Sparse Signal Representation of Ultrasonic Signals for Structural Health Monitoring Applications

Assessment of the integrity of structural components is of great importance for aerospace systems, land and marine transportation, civil infrastructures and other biological and mechanical applications. Guided waves (GWs) based inspections are an attractive mean for structural health monitoring. In this thesis, the study and development of techniques for GW ultrasound signal analysis and compression in the context of non-destructive testing of structures will be presented. In guided wave inspections, it is necessary to address the problem of the dispersion compensation. A signal processing approach based on frequency warping was adopted. Such operator maps the frequencies axis through a function derived by the group velocity of the test material and it is used to remove the dependence on the travelled distance from the acquired signals. Such processing strategy was fruitfully applied for impact location and damage localization tasks in composite and aluminum panels. It has been shown that, basing on this processing tool, low power embedded system for GW structural monitoring can be implemented. Finally, a new procedure based on Compressive Sensing has been developed and applied for data reduction. Such procedure has also a beneficial effect in enhancing the accuracy of structural defects localization. This algorithm uses the convolutive model of the propagation of ultrasonic guided waves which takes advantage of a sparse signal representation in the warped frequency domain. The recovery from the compressed samples is based on an alternating minimization procedure which achieves both an accurate reconstruction of the ultrasonic signal and a precise estimation of waves time of flight. Such information is used to feed hyperbolic or elliptic localization procedures, for accurate impact or damage localization.

Stile. Teoria e prassi nell'opera di Viollet-le-Duc

Per Viollet-le-Duc lo “stile” «è la manifestazione di un ideale fondato su un principio» dove per principio si intende il principio d’ordine della struttura, quest’ultimo deve rispondere direttamente alla Legge dell’”unità” che deve essere sempre rispettata nell’ideazione dell’opera architettonica. A partire da questo nodo centrale del pensiero viollettiano, la presente ricerca si è posta come obiettivo quello dell’esplorazione dei legami fra teoria e prassi nell’opera di Viollet-le-Duc, nei quali lo “stile” ricorre come un "fil rouge" costante, presentandosi come una possibile inedita chiave di lettura di questa figura protagonista della storia del restauro e dell’architettura dell’Ottocento. Il lavoro di ricerca si é dunque concentrato su una nuova lettura dei documenti sia editi che inediti, oltre che su un’accurata ricognizione bibliografica e documentaria, e sullo studio diretto delle architetture. La ricerca archivistica si é dedicata in particolare sull’analisi sistematica dei disegni originali di progetto e delle relazioni tecniche delle opere di Viollet-le- Duc. A partire da questa prima ricognizione, sono stati selezionati due casi- studio ritenuti particolarmente significativi nell’ambito della tematica scelta: il progetto di restauro della chiesa della Madeleine a Vézelay (1840-1859) e il progetto della Maison Milon in rue Douai a Parigi (1857-1860). Attraverso il parallelo lavoro di analisi dei casi-studio e degli scritti di Viollet- le-Duc, si è cercato di verificare le possibili corrispondenze tra teoria e prassi operativa: confrontando i progetti sia con le opere teoriche, sia con la concreta testimonianza degli edifici realizzati.

The Effect of Metronome Pacing on Gait in Healthy Subjects

The complex process of gait is rendered partially automatic by central pattern generators (CPGs). To further our understanding of their role in gait control in healthy subjects, we applied a paradigm of anti-phase, or syncopated, movement to gait. To provide a context for our results, we reviewed the literature on in-phase, or synchronized, gait. The review results are as follows. Auditory cueing increased step/stride rate for older subjects, but not younger. Stride rate variability decreased for younger subjects, perhaps because the metronome’s cue acted as a temporal ‘anchor point’ for each step. Step width increased in half of the treadmill studies, but none of the overground ones, suggesting a cumulative effect of the attentional demands of synchronizing gait while on a treadmill. Time series analysis revealed that the α exponent was the most sensitive parameter reported, decreasing toward anti-persistence in almost all cued-gait studies. This project compares in-phase (IN) and anti-phase gait (ANTI) in young and old healthy subjects. We expected gait to be less disrupted during ANTI trials at preferred speed, when the facilitating effect of CPGs would be strongest. The measures step time variability, jerk index, and harmonic ratio quantified gait perturbation: none indicated that ANTI was easiest at preferred walking speed. Surprisingly, the gait of older subjects was no more perturbed than that of younger subjects. When they successfully matched the pace of the beat, they unwittingly synchronized to it. The temporal relationship of their steps to the beat was the same in the IN and ANTI conditions. Younger subjects, visibly struggling during ANTI trials, were able to walk in syncopation. This result suggests that cognitive resources available only to the younger group are required to resist synchronizing to the beat.

Valutazione di tecniche di copertura per futuri sistemi wireless indoor

Si è scelto di analizzare in modo approfondito tecniche di copertura radio e di trasmissione basate sull’uso di array di antenne ( facenti parte della famiglia Multiple Input Multiple Output, MIMO) in alcune tipologie tipiche di scenari indoor, come ad esempio ambienti commerciali o uffici in strutture multipiano. Si è studiato l’utilizzo di array di antenne di varie tipologie e a varie frequenze per implementare tecniche di diversità oppure tecniche a divisione di spazio (beam-switching, beamforming) per servire contemporaneamente utenti in diverse celle o in diversi settori senza ricorrere ad altre tecniche di divisione (di frequenza, tempo o codice), che invece verranno utilizzate in conbinazione combinate in sistemi di futura generazione.

Progetto di un convertitore flyback sincrono per applicazioni di energy harvesting piezoelettrico

In questo elaborato è stata trattata la caratterizzazione tramite simulazioni e prove in laboratorio di un circuito in grado di estrarre e accumulare energia elettrica, la quale viene generata da vibrazioni meccaniche tramite l'uso di dispositivi piezoelettrici. Partendo da una tipologia di circuito già esistente è stata studiata una variante nel sistema di conversione dell'energia, in questo caso il convertitore implementato è un convertitore di tipo flyback. Dopo aver studiato il circuito in dettaglio, è stata realizzata una prima simulazione circuitale mediante software Ltspice. Sono stati quindi analizzati gli andamenti delle tensioni di uscita e di ingresso durante il processo di carica della capacità, applicando in ingresso differenti tensioni. Infine i dati ottenuti sono stati elaborati in un foglio elettronico per poter ricavare l'andamento del rendimento.

Advanced Techniques for Face Recognition under Challenging Environments

Automatically recognizing faces captured under uncontrolled environments has always been a challenging topic in the past decades. In this work, we investigate cohort score normalization that has been widely used in biometric verification as means to improve the robustness of face recognition under challenging environments. In particular, we introduce cohort score normalization into undersampled face recognition problem. Further, we develop an effective cohort normalization method specifically for the unconstrained face pair matching problem. Extensive experiments conducted on several well known face databases demonstrate the effectiveness of cohort normalization on these challenging scenarios. In addition, to give a proper understanding of cohort behavior, we study the impact of the number and quality of cohort samples on the normalization performance. The experimental results show that bigger cohort set size gives more stable and often better results to a point before the performance saturates. And cohort samples with different quality indeed produce different cohort normalization performance. Recognizing faces gone after alterations is another challenging problem for current face recognition algorithms. Face image alterations can be roughly classified into two categories: unintentional (e.g., geometrics transformations introduced by the acquisition devide) and intentional alterations (e.g., plastic surgery). We study the impact of these alterations on face recognition accuracy. Our results show that state-of-the-art algorithms are able to overcome limited digital alterations but are sensitive to more relevant modifications. Further, we develop two useful descriptors for detecting those alterations which can significantly affect the recognition performance. In the end, we propose to use the Structural Similarity (SSIM) quality map to detect and model variations due to plastic surgeries. Extensive experiments conducted on a plastic surgery face database demonstrate the potential of SSIM map for matching face images after surgeries.

Nuovi catalizzatori per la produzione di idrogeno mediante reazioni di steam reforming e ossidazione parziale catalitica

L'idrogeno è un prodotto di grande importanza per l'industria chimica ed i processi di raffineria. Il 60% dell'intera produzione di idrogeno viene dal reforming del gas naturale. L'oxy-reforming è un processo che unisce la reazione di steam reforming a quella di ossidazione parziale e che ha dimostrato di avere molti vantaggi in termini di temperature molto più basse, minor volume di vapore alimentato con conseguente minori costi energetici e tempi di contatto sul catalizzatore. Per questo processo sono stati preparati, testati e caratterizzati catalizzatori a base di ossidi misti Ce-Zr impregnati con Rh. Particolare attenzione è stata posta all'effetto sulle prestazioni catalitiche del metodo di sintesi e della natura della fase costituente il supporto. Sperimentalmente è stato osservato che il catalizzatore il cui supporto è stato ottenuto via microemulsione ha una migliore attività rispetto al coprecipitato e che la fase ottimale corrisponde ad un rapporto Ce-Zr 0,5-0,5.

Design and experimental characterization of antennas and wireless systems for innovative wearable and implantable ultra low–power applications

The present PhD thesis exploits the design skills I have been improving since my master thesis’ research. A brief description of the chapters’ content follows. Chapter 1: the simulation of a complete front–end is a very complex problem and, in particular, is the basis upon which the prediction of the overall performance of the system is possible. By means of a commercial EM simulation tool and a rigorous nonlinear/EM circuit co–simulation based on the Reciprocity Theorem, the above–mentioned prediction can be achieved and exploited for wireless links characterization. This will represent the theoretical basics of the entire present thesis and will be supported by two RF applications. Chapter 2: an extensive dissertation about Magneto–Dielectric (MD) materials will be presented, together with their peculiar characteristics as substrates for antenna miniaturization purposes. A designed and tested device for RF on–body applications will be described in detail. Finally, future research will be discussed. Chapter 3: this chapter will deal with the issue regarding the exploitation of renewable energy sources for low–energy consumption devices. Hence the problem related to the so–called energy harvesting will be tackled and a first attempt to deploy THz solar energy in an innovative way will be presented and discussed. Future research will be proposed as well. Chapter 4: graphene is a very promising material for devices to be exploited in the RF and THz frequency range for a wide range of engineering applications, including those ones marked as the main research goal of the present thesis. This chapter will present the results obtained during my research period at the National Institute for Research and Development in Microtechnologies (IMT) in Bucharest, Romania. It will concern the design and manufacturing of antennas and diodes made in graphene–based technology for detection/rectification purposes.

Equazioni di stato della materia in astrofisica

Una stella non è un sistema in "vero" equilibrio termodinamico: perde costantemente energia, non ha una composizione chimica costante nel tempo e non ha nemmeno una temperatura uniforme. Ma, in realtà, i processi atomici e sub-atomici avvengono in tempi così brevi, rispetto ai tempi caratteristici dell'evoluzione stellare, da potersi considerare sempre in equilibrio. Le reazioni termonucleari, invece, avvengono su tempi scala molto lunghi, confrontabili persino con i tempi di evoluzione stellare. Inoltre il gradiente di temperatura è dell'ordine di 1e-4 K/cm e il libero cammino medio di un fotone è circa di 1 cm, il che ci permette di assumere che ogni strato della stella sia uno strato adiabatico a temperatura uniforme. Di conseguenza lo stato della materia negli interni stellari è in una condizione di ``quasi'' equilibrio termodinamico, cosa che ci permette di descrivere la materia attraverso le leggi della Meccanica Statistica. In particolare lo stato dei fotoni è descritto dalla Statistica di Bose-Einstein, la quale conduce alla Legge di Planck; lo stato del gas di ioni ed elettroni non degeneri è descritto dalla Statistica di Maxwell-Boltzmann; e, nel caso di degenerazione, lo stato degli elettroni è descritto dalla Statistica di Fermi-Dirac. Nella forma più generale, l'equazione di stato dipende dalla somma dei contributi appena citati (radiazione, gas e degenerazione). Vedremo prima questi contributi singolarmente, e dopo li confronteremo tra loro, ottenendo delle relazioni che permettono di determinare quale legge descrive lo stato fisico di un plasma stellare, semplicemente conoscendone temperatura e densità. Rappresentando queste condizioni su un piano $\log \rho \-- \log T$ possiamo descrivere lo stato del nucleo stellare come un punto, e vedere in che stato è la materia al suo interno, a seconda della zona del piano in cui ricade. È anche possibile seguire tutta l'evoluzione della stella tracciando una linea che mostra come cambia lo stato della materia nucleare nelle diverse fasi evolutive. Infine vedremo come leggi quantistiche che operano su scala atomica e sub-atomica siano in grado di influenzare l'evoluzione di sistemi enormi come quelli stellari: infatti la degenerazione elettronica conduce ad una massa limite per oggetti completamente degeneri (in particolare per le nane bianche) detta Massa di Chandrasekhar.

Analisi, progettazione e sviluppo di un software mobile per il turismo

Analisi, progettazione e sviluppo di un’applicazione che fornisca agli utenti la possibilità di consultare le informazioni riguardanti i punti d’interesse della città fornendo un’esperienza di tour guidato.

Analisi in spettroscopia ottica di cristalli molecolari organici

Nel settore dell'elettronica organica, i monocristalli organici sono particolarmente indicati, grazie al loro alto grado di purezza chimica, per lo studio delle qualità intrinseche di tutta la categoria dei cristalli organici. L'interesse applicativo si concretizza in dispositivi come LED, pannelli solari, sensori, display e componenti elettronici leggeri, flessibili e trasparenti. A tutto questo si aggiungono la biocompatibilità, il basso costo ed il basso impatto ambientale. L'obiettivo del seguente lavoro di tesi è la caratterizzazione di alcuni monocristalli in base alle loro proprietà ottiche ed optoelettroniche, analizzandoli mediante tecniche microscopiche in luce polarizzata e campo scuro e tecniche spettroscopiche di assorbimento e del voltaggio superficiale. Si è concentrata l'attenzione sul monocristallo di 4-idrossicianobenzene (4HCB), per la possibilità di confronto con risultati di precedenti analisi di spettroscopia in fotocorrente e per l'interesse verso applicazioni sensoristiche. Come risultato, per la prima volta, si è riuscito a ottenere uno spettro di assorbimento da un monocristallo di 4HCB dal quale si può stimare direttamente l'energia del bandgap del cristallo. Il valore ottenuto è minore di quello relativo all'analisi in fotocorrente, ma potrebbe corrispondere ad un bandgap di tipo ottico considerando che la presenza di stati localizzati dovuta al disordine molecolare provoca una diminuzione della distanza tra le bande. La misura è preliminare è va confermata, ma apre la strada ad ulteriori analisi spettroscopiche in condizioni sperimentali più favorevoli e/o ad analisi di altro tipo.

Vidding Grrls. Pratiche di remix audiovisivo nella cultura digitale contemporanea

La pratica del remix è al giorno d’oggi sempre più diffusa e un numero sempre più vasto di persone ha ora le competenze e gli strumenti tecnologici adeguati per eseguire operazioni un tempo riservate a nicchie ristrette. Tuttavia, nella sua forma audiovisiva, il remix ha ottenuto scarsa attenzione a livello accademico. Questo lavoro esplora la pratica del remix intesa al contempo come declinazione contemporanea di una pratica di lungo corso all’interno della storia della produzione audiovisiva – ovvero il riuso di immagini – sia come forma caratteristica della contemporaneità mediale, atto di appropriazione grassroots dei contenuti mainstream da parte degli utenti. La tesi si articola in due sezioni. Nella prima, l’analisi di tipo teorico e storico-critico è suddivisa in due macro-aree di intervento: da una parte il remix inteso come pratica, atto di appropriazione, gesto di riciclo, decontestualizzazione e risemantizzazione delle immagini mediali che ha attraversato la storia dei media audiovisivi [primo capitolo]. Dall’altra, la remix culture, ovvero il contesto culturale e sociale che informa l’ambiente mediale entro il quale la pratica del remix ha conosciuto, nell’ultimo decennio, la diffusione capillare che lo caratterizza oggi [secondo capitolo]. La seconda, che corrisponde al terzo capitolo, fornisce una dettagliata panoramica su un caso di studio, la pratica del fan vidding. Forma di remix praticata quasi esclusivamente da donne, il vidding consiste nel creare fan video a partire da un montaggio d’immagini tratte da film o serie televisive che utilizza come accompagnamento musicale una canzone. Le vidders, usando specifiche tecniche di montaggio, realizzano delle letture critiche dei prodotti mediali di cui si appropriano, per commentare, criticare o celebrare gli oggetti di loro interesse. Attraverso il vidding il presente lavoro indaga le tattiche di rielaborazione e riscrittura dell’immaginario mediale attraverso il riuso di immagini, con particolare attenzione al remix inteso come pratica di genere.

Quality of Service in Distributed Stream Processing for large scale Smart Pervasive Environments

The wide diffusion of cheap, small, and portable sensors integrated in an unprecedented large variety of devices and the availability of almost ubiquitous Internet connectivity make it possible to collect an unprecedented amount of real time information about the environment we live in. These data streams, if properly and timely analyzed, can be exploited to build new intelligent and pervasive services that have the potential of improving people's quality of life in a variety of cross concerning domains such as entertainment, health-care, or energy management. The large heterogeneity of application domains, however, calls for a middleware-level infrastructure that can effectively support their different quality requirements. In this thesis we study the challenges related to the provisioning of differentiated quality-of-service (QoS) during the processing of data streams produced in pervasive environments. We analyze the trade-offs between guaranteed quality, cost, and scalability in streams distribution and processing by surveying existing state-of-the-art solutions and identifying and exploring their weaknesses. We propose an original model for QoS-centric distributed stream processing in data centers and we present Quasit, its prototype implementation offering a scalable and extensible platform that can be used by researchers to implement and validate novel QoS-enforcement mechanisms. To support our study, we also explore an original class of weaker quality guarantees that can reduce costs when application semantics do not require strict quality enforcement. We validate the effectiveness of this idea in a practical use-case scenario that investigates partial fault-tolerance policies in stream processing by performing a large experimental study on the prototype of our novel LAAR dynamic replication technique. Our modeling, prototyping, and experimental work demonstrates that, by providing data distribution and processing middleware with application-level knowledge of the different quality requirements associated to different pervasive data flows, it is possible to improve system scalability while reducing costs.

Temperature Variation Aware Energy Optimization in Heterogeneous MPSoCs

Thermal effects are rapidly gaining importance in nanometer heterogeneous integrated systems. Increased power density, coupled with spatio-temporal variability of chip workload, cause lateral and vertical temperature non-uniformities (variations) in the chip structure. The assumption of an uniform temperature for a large circuit leads to inaccurate determination of key design parameters. To improve design quality, we need precise estimation of temperature at detailed spatial resolution which is very computationally intensive. Consequently, thermal analysis of the designs needs to be done at multiple levels of granularity. To further investigate the flow of chip/package thermal analysis we exploit the Intel Single Chip Cloud Computer (SCC) and propose a methodology for calibration of SCC on-die temperature sensors. We also develop an infrastructure for online monitoring of SCC temperature sensor readings and SCC power consumption. Having the thermal simulation tool in hand, we propose MiMAPT, an approach for analyzing delay, power and temperature in digital integrated circuits. MiMAPT integrates seamlessly into industrial Front-end and Back-end chip design flows. It accounts for temperature non-uniformities and self-heating while performing analysis. Furthermore, we extend the temperature variation aware analysis of designs to 3D MPSoCs with Wide-I/O DRAM. We improve the DRAM refresh power by considering the lateral and vertical temperature variations in the 3D structure and adapting the per-DRAM-bank refresh period accordingly. We develop an advanced virtual platform which models the performance, power, and thermal behavior of a 3D-integrated MPSoC with Wide-I/O DRAMs in detail. Moving towards real-world multi-core heterogeneous SoC designs, a reconfigurable heterogeneous platform (ZYNQ) is exploited to further study the performance and energy efficiency of various CPU-accelerator data sharing methods in heterogeneous hardware architectures. A complete hardware accelerator featuring clusters of OpenRISC CPUs, with dynamic address remapping capability is built and verified on a real hardware.

From Radio Channel Modeling to a System Level Perspective in Body-Centric Communications

Body-centric communications are emerging as a new paradigm in the panorama of personal communications. Being concerned with human behaviour, they are suitable for a wide variety of applications. The advances in the miniaturization of portable devices to be placed on or around the body, foster the diffusion of these systems, where the human body is the key element defining communication characteristics. This thesis investigates the human impact on body-centric communications under its distinctive aspects. First of all, the unique propagation environment defined by the body is described through a scenario-based channel modeling approach, according to the communication scenario considered, i.e., on- or on- to off-body. The novelty introduced pertains to the description of radio channel features accounting for multiple sources of variability at the same time. Secondly, the importance of a proper channel characterisation is shown integrating the on-body channel model in a system level simulator, allowing a more realistic comparison of different Physical and Medium Access Control layer solutions. Finally, the structure of a comprehensive simulation framework for system performance evaluation is proposed. It aims at merging in one tool, mobility and social features typical of the human being, together with the propagation aspects, in a scenario where multiple users interact sharing space and resources.