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.

Η τεχνολογία της αναγνώρισης και παρακολούθησης αεροσκαφών βρίσκει ποικίλες εφαρμογές σε όλους τους τομείς της αεροναυσιπλοΐας, πολιτικούς και στρατιωτικούς, από τον έλεγχο και τη ρύθμιση της εναέριας κυκλοφορίας σε πολιτικά αεροδρόμια έως το χειρισμό και την καθοδήγηση αντιαεροπορικών όπλων για στρατιωτικούς σκοπούς (π.χ. το σύστημα TAS του αντιαεροπορικού συστήματος MIM-23B Hawk). Έως σήμερα, γνωστές μέθοδοι υλοποίησης αποτελούν οι ραδιοεντοπιστές (radar), οι υπέρυθρες και οι θερμικές κάμερες, τα οποία είναι εγκατεστημένα σε επίγειους σταθμούς, σε κινούμενες μονάδες και σε αεροσκάφη. Το σύστημα που δημιουργήθηκε και θα παρουσιαστεί στην παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια εναλλακτική μέθοδο υλοποίησης της αναγνώρισης και της παρακολούθησης ιπτάμενων αντικειμένων, που εκμεταλλεύεται το οπτικό φάσμα με τη χρήση μιας οπτικής κάμερας ενσωματωμένης σε ένα σερβοκινητήρα. Σε σημεία όπου είναι δύσκολο να εφαρμοσθεί κάποια άλλη τεχνολογία ή σε σημεία που δεν καλύπτονται από άλλες συσκευές ανίχνευσης (π.χ. radar), η συσκευή μας προσφέρει όμοιες υπηρεσίες και συμπληρώνει πιθανά χάσματα ακάλυπτων περιοχών. Συγκεκριμένα, μέσω του λογισμικού που έχει αναπτυχθεί, όταν κάποιος στόχος (αεροσκάφος) εισέλθει στο οπτικό πεδίο της κάμερας, ανιχνεύεται και αναγνωρίζεται. Στη συνέχεια ο σερβοκινητήρας παρακολουθεί τον στόχο τροφοδοτούμενος με δεδομένα της θέσης και της ταχύτητάς του, ενώ βρίσκεται σε συνεχή επικοινωνία με την κάμερα. Όλα τα παραπάνω έχουν αναπτυχθεί ώστε να λειτουργούν σε συνθήκες πραγματικού χρόνου. Παρά την απουσία μιας θεωρητικής παρουσίασης ή μιας ολοκληρωμένης λύσης οπτικής αναγνώρισης και παρακολούθησης αεροσκαφών, η αναζήτηση και μελέτη της διεθνούς βιβλιογραφίας μας έδωσε το θεωρητικό υπόβαθρο για την κατανόηση του προβλήματος και ταυτόχρονα τη δυνατότητα να συνδυάσουμε τεχνικές και μεθόδους για την επίτευξη του στόχου μας. Για την επιτυχή αναγνώριση και παρακολούθηση των στόχων δημιουργήθηκαν διάφορα μοντέλα προσομοίωσης για τον έλεγχο της συμπεριφοράς μεμονομένων χαρακτηριστικών. Συγκεκριμένα, στο υποσύστημα της αναγνώρισης του στόχου μοντελοποιήθηκε αρχικά μια μέθοδος εξαγωγής της θέσης βασισμένη στο χρώμα του στόχου σε περιβάλλον Matlab/Simulink. Στη συνέχεια η ίδια μέθοδος μεταφέρθηκε σε περιβάλλον LabVIEW για να εμπλουτισθεί με διάφορες άλλες μεθόδους βασισμένες σε ένα σύνολο από χαρακτηριστικά που θα αναλυθούν στη συνέχεια. Το τελικό μοντέλο αποτελεί συνδυασμό των μεθόδων του αθροίσματος απολύτων διαφορών, της οπτικής ροής, της εξαγωγής χρωματικών και σχηματικών χαρακτηριστικών, της κανονικοποιημένης εττεροσυσχέτισης και άλλων λογικών μεθόδων και βελτιστοποιήσεων τους. Για την επίτευξη μιας επιτυχυμένης παρακολούθησης ενός “κλειδωμένου” στόχου, δοκιμάστηκαν και έγιναν πολλές προσομοιώσεις με διαφορετικούς τύπους ελεγκτών. Συγκεκριμένα η δυναμική του μοντέλου που δημιουργήθηκε, εξαρτάται από ένα συνδυασμό ελεγκτών θέσεως, ταχύτητας και άλλων παραμέτρων. Αυτά εξασφαλίζουν ένα ευσταθές και γραμμικοποιημένο σύστημα παρακολούθησης, ικανό να παρακολουθήσει οποιοδήποτε στόχο με τη προϋπόθεση ότι τα χαρακτηριστικά του στόχου καθώς και η κατάστασή του (θέση, ταχύτητα κτλ.), ικανοποιούν τις απαιτήσεις του αλγορίθμου αναγνώρισης και είναι μέσα στις εργοστασιακές δυνατότητες του συστήματος. Το μοντέλο αυτό αναπτύχθηκε και υλοποιήθηκε σε περιβάλλον LabVIEW, όπως και οι μετρήσεις και προσομοιώσεις που έγιναν πάνω σε αυτό. Όλες οι παραπάνω μέθοδοι συνεργάζονται και είναι ικανοί να δώσουν ακριβή αποτελέσματα θέσης πραγματικών στόχων κατά τη διάρκεια της ημέρας ακόμα και κάτω από δύσκολες συνθήκες (όπως συννεφιά, χαμηλή φωτεινότητα, παρεμβολή αντικειμένων) σε πραγματικό χρόνο. Η ακραία μεταβολή των περιβαλλοντικών συνθηκών θα επηρρέαζε οποιοδήποτε οπτικό σύστημα, συνεπώς και το παρόν. Περιγραφή των παραγόντων που επηρρεάζουν το σύστημά μας θα γίνει στη συνέχεια. / The technology of aircraft recognition and tracking applies in various applications in all areas of air navigation, civil and military, from air traffic control and regulation at civilian airports to anti-aircraft weapon handling and guidance for military purposes (e.g the TAS system of MIM-23B Hawk anti-aircraft system). To date, known methods of implementation are the radar, infrared and thermal cameras, which are installed at ground stations, in moving plants and aircrafts. The system that was created and is presented in this thesis is an alternative implementation of identifying and tracking flying objects, which operates in the optical spectrum using an optical camera built into a servomotor (pan-tilt unit – PTU). In regions where is difficult for one technology to be applied or in areas that are not covered by other detection devices (e.g. radar), our device offers similar services and complements potential gaps that arise by uncovered areas. Specifically, through the software we developed, when a target (aircraft) enters the field of view of our camera, it is detected and identified. Then the PTU, fed with data of target position and velocity, tracks the aircraft while keeps in constant communication with the camera. All the above have been developed to operate in real time. Despite the lack of a theoretical presentation or a complete solution of optical aircraft recognition and tracking, search and study of literature has given us the theoretical background for understanding the problem and making it possible to combine techniques and methods to achieve our goal. For the successful identification and monitoring of the targets, various simulation models were created to control the behavior of isolated features. Specifically, for the target recognition subsystem a method for extraction of the position based on the color of the target was initially modeled in Matlab/Simulink environment. Then the same method was implemented in LabVIEW to be enriched with several other methods based on a set of features that will be discussed below. The final model is a combination of the sum of absolute differences between two images, the extraction of color and shape profiles, the normalized cross-correlation and other logical methods and their optimizations. In order a successful tracking of a “locked” target to be achieved, there have been many tests and carried out many simulations with different types of controllers. Specifically, the dynamic of the model which was created, depends on a combination of position/velocity controllers and other parameters. These provide a stable and linearized tracking system, capable to follow any target under the condition that the characteristics of the target and its current status (position, speed, etc.) meet the requirements of the recognition algorithm and is within the capabilities of the system. The model was developed and implemented in the LabVIEW environment, as well as measurements and simulations were carried out in it. All these methods work and are able to give accurate results of the position of real targets during the day, even under difficult circumstances (such as clouds, decreased sky brightness etc) in real time. The extreme variation of environmental conditions would affect any optical system and hence could affect ours as well. Description of the factors that affect our system will be presented.

Οι ενσωματωμένες συσκευές αποτελούν μια κατηγόρια υπολογιστών ειδικού σκοπού με ραγδαία αύξηση τα τελευταία χρόνια. Σε αντίθεση με τους γνωστούς σε όλους υπολογιστές γενικού σκοπού που μπορούν να επιτελέσουν σχεδόν οποιαδήποτε λειτουργία, οι ενσωματωμένες συσκευές επιτελούν μόνο συγκεκριμένες λειτουργίες, οι οποίες είναι προκαθορισμένες κατά τον σχεδιασμό τους. Η διαχείριση τέτοιων και μη συσκευών αποτελεί ένα τεράστιο κεφάλαιο αφού η διαφορετικότητα των λειτουργιών τους, δημιουργεί ένα διαφορετικό τρόπο αντιμετώπισης τους κατά την πρακτική της διαχείρισης. Υπάρχει περιορισμός στα διαθέσιμα εργαλεία για την διαχείριση όλων των ενσωματωμένων συστημάτων με ένα εργαλείο, αλλά η ερεύνα μας επικεντρώνεται στη διαχείριση οικογενειών τέτοιων συσκευών με κριτήριο τη λειτουργία του ειδικού σκοπού που επιτελούν. Σκοπός λοιπόν της εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη λογισμικού για την ομαδική διαχείριση οικογένειας ενσωματωμένων συσκευών και κοινών υπολογιστών γενικού σκοπού οπουδήποτε λειτουργικού συστήματος. Η συνεισφορά της υπάρχουσας εργασίας συνοψίζεται στις εξής συνιστώσες: 1. Οι ενσωματωμένες συσκευές στις οποίες επικεντρωθήκαμε αφορούν δικτυακές συσκευές (ασύρματες ή ενσύρματες) πολλών λειτουργιών (Access Points, Clients, Repeaters,Points to Points, WDS, Transparent Clients, Routers). 2. Το λογισμικό για υπολογιστές ειδικού σκοπού που δημιουργήθηκε μπορεί να εκτελεστεί τόσο σε λειτουργικά συστήματα MS Windows όσο και σε *ΝΙΧ. 3. Η ανάπτυξη του λογισμικού έγινε βάση του συστήματος ORSM, το οποίο είναι ένα εργαλείο ανοικτού κώδικα για την απομακρυσμένη διαχείριση συστημάτων και δικτύων. (Με αστερίσκο * τόσο στα περιεχόμενα όσο και στο κύριο μέρος της εργασίας δείχνουμε τις δυνατότητες του νέου λογισμικού σε σχέση με το σύστημα ORSM). Συνοπτικά οι δυνατότητες διαχείρισης αφορά τις παρακάτω λειτουργίες: • Ανακάλυψη περιουσιακών στοιχείων (Inventory Process). • Παρακολούθηση απόδοσης συστημάτων (Monitoring). • Εγκατάσταση και απεγκατάσταση λογισμικού (Software Deployment). • Απομακρυσμένο έλεγχο (Remote Desktop). • Εκτέλεση εντολών κελύφους (Remote Command). / An embedded system is a special-purpose computer system designed to perform one or a few dedicated functions, often with real-time computing constraints. It is usually embedded as a part of a complete device including hardware and mechanical parts. In contrast, a general-purpose computer, such as a personal computer, can do many different tasks depending on programming. Embedded systems control many of the common devices in use today. Managing infrastructure with such devices (embedded and general purpose computers) is usually demanding and expensive but nevertheless essential for organizations. There is a limit in tools which achieve effective management to those infrastructure topologies. At present, open management solutions are few and immature however there are tools such as OpenRSM aiming to deliver lightweight, remote and customizable management, easily customizable to cover the needs of small organizations. OpenRSM implements a generic management framework that models generalized use cases that can be exploited by users to adapt the tool to their needs. However, given maturity of the tool, it is unclear how easy it would be for users to extend it in order to include management of new types of devices. As network environments grow to digital ecosystems, the management targets increase in number and diversity. Wireless active elements, handheld systems or embedded devices are becoming common and need to be brought under standard management practices in the same manner as routers or workstations. This paper describes how the OpenRSM management functionality can be extended in order to provide customizable management of embedded devices and more specifically of wireless access points (the symbol * shows the new extension of ORSM). In general the management capabilities which are embed to OPENRSM system and target to wireless active elements are: (Inventory process, monitoring, firmware upgrade, save/reload configuration settings, remote commands, and discovery process).

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.