe satisfacer tanto las restricciones estáticas como las cinemáticas, así como un tipo especial de restricciones disyuntivas que ligan las anteriores y que pueden plantearse como de complementariedad. En este último caso no está asegurada la existencia de una solución única, por lo que es necesaria la búsqueda de otros métodos para tratar la incertidumbre asociada a su multiplicidad. En los últimos años, la investigación se ha centrado en la búsqueda de un mínimo absoluto por debajo del cual el colapso sea imposible. Este método es fácil de plantear desde el punto de vista matemático, pero intratable computacionalmente, debido a las restricciones de complementariedad 0 y z 0 que no son ni convexas ni suaves. El problema de decisión resultante es de complejidad computacional No determinista Polinomial (NP)- completo y el problema de optimización global NP-difícil. A pesar de ello, obtener una solución (sin garantía de exito) es un problema asequible. La presente tesis propone resolver el problema mediante Programación Lineal Secuencial, aprovechando las especiales características de las restricciones de complementariedad, que escritas en forma bilineal son del tipo y z = 0; y 0; z 0 , y aprovechando que el error de complementariedad (en forma bilineal) es una función de penalización exacta. Pero cuando se trata de encontrar la peor solución, el problema de optimización global equivalente es intratable (NP-difícil). Además, en tanto no se demuestre la existencia de un principio de máximo o mínimo, existe la duda de que el esfuerzo empleado en aproximar este mínimo esté justificado. En el capítulo 5, se propone hallar la distribución de frecuencias del factor de carga, para todas las soluciones de inicio de colapso posibles, sobre un sencillo ejemplo. Para ello, se realiza un muestreo de soluciones mediante el método de Monte Carlo, utilizando como contraste un método exacto de computación de politopos. El objetivo final es plantear hasta que punto está justificada la busqueda del mínimo absoluto y proponer un método alternativo de evaluación de la seguridad basado en probabilidades. Las distribuciones de frecuencias, de los factores de carga correspondientes a las soluciones de inicio de colapso obtenidas para el caso estudiado, muestran que tanto el valor máximo como el mínimo de los factores de carga son muy infrecuentes, y tanto más, cuanto más perfecto y contínuo es el contacto. Los resultados obtenidos confirman el interés de desarrollar nuevos métodos probabilistas. En el capítulo 6, se propone un método de este tipo basado en la obtención de múltiples soluciones, desde puntos de partida aleatorios y calificando los resultados mediante la Estadística de Orden. El propósito es determinar la probabilidad de inicio de colapso para cada solución.El método se aplica (de acuerdo a la reducción de expectativas propuesta por la Optimización Ordinal) para obtener una solución que se encuentre en un porcentaje determinado de las peores. Finalmente, en el capítulo 7, se proponen métodos híbridos, incorporando metaheurísticas, para los casos en que la búsqueda del mínimo global esté justificada. Abstract Safety assessment of the historic masonry structures is an open problem. The material is heterogeneous and anisotropic, the previous state of stress is hard to know and the boundary conditions are uncertain. In the early 50's it was proven that limit analysis was applicable to this kind of structures, being considered a suitable tool since then. In cases where no slip occurs, the application of the standard limit analysis theorems constitutes an excellent tool due to its simplicity and robustness. It is enough find any equilibrium solution which satisfy the limit constraints of the material. As we are certain that this load will be equal to or less than the actual load of the onset of collapse, it is not necessary to know the actual stresses state. Furthermore this load for the onset of collapse is unique (uniqueness theorem), and it can be obtained as the optimal from any of two mathematical convex duals programs However, if the mechanisms of the onset of collapse involve sliding, any solution must satisfy both static and kinematic constraints, and also a special kind of disjunctive constraints linking the previous ones, which can be formulated as complementarity constraints. In the latter case, it is not guaranted the existence of a single solution, so it is necessary to look for other ways to treat the uncertainty associated with its multiplicity. In recent years, research has been focused on finding an absolute minimum below which collapse is impossible. This method is easy to set from a mathematical point of view, but computationally intractable. This is due to the complementarity constraints 0 y z 0 , which are neither convex nor smooth. The computational complexity of the resulting decision problem is "Not-deterministic Polynomialcomplete" (NP-complete), and the corresponding global optimization problem is NP-hard. However, obtaining a solution (success is not guaranteed) is an affordable problem. This thesis proposes solve that problem through Successive Linear Programming: taking advantage of the special characteristics of complementarity constraints, which written in bilinear form are y z = 0; y 0; z 0 ; and taking advantage of the fact that the complementarity error (bilinear form) is an exact penalty function. But when it comes to finding the worst solution, the (equivalent) global optimization problem is intractable (NP-hard). Furthermore, until a minimum or maximum principle is not demonstrated, it is questionable that the effort expended in approximating this minimum is justified. XIV In chapter 5, it is proposed find the frequency distribution of the load factor, for all possible solutions of the onset of collapse, on a simple example. For this purpose, a Monte Carlo sampling of solutions is performed using a contrast method "exact computation of polytopes". The ultimate goal is to determine to which extent the search of the global minimum is justified, and to propose an alternative approach to safety assessment based on probabilities. The frequency distributions for the case study show that both the maximum and the minimum load factors are very infrequent, especially when the contact gets more perfect and more continuous. The results indicates the interest of developing new probabilistic methods. In Chapter 6, is proposed a method based on multiple solutions obtained from random starting points, and qualifying the results through Order Statistics. The purpose is to determine the probability for each solution of the onset of collapse. The method is applied (according to expectations reduction given by the Ordinal Optimization) to obtain a solution that is in a certain percentage of the worst. Finally, in Chapter 7, hybrid methods incorporating metaheuristics are proposed for cases in which the search for the global minimum is justified.

Comparative assessment of global irradiation from a satellite estimate model (CM SAF) and on-ground measurements (SIAR): a Spanish case study

An analysis and comparison of daily and yearly solar irradiation from the satellite CM SAF database and a set of 301 stations from the Spanish SIAR network is performed using data of 2010 and 2011. This analysis is completed with the comparison of the estimations of effective irradiation incident on three different tilted planes (fixed, two axis tracking, north-south hori- zontal axis) using irradiation from these two data sources. Finally, a new map of yearly values of irradiation both on the horizontal plane and on inclined planes is produced mixing both sources with geostatistical techniques (kriging with external drift, KED) The Mean Absolute Difference (MAD) between CM SAF and SIAR is approximately 4% for the irradiation on the horizontal plane and is comprised between 5% and 6% for the irradiation incident on the inclined planes. The MAD between KED and SIAR, and KED and CM SAF is approximately 3% for the irradiation on the horizontal plane and is comprised between 3% and 4% for the irradiation incident on the inclined planes. The methods have been implemented using free software, available as supplementary ma- terial, and the data sources are freely available without restrictions.

Cuantificación de las erosión en un talud de Taganana mediante fotogrametría terrestre (Tenerife)

This paper provides an assessment of the potential of terrestrial photogrammetry to calculate erosion associated with surface runoff on hillsides near roads during recent periods. To do this we choose a road embankment located in a valley with hills which have developed abundant grooves erosion. The accuracy of the surveying tool is evident in the evaluation of small hillsides, but is impractical for the study of large hillsides with significant slopes, in which are unknown initial parameters of the topography.

Comparative assessment of global irradiation from a satellite estimate model (CM SAF) and on-ground measurements (SIAR): a Spanish case study

An analysis and comparison of daily and yearly solar irradiation from the satellite CM SAF database and a set of 301 stations from the Spanish SIAR network is performed using data of 2010 and 2011. This analysis is completed with the comparison of the estimations of effective irradiation incident on three different tilted planes (fixed, two axis tracking, north-south hori- zontal axis) using irradiation from these two data sources. Finally, a new map of yearly values of irradiation both on the horizontal plane and on inclined planes is produced mixing both sources with geostatistical techniques (kriging with external drift, KED) The Mean Absolute Difference (MAD) between CM SAF and SIAR is approximately 4% for the irradiation on the horizontal plane and is comprised between 5% and 6% for the irradiation incident on the inclined planes. The MAD between KED and SIAR, and KED and CM SAF is approximately 3% for the irradiation on the horizontal plane and is comprised between 3% and 4% for the irradiation incident on the inclined planes. The methods have been implemented using free software, available as supplementary ma- terial, and the data sources are freely available without restrictions.

Optical systems design using the SMS method and optimizations

Resumen El diseño de sistemas ópticos, entendido como un arte por algunos, como una ciencia por otros, se ha realizado durante siglos. Desde los egipcios hasta nuestros días los sistemas de formación de imagen han ido evolucionando así como las técnicas de diseño asociadas. Sin embargo ha sido en los últimos 50 años cuando las técnicas de diseño han experimentado su mayor desarrollo y evolución, debido, en parte, a la aparición de nuevas técnicas de fabricación y al desarrollo de ordenadores cada vez más potentes que han permitido el cálculo y análisis del trazado de rayos a través de los sistemas ópticos de forma rápida y eficiente. Esto ha propiciado que el diseño de sistemas ópticos evolucione desde los diseños desarrollados únicamente a partir de la óptica paraxial hasta lo modernos diseños realizados mediante la utilización de diferentes técnicas de optimización multiparamétrica. El principal problema con el que se encuentra el diseñador es que las diferentes técnicas de optimización necesitan partir de un diseño inicial el cual puede fijar las posibles soluciones. Dicho de otra forma, si el punto de inicio está lejos del mínimo global, o diseño óptimo para las condiciones establecidas, el diseño final puede ser un mínimo local cerca del punto de inicio y lejos del mínimo global. Este tipo de problemática ha llevado al desarrollo de sistemas globales de optimización que cada vez sean menos sensibles al punto de inicio de la optimización. Aunque si bien es cierto que es posible obtener buenos diseños a partir de este tipo de técnicas, se requiere de muchos intentos hasta llegar a la solución deseada, habiendo un entorno de incertidumbre durante todo el proceso, puesto que no está asegurado el que se llegue a la solución óptima. El método de las Superficies Múltiples Simultaneas (SMS), que nació como una herramienta de cálculo de concentradores anidólicos, se ha demostrado como una herramienta también capaz utilizarse para el diseño de sistemas ópticos formadores de imagen, aunque hasta la fecha se ha utilizado para el diseño puntual de sistemas de formación de imagen. Esta tesis tiene por objeto presentar el SMS como un método que puede ser utilizado de forma general para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija o v afocal con un aumento definido así como una herramienta que puede industrializarse para ayudar al diseñador a afrontar de forma sencilla el diseño de sistemas ópticos complejos. Esta tesis está estructurada en cinco capítulos: El capítulo 1, es un capítulo de fundamentos donde se presentan los conceptos fundamentales necesarios para que el lector, aunque no posea una gran base en óptica formadora de imagen, pueda entender los planteamientos y resultados que se presentan en el resto de capítulos El capitulo 2 aborda el problema de la optimización de sistemas ópticos, donde se presenta el método SMS como una herramienta idónea para obtener un punto de partida para el proceso de optimización. Mediante un ejemplo aplicado se demuestra la importancia del punto de partida utilizado en la solución final encontrada. Además en este capítulo se presentan diferentes técnicas que permiten la interpolación y optimización de las superficies obtenidas a partir de la aplicación del SMS. Aunque en esta tesis se trabajará únicamente utilizando el SMS2D, se presenta además un método para la interpolación y optimización de las nubes de puntos obtenidas a partir del SMS3D basado en funciones de base radial (RBF). En el capítulo 3 se presenta el diseño, fabricación y medidas de un objetivo catadióptrico panorámico diseñado para trabajar en la banda del infrarrojo lejano (8-12 μm) para aplicaciones de vigilancia perimetral. El objetivo presentado se diseña utilizando el método SMS para tres frentes de onda de entrada utilizando cuatro superficies. La potencia del método de diseño utilizado se hace evidente en la sencillez con la que este complejo sistema se diseña. Las imágenes presentadas demuestran cómo el prototipo desarrollado cumple a la perfección su propósito. El capítulo 4 aborda el problema del diseño de sistemas ópticos ultra compactos, se introduce el concepto de sistemas multicanal, como aquellos sistemas ópticos compuestos por una serie de canales que trabajan en paralelo. Este tipo de sistemas resultan particularmente idóneos para él diseño de sistemas afocales. Se presentan estrategias de diseño para sistemas multicanal tanto monocromáticos como policromáticos. Utilizando la novedosa técnica de diseño que en este capítulo se presenta el diseño de un telescopio de seis aumentos y medio. En el capítulo 5 se presenta una generalización del método SMS para rayos meridianos. En este capítulo se presenta el algoritmo que debe utilizarse para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija. La denominada optimización fase 1 se vi introduce en el algoritmo presentado de forma que mediante el cambio de las condiciones iníciales del diseño SMS que, aunque el diseño se realice para rayos meridianos, los rayos skew tengan un comportamiento similar. Para probar la potencia del algoritmo desarrollado se presenta un conjunto de diseños con diferente número de superficies. La estabilidad y potencia del algoritmo se hace evidente al conseguirse por primera vez el diseño de un sistema de seis superficies diseñado por SMS. vii Abstract The design of optical systems, considered an art by some and a science by others, has been developed for centuries. Imaging optical systems have been evolving since Ancient Egyptian times, as have design techniques. Nevertheless, the most important developments in design techniques have taken place over the past 50 years, in part due to the advances in manufacturing techniques and the development of increasingly powerful computers, which have enabled the fast and efficient calculation and analysis of ray tracing through optical systems. This has led to the design of optical systems evolving from designs developed solely from paraxial optics to modern designs created by using different multiparametric optimization techniques. The main problem the designer faces is that the different optimization techniques require an initial design which can set possible solutions as a starting point. In other words, if the starting point is far from the global minimum or optimal design for the set conditions, the final design may be a local minimum close to the starting point and far from the global minimum. This type of problem has led to the development of global optimization systems which are increasingly less sensitive to the starting point of the optimization process. Even though it is possible to obtain good designs from these types of techniques, many attempts are necessary to reach the desired solution. This is because of the uncertain environment due to the fact that there is no guarantee that the optimal solution will be obtained. The Simultaneous Multiple Surfaces (SMS) method, designed as a tool to calculate anidolic concentrators, has also proved useful for the design of image-forming optical systems, although until now it has occasionally been used for the design of imaging systems. This thesis aims to present the SMS method as a technique that can be used in general for the design of any optical system, whether with a fixed focal or an afocal with a defined magnification, and also as a tool that can be commercialized to help designers in the design of complex optical systems. The thesis is divided into five chapters. Chapter 1 establishes the basics by presenting the fundamental concepts which the reader needs to acquire, even if he/she doesn‟t have extensive knowledge in the field viii of image-forming optics, in order to understand the steps taken and the results obtained in the following chapters. Chapter 2 addresses the problem of optimizing optical systems. Here the SMS method is presented as an ideal tool to obtain a starting point for the optimization process. The importance of the starting point for the final solution is demonstrated through an example. Additionally, this chapter introduces various techniques for the interpolation and optimization of the surfaces obtained through the application of the SMS method. Even though in this thesis only the SMS2D method is used, we present a method for the interpolation and optimization of clouds of points obtained though the SMS3D method, based on radial basis functions (RBF). Chapter 3 presents the design, manufacturing and measurement processes of a catadioptric panoramic lens designed to work in the Long Wavelength Infrared (LWIR) (8-12 microns) for perimeter surveillance applications. The lens presented is designed by using the SMS method for three input wavefronts using four surfaces. The powerfulness of the design method used is revealed through the ease with which this complex system is designed. The images presented show how the prototype perfectly fulfills its purpose. Chapter 4 addresses the problem of designing ultra-compact optical systems. The concept of multi-channel systems, such as optical systems composed of a series of channels that work in parallel, is introduced. Such systems are especially suitable for the design of afocal systems. We present design strategies for multichannel systems, both monochromatic and polychromatic. A telescope designed with a magnification of six-and-a-half through the innovative technique exposed in this chapter is presented. Chapter 5 presents a generalization of the SMS method for meridian rays. The algorithm to be used for the design of any fixed focal optics is revealed. The optimization known as phase 1 optimization is inserted into the algorithm so that, by changing the initial conditions of the SMS design, the skew rays have a similar behavior, despite the design being carried out for meridian rays. To test the power of the developed algorithm, a set of designs with a different number of surfaces is presented. The stability and strength of the algorithm become apparent when the first design of a system with six surfaces if obtained through the SMS method.

Water scarcity and climate change impact and vulnerability in irrigated agriculture in Mediterranean river basins

Actualmente, la escasez de agua constituye un importante problema en muchos lugares del mundo. El crecimiento de la población, la creciente necesidad de alimentos, el desarrollo socio-económico y el cambio climático ejercen una importante y cada vez mayor presión sobre los recursos hídricos, a la que muchos países van a tener que enfrentarse en los próximos anos. La región Mediterránea es una de las regiones del mundo de mayor escasez de recursos hídricos, y es además una de las zonas más vulnerables al cambio climático. La mayoría de estudios sobre cambio climático prevén mayores temperaturas y una disminución de las precipitaciones, y una creciente escasez de agua debida a la disminución de recursos disponibles y al aumento de las demandas de riego. En el contexto actual de desarrollo de políticas se demanda cada vez más una mayor consideración del cambio climático en el marco de las políticas sectoriales. Sin embargo, los estudios enfocados a un solo sector no reflejan las múltiples dimensiones del los efectos del cambio climático. Numerosos estudios científicos han demostrado que el cambio climático es un fenómeno de naturaleza multi-dimensional y cuyos efectos se transmiten a múltiples escalas. Por tanto, es necesaria la producción de estudios y herramientas de análisis capaces de reflejar todas estas dimensiones y que contribuyan a la elaboración de políticas robustas en un contexto de cambio climático. Esta investigación pretende aportar una visión global de la problemática de la escasez de agua y los impactos, la vulnerabilidad y la adaptación al cambio climático en el contexto de la región mediterránea. La investigación presenta un marco integrado de modelización que se va ampliando progresivamente en un proceso secuencial y multi-escalar en el que en cada etapa se incorpora una nueva dimensión. La investigación consta de cuatro etapas que se abordan a lo largo de cuatro capítulos. En primer lugar, se estudia la vulnerabilidad económica de las explotaciones de regadío del Medio Guadiana, en España. Para ello, se utiliza un modelo de programación matemática en combinación con un modelo econométrico. A continuación, en la segunda etapa, se utiliza un modelo hidro-económico que incluye un modelo de cultivo para analizar los procesos que tienen lugar a escala de cultivo, explotación y cuenca teniendo en cuenta distintas escalas geográficas y de toma de decisiones. Esta herramienta permite el análisis de escenarios de cambio climático y la evaluación de posibles medidas de adaptación. La tercera fase consiste en el análisis de las barreras que dificultan la aplicación de procesos de adaptación para lo cual se analizan las redes socio-institucionales en la cuenca. Finalmente, la cuarta etapa aporta una visión sobre la escasez de agua y el cambio climático a escala nacional y regional mediante el estudio de distintos escenarios de futuro plausibles y los posibles efectos de las políticas en la escasez de agua. Para este análisis se utiliza un modelo econométrico de datos de panel para la región mediterránea y un modelo hidro-económico que se aplica a los casos de estudio de España y Jordania. Los resultados del estudio ponen de relieve la importancia de considerar múltiples escalas y múltiples dimensiones en el estudio de la gestión de los recursos hídricos y la adaptación al cambio climático en los contextos mediterráneos de escasez de agua estudiados. Los resultados muestran que los impactos del cambio climático en la cuenca del Guadiana y en el conjunto de España pueden comprometer la sostenibilidad del regadío y de los ecosistemas. El análisis a escala de cuenca hidrográfica resalta la importancia de las interacciones entre los distintos usuarios del agua y en concreto entre distintas comunidades de regantes, así como la necesidad de fortalecer el papel de las instituciones y de fomentar la creación de una visión común en la cuenca para facilitar la aplicación de los procesos de adaptación. Asimismo, los resultados de este trabajo evidencian también la capacidad y el papel fundamental de las políticas para lograr un desarrollo sostenible y la adaptación al cambio climático es regiones de escasez de agua tales como la región mediterránea. Especialmente, este trabajo pone de manifiesto el potencial de la Directiva Marco del Agua de la Unión Europea para lograr una efectiva adaptación al cambio climático. Sin embargo, en Jordania, además de la adaptación al cambio climático, es preciso diseñar estrategias de desarrollo sostenible más ambiciosas que contribuyan a reducir el riesgo futuro de escasez de agua. ABSTRACT Water scarcity is becoming a major concern in many parts of the world. Population growth, increasing needs for food production, socio-economic development and climate change represent pressures on water resources that many countries around the world will have to deal in the coming years. The Mediterranean region is one of the most water scarce regions of the world and is considered a climate change hotspot. Most projections of climate change envisage an increase in temperatures and a decrease in precipitation and a resulting reduction in water resources availability as a consequence of both reduced water availability and increased irrigation demands. Current policy development processes require the integration of climate change concerns into sectoral policies. However, sector-oriented studies often fail to address all the dimensions of climate change implications. Climate change research in the last years has evidenced the need for more integrated studies and methodologies that are capable of addressing the multi-scale and multi-dimensional nature of climate change. This research attempts to provide a comprehensive view of water scarcity and climate change impacts, vulnerability and adaptation in Mediterranean contexts. It presents an integrated modelling framework that is progressively enlarged in a sequential multi-scale process in which a new dimension of climate change and water resources is addressed at every stage. It is comprised of four stages, each one explained in a different chapter. The first stage explores farm-level economic vulnerability in the Spanish Guadiana basin using a mathematical programming model in combination with an econometric model. Then, in a second stage, the use of a hydro-economic modelling framework that includes a crop growth model allows for the analysis of crop, farm and basin level processes taking into account different geographical and decision-making scales. This integrated tool is used for the analysis of climate change scenarios and for the assessment of potential adaptation options. The third stage includes the analysis of barriers to the effective implementation of adaptation processes based on socioinstitutional network analysis. Finally, a regional and country level perspective of water scarcity and climate change is provided focusing on different possible socio-economic development pathways and the effect of policies on future water scarcity. For this analysis, a panel-data econometric model and a hydro-economic model are applied for the analysis of the Mediterranean region and country level case studies in Spain and Jordan. The overall results of the study demonstrate the value of considering multiple scales and multiple dimensions in water management and climate change adaptation in the Mediterranean water scarce contexts analysed. Results show that climate change impacts in the Guadiana basin and in Spain may compromise the sustainability of irrigation systems and ecosystems. The analysis at the basin level highlights the prominent role of interactions between different water users and irrigation districts and the need to strengthen institutional capacity and common understanding in the basin to enhance the implementation of adaptation processes. The results of this research also illustrate the relevance of water policies in achieving sustainable development and climate change adaptation in water scarce areas such as the Mediterranean region. Specifically, the EU Water Framework Directive emerges as a powerful trigger for climate change adaptation. However, in Jordan, outreaching sustainable development strategies are required in addition to climate change adaptation to reduce future risk of water scarcity.