Dissertations / Theses on the topic 'Design óptico'

O propósito deste trabalho tem sido a utilização das técnicas de Desenho Óptico para o desenvolvimento de sistemas ópticos altamente otimizados. Após a confeccção destes sistemas ópticos torna-se necessário avaliar o desempenho do sistema construído, para isto tem sido utilizado uma das técnicas mais modernas para avaliação de qualidade da imagem óptica, a função de transferência óptica FTO, mais especificamente a função de transferência de modulação FTM. FTM representa o módulo da função complexa FTO e está associada à medida direta e quantitativa da qualidade de imagem, descrevendo a estrutura da imagem como uma função da freqüência espacial. Estas duas técnicas são as ferramentas fundamentais para os desenhistas ópticos. Instrumentos oftálmicos como o microscópio cirúrgico, sistema óptico para adaptação de uma câmera CCD e a lâmpada de fenda são desenvolvidos e analisados por estas técnicas neste trabalho.
The purpose of this work has been the use of design optical techniques to development of highly optimized optical systems. After the fabrication of these systems, it is necessary to evaluate the performance of building systems. A modern technique used to evaluate the quality of optical image is the optical transfer function OTF, more exactly the modulation transfer function MTF. MTF is the modulus of the complex function OTF. MTF is associated the direct and quantitative measure of the image quality and it describes the image structure as a function of spatial frequency. This bides techniques are the tools of optical designers. Ophthalmic instruments like surgery microscope, optical system of CCD camera adaptation and slit lamps are developed and analyzed for this techniques in this work.

Doutoramento em Engenharia Electrotécnica
Este trabalho apresenta três estudos principais acerca do desenvolvimento e aplicação de sistemas de monitorização óptica avançados com base na análise de histogramas assíncronos, conversão de comprimento de onda de sinais de débito elevado e o impacto das não-linearidades das fibra ópticas em sistemas utilizando técnicas avançadas de transmissão. Mostra-se que a comparação de histogramas assíncronos com histogramas de referência pode ser usada para extrair informação a respeito da qualidade e do ruído que afecta o sinal em análise. O método proposto é validado através de simulação numérica e experiência. Um modelo analítico para a computação das limitações em frequência da modulação cruzada de fase (XPM) em conversores de comprimento de onda de fibra é proposto e validado através de simulação numérica até frequências de modulação acima de 1 THz. O modelo proposto permite a derivação de regras de engenharia para o dimensionamento de conversores de comprimento de onda compostos por espelhos de fibra não linear. O dimensionamento de um novo filtro para a optimização da conversão da XPM em modulação de intensidado é proposto e validado por simulação numérica. O impacto das não-linearidades na transmissão em fibra óptica de sinais de banda lateral única a 10 Gb/s com compensação de dispersão concentrada é avaliado através de simulação numérica. Mostra-se que as não-linearidades intra-canal levam a severa degradação do desempenho. A degradação de sinais de chaveamento por desvio diferencial de fase (DPSK) a 40 Gb/s devida a XPM com sinais de chaveamento por desvio de amplitude herdados de sistemas anteriores é também analisada. Uma análise bomba-sonda mostra que a degradação do sinal resulta da modulação de intensidade induzida por XPM. Este resultado permite a derivação de um modelo para estimar a probabilidade de erro dos sinais DPSK degradados por XPM. Finalmente, é apresentada uma abordagem analítica baseada em pequenas perturbações para o estudo de não linearidades intra-canal em fibra óptica em sinais com razão de extinção finita. Este estudo permite a identificação de duas novas formas de degradação tomando a forma de impulsos entre diferentes símbolos e fluctuações temporais e de amplitude.
This work presents three main studies regarding the development and application of advanced optical monitoring systems based on the analysis of asynchronous amplitude histograms, the wavelength conversion of ultra-high bit-rate signals, and the impact of fiber nonlinearities in systems employing advanced transmission techniques. It is shown that asynchronous amplitude histograms may be numerically compared with reference histograms to extract information regarding quality and the noise degrading the signal under analysis. The proposed method is validated through numerical simulation and experiment. An analytical model to compute the frequency limitations of cross-phase modulation (XPM) in all-optical fiber wavelength converters is proposed and validated using numerical simulation at modulation frequencies exceeding 1 THz. The proposed model allows deriving engineering rules for the dimensioning of wavelength converters using nonlinear optical loop mirrors. A novel filter design to optimize the conversion of XPM-induced phase modulation in intensity modulation is proposed and validated using numerical simulation. Numerical simulation is used to evaluate the impact of fiber nonlinearities in the transmission of 10 Gb/s single sideband signals in links using concentrated electrical or optical dispersion compensation. It is shown that, intra-channel fiber nonlinearities severely degrade the performance. The degradation of 40 Gb/s differential phase-shift-keying (DPSK) signals due to XPM with legacy amplitude-shift keying signals is also analyzed. Pump-probe analysis show that the signal degradation results from XPM-induced intensity modulation. This allows deriving and validating a novel analytical model to estimate the bit-error probability of the XPM-degraded DPSK signals. Finally, an analytical smallperturbations approach to the study of intra-channel fiber nonlinearities in signals with finite extinction ratio is presented. It allows the identification of two new forms of degradation taking the form of impulses between symbols and amplitude and temporal jitter.

Os elementos ópticos difrativos representam um mercado em franco crescimento, da ordem de bilhões de dólares. Seu uso ostensivo está nos microeletrônicos, sistemas de iluminação, telecomunicações, equipamentos de segurança e outros. Por isso, esta tese teve como objetivo realizar investigação pública profunda no assunto. Insertos de cobre eletrolítico foram usados por proporcionar excelente acabamento superficial quando usinados com ferramenta de diamante monocristalino obtendo valores de Ra = 10,2 nm, Rq = 13,56 e Rt = 363,06 µm e para o aço inoxidável polido os resultados foram de Ra = 7,02 nm, Rq = 9,05 nm e Rt = 225,19 nm. As réplicas foram construídas em PMMA - DH ECL P com transmitância da luz avaliada em aproximadamente 90% em todo o espectro visível e infravermelho. Foram produzidos sete tipos de microelementos ópticos difrativos, baseados na geometria de Fresnel e nos arranjos de microlentes esféricas. Foi necessário desenvolver o código computacional denominado LF2010 para auxiliar a construção do projeto das microlentes anesféricas de Fresnel e calcular sua modulação de fase. Quatro processos determinísticos na fabricação dos µEODs foram usados: torneamento de ultraprecisão com ferramenta de diamante, microforjamento, microfresamento e a combinação dos dois últimos. O método estocástico de polimento foi usado para gerar acabamento óptico e compará-lo ao torneamento com SPDT. As análises metrológicas qualitativas e dimensionais foram conduzidas com o uso do MEV e da perfilometria óptica. No torneamento de ultraprecisão com ferramenta de diamante foi comprovada a presença do fenômeno conhecido como \"stick slip\" nos degraus da zona de Fresnel, corrigidos alterando-se o projeto. Para os arranjos de empacotamento completo os valores da rugosidade foram mais elevados em função da interatividade das lentes adjacentes do conjunto com \'fi\' = 100%, chegando até mesmo a causar microfraturas na estrutura das microlentes. Após sucessivos processos de calibragem, foram manufaturadas as réplicas pelas técnicas de termomoldagem e moldagem por injeção. Os resultados de replicação das microlentes mostraram que a razão de aspecto e a relação superfície/volume influenciaram significativamente na fidelidade de replicação das microlentes, sendo constatado que as lentes de Fresnel com altura variável possuem maior volume em relação às de altura constante e, consequentemente, melhor fidelidade na replicação. Na termomoldagem, as variações nas dimensões das cristas foram de nanômetros e a fidelidade no processo foi de aproximadamente 100% para todas as zonas de Fresnel. Nesta técnica, porém, os tempos de ciclos são até 40 vezes maiores que os da moldagem por injeção. As investigações paraxiais de FTM para a microlente de Fresnel com altura variável convexa foram de 85,2 % para 25 lp/mm, 67,5% para 50 lp/mm e 71,2% para 75 lp/mm. A simulação por elementos finitos foi usada para auxiliar nos estudos conferindo a sensibilidade do método de cálculo numérico do simulador nas escalas macroscópicas e microscópicas. No final, investigado o desgaste da aresta de corte da ferramenta, verificou-se o desgaste de flanco e a formação da APC, constituída de partículas do cavaco de cobre com formação lamelar. Conclui-se que é possível reproduzir diversos tipos de µEODs com métodos de produção em massa da moldagem por injeção tomando-se cuidado com as variáveis do processo, geometria da peça e propriedades físicas e químicas do material a ser replicado.
Diffractive optical elements represent a fast growing market, in order of billions dollars. Its use is employed in microelectronics, illumination systems, telecommunications, security devices, and others. For this reason, this thesis aimed to make depth public research in the subject. Electrolytic copper inserts were used for providing excellent surface finish when machined with monocrystalline diamond tool getting values of Ra = 10,2 nm, Rq = 13,56 e Rt = 363,06 µm, for the polished stainless steel the results were Ra = 7,02 nm, Rq = 9,05 nm e Rt = 225,19 nm. The replicas were built in PMMA - DH ECL P with light transmittance approximately 90% for visible and infrared spectrum. Seven types of diffractive optical microelements were produced, based in Fresnel geometry and spherical microlens array. For this, it was necessary to develop the computer code called LF2010 to support the construction design of aspheric Fresnel microlenses and calculate its phase transformation function. Four deterministic manufacturing processes of µDOEs were used: ultraprecision diamond turning, microforging, micromilling and the combination of the two last. Stochastic method of polishing was used to obtain mirror surface roughness and compare to SPDT. The qualitative analysis and dimensional metrology were conducted using MEV and optical profiling system respectively. In ultraprecision diamond turning has proved the presence of the phenomenon known as stick slip on the steps of Fresnel zone that was corrected by changing the design. For complete packaging arrays the roughness values were higher due the interaction of adjacent lenses of set with \'fi\' = 100% have even cause microfractures in the structure of microlenses. After successive calibration procedures in the manufacture of copper inserts, replicas were fabricated by techniques of hot emboss and injection molding. The results of microlenses replication showed that the aspect ratio and surface/volume ratio affected the fidelity replication of microlenses, and had been noted that the Fresnel lenses with variable height have higher volume in relation to constant height and consequently better fidelity in replication. Hot emboss process show little variations in the dimensions of the crests, in order of few nanometers, resulting a fidelity approximately 100% for all zones of Fresnel, however the cycle\'s technique are up to 40 times higher than injection molding. The paraxial FTM analysis shows 85,2% for 25 lp/mm, 67,5% for 50 lp/mm and 71,2% for 75 lp/mm to convex Fresnel microlens with variable height. Finite element analysis was used to aid in the studies giving the sensitivity of numerical method adopted in terms of macroscale and microscale. In the end, the wear of edge cutting tool was investigated and found wear flank and formation of built up edge that was made up of chip particles of copper, witch were formed continuously with segmented structure lamellar. Hence, after numerous studies and analysis we can conclude that it is possible to construct µDOEs by means of mass production methods of injection molding taking care of process variables, part geometry and physical and chemical properties of material being replicated.

[ES] Las fibras ópticas son dispositivos muy utilizados en el campo de las telecomunicaciones desde su descubrimiento. En las últimas décadas, las fibras ópticas comenzaron a utilizarse como sensores fotónicos. Los primeros trabajos se centraron en la medición de unas dimensiones físicas en un punto específico. Posteriormente, surgió la posibilidad de medir las propiedades de la fibra óptica en diferentes puntos a lo largo de la fibra. Este tipo de sensores se definen como sensores distribuidos. Los componentes optoelectrónicos fueron desarrollados e investigados para telecomunicaciones. Los avances en las telecomunicaciones hicieron posible el desarrollo de sistemas de interrogación para sensores de fibra óptica, creciendo en paralelo con los avances de las telecomunicaciones. Se desarrollaron sistemas de interrogación de fibra óptica que permiten el uso de una única fibra óptica monomodo estándar como sensor que puede monitorear decenas de miles de puntos de detección al mismo tiempo. Los métodos que extraen la información de detección de la señal reflejada en la fibra óptica son los más empleados debido a la facilidad de acceso al sensor y la flexibilidad de estos sistemas. Los más estudiados son la reflectometría en dominios de tiempo y frecuencia. La reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR) fue la primera técnica utilizada para detectar la posición de los fallos en las redes de comunica-ción de fibra óptica. El OTDR sensible a la fase hizo posible detectar la elongación y la temperatura en una posición específica. Paralelamente, los gratings de Bragg (FBG) se convirtieron en los dispositivos más utilizados para implementar sensores en fibra óptica discretos. Se desarrollaron técnicas de multiplexación para realizar la detección en múltiples puntos utilizando FGBs. La reflectometría realizada interrogando arrays de FBG débiles demuestra que mejora el rendimiento del sistema en comparación al uso de una fibra monomodo. Los sistemas de interrogatorio actuales tienen algunos inconvenientes. Algunos de ellos son velocidad de interrogatorio limitada, grandes dimensiones y alto costo. En esta tesis doctoral se desarrollaron nuevos sistemas de interrogación y sensores de fibra óptica para superar algunos de estos inconvenientes. Los sensores de fibra óptica de plástico demuestran ser una plataforma innovadora para desarrollar nuevos sensores y sistemas de interrogación de bajo costo y fáciles de implementar para fibras de plástico comerciales. Se investigó la reflectometría en el dominio del tiempo y las técnicas fotónicas de microondas para la interrogación de una matriz de rejillas débiles que permitieron simplificar el sistema de interrogación para la detección de temperatura y vibración.
[CA] Les fibres òptiques són dispositius molt utilitzats en el camp de les telecomunica-cions des del seu descobriment. En les últimes dècades, les fibres òptiques van començar a utilitzar-se com a sensors fotònics. Els primers treballs es van centrar en el mesurament d'unes dimensions físiques en un punt específic. Posteriorment, va sorgir la possibilitat de mesurar les propietats de la fibra òptica en diferents punts al llarg de la fibra. Aquest tipus de sensors es defineixen com a sensors distribüits. Els components optoelectrònics van ser desenvolupats i investigats per a telecomunicacions. Els avanços en les telecomunicacions van fer possi-ble el desenvolupament de sistemes d'interrogació per a sensors de fibra òptica, creixent en paral·lel amb els avanços de les telecomunicacions. Es van desenvolupar sistemes d'interrogació de fibra òptica que permeten l'ús d'una única fibra òptica monomodo estàndard com a sensor que pot monitorar desenes de milers de punts de detecció al mateix temps. Els mètodes que extreuen la informació de detecció del senyal reflectit en la fibra òptica són els més utilitzats a causa de la facilitat d'accés al sensor i la flexibilitat d'aquests sistemes. Els més estudiats són la reflectometría en dominis de temps i freqüència. La reflectometría òptica en el domini del temps (OTDR) va ser la primera tècnica utilitzada per a detectar la posició de les fallades en les xarxes de comunicació de fibra òptica. El OTDR sensible a la fase va fer possible detectar l'elongació i la temperatura en una posició específica. Paral·lelament, els gratings de Bragg (FBG) es van convertir en els dispositius més utilitzats per a implementar sensors en fibra òptica discrets. Es van desenvolupar tècniques de multiplexació per a realitzar la detecció en múltiples punts utilitzant FGBs. La reflectometría realitzada interrogant arrays de FBG febles demostra que millora el rendiment del sistema en comparació a l'ús d'una fibra monomodo. Els sistemes d'interrogatori actuals tenen alguns inconvenients. Alguns d'ells són velocitat d'interrogatori limitada, voluminositat i alt cost. En aquesta tesi doctoral es van desenvolupar nous sistemes d'interrogació i sensors de fibra òptica per a superar alguns d'aquests inconvenients. Els sensors de fibra òptica de plàstic demostren ser una plataforma innovadora per a desenvolupar nous sensors i siste-mes d'interrogació de baix cost i fàcils d'implementar per a fibres de plàstic comercials. Es va investigar la reflectometría en el domini del temps i les tècniques fotòniques de microones per a la interrogació d'una matriu de reixetes febles que van permetre simplificar el sistema d'interrogació per a la detecció de temperatura i vibració.
[EN] Optical fibers are devices largely used in telecommunication field since their discovery. In the last decades, optical fibers started to be used as photonic sensors. The first works were focused on the measurement of physical dimensions to a specific point. Afterward, emerged the possibility to measure the optical fiber properties at different locations along the fiber. These kinds of sensors are defined as distributed sensors. The optoelectronic components were developed and investigated for telecommunications. The progress in telecommunication made possible the development of optical fiber sensors interrogation systems, growing in parallel with the advances of telecommunications. Optical fiber interrogation systems were developed to use a single standard monomode optical fiber as a sensor that can monitor tens of thousands of sensing points at the same time. The methods that extract the sensing information from the backscattered signal in the optical fiber are widely employed because of the easiness of access to the sensor element and the flexibility of these systems. The most studied are the reflectometry in time and frequency domains. The optical time domain reflectometry (OTDR) was the first technique used to detect the position of the failures in the optical fiber communication networks. Using phase sensitive OTDR it is possible to sense strain and temperature at a specific position. In parallel, fiber Bragg gratings (FBGs) became the most widely used devices to implement discrete optical fiber sensors. Multiplexing techniques were developed to perform multi points sensing using these gratings. The reflectometry performed interrogating weak FBGs arrays demonstrate to improve the performance of the system employing a single mode fiber. The interrogation systems nowadays have some drawbacks. Some of them are limited speed of interrogation, bulkiness, and high cost. New interrogation systems and optical fiber sensors were developed in this doctoral thesis to overcome some of these drawbacks. Plastic optical fiber sensors demonstrate to be an innovative platform to develop both new sensors and low cost, easy to implement interrogation systems for commercial plastic fibers. Reflectometry in time domain and microwave photonic techniques were investigated for the interrogation of weak gratings array allowed to simplify the interrogation system for the sensing of temperature and vibration.
I would like to greatly thank the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Program that funded the research described in this thesis under the Marie Sklodowska-Curie Action Grant Agreement 722509.
Sartiano, D. (2021). Design of optical fiber sensors and interrogation schemes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/161357
TESIS

Doutoramento em Engenharia Electrotécnica/Telecomunicações
Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.
This work investigates novel methodologies and models for Next-Generation Optical Access Networks (NG-OAN). The work is divided into four main topics of research: network design, numerical models for fiber nonlinear effects, impact of fiber nonlinear effects and network optimization. The used case optical access network is designed to cope with high user density over extended reach, i.e. support large number of users ( 1000) with high speed dedicated connections ( 1 Gb/s) in a narrow bandwidth ( 25 nm) distributed up to 100 km. The scenarios rely on Ultra-Dense Wavelength-Division Multiplexing Passive Optical Networks (UDWDM-PON) employing coherent transceivers in the network terminals. The network is evaluated for various transmission rates using advanced modulation formats, transmitters and receivers specifications, user bandwidth requirements and coexistence with legacy Passive Optical Network (PON) technologies. Numerical models based on Volterra Series Transfer Function (VSTF) are demonstrated for both the analysis of fiber nonlinear effects and evaluation of the overall network performance. It is presented the power and transmission ranges that Volterra series provides accurate results, compared to the reference model Split-Step Fourier (SSF) (experimentally validated), for the overall network performance. Moreover, an algorithm is proposed to provide fast numerical calculations of the series by avoiding zero intensity signal frequency components. The VSTF model is extended to identify the sole effect of the most relevant fiber nonlinearities in UDWDM-PON network scenarios: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) and Four-Wave Mixing (FWM). Numerical simulations are performed to identify the impact of each nonlinear effect, SPM, XPM and FWM, on the performance of coherent UDWDMPON transporting either M-ary PSK (Phase-Shift Keying) or M-ary QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulated channels. The analysis is extended to different lengths of Standard Single-Mode Fibers (SSMF), power per channel and bit rate per channel. From that, analytic expressions are extrapolated to find the evolution of SPM, XPM and FWM with power and transmission distance for NG-AON scenarios. The performance of the network is optimized by mitigating some of the FWM crosstalk (unequally spaced channels), which in this case is the most relevant fiber nonlinear effect. The directions for further performance improvements are pointed out for scenarios in which XPM is enhanced, i.e. networks transporting QAM signaling. The solution in this case is based on digital signal processing techniques.

A espectroscopia fotoacústica é uma técnica muito utilizada na caracterização de materiais. Ela é baseada no efeito fotoacústico, que consiste na geração de som a partir da incidência de radiação eletromagnética intermitente numa amostra confinada numa pequena câmara fechada e preenchida com algum gás. O efeito fotoacústico depende de muitos parâmetros como a freqüência de modulação da radiação eletromagnética incidente e de parâmetros ópticos e térmicos do material em estudo. O modelo de Rosencwaig-Gersho (RG) tem sido empregado na estimativa de parâmetros ópticos e térmicos da amostra utilizando os casos especiais de opacidade e de comportamento térmico do material. Há o interesse em utilizar o modelo RG para a estimativa de dois ou mais parâmetros, simultaneamente. Houve algum sucesso com a aplicação do método inverso utilizando dados experimentais sintéticos, ou seja, utilizando dados gerados pelo modelo RG (método direto), aos quais adiciona-se ruído com o intuito de simular dados experimentais. O objetivo do presente trabalho é a utilização de dados experimentais reais nesta abordagem do método inverso. Para isso foi realizado um projeto de experimento onde se estudou a possibilidade de estimação simultânea de parâmetros a partir das condições gerais do experimento real. Neste projeto de experimento, o estudo dos coeficientes de sensibilidade modificados desempenha um papel central. Desta forma, foi elaborado um algoritmo para o projeto de experimento, onde é estudada a relação entre tais coeficientes e a estimação dos parâmetros feita pelo método inverso. Como exemplo, é apresentada a execução de um projeto de experimento simples, realizado qualitativamente, porém capaz de apontar para um experimento fotoacústico que fornecerá dados experimentais reais para estimativa de um determinado parâmetro físico da amostra. Com esses dados experimentais o problema inverso foi aplicado para a estimação da difusividade térmica da amostra. Por fim, uma discussão é feita com relação ao valor da difusividade térmica obtida pelo método inverso e com relação à abordagem do método inverso na espectroscopia fotoacústica.
Photoacoustic spectroscopy is a very effective technique for optical and thermal characterization of materials. This technique is based on photoacoustic effect. It occurs when a material sample placed inside a closed cell filled with any gas is illuminated with periodically interrupted light. This effect depends on many parameters as modulation frequency of the incident electromagnetic radiation and on optical and thermal properties of the material studied. The Rosencwaig-Gersho (RG) model has been used for parameter estimation where special cases of opaqueness and thermal behavior of the material are considered. One has interest in the use of the general RG model to estimate two or more parameters, simultaneously. In this way, the inverse problem approach has been applied with the direct problem modeled with the general RG model. However, synthetic experimental data has been used in such approach, e.g., noise is added on the data, obtained from direct problem, in order to simulate real experimental data. The main goal of this work is to use the real experimental data in the inverse problem approach. It was needed to carry out the sensitivity study of the parameters with respect to the overall experimental conditions. The modified sensitivity coefficients play an important role in such study. Therefore, an algorithm was built up to study the relationship between modified sensitivity coefficients for the successful inverse approach of parameter estimation. As an example, a simple and qualitative study of sensitivity of the parameters was done, using such algorithm. It pointed out the conditions of the real experimental arrangement in which experimental data were obtained to estimate a unique parameter of the sample. With these experimental data the inverse problem was applied for determining the thermal diffusivity of the sample. Finally, a discussion is presented on the value obtained for the thermal diffusivity by this approach and on the application of the inverse method on the photoacoustic spectroscopy.

Doctor en Ingeniería Eléctrica
The Atacama Large Millimeter Array (ALMA) is an international partnership of Europe, North America and East Asia in cooperation with the Republic of Chile. It consists of an array of 66 antennas designed to work as an interferometer in the millimetric and sub-millimetric range (from 30 to 950 GHz). It is located at 5000 meters altitude in the Chajnantor Plateau, north of Chile. It will start full scienti c operations by 2014 being the most important instrument for radio-astronomy in the world. Presently with 36 antennas, it is already delivering transformational science data, providing astronomers with unprecedented sensitivity and quality images of the "radio-universe" with a resolution comparable with the Huble telescope. The lowest spectroscopic band envisioned for ALMA, the so-called Band 1, covers the frequency range from 31 to 45 GHz. This band was not implemented during the rst construction phase of the telescope, but has been recently (2012) included for the second development phase of the project, including the indication of extending the frequency coverage up to 50 GHz. In the context of this thesis we have developed technological solutions to cover this band, especially focused on the development of low-noise ampli ers using High Electron Mobility transistors (HEMT). Among the most burdensome challenges of ALMA Band 1 are the stringent speci cations on noise temperature, the large required bandwidth, and the limited space available for this receiver within the ALMA cryostat. In this work we present an overview of the scienti c importance of Band 1, along with the technological solutions we have developed, including the design of key components, like the horn, lens, ortho-mode transducer, and low noise ampli ers. We also present an evaluation of third-party components which can be used in the receiver. The work is used to present a preliminary layout of the Band-1 receiver which was implemented and tested in order to be used as technological demonstrator for a fully operational receiver. El Atacama Large Millimeter Array (ALMA por sus siglas en inglés) es una asociación internacional entre Europa, América del Norte y Asia del Este en cooperación con la República de Chile. Consiste de un conjunto de 66 antenas diseñadas para funcionar como un interferómetro en el rango milimétrico y sub-milimétrico (de 30 a 950 GHz). Se encuentra ubicado a 5000 metros de altura sobre el nivel del mar en el Llano de Chajnantor, norte de Chile. Iniciará su completa operación científica en 2014 siendo el instrumento más importante para la radio-astronomía en el mundo. Actualmente, con 36 antenas, se encuentra en operación científica preliminar y a la fecha ha entregado importantes datos a la comunidad astronómica mundial. La banda espectroscópica más baja prevista para ALMA, conocida como Banda 1, cubre el rango de frecuencias desde 31 a 45 GHz. Esta banda no se construyó durante la primera fase de construcción del telescopio, pero ha sido recientemente (2012) incluida para la segunda etapa de desarrollo de ALMA, incluyendo la indicación de extender la cobertura de frecuencia hasta los 50 GHz. En el contexto de esta tesis se han desarrollado soluciones tecnológicas para esta banda de frecuencia, con especial énfasis en el desarrollo de amplificadores de bajo ruido. Entre los mayores desafíos de la Banda 1 de ALMA están las estrictas especificaciones de ruido, el ancho de banda requerido y el limitado espacio disponible para este receptor en el criostato ALMA. En este trabajo se presenta una visión general de la importancia científica de banda 1, junto con las soluciones tecnológicas que hemos desarrollado, incluyendo el diseño de los componentes clave, como la bocina, la lente, el transductor de polarización y los amplificadores de bajo ruido. También se presenta una evaluación de componentes comerciales que pueden ser utilizados en el receptor. El trabajo se utiliza para presentar un diseño preliminar de la banda1, receptor que fue construido y probado en nuestro laboratorio para ser utilizado como demostrador tecnológico.

Doctor en Ingeniería Eléctrica
El Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) es el observatorio astronómico más grande jamás construido. Se encuentra en el llano de Chajnantor, a una altura de 5.000 metros sobre el nivel del mar en el norte de Chile. Consiste en un conjunto de 66 antenas capaces de detectar fuentes de señal muy débil que nos llegan desde el espacio más profundo. El instrumento de detección en cada antena consiste en 10 receptores heterodinos de doble polarización y de muy alta sensibilidad que cubren la gama de frecuencia entre 30 a 950 GHz. En particular, el receptor de la Banda-1 está diseñado para cubrir la ventana espectral 31 45 GHz. Esta banda dará ayuda a los astrónomos a traer nueva luz en estudios de Anisotropías en el fondo de radiación cósmica, alta resolución del efecto Sunyaev-Zel ' dovich, detectar imágenes de gas de clúster a diferentes redshifts, estudios de lentes gravitacionales y monitoreo y mapeo del medio interestelar frío a intermedio y alto corrimiento al rojo. El objetivo de esta tesis consiste en diseñar y construir un completo sistema óptico para un receptor prototipo de radio astronomía que trabaje entre los 30 a 45 GHz y que cumpla con las especificaciones de la Banda 1 de ALMA. El sistema óptico incluye una lente, una bocina y un transductor Orthomodal de polarizaciones. Cada uno de estos componentes de microondas fueron diseñadas utilizando modelos teóricos existentes y que son bien conocidos, y luego fueron optimizados utilizando un software comercial numérico muy avanzado. Una vez que se encontró el modelo deseado, el dispositivo fue construido y caracterizado. Cada uno de los tres dispositivos que fueron desarrollados y luego construidos en nuestro laboratorio, presenta excelentes prestaciones y de buen acuerdo entre las mediciones experimentales y simulaciones. Además, una parte importante de esta tesis estuvo muy involucrada en el desarrollo y la construcción de una cámara anecoica de campo cercana que fue utilizada para medir los patrones de radiación de la bocina y también del sistema integrado por la bocina y la lente. Los logros más importantes de esta tesis fueron dos. (i) el desarrollo de un diseño de bocina de tipo spline-line muy compacta y que genera patrones de radiación de muy alta calidad. (ii) un separador de polarización ortogonal de señales que es muy compacto y compatible con un gran ancho de banda.

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Nesta Tese são propostas diversas estratégias para projetar redes ópticas WDM de forma otimizada. As redes são consideradas com tráfego dinâmico e penalizadas pelas penalidades da camada física. As estratégias propostas lidam com os principais elementos que afetam a relação custo desempenho em uma rede óptica: o algoritmo de roteamento e atribuição de comprimentos de onda (RWA), a colocação de regeneradores (RP), a atribuição de regeneradores (RA), o projeto da topologia física da rede (PTD) e o dimensionamento dos dispositivos ópticos (DDO) que serão instalados na rede. Esses problemas são tratados tanto de forma separada quanto de forma integrada na Tese. Para o RWA, é proposta uma metodologia para se projetar algoritmos heurísticos de roteamento que têm como objetivo o aumento no desempenho da rede e que levam em conta as penalidades da camada física. Para a solução do RP são propostos algoritmos heurísticos e metaheurísticos para o projeto de redes ópticas translúcidas, considerando simultaneamente a otimização dos custos de capital (CapEx) e operacional (OpEx) e do desempenho da rede. O problema de PTD é tratado em conjunto com o DDO também de forma mutiobjetiva, considerando a otimização simultânea do CapEx e do desempenho (probabilidade de bloqueio). Um algoritmo multiobjetivo para realização da expansão de topologia (i.e. adição de novos enlaces a uma rede já existente) também é proposto. Além disso, são resolvidos conjuntamente os problemas de PTD, RP e RWA de forma mutiobjetiva considerando a otimização simultânea de CapEx e desempenho da rede. As otimizações das soluções são feitas utilizando as seguintes estratégias metaheuristicas propostas na área de inteligência computacional: Particle Swarm Optimization (PSO) e Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II)

O setor rodoviário no Brasil é o maior responsável pelo transporte de passageiros e de cargas. A indústria de veículos de carga tem realizado modificações nas características dos veículos e a tendência neste mercado é o aumento na capacidade de transporte, obtida com a fabricação de veículos com maiores dimensões, com um maior número de eixos, bem como a utilização de combinações de veículos de carga (CVCs). Estas alterações atendem uma exigência do mercado, que é o aumento da produtividade nos serviços de transporte. Para uma operação segura, entretanto, se faz necessário garantir a compatibilidade entre os veículos e a malha rodoviária ofertada para absorver este tráfego. O objetivo principal deste trabalho é investigar as características e padrões dos veículos que trafegam nas rodovias brasileiras, visando à proposição de parâmetros de projeto geométrico compatíveis, contemplando os aspectos da interação dos veículos e da via, com ênfase para os veículos de grande porte, e em particular os veículos do tipo CVC. São propostos ajustes nos padrões técnicos estabelecidos pelo DNER, atual DNIT, de forma a adequar a geometria das rodovias às características e restrições dos veículos em operação. Foi realizado ainda um estudo de caso para um conjunto de trechos de rodovias no Estado de São Paulo e no Estado do Ceará, com características técnicas diferentes, onde trafegam CVCs de diversas configurações com restrições, permitindo que sejam identificados os ajustes necessários na geometria para adequação ao tráfego, bem como orientar a concepção de outros projetos.
In Brazil the majority of passenger and goods transportation is carried out by the highway transportation system. Vehicle industry does a continuous job of designing new models in order to increase capacities, producing bigger vehicles, with more axles, as well as long combination vehicles (LCVs). These modifications aim to attend a market demand that is looking for better productivity figures for transportations services. However, to assure a good level of safety in the operation of these vehicles, it is necessary a guarantee of compatibility of them with the roads where they will circulate. The main objective of this thesis is the research of the characteristics and standards of vehicles traveling on brazilian roads, in order to analyze design parameters, considering the interaction between vehicles and roads. The problem of the flow of large vehicles, in particular LCVs, is emphasized. Adjustments on the design standards, established by the DNER (presently named DNIT), are proposed with the intention of adequate the road geometry to the vehicles characteristics and restrictions. A case study was carried out for a set of highway segments of the states of São Paulo and Ceará. These segments present different technical characteristics and are traversed, with some restrictions, by different types of LCVs. This study allows not only the identification of necessary adjustment on the road geometry to hold up the existing traffic flow, but also the design of new projects standards.

Los metamateriales son una nueva clase de materiales artificiales que pueden ser diseñados para poseer propiedades que serían difíciles o imposibles de encontrar en la naturaleza. Los metamateriales han posibilitado la aparición de un gran número de nuevos dispositivos fotónicos con asombrosas propiedades. Entre ellos, cabe destacar a los medios de índices negativos (NIMs) con los que es posible construir superlentes carentes del límite de resolución de las lentes convencionales, así como los dispositivos basados en óptica de transformación, una nueva teoría del electromagnetismo que permite conocer las propiedades que un medio debe tener para curvar o distorsionar el espacio electromagnético. Como consecuencia, ha sido posible crear dispositivos fascinantes, tales como capas de invisibilidad o agujeros negros ópticos. Debido a su importancia, en esta tesis nos hemos centrado en estas dos aplicaciones de los metamateriales. En el caso de los medios de índice negativo, hemos estudiado cómo éstos pueden ser construidos a partir de estructuras de transmisión extraordinaria. Como resultado principal, se ha diseñado y verificado experimentalmente un novedoso metamaterial de altas prestaciones que presenta una elevada figrua de mérito (sustancialmente mayor que las de trabajos previos)en el espectro visible. La estructura también presenta independencia de polarización y propiedades homogéneas para incidencia normal. Esta demostración corresponde al primer NIM experimental con bajas pérdidas en el régimen visible y también al primero formado por varias celdas unidad en la dirección de propagación, un paso imporante hacia NIMs homogéneos en esta banda. Este trabajo ha sido reconocido como uno de los últimos hitos en metamateriales ópticos tridimensionles. Además, otros autores han demostrado que las propiedades de esta estructura pueden ser empleadas para controlar la velocidad de propagación (subluminal y superluminal) de pulsos laser de femtosengudos o para conseguir c
García Meca, C. (2012). Design and implementation of photonic metamaterials [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16465
Palancia

[ES] Los sensores ópticos son dispositivos fotónicos sensibles a determinadas magnitudes que se usan precisamente para medir, ya sea de forma absoluta o relativa, esas magnitudes. Medir la temperatura, la presión, la tensión, la humedad o la presencia de un determinado gas son algunas de las funcionalidades que llevan a cabo estos sensores. A lo largo de las últimas décadas multitud de sensores y técnicas de interrogación han sido desarrolladas, lo que ha tenido un increíble impacto en multitud de áreas. Uno de los ejemplos más claro es la arquitectura civil, donde los sensores fotónicos juegan un papel fundamental en la monitorización del estado de las estructuras. A pesar de los buenos resultados conseguidos por los sensores ópticos hasta la fecha, las técnicas de interrogación desarrolladas hasta ahora muestran algunas desventajas. Tiempos de medida altos, baja resolución o una gran complejidad son algunas de ellas. En esta tesis doctoral se presenta el diseño y caracterización de diversos sensores fotónicos basados en las ya conocidas redes de difracción de Bragg así como la implementación de nuevas técnicas de interrogación de dichos sensores para intentar eliminar o reducir esas desventajas. Las técnicas de interrogación desarrolladas en este trabajo se basan en la fotónica de microondas, donde la interacción entre las señales ópticas y eléctricas se usa para detectar en este caso los cambios en una determinada magnitud. Las técnicas desarrolladas en este trabajo buscan ser lo más versátiles y escalables posibles para así poder adaptarse a los requerimientos de diferentes escenarios. Encontramos así técnicas que permiten interrogar a miles de sensores con una gran resolución y sensibilidad así como también técnicas de interrogación de sensores puntuales con una enorme sensibilidad y simplicidad tanto en la interrogación como en el sistema usado para ello. También están presentes los resultados obtenidos mediante la colaboración con el instituto de investigación sueco ACREO para el desarrollo de un sensor de campo eléctrico basado en fibras polarizadas donde se han fabricado varias redes de difracción de Bragg.
[CAT] Els sensors òptics son dispositius fotònics sensibles a determinades magnituds que s'usen precisament per a mesurar, ja siga de forma absoluta o relativa, aquestes magnituds. Mesurar la temperatura, la pressió, la tensió, la humitat o la presència d'un determinat gas són algunes de les funcionalitats que realitzen aquestos sensors. Al llarg de les últimes dècades multitud de sensors i tècniques d'interrogació han sigut desenvolupades, i això ha tingut un impacte increïble a multitud d'àrees. Un dels exemples més clar es l'arquitectura civil, on aquestos sensors juguen un paper fonamental en la monitoratge de l'estat de les estructures. Encara que els resultats aconseguits han sigut bons, les tècniques d'interrogació desenvolupades fins ara mostren alguns desavantatges. Temps de mesurament alt, baixa resolució o una gran complexitat són algun d'ells. A aquesta tesi doctoral es presenta el disseny i caracterització de diversos sensors fotònics basats en les ja conegudes xarxes de difracció de Bragg així com l'implementació de noves tècniques d'interrogació per a intentar eliminar o reduir aquestos inconvenients. Les tècniques d'interrogació desenvolupades en aquest treball es basen en la fotònica de microones, on l'interacció entre les senyals òptiques i elèctriques s'usa per a detectar en aquest cas els canvis en una determinada magnitud. Les tècniques desenvolupades en aquest treball busquen ser el més versàtils i escalables possibles per a poder adaptar-se als requeriments dels diferents escenaris. Trobem així tècniques que permeten interrogar milers de sensors amb una gran resolució i sensitivitat però també tècniques que permeten interrogar sensors puntuals amb una increïble sensitivitat mostrant una gran simplicitat en el seu disseny. També estan presents els resultats obtinguts mitjançant la col¿laboració amb l'institut d'investigació suec ACREO per al desenvolupament d'un sensor de camp eléctric basat en FBGs i en fibres polaritzades.
[EN] Optical sensors are photonic devices sensitive to different magnitudes that are used precisely to measure, in an absolute or a relative way, these magnitudes. These optical sensors are nowadays used to measure temperature, pressure, strain, humidity or the presence of a particular gas. In the past few decades a multitude of photonic sensors and different interrogation techniques have been developed, which had a great impact in dozens of different fields. One of the best examples is civil architecture, in which photonic sensors play a fundamental role in order to monitor the condition of the structures. Despite of the good results showed by photonic sensors, the interrogation techniques used show different drawbacks. A large measurement time, low resolution or great complexity are some of them. In this doctoral thesis the design and characterization of a set of different photonic sensors based on the already known fiber Bragg gratings, along with the implementation of new interrogation techniques, are used in order to eliminate or at least reduce these problems. The interrogation techniques developed in this work are based on Microwave Photonics techniques, in which the interaction between optical and electrical signals is used to detect in this case the changes in a particular magnitude. The techniques showed in this work have been designed in order to be as versatile and scalable as possible to have the opportunity to adapt to any requirement in different scenarios. In this work techniques that are able to interrogate hundreds or even thousands of sensors with great sensitivity and resolution can be found in addition to techniques that are developed to interrogate individual sensors with an enormous sensitivity. The work carried out in collaboration with the Swedish research institute ACREO, based on the development of an electric field sensor based on poled fibers together with FBGs is also present.
Hervás Peralta, J. (2019). Design of photonic sensors based on cavities and new interrogation techniques [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/119754
TESIS

This thesis presents advances in the design of solar concentrators. Based on the study of the Compact Linear Fresnel Re ector Concentrator "Etendue-Matched" (CLFREM), this thesis developed optical solutions based on the Simultaneous Multiple Surface method (SMS) and new approaches of analysis of the characterizing parameters of a solar concentrator. This thesis is organized into ve sections. In the rst section (Chapters 1 and 2) an introduction to the topics addressed in this work is presented together with a revision of the underlying basic optics. In the second section (Chapters 3, 4, and 5) a study of the concentrator CLFR-EM is presented. In the third section (Chapters 6 and 7) a XX SMS concentrator for continuum primaries is developed and presented. In the fourth section (Chapter 8) the application of the concept XX SMS for Fresnel primaries is explained and shown. Finally, in the fth section (Chapters 9 and 10) prospects for future developments and conclusions concerning this work are presented; Avan cos no desenho de concentradores solares para aplicações termicas Resumo: Esta tese apresenta desenvolvimentos na an álise de concentradores solares térmicos. Partindo do estudo realizado sobre o concentrador Compact Linear Fresnel Re ector "Etendue-Matched" (CLFR-EM), esta tese propoem solucoes opticas baseadas no método de Simultaneous Multiple Surface (SMS) e novas abordagens a análise dos parâmetros caracterizadores de um concentrador solar. A tese está organizada em cinco secções. Na primeira secção (Cap itulos 1 e 2) e realizada uma introdução aos temas abordados neste trabalho e uma revisão dos conceitos básicos de optica. Na segunda sec ção (Capitulos 3, 4 e 5) e apresentado um estudo do concentrador CLFREM. Na terceira secção(Capitulos 6 e 7) e apresentado um concentrador XX SMS para primários continuos para concentração máxima e receptores xos. Na quarta secção(Capitulo 8) mostra-se a aplicação do conceito XX SMS a prim arios Fresnel. Por ultimo, na quinta secção(Capitulos 9 e 10) são apresentadas perspectivas para desenvolvimentos futuros e realizadas conclusões sobre este trabalho.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações
The traffic volume in backbone optical networks has increased in the last few years and it is expected to continue to exhibit a high growth, with bandwidth-hungry services being the key drivers of this growth. Furthermore, the tra c is becoming more dynamic, being characterized by a strong heterogeneity. Thus, in order to cope with these changes, optical transport networks are developing towards the operation with mixed-line rates and the elastic usage of spectrum through exible frequency grids. Regarding this paradigm shift, telecommunication network operators seek to assess solutions that enable transport networks to provide capacity enhancement and scalability. However, due to the reduction in pro t margins, another parameter taken into account is the network cost, either investment or operational. Therefore, planning and optimization tools arise as valuable instruments to exploit the features of next generation optical networks, and quantify their cost-e ciency impact. The aim of this dissertation is to study the problem of optical network design. For this purpose, an optimization algorithm was developed where the objective function minimizes the network deployment cost. This algorithm allows the use of di erent terminal equipments with di erent line rates and comprises features such as regenerator placement, multi-hop grooming, inverse-multiplexing and spectrum assignment with low granularity. Moreover, in order to improve the algorithm e ciency, a multi-thread approach was used to fully take advantage of computational resources of current platforms. The algorithm was applied and examined under di erent tra c and network topology sets. The design outcomes allow us to study the trade-o between equipment prices. Also, allow to understand the importance of each of the previously mentioned features in each of the proposed sets. The computational outcomes obtained show gains in multi-thread approach, particularly when a mechanism that lets sharing information between all threads is implemented
O volume de tráfego nas redes ópticas de transporte tem aumentado nos últimos anos e espera-se que continue a apresentar um crescimento elevado, com os serviços de largura de banda intensivos a serem os principais impulsionadores desse crescimento. Adicionalmente, o tráfego está a tornar-se mais dinâmico, e sendo caracterizado por uma forte heterogeneidade. Assim, de forma a lidar com estas alterações, as redes ópticas de transporte estão a evoluir no sentido de operar com taxas de linha mistas e a utilizar o espectro de forma elástica através do uso de grelhas flexíveis na frequência. Face a esta mudança de paradigma, os operadores de redes de telecomunicações procuram avaliar soluções que permitam às redes de transporte fornecer maior capacidade e escalabilidade. No entanto, devido à redução das margens de lucro, outro parâmetro tido em consideração é o custo da rede, quer de investimento quer operacional. Consequentemente, as ferramentas de planeamento e optimização surgem como instrumentos valiosos para explorar as funcionalidades das redes ópticas de próxima geração, e quantificar o seu impacto na relação custo-benefício. O objectivo desta dissertação é estudar o problema de dimensionamento de redes ópticas. Para este fim, foi desenvolvido um algoritmo de optimização cuja função objectivo minimiza o custo da rede. Este algoritmo permite considerar a utilização de diferentes equipamentos terminais com diferentes taxas de linha e inclui as funcionalidades de colocação de regeneradores, de multi-hop grooming, de inverse-multiplexing e de alocação de espectro com baixa granularidade. Além disso, de forma a melhorar a eficiência do algoritmo, utilizou-se uma abordagem multi-thread para aproveitar ao máximo os recursos computacionais das plataformas actuais. O algoritmo foi aplicado e avaliado em diferentes cenários de tráfego e de topologias de rede. Os resultados de dimensionamento permitem estudar o compromisso entre os preços dos equipamentos. Também permitem interpretar a importância de cada uma das funcionalidades previamente mencionadas em cada um dos cenários propostos. Os resultados computacionais obtidos revelam ganhos na abordagem multi-thread, em particular quando é implementado um mecanismo de partilha de informação entre todas as threads.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
This work presents the implementation and analysis of a system devoted to the extraction and recognition of optical characters which is based on the hardware and software co-design methodology and built over a reconfigurable platform. Since vision is a very important sense, the research in the field of artificial vision systems has been carried out since the very beginning of the digital era, in the early 60 s. Taking into account the recent evolution experienced by the configurable computing area, a new tendency of research and development of heterogeneous artificial vision systems emerges. Among the main benefits provided by the so called systems on chip are the reduction of power dissipation, financial costs and physical area. In this sense, taking a License Plate Recognition System (LPRS) as a case study, the focus of this work is the implementation of the character localization and recognition steps, while the partitioning of hardware and software resources is based in costbenefit heuristics. Initially, a software-only version of the system is build over an x86 platform. More than to allow the evaluation of several character localization related methods, this software-only version is also intended to be used as parameter of comparison for the embedded version of the system. Regarding the character recognition step, it is performed by the means of an Artificial Neural Network. Based on the results provided by the software-only evaluation system, the implementation of the embedded version is performed, considering an FPGA as platform. In this embedded version, the character localization step consists of a dedicated hardware block, while the character recognition step comprises a piece of software executed in a microprocessor that is physically implemented inside the FPGA. Taking into account a 10 times higher frequency of operation for the processor of the x86 platform, as well as the fact that most of the embedded hardware block employs a clock frequency smaller or equal to 25 MHz, the most noticeable result is the 2.25 times faster speed of processing achieved by the embedded version. Regarding the plate recognition capability, both systems have the same performance, being able to successfully recognize plates in 51.62 % of the cases (considering the best case). Beyond LPRSs, the system developed here could also be employed to build other applications that require optical character recognition features, such as automatic traffic signs recognition and serial number reading of items in a production line.
Este trabalho apresenta a implementação e análise de um sistema voltado à extração e reconhecimento de caracteres ópticos a partir do co-projeto de hardware e software sobre uma plataforma reconfigurável. Por conta da importância atribuída ao sentido da visão, sistemas artificiais capazes de emular as tarefas envolvidas neste processo biológico têm sido alvo de pesquisas desde o surgimento dos primeiros computadores digitais, na década de 60. Tendo em vista a recente evolução experimentada na área da computação configurável, surge uma tendência natural à pesquisa e desenvolvimento de sistemas heterogêneos (compostos por uma combinação de blocos de hardware e software) de visão artificial baseados em tal plataforma. Dentre os principais benefícios proporcionados por sistemas em chip podem ser citados a redução no consumo de potência, custos financeiros e área física. Neste sentido, tomando como estudo de caso um Sistema de Reconhecimento de Placas de Licenciamento Veicular (SRPLV), o foco do trabalho está situado na implementação das etapas de localização e reconhecimento de caracteres, sendo o particionamento dos blocos de hardware e software baseado em heurísticas de custo-benefício. Inicialmente é realizada a implementação de uma versão totalmente em software do sistema aqui proposto, sobre plataforma x86, no intuito de avaliar os diversos métodos passíveis de implementação, bem como o de possibilitar um parâmetro de comparação com a versão embarcada do sistema. Os métodos avaliados dizem respeito à etapa de localização de caracteres, haja vista a definição à priori do emprego de Redes Neurais Artificiais no reconhecimento dos mesmos. A partir dos resultados obtidos por esta avaliação é realizada a implementação da versão embarcada do sistema, tendo como plataforma um FPGA. Nesta versão, a etapa de localização de caracteres é implementada como um bloco dedicado de hardware, enquanto a de reconhecimento constitui-se num software executado sobre um microprocessador fisicamente embutido no interior do FPGA. Considerando uma freqüência de operação 10 vezes superior para o processador da plataforma x86, bem como o fato da maior parte do hardware embarcado utilizar um clock menor ou igual a 25 MHz, o principal resultado consiste no ganho de 2,25 vezes no tempo de execução obtido na segunda versão do sistema. No tocante à capacidade de reconhecimento de placas, os sistemas são equivalentes, sendo capazes de reconhecê-las corretamente em 51,62% das vezes, no melhor caso. Além de SRPLVs, o sistema aqui desenvolvido pode ser empregado na criação de outras aplicações que envolvam a problemática do reconhecimento de caracteres óticos, como reconhecimento automático de placas de trânsito e do número de série de itens numa linha de produção.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações
Communications are vital in the world today. Everything is connected and this means that communication technologies are constantly being pushed to their limits. Any kind of development and improvement that can be done to increase networks capabilities, will find use in some specific application, or even in more common technologies if such is justified. One such case is VLC, it can be used to improve other communication methods capabilities, or as standalone solution, providing advantage in certain scenarios where regular wirelesscommunicationsmethodswouldnotperformaswell,orwouldnotsuit theapplication. VLCalsooffersthegreatadvantageofutilisinganewmedium of transmission for telecomunication systems, which is the visible light spectrum, and is not yet overused and overregulated as other typical mediums. This work was done in partnership with the integrated circuit systems groupd ofInstitutodeTelecomunicaçõesAveiroandaimstostudyanddevelopoptical front end systems for VLC to be used in future projects by this group.
As Telecomunicações são fundamentais nos nossos dias em que tudo está interligado, levando as tecnologias de telecomunicações constantemente ao seu limite. Todo o tipo de melhoria que possa ser feito para melhorar o desempenho de uma rede, encontrará aplicação em alguma área, mais específica, ou caso se justifique, até mesmo em tecnologias de telecomunicação mais comuns. Um exemplo é o VLC (Visible Light Communication), que pode ser utilizado para melhorar as capacidades de outros tipos de redes de telecomunicações, ou em alternativa a outros tipos de redes, oferecendo vantagens em certos cenários onde métodos tradicionais de telecomunicações sem fios não teriam tão bom desempenho, ou não serviriam a aplicação desejada. O VLC também tem como grande vantagem a hipótese de utilização de um novo meio de transmissão para sistemas de telecomunicações, que é o espectro da luz vísivel, que não se encontra ainda sobrelotado e tem regulamentos mais relaxados que outros meios de comunicação tradicionais. Este trabalho foi feito em colaboração com o grupo de sistemas e circuitos integrados do Instituto de Telecomunicações Aveiro, e visa o estudo de desenvolvimento de ‘frontends’óticosparaVLC,parautilizaçãofuturaemprojetosporpartedeste grupo.

[ES] Las comunicaciones ópticas inalámbricas (OWC) constituyen una tecnología muy prometedora para el desarrollo de futuras comunicaciones inalámbricas. De hecho, ha despertado un interés creciente entre los investigadores y varias empresas de todo el mundo trabajan actualmente en el desarrollo de redes inalámbricas de muy alta velocidad. Las comunidades científica e industrial consideran la OWC como una tecnología complementaria en sus diversas formas: comunicaciones ópticas en el espacio libre (FSO), comunicaciones de luz visible (VLC) o fidelidad de la luz (Li-Fi). El espectro óptico ha sido considerado durante muchos años como una gran oportunidad para las comunicaciones inalámbricas, especialmente debido a la saturación del espectro de radiofrecuencia (RF). Esta disertación trata del uso de fuentes de banda ancha en sistemas de transmisión de luz visible (VLC), así como en sistemas de transmisión en el espectro infrarrojo por fibra óptica. En el trabajo de investigación realizado se pueden distinguir tres partes: En la primera parte, se considera el estudio y la simulación de componentes de Diodos Emisores de Luz (LED) con el software WIEN2k centrándose en las propiedades ópticas y eléctricas de los elementos II-VI. La segunda parte trata del diseño, la implementación y las pruebas de diferentes prototipos de comunicación VLC para la transmisión analógica y digital en modo simplex y semidúplex. Hemos demostrado un sistema OWC empleando una fuente de banda ancha (LED) para la transmisión no sólo de datos, sino también para la transmisión inalámbrica de energía. Además, se aborda el problema de la sincronización y la detección del nivel "1" o "0" de un bit en los sistemas de comunicación inalámbrica óptica implementados que surge como consecuencia de la atenuación de la luz a lo largo de la distancia y al problema de la pérdida de línea de visión (NLOS) entre el emisor y el receptor. Para hacer frente a este problema, se ha proporcionado un protocolo de comunicación que garantiza la transmisión fiable de datos digitales con un algoritmo de detección de nivel de bits adaptativo y se ha demostrado su eficacia mediante la transmisión de textos e imágenes. Además, esta tesis aporta una solución para la implementación de transmisores multiplexados en redes con división de longitud de onda (WDM) para formatos de modulación con multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) basados en el uso de fuentes de banda ancha en el espectro infrarrojo para redes de fibra bidireccionales centralizadas. A pesar de las limitaciones impuestas por la dispersión cromática en el uso de este tipo de fuentes ópticas, la inclusión de ciertas estructuras antes de la detección permite la transmisión de señales OFDM en enlaces ópticos. En este trabajo se ha demostrado experimentalmente la reutilización de portadoras, la asignación dinámica de ancho de banda y la transmisión de señales OFDM multibanda mediante el uso de fuentes ópticas de banda ancha en redes WDM. Los principales resultados obtenidos en cada parte de esta tesis doctoral muestran los procedimientos de estudio, la eficacia de las soluciones propuestas y las limitaciones encontradas.
[CA] Les comunicacions òptiques sense fils (OWC) constitueixen una tecnologia molt prometedora per al desenvolupament de futures comunicacions sense fils. De fet, ha despertat un interés creixent entre els investigadors i diverses empreses de tot el món treballen actualment en el desenvolupament de xarxes sense fils de molt alta velocitat. Les comunitats científica i industrial consideren la OWC com una tecnologia complementària en les seues diverses formes: comunicacions òptiques en l'espai lliure (FSO), comunicacions de llum visible (VLC) o fidelitat de la llum (Li-Fi). L'espectre òptic ha sigut considerat durant molts anys com una gran oportunitat per a les comunicacions sense fils, especialment a causa de la saturació de l'espectre de radiofreqüència (RF). Aquesta dissertació tracta de l'ús de fonts de banda ampla en sistemes de transmissió de llum visible (VLC), així com en sistemes de transmissió en l'espectre infraroig per fibra òptica. En el treball de recerca realitzat es poden distingir tres parts: ¿ En la primera part, es considera l'estudi i la simulació de components de Díodes Emissors de Llum (LED) amb el software WIEN2k centrant-se en les propietats òptiques i elèctriques dels elements II-VI. ¿ La segona part tracta del disseny, la implementació i les proves de diferents prototips de comunicació VLC per a la transmissió analògica i digital de manera simplex i semidúplex. Hem demostrat un sistema OWC emprant una font de banda ampla (LED) per a la transmissió no sols de dades, sinó també per a la transmissió sense fil d'energia. A més, s'aborda el problema de la sincronització i la detecció del nivell "1" o "0" d'un bit en els sistemes de comunicació sense fil òptica implementats, que sorgeix a conseqüència de l'atenuació de la llum al llarg de la distància i al problema de la pèrdua de línia de visió (NLOS) entre l'emissor i el receptor. Per a fer front a aquest problema, s'ha proporcionat un protocol de comunicació que garanteix la transmissió fiable de dades digitals amb un algorisme de detecció de nivell de bits adaptatiu i s'ha demostrat la seua eficàcia mitjançant la transmissió de textos i imatges. ¿ A més, aquesta tesi aporta una solució per a la implementació de transmissors multiplexats en xarxes amb divisió de longitud d'ona (WDM) per a formats de modulació amb multiplexació per divisió de freqüència ortogonal (OFDM) basats en l'ús de fonts de banda ampla en l'espectre infraroig per a xarxes de fibra bidireccionals centralitzades. Malgrat les limitacions imposades per la dispersió cromàtica en l'ús d'aquest tipus de fonts òptiques, la inclusió d'unes certes estructures abans de la detecció permet la transmissió de senyals OFDM en enllaços òptics. En aquest treball s'ha demostrat experimentalment la reutilització de portadores, l'assignació dinàmica d'amplada de banda i la transmissió de senyals OFDM multibanda mitjançant l'ús de fonts òptiques de banda ampla en xarxes WDM. Els principals resultats obtinguts en cada part d'aquesta tesi doctoral mostren els procediments d'estudi, l'eficàcia de les solucions proposades i les limitacions trobades.
[EN] Optical wireless communication (OWC) is a very promising technology for future wireless communications developments. It has attracted increasing interest from researchers and several companies around the world are currently working on the development of very high-speed wireless networks. The scientific and industrial communities believe that OWC will be a complementary technology in its various forms: Free Space Optical communications (FSO), Visible Light Communications (VLC), Light Fidelity (Li-Fi). In fact, the optical spectrum has been considered for many years as a great opportunity for wireless communications especially due to the saturation of the radio frequency (RF) spectrum. This dissertation deals with the use of broadband sources in visible light transmission systems (VLC) as well as fiber optic systems. To carry out the research, three parts can be distinguished: In the first part, we consider the study and simulation of Light Emitting Diode (LED) components with the WIEN2k software by focusing on the optical and electrical properties of elements II-VI. The second part deals with the design, implementation and testing of different VLC communication prototypes for analog and digital transmission in simplex and half-duplex mode. We have demonstrated that an OWC system using a broadband source (i.e. an LED) can be used not only for data transmission, but also for wireless power transmission. Moreover, the synchronization problem and the detection of level "1" or "0" of a bit often arise in the optical wireless communication systems. This is a result of the attenuation nature of the light over the distance and the problem of Non Line-Of-Sight (NLOS) between the emitter and the receiver. To deal with this problem, a communication protocol ensuring reliable digital data transmission with an adaptive bit level detection algorithm has been provided and its effectiveness has been demonstrated by the transmission of texts and images. In addition, this thesis provides a solution for the implementation of wavelength division multiplexed - orthogonal frequency division multiplexed (WDM-OFDM) transmitters based on the use of broadband sources in the infrared spectrum for centralized bidirectional fiber networks. Despite the chromatic dispersion that avoids the use of this type of optical sources, the inclusion of certain structures before detection allows the transmission of OFDM signals in optical links. Carrier reuse, dynamic bandwidth allocation and multiband OFDM signals transmission will be experimentally demonstrated by using optical broadband sources in WDM networks. The main results obtained during this thesis work demonstrate the study procedures, for each part, the effectiveness of the proposed solutions as well as the constraints encountered.
Sekkiou, I. (2021). Design of communication systems based on broadband sources for fiber and free space optical links [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172542
TESIS

An innovative, evolvable hardware method for the automatic design of optical systems is presented and verified. The proposed method is based on a multi-objective memetic optimization algorithm. The multi-objective approach simultaneously, but separately, addresses the image quality, tolerance, and complexity of the system. The memetic technique breaks down the search for optical designs in three different parts or phases: optical glass selection, exploration, and exploitation. The optical glass selection phase is based on the unification of two previously published methods with new contributions to repair practical implementation issues and incorporates a multi-objective approach. This new glass selection method supports the choice of the most appropriate set of glasses for the system under design. The glass selection phase limits the available glasses from hundreds to just a few, drastically reducing the design space and significantly increasing the efficiency of the automatic design method. The exploration phase is based on an evolutionary algorithm (EA), more specifically, on a problem-tailored generalized extremal optimization (GEO) algorithm named optical GEO (O-GEO). The new EA incorporates many features customized for lens design such as optical system codification and diversity operands. The non-dominated systems found in the exploration phase are refined by a local search based on the damped least square method in the exploitation phase. As a result, the method returns a set of non-dominated solutions generating a Pareto front. Our method resulted in alternative and useful insights about the trade-off solutions for a lens design problem. The efficiency of the proposed method is verified through examples, showing excellent results for both simple systems and real-world problems.
Método inovador de hardware evolutivo para o projeto automático de sistemas ópticos é apresentado e validado. O método proposto se baseia em um algoritmo memético multiobjetivo de otimização. A abordagem multiobjetivo busca otimizar simultaneamente, mas de forma separada, a qualidade da imagem, a tolerância e a complexidade do sistema. A investida da técnica memética divide a busca por projetos de sistemas ópticos em três fases distintas: seleção de vidros ópticos, exploração e intensificação. A fase de seleção de vidros ópticos é baseada na unificação de dois métodos previamente publicados, incorporando novas contribuições que contornam problemas de implementação prática e faz uso de uma abordagem multiobjetivo. Este novo método de seleção de vidros auxilia na escolha ótima do conjunto de vidros mais apropriado para o sistema sendo projetado. A fase de seleção de vidros restringe os tipos de vidros ópticos disponíveis de centenas para alguns poucos tipos, desta forma, reduzindo drasticamente o espaço de projeto e consequentemente aumentando significativamente a eficiência do método de projeto automático. A fase de exploração é baseada em um algoritmo evolutivo, mais especificamente em uma versão customizada do algoritmo de otimização extrema generalizada (GEO), a qual foi nomeada O-GEO. Este novo algoritmo evolutivo incorpora várias características personalizadas para o projeto de lentes, como a codificação usada para representar um sistema óptico e os operadores de diversidade. Os sistemas não-dominados encontrados durante a fase de exploração são refinados por um algoritmo de busca local baseado no algoritmo de mínimos quadrados amortecidos durante a fase de intensificação. Como resultado, o método retorna um conjunto de soluções não-dominadas que formam a fronteira de Pareto. O método proposto retorna um conhecimento profundo, alternativo e extremamente útil acerca das soluções de compromisso envolvidas no projeto de sistemas ópticos. A eficiência do método proposto é comprovada através de exemplos que mostram excelentes resultados, tanto para o projeto de sistemas simples como para problemas reais.

Las lentes progresivas (LP) para gafas es una solución muy extendida para la presbicia, ya que proporcionan una visión continua a todas las distancias debido a un cambio progresivo de potencia. En este trabajo se han medido las aberraciones de frente de onda espacialmente resueltas y la calidad visual en estas lentes. Además del astigmatismo que aumenta periféricamente, también se han encontrado pequeños valores de aberraciones de tercer orden, coma y trefoil, que producen un bajo deterioro de la calidad óptica y visual. El logaritmo de métricas sobre la PSF del sistema lente con ojo son las que mejor predicen la agudeza visual. Durante la primera semana de adaptación, no se aprecia una mejora significativa de la agudeza visual a través de distintas zonas de las LPs. Al comparar diferentes LPs, las aberraciones, principalmente el astigmatismo, se comporta como un colchón de agua, que se puede mover pero no eliminar.
Progressive lenses (PL) are designed to provide continuous vision at all distances by means a progressive change in spherical power from upper to lower zones. In this thesis, we measure the spatially resolved aberrations and the visual quality of PLs. In addition to astigmatism, third order aberrations, coma and trefoil, are also found in the PLs, but the impact of these aberrations on visual performance is limited. The logarithm of metrics on the PSF of the entire system eye plus PL are the parameters that best predict the visual acuity. There is not a significant improvement of visual acuity through the different zones of the PLs during the first week of adaptation. The current designs of PLs are somehow similar to a waterbed, with the aberrations, mainly astigmatism, being the water: they can be moved but they cannot be eliminated.

"Els reptes ètics i pràctics en la realització d'estudis clínics en nens, ha ocasionat que no es disposi de suficients estudis en aquest grup d'edat. La farmacocinètica poblacional és una eina que pot ajudar a minimitzar les dificultats que presenten aquest tipus d'estudis, ajudant a elaborar dissenys d'extracció òptims que minimitzin la molèstia i ajudin a l'acceptació d'aquests estudis. L'objectiu d'aquesta tesi va ser optimitzar el disseny d'un estudi en pacients de 2 a 5 anys amb rinitis al·lèrgica per estudiar la farmacocinètica i la farmacodinàmia de rupatadina 1mg / ml solució oral. Per a tal propòsit es va desenvolupar un model farmacocinètic poblacional a partir de dades disponibles a nens de 6 a 11 anys emprant el programa específic NONMEM. Aquest model es va utilitzar per determinar la dosi i el disseny d'extracció de les mostres farmacocinètiques, és a dir, el mínim de mostres necessàries, així com els punts temporals d'extracció de mostres de sang per a poder estudiar la farmacocinètica en nens de 2 a 5 anys. D'aquesta manera es va dissenyar i va executar l'estudi en nens de 2 a 5 anys amb la dosi i el disseny obtingut, proporcionant dades de farmacocinètica, seguretat i eficàcia. Posteriorment, es van ajuntar les dades farmacocinètiques dels dos grups d'edat pediàtrics, i es va desenvolupar un model farmacocinètic poblacional de rupatadina en nens entre 2-11 anys. A partir de les concentracions predites pel model es van calcular mitjançant mètodes no compartimentals els valors de Cmax, AUC i t1 / 2 per a ambdós grups de població pediàtrica. La farmacocinètica de rupatadina es va descriure adequadament amb un model bicompartimental amb absorció de primer ordre. La farmacocinètica de rupatadina solució oral (1mg/mL) en nens de 2 a 11 anys depèn del pes, ja que l'aclariment de rupatadina és més gran a mesura que augmenta el pes dels nens. Les dosis emprades en l'estudi clínic van mostrar que la rupatadina en aquest grup d'edat és segura i es tolera bé, i que redueix els símptomes del 5TSS als 14 i 28 dies de tractament respecte al valor basal. La informació farmacocinètica obtinguda, juntament amb les dades de seguretat i eficàcia en nens de 2 a 5 anys, han servit per plantejar una recomanació de dosi en aquest grup d'edat per al tractament de la rinitis al·lèrgica: 5 mg ≥25 kg; 2,5 mg ≥10 kg, que ha estat satisfactòriament avaluada per les agències reguladores."
"Los retos éticos y prácticos en la realización de estudios clínicos en niños, ha ocasionado que no se disponga de suficientes estudios en este grupo de edad. La farmacocinética poblacional es una herramienta que puede ayudar a minimizar las dificultades que presentan este tipo de estudios, ayudando a elaborar diseños de extracción óptimos que minimicen la molestia y ayuden a la aceptación de estos estudios. El objetivo de esta tesis fue optimizar el diseño de un estudio en pacientes de 2 a 5 años con rinitis alérgica para estudiar la farmacocinética y la farmacodinamia de rupatadina 1mg/mL solución oral. Para tal propósito se desarrolló un modelo farmacocinético poblacional a partir de datos disponibles en niños de 6 a 11 años empleando el programa específico NONMEM. Este modelo se utilizó para determinar la dosis y el diseño de extracción de las muestras farmacocinéticas, es decir, el mínimo de muestras necesarias, así como los puntos temporales de extracción de muestras sanguíneas para poder estudiar la farmacocinética en niños de 2 a 5 años. De este modo se diseñó y ejecutó el estudio en niños de 2 a 5 años con la dosis y el diseño obtenido, proporcionando datos de farmacocinética, seguridad y eficacia. Posteriormente, se juntaron los datos farmacocinéticos de los dos grupos de edad pediátricos, y se desarrolló un modelo farmacocinético poblacional de rupatadina en niños entre 2-11 años. A partir de las concentraciones predichas por el modelo se calcularon mediante métodos no compartimentales los valores de Cmax, AUC y t1/2 para ambos grupos de población pediátrica. La farmacocinética de rupatadina se describió adecuadamente con un modelo bicompartimental con absorción de primer orden. La farmacocinética de rupatadina solución oral (1mg/mL) en niños de 2 a 11 años depende del peso, ya que el aclaramiento de rupatadina es mayor a medida que aumenta el peso de los niños. Las dosis empleadas en el estudio clínico mostraron que la rupatadina en este grupo de edad es segura y se tolera bien, y que reduce los síntomas del 5TSS a los 14 y 28 días de tratamiento respecto al valor basal.La información farmacocinética obtenida, junto con los datos de seguridad y eficacia en niños de 2 a 5 años, han servido para plantear una recomendación de dosis en este grupo de edad para el tratamiento de la rinitis alérgica: 5 mg ≥25 kg; 2,5 mg ≥10 kg, que ha sido satisfactoriamente evaluada por las agencias regulatorias."
The ethical and practical challenges in conducting clinical studies in children, has caused that there are not enough studies available in this age group. Population pharmacokinetics is a tool that can help minimize the difficulties presented by these types of studies, helping to develop optimal sample extraction designs that minimize discomfort and help the acceptance of these studies. The objective of this thesis was to optimize the design of a study in patients aged 2 to 5 years with allergic rhinitis to study the pharmacokinetics and pharmacodynamics of rupatadine 1mg/mL oral solution. For this purpose, a population pharmacokinetic model was developed based on data available in children aged 6 to 11 years using the specific NONMEM program. This model was used to determine the dose and design of the extraction of pharmacokinetic samples, that is, the minimum number of samples needed, as well as the time points of blood sample collection to be able to study pharmacokinetics in children aged 2 to 5 years. In this way, the study was designed and executed in children aged 2 to 5 years with the dose and design obtained, providing data on pharmacokinetics, safety and efficacy. Subsequently, the pharmacokinetic data of the two pediatric age groups were collected, and a population pharmacokinetic model of rupatadine was developed in children aged 2-11 years. From the concentrations predicted by the model, the values ​​of Cmax, AUC and t1/2 for both pediatric population groups were calculated using non-compartmental methods. The pharmacokinetics of rupatadine were adequately described with a two-compartment model with first-order absorption. The pharmacokinetics of rupatadine oral solution (1mg / mL) in children aged 2 to 11 years depend on weight, since the clearance of rupatadine is greater as the weight of children increases. The doses used in the clinical study showed that rupatadine in this group of age is safe and well tolerated, and that it reduces the symptoms of 5TSS at 14 and 28 days of treatment with respect to baseline. The pharmacokinetic information obtained, together with safety and efficacy data in children aged 2 to 5 years have served to propose a dose recommendation in this age group for the treatment of allergic rhinitis: 5 mg ≥25 kg; 2.5 mg ≥10 kg, which has been satisfactorily evaluated by regulatory agencies.

Els mecanismes de regulaci o de les c el lules poden ser modelats per controlar i entendre la biologia cel lular. Diferents nivells d'abstracci o s'utilitzen per descriure els processos biol ogics. En aquest treball s'han utilitzat grafs i equacions diferencials per modelar les interaccions cel lulars tant qualitativament com quantitativa. En aquest treball s'han analitzat dades d'interacci o i activitat de diferents organismes, E. coli i S. cerevisiae: xarxes d'interacci o prote na-prote na, de regulaci o de la transcripci o, i metab oliques, aix com per ls d'expressi o gen omica i prote omica. De la rica varietat de mesures de grafs, una variable important d'aquestes xarxes biol ogiques es la distribuci o de grau, i he aplicat eines d'an alisi estad stica per tal de caracteritzar-la. En tots els casos estudiats les distribucions de grau tenen una forma de cua pesada, per o la majoria d'elles presenten difer encies signi catives respecte un model de llei de pot encia, d'acord amb proves estad stiques. D'altra banda, cap de les xarxes podrien ser assignades de forma inequvoca a cap distribuci o testejada. Pel que fa a un nivell m es microsc opic, hem utilitzat equacions diferencials per estudiar la din amica de models de diversos sistemes bioqu mics. En primer lloc, una eina de programari anomenada ByoDyn ha estat creada des de zero. L'eina permet realitzar simulacions deterministes i estoc astiques, analitzar models mitjan cant estimaci o de par ametres, sensibilitat i an alisi d'identi cabilitat, aix com dissenyar optimament experiments. S'ha creat una interf cie web que ofereix la possibilitat d'interactuar amb el programa d'una manera gr a ca, independentment de la con guraci o de l'usuari, permetent l'execuci o del programa en diferents entorns computacionals. Finalment, hem aplicat un protocol de disseny experimental optim en un model multicel lular de l'embriog enesi en vertebrats.
Regulatory mechanisms of cells can be modelled to control and under- stand cellular biology. Di erent levels of abstraction are used to describe biological processes. In this work we have used graphs and di erential equations to model cellular interactions qualitatively and quantitatively. From di erent organisms, E. coli and S. cerevisiae, we have analysed data available for they complete interaction and activity networks. At the level of interaction, the protein-protein interaction network, the tran- scriptional regulatory networks and the metabolic network have been studied; for the activity, both gene and protein pro les of the whole or- ganism have been examined. From the rich variety of graph measures, one of primer importance is the degree distribution. I have applied sta- tistical analysis tools to such biological networks in order to characterise the degree distribution. In all cases the studied degree distributions have a heavy-tailed shape, but most of them present signi cant di erences from a power-law model according to a statistical test. Moreover, none of the networks could be unequivocally assigned to any of the tested distribution. On the other hand, in a more ne-grained view, I have used di erential equations to model dynamics of biochemical systems. First, a software tool called ByoDyn has been created from scratch incorporating a fairly complete range of analysis methods. Both deterministic and stochas- tic simulations can be performed, models can be analysed by means of parameter estimation, sensitivity, identi ability analysis, and optimal ex- perimental design. Moreover, a web interface has been created that pro- vides with the possibility interact with the program in a graphical man- ner, independent of the user con guration, allowing the execution of the program at di erent computational environments. Finally, we have ap- plied a protocol of optimal experimental design on a multicellular model of embryogenesis.

En aquest treball s'analitza el procés de disseny des d'una perspectiva metodològica general. Aquest enfocament condueix de forma natural al concepte de disseny òptim i a la seva formulació com un problema de Programació Matemàtica. En aquests termes es planteja la realització de l'anàlisi de sensibilitat de primer i segon ordre i es discuteix la aplicabilitat del mètode d'estat adjunt com alternativa al mètode de diferenciació directa. Amb aquests plantejaments s'aborda l'optimització de la forma i les dimensions d'estructures contínues, duent a terme l'anàlisi estructural mitjançant el Mètode d'Elements Finits. La formulació es desenvolupa completament per problemes en règim estàtic i lineal i s'indiquen les implicacions de la seva extensió a problemes no-lineals. Per la realització de l'anàlisi de sensibilitat (de primer ordre i d'ordre superior) es desenvolupa un nou procediment -exacte des del punt de vista analític i ben fonamentat matemàticament- que permet unificar els problemes clàsicament diferenciats d'optimització de dimensions i d'optimització de formes. Finalment, es proposa un algorisme de Programació Matemàtica específic per aquest tipus de problemes. Tot això es concreta en la realització d'un potent i versàtil sistema de disseny asistit per ordinador basat en el Mètode d'Elements Finits, en la que la seva eficàcia, fiabilitat i robustesa es posen de manifest mitjançant la solució de diversos problemes d'optimització estructural.
En este trabajo se analiza el proceso de diseño desde una perspectiva metodológica general. Este enfoque conduce de forma natural al concepto de diseño óptimo y a su formulación como un problema general de Programación Matemática. En estos términos se plantea la realización del análisis de sensibilidad de primer y segundo orden y se discute la aplicabilidad del método de estado adjunto como alternativa al método de diferenciación directa. Con estos planteamientos se aborda la optimización de la forma y de las dimensiones de estructuras continuas, realizando el análisis estructural mediante el Método de Elementos Finitos. La formulación se desarrolla completamente para problemas en régimen estático y lineal y se indican las implicaciones de su extensión a problemas no lineales. Para la realización del análisis de sensibilidad (de primer orden y de orden superior) se desarrolla un nuevo procedimiento -exacto desde el punto de vista analítico y bien fundamentado matemáticamente- que permite unificar los problemas clásicamente diferenciados de optimización de dimensiones y de optimización de formas. Finalmente, se propone un algoritmo de Programación Matemática específico para este tipo de problemas. Todo ello se concreta en la realización de un potente y versátil sistema de diseño asistido óptimo por ordenador basado en el Método de Elementos Finitos, cuya eficacia, fiabilidad y robustez se ponen de manifiesto mediante la solución de diversos problemas de optimización estructural.
In this work the design process is analyzed from a general methodological point of view. This approach leads naturally to the concept of optimum design and to its statement in terms of a general Mathematical Programming problem. In these terms, the first and second order sensitivity analysis is stated and the applicability of the adjoint state method as an alternative to the direct differentiation method is discussed. Following this approach the general problem of structural sizing and shape optimization is addressed, being the structural analysis performed by means of the Finite Element Method. The formulation is enterely developed for linear static problems and its further extension for the treatment of non-linear problems is briefly analyzed. A new unified procedure -exact from the analytical point of view and mathematically well founded- is proposed for the first and higher order sensitivity analysis of both, the structural sizing and shape optimization cases. Finally, a suitable Mathematical Programming algorithm is proposed to solve this kind of problems. Following all these ideas, a powerfull and versatile computer aided optimum design system is developed on the basis of the Finite Element Method. The efficiency, reliability and robustness of the system is demonstrated by solving several application problems of structural optimization.

Doutoramento em Engenharia Eletrotécnica
This thesis presents a study on the planning of multilayer optical transport networks considering the various hardware implementation constraints. Optimization methods for the various stages of the network planning are proposed, namely physical topologies design, and green eld and multi-period nodes dimensioning. The developed methods rely on integer linear programming models (ILP), heuristic algorithms and statistical methods. Initially, the enabling technologies and the di erent node architectures usually employed in multilayer optical transport networks are presented. Additionally, the main grooming schemes and transport modes are also discussed. Assuming that the node localization is known, the rst stage of the overall network planning process is the deployment of the network links. Thus, a genetic algorithm for the design of survivable physical topologies with minimum cost is proposed, as well as a dimensioning model for links. Within the heuristic algorithm various genetic operators are evaluated, compared and benchmarked using an ILP model. After, the nodes are planned. Therefore, optimization models for the nodes dimensioning to use in green eld scenarios are proposed. The models are based on ILPs and calculate the number and type of modules required to implement xed and exible architectures, for both the electrical and the optical layer, taking into consideration the hardware implementation constraints. Using the developed models, comparative techno-economic analysis are performed focusing on the CapEx, power consumption, and footprint requirements. As a result, and based on the outcome of a large set of simulations, an optimization method based on simple rules for node architecture selection is proposed. Finally, optimization methods based on ILPs to use in multi-period planning are presented. The models consider the various electrical layer architectures, and enable a planning considering hitless re-grooming. Then, a comparative techno-economic analysis is performed and the savings attained by exploiting hitless re-grooming evaluated, highlighting the conditions where such savings are more signi cant.
Nesta tese é apresentado um estudo sobre o planeamento de redes de transporte óticas multicamada, considerando as diversas restrições de implementação. São propostos métodos de optimização para as várias etapas do planeamento da rede, nomeadamente desenho de topologias físicas, e dimensionamento de nós em ambiente greenfield e multiperíodo. Os métodos desenvolvidos baseiam-se em modelos de programação linear inteira (PLI), algoritmos heurísticos e métodos estatísticos. Inicialmente, as principais tecnologias e as diferentes arquiteturas de nós usualmente utilizadas em redes de transporte óticas multicamada são apresentadas. Adicionalmente, são também abordados os principais esquemas de agregação e modos de transporte. Assumindo que a localização dos nós é conhecida, a primeira etapa do processo de planeamento da rede é a implementação das ligações. Assim, é proposto um algoritmo genético para o desenho de topologias físicas sobreviventes com custo mínimo, bem como um modelo de dimensionamento para as ligações. Dentro do algoritmo heurístico vários operadores genéticos são avaliados, comparados e o seu erro calculado através de um modelo de PLI. Posteriormente, os nós são planeados. Assim, são propostos modelos de optimização para o dimensionamento dos nós, adequados para cenários greenfield. Os modelos são baseados em PLI e calculam o número e tipo de módulos necessários para implementar arquiteturas fixas e flexíveis, tanto para a camada eléctrica como ótica, tendo em consideração as restrições de implementação. Utilizando os modelos desenvolvidos, são realizadas análises comparativas técnico-económicas, com foco no CapEx, consumo energético e requisitos de espaço. Como resultado, e tendo por base um grande conjunto de simulações, é proposto um método de optimização baseado em regras simples para selecção da arquitetura do nó. Finalmente, são apresentados métodos de optimização baseados em modelos PLI adequados para cenários multiperíodo. Os modelos consideram as várias arquiteturas para a camada eléctrica e permitem um planeamento considerando reagregacão sem interrupção de tráfego. Assim, _e realizada uma análise comparativa técnico-económica e avaliados os benefícios alcançados através da exploração da reagregação sem interrupção de tráfego, destacando as condições onde estes são mais significativos.

En esta tesis se presenta un método para analizar antenas montadas sobre estructuras arbitrarias. La Optica Geométrica (GO) y la Teoría Uniforme de la difraccion (UTD), han sidoempleadas para analizar los efectos que la estructura produce sobre el diagrama de radiación de la antena emisora. Para la descripción geométrica de la estructura, han sido utilizados parches NURBS (Non Uniform Rational B-Spline), por lo que el método presentado, es compatible con la mayoría de los programas gráficos disponibles en el mercado.EL tratamiento de geometrías arbitrarias requiere un código eficiente en el análisis de tres dimensiones.Por otro lado, para obtener resultados satisfactorios, la descripción de la superficie de la estructura, debe ser muy próxima al modelo real, sin embargo, esto complica el tratamiento computacional. Aquí la estructura es modelada mediante un conjunto de parches NURBS, que unidos entre sí, describen el modelo completo. Esta descripción permite manipular superficies arbitrarias con un bajo numero de parches, lo que significa un volumen de información reducido.La descripción inicial por NURBS del modelo, es acompañada con información complemetaria como por ejemplo: la tipología de las superficies, las curvas frontera, el tipo de material, etc. Esto es imprescindible para la aplicación de criterios de selección dedicados a la aceleración del proceso.El método tras leer la descripción del modelo, descompone los parches NURBS en superficies racionales de Bezier. Un parche de Bezier es también una superficie paramétrica definida en términos de una combinación lineal de los polinomios de Bernstein.Las antenas son modeladas usando modelos numéricos simples basados en agrupaciones de dipolos infinitesimales eléctricos y magnéticos. Esta caracterización de la antena es muyventajosa ya que con un numero reducido de datos de entrada, la fuente queda definida para cualquier dirección del espacio y el valor del campo radiado puede ser calculado fácilmente.El análisis electromagnético de los efectos que contribuyen al campo dispersado por la geometría comienza con una selección rigurosa de la geometría iluminada desde la fuente.Unicamente los parches de Bezier iluminados serán almacenados por el ordenador durante el análisis. La filosofía de este proceso es descartar aquella parte de la geometría que no contribuye a los efectos de dispersión.El campo total calculado es la superposición de los siguientes efectos pertenecientes a la GO y a la UTD: campo directo procedente de la fuente, campo reflejado por los parches de Bezier, campo difractado por las aristas del modelo definidas como curvas de Bezier, ondas de superficie, dobles reflexiones, reflexione-difraccion y difraccion-reflexión. El método ha sido diseñado para analizar campo cercano y lejano. El mayor gasto computacional se debe a la búsqueda de los puntos de dispersión, por lo que antes de emplear los algoritmos de intersección es necesario aplicar un conjunto de criterios rápidos dependientes de la dirección de observación.El principio de Fermat en combinación con el Gradiente Conjugado (CGM) es usado para obtener de manera eficiente los puntos de dispersión sobre la estructura. Para cada efecto, laposible ocultación de la trayectoria completa del rayo es examinada, por ello, si el rayo corta alguno de los parches de Bezier su contribución será descartada. Los dobles efectos son tratados como una generalización de los simples efectos.El método desarrollado es eficiente ya que precisa de un numero reducido de superficies para modelar objetos complejos lo que se traduce en bajos requerimientos de memoria y reducidos tiempos de calculo.
In this thesis a method to analyze antennas on board of complex bodies is presented. The Geometrical Optics (GO) and Uniform Theory of Diffraction (UTD) have been used to analyze the effect of the structure in the radiation pattern of the antennas. The bodies are geometrically modelled by using NURBS (Non Uniform Rational B-Spline) surfaces. In addition to be accurate and efficient, the method is compatible with most of the modern CAGD (Computer Aided Geometric Design) available programs.The treatment of arbitrary geometries requires a code which can carry out an efficient 3D analysis. To obtain accurate results the description of the surface must be close to the real model, however this complicates the computational procedure. Here the structure is modeled by a collection of individual N.U.R.B.S. surface patches joined to form a complete description of the surface model. The NURBS description is able to manipulate free form surfaces with a low number of patches, and therefore, with a low amount of information. The initial description of the model by NURBS surfaces is accompanied with other complementary data for example : the topology of the surfaces, the boundary curves, the types of material and other inputs. It is very interesting to apply criteria to make the complete analysis faster.The method reads the NURBS description of the model and transforms the NURBS into the rational BEZIER surfaces. A rational BEZIER patch is also a parametric surface defined in terms of a linear combination of Bernstein polynomials.The antennas are modelled using simple numerical models based on arrays of electric and magnetic infinitesimal dipoles. This antenna modelization is very advantageous because with a little input data, the source is defined in any direction and the field value is readily accessible.The electromagnetic analysis of the contributive effects to the scattering field by the geometry, starts with the rigorous selection of the geometry illuminated from the source. Only the Bezier patches illuminated will be in memory of the computer during the analysis. The philosophy of this previous process is to discard in the process the part of the geometry which does not contribute to the scattering effects.The total field is the superposition of the following GO and UTD field components: direct field from the source, reflected fields from the Bezier patches of the model, diffracted fields from the arbitrary edges defined as a Bezier curves, creeping waves, double reflected field and diffracted-reflected and reflected-diffracted fields. The search of specular and diffraction points are the most CPU time consuming, thus before using the intersection algorithms it is necessary to apply a set of fast selection criteria which depend on the observation direction.The Fermat principle in conjunction with the Conjugate Gradient Method (CGM) is used for obtaining efficiently the reflection points and diffraction points on the structure. For each effect the complete ray path is examined to see whether or not it is interrupted by any Bezier patch of the model, in this case the field component is not computed. The double effects are treated using a generalization of the single effects algorithms. The method has been developed to analyze the near and far field cases for different frequencies.The developed method is quite efficient because it makes use of a small number of surfaces to model complex bodies, so it requires few memory and low computing time.

Tese de mestrado integrado, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016
Recentemente surgiu uma nova teoria de amostragem de sinais denominada por Compressed Sensing (CS). Esta teoria afirma que um sinal esparso pode ser adquirido e reconstruído a partir de medições não adaptativas sem que seja necessário medir o sinal por inteiro. Isto é possível porque muitos dos sinais existentes na natureza são esparsos, em outras palavras, são sinais que, numa determinada base, podem ser representados pela composição de vetores cujos coeficientes são maioritariamente nulos. Uma das primeiras aplicações desta teoria, surgiu em 2009, com o desenvolvimento de um protótipo de uma Single-Pixel Camera (SPC), cuja arquitetura incorpora um Dispositivo digital de micro-espelhos (DMD) que cria máscaras especialmente adotadas para uma amostragem que possibilita o CS. Como esta câmara possui apenas um detetor, ela pode ser adaptada para adquirir imagens em comprimentos de onda que os tradicionais Charge-Coupled Devices (CCDs) ou os Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) não conseguem, conduzindo também a uma possível nova geração de câmaras de alta resolução capazes de captar imagens hiperespectrais. Para além desta vantagem, este conceito também possibilitará reduzir o tamanho e o peso dos equipamentos, o que pode ser crítico para utilização no espaço. O presente trabalho teve como objetivos a realização do design e da implementação de um sistema ótico e optomecânico direcionado para uma SPC para utilização num telescópio, e ainda trazer para o grupo de investigação CENTRA/SIM novos conhecimentos sobre técnicas de impressão 3D. Para tal, numa primeira fase, foram realizadas simulações óticas no programa ZEMAX para definir quais as características dos componentes óticos a adotar neste protótipo. A fase seguinte consistiu em utilizar o programa SolidWorks para elaborar os desenhos técnicos dos componentes optomecânicos necessários ao sistema, que por sua vez, foram produzidos no laboratório utilizando técnicas de impressão 3D como a Fused Deposition Modeling (FDM) e a Stereolithography (SLA). Ao longo da produção dos componentes adquiriram-se conhecimentos sobre as propriedades térmicas e mecânicas de materiais termoplásticos, como o Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) e o Polylactic Acid (PLA), e de resinas standard.
Recently, a new signal sampling theory, named Compressed Sensing (CS), has emerged. This theory states that a sparse signal can be acquired and reconstructed from non-adaptive measurements by taking far fewer measurements than in classical approaches. This is possible because many natural signals are sparse or compressible in some appropriate basis. This means they can be represented as compositions of vectors where most of coefficients are zero. One of the first applications of this theory appeared in 2009, with the development of a Single-Pixel Camera (SPC) prototype, whose architecture incorporates a Digital Micromirror Device (DMD) capable of generating random sampling patterns that yields the CS. As this camera only has one detector, it can be adapted to acquire images at wavelengths that are currently impossible with conventional Charge-Coupled Devices (CCDs) and Complementary Metal- Oxide Semiconductor (CMOS), or very expensive, leading us to a new generation of high resolution cameras capable of acquiring hyperspectral images. In addition to this advantage, this concept will also allow minimize the size and weight of the equipment, which may be critical in space. The present master’s dissertation aims at designing and implementing the optical and opto-mechanical systems of a SPC that could be coupled in a telescope, and also, bring to the CENTRA/SIM investigation group, extended know how with respect to 3D printing techniques. The first phase relied on ZEMAX optical simulations to choose the characteristics of the optical components adopted in this prototype. In a next phase we elaborated technical drawings of opto-mechanical components using the SolidWorks program, which were produced in laboratory facilities with Fused Deposition Modeling (FDM) and Stereolithography (SLA) techniques. Throughout the production of the components, we acquired a deeper knowledge of the mechanical and thermal properties of thermoplastic materials such as Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) and Polylactic Acid (PLA), as well as of standard resins.

All optical fields that we encounter in nature or in the laboratory have random fluctuations. Although light emerging from lasers can be considered as “well-behaved” electromagnetic fields, that is certainly not the case of natural sources such as stars. Thus, they must be treated statistically using the theory of coherence, in particular, second-order statistics. The Mutual Coherence Function (MCF) and the Cross-Spectral Density Function (CSDF) are central quantities in the space-time and space-frequency domains, respectively, in the theory of coherence. Both quantities are connected through a Fourier transform. Moreover, all second order-optical quantities can be extracted from these central functions, for example, the intensity distribution and the spectral degree of coherence. Since, in general, the MCF and the CSDF change throughout propagation, all second-order optical quantities, such as the spectral density, also change throughout propagation. When the far-field normalized spectrum of light changes due to source correlations, we say that coherenceinduced spectral changes occurred. This is known as the Wolf effect and it is the driving force of this dissertation. In this thesis, we have investigated the use of heterogeneous computing for the propagation of partially coherent light, namely, the propagation of the CSDF. The main goal was to reduce the computation time. By defining the CSDF at the source plane, the software built is able to propagate the CSDF and retrieve second-order optical quantities such as the spectral density and the spectral degree of coherence. The implementation of this software was then used to perform numerical simulations of the propagation of the far-field normalized spectrum of planar sources. The main goal was to evaluate the presence of the Wolf effect in specific source models. The results obtained suggest that the far-field spectrum of source models, which do not have analytical solutions, can be computed using our implementation. We next designed to first-order a conceptual space-based instrument, named Solar Coherence Instrument (SCI), capable of performing spatial coherence measurements of individual solar granular cells (granules), present in the photosphere of the Sun. Two digital micromirror devices, which are reflective-type spatial light modulator, form the basis of our design. A signal-to-noise ratio estimation (> 102) was performed and the results point to the feasibility of such instrument. We then validated experimentally two crucial subsystems of SCI, namely, the subsystems responsible for selective imaging of a single solar granule and another responsible for spatial coherence measurements. In both cases, two experiments were designed and constructed, and the results obtained are presented and discussed. By comparing the spatial coherence measurement results with those expected from the van Cittert-Zernike theorem, we have obtained a good agreement, suggesting that such configuration is possible.
Todos os campos ópticos que encontramos na natureza ou no laboratório possuem flutuações aleatórias. Apesar de a luz proveniente dos lasers ser normalmente tratada como “bem-comportada”, do ponto de vista da coerência, esse não é o caso da luz gerada por fontes naturais como, por exemplo, as estrelas. Logo, o tratamento para estas flutuações tem de ser estatístico, utilizando a teoria de coerência, em particular, a estatística de segunda ordem. Nesta teoria, a Função de Coerência Mútua (FCM) e a Função Densidade Espectral Cruzada (FDEC) são quantidades centrais nos domínios espaço-tempo e espaçofrequência, respetivamente. Ambas estão ligadas por uma transformada de Fourier e todas as quantidades de segunda ordem, como a intensidade e a densidade espectral, podem ser extraídas destas duas quantidades centrais. No geral, a FCM e a FDEC variam ao longo da propagação da luz, logo, todas as quantidades de segunda-ordem também variam, como por exemplo, a densidade espectral. Quando o espectro normalizado da luz no campo longínquo varia devido a correlações na fonte de luz, dizemos que estamos perante uma variação espectral induzida por coerência, isto é, estamos perante aquilo a que se costuma chamar de efeito Wolf. Este efeito é o fio condutor desta tese. Nesta tese, investigamos o uso de computação heterogénea para a propagação de luz parcialmente coerente, isto é, através da propagação da FDEC. O objetivo principal passava por reduzir o tempo de computação. Ao definir uma FDEC para uma fonte luminosa planar, o programa computacional construído é capaz de propagar a FDEC e obter quantidades de segunda-ordem como a densidade espectral e o grau complexo de coerência. A implementação utilizada para este programa foi utilizada para efetuar simulações numéricas da propagação do espectro normalizado no campo longínquo de fontes luminosas parcialmente coerentes, em particular, para avaliar a presença do efeito Wolf. Os resultados sugerem que modelos de fontes cujos espectros no campo longínquo não possuem soluções analíticas, podem ser simulados através da nossa implementação. De seguida, desenhamos, em primeira ordem, um instrumento conceptual, baseado no espaço, chamado Solar Coherence Instrument (SCI), que é capaz de medir a coerência espacial de células convectivas solares (grânulos) que estão presentes na fotosfera do Sol. Dois moduladores espaciais de luz por reflexão, designados por Digital Micromirror Devices DMDs, formam a base do desenho deste instrumento. Foi realizada uma estimativa da razão sinal-ruído e o resultado aponta para a fiabilidade do instrumento. Após o desenho, procedemos à validação experimental de dois subsistemas fundamentais do SCI, nomeadamente, o subsistema responsável pela seletividade da luz proveniente de grânulos individuais e o subsistema responsável pela medição de coerência espacial. Em ambos os casos, duas experiências foram desenhadas e construídas e os resultados obtidos foram discutidos. Ao comparar os resultados obtidos das medidas de coerência espacial com aqueles que eram esperados pelo teorema de van Cittert-Zernike, obtivemos um bom ajuste, o que sugere que tal configuração é possível.

Tesis (Lic. en Matemática)--Universidad Nacional de Córdoba, Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación, 2017.
El objetivo de este trabajo es el de analizar y resolver el problema de optimización de encontrar una trayectoria óptima para un circuito cerrado, de manera que minimice el tiempo que se demora en recorrerlo. En el problema a analizar se plantea un modelo que contemple ciertas restricciones de permanencia en el circuito y fricción correspondientes. Además en este trabajo se analiza el problema a resolver para lograr modelarlo matemáticamente. Luego se dan las herramientas teóricas y técnicas numéricas para resolver el problema. Con el modelo matemático listo, se procede a realizar una discretización del problema para resolverlo computacionalmente y finalmente se exhiben los resultados numéricos obtenidos con la interpretación gráfica correspondiente.
The objective of this work is to analyze and solve the optimization problem of finding an optimal trajectory for a closed track, so that minimize the time that is taken to go over the track. In this problem it will be set a model that contemplates some constraints like staying inside the track and satisfying a friction equation. In addition, in this work the problem will be analyzed to achieve a mathematical model. Then theoretical tools and numerical techniques will be given to solve the problem. When the mathematical model is finished, it will be performed a discretization to computationally solve the problem and finally, numerical results will be exhibited and a respective graphic interpretation given.

Estágio realizado na University of Maryland Baltimore County e orientado pelo Doutor Ramachandram Badugu
Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Estágio realizado na University of Maryland Baltimore County e orientado pelo Doutor Ramachandram Badugu
Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

A cor é um dos elementos inseparáveis do design do espaço, afetando o ser humano e as suas emoções, e permitindo melhorar o bem-estar, a qualidade de vida e conforto dos indivíduos. As cores têm efeitos estimulantes e calmantes que podem igualmente ajudar a melhorar a eficiência do desempenho no espaço. No entanto é frequente observar locais onde os utilizadores são sob ou sobre estimulados perante a exposição a uma determinada cor, por um determinado período de tempo, resultando na redução do desempenho. De acordo com a “Teoria do U invertido”, é possível demonstrar que, de forma a desempenhar qualquer atividade de forma otimizada, o nosso corpo necessita de alcançar um determinado nível ideal de excitação. Este projeto pretende apresentar uma nova perspetiva à seleção de cores no design de ambientes, criando modificações nos planos arquitetónicos. O conceito proposto consiste na aplicação de cores estimulantes ou calmantes numa fase anterior à fase em que se espera que uma determinada ação ocorra, com o objetivo de auxiliar o utilizador a atingir o nível ótimo de excitação ótimo, melhorando e otimizando o desempenho. Consequentemente, o equilíbrio com o ambiente é estabelecido.
Color is one of the inseparable elements of space design, which affects on human bodies and emotions. It enhances welfare, quality of life and comfort of individuals. Colors have stimulating and calming effects that can help improve efficiency of performances in space. However, frequently we observe places wherein users become under - or overstimulated due to exposing to strong and constant area of a color for a period of time, that in both cases result in impaired functions. According to the studies which have been done, “Inverted-U” hypothesis demonstrate that, in order to do any task optimally, our body requires to reach at a certain optimum arousal level. This project pretends to introduce a new approach to color design in the project of spaces, creating modifications to the architectural plans. The proposed theory consists in the application of stimulating or calming colors in a phase before the phase in which a certain action is expected to occur. This helps the user to reach the optimal arousal level, which brings optimal performances. Consequently, balance is set in the environment.

Due to the importance and wide applications of the DNA analysis, there is a need to make genetic analysis more available and more affordable. As such, the aim of this PhD thesis is to optimize a colorimetric DNA biosensor based on gold nanoprobes developed in CEMOP by reducing its price and the needed volume of solution without compromising the device sensitivity and reliability, towards the point of care use. Firstly, the price of the biosensor was decreased by replacing the silicon photodetector by a low cost, solution processed TiO2 photodetector. To further reduce the photodetector price, a novel fabrication method was developed: a cost-effective inkjet printing technology that enabled to increase TiO2 surface area. Secondly, the DNA biosensor was optimized by means of microfluidics that offer advantages of miniaturization, much lower sample/reagents consumption, enhanced system performance and functionality by integrating different components. In the developed microfluidic platform, the optical path length was extended by detecting along the channel and the light was transmitted by optical fibres enabling to guide the light very close to the analysed solution. Microfluidic chip of high aspect ratio (~13), smooth and nearly vertical sidewalls was fabricated in PDMS using a SU-8 mould for patterning. The platform coupled to the gold nanoprobe assay enabled detection of Mycobacterium tuberculosis using 3 8l on DNA solution, i.e. 20 times less than in the previous state-of-the-art. Subsequently, the bio-microfluidic platform was optimized in terms of cost, electrical signal processing and sensitivity to colour variation, yielding 160% improvement of colorimetric AuNPs analysis. Planar microlenses were incorporated to converge light into the sample and then to the output fibre core increasing 6 times the signal-to-losses ratio. The optimized platform enabled detection of single nucleotide polymorphism related with obesity risk (FTO) using target DNA concentration below the limit of detection of the conventionally used microplate reader (i.e. 15 ng/μl) with 10 times lower solution volume (3 μl). The combination of the unique optical properties of gold nanoprobes with microfluidic platform resulted in sensitive and accurate sensor for single nucleotide polymorphism detection operating using small volumes of solutions and without the need for substrate functionalization or sophisticated instrumentation. Simultaneously, to enable on chip reagents mixing, a PDMS micromixer was developed and optimized for the highest efficiency, low pressure drop and short mixing length. The optimized device shows 80% of mixing efficiency at Re = 0.1 in 2.5 mm long mixer with the pressure drop of 6 Pa, satisfying requirements for the application in the microfluidic platform for DNA analysis.
Portuguese Science Foundation - (SFRH/BD/44258/2008), “SMART-EC” project

This thesis investigates how to improve the performance of current designs of optical fiber sensors based on Surface Plasmon Resonance, and how to use a better understanding of the physical and sensing principles behind them to propose new sensing concepts and ideas. We adopt a methodology based on numerical simulations because they provide a better insight onto the operation of these sensors and because they allow an easy and quick way of testing new designs and concepts without the need to fabricate the sensors. We also show that these simulations have a good agreement with experimental results. We adopt a systematic approach to investigate the various parameters that influence the sensor performance, and present different sensors designs, where we study the localization, optical properties, shape and size of the metal components, combined with different type of fibers, resulting in the coupling between the plasmon and optical modes. Furthermore, we verify that choosing the optical modes used in sensing in multimode fibers can also have advantages. We investigate the use of modern artificial materials, such as metamaterials, as well as the inclusion of multiple wires in the fiber to enhance the performance of the SPR sensor. At a more fundamental level, we show that the control of the coupling between multiple plasmon modes in metal components and the optical modes in the fiber constitutes a new way to improve the performance of the sensor and can be inclusively used to develop a new type of SPR sensors capable of measuring simultaneously two variables, such as the external refractive index and temperature
Esta tese investiga como é possível melhorar o desempenho das estruturas atuais dos sensores de fibra ótica baseados em Ressonância Plasmónica de Superfície (SPR), bem como compreender melhor os princípios físicos e de sensorização na base do seu funcionamento, permitindo propor novos conceitos de sensores. Foi utilizada uma metodologia baseada em simulações numéricas, pois proporcionam um melhor entendimento do funcionamento desses sensores, constituindo uma maneira simples e rápida de testar novas estruturas e conceitos, sem a necessidade de fabricar os sensores. Mostra-se também que essas simulações têm uma boa concordância com os resultados experimentais. Foi adotada uma abordagem em que se investiga sistematicamente os diversos parâmetros que influenciam o desempenho do sensor e se apresentam diferentes estruturas de sensores onde foram estudadas a localização, propriedades óticas, forma e tamanho dos componentes metálicos, combinados com diferentes tipos de fibras, resultando no acoplamento entre os modos plasmónicos e os modos óticos. Também foi verificado que a escolha dos modos óticos utilizados na deteção em fibras multimodo pode apresentar vantagens. Foi investigado ainda o uso de materiais artificiais recentemente desenvolvidos, de que são exemplo os metamateriais, bem como, a inclusão de múltiplos fios metálicos na fibra, de forma a melhorar o desempenho dos sensores SPR. A um nível mais fundamental, foi demonstrado que o controlo do acoplamento entre os múltiplos modos plasmónicos gerados nos componentes metálicos e os modos óticos propagados na fibra constitui uma nova forma de melhorar o desempenho do sensor. Tal pode ser inclusivamente utilizado para desenvolver um novo tipo de sensores SPR capazes de medir simultaneamente duas variáveis, como por exemplo o índice de refração externo e a temperatura.