Time-lapse Monitoring of the Slopes of a Heritage Earthwork by Means of Near-surface Seismic Techniques

A significant portion of UK’s infrastructures earthworks was built more than 100 years ago, without modern construction standards: poor maintenance and the change of precipitations pattern experienced in the past decades are currently compromising their stability, leading to an increasing number of failures. To address the need for a reliable and time-efficient monitoring of earthworks at risk of failure we propose here the use of two established seismic techniques for the characterization of the near surface, MASW and P-wave refraction. We have regularly collected MASW and P-wave refraction data, from March 2014 to February 2015, along 4 reduced-scale seismic lines located on the flanks of a heritage railway embankment located in Broadway, SW of England. We have observed a definite temporal variability in terms of phase velocities of SW dispersion curves and of P-wave travel times. The accurate choice of ad-hoc inversion strategies has allowed to reconstruct reliable VP and VS models through which it is potentially possible to track the temporal variations of geo-mechanical properties of the embankment slopes. The variability over time of seismic data and seismic velocities seems to correlate well with rainfall data recorded in the days immediately preceding the date of acquisition.

Communication Nonlinearities Techniques for Analysis of Passive Intermodulation

The X-parameter based nonlinear modelling tools have been adopted as the foundation for the advanced methodology
of experimental characterisation and design of passive nonlinear devices. Based upon the formalism of the Xparameters,
it provides a unified framework for co-design of antenna beamforming networks, filters, phase shifters and
other passive and active devices of RF front-end, taking into account the effect of their nonlinearities. The equivalent
circuits of the canonical elements are readily incorporated in the models, thus enabling evaluation of PIM effect on the
performance of individual devices and their assemblies. An important advantage of the presented methodology is its
compatibility with the industry-standard established commercial RF circuit simulator Agilent ADS.
The major challenge in practical implementation of the proposed approach is concerned with experimental retrieval of the X-parameters for canonical passive circuit elements. To our best knowledge commercial PIM testers and practical laboratory test instruments are inherently narrowband and do not allow for simultaneous vector measurements at the PIM and harmonic frequencies. Alternatively, existing nonlinear vector analysers (NVNA) support X-parameter measurements in a broad frequency bands with a range of stimuli, but their dynamic range is insufficient for the PIM characterisation in practical circuits. Further opportunities for adaptation of the X-parameters methodology to the PIM
characterisation of passive devices using the existing test instruments are explored.

Screening techniques for angle-closure glaucoma in rural Taiwan

562 residents of Jin Shan aged 40 years and above underwent examinations to compare the sensitivity and specificity of oblique flashlight, peripheral slit beam and ultrasonographic evaluation of the anterior chamber depth to gonioscopy in detecting cases of PACG. Among 5441 eligible individuals aged 40 and above, 562 (10.3%) underwent screening for PACG, of whom 17 (3.02%) were defined as cases, and 10 (1.78%) as suspects. Home visits indicated that respondents for screening were similar to the population as a whole. Only 35% of PACG cases reported symptoms consistent with acute angle closure, and only 18% were previously diagnosed. When compared to gonioscopy, only ultrasonographic measurement of AC depth provided an adequate mix of sensitivity and specificity. Ultrasonography in combination with tonometry provided a sensitivity of 88% with a specificity of 92%. Sensitivity and specificity for ultrasonography in combination with refractive status were 84% and 83% respectively. Shallower AC depth (p = 0.0001), shorter axial globe length (p = 0.001), greater than 2D of hyperopia (p < 0.001), high grades of nuclear sclerotic cataract (p < 0.0001) and an increased cup-to-disc ratio (p = 0.002) were significantly correlated with a diagnosis of PACG.

Sediment metal bioavailability in Lake Taihu, China: evaluation of sequential extraction, DGT, and PBET techniques

The European “Community Bureau of Reference” (BCR) sequential extraction procedure, diffusive gradient in thin-films technique (DGT), and physiologically based extraction test were applied to assess metal bioavailability in sediments of Lake Taihu (n = 13). Findings from the three methods showed that Cd was a significant problem in the western lake whereas Cu, Zn, and Ni pollution was most severe in the northern lake. Results from the sequential extraction revealed that more than 50 % of the Cu and Zn were highly mobile and defined within the extractable fraction (AS1 + FM2 + OS3) in the majority of the sediments, in contrast extractable fractions of Ni and Cd were lower than 50 % in most of the sampling sites. Average Cu, Zn, Ni, and Cd bioaccessibilities were <50 % in the gastric phase. Zn and Cd bioaccessibility in the intestinal phase was ∼50 % lower than the gastric phase while bioaccessibilities of Cu and Ni were 47–57 % greater than the gastric phase. Linear regression analysis between DGT and BCR measurements indicated that the extractable fractions (AS1 + FM2 + OS3) in the reducing environment were the main source of DGT uptake, suggesting that DGT is a good in situ evaluation tool for metal bioavailability in sediments.

Valence and L-shell photoionization of Cl-like argon using R-matrix techniques

Photoionization cross-sections are obtained using the relativistic DiracAtomic R-matrix Codes (DARC) for all valence and L-shell energy ranges between 27 and 270 eV. A total of 557 levels arising from the dominant configurations 3s²3p⁴, 3s³p5, 3p⁶, 3s²3p³[3d, 4s, 4p], 3p⁵3d, 3s²3p²3d², 3s³p4³d, 3s³p3³d2 and 2s²2p⁵3s²3p⁵ have been included in the targetwavefunction representation of the Ar III ion, including up to 4p in the orbital basis. We also performed a smaller Breit-Pauli (BP) calculation containing the lowest 124 levels. Direct comparisons are made with previous theoretical and experimental work for both valence shell and L-shell photoionization. Excellent agreement was found for transitions involving the ²P^o initial state to all allowed final states for both calculations across a range of photon energies. A number of resonant states have been identified to help analyse and explain the nature of the spectra at photon energies between 250 and 270 eV.

Switched Diversity Techniques for Indoor Off-body Communications Channels: An Experimental Analysis and Modeling

This paper investigates the potential improvement in signal reliability for indoor off-body communications channels operating at 5.8 GHz using switched diversity techniques. In particular we investigate the performance of switch-and-stay combining (SSC), switch-and-examine combining (SEC) and switch-and-examine combining with post-examining selection (SECps) schemes which utilize multiple spatially separated antennas at the base station. During the measurements a test subject, wearing an antenna on his chest, performed a number of walking movements towards and then away from a uniform linear array. It was found that all of the considered diversity schemes provided a worthwhile signal improvement. However, the performance of the diversity systems varied according to the switching threshold that was adopted. To model the fading envelope observed at the output of each of the combiners, we have applied diversity specific equations developed under the assumption of Nakagami-$m$ fading. As a measure of the goodness-of-fit, the Kullback-Leibler divergence between the empirical and theoretical probability density functions (PDFs) was calculated and found to be close to 0. To assist with the interpretation of the goodness-of-fit achieved in this study, the standard deviation, $\sigma$, of a zero-mean, $\sigma^2$ variance Gaussian PDF used to approximate a zero-mean, unit variance Gaussian PDF is also presented. These were generally quite close to 1 indicating that the theoretical models provided an adequate fit to the measured data.

Adoption of farm-based irrigation water-saving techniques in the Guanzhong Plain, China

This article analyses adoption of farm-based irrigation water saving techniques, based on a cross-sectional data set of 357 farmers in the Guanzhong Plain, China. Approximately 83% of the farmers use at least one farm-based water-saving technique. However, the traditional, inefficient techniques border and furrow irrigation are still prevalent whereas the use of advanced, more efficient techniques is still rather rare. We develop and estimate an adoption model consisting of two stages: awareness of water scarcity and intensity of adoption. We find that awareness of water scarcity and financial status enhance adoption of more advanced techniques whereas access to better community-based irrigation infrastructure discourages it. We furthermore find both community-based irrigation infrastructure and farm-based irrigation water-saving techniques have mitigating effects on production risk. From the results it follows that adoption can be stimulated via financial support and via extension aimed at enhancing awareness of water scarcity.

A compendium of modelling techniques

This Integration Insight provides a brief overview of the most popular modelling techniques used to analyse complex real-world problems, as well as some less popular but highly relevant techniques. The modelling methods are divided into three categories, with each encompassing a number of methods, as follows: 1) Qualitative Aggregate Models (Soft Systems Methodology, Concept Maps and Mind Mapping, Scenario Planning, Causal (Loop) Diagrams), 2) Quantitative Aggregate Models (Function fitting and Regression, Bayesian Nets, System of differential equations / Dynamical systems, System Dynamics, Evolutionary Algorithms) and 3) Individual Oriented Models (Cellular Automata, Microsimulation, Agent Based Models, Discrete Event Simulation, Social Network
Analysis). Each technique is broadly described with example uses, key attributes and reference material.

Optical processing devices and techniques for next generation optical networks

Este trabalho surge do interesse em substituir os nós de rede óptica baseados maioritariamente em electrónica por nós de rede baseados em tecnologia óptica. Espera-se que a tecnologia óptica permita maiores débitos binários na rede, maior transparência e maior eficiência através de novos paradigmas de comutação. Segundo esta visão, utilizou-se o MZI-SOA, um dispositivo semicondutor integrado hibridamente, para realizar funcionalidades de processamento óptico de sinal necessárias em nós de redes ópticas de nova geração. Nas novas redes ópticas são utilizados formatos de modulação avançados, com gestão da fase, pelo que foi estudado experimentalmente e por simulação o impacto da utilização destes formatos no desempenho do MZI-SOA na conversão de comprimento de onda e formato, em várias condições de operação. Foram derivadas regras de utilização para funcionamento óptimo. Foi também estudado o impacto da forma dos pulsos do sinal no desempenho do dispositivo. De seguida, o MZI-SOA foi utilizado para realizar funcionalidades temporais ao nível do bit e do pacote. Foi investigada a operação de um conversor de multiplexagem por divisão no comprimento de onda para multiplexagem por divisão temporal óptica, experimentalmente e por simulação, e de um compressor e descompressor de pacotes, por simulação. Para este último, foi investigada a operação com o MZI-SOA baseado em amplificadores ópticos de semicondutor com geometria de poço quântico e ponto quântico. Foi também realizado experimentalmente um ermutador de intervalos temporais que explora o MZI-SOA como conversor de comprimento de onda e usa um banco de linhas de atraso ópticas para introduzir no sinal um atraso seleccionável. Por fim, foi estudado analiticamente, experimentalmente e por simulação o impacto de diafonia em redes ópticas em diversas situações. Extendeu-se um modelo analítico de cálculo de desempenho para contemplar sinais distorcidos e afectados por diafonia. Estudou-se o caso de sinais muito filtrados e afectados por diafonia e mostrou-se que, para determinar correctamente as penalidades que ocorrem, ambos os efeitos devem ser considerados simultaneamente e não em separado. Foi estudada a escalabilidade limitada por diafonia de um comutador de intervalos temporais baseado em MZI-SOA a operar como comutador espacial. Mostrou-se também que sinais afectados fortemente por não-linearidades podem causar penalidades de diafonia mais elevadas do que sinais não afectados por não-linearidades. Neste trabalho foi demonstrado que o MZI-SOA permite construir vários e pertinentes circuitos ópticos, funcionando como bloco fundamental de construção, tendo sido o seu desempenho analisado, desde o nível de componente até ao nível de sistema. Tendo em conta as vantagens e desvantagens do MZI-SOA e os desenvolvimentos recentes de outras tecnologias, foram sugeridos tópicos de investigação com o intuito de evoluir para as redes ópticas de nova geração.

Subspace-based techniques and applications

Este trabalho focou-se no estudo de técnicas de sub-espaço tendo em vista as aplicações seguintes: eliminação de ruído em séries temporais e extracção de características para problemas de classificação supervisionada. Foram estudadas as vertentes lineares e não-lineares das referidas técnicas tendo como ponto de partida os algoritmos SSA e KPCA. No trabalho apresentam-se propostas para optimizar os algoritmos, bem como uma descrição dos mesmos numa abordagem diferente daquela que é feita na literatura. Em qualquer das vertentes, linear ou não-linear, os métodos são apresentados utilizando uma formulação algébrica consistente. O modelo de subespaço é obtido calculando a decomposição em valores e vectores próprios das matrizes de kernel ou de correlação/covariância calculadas com um conjunto de dados multidimensional. A complexidade das técnicas não lineares de subespaço é discutida, nomeadamente, o problema da pre-imagem e a decomposição em valores e vectores próprios de matrizes de dimensão elevada. Diferentes algoritmos de préimagem são apresentados bem como propostas alternativas para a sua optimização. A decomposição em vectores próprios da matriz de kernel baseada em aproximações low-rank da matriz conduz a um algoritmo mais eficiente- o Greedy KPCA. Os algoritmos são aplicados a sinais artificiais de modo a estudar a influência dos vários parâmetros na sua performance. Para além disso, a exploração destas técnicas é extendida à eliminação de artefactos em séries temporais biomédicas univariáveis, nomeadamente, sinais EEG.

Alternative techniques for Raman amplification in telecommunications

O presente trabalho centra-se no estudo dos amplificadores de Raman em fibra ótica e suas aplicações em sistemas modernos de comunicações óticas. Abordaram-se tópicos específicos como a simulação espacial do amplificador de Raman, a equalização e alargamento do ganho, o uso de abordagens híbridas de amplificação através da associação de amplificadores de Raman em fibra ótica com amplificadores de fibra dopada com Érbio (EDFA) e os efeitos transitórios no ganho dos amplificadores. As actividades realizadas basearam-se em modelos teóricos, sendo os resultados validados experimentalmente. De entre as contribuições mais importantes desta tese, destaca-se (i) o desenvolvimento de um simulador eficiente para amplificadores de Raman que suporta arquitecturas de bombeamento contraprogantes e bidirecionais num contexto com multiplexagem no comprimento de onda (WDM); (ii) a implementação de um algoritmo de alocação de sinais de bombeamento usando a combinação do algoritmo genético com o método de Nelder- Mead; (iii) a apreciação de soluções de amplificação híbridas por associação dos amplificadores de Raman com EDFA em cenários de redes óticas passivas, nomeadamente WDM/TDM-PON com extensão a região espectral C+L; e (iv) a avaliação e caracterização de fenómenos transitórios em amplificadores para tráfego em rajadas/pacotes óticos e consequente desenvolvimento de soluções de mitigação baseadas em técnicas de clamping ótico.

Precoding techniques for coordinated multicell systems

Coordenação Multicélula é um tópico de investigação em rápido crescimento e uma solução promissora para controlar a interferência entre células em sistemas celulares, melhorando a equidade do sistema e aumentando a sua capacidade. Esta tecnologia já está em estudo no LTEAdvanced sob o conceito de coordenação multiponto (COMP). Existem várias abordagens sobre coordenação multicélula, dependendo da quantidade e do tipo de informação partilhada pelas estações base, através da rede de suporte (backhaul network), e do local onde essa informação é processada, i.e., numa unidade de processamento central ou de uma forma distribuída em cada estação base. Nesta tese, são propostas técnicas de pré-codificação e alocação de potência considerando várias estratégias: centralizada, todo o processamento é feito na unidade de processamento central; semidistribuída, neste caso apenas parte do processamento é executado na unidade de processamento central, nomeadamente a potência alocada a cada utilizador servido por cada estação base; e distribuída em que o processamento é feito localmente em cada estação base. Os esquemas propostos são projectados em duas fases: primeiro são propostas soluções de pré-codificação para mitigar ou eliminar a interferência entre células, de seguida o sistema é melhorado através do desenvolvimento de vários esquemas de alocação de potência. São propostas três esquemas de alocação de potência centralizada condicionada a cada estação base e com diferentes relações entre desempenho e complexidade. São também derivados esquemas de alocação distribuídos, assumindo que um sistema multicelular pode ser visto como a sobreposição de vários sistemas com uma única célula. Com base neste conceito foi definido uma taxa de erro média virtual para cada um desses sistemas de célula única que compõem o sistema multicelular, permitindo assim projectar esquemas de alocação de potência completamente distribuídos. Todos os esquemas propostos foram avaliados em cenários realistas, bastante próximos dos considerados no LTE. Os resultados mostram que os esquemas propostos são eficientes a remover a interferência entre células e que o desempenho das técnicas de alocação de potência propostas é claramente superior ao caso de não alocação de potência. O desempenho dos sistemas completamente distribuídos é inferior aos baseados num processamento centralizado, mas em contrapartida podem ser usados em sistemas em que a rede de suporte não permita a troca de grandes quantidades de informação.