Persistent Scatterer Interferometry (PSI) is a group of advanced differential interferometric SAR techniques that are used to measure and monitor terrain deformation. Different PSI techniques have been proposed in the last two decades. In this thesis, the two PSI chains implemented and used at the Geomatics division of CTTC are described: the local area PSI and the PSIG chains. The first part of the thesis is devoted to the local area PSI chain, used to analyse the deformations over small areas. The chain includes a linear deformation model to directly deal with interferometric wrapped phases. Moreover, it does not directly involve the estimation of the APS, thus simplifying the procedure and its computational cost. The chain has been tested using different types of SAR data. The availability of high resolution X-band SAR data has led to an improvement of the PSI results with respect to C-band data. The higher image resolution and phase quality implies an increase of the PS density, an improvement in the estimation precision of the residual topographic error and a higher sensibility to very small deformations, including the displacements caused by thermal dilation. An extension of the classical PSI linear deformation model has been proposed, to account for the thermal dilation effects. This allows obtaining a new PSI outcome, the thermal dilation parameter, which opens new interesting applications since it provides information on the physical properties of single objects, i.e. the coefficient of thermal expansion, and the static structures of the same objects. The second part of the thesis describes the PSIG chain, whose aim was to extend the interferometric processing to wider areas. The ability to cover wide areas is essential to obtain a unique and consistent deformation monitoring for the available SAR image full scenes, i.e. typically 30 by 50 km for TerraSAR-X, 40 by 40 km for CosmoSkyMed and 100 by 100 km for ASAR ENVISAT and ERS. This is particularly important for the forthcoming C-band Sentinel SAR data that will cover 250 by 250 km with a single image scene. The key steps of the PSIG procedure include a new selection of candidate PSs based on a phase similitude criteria and a 2+1D phase unwrapping algorithm. The procedure offers different tools to control the quality of the processing steps. It has been successfully tested over urban, rural and vegetated areas using X-band PSI data. The performance of the PSIG chain is illustrated and discussed in detail, analysing the procedure step by step. / Persistent Scatterer Interferometry (PSI) és un grup de tècniques avançades d'interferometria diferencial SAR que s'utilitzen per mesurar i monitoritzar deformacions del terreny. Durant les últimes dues dècades s’han proposat diverses tècniques PSI. En aquesta tesi es descriuen les dues cadenes PSI implementades i utilitzades en la divisió de Geomàtica del CTTC: la cadena PSI d’àrea local i la cadena PSIG. La primera part de la tesi està dedicada a la cadena PSI d’àrea local, que s'utilitza per analitzar deformacions en zones d’extensió limitada. La cadena inclou un model de deformació lineal per tractar directament amb les fases interferomètriques wrapped. En canvi, no estima directament la component atmosfèrica, cosa que simplifica el procediment i el seu cost computacional. La cadena s’ha provat sobre diferents tipus de dades SAR. La disponibilitat de dades SAR d’alta resolució en banda X ha donat lloc a una millora dels resultats del PSI respecte a les dades en banda C. La resolució més gran de la imatge i la qualitat de la fase impliquen un augment de la densitat de PS, una millora en la precisió de l'estimació de l'error topogràfic residual i una sensibilitat més alta a deformacions subtils, incloent-hi els desplaçaments causats per la dilatació tèrmica. Per tenir en compte els efectes de la dilatació tèrmica, s'ha proposat una extensió del model PSI clàssic que ens permet obtenir un nou producte PSI: el paràmetre de dilatació tèrmica. Aquest paràmetre obre noves aplicacions interessants: proporciona informació relacionada amb les propietats físiques dels objectes mesurats –com el coeficient d'expansió tèrmica– i amb la seva pròpia estructura estàtica. La segona part de la tesi descriu la cadena PSIG, l'objectiu de la qual és estendre el processament interferomètric a àrees més extenses. La capacitat de cobrir àrees grans és fonamental per obtenir un únic mapa global de deformacions que sigui consistent i cobreixi l’extensió sencera de les imatges SAR disponibles, de 30 km per 50 km per TerraSAR-X, de 40 km per 40 km per CosmoSkyMed i de 100 km per 100 km per ASAR-ENVISAT i ERS. Això és particularment important tenint en compte la propera disponibilitat de les dades del satèl•lit Sentinel, que opera en banda C i cobrirà 250 km per 250 km amb una sola imatge. Els passos clau del procediment PSIG són una nova selecció de PS candidats en base a un criteri de similitud de fase i un algoritme de 2+1D phase unwrapping. El procediment ofereix diferents eines per controlar la qualitat dels diferents passos del processament. La cadena PSIG s’ha utilitzat amb èxit en àrees urbanes, rurals i amb vegetació utilitzant dades PSI en banda X. El funcionament de la cadena PSIG s'il•lustra i es descriu en detall, analitzant el procediment pas a pas.

En aquesta tesis, es proposarà, com a solució per al disseny d’etapes d’elevat guany en aplicacions fotovoltaiques, la connexió en cascada d’elements canònics per al processat de potència basats en el convertidor elevador boost treballant sota un control en mode lliscant. Els tres elements canònics per al processat de potència són el transformador de corrent continu (CC), el girador de CC i el Loss-Free Resistor (LFR) o resistor lliure de pèrdues. La connexió en cascada de dos convertidors elevadors s’ha realitzat mitjançant diferents enfocs: dos elements canònics idèntics, dos elements canònics diferents i també mitjançant una única superfície de lliscament per controlar els dos convertidors. Les diferents connexions s’han comparat en termes de prestacions dinàmiques, estabilitat y temps d’establiment. Es podrà veure que la connexió en cascada de dos LFR és la millor opció per les aplicacions citades en termes de prestacions dinàmiques i estabilitat. La connexió en cascada de dos LFR s’aplicarà per la implementació d’una etapa d’adaptació d’impedàncies entre un generador fotovoltaic i un bus de tensió continua de 380 V. Per fer-ho s’utilitzarà un sistema MPPT basat en un algoritme de control extremal. Es modelarà la dinàmica ideal en mode lliscant d’ordre reduït a partir del model complet commutat tenint en compte les restriccions del mode lliscant, la característica no lineal del generador fotovoltaic i la dinàmica del control MPPT. A més a més, la connexió en cascada de dos LFR s’utilitzarà per inyectar la potència provinent d’un generador PV a una xarxa de corrent altern . A continuació, es durà a terme una comparació entre la connexió en cascada de dos LFR i dos convertidors amb guany elevat: el convertidor Z-source i un convertidor basat amb inductors acoblats. Aquests convertidors s’analitzaran per tal d’identificar els avantatges i els desavantatges de cada topologia en front a la connexió en cascada de dos LFR. La comparació es farà en termes de volum, nombre de components, prestacions dinàmiques, estabilitat i rendiment. Finalment, els dos LFR connectats en cascada s’utilitzaran per dissenyar una nanoxarxa formada per n LFR connectats en paral•lel que actuaran com etapa adaptadora entre n generadors fotovoltaics i un bus de CC de 380 V. Cada generador fotovoltaic es connectarà al bus de CC utilitzant dos LFR en cascada de forma que els n sistemes tindran els seus ports de sortida connectats en paral•lel. A més a més, es connectarà una bateria al sistema a través d’un convertidor bidireccional que serà l’encarregat de regular la tensió del bus de CC de la nanoxarxa. En el marc d’aquesta tesis s’han implementat diferents prototipus experimentals per tal de validar els anàlisis teòrics i les simulacions numèriques efectuades. / En esta tesis, se propondrá, como solución para el diseño de etapas de elevada ganancia en aplicaciones fotovoltaicas, la conexión en cascada de elementos canónicos para el procesado de potencia basados en el convertidor elevador boost trabajando bajo un control en modo deslizante. Los tres elementos canónicos para el procesado de potencia son el transformador de corriente continua (CC), el girador de CC y el Loss-Free Resistor (LFR) o resistor libre de pérdidas. La conexión en cascada de dos convertidores elevadores se ha realizado mediante diferentes enfoques: dos elementos canónicos idénticos, dos elementos canónicos diferentes y también mediante una única superficie de deslizamiento para controlar los dos convertidores. Las diferentes conexiones se han comparado en términos de prestaciones dinámicas, estabilidad y tiempo de establecimiento. Se podrá ver que la conexión en cascada de dos LFR es la mejor opción para las aplicaciones citadas en términos de prestaciones dinámicas y estabilidad. La conexión en cascada de dos LFR se utilizará en la implementación de una etapa de adaptación de impedancias entre un generador fotovoltaico y un bus de CC de 380 V. Para ello se utilizará un sistema MPPT basado en un algoritmo de control extremal. Se modelará la dinámica ideal deslizante de orden reducido a partir del modelo completo conmutado teniendo en cuenta les restricciones del modo deslizante, la característica no lineal del generador fotovoltaico y la dinámica del control MPPT. Además, la conexión en cascada de dos LFR se utilizará para inyectar la potencia proporcionada por un generador PV a una red de corriente alterna. A continuación, se llevará a cabo una comparación entre la conexión en cascada de dos LFR y dos convertidores con ganancia elevada: el convertidor Z-source y un convertidor basado en inductores acoplados. Estos convertidores se analizarán para identificar las ventajas y desventajas de cada topología frente a la conexión en cascada de dos LFR. La comparación se hará en términos de volumen, número de componentes, prestaciones dinámicas, estabilidad y rendimiento. Finalmente, los dos LFR conectados en cascada se utilizarán para diseñar una nano-red formada por n LFR conectados en paralelo que actuarán como etapa adaptadora entre n generadores fotovoltaicos y un bus de CC de 380 V. Cada generador fotovoltaico se conectará al bus de CC utilizando dos LFR conectados en cascada de forma que los n sistemas tendrán sus puertos de salida conectados en paralelo. Además, se conectará una batería al sistema a través de un convertidor bidireccional que será el encargado de regular la tensión del bus de CC de la nano-red. En el marco de esta tesis se han implementado diferentes prototipos experimentales para validar los análisis teóricos y las simulaciones numéricas efectuadas. / In this thesis, cascaded boost converters based on canonical elements under Sliding Mode Control (SMC) will be used as a solution for the high gain conversion ratio in PV applications. The three basic canonical elements for power processing are the DC-transformer, the DC-gyrator and the Loss Free resistor (LFR). Two cascaded boost converters will be synthesized based on one or two canonical elements using single or double sliding surfaces respectively. Different connections will be compared in terms of dynamic performance, stability, and settling time. It will be shown that the two cascaded LFRs is the best candidate for these kinds of applications in terms of dynamic performance and stability. The two cascaded LFRs will be applied to make an impedance matching between a PV generator and a DC voltage bus of 380 V. Maximum Power Point Tracker (MPPT) that employs an extremum-seeking control algorithm will be used. The ideal reduced-order sliding-mode dynamics model will be derived from the full-order switched model taking into account the sliding constraints, the nonlinear characteristic of the PV module and the dynamics of the MPPT controller. Moreover, the two cascaded LFRs will be used to connect a PV panel and AC distribution system. A comparison with other alternative converters for high gain conversion ratio will be carried out. The Z-source converter and the high step-up converter based on coupled-inductor are selected in order to make this comparison. These converters will be analyzed in order to address the advantages and disadvantages of each topology to be compared with the two cascaded LFRs in terms of volume, number of components, dynamic performance, stability and efficiency. Then, the two cascaded LFRs system will be used to synthesize a nanogrid consisting of n output paralleled two-stage boost converters which are used to connect n PV panels to a DC voltage bus of 380 V. Each PV panel is connected to the DC bus using two-stage cascaded LFRs and the n systems are connected in parallel at the output side which is then used as an interface between the panels and the DC grid. Moreover, a storage battery will be connected to the grid as a backup for the DC bus through a bidirectional converter and also for regulating the voltage of the DC bus. The thesis includes experimental implementations for validating the theoretical analysis and the numerical simulations.

Las antenas de tipo reflectarray han despertado interés en aplicaciones como las comunicaciones por satélite, lo que justifica el esfuerzo por desarrollar técnicas para su diseño. Esta tesis aborda los dos aspectos de este problema: la solución de la síntesis de fase que proporcione la respuesta buscada en el diagrama de radiación, y el diseño de los elementos que componen el reflectarray que deberán sintetizar la distribución de fases mencionada. Se han analizado distintos métodos heurísticos para resolver la síntesis de fase y los estudios paramétricos demuestran que, para el problema que aquí se trata, hay dos métodos sensiblemente más eficaces: la optimización con enjambre de partículas y el recocido simulado. El problema de análisis y diseño de los elementos que componen el reflectarray se ha abordado mediante un método de análisis electromagnético basado en el gradiente conjugado en combinación con la FFT. Se han propuesto modificaciones de las estructuras tradicionales tales como las anillas concéntricas, las estructuras evolutivas parche-anillo o las estructuras híbridas anillo-parche. Se ha realizado el diseño y medida de varios prototipos con objeto de comprobar experimentalmente el correcto funcionamiento del proceso de diseño y de las geometrías estudiadas. / The reflectarray antennas have attracted interest in applications such as satellite communications. This justifies the effort in the development of techniques for their design. This thesis approaches the two different issues of the problem: the solution of phase synthesis to obtain the desired radiation pattern, and the design of the reflectarray elements to synthesize the required phase distribution. Different heuristic methods to solve the phase synthesis have been analyzed and parametric studies have been carried out, making it possible to demonstrate that, for the problem at hand, there are two methods more efficient: Particle Swarm Optimization and Simulated Annealing. The problem concerning the analysis and design of the reflectarray elements has been addressed by an electromagnetic analysis method based on the Conjugate Gradient algorithm in combination with the FFT. Some modifications of classic structures have been proposed such as the concentric rings, evolutionary patch-ring structures or ring-patch hybrid structures. The design and measurement of several prototypes has been carried out in order to check experimentally the proper operation of the design process and the geometries studied.

En aquesta tesi doctoral es presenta un mètode sistemàtic per a la síntesi de giradors de potència. A partir d'aquest mètode s'han generat i classificat diverses estructures giradores. Cadascun d'aquests giradors, que poden tenir característiques diferents, pot ser útil en diferents aplicacions.Des d'un punt de vista circuital, es tracta d'una estructura de dos ports que es caracteritza per algun d'aquests dos grups d'equacions: 1) I1=gV2, I2=gV1 , 2) V1=rI2, V2=rI1, on I1, V1, i I2, V2 són els valors en contínua corresponents als valors de tensió i corrent als ports d'entrada i sortida respectivament, essent g (r) la conductància (resistència) del girador.En aquesta tesi, les estructures giradores de potència s'han classificat en funció de com transformen una font d'excitació al port d'entrada en la seva representació dual al port de sortida. Segons aquesta classificació es poden distingir tres tipus de giradors: 1) girador de potència de tipus G, 2) girador de potència de tipus G amb corrent d'entrada controlada i 3) giradors de potència de tipus R. Les categories 1 i 2 són les dues possibles solucions de síntesi de les equacions (1), mentre que la categoria 3 correspon a la solució de síntesi de les equacions (2).A més a més, no existeixen estudis sistemàtics on basant-se en les equacions de definició s'arribi finalment a una verificació experimental. En aquesta tesi es presenta el disseny i anàlisi dels giradors que s'han presentat. L'anàlisi cobreix exhaustivament l'estudi tant del comportament dinàmic com estàtic dels giradors presentats. Aquests giradors es poden considerar com estructures canòniques per al processat de potència.A més a més, es presenten algunes funcions bàsiques del processat de potència realitzades amb giradors de potència. Com per exemple: conversió tensió-corrent, corrent-tensió, adaptació d'impedàncies i regulació de tensió.Les característiques de cada girador depenen no només de la topologia convertidora sinó també del funcionament del control del convertidor. S'han investigat dos tècniques de control: el control en mode lliscant i el control no lineal basat en dinàmica zero. Per tant, les estructures giradores proposades poden treballar tant a freqüència constant com a freqüència variable.Finalment s'han verificat les previsions teòriques mitjançant simulació i verificació experimental. / In this thesis, a systematic approach to the synthesis of power gyrators is presented. Based on this approach, several gyrator structures can be generated and classified. Each of these gyrators has its own features and is suitable of different applications.From a circuit standpoint, a power gyrator is a two-port structure characterized by any of the following two set of equations: 1) I1=gV2, I2=gV1 , 2) V1=rI2, V2=rI1, where I1, V1, and I2, V2 are DC values of current and voltage at input and output ports respectively and g ( r ) is the gyrator conductance ( resistance ).In this thesis, power gyrator structures are classified by the manner they transform an excitation source at the input port into its dual representation at the output port. Based on this classification, there exist three types of power gyrators: 1) power gyrators of type G, 2) power gyrators of type G with controlled input current and 3) power gyrators of type R. Categories 1 and 2 are the two possible synthesis solutions to the set of equations ( 1 ) while category 3 corresponds to the synthesis solution of ( 2 ).Thus far, no systematic works have been done starting at the definition equations and ending at the experimental verification. In this thesis, the analysis and design for the disclosed power gyrators are presented. The analysis covers exhaustingly the study of both static and dynamic behavior of the reported power gyrators. These power gyrators presented can be considered as canonical structures for power processing.Thus, some basic power processing functions done by the presented power gyrators are reported. Namely, voltage to current conversion, current to voltage conversion, impedance matching and voltage regulation.The performance characteristics of a power gyrator depend not only on the circuit topology but also depend on the converter control operation.Hence, two main control schemes are investigated, namely, sliding-mode control schemes and zero-dynamics-based PWM nonlinear control. Therefore, the proposed gyrator structures can operate indistinctly at constant or at variable switching frequency.In addition, experimental and computer simulation results of the power gyrators presented are given in order to verify the theoretical predictions.

La tesis propone una metodología para el análisis de la degradación a fatiga que produce la aplicación de cargas cíclicas en un composite laminado de fibras largas.En primer lugar se han estudiado los mecanismos de degradación que son responsables del deterioro irreversible de las propiedades de rigidez y resistencia de los composites bajo cargas cíclicas. Se ha tratado de obtener una visión de los fenómenos de degradación que tienen lugar en un elemento estructural de polímero reforzado con fibras (FRP) describiendo de forma cualitativa los distintos modos de daño en laminados. A continuación, mediante una revisión de los modelos de fatiga propuestos por otros autores, se han estudiado las estrategias más comunes para la predicción del tiempo de vida de un material sometido a cargas cíclicas. En este estudio se ha dado una especial importancia al enfoque del estudio de la fatiga en composites a través de modelos de daño en la mecánica de medios continuos (MMC). En la tesis se propone un método para la formulación de la degradación por el fenómeno de la fatiga. De este modo se ha ideado una metodología que ha permitido desarrollar un modelo constitutivo integrado en la MMC para la modelización de la degradación por fatiga. El modelo permite estudiar el comportamiento del composite bajo solicitación de tensiones cíclicas de características variables. Se ha definido una formulación generalizada para las curvas S-N y otra para las curvas de resistencia residual. Se ha elaborado un modelo de acumulación de la degradación sensitivo a las características cambiantes de las tensiones cíclicas. Se ha realizado, también, la implementación del modelo de degradación de la fatiga en un sistema de cálculo numérico de elementos finitos que permite acoplar la degradación a fatiga con cualquier modelo constitutivo del material (elástico, degradación progresiva y localizada, plasticidad, etc.). Para agilizar el proceso de cálculo, la implementación numérica se ha completado con la inclusión de una metodología que permite una linealización en el avance temporal aplicando bloques representativos de conjuntos de ciclos de carga. Finalmente, se han desarrollado unos ejemplos de validación de los modelos formulados la tesis. Además, se han generado ejemplos de aplicación de la metodología para analizar del comportamiento de laminados y/o para predecir la vida de elementos estructurales de FRP durante la fase de diseño. / The present thesis proposes a methodology for the analysis of the fatigue degradation due to the application of cyclic loads to a composite laminate.First, the fatigue degradation mechanisms responsible for the irreversible loss of stiffness and strength in the laminate are studied. A global vision of the degradation phenomena involved in a structural fiber-reinforced polymer (FRP) element is obtained.After, a revision of the fatigue life models present in the literature allows the analysis of the more common strategies for the life prediction of a material under cyclic loads. Special attention is given to the continuum damage mechanics (CDM) approach for the fatigue life of composite materials.A method for the formulation of the fatigue degradation is proposed. The methodology for a constitutive model for the fatigue degradation integrated in the CDM is obtained. This model allows the study of the composite behavior under variable cyclic stresses. A generalized formulation for the S-N curves and for the residual strength curves is defined. The model for the accumulation of the degradation is sensitive to the varying characteristics of the cyclic stresses.The model for the fatigue degradation is also implemented in a Finite Element program. This makes possible to couple the fatigue degradation with other constitutive models for the material (elastic, progressive and localized degradation, plasticity, etc.). In order to prompt the calculating process, the numeric implementation is completed with a methodology for the linearization of the temporal progression by applying representative blocks of load cycles.Finally, a set of validation examples are included, as well as some examples of the application of the methodology for the analysis of the behavior of laminates and/or to predict the fatigue life of structural FRP elements during the design process.