Η ατμοσφαιρική ρύπανση επηρεάζει την δημόσια υγεία, το φυσικό οικοσύστημα και επιφέρει μεταβολές στις κλιματικές συνθήκες. Το πρόβλημα της αέριας ρύπανσης παρουσιάζεται εντονότερο σε αστικές περιοχές, όπου η συσσώρευση ανθρωπίνων δραστηριοτήτων οδηγεί κατά κανόνα σε αυξημένες εκπομπές αερίων. Κάτω από την επήρεια δυσμενών μετεωρολογικών συνθηκών, τα επίπεδα συγκεντρώσεων των ρύπων μπορούν να ξεπεράσουν τα όρια της Παγκόσμιας Οργάνωσης Υγείας. Για την αποτελεσματική αντιμετώπιση του προβλήματος είναι απαραίτητη η ανάλυση και η σωστή περιγραφή όλων των φαινομένων και παραγόντων που καθορίζουν τις σχέσεις πηγής – αποδέκτη και ατμοσφαιρικών ρύπων. Για το σκοπό αυτό ενδείκνυνται κυρίως μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης μετεωρολογικών φαινομένων και φαινομένων διασποράς και μετασχηματισμού ρύπων. Η έντονη ευαισθητοποίηση της κοινής γνώμης σε θέματα σχετικά με την προστασία του περιβάλλοντος αναγκάζει τις κυβερνήσεις των χωρών να επιβάλλουν την διερεύνηση των συνεπειών έργων και δραστηριοτήτων στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον. Τα μοντέλα διασποράς ατμοσφαιρικών ρύπων είναι εύχρηστα εργαλεία που μπορούν να εκτιμήσουν συγκεντρώσεις ρύπων, έτσι ώστε αυτές να είναι αντιπροσωπευτικές στο χώρο και στον χρόνο. Οι μετρήσεις ρύπων με όργανα λαμβάνονται σε συγκεκριμένες θέσεις και ως εκ τούτου δεν είναι αντιπροσωπευτικές για μεγαλύτερες περιοχές. Μέσες τιμές ρύπων για μεγαλύτερες περιοχές υπολογίζονται εύκολα με μοντέλα ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Σκοπός αυτής της εργασίας, είναι η πρόβλεψη των συγκεντρώσεων των ρύπων διοξειδίου του θείου SO2, ολικών οξειδίων του αζώτου NOx και της ποσοστιαίας κατανομής της συνεισφοράς των πηγών ρύπανσης στις συγκεντρώσεις των ρύπων που καταγράφονται στις θέσεις των αποδεκτών με την χρήση του λογισμικού AERMOD της Εταιρίας Περιβαλλοντικής Προστασίας (EPA) των ΗΠΑ. Το AERMOD χρησιμοποιεί γκαουσιανά μοντέλα διασποράς. Για τον σκοπό αυτό συγκεντρώνονται και χρησιμοποιούνται πολλά και διαφορετικού τύπου δεδομένα, όπως μετεωρολογικά, γεωγραφικά, κυκλοφορίας αυτοκινήτων και πλοίων, εκπομπές ρύπων κ.α. Επίσης γίνεται η υπόθεση, ότι οι μεγαλύτερες συνεισφορές στην ατμοσφαιρική ρύπανση της Πάτρας γίνονται από την κυκλοφορία των αυτοκινήτων, από τα πλοία του λιμανιού και τις κεντρικές θερμάνσεις των κατοικιών. Η πρόβλεψη που προκύπτει μετά από την επεξεργασία των παραπάνω δεδομένων από το πρόγραμμα AERMOD συγκρίνεται με τα διαθέσιμα αποτελέσματα των μετρήσεων για ατμοσφαιρικούς ρύπους από το Εργαστήριο Τεχνολογίας του Περιβάλλοντος, που έγιναν στην Πάτρα στο διάστημα από τις 13 Νοεμβρίου του 1997 έως τις 23 Ιανουαρίου του 1998, κατά τις πρωινές (8:30 – 9:30) και βραδινές ώρες (20:30 – 21:30) στα πλαίσια διπλωματικής εργασίας υπό την επίβλεψη του κ. Π. Γιαννόπουλου. Στο Κεφάλαιο 1 αναφέρονται γενικές πληροφορίες για την ατμοσφαιρική ρύπανση, την πόλη της Πάτρας, για τους σημαντικότερους ρύπους της ατμόσφαιρας, αλλά και το πώς τα μετεωρολογικά φαινόμενα επηρεάζουν την διασπορά των ρύπων. Στο 2ο Κεφάλαιο αναφέρονται γενικές πληροφορίες για τα σημαντικότερα μαθηματικά μοντέλα ατμοσφαιρικής διασποράς, ενώ στο 3ο κεφάλαιο γίνεται μία γενική περιγραφή του θεωρητικού υπόβαθρου του προγράμματος AERMOD και του Προγράμματος AERMET. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα γεωγραφικά και μετεωρολογικά δεδομένα, τα δεδομένα για τους φόρτους κυκλοφορίας των οχημάτων στην πόλη της Πάτρας αλλά και πληροφορίες για την κίνηση των πλοίων στο παλιό λιμάνι της Πάτρας. Στο 4ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι υπολογισμοί των εκπομπών των ρύπων από τα αυτοκίνητα, τα πλοία και τις κεντρικές θερμάνσεις των κατοικιών. Επίσης παρουσιάζεται η ποσοστιαία κατανομή των εκπομπών από τις πηγές ατμοσφαρικής ρύπανσης και η συνεισφορά της κάθε μιας στην ρύπανση της ατμόσφαιρας. Τέλος παρουσιάζονται οι προβλέψεις που προκύπτουν για τις συγκεντρώσεις των ρύπων στις θέσεις των αποδεκτών και η σύγκριση αυτών με τις μετρήσεις για ατμοσφαιρικούς ρύπους που είχαν γίνει από το Νοέμβριο του 97 έως τον Ιανουάριο του 98. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της εργασίας. Σαν συμπέρασμα της εργασίας προκύπτει ότι τα γκαουσιανά μοντέλα ατμοσφαιρικής διασποράς είναι χρήσιμα εργαλεία για την βραχυπρόθεσμη πρόγνωση των επιπέδων ρύπανσης, την εκτίμηση της συνεισφοράς των επί μέρους πηγών στην ποιότητα του αέρα και τη βελτιστοποίηση των στρατηγικών αντιρρύπανσης. Επισημαίνεται ότι τα μοντέλα προσομοίωσης αποτελούν την μοναδική μεθοδολογία αναφορικά με την δυνατότητα εκτίμησης της συνεισφοράς των επιμέρους πηγών. Επίσης, από τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για την προέλευση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην πόλη της Πάτρας, όπως το ότι το μεγαλύτερο ποσοστό της (65 – 76% για το SO2 και 85 – 92% για NOx) προέρχεται από την κυκλοφορία των οχημάτων, ενώ αξιοσημείωτα είναι και τα ποσοστά των ρύπων που προέρχονται από τις κεντρικές θερμάνσεις (17 – 29% για το SO2 και 7,5 – 14,2% για NOx). Επίσης από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι τα ποσοστά των ΝΟx που προέρχονται από τα πλοία είναι πολύ μικρά (0,3% - 0,4%), ενώ αντίθετα τα αντίστοιχα ποσοστά του SO2 (6% – 7%) είναι αξιοσημείωτα. Τέλος, άξιο αναφοράς είναι ότι όπως προκύπτει από τις συγκεντρώσεις των ρύπων που προβλέπει το AERMOD, φαίνεται ότι σε μία ζώνη πλάτους 400 m γύρω από το λιμάνι το ποσοστό της συγκέντρωσης του SO2 είναι αυξημένο (8% – 9%). / Air pollution affects public health, natural ecosystem and bring changes in climatic conditions. The problem of air pollution are most marked in urban areas, where the accumulation of human activities should lead to increased greenhouse gases. Under the influence of adverse weather conditions, the concentration levels of pollutants can overcome the limits of the World Health Organization. For the effective address of this problem is necessary to analyze all phenomena and factors that define the relationship source - receptor and atmospheric pollutants. For this purpose are suitable mathematical models simulating weather patterns and phenomena of dispersion and transformation of pollutants. The intense public awareness on issues related to the protection of the environment forces governments to impose the investigation of the effects of projects to the atmosphere. The air pollutant dispersion models are handy tools that can estimate pollutant concentrations, so that they are representative in space and time. The measurements of pollutants with instruments done at specific locations and therefore they are not representative for larger areas. Mean values for pollutants at larger areas easily calculated with models of atmospheric pollution. The aim of this work is the prediction of pollutant concentrations of sulfur dioxide SO2, total nitrogen oxides NOx and the percentage distribution of the contribution of pollution sources in pollutant concentrations recorded at the locations of receptors with the use of the software AERMOD. AERMOD belongs to the Environmental Protection Company (EPA) in the USA. AERMOD uses Gaussian dispersion models. For this purpose collected and used many different types of data, such as meteorological, geographical, automobile traffic and ship emissions, etc. Also it is assumed that the greatest contributions to air pollution of Patras come from the circulation of cars, from the port's ships and from the heating installations. The prediction obtained after processing the above data from the AERMOD program comes in comparison with the available results of measurements of air pollutants from the Laboratory of Environmental Engineering, held in Patras in the period from 13 November 1997 until 23 January 1998 in the morning (8:30 - 9:30) and evening (20:30 - 21:30) in the thesis under the supervision of Mr. P. Giannopoulos. In Chapter 1 reported general information on air pollution, about the significant atmospheric pollutants, and how weather conditions affect the dispersion of pollutants. In the second chapter reported general information about the most important mathematical atmospheric dispersion models, while in the third chapter gives a general description for the theoretical background of the programs AERMOD and AERMET. In Chapter 4 presents the geographical and meteorological data, data on motor vehicle traffic volumes in the city of Patras and information on the movement of ships in the old harbor of Patras. In the fourth chapter presented calculations of emissions of pollutants from cars, ships and central heating of homes. Also in the fourth chapter reported the percentage distribution of emissions from sources of atmospheric pollution and contribution of each in the pollution. Finally in the fourth chapter presented the forecasts for the concentrations of pollutants in the positions of the receptors and compare them with measurements for atmospheric pollutants that were made from November 97 until January 98. In Chapter 5 presented the conclusions of the work. As a conclusion of this study shows that the Gaussian atmospheric dispersion models are useful tools for short-term forecasting of pollution levels, and for the assessment of the contribution of individual sources on air quality. Noted that the simulation models are the unique methodology regarding the possibility of assessing the contribution of individual sources. Also, from the results of this work resulting conclusions about the origin of air pollution in the city of Patras, such that the highest percentage (65 - 76% for SO2 and 85 to 92% for NOx) comes from traffic vehicles, while noteworthy are the percentages of pollutants from central heating (17 - 29% for SO2 and 7.5 to 14.2% for NOx). Also, from the results it appears that rates of NOx from ships are very small (0.3% - 0.4%), while the corresponding percentages of SO2 (6% - 7%) is remarkable. Finally, it is worth mentioning that as indicated by the concentrations of pollutants that AERMOD calculates , it seems that in a zone extending 400 m around the harbor, the percentage of the concentration of SO2 is increased (8% - 9%).

Ο Μαυροπετρίτης (Falco eleonorae Géné, 1839) είναι ένα μεσαίου μεγέθους μεταναστευτικό γεράκι το οποίο επισκέπτεται τη χώρα μας τους καλοκαιρινούς μήνες για να αναπαραχθεί. Οι αναπαραγωγικές αποικίες εντοπίζονται σε νησιά και ακτές της Μεσογείου, της Μακαρονησίας και της βορειοδυτικής Αφρικής, ενώ τους υπόλοιπους μήνες το είδος απαντά στη Μαδαγασκάρη και γειτονικές περιοχές. Στο παρελθόν έχει πραγματοποιηθεί ένας μεγάλος αριθμός μελετών σχετικά με την περίοδο αναπαραγωγής, ενώ για τον υπόλοιπο κύκλο ζωής του είδους οι γνώσεις μας μέχρι τις αρχές του 21ου αιώνα ήταν περιορισμένες. Στην παρούσα διατριβή μελετώνται τα βασικότερα στάδια του κύκλου ζωής του Μαυροπετρίτη, επικεντρώνοντας στην περίοδο αναπαραγωγής, μετανάστευσης και διαχείμασης ατόμων που αναπαράγονται στην Ελλάδα. Συγκεκριμένα, διερευνάται (α) η αναπαραγωγική επιτυχία του είδους και η επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων στην έκβαση της αναπαραγωγικής επιτυχίας, (β) το πρότυπο κατανομής των αναπαραγωγικών αποικιών στο Αιγαίο και Ιόνιο πέλαγος, (γ) τα κριτήρια που χρησιμοποιούν τα αναπαραγωγικά ζευγάρια κατά την επιλογή θέσης φωλιάσματος σε ακατοίκητες νησίδες του Αιγαίου πελάγους, (δ) η περίοδος μετανάστευσης τεσσάρων γερακιών από μια αποικία του Κεντρικού Αιγαίου και οι παράγοντες που επηρεάζουν το πρότυπο μετανάστευσής τους και, (ε) η περίοδος διαχείμασης και το πρότυπο κατανομής των τεσσάρων γερακιών στην περιοχή διαχείμασης. Η εκπόνηση της παρούσας διατριβής βασίσθηκε σε μεγάλο βαθμό στα πρωτογενή δεδομένα που συλλέχθηκαν στο πλαίσιο του προγράμματος «LIFE - ΦΥΣΗ 2003 Δράσεις για την προστασία του Μαυροπετρίτη (Falco eleonorae) στην Ελλάδα (LIFE 03NAT/GR/000091)», με κύριο ανάδοχο την Ελληνική Ορνιθολογική Εταιρεία (Ε.Ο.Ε.) σε συνεργασία με το Μουσείο Φυσικής Ιστορίας Κρήτης (ΜΦΙΚ), το Υπουργείο Αγροτικής Ανάπτυξης και Τροφίμων και τη Βρετανική Ορνιθολογική Εταιρεία (RSPB) και με χρηματοδότηση της Ευρωπαϊκής Επιτροπής και συγχρηματοδότηση του ιδρύματος «Α. Γ.Λεβέντης». Το πρόγραμμα παρακολούθησης της μετανάστευσης των τεσσάρων Μαυροπετριτών πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του προγράμματος «Μελέτη των πτηνών του ελληνικού θαλάσσιου χώρου» με ανάδοχο την Ελληνική Ορνιθολογική Εταιρεία και με χρηματοδότηση του ιδρύματος «Α. Γ. Λεβέντης». / Eleonora's falcon (Falco eleonorae Géné, 1839) is a medium-sized migratory raptor that visits the Greek islands during the breeding season. Its breeding colonies are distributed on islands and coasts of the Mediterranean Sea, Macaronesia and northwest Africa, while during the rest of the year the species is found in Madagascar and surrounding islets. In previous years most studies focused on the breeding period, while up to the 21st century our knowledge with regards to the rest of its life cycle remained relatively poor. In this thesis i study the main stages of Eleonora's falcon life cycle, focusing on the breeding, migratory and wintering period of individuals that breed in Greece. In particular, i investigate (a) the breeding success of the species and the effect of environmental factors on the outcome of the breeding effort, (b) the distribution pattern of the breeding colonies in the Aegean and Ionean Sea, (c) the criteria the breeding pairs use at the time of nesting site selection in uninhabited islets of the Aegean Sea, (d) the migratory period of four falcons originating from a breeding colony of the Central Aegean Sea and the factors that shape the irmigratory pattern and, (e) the wintering period and the distribution pattern of the four falcons in their wintering grounds. This thesis was based to a great extent on the data collected in the frame of the project "LIFE-Nature 2003 Conservation Measures for Falco eleonorae in Greece (LIFE 03NAT/GR/000091)" undertaken by the Hellenic Ornithological Society (H.O.S.) in collaboration with the Natural History Museum of Crete (NHMC), the Ministry of Rural Development and Food and the Royal Society for the Protection of Birds (RSPB), which was funded by the European Commission and cofunded by the A.G. Leventis Foundation. The migration tracking project was funded by the A.G. Leventis Foundation through project "Survey and Conservation of Seabirds in Greece".

The past 30 years have witnessed major developments in vibration based damage detection and identification, also collectively referred to as damage diagnosis. Moreover, the past 10 years have seen a rapid increase in the amount of research related to Structural Health Monitoring (SHM) as quantified by the significant escalation in papers published on this subject. Thus, the increased interest in this engineering field and its associated potential constitute the main motive for this thesis. The goal of the thesis is the development and introduction of novel advanced functional and sequential statistical time series methods for vibration based damage diagnosis and SHM. After the introduction of the first chapter, Chapter II provides an experimental assessment and comparison of vibration based statistical time series methods for Structural Health Monitoring (SHM) via their application on a lightweight aluminum truss structure and a laboratory scale aircraft skeleton structure. A concise overview of the main non-parametric and parametric methods is presented, including response-only and excitation-response schemes. Damage detection and identification are based on univariate (scalar) versions of the methods, while both scalar (univariate) and vector (multivariate) schemes are considered. The methods' effectiveness for both damage detection and identification is assessed via various test cases corresponding to different damage scenarios, multiple experiments and various sensor locations on the considered structures. The results of the chapter confirm the high potential and effectiveness of vibration based statistical time series methods for SHM. Chapter III investigates the identification of stochastic systems under multiple operating conditions via Vector-dependent Functionally Pooled (VFP) models. In many applications a system operates under a variety of operating conditions (for instance operating temperature, humidity, damage location, damage magnitude and so on) which affect its dynamics, with each condition kept constant for a single commission cycle. Typical examples include mechanical structures operating under different environmental conditions, aircrafts under different flight conditions (altitude, velocity etc.), structures under different structural health states (various damage locations and magnitudes). In this way, damage location and magnitude may be considered as parameters that affect the operating conditions and as a result the structural dynamics. This chapter's work is based on the novel Functional Pooling (FP) framework, which has been recently introduced by the Stochastic Mechanical Systems \& Automation (SMSA) group of the Mechanical Engineering and Aeronautics Department of University of Patras. The main characteristic of Functionally Pooled (FP) models is that their model parameters and innovations sequence depend functionally on the operating parameters, and are projected on appropriate functional subspaces spanned by mutually independent basis functions. Thus, the fourth chapter of the thesis addresses the problem of identifying a globally valid and parsimonious stochastic system model based on input-output data records obtained under a sample of operating conditions characterized by more than one parameters. Hence, models that include a vector characterization of the operating condition are postulated. The problem is tackled within the novel FP framework that postulates proper global discrete-time linear time series models of the ARX and ARMAX types, data pooling techniques, and statistical parameter estimation. Corresponding Vector-dependent Functionally Pooled (VFP) ARX and ARMAX models are postulated, and proper estimators of the Least Squares (LS), Maximum Likelihood (ML), and Prediction Error (PE) types are developed. Model structure estimation is achieved via customary criteria (Bayesian Information Criterion) and a novel Genetic Algorithm (GA) based procedure. The strong consistency of the VFP-ARX least squares and maximum likelihood estimators is established, while the effectiveness of the complete estimation and identification method is demonstrated via two Monte Carlo studies. Based on the postulated VFP parametrization a vibration based statistical time series method that is capable of effective damage detection, precise localization, and magnitude estimation within a unified stochastic framework is introduced in Chapter IV. The method constitutes an important generalization of the recently introduced Functional Model Based Method (FMBM) in that it allows, for the first time in the statistical time series methods context, for complete and precise damage localization on continuous structural topologies. More precisely, the proposed method can accurately localize damage anywhere on properly defined continuous topologies on the structure, instead of pre-defined specific locations. Estimator uncertainties are taken into account, and uncertainty ellipsoids are provided for the damage location and magnitude. To achieve its goal, the method is based on the extended class of Vector-dependent Functionally Pooled (VFP) models, which are characterized by parameters that depend on both damage magnitude and location, as well as on proper statistical estimation and decision making schemes. The method is validated and its effectiveness is experimentally assessed via its application to damage detection, precise localization, and magnitude estimation on a prototype GARTEUR-type laboratory scale aircraft skeleton structure. The damage scenarios considered consist of varying size small masses attached to various continuous topologies on the structure. The method is shown to achieve effective damage detection, precise localization, and magnitude estimation based on even a single pair of measured excitation-response signals. Chapter V presents the introduction and experimental assessment of a sequential statistical time series method for vibration based SHM capable of achieving effective, robust and early damage detection, identification and quantification under uncertainties. The method is based on a combination of binary and multihypothesis versions of the statistically optimal Sequential Probability Ratio Test (SPRT), which employs the residual sequences obtained through a stochastic time series model of the healthy structure. In this work the full list of properties and capabilities of the SPRT are for the first time presented and explored in the context of vibration based damage detection, identification and quantification. The method is shown to achieve effective and robust damage detection, identification and quantification based on predetermined statistical hypothesis sampling plans, which are both analytically and experimentally compared and assessed. The method's performance is determined a priori via the use of the analytical expressions of the Operating Characteristic (OC) and Average Sample Number (ASN) functions in combination with baseline data records, while it requires on average a minimum number of samples in order to reach a decision compared to most powerful Fixed Sample Size (FSS) tests. The effectiveness of the proposed method is validated and experimentally assessed via its application on a lightweight aluminum truss structure, while the obtained results for three distinct vibration measurement positions prove the method's ability to operate based even on a single pair of measured excitation-response signals. Finally, Chapter VI contains the concluding remarks and future perspectives of the thesis. / Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 30 ετών έχει σημειωθεί σημαντική ανάπτυξη στο πεδίο της ανίχνευσης και αναγνώρισης βλαβών, το οποίο αναφέρεται συνολικά και σαν διάγνωση βλαβών. Επίσης, κατά την τελευταία δεκαετία έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στον τομέα της παρακολούθησης της υγείας (δομικής ακεραιότητας) κατασκευών. Στόχος αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη εξελιγμένων συναρτησιακών και επαναληπτικών μεθόδων χρονοσειρών για τη διάγνωση βλαβών και την παρακολούθηση της υγείας κατασκευών υπό ταλάντωση. Αρχικά γίνεται η πειραματική αποτίμηση και κριτική σύγκριση των σημαντικότερων στατιστικών μεθόδων χρονοσειρών επί τη βάσει της εφαρμογής τους σε πρότυπες εργαστηριακές κατασκευές. Εφαρμόζονται μη-παραμετρικές και παραμετρικές μέθοδοι που βασίζονται σε ταλαντωτικά σήματα διέγερσης και απόκρισης των κατασκευών. Στη συνέχεια αναπτύσσονται στοχαστικά συναρτησιακά μοντέλα για την στοχαστική αναγνώριση κατασκευών υπό πολλαπλές συνθήκες λειτουργίας. Τα μοντέλα αυτά χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση κατασκευών σε διάφορες καταστάσεις βλάβης (θέση και μέγεθος βλάβης), ώστε να είναι δυνατή η συνολική μοντελοποίσή τους για όλες τις συνθήκες λειτουργίας. Τα μοντέλα αυτά αποτελούν τη βάση στην οποία αναπτύσσεται μια συναρτησιακή μέθοδος η οποία είναι ικανή να αντιμετωπίσει συνολικά και ενιαία το πρόβλημα της ανίχνευσης, εντοπισμού και εκτίμησης βλαβών σε κατασκευές. Η πειραματική αποτίμηση της μεθόδου γίνεται με πολλαπλά πειράματα σε εργαστηριακό σκελετό αεροσκάφους. Στο τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής προτείνεται μια καινοτόμος στατιστική επαναληπτική μέθοδο για την παρακολούθηση της υγείας κατασκευών. Η μέθοδος κρίνεται αποτελεσματική υπό καθεστώς λειτουργικών αβεβαιοτήτων, καθώς χρησιμοποιεί επαναληπτικά και στατιστικά τεστ πολλαπλών υποθέσεων. Η αποτίμηση της μεθόδου γίνεται με πολλαπλά εργαστηριακά πειράματα, ενώ η μέθοδος κρίνεται ικανή να λειτουργήσει με τη χρήση ενός ζεύγους ταλαντωτικών σημάτων διέγερσης-απόκρισης.

The spectral analysis of heart rate variability is a tool that gained more and more clinical importance in the latest years. It can be used in order to access autonomic function on the cardiovascular system through the evaluation of the different frequency bands of the HRV. So far different mathematical approaches have been used towards this aim, often with contradictory results. Therefore, the need for standardization of the methods seems more and more important. In this thesis 2 non-parametric, Fourier-based methods and two parametric based on autoregressive modeling were used in order to extract the power spectral density of patients with epilepsy. Their results were statistically compared to age matched controls. The analysis have shown that when a parametric method is used, a careful model order selection method must be used, and when this is accomplished, the power spectrum could more efficient highlight differences between controls and patients. The results between non-parametric and parametric methods were different, therefore these methods cannot be considered interchangeable. The analysis methodolgy established in this first part of the study has been used to analyse HRV signals from patients before and after deep brain stimulation. / Η φασματική ανάλυση της Μεταβλητότητας της Καρδιακής Συχνότητας (ΜΚΣ) χρησιμοποείται όλο και περισσότερο σε κλινικές μελέτες τα τελευταία χρόνια. Και αυτό γιατί μπορεί να δώσει πληροφορίες σχετικά με την λειτουργία του αυτόνομου νευρικού συστήματος πάνω στην καρδιά αναλύοντας το συχνοτικό περιεχόμενο των ΜΚΣ σημάτων σε διακριτές ζώνες συχνοτήτων. Μέχρι τώρα διαφορετικές μαθηματικές μέθοδοι έδωσαν διαφορετικά, συχνα αντικρουόμενα αποτελέσματα. Έτσι η ανάγκη λεπτομερής περιγραφής των μεθόδων φαίνεται όλο και περισσοτερο επιτακτική. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, δυο μη παραμετρικές μέθοδοι και δύο παραμετρικές βασισμένες σε μοντέλα αυτοπαλινδρόμησης (autoregressive modeling) εφαρμόστηκαν προκειμένου να υπολογιστεί το φάσμα ασθενών με χρόνια επιληψία. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με υγιείς εθελοντές ίδιου ηλικιακού προφίλ. Η ανάλυση έδειξε ότι όταν χρησιμοποιουνται παραμετρικές μέθοδοι, η επιλογή της τάξης του μοντέλου πρέπει να γίνεται με προσοχή και όταν αυτό γίνει, το φάσμα μπορεί να αναδείξει πιο αποτελεσματικά διαφορές μεταξύ ασθενών και υγειών εθελοντών. Τα αποτελέσματα μεταξύ παραμετρικών και μη παραμετρικών μεθόδων αποδείχθηκαν διαφορετικα, και κατά συνέπεια οι δύο αυτές κατηγορίες ανάλυσης δεν μπορούν να θεωρηθούν ίδιες. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στο πρώτο αυτό μέρος της εργασίας χρησιμοποιήθηκε για να αναλύσει σήματα ΜΚΣ από ασθενείς με Πάρκινσον πριν και μετά εν τω βάθει ερεθισμό (Deep brain simulation).

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εστίασε το ενδιαφέρον της στην διερεύνηση των μοντέλων για νευρώνες (neuron models) ικανών να μιμηθούν την φυσική λειτουργία των βιολογικών νευρώνων. Συγκεκριμένα, έγινε μελέτη κάποιων μοντέλων για νευρώνες που παρουσιαστήκαν τα τελευταία χρόνια και στην συνέχεια, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα από τα μοντέλα αυτά κάνοντας χρήση κυκλωμάτων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Η γρήγορη ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής στην υλοποίηση συστημάτων υψηλής αξιοπιστίας και απόδοσης μικρού βάρους και όγκου όπως φορητών ηλεκτρονικών πολυμέσων, επικοινωνιών, βιοϊατρικών συσκευών, ωθεί στην σχεδίαση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που τα απαρτίζουν με μειωμένη κατανάλωση ισχύος και κατ’ επέκταση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή για τη σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Ακολούθως, δίνεται η περιγραφή της δομής και της λειτουργίας ενός βιολογικού νευρώνα και στην συνέχεια η περιγραφή των δύο βασικών μοντέλων νευρώνα (neuron models) που μελετήθηκαν στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας. Επίσης, παρουσιάζεται μία πρόσφατη υλοποίηση του βασικού μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur που ερευνάται στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, στο πεδίο του λογαρίθμου καθώς και τα μοτίβα αιχμών τα οποία είναι ικανό να παράγει το συγκεκριμένο μοντέλο στο πεδίο του λογαρίθμου. Τον πυρήνα στην σχεδίαση των συγκεκριμένων μοντέλων για νευρώνες που μελετώνται, αποτελεί η τοπολογία του Tau-Cell. Η συγκεκριμένη βαθμίδα χρησιμοποιείται για την συστηματική σχεδίαση φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain filters). Έπειτα, αναλύεται η μέθοδος σχεδίασης κυκλωμάτων, και συγκεκριμένα φίλτρων, χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Παρουσιάζονται οι βασικούς τελεστές καθώς και τα βασικά cells, για την σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Στην συνέχεια, περιγράφεται η σχεδίαση της τοπολογίας του Tau-Cell η οποία όπως αναφέραμε, αποτελεί τον πυρήνα στην υλοποίηση μοντέλων για νευρώνες, στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου και επιβεβαιώνεται η ορθή λειτουργία της συγκεκριμένης βαθμίδας, με την σχεδίαση και εξομοίωση φίλτρων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, με βασικό στοιχείο το Tau-Cell στο Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Αφότου έχει ολοκληρωθεί η σχεδίαση του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, περιγράφεται στην συνέχεια η υλοποίηση του μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Κάνοντας χρήση της βαθμίδας του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, γίνεται η υλοποίηση και στην συνέχεια η εξομοίωση, δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου, με βάση την ήδη υπάρχουσα υλοποίηση τους στο πεδίο του λογαρίθμου, ικανών να παράγουν διάφορα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) με βάση το συγκεκριμένο μοντέλο του νευρώνα. Η ορθή λειτουργία των δύο αυτών κυκλωμάτων του μοντέλου με βάση τα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) που είναι ικανά να παράγουν, επιβεβαιώνεται από τις εξομοιώσεις στο περιβάλλον του Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Τέλος, παρουσιάζεται η φυσική σχεδίαση (layout) των δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου νευρώνα καθώς και τα αποτελέσματα από την post-layout εξομοίωση του μοντέλου. Η φυσική σχεδίαση πραγματοποιήθηκε μέσω του λογισμικού Cadence το οποίο και περιέχει το περιβάλλον φυσικής σχεδίασης αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Virtuoso Layout Editor. Η τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε αναφέρεται ως AMS C35D4 CMOS διαστάσεων 0.35μm. / This present M.Sc. Thesis is focused its interest in the study of neuron models that emulate the physical behavior of biological neurons. More specifically, we present a study of some neuron models that have been presented the last years and we proceed with the design and the implementation one of them using low voltage circuits in the Sinh-Domain. Τhe radical technological developments of microelectronics in the systems implementation with high reliability and performance, such as portable electronic devices for multimedia, communications and biomedical systems, demand the design of integrated circuits with reduced power consumption and thus low voltage supply. Initially, an introduction for the design of integrated circuits in low voltage environment is given and, also, the description of the structure and behavior of a biological neuron. Next, an analysis of two recently introduced neuron models realized in the Log-Domain, from which the Mihalas and Niebur neuron model constitutes the basic model studied in the context of this work and, also, the basic spiking patterns, that this implementation of the Mihalas-Niebur neuron model is capable of producing. The core in the implementation of this neuron models, is the topology of Tau-Cell. The topology of Tau-Cell is used for the systematic design of filters in the Log-Domain. Thereafter, is given an analysis of the method of designing low voltage circuits and more specifically filters, in the Sinh-Domain. The basic operators and the principal cells, for designing circuits in the Sinh-Domain are presented. Then, the design and implementation of the Tau-Cell topology which as mentioned is the core for the implementation of neuron models, is realized in the Sinh-Domain. The proper operation of this topology is confirmed through the design and simulation of filters in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. After the design of the Tau-Cell in the Sinh-Domain, we continue with the implementation of the Mihalas-Niebur neuron model. Using the topology of Tau-Cell in the Sinh-Domain, we proceed with the implementation and the simulation of the basic two topologies of the neuron model based on the existing implementation in the Log-Domain. The implemented topologies of the neuron are capable of producing spiking patterns based to the Mihalas-Niebur neuron model. The proper operation of these topologies based on the spiking patterns that are capable of producing, is confirmed through the design and simulation in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. Finally, is presented the layout design of the main two topologies of the neuron model and also the results of the post-layout simulations. The layout was conducted via the Cadence software through Virtuoso Layout Editor. The technology used is referred as AMS C35D4 CMOS in 0.35μm dimensions.

Στη παρούσα διατριβή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μιας έρευνας σχετικής με το σχεδιασμό, την εφαρμογή και την αξιολόγηση μιας διδακτικής παρέμβασης σχετικής με την οικοδόμηση της έννοιας της κατηγοριοποίησης των ζώων από παιδιά προσχολικής ηλικίας, στα πλαίσια της τυπικής και της μη τυπικής εκπαίδευσης. Η διδακτική αυτή παρέμβαση βασίζεται στις αρχές της ‘εποικοδομητικής’ προσέγγισης για τη διδασκαλία και μάθηση των φυσικών επιστημών και συμπεριλαμβάνει δραστηριότητες που λαμβάνουν χώρα τόσο στο χώρο του σχολείου όσο και σε χώρο ενός μουσείου Ζωολογίας. Με βάση τα αποτελέσματα της έρευνας παρέχονται ενδείξεις σύμφωνα με τις οποίες τα παιδιά μετά το πέρας της διδακτικής παρέμβασης είναι δυνατόν να οικοδομήσουν την έννοια της κατηγοριοποίησης των ζώων με τη χρήση μορφολογικών αντί λειτουργικών ή/και ανθρωπομορφικών κριτηρίων που συνήθως χρησιμοποιούν. Πιο συγκεκριμένα φαίνεται (α) να βελτιώνουν τις γνώσεις τους σχετικά με την αναγνώριση και ονοματοδοσία δειγμάτων ζώων που ανήκουν στις κατηγορίες ‘ερπετό’, ‘πτηνό’, ‘ψάρι’ και ‘θηλαστικό’ και (β) να αναγνωρίζουν μια κατηγορία ζώων από ένα δείγμα ζώου αναφερόμενα στα βασικά μορφολογικά χαρακτηριστικά του. Επίσης διαπιστώνεται ότι η επίσκεψη στο μουσείο ζωολογίας και οι δραστηριότητες που πραγματοποιούνται επί τόπου φαίνεται να συμβάλλουν καθοριστικά στο μετασχηματισμό και την εξέλιξη των νοητικών παραστάσεων των παιδιών για την έννοια της κατηγοριοποίησης των ζώων. / This thesis presents the results of a research concerning the design, implementation and evaluation of a teaching intervention relevant to the classification of animals within the formal and non-formal education. This teaching intervention refers to preschoolers, is based on the principles of 'constructive' approach of teaching and learning of science and includes educational activities which take place both at school and at the zoological museum. According to the findings of the research, there is indications accordance to which children after the end of the teaching intervention are able to construct the concept of classification of animals using morphological characteristics instead of function or anthropomorphic ones. More specifically, this thesis gives indications according to which children after the teaching intervention are able (a) to improve their knowledge on the recognition and denomination of specimens of animals belonging to the categories of 'reptile', 'bird', 'fish' and 'mammal' and (b) to recognize a category of animals by an animal sample based on the morphological characteristics. Finally, it is also noted that the visit to the zoological museum and the educational activities carried out in situ seems to make a significant contribution in the transformation and progress of cognitive representations of children for the concept of classifying animals.

The scope of this dissertation was to enhance our knowledge regarding the potential effects that emissions and climate change could have on air pollutants (e.g., particulate matter, ozone, Hg), in order to design effective strategies for improving air quality. A 3-D chemical transport model, PMCAMx-2008, was applied over Europe to evaluate the response of PM2.5 to 50% reduction in emissions of precursor gases (SO2, NH3, NOx, VOCs) and anthropogenic primary OA (POA). A summer and a winter simulation period were used, to investigate also the seasonal dependence of the PM2.5 response to emissions changes. Reduction of NH3 emissions seems to be the most effective control strategy for reducing PM2.5, in both periods, resulting in a decrease of PM2.5 up to 5.1 μg m-3 and 1.8 μg m-3 during summer and winter respectively. The SO2 reduction is more effective during summer, especially over Balkans. The anthropogenic POA control strategy reduces total OA, in both periods, mainly in urban areas close to its emissions sources. The reduction of NOx emissions reduces PM2.5 during the summer period, causing although an increase of ozone (O3) concentration in major urban areas and over Western Europe. Additionally, the NOx control strategy actually increases PM2.5 levels during the winter period. PMCAMx-2008 was also applied over Europe, to quantify the individual effects of the major meteorological parameters on PM2.5 levels. Our simulations cover three periods, representative of different seasons (summer, winter, and fall). PM2.5 appears to be more sensitive to temperature changes compared to the rest meteorological parameters in all seasons. PM2.5 generally decreases as temperature increases, although the predicted response is spatially variable, ranging from -8% K-1 to 7% K-1. The predicted responses of PM2.5 to absolute humidity are also quite variable, ranging from -1.6% %-1 to 1.6% %-1. A decrease of wind speed (keeping constant the emissions), increases all PM2.5 species due to changes in dry deposition (approximately 10%) and dispersion. In addition, the wind speed effects only on sea salt emissions could be significant for PM2.5 concentrations in coastal areas. Increases in precipitation have a negative effect on PM2.5 due to increases in wet deposition. Regarding the relative importance of each of the meteorological parameters in a changed future climate, the projected precipitation changes are expected to have the largest impact on PM2.5 levels, with changes up to 2 μg m-3. PMCAMx-2008 was used as part of the GRE-CAPS modeling system, to investigate the effects of climate change on PM2.5 and O3 levels in Greece. Summertime periods are simulated both for the present (2000s) and the future (2050s). Our results suggest that climate change will generally decrease PM2.5 in Greece, by 1.1 μg m-3 (5%) on average. However the predicted changes are quite variable in space, ranging from -20% to 20%. Higher levels of O3 are predicted in the future over Greece (4.5% on average). The higher future temperatures determine to a large extent the predicted O3 response Finally, the GRE-CAPS was applied over the eastern United States to study the impact of climate change on the concentration and deposition of mercury. Summer and winter periods (300 days for each) are simulated, and the present-day model predictions (2000s) are compared to the future ones (2050s). On average, atmospheric Hg2+ levels are predicted to increase in the future by 3% in the summer and 5% in winter respectively. However, the predicted concentration changes of Hg2+ vary significantly in space, ranging from -20% to 40%. Particulate mercury, Hg(p) has a similar spatial response to climate change as Hg2+, while Hg0 levels are not predicted to change significantly. Mercury deposition is also predicted to change in the future, with variable changes, ranging from -50% to 50%. The predicted response is mainly attributed to the spatially variable changes of rainfall in the future and the accompanying changes in mercury wet deposition. / Η κατανόηση των φυσικών και χημικών διεργασιών της ατμόσφαιρας καθώς και η μελέτη των αλληλεπιδράσεων του κλίματος και των εκπομπών, με τις συγκεντρώσεις των ρύπων (π.χ. ατμοσφαιρικά σωματίδια, όζον, Hg),αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την εφαρμογή αποτελεσματικών στρατηγικών μείωσης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Ένα τρισδιάστατο μοντέλο χημικής μεταφοράς, το PMCAMx-2008, χρησιμοποιήθηκε για να μελετήσουμε την επίδραση που έχει η μείωση κατά 50% των εκπομπών των κυριότερων πρόδρομων αέριων ενώσεων (SO2, NH3, NOx, ανθρωπογενών πτητικών οργανικών ενώσεων) και των πρωτογενών οργανικών σωματιδίων που προέρχονται από ανθρωπογενείς πηγές (POA), στην συγκέντρωση των ατμοσφαιρικών σωματιδίων διαμέτρου έως 2.5 μm (PM2.5) στην Ευρώπη. Προσομοιώθηκαν δύο περίοδοι (καλοκαίρι και χειμώνας), προκειμένου να ελεγχθεί και η εποχιακή εξάρτηση της απόκρισης των PM2.5. Η μείωση των εκπομπών NH3 φαίνεται να είναι η πιο αποτελεσματική στρατηγική μείωσης των PM2.5, κατά την διάρκεια και των δύο περιόδων, μειώνοντας την συγκέντρωσή τους έως 5.1 μg m-3 το καλοκαίρι και 1.8 μg m-3 τον χειμώνα. Η μείωση των εκπομπών SO2 είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική το καλοκαίρι κυρίως στα Βαλκάνια, ενώ η μείωση των εκπομπών POA μειώνει την συγκέντρωση των οργανικών και τις 2 περιόδους, κυρίως σε αστικές περιοχές. Η στρατηγική μείωσης των NOx μειώνει τα PM2.5 το καλοκαίρι, προκαλώντας ωστόσο αύξηση του όζοντος (O3) στην Δυτική Ευρώπη και τα μεγάλα αστικά κέντρα. Επιπρόσθετα, τον χειμώνα αυξάνει και τα PM2.5 στις περισσότερες περιοχές της Ευρώπης. Το PMCAMx-2008 χρησιμοποιήθηκε επίσης για να μελετήσουμε την επίδραση που έχουν διάφορες παράμετροι της μετεωρολογίας στις συγκεντρώσεις των PM2.5 καλύπτοντας τρεις περιόδους προσομοίωσης (καλοκαίρι, χειμώνας και φθινόπωρο). Τα PM2.5 είναι περισσότερο ευαίσθητα σε αλλαγές της θερμοκρασίας σε σχέση με τις υπόλοιπες παραμέτρους. Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση των PM2.5 και τις τρεις περιόδους. Ωστόσο, οι προβλεπόμενες αλλαγές είναι μεταβλητές και κυμαίνονται από -8% K-1 έως 7% K-1. Μεταβλητές αλλαγές των PM2.5 προβλέπονται και με αύξηση της απόλυτης υγρασίας, που κυμαίνονται από -1.6% %-1 έως 1.6% %-1. Η μείωση της ταχύτητας του ανέμου (χωρίς αλλαγή στις εκπομπές από θαλασσινό αλάτι) αυξάνει τα PM2.5 κυρίως λόγω μείωσης της ξηρής εναπόθεσης (περίπου 10%) και των διεργασιών μεταφοράς. Αντίστοιχα οι αλλαγές στις εκπομπές από θαλασσινό αλάτι (λόγω μείωσης του ανέμου κατά 10%) επηρεάζουν σημαντικά τα PM2.5 κυρίως στις θαλάσσιες περιοχές. Η αύξηση της βροχόπτωσης αυξάνει τον ρυθμό υγρής εναπόθεσης, οδηγώντας σε μείωση της συγκέντρωσης των PM2.5. Με βάση τις εκτιμώμενες αλλαγές της κάθε μετεωρολογικής παραμέτρου για το μέλλον, οι αλλαγές στην βροχόπτωση αναμένεται να έχουν την σημαντικότερη επίδραση στα PM2.5, οδηγώντας σε αλλαγές των συγκεντρώσεων τους έως 2 μg m-3. Για να μελετήσουμε την επίδραση που έχει η κλιματική αλλαγή στις συγκεντρώσεις των PM2.5 και του Ο3, το PMCAMx-2008 χρησιμοποιήθηκε σαν μέρος ενός συστήματος μοντέλων, του GRE-CAPS, το οποίο εφαρμόστηκε πάνω από την Ευρώπη, εστιάζοντας στην Ελλάδα. Η προσομοίωση του κλίματος στο παρόν και το μέλλον έγινε για την εποχή του καλοκαιριού. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως οι συγκεντρώσεις των PM2.5 στην Ελλάδα προβλέπεται να μειωθούν στο μέλλον, 1.1 μg m-3 (5%) κατά μέσο όρο σε όλο το πεδίο εφαρμογής, ωστόσο οι προβλεπόμενες αλλαγές είναι αρκετά μεταβλητές και κυμαίνονται από -20% έως 20%. Η συγκέντρωση του O3 αυξάνει στην Ελλάδα 4.5% κατά μέσο όρο, με την αύξηση της θερμοκρασίας να καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την απόκριση του στην αλλαγή του κλίματος. Τέλος, το σύστημα μοντέλων GRE-CAPS εφαρμόσθηκε στις ανατολικές ΗΠΑ για την μελέτη της επίδρασης της αλλαγής του κλίματος στην συγκέντρωση και εναπόθεση του υδραργύρου. Η προσομοίωση του κλίματος στο παρόν και το μέλλον έγινε για δύο περιόδους, καλοκαίρι και χειμώνας. Κατά μέσο όρο σε όλο το πεδίο εφαρμογής, η συγκέντρωση του Hg2+ στο μέλλον αυξάνεται κατά 3% το καλοκαίρι και 5% τον χειμώνα. Ωστόσο οι προβλεπόμενες αλλαγές είναι αρκετά μεταβλητές, και κυμαίνονται από -20% έως 40%. Η επίδραση της αλλαγής του κλίματος στην συγκέντρωση των πρωτογενών σωματιδίων υδραργύρου, Hg(p) είναι παρόμοια με εκείνη του Hg2+, ενώ αντίθετα δεν προβλέπονται σημαντικές αλλαγές στην συγκέντρωση του Hg0. Η αλλαγή του κλίματος επηρεάζει σημαντικά και την εναπόθεση του υδραργύρου. Ωστόσο, οι αλλαγές δεν είναι ομοιόμορφες και κυμαίνονται από -50% έως 50%. Η αλλαγή της υγρής εναπόθεσης του Hg, λόγω αλλαγής της βροχόπτωσης, φαίνεται να εξηγεί την απόκριση της εναπόθεσης του Hg, στις περισσότερες περιοχές.

Η παρούσα διατριβή εισάγει μεθόδους για τον αυτόματο τεμαχισμό σημάτων ομιλίας. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται τέσσερις νέες μέθοδοι για τον αυτόματο τεμαχισμό σημάτων ομιλίας, τόσο για γλωσσολογικά περιορισμένα όσο και μη προβλήματα. Η πρώτη μέθοδος κάνει χρήση των σημείων του σήματος που αντιστοιχούν στα ανοίγματα των φωνητικών χορδών κατά την διάρκεια της ομιλίας για να εξάγει όρια ψευδό-φωνημάτων με χρήση του αλγορίθμου δυναμικής παραμόρφωσης χρόνου. Η δεύτερη τεχνική εισάγει μια καινοτόμα υβριδική μέθοδο εκπαίδευσης κρυμμένων μοντέλων Μαρκώφ, η οποία τα καθιστά πιο αποτελεσματικά στον τεμαχισμό της ομιλίας. Η τρίτη μέθοδος χρησιμοποιεί αλγορίθμους μαθηματικής παλινδρόμησης για τον συνδυασμό ανεξαρτήτων μηχανών τεμαχισμού ομιλίας. Η τέταρτη μέθοδος εισάγει μια επέκταση του αλγορίθμου Βιτέρμπι με χρήση πολλαπλών παραμετρικών τεχνικών για τον τεμαχισμό της ομιλίας. Τέλος, οι προτεινόμενες μέθοδοι τεμαχισμού χρησιμοποιούνται για την βελτίωση συστημάτων στο πρόβλημα της σύνθεσης ομιλίας, αναγνώρισης ομιλίας και αναγνώρισης γλώσσας. / The present dissertation introduces methods for the automatic segmentation of speech signals. In detail, four new segmentation methods are presented both in for the cases of linguistically constrained or not segmentation. The first method uses pitchmark points to extract pseudo-phonetic boundaries using dynamic time warping algorithm. The second technique introduces a new hybrid method for the training of hidden Markov models, which makes them more effective in the speech segmentation task. The third method uses regression algorithms for the fusion of independent segmentation engines. The fourth method is an extension of the Viterbi algorithm using multiple speech parameterization techniques for segmentation. Finally, the proposed methods are used to improve systems in the task of speech synthesis, speech recognition and language recognition.

Τα συστήματα που έχουν πολλαπλές κεραίες σε πομπό και δέκτη (ΜΙΜΟ) έχουν την δυνατότητα να επιτύχουν υψηλούς ρυθμούς δεδομένων και αυξημένη αξιοπιστία χωρίς να απαιτείται επιπλέον εύρος ζώνης ή ισχύς μετάδοσης. Η βασική αρχή στην οποία βασίζονται είναι ότι το σήμα που εκπέμπεται από τον πομπό διέρχεται από περισσότερα του ενός ανεξάρτητα κανάλια. Ο δέκτης εκμεταλλευόμενος τις πολλαπλές λήψεις του ίδιου σήματος μπορεί να βελτιώσει την απόδοσή του. Η εισαγωγή πολλαπλών κεραιών σε κάποια συστήματα δεν είναι δυνατό να συμβεί συνήθως λόγω του χώρου που απαιτείται. Παρόλα αυτά, σε αυτό το περιβάλλον επικοινωνίας υπάρχουν συνήθως πολλαπλοί χρήστες που μπορούν να συνεργαστούν και να δημιουργήσουν ένα κατανεμημένο σύστημα ΜΙΜΟ, που αναφέρεται στην βιβλιογραφία ως συνεργατικό (cooperative). Στα συστήματα MIMO έχουν προταθεί τεχνικές προσανατολισμένης επικοινωνίας (beamforming) με σκοπό την ακύρωση των παρεμβολών και του θορύβου στο δέκτη. Οι τεχνικές αυτές απαιτούν την γνώση της κατάστασης του καναλιού αφού πραγματοποιούν διάσπαση της μήτρας των συντελεστών του καναλιού κατά παράγοντες ώστε να εξάγουν τα διανύσματα βάρους με τα οποία θα πολλαπλασιάσουν τις ακολουθίες των συμβόλων που λαμβάνει ο δέκτης ή /και των συμβόλων που μεταδίδει ο πομπός. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η περίπτωση της τεχνικής προσανατολισμένης επικοινωνίας που στηρίζεται στην μέθοδο SVD η οποία πολλαπλασιάζει το διάνυσμα των προς μετάδοση συμβόλων στον πομπό και το διάνυσμα των ληφθέντων συμβόλων στο δέκτη με τα κατάλληλα ιδιάζοντα διανύσματα, επιτυγχάνοντας προσανατολισμένη επικοινωνία λήψης και εκπομπής (transmit και receive beamforming). Όπως αναφέρθηκε, η συγκεκριμένη μέθοδος απαιτεί την γνώση της κατάστασης του καναλιού σε πομπό και σε δέκτη. Για αυτό το σκοπό αρχικά θα μελετηθεί η επίδραση της εκτίμησης του καναλιού στην επίδοση της μεθόδου η οποία διεξάγεται από ένα εκτιμητή μέγιστης πιθανοφάνειας από ακολουθίες συμβόλων εκμάθησης που έχει μεταδώσει ο πομπός. Στην συνέχεια θα εξεταστεί η περίπτωση που τα κανάλια μπορούν να περιγραφούν από ένα μοντέλο πολλαπλών μονοπατιών. Ένα τέτοιο μοντέλο είναι δυνατό να εκτιμηθεί από δείγματα της κρουστικής απόκρισης του καναλιού, βελτιώνοντας περαιτέρω την επίδοση του συστήματος. Επίσης, παρέχει και την δυνατότητα της πρόβλεψης των μεταγενέστερων καταστάσεων του καναλιού, μειώνοντας αρκετά τον αριθμό των συμβόλων εκμάθησης που απαιτούνται. Η εκτίμηση των παραμέτρων του μοντέλου του καναλιού θα γίνει με την βοήθεια της μεθόδου ESPRIT. Τελικά, θα ενσωματωθεί η εκτίμηση του μοντέλου και στην τεχνική προσανατολισμένης επικοινωνίας και θα μελετηθεί η επίδοσή της. Στην συνέχεια θα εφαρμόσουμε την προηγούμενη διάταξη στην περίπτωση των συνεργατικών συστημάτων. Θα εφαρμοστεί λοιπόν, σε ένα τέτοιο σύστημα η τεχνική με την εκτίμηση του μοντέλου του καναλιού και θα αναλυθεί η επίδοσή του για τα δύο πιο γνωστά πρωτόκολλα επικοινωνίας μεταξύ του κόμβου-πηγής και των κόμβων-συνεργατών, το ενίσχυσης και προώθησης και το αποκωδικοποίησης και προώθησης. / The systems that have multiple transmit and receive antennas (MIMO) can achieve high data rates and increased reliability without the need for additional bandwidth or transmission power. The aforementioned is based on the transmission of the signal of the transmitter via multiple independent channels. The receiver can use the multiple versions of the same signal to improve its performance. The introduction of multiple antennas in some systems it is not possible due to the lack of space. On contrast, in a multi-user environment there are users of a single antenna that can cooperate to construct a distributed MIMO system, which are called in the bibliography as a cooperative system. A number of beamforming schemes have already proposed in MIMO systems with the view of interference and noise cancellation. These schemes compute the singular value decomposition of the channel matrix and use the singular vectors to extract the weight vectors that are used to multiply the sequences of symbols that transmitter transmits and the symbols that receiver receives. This scheme achieves transmit and receive beamforming and transmitter and receiver must have full channel state information (CSI). The next step is to examine the performance of this method under channel estimation errors. The estimation of the channel is carried out with a maximum likelihood estimator from training sequences that were transmitted from the transmitter. After that, we examine the case in which the channel taps can be modeled by a multipath model. The parameters of a model of this kind can be computed from noise corrupted samples with sub-space methods. In this thesis we use the ESPRIT method for the estimation of these parameters. After the estimation of the model’s parameters we can use the model to predict future values of channel taps, decreasing with this way the number of the training symbols that are needed. Then, we will use this method in the system with the beamforming scheme and we will evaluate its performance. Finally, the complete infrastructure will be applied to a cooperative system and its performance will be tested for the two most popular cooperation protocols, the amplify and forward protocol and the decode and forward protocol.

Until recently, organic particulate material was simply classified as either primary or secondary with the primary component being treated in models as nonvolatile and inert. This framework is used to simulate the organic aerosol formation, growth and composition in the eastern United States during the four seasons of the year. The model predictions are evaluated against daily average PM2.5 (particulate matter smaller than 2.5 μm) measurements taken throughout the eastern United States by the Interagency Monitoring of Protected Visual Environments (IMPROVE) and the Speciation Trends Network (STN) monitoring networks. The performance of the model in reproducing organic mass concentrations is average during all four seasons of the year. The agreement between the predicted and observed temporal profiles suggests a reasonable understanding and depiction in the model of the corresponding processes. However, this oversimplified view fails to explain the observed highly oxygenated nature of ambient organic aerosols (OA), the relatively small OA concentration gradients between large urban areas and their surroundings, and the concentrations of OA during periods of high photochemical activity. To address the above issues new primary and secondary organic aerosol modules have been added to a three dimensional chemical transport model (PMCAMx) based on recent smog chamber studies. The new modeling framework is based on the volatility basis-set approach: both primary and secondary organic components are assumed to be semivolatile and photochemically reactive and are distributed in logarithmically spaced volatility bins. The resulting PMCAMx-2008 was applied in Mexico City Metropolitan Area (MCMA) for approximately a week during April of 2003. The model predictions are compared with Aerosol Mass Spectrometry (AMS) observations and their Positive Matrix Factorization (PMF) analysis. The final goal of this work is to provide information to the policy makers regarding the response of fine PM to emission controls. PMCAMx is used to investigate changes in PM2.5 concentrations in response to 50% emissions changes of oxides of nitrogen and anthropogenic volatile organic compounds during July 2001 and January 2002 in the Eastern United States. / Τα ατμοσφαιρικά οργανικά σωματίδια συνηθίζεται να χωρίζονται σε δυο κατηγορίες: πρωτογενή και δευτερογενή. Τα πρώτα εκπέμπονται κατευθείαν στην ατμόσφαιρα ενώ τα δευτερογενή δημιουργούνται με την μεταφορά μάζας αερίων χαμηλής πτητικότητας, που προκύπτουν από την οξείδωση πρωτογενών οργανικών αερίων, στα ατμοσφαιρικά σωματίδια. Ένα τρισδιάστατο χημικό μοντέλο (PMCAMx), βασιζόμενο σε αυτό το διαχωρισμό, χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της σύνθεσης και της μάζας των οργανικών σωματιδίων της ατμόσφαιρας, στις ανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής κατά τη διάρκεια των τεσσάρων εποχών του χρόνου. Οι προβλέψεις του μοντέλου αξιολογήθηκαν έναντι μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν από τα δίκτυα παρακολούθησης IMPROVE και STN στις ανατολικές ΗΠΑ. Η απόδοση του μοντέλου, όσον αφορά τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης των οργανικών ενώσεων κατά τη διάρκεια όλων των εποχών είναι ιδιαίτερα ικανοποιητική. Ωστόσο, αν και οι προβλέψεις του μοντέλου για τη συγκέντρωση της οργανικής μάζας είναι ενθαρρυντικές, δεν είναι ξεκάθαρο εάν το μοντέλο προβλέπει τις σωστές τιμές για τους σωστούς λόγους. Συγκεκριμένα το μοντέλο δεν μπορεί να εξηγήσει την πολύ οξυγονωμένη χημική μορφή των ατμοσφαιρικών οργανικών σωματιδίων όπως αυτή αποτυπώθηκε σε μετρήσεις πεδίου. Για να αντιμετωπιστούν τα ανωτέρω ζητήματα αναπτύσσουμε μια νέα μέθοδο προσομοίωσης των διεργασιών σχηματισμού και χημικής γήρανσης των πρωτογενών και δευτερογενών οργανικών σωματιδίων της ατμόσφαιρας, στο τρισδιάστατο χημικό μοντέλο PMCAMx βασιζόμενοι σε πρόσφατα πειραματικά δεδομένα. Στο νέο αυτό πλαίσιο μοντελοποίησης τόσο τα πρωτογενή, όσο και τα δευτερογενή οργανικά συστατικά θεωρούνται ότι είναι ημιπτητικά και φωτοχημικά ενεργά και κατανέμονται λογαριθμικά σε ομάδες ενώσεων διαφορετικής πτητικότητας. Το βελτιωμένο PMCAMx (PMCAMx-2008) έχει εφαρμοστεί στην ευρύτερη περιοχή της πόλης του Μεξικού για περίπου μια βδομάδα τον Απρίλιο του 2003. Οι προβλέψεις του μοντέλου συγκρίνονται με μετρήσεις φασματογράφου μάζας αεροζόλ και άλλες μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της καμπάνιας MCMA-2003. Τέλος το PMCAMx έχει χρησιμοποιηθεί για να μελετηθούν διεξοδικά οι αλλαγές στη συγκέντρωση των οργανικών σωματιδίων διαμέτρου έως 2.5 μm που προκύπτουν από αλλαγές των εκπομπών NOx και VOCs κατά τη διάρκεια των μηνών του Ιουλίου 2001 και του Ιανουαρίου 2002 στις ανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής.