To θέμα του εντοπισμού των κινητών τηλεφώνων έχει τραβήξει την προσοχή τα τελευταία χρόνια εξαιτίας των απαιτήσεων της Ομοσπονδιακής Επιτροπής Επικοινωνιών για το Enhanced 911 η οποία είναι μια υπηρεσία συναγερμού. Τα ασύρματα συστήματα επικοινωνίας 3ης γενιάς ηταν τα πρώτα που υιοθέτησαν στρατηγικές εύρεσης θέσης στα στάνταρντ τους. Στην διαδικασία της εύρεσης της θέσης υπάρχουν 3 βασικές κατηγορίες μετρήσεων που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε. Η πρώτη εκτιμά το κινητό βασίζοντας τις μετρήσεις στην λαμβανόμενη ισχύ σήματος. Η δεύτερη κάνει χρήση των χρόνων άφιξης ή της διαφοράς των χρόνων άφιξης στους σταθμούς βάσης. Η τρίτη κατηγορία έχει να κάνει με τις γωνίες άφιξης στους σταθμούς βάσης. Όλες οι παραπάνω κατηγορίες μετρήσεων υποβαθμίζονται έντονα από την NLOS διάδοση. Η απουσία ενός LOS μονοπατιού μπορεί να βλάψει σημαντικά την εκτίμηση της πραγματικής θέσης του κινητού. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι η συγκριτική αξιολόγηση και μελέτη κάποιων δημοφιλών τεχνικών εντοπισμού θέσης απλών και υβριδικών κάτω από διαφορετικά ΝLOS περιβάλλοντα και σε συνδυασμό με άλλες εξίσου σημαντικές παραμετρους όπως ειναι το διαθέσιμο πλήθος σταθμών βάσης σε μια περιοχή, η γεωμετρία ή με άλλα λόγια η θέση του κινητού σε σχέση με τους σταθμους βάσης. Προτείνεται επίσης και μια υβριδική τεχνική για την αντιμετώπιση των παραπάνω καταστρεπτικών επιπτώσεων του NLOS φαινομένου. / The problem of mobile location estimation has recently drawn attention due to Federal Communications Commission (FCC) demands of Enhanced-911 (E911) emergency service. Third Generation (3G) wireless systems were the first to adopt location estimation techniques into their standards. There are three basic types of measurements that can be used for location estimation. The first type includes Received Signal Strength measurements. The second type uses Time of Arrival or Time Difference of Arrival measurements of the signal to the base stations. The third type deals with Angle of Arrival measurements of the received signal. The subject of this work is the comparative evaluation and study of certain popular, simple and hybrid location estimation techniques, under different NLOS environments and in conjunction with other equally important parameters such as the number of available base stations, the geometry of the problem and the position of the mobile relative to the base stations. A hybrid method is also suggested for mitigating the destructive consequences of the NLOS effect.

Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων για τον εντοπισμό του οφθαλμού και τον υπολογισμό συγκεκριμένων παραμέτρων που συνδέονται με την κατάσταση του χρήστη. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε ένα ολοκληρωμένο Σύστημα Εντοπισμού Οφθαλμού που περιλαμβάνει τα υποσυστήματα της CMOS κάμερα, της μεταφοράς δεδομένων – εικόνων, της ψηφιοποίησης των δεδομένων, και τέλος το υποσύστημα της επεξεργασίας εικόνων οφθαλμού και του υπολογισμού παραμέτρων. Στα πλαίσια του τελευταίου αυτού υποσυστήματος αναπτύχθηκαν δύο μεθοδολογίες που βασίστηκαν στην εφαρμογή αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων. Η πρώτη μεθοδολογία βασίστηκε στον υπολογισμό της μέσης φωτεινότητας για την άνω και την κάτω περιοχή του οφθαλμού. Η χρονική μεταβολή των δύο τιμών της φωτεινότητας χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή πληροφοριών για την κατάσταση του οφθαλμού (ανοιχτός ή κλειστός). Η δεύτερη μεθοδολογία στηρίχτηκε σε ένα συνδυασμό τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων. Η επεξεργασία κάθε εικόνας της ακολουθίας video περιλαμβάνει τέσσερα βασικά βήματα: (α) ευθυγράμμιση της εικόνας σε σχέση με ένα κοινό σύστημα αναφοράς, (β) εφαρμογή δύο φίλτρων για την ανίχνευση των κορυφών και των κοιλάδων της εικόνας, (γ) σύντηξη των δύο φιλτραρισμένων εικόνων που προκύπτουν και (δ) μετατροπή της εικόνας σύντηξης σε δυαδική με εφαρμογή κατάλληλου κατωφλίου. Η καταμέτρηση των λευκών εικονοστοιχείων της δυαδικής εικόνας στην περιοχή του οφθαλμού καθορίζει την κατάσταση του οφθαλμού (ανοικτός ή κλειστός). Τέλος, και μέσω του λογισμικού, υπολογίζονται οι σχετικές παράμετροι της κατάστασης του οφθαλμού όπως ο αριθμός ανοιγο-κλεισίματος οφθαλμού, η διάρκεια κάθε ανοιγο-κλεισίματος οφθαλμού και οι χρονικές αποστάσεις μεταξύ των προσδιορισμένων ανοιγο-κλεισιμάτων σε μια αλληλουχία συλλεγμένων εικόνων. / The scope of the thesis was the development and application of digital image processing techniques in order to detect human eye in video sequences and determine parameters related to the user’s state. Specifically, an integrated Eye-Tracking System was used in order to obtain the necessary image frames for further processing. The System consists of four modules, the CMOS camera module, the transfer module, the digitization module and the software module. The software module was based on the application of image processing techniques to detect the eye and calculate specific parameters. Two image processing techniques were developed and tested throughout this thesis. The first method was based on the calculations of the mean brightness of the upper and lower eye region for each frame of the video sequence. The temporal variation of this mean value provided useful information for the eye state (open/closed). The second method was based on a combination of various image processing techniques. The processing of each video frame comprises of four basic steps: a) registration of the image in relation to the first frame of the video sequence, b) filtering in order to detect the peaks and valleys of the image being processed, c) fusion of the filtered images, and d) binarization of the fused image by thresholding. The calculation of the number of white pixels in the eye region of the binary image indicates the state of the eye (open/closed) and allows the determination of the blink parameters related to the user’s state (vigilance/somnolence). The parameters being measured throughout this thesis were the number of eye blinks, the blink duration and the blink interval.

Με τα δίκτυα αισθητήρων μπορούμε να παρακολουθούμε το περιβάλλον και να εξάγουμε χρήσιμη πληροφορία με αυτόματο τρόπο. Τα τελευταία χρόνια, λόγω και της ανάπτυξης κατάλληλων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, έχουν εμφανιστεί κόμβοι αισθητήρων σε πολύ μικρό μέγεθος. Αυτοί οι κόμβοι έχουν την δυνατότητα να επεξεργάζονται δεδομένα, να επικοινωνούν μεταξύ τους και να περιέχουν περισσότερα από ένα είδη αισθητήρων. Η συγκεκριμένη εργασία ασχολείται με δίκτυα τυχαία διασκορπισμένων αισθητήρων. Το πρόβλημα που μελετήθηκε είναι ο εντοπισμός της θέσης πολλαπλών πηγών από το δίκτυο. Οι πηγές εκπέμπουν ευρείας ζώνης σήματα που μοντελοποιούνται ως διαδικασίες AR. Η τεχνική λειτουργεί με έναν σειριακό τρόπο. Επιλέγει μια πηγή, εκτιμά τις διαφορές χρόνων άφιξης του σήματός της και υπολογίζει την θέση της πηγής χρησιμοποιώντας το κριτήριο ελαχίστων τετραγώνων. Στην συνέχεια, ακυρώνει το σήμα της πηγής από τα σήματα που έχουν λάβει οι κόμβοι του δικτύου και η όλη διαδικασία ξεκινάει από την αρχή. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν την επιτυχή λειτουργία της στην περίπτωση που υπάρχει στην περιοχή του δικτύου μια, δυο ή τρεις πηγές. / Sensor networks are used for monitoring an environment and extracting useful information in an automated way. In recent years, mostly because of the development of suitable integrated circuits, sensor nodes, in small sizes, have emerged. These nodes are capable of processing data, communicating with each other and multi-modal sensing. The thesis is concerned with ad-hoc sensor networks. The problem, that is tackled, is the estimation of position of sources in a multi-source environment. The signals, that are emitted, are modelled as AR processes. The proposed method works in a serial manner. Firstly, one of the sources is selected and the time differences of arrival among the sensor nodes are computed. Then, the position of the source is estimated using the least squares criterion. Finally, the signal of the source is cancelled from the sensor nodes’ received signals and the whole procedure starts over. Experimental results show the functionality of the method when one, two or three sources are present in the environment.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά την παράκτια ζώνη, της Αλεξάνδρειας (Αιγύπτου) με σκοπό: (1) την ανάπλαση του παράκτιου παλαιοπεριβάλλοντος στο οποίο αναπτύχθηκε η Ελληνιστική Αλεξάνδρεια και πώς αυτό επηρέασε στην ίδρυση και στην εξέλιξη της πόλης, (2) τον εντοπισμό ναυαγίων, καταβυθισμένων λιμενικών εγκαταστάσεων και άλλων μαρτυριών ανθρώπινης δραστηριότητας. Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων xρησιμοποιήθηκαν εξειδικευμένες θαλάσσιες γεωφυσικές τεχνολογίες, όπως ηχοβολιστής πλευρικές σάρωσης, τομογράφος υποδομής πυθμένα, απλό και διαφορικό GPS. Η ανάλυση και επεξεργασία των συλλεγέντων δεδομέμων πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια των υπολογιστικών πακέτων Matlab και ArcGIS. Δημιουργήθηκαν πρωτότυπα και εύχρηστα μεθοδολογικά σχήματα (PalaeogAn και TargAn), με τη βοήθεια σύγχρονων μεθόδων επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνας, με σκοπό την επεξεργασία των αναλογικών γεωφυσικών καταγραφών, σε ένα αυτοματοποιημένο ψηφιακό περιβάλλον. Η ανάλυση των γεωφυσικών καταγραφών έδειξε την ύπαρξη μίας kurkar δομής σχήματος Τ παρόμοιας σε σχήμα, σύσταση και προσανατολισμό με το δομικό σύστημα νήσος Φάρος-Επταστάδιο-Λιμένες της Αλεξάνδρειας, μετατοπισμένη προς τα ΒΑ. Η μελέτη των μεταβολών της στάθμης της θάλασσας και η ανάλυση των τομογραφιών, έδειξε ότι η παράκτια ζώνη της Αλεξάνδρειας διαμορφώνεται από μία σειρά επάλληλων παλαιοακτών, σε βάθη νερού 16, 14, 12, 10, 8 m, οι οποίες αντιστοιχούν στην ακτογραμμή της περιοχής το 3300π.Χ (βασίλειο Harpoon), 2700π.Χ, 2000π.Χ, 1400π.Χ (οικισμός Ραχώτιδας), και 300π.Χ (Πτολεμαϊκή Αλεξάνδρεια) αντίστοιχα. Η δομή Τ ήταν πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και διαμόρφωνε ασφαλές αγκυροβόλιο (3300-2000π.Χ), ενώ αργότερα βυθίστηκε (2000-300π.Χ) αρχικά στα -2m (1400π.Χ) και στη συνέχεια στα -4m βάθος (300π.Χ), ενεργώντας ως φυσικός κυματοθραύστης που προστάτευε την ακτή από τη διάβρωση και τη θαλασσοταραχή. Επίσης φαίνεται ότι η είσοδος του Ανατολικού Λιμένα στα Πτολεμαϊκά χρόνια ήταν πολύ στενή (600m), στα ΒΑ της Άκρας Λοχιάδος και στο εσωτερικό του Ανατολικού Λιμένα εκείνη την εποχή υπήρχαν βραχονησίδες, το 92% της Άκρας Λοχιάδος είναι σήμερα καταβυθισμένο. Τέλος επιτεύχθηκε α) ο εντοπισμός ενός αρχαίου ναυαγίου, δύο περιοχών με έρματα αρχαίων πλοίων, δύο αρχαίων προβόλων, δύο σχηματισμών που πιθανώς αποτελούν αρχαία ναύδετα, β) ο εντοπισμός 57 στόχων, η αρχαιολογική σημασία των οποίων αξιολογήθηκε με τη βοήθεια του TargAn και πολυδιάστατων στατιστικών μεθόδων γ) η υπόδειξη νέων περιοχών αρχαιολογικού ενδιαφέροντος. / The aim of this PhD is twofold: (a) to reconstruct the palaeoenvironmental setting where Hellenistic Alexandria was developed, (b) to detect the presence of any prehistorical and historical shipwrecks and evidence of human activity. In order to accomplish the above a geophysical survey was carried out, using a sidescan sonar and a subbottom profiler system, while the positioning was provided by a GPS and DGPS. The geophysical data were analyzed using a Matlab and an ArcGIS software. New, user-friendly methodological schemes, referred to as PalaeogAn και TargAn, were developed using image analysis techniques, in order to analyse analogue geophysical data in a digital environment. The geophysical data analysis shows the presence of a Τ-shape kurkar ridge, which stands at a minimum water depth of 11m below the seasurface at the north end of the Eastern Harbour of Alexandria. This kurkar formation is almost identical with that of the Pharos island–Heptastadion-Alexandria Harbours. Sea level changes and geophysical data analysis suggest that Alexandria’s coastal zone is characterized by a series of parallel submerged palaeoshorelines, at water depths of 16, 14, 12, 10 and 8 m, which represent the coastlines of 3300 BC (kingdom of Harpoon), 2700 BC, 2000 BC, 1400 BC (ancient Rachotis), and 300 BC (Ptolemaic Alexandria) respectively. The Τ-shape structure between 3300-2000BC was above msl creating a safe anchorage for ancient ships. In 1400 BC and 300 BC it was 2m and 4m under msl respectively, acting as a natural breakwater and protecting the coast from wave action. During the Hellenistic times (300 BC) the Eastern Harbour entrance was much smaller (600m) than today. At the northeastern end of Cape Lochias and in the inner Eastern Harbour dangerous shoals and reefs were scattered. Cape Lochias was much larger than it is today as the most of it (92%) is at present submerged. The insonification revealed (a) the existence of an ancient shipwreck, two areas with ship ballast, two structures which might have been used as buoys, two structures that were propably used as moles, (b) the presence of 57 acoustic anomalies, which were analyzed using the TargAn and multivariate statistical methods, (c) new areas of archaeological importance to be surrveyed in the near future. The results of the statistical analysis classified the acoustic anomalies into groups showing their archaeological validity.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας εναλλακτικής μεθόδου μη καταστροφικού ελέγχου (ΜΚΕ) για αγώγιμα υλικά, που συνδυάζει την ηλεκτρομαγνητική διέγερση - επαγωγική θέρμανση του υλικού και επιθεώρηση με μεταβατική υπέρυθρη θερμογραφία. Με ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο επάγονται δινορρεύματα εντός του εξεταζόμενου δοκιμίου. Η θερμότητα που παράγεται από τα δινορρεύματα, δημιουργεί θερμοκρασιακές διαφορές οι οποίες τείνουν να εξομαλυνθούν μέσω της θερμικής αγωγής. Κάποια ατέλεια στη δομή του υλικού, όπως είναι μια ρωγμή, θα επηρεάσει άμεσα ή έμμεσα τη ροή της θερμότητας και κατ’ επέκταση τη θερμοκρασιακή κατανομή στην επιφάνεια του υλικού. Χρησιμοποιώντας την υπέρυθρη θερμογραφία μπορούμε να απεικονίσουμε σε δύο διαστάσεις τη θερμοκρασιακή κατανομή της επιφάνειας του επιθεωρούμενου δοκιμίου και να εντοπίσουμε την ατέλεια αυτή. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας και της αξιοπιστίας της ηλεκτρομαγνητοθερμικής μεθόδου ως μεθόδου ΜΚΕ σε αγώγιμα υλικά. Αφού πραγματοποιηθεί αναλυτική περιγραφή του μοντέλου με το οποίο προσεγγίζονται τα ηλεκτρομαγνητικά - θερμικά φαινόμενα της ηλεκτρομαγνητικής διέγερσης - επαγωγικής θέρμανσης αγώγιμων υλικών, αναπτύσσεται υπολογιστικός κώδικας για την υλοποίηση του μοντέλου. Με τη χρήση του υπολογιστικού προγράμματος διερευνάται η σημασία και η σπουδαιότητα ενός μεγάλου πλήθους παραμέτρων που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της ηλεκτρομαγνητοθερμικής μεθόδου με απώτερο στόχο τη βελτιστοποίηση της. Στη συνέχεια ακολουθεί πειραματική επαλήθευση των αριθμητικών αποτελεσμάτων, όπου και αποδεικνύεται η αξιοπιστία των υπολογιστικών μοντέλων που χρησιμοποιήσαμε κατά την αριθμητική διερεύνηση της μεθόδου. Κατ’ αυτόν τον τρόπο επαληθεύεται η αποτελεσματικότητα της μεθόδου στον ΜΚΕ έλεγχο αγώγιμων υλικών. Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι η ηλεκτρομαγνητοθερμική μέθοδος αποτελεί μια αξιόπιστη μέθοδο για τον ΜΚΕ αγώγιμων υλικών. Απομένει πλέον να διερευνηθούν οι δυνατότητες της μεθόδου στο έπακρο, ώστε να αναδειχθεί το εύρος των εφαρμογών αυτής και να χρησιμοποιηθεί ενδεχομένως σε περιπτώσεις όπου μέχρι σήμερα κυριαρχούν άλλες διαγνωστικές μέθοδοι. / The subject matter of the present dissertation is the development of an alternative method for non-destructive inspection of conducting materials, which combines electromagnetic excitation – thermal conduction and inspection with transient infrared thermography. A time-varying magnetic field is used to induce eddy currents inside the conducting material under inspection. The Ohmic power generated in the material by the eddy currents creates temperature gradients which tend to be ironed out through thermal conduction. A defect in the material structure, such as a cracking, will affect the heat flow either directly or indirectly and hence the temperature distribution at the surface of the material. By employing infrared thermography, it is then possible to visualize in two-dimensional the temperature distribution over the excited surface of the tested specimen and detect the defect. The present dissertation focuses on computational and experimental investigation of the effectiveness and reliability of electromagnetic-thermal method as a method for non destructive inspection of conductive materials. After have been made a detailed description of the model which describes the electromagnetic-thermal phenomena of electromagnetic excitation - induction heating in conductive materials, it was developed a computer program based on the above model. Using the computer program we investigated the significance and the importance of a large number of parameters affecting the effectiveness of electromagnetic-thermal method, with a view to optimize the method. The experimental verification of numerical results, indicate the reliability of computational model used in the numerical investigation of the method and verifies the method’s effectiveness for non destructive inspection of conducting materials. The general conclusion is that the electromagnetic - thermal method is a reliable method for non destructive inspection of conductive materials. It remains the full potentials of the method to be investigated, in order to extend the range of applications and use the method in cases where today dominate other diagnostic methods.

Οι πρόσφατες εξελίξεις στις ασύρματες επικοινωνίες και στα ηλεκτρονικά κυκλώματα έχουν επιτρέψει την ανάπτυξη υπολογιστικών διατάξεων χαμηλού κόστους και χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, οι οποίες ενσωματώνουν δυνατότητες μέτρησης (sensing), επεξεργασίας και ασύρματης επικοινωνίας. Οι διατάξεις αυτές, οι οποίες έχουν ιδιαίτερα μικρό μέγεθος, καλούνται κόμβοι αισθητήρες. Ένα ασύρματο δίκτυο κόμβων αισθητήρων αποτελείται από ένα πλήθος κόμβων οι οποίοι έχουν αναπτυχθεί σε κάποια περιοχή ενδιαφέροντος προκειμένου να μετρούν κάποια μεταβλητή του περιβάλλοντος. Ανάμεσα σε πολλές εφαρμογές, ο εντοπισμός και η παρακολούθηση των θέσεων πηγών οι οποίες εκπέμπουν κάποιο σήμα (π.χ. ακουστικό, ηλεκτρομαγνητικό) αποτελεί ένα πολύ ενδιαφέρον θέμα, το οποίο μάλιστα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως βάση για τη μελέτη άλλων προβλημάτων τα οποία εμφανίζονται στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Οι περισσότερες από τις υπάρχουσες τεχνικές εντοπισμού θέσης μιας πηγής από μια συστοιχία αισθητήρων μπορούν να ταξινομηθούν σε δυο κατηγορίες: (α) Τις τεχνικές οι οποίες χρησιμοποιούν μετρήσεις διεύθυνσης άφιξης (Direction of Arrival, DOA) και (β) τις τεχνικές οι οποίες χρησιμοποιούν μετρήσεις διαφοράς χρόνων άφιξης (Time Difference of Arrival, TDOA). Ωστόσο, οι τεχνικές αυτές απαιτούν υψηλό ρυθμό δειγματοληψίας και ακριβή συγχρονισμό των κόμβων και δε συνάδουν έτσι με τις περιορισμένες ικανότητες των κόμβων αισθητήρων. Για τους λόγους αυτούς, το ενδιαφέρον έχει στραφεί σε μια τρίτη κατηγορία τεχνικών οι οποίες χρησιμοποιούν μετρήσεις ισχύος (Received Signal Strength, RSS). Το πρόβλημα του εντοπισμού θέσης χρησιμοποιώντας μετρήσεις ισχύος είναι ένα πρόβλημα εκτίμησης, όπου οι μετρήσεις συνδέονται με τις προς εκτίμηση παραμέτρους με μη-γραμμικό τρόπο. Στα πλαίσια της Διδακτορικής Διατριβής ασχολούμαστε αρχικά με την περίπτωση όπου επιθυμούμε να εκτιμήσουμε τη θέση και την ισχύ μιας πηγής χρησιμοποιώντας μετρήσεις ισχύος οι οποίες φθίνουν με βάση το αντίστροφο του τετραγώνου της απόστασης ανάμεσα στην πηγή και το σημείο μέτρησης. Για το πρόβλημα αυτό, προτείνουμε έναν εκτιμητή ο οποίος δίνει τις παραμέτρους της πηγής ως λύση ενός γραμμικού προβλήματος ελαχίστων τετραγώνων. Στη συνέχεια, υπολογίζουμε κατάλληλα βάρη και προτείνουμε έναν εκτιμητή ο οποίος δίνει τις παραμέτρους της πηγής ως λύση ενός προβλήματος ελαχίστων τετραγώνων με βάρη. Ακόμα, τροποποιούμε κατάλληλα τον τελευταίο εκτιμητή έτσι ώστε να είναι δυνατή η κατανεμημένη υλοποίησή του μέσω των προσαρμοστικών αλγορίθμων Least Mean Square (LMS) και Recursive Least Squares (RLS). Στη συνέχεια, εξετάζουμε την περίπτωση όπου ενδιαφερόμαστε να εκτιμήσουμε τη θέση μιας πηγής αλλά δεν έχουμε καμιά πληροφορία σχετικά με το μοντέλο εξασθένισης της ισχύος. Έτσι, υποθέτουμε πως αυτό περιγράφεται από μια άγνωστη γνησίως φθίνουσα συνάρτηση της απόστασης. Αρχικά, προσεγγίζουμε το πρόβλημα εκτίμησης κάνοντας την υπόθεση πως οι θέσεις των κόμβων αποτελούν τυχαία σημεία ομοιόμορφα κατανεμημένα στο επίπεδο. Χρησιμοποιώντας την υπόθεση αυτή, υπολογίζουμε εκτιμήσεις για τις αποστάσεις ανάμεσα στους κόμβους και την πηγή, και αναπτύσσουμε έναν αλγόριθμο εκτίμησης της θέσης της πηγής. Στη συνέχεια, προσεγγίζουμε το πρόβλημα εκτίμησης χωρίς την υπόθεση περί ομοιόμορφης κατανομής των θέσεων των κόμβων στο επίπεδο. Προτείνουμε μια κατάλληλη συνάρτηση κόστους για την περίπτωση αυτή, και δείχνουμε την ύπαρξη μιας συνθήκης υπό την οποία η βέλτιστη λύση μπορεί να υπολογιστεί. Η λύση αυτή είναι εσωτερικό σημείο ενός κυρτού πολυγώνου, το οποίο ονομάζουμε ταξινομημένο τάξης-K κελί Voronoi. Έτσι, δίνουμε αλγορίθμους υπολογισμού της λύσης αυτής, καθώς και κατανεμημένους αλγορίθμους οι οποίοι βασίζονται σε προβολές σε κυρτά σύνολα. Ακόμα, ασχολούμαστε με τις ιδιότητες των κελιών αυτών στην περίπτωση όπου οι θέσεις των κόμβων αισθητήρων είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες στο επίπεδο και υπολογίζουμε κάποια φράγματα για το εμβαδόν τους. Τέλος, ασχολούμαστε με την περίπτωση όπου ενδιαφερόμαστε να εκτιμήσουμε τις θέσεις πολλαπλών πηγών με γνωστό μοντέλο εξασθένισης της ισχύος. Για το πρόβλημα αυτό, αρχικά προτείνουμε έναν αλγόριθμο διαδοχικής εκτίμησης και ακύρωσης της συνεισφοράς κάθε πηγής, προκειμένου να υπολογιστούν σταδιακά οι θέσεις όλων των πηγών. Ο αλγόριθμος αυτός, αποτελείται από τρία βήματα κατά τα οποία πρώτα υπολογίζεται μια προσεγγιστική θέση για την πηγή, στη συνέχεια εκτιμάται ένα σύνολο κόμβων το οποίο δέχεται μικρής έντασης παρεμβολή από τις υπόλοιπες πηγές, και τέλος επιχειρείται μια λεπτομερέστερη εκτίμηση της θέσης κάθε πηγής. Στη συνέχεια, επεκτείνοντας την τεχνική αυτή, προτείνουμε έναν επαναληπτικό αλγόριθμο εκτίμησης ο οποίος βασίζεται στον αλγόριθμο εναλλασσόμενων προβολών (Alternating Projections). Εξετάζουμε επίσης μεθόδους οι οποίες οδηγούν στη μείωση της υπολογιστικής πολυπλοκότητας του αλγορίθμου αυτού. / Technology advances in microelectronics and wireless communications have enabled the development of small-scale devices that integrate sensing, processing and short-range radio capabilities. The deployment of a large number of such devices, referred to as sensor nodes, over a territory of interest, defines the so-called wireless sensor network. Wireless sensor networks have attracted considerable attention in recent years and have motivated many new challenges, most of which require the synergy of many disciplines, including signal processing, networking and distributed algorithms. Among many other applications, source localization and tracking has been widely viewed as a canonical problem of wireless sensor networks. Furthermore, it constitutes an easily perceived problem that can be used as a vehicle to study more involved information processing and organization problems. Most of the source localization methods that have appeared in the literature can be classified into two broad categories, according to the physical variable they utilize. The algorithms of the first category utilize “time delay of arrival”(TDOA) measurements, and the algorithms of the second category use “direction of arrival” (DOA) measurements. DOA estimates are particularly useful for locating sources emitting narrowband signals, while TDOA measurements offer the increased capability of localizing sources emitting broadband signals. However, the methods of both categories impose two major requirements that render them inappropriate to be used in wireless sensor networks: (a) the analog signals at the outputs of the spatially distributed sensors should be sampled in a synchronized fashion, and (b) the sampling rate used should be high enough so as to capture the features of interest. These requirements, in turn, imply that accurate distributed synchronization methods should be implemented so as to keep the remote sensor nodes synchronized and that high frequency electronics as well as increased bandwidth are needed to transmit the acquired measurements. Due to the aforementioned limitations, source localization methods that rely upon received signal strength (RSS) measurements - originally explored for locating electromagnetic sources - have recently received revived attention. In this Thesis, we begin our study by considering the localization of an isotropic acoustic source using energy measurements from distributed sensors, in the case where the energy decays according to an inverse square law with respect to the distance. While most acoustic source localization algorithms require that distance estimates between the sensors and the source of interest are available, we propose a linear least squares criterion that does not make such an assumption. The new criterion can yield the location of the source and its transmit power in closed form. A weighted least squares cost function is also considered, and distributed implementation of the proposed estimators is studied. Numerical results indicate significant performance improvement as compared to a linear least squares based approach that utilizes energy ratios, and comparable performance to other estimators of higher computational complexity. In the sequel, we turn our attention to the case where the energy decay model is not known. For solving the localization problem in this case, we first make the assumption that the locations of the nodes near the source can be well described by a uniform distribution. Using this assumption, we derive distance estimates that are independent of both the energy decay model and the transmit power of the source. Numerical results show that these estimates lead to improved localization accuracy as compared to other model-independent approaches. In the sequel, we consider the more general case where the assumption about the uniform deployment of the sensors is not required. For this case, an optimization problem that does not require knowledge of the underlying energy decay model is proposed, and a condition under which the optimal solution can be computed is given. This condition employs a new geometric construct, called the sorted order-K Voronoi diagram. We give centralized and distributed algorithms for source localization in this setting. Finally, analytical results and simulations are used to verify the performance of the developed algorithms. The next problem we consider is the estimation of the locations of multiple acoustic sources by a network of distributed energy measuring sensors. The maximum likelihood (ML) solution to this problem is related to the optimization of a non-convex function of, usually, many variables. Thus, search-based methods of high complexity are required in order to yield an accurate solution. In order to reduce the computational complexity of the multiple source localization problem, we propose two methods. The first method proposes a sequential estimation algorithm, in which each source is localized, its contribution is cancelled, and the next source is considered. The second method makes use of an alternating projection (AP) algorithm that decomposes the original problem into a number of simpler, yet also non-convex, optimization steps. The particular form of the derived cost functions of each such optimization step indicates that, in some cases, an approximate form of these cost functions can be used. These approximate cost functions can be evaluated using considerably lower computational complexity. Thus, a low-complexity version of the AP algorithm is proposed. Extensive simulation results demonstrate that the proposed algorithm offers a performance close to that of the exact AP implementation, and in some cases, similar performance to that of the ML estimator.

Τα τελευταια χρόνια ειμαστε μαρτυρες ενός εντυπωσιακού παραδόξου στο χώρο της τεχνολογίας. Ενώ όλη η ανθρωπότητα αναζητά το κάτι παραπάνω σε υπολογιστική ισχύ, σε χώρο αποθήκευσης και σε ταχύτητα, μικρές αυτόνομες συσκευές έρχονται να κατακτήσουν όλο και περισσότερους τομείς της καθημερινότητάς μας. Μονάδες με την ικανότητα της επεξεργασίας και της αποθήκευσης δεδομένων, της αίσθησης του περιβάλλοντος αλλά και της επικοινωνίας μεταξύ τους, ενσωματώνονται σχεδόν σε όλους τους τομείς δραστηριοποίησης του ανθρώπου. Ο τρόπος αυτό-οργάνωσης αυτών των κόμβων - μονάδων στα πλαίσια μεγάλων ασύρματων δικτύων αισθητήρων, και η συλλογή δεδομένων από μια ευρεία περιοχή, τους δίνει τη δυνατότητα λήψης αποφάσεων, πολλές φορές κρίσιμων, ανάλογα με τις επικρατούμενες συνθήκες. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά των δομικών στοιχείων των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων, σε συνδυασμό με τις υπηρεσίες της υψηλής και καθιερωμένης τεχνολογίας του συστήματος GPS (Global Positioning System) μπορούν να δημιουργήσουν έναν εκρηκτικό συνδυασμό και ερευνητικές ιδέες για ανάπτυξη αστικών εφαρμογών αυτοματισμού, στο πλαίσιο των λεγόμενων «έξυπνων πόλεων». Μέσα σε ένα απέραντο δίκτυο ασυρμάτων αισθητήρων, αποτελούμενο από χιλιάδες οντότητες, η ικανότητα του κάθε κόμβου να εντοπίζει την θέση του και να την μοιράζεται με τους υπόλοιπους, κερδίζει ολοένα και περισσότερο έδαφος ειδικά σε θέματα δρομολόγησης. Η χρήση της τεχνολογίας GPS από έναν κόμβο, αντικείμενο που μελετάμε στη παρούσα εργασία, μπορεί να οδηγήσει από την επιτυχή εφαρμογή του Geographical Routing σε ένα WSN, μέχρι την υλοποίηση απαιτητικών εφαρμογών για αντιγραφή κίνησης αλλά και δημιουργίας «έξυπνων αυτοκινητόδρομων» μέσα στους οποίους θα γίνεται αυτόματη πλοήγηση των κινητών υπό την επίβλεψη ενός μεγάλου WSN με κόμβους που συνεργάζονται με το σύστημα δορυφορικού εντοπισμού θέσης αλλά και μεταξύ τους. Όπως γίνεται άμεσα αντιληπτό, η παρούσα εργασία, που πραγματεύεται την σωστή συνεργασία και επικοινωνία ενός δικτύου ασυρμάτων αισθητήρων με την τεχνολογία GPS για την ιχνηλάτηση της πορείας ενός κινητού, μπορεί να δώσει μελλοντική τροφή για ενασχόληση σε πολλαπλά ερευνητικά επίπεδα. Η εργασία μας χωρίστηκε σε τρείς θεματικές ενότητες. Η πρώτη αφορά τον τομέα του WSN και του προγραμματισμού των κόμβων, για επικοινωνία με τους δορυφόρους, με τον υπολογιστή αλλά και μεταξύ τους, με τις απαραίτητες λειτουργικές εφαρμογές που κληθήκαμε να υλοποιήσουμε. Η δεύτερη αναφέρεται στην εργασία μας από την πλευρά του υπολογιστή, που λειτουργεί σαν συλλέκτης των δεδομένων του δικτύου, και τη σύνδεση του συστήματός μας με την πρότυπη εφαρμογή Google EarthTM για απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο της τροχιάς που ακολουθεί ένα κινητό. Η τρίτη ενότητα περιλαμβάνει εκτέλεση πειραμάτων χρήσης του συστήματος που σχεδιάσαμε και παράθεση οπτικοποιημένων αποτελεσμάτων, για την εύκολη εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων όσον αφορά στη λειτουργικότητά του. / The last few years we witness a striking paradox in the field of technology. While all humanity is seeking for more computing power, more storage capabilities and more proccessing speed, small autonomous devices have appeared to occupy more and more areas of our lives in the daily routine. Units with the capabilities of data proccessing, data storage, enviromental sensing and communication with each other, are incorporated in almost all areas of human activity. The way in which these nodes are self-organized into large Wireless Sensor Networks and their ability to collect data from a wide area, enables them in taking decisions, critical ones sometimes, according to the prevailing conditions. The above characteristics of the components of wireless sensor networks, combined with the services of the established and standard technology of the GPS (Global Positioning System) can create ideas for research and development of urban applications of automation in the so-called “smart cities”. In a vast network of wireless sensors, consisting of thousands of entities, the ability of each node to detect its position and share it with others, is gaining more and more ground especially in routing topics. The use of GPS technology from a node, which is one of the subjects we study in this thesis, could lead from the successful implementation of the Geographical Routing, to the implementation of more demanding applications for motion replication but also to creating “smart highways” through which mobiles will execute an automatic navigation, supervised by a large WSN consisting of nodes cooperating with the satellite positioning system and with each other. As is readily apparent, the present thesis which is dealing with the good cooperation and communication of a wireless sensor network with the GPS technology in order to trace the path of a mobile, can provide room for future involvement in multiple levels of research. Our work was divided into three thematic sections. The first concerns the field of WSN and node programming so that they can be able to communicate with satellites, with the computer and with each other, by installing them with the necessary functional applications that we had to implement. The second section refers to our work on the computer side, which acts as a network data collector, and the link of our system with the standard Google EarthTM application to display the path of a mobile in real – time. The third section includes conducting experiments using the system we designed. The results are visualised and listed for an easy extraction of usefull conclusions regarding the functionality of our system.

The localization of the sensor nodes is a fundamental issue in the area of wireless sensor networks (WSNs). An attractive way for estimating the location of mobile or static wireless objects is by using the received signal strength (RSS) attenuation with the distance, which does not require any additional hardware. This is possible due to the fact that in most sensor nodes radios the received signal strength indicator (RSSI) is a standard feature and can be obtained automatically by the received messages. On the other hand the RSS is known for being noisy, unstable, variable and difficult to use in practice. For achieving a better understanding of the nature of these difficulties and limitations, and for identifying the range of applicability of the RSS in localization and tracking scenarios, a thorough study about the RSS and its dependence on the various factors and environmental conditions is essential. The present doctoral dissertation investigates the feasibility of sensor node localization and target tracking with the resources of the WSN technology, when using only the RSS of the exchanged messages. Moreover, it offers experimental support to the hypothesis that proper modeling of the RSS behavior and appropriate selection of the topology parameters are essential for the applicability of WSN in real world conditions. In brief, the present doctoral dissertation concerns with: (i) identifying the main factors that influence the accuracy, the variability and the reliability of the obtained RSS, (ii) modeling the RF signal propagation in the context of WSNs, and (iii)defining the basic deployment constraints and evaluation of the topology parameters that can guarantee successful localization and tracking. For assessing the practical value of various RF-models, experiments using Tmote Sky and TelosB sensor nodes in real-field outdoor environment were carried out. The impact of a number of factors, such as the operating frequency of the radio, the transmitter–receiver distance, the variation of transceivers hardware due to manufacturing tolerances, the antenna orientation, and the environmental conditions, on the RSS was investigated. The influence of the various factors that affect the RF signal propagation and some constraints imposed by the WSN nature was accounted in order to design practical models, suitable for outdoor unobstructed and outdoor tree-obstructed environments. A pre-deployment simulation framework has been introduced and in its context a RF signal propagation-based connectivity strategy (RFCS) has been developed to fulfill three deployment provisions: (i) discovering the most appropriate height from the ground and distances for the sensor nodes, (ii) reducing the transmission power, and (iii) minimizing the interference from non-neighbor nodes. The RFCS uses a RF signal propagation model to predict the RSS in order to identify the most appropriate communication-based deployment parameters, i.e. T-R distance, height from the ground and transmission power. The localization and tracking considerations, by means of localization and tracking techniques, topology parameters and factors influencing the localization and tracking accuracy, are combined in illustrative simulation examples to evaluate their significance concerning the performance of the localization and tracking task. Furthermore, the propagation model and the topology parameters being identified were validated in real outdoor sensor node localization and target tracking tests. / -

Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή επικεντρώνεται στην μελέτη της παράκτιας ζώνης της νήσου Λέρου στο Νοτιοανατολικό Αιγαίο, παρουσιάζοντας τα αποτελέσματα της ερμηνείας των γεωφυσικών στοιχείων που συλλέχθηκαν από το Εργαστήριο Θαλάσσιας Γεωλογίας και Φυσικής Ωκεανογραφίας (Ε.ΘΑ.ΓΕ.Φ.Ω.) τον Ιούνιο του 2011. Η έρευνα φιλοδοξεί να συνεισφέρει στην ανάδειξη της υποθαλάσσιας πολιτιστικής και φυσικής κληρονομιάς του νησιού, καθώς η συλλογή, επεξεργασία και ερμηνεία του συνόλου των δεδομένων επέτρεψε την αναγνώριση και την λεπτομερή χαρτογράφηση υποθαλάσσιων στόχων μεγάλης ιστορικής και περιβαλλοντικής σημασίας. Ως εκ τούτου, η διατριβή κινείται σε δύο κατευθύνσεις. Η πρώτη κατεύθυνση αφορά στον εντοπισμό στόχων πιθανής ιστορικής σπουδαιότητας που εντοπίστηκαν στην επιφάνεια του πυθμένα ενώ η δεύτερη κατεύθυνση αφορά στον εντοπισμό και την αποτύπωση βιογενών σχηματισμών και συγκεκριμένα λειμώνων P. Oceanica και ασβεστιτικών ροδοφυκών (corallegene formations). Οι θαλάσσιες έρευνες πραγματοποιήθηκαν σε δύο διακριτά στάδια, στην συστηματική αποτύπωση του πυθμένα με ηχοβολιστή πλευρικής σάρωσης (EG&G 272 TD) και την οπτική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της ηχοβολιστικής αποτύπωσης με σύστημα συρόμενης υποβρύχιας κάμερας. Η ανάλυση και επεξεργασία των ηχογραφιών οδήγησε στον εντοπισμό ναυαγίων που συνδέονται με τη Μάχη της Λέρου (9-10/1943), ένα από τα σημαντικότερα πολεμικά γεγονότα που έλαβαν χώρα κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου πολέμου, στην ανατολική Μεσόγειο και τα οποία αποτελούν πολύτιμα ιστορικά στοιχεία σε παγκόσμια κλίμακα, μεταξύ των οποίων το βυθισμένο ελληνικό αντιτορπιλικό Βασίλισσα ‘Ολγα (D15). Στο πλαίσιο της δεύτερης κατεύθυνσης εντοπίστηκαν και χαρτογραφήθηκαν οι λειμώνες P. Oceanica και οι σχηματισμοί των ασβεστιτικών ροδοφυκών σχεδόν ανά όρμο περιμετρικά της νήσου. Η σχεδίαση των αντιστοίχων υποθαλάσσιων θεματικών χαρτών της παράκτιας ζώνης της Λέρου αναμένεται να αποτελέσουν ένα σημαντικό εργαλείο στην προστασία και στην ανάδειξη της σημαντικής υποθαλάσσιας ιστορικής και φυσικής κληρονομιάς του νησιού / The present study describes the submarine geophysical survey which was carried out in Leros Island, Aegean Sea and presents the results of the geophysical data analysis. The data were collected by the Laboratory of Marine Geology & Physical Oceanography, department of Geology, University of Patras during the period 11-17 June 2011. The research aims to contribute to the enhancement of underwater cultural and natural heritage of the island, as the collection, processing and interpretation of all of the data has allowed the identification of underwater targets of great historic and environmental importance. Geophysical survey in Leros Island, using a side scan sonar (EG&G 272 TD), coupled with ground-truthing by deploying a Towing Camera System of historic shipwrecks from World War II and of the major seabed habitats, namely Posidonia oceanica and coralligène formations. The survey revealed a great number of shipwrecks associated with the Battle of Leros (9-10/1943), one of the most important military events that took place during the World War II, in the Eastern Mediterranean which are considered as valuable historic data on a global scale, including the sunken Greek destroyer Queen Olga (D15). The design of the thematic maps of the coastal zone of Leros is expected to become an important tool in both protecting and promoting the significant underwater cultural and natural heritage of the island.

Αντικείμενο αυτής της μεταπτυχιακής εργασίας είναι ο εντοπισμός της ύπαρξης μιας κυρίαρχης ευρείας ζώνης ισοτροπικής πηγής κι η εκτίμηση των συντεταγμένων θέσης αυτής, όταν αυτή βρίσκεται σ’ έναν τρισδιάστατο ή δισδιάστατο χώρο, ο οποίος εποπτεύεται και παρακολουθείται από ένα δίκτυο τυχαία διασκορπισμένων αισθητήρων. Οι κόμβοι του δικτύου μπορούν να περιέχουν ακουστικά, παλμικά κι άλλου είδους μικροηλεκτρομηχανολογικά στοιχεία αίσθησης του περιβάλλοντος. Κατά την αίσθηση ενός γεγονότος ενδιαφέροντος μπορούν να αυτοοργανωθούν σ’ ένα συγχρονισμένο ασύρματο ραδιοδίκτυο χρησιμοποιώντας χαμηλής κατανάλωσης πομποδέκτες spread spectrum, ώστε να επικοινωνούν μεταξύ τους και με τους κεντρικούς επεξεργαστές. Ο εντοπισμός της ύπαρξης μιας κυρίαρχης πηγής σ’ ένα δίκτυο αισθητήρων, με τα παραπάνω χαρακτηριστικά, επιτεύχθηκε με τη χρήση μιας τυφλής μεθόδου μορφοποίησης λοβού, γνωστή ως μέθοδος συλλογής της μέγιστης ισχύος. Η μέθοδος αυτή, η οποία υλοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας, παρέχει τις εκτιμήσεις των σχετικών χρόνων καθυστέρησης άφιξης του σήματος της κυρίαρχης πηγής στους αισθητήρες του δικτύου ως προς έναν αισθητήρα αναφοράς. Κύριο αντικείμενο μελέτης αυτής της εργασίας είναι ο υπολογισμός του κυρίαρχου ιδιοδιανύσματος του δειγματοληπτημένου πίνακα αυτοσυσχέτισης. Αυτό επιτυγχάνεται στη βιβλιογραφία που μελετήθηκε είτε με χρήση της δυναμικής μεθόδου είτε με χρήση της μεθόδου ιδιοανάλυσης. Ανά στιγμιότυπο δειγμάτων απαιτείται η ανανέωση του πίνακα αυτοσυσχέτισης κι ο υπολογισμός του κυρίαρχου ιδιοδιανύσματος. Όμως, οι δύο παραπάνω μέθοδοι για τον υπολογισμό αυτό χρειάζονται αυξημένη πολυπλοκότητα μιας κι η διάσταση του πίνακα είναι αρκετά μεγάλη. Η συνεισφορά της εργασίας αυτής έγκειται στη μείωση αυτής της πολυπλοκότητας με τη χρήση μιας προσαρμοστικής μεθόδου υπολογισμού του κυρίαρχου ιδιοδιανύσματος. Τέλος, αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι και το πρόβλημα εντοπισμού και παρακολούθησης των συντεταγμένων θέσης της κυρίαρχης πηγής από τις εκτιμήσεις των σχετικών χρόνων καθυστέρησης άφιξης. / Object of this postgraduate work are the detection of presence of an isotropic wideband dominant source and the estimate of its coordinates of placement (localization), when the source is found in a three or two dimensional space, which is supervised and watched by a randomly distributed sensor network. The nodes of the network may contain acoustical, vibrational and other MEM-sensing (Micro-Electro-Mechanical) elements. Upon sensing an event of interest, they can self-organize into a synchronized wireless radio network using low-power spread-spectrum transceivers to communicate among themselves and central processors. The detection of presence of a dominant source in a sensor network, with the above characteristics, was achieved with the use of a blind beamforming method, known as the maximum power collection method. This method, which was implemented in the context of this work, provides estimates of the relative time delays of arrival (relative TDEs - Time Delay Estimations) of the dominant source’s signal to the sensors of the network referenced to a reference sensor. The main object of study of the work is the calculation of the dominant eigenvector of the sampled correlation matrix. This is achieved, in the bibliography that was studied, either by using the power method or with use of the SVD method (Singular Value Decomposition). Per snapshot of samples it is required to update the autocorrelation matrix and to calculate the dominant eigenvector. However, the above two methods for this calculation have an increased complexity because the dimension of the matrix is high enough. The contribution of this work lies in the reduction of that complexity by using an adaptive method for the dominant eigenvector calculation. Finally, this work also focuses on the problem of localization and tracking of the coordinates of placement of the dominant source from the estimates of the relative time delays of arrival.