Orientador: Carlos Roberto de Souza Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-26T19:58:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CorreaPabon_RosaElvira_D.pdf: 10125024 bytes, checksum: 73b222e9787711d668d1cc3b8a2845ba (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Essa pesquisa compreende a aplicação de técnicas de espectroscopia de refletância e imageamento hiperespectral aeroportado visando o aprimoramento de métodos e sistemas de monitoramento de solos expostos à vazamentos de hidrocarbonetos (HCs), em instalações petrolíferas. O trabalho compreendeu um experimento em ambiente de laboratório, onde contaminações controladas foram realizadas buscando-se simular, em escala reduzida, solos impactados por vazamentos de HCs. Os principais objetivos do experimento foram os seguintes: (i) caracterizar as assinaturas espectrais dos solos impregnados com HCs, em diferentes proporções, no intervalo do espectro visível e infravermelho (350 ¿ 2500 nm); (ii) descrever as principais feições de absorção espectral diagnósticas da presença do HC; (iii) estabelecer os limites de detecção do HC na mistura; (iv) gerar modelos matemáticos de simples aplicação, que permitam estimar o tipo e volume de HCs envolvido na contaminação. Considerando a base gerada nas investigações experimentais, em um segundo passo, técnicas digitais de extração de informações espectrais foram aplicadas a um conjunto de imagens hiperespectrais adquiridas sobre instalações petrolíferas e áreas experimentais de vazamentos de HCs líquidos em escala real. Como resultado, foi possível identificar a distribuição espacial de solos e outros alvos potencialmente contaminados nessas áreas, cujos principais focos foram comprovados no campo. O estudo sugere o grande potencial de aplicação destas tecnologias ultraespectrais e hiperespectrais no monitoramento de solos em torno das linhas de transporte de petróleo e de refinarias, o que pode contribuir para aquilatar a segurança e desempenho operacional de dutos de transporte e armazenamento de HCs na indústria do petróleo / Abstract: This research involves the application of reflectance and imaging spectroscopy techniques to improve methods and systems to monitor bare soils contaminated by hydrocarbon (HC) leaks in petroleum refinaries and pipelines. The study involves an experiment, conducted under laboratory conditions; where controlled contaminations were made aiming to simulate, in a small scale, soils contaminated with hydrocarbon leaks. The main objectives of the experiment are the following: (i) to characterize the spectral signature of contaminated soils, with several proportions of HCs, within visible and infrared wavelengths (350 ¿ 2500 nm); (ii) to describe the main, diagnostic absorption bands linked to the presence of HCs, (iii) to establish concentration limits for the detection of HCs in substrate mixtures; (iv) to generate simple models to estimate the HC type and impregnation level involved in the contamination. The comprehensive spectral libraries yielded during the laboratory experiments were used, in a second step, as an input for the application of digital information extraction techniques to hyperspectral image datasets acquired on real petroleum facilities and field experimental areas of liquid HC leaks. Given such representative scenarios, it was possible to identify the spatial distribution of soils and other potentially contaminated targets in these areas, which were verified further in the field and corresponded to sites with leaks. The study suggests the great potential for intelligent use of ultraspectral and hyperspectral technologies for monitoring soils around pipelines and refineries, adding to the safety and operational performance of oil pipelines and storage in the petroleum industry / Doutorado / Geologia e Recursos Naturais / Doutora em Ciências

[pt] A maioria dos métodos de avaliação de ondas vibratórias é realizada através do contato entre o sensor e o objeto a ser analisado. Esse requisito de contato impõe algumas limitações de quais objetos podem ser avaliados, como por exemplo, o tamanho do mesmo. Uma técnica que expandiu a capacidade de medição se comparado aos sensores tradicionais de vibração é a vibrometria laser doppler. Ela possibilita medições não intrusivas com alta resolução espacial e tempo de teste reduzido. Dentre as várias aplicações que se beneficiam das aquisições com o vibrômetro laser doppler, o imageamento fotoacústico se encontra no centro do objetivo deste trabalho. O imageamento fotoacústico é uma tecnologia emergente que supera o alto espalhamento óptico em amostras biológicas utilizando o efeito fotoacústico. Ele combina aspectos de imageamento óptico e ultrassom e, consequentemente, algumas de suas vantagens: imagear certos componentes biológicos em profundidades de alguns centímetros e com alto contraste. A técnica mais direta de obter imagens em um sistema fotoacústico é a excitação pontual da amostra e a detecção por varredura. O foco deste trabalho é analisar e implementar uma técnica óptica para detecção das vibrações ultrassonoras em um sistema fotoacústico. Foram avaliados diferentes sistemas interferométricos experimentais, tanto por mapeamento pontual quanto por campo pleno. O princípio da interferometria e a teoria das medições quantitativas são apresentados para explicar as técnicas experimentais utilizadas para aquisição das ondas vibratórias. Igualmente, a técnica de processamento do sinal vibratório é discutida. Dentre as técnicas testadas experimentalmente, duas foram implementadas, analisadas e discutidas em detalhe e seus resultados foram apresentados e comparados entre si. A primeira técnica discutida é o Laser Optical Feedback Imaging (LOFI), um interferômetro heteródino que utiliza a dinâmica do laser e a sua grande sensibilidade ao fenômeno de reinjeção óptica para realizar medições de alta precisão do sinal retroespalhado da amostra. Essa técnica realiza suas aquisições ponto a ponto, através do do escaneamento do feixe do laser na superfície da amostra. Esse modo de aquisição possui um tempo de teste e processamento elevado, mas com alta resolução espacial e com a possibilidade de medir a região transitória. A segunda técnica utilizada para a aquisição de medidas de vibrações ultrassonoras é o estroboscópio Mach-Zehnder, um interferômetro de campo pleno que possibilita a aquisição do padrão de speckle de toda a região de interesse da amostra com baixo tempo de aquisição e processamento. Dessa forma, essa técnica tem um grande potencial para aplicações em tempo real. Os resultados experimentais de ambos os sistemas são apresentados e discutidos em detalhe. Um transdutor piezoelétrico é utilizado para as medições com os dois sistemas, com as mesmas características de teste. Adicionalmente, são apresentados os resultados com a técnica LOFI quando o ganho não-linear é compensado. Esse tipo de teste não é possível no sistema estroboscópico Mach-Zehnder campo pleno, considerando que apenas o LOFI é capaz de realizar medidas transitórias. Para concluir o trabalho, são discutidos e comparados os principais parâmetros para as técnicas testadas: ruído, potência do laser, resolução espacial, resolução temporal, e tempo de aquisição. / [en] Photoacoustic imaging combines aspects of optical and ultrasound imaging and, consequently, combines some of their particular advantages: imaging of specific tissue components in a depth up to several centimeters becomes possible with a high image contrast. The most straightforward strategy to produce photoacoustic images is point-wise excitation and detection in a scanning mode. The main focus of this work is to analyze and implement optical techniques to detect ultrasound vibrations in a photoacoustic system. We evaluate different interferometric systems, both point scanning and full field. Two techniques that were implemented and further discussed are the Laser Optical Feedback Imaging (LOFI), which is a sensitive, point scanning, heterodyne interferometer that uses the dynamics of the laser, and a full field, stroboscopic Mach-Zehnder to acquire ultrasound vibration measurements.We discuss the results from each system and its advantages with the intended application.

Desenvolveu-se, pela Universidade de São Paulo, o protótipo de um equipamento submersível de captura para estudo de plâncton. Baseado na técnica shadowgraph, é formado por um feixe de LED infravermelho colimado e uma câmera de alta resolução, executados por um sistema de controle automatizado. Foram utilizados softwares de visão computacional desenvolvidos pelo Laboratório de Sistemas Planctônicos (LAPS) que executam várias tarefas, incluindo a captura e segmentação de imagens e a extração de informações com o intuito de classificar automaticamente novos conjuntos de regiões de interesse (ROIs). O teste de aprendizado de máquina contou com 57 mil quadros e 230 mil ROIs e teve, como base, dois algoritmos de classificação: o Support Vector Machine (SVM) e o Random Forest (RF). O conjunto escolhido para o treinamento inicial continha 15 classes de fito e zooplâncton, às quais foi atribuído um subconjunto de 5 mil ROIs. Os ROIs foram separados em grandes classes de, pelo menos, 100 ROIs cada. O resultado, calculado por meio do algoritmo de aprendizagem RF e SVM e fundamentado no método de validação cruzada, teve uma precisão de 0,78 e 0,79, respectivamente. O conjunto de imagens é proveniente de Ubatuba, no estado de São Paulo. Os perfis verticais elaborados apresentaram diferentes padrões de distribuição de partículas. O instrumento tem sido útil para a geração de dados espacialmente refinados em ecossistemas costeiros e oceânicos. / The University of São Paulo developed an underwater image capture system prototype to study plankton. Based on the shadowgraphic image technique, the system consists of a collimated infrared LED beam and a high-resolution camera, both executed by an automated control system. Computer vision software developed by the research laboratory was used to perform various tasks, including image capturing; image segmentation; and extract information to automatic classify news regions of interest (ROIs). The machine learning test had 57,000 frames and 230,000 ROIs, based on two classification algorithms: Support Vector Machine (SVM) and Random Forest (RF). The chosen set of the initial training had 15 classes of phytoplankton and zooplankton, which was assigned a subset of 5,000 ROIs. Big classes of, at least, 100 ROIs each were organized. The result, calculated by the RF and SVM learning algorithm and based on the cross-validation method, had a 0.78 and 0.79 precision score, respectively. The image package comes from Ubatuba, in the state of São Paulo. The vertical profiles elaborated presented different particles distribution patterns. The instrument has been useful for spatially refined data generation in coastal and oceanic ecosystems.

Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de circuitos para a deteção de ondas submilimétricas integrados em tecnologia CMOS. Existe um interesse crescente nas tecnologias que utilizam frequências em terahertz (300 GHz - 3 THz) para aplicações em diagnóstico médico por imagem, análise espectral, segurança, radiocomunicação, aplicações médicas e de inspeção. Os sistemas atuais que utilizam tecnologias fotônicas são complexos e consomem muito espaço, além de pouco acessíveis devido ao seu alto custo. Porém, com o advento das tecnologias de silício (eg. CMOS e BiCMOS) é possível desenvolver circuitos nesta faixa de frequência, com baixo custo e alta capacidade de integração, permitindo inclusive o processamento do sinal no próprio chip. Diante deste contexto, as investigações desta tese de doutorado pretendem analisar e contribuir com o desenvolvimento de circuitos de detecção de ondas sub-milimétricas, bem como, propor uma metodologia de projeto que permita a integração destes circuitos e suas antenas em tecnologia CMOS, e com especificações para aplicação em um sistema de identificação por imagem. Este sistema é composto por antena, interface para detecção e processamento do sinal. Alguns detectores com antenas patch acopladas e com variações topológicas foram fabricados em tecnologia CMOS de 180 nanometros e testados para diferentes faixas de frequências, que vão desde 400 GHz até 800 GHz. Também foi desenvolvido um arranjo de detectores com 12 pixels (4x3) para a faixa de 700 GHz a 770 GHz, para aplicação em sistemas de identificação por imagem. A análise, o projeto e os testes destes circuitos, bem como a sua aplicação e a comparação dos mesmos com os apresentados em outros trabalhos, são discutidos ao longo desta tese. Os circuitos foram testados com um setup proposto adaptando-se um sistema de espectroscopia no domínio do tempo, comprovando os resultados através de testes experimentais. / This PhD thesis deal with the development of circuits for submillimeter waves detection integrated in CMOS technology. There is a growing interest in technologies that uses terahertz frequencies (300 GHz to 3 THz) for applications in medical imaging, spectral analysis, security, radiocommunication, medical applications and inspection. The present systems that uses photonic technology are complex and space consuming, and also are very expensives. However, with the advent of silicon technologies (eg. CMOS and BiCMOS) is possible to develop circuits to work in this frequency range, with low cost and high integrability, including the on-chip signal processing. Given this context the investigations of this PhD thesis intends to analyze and to contribute with the development of submillimeter waves detection circuits as well as to propose a design metodology that allows the circuit integration and its antennas in CMOS technology and with specifications for application in imaging system. This system is composed by antenna, detection interface and signal processing. Some detectors with coupled patch antenna and with topological variations were fabricated in 180 nanometers CMOS technology and tested for different frequency ranges, that ranging from 400 GHz until 800 GHz. Also was developed a detector array with 12 pixels (4x3) for the 700 to 770 GHz frequency range (120 GHz bandwidth), for application in imaging systems. The analysis, design and testing of these circuits as well as their application and their comparison with those presented in other works, are discussed throughout this thesis. The circuits were tested using a proposed setup using a terahertz time-domain spectroscopy system confirming the results through experimental tests.

O estudo do movimento pulmonar é assunto de grande interesse na área médica. A observação direta do mesmo é inviável, uma vez que o pulmão colapsa quando a caixa torácica é aberta. Dentre os meios de observação indireta, escolheu-se o imageamento por ressonância magnética em respiração livre e sem uso de nenhum gás para melhorar o contraste ou qualquer informação de sincronismo. Esta escolha propõe diversos desafios, como: a superar a alta variação na qualidade das imagens, que é baixa, em geral, e a suscetibilidade a artefatos, entre outras limitações a serem superadas. Imagens de Tomografia Computadorizada apresentam melhor qualidade e menor tempo de aquisição, mas expõem o paciente a níveis consideráveis de radiação ionizante. É apresentada uma metodologia para segmentação do pulmão, produzindo um conjunto de pontos coordenados. Isto é feito através do processamento temporal da sequência de imagens de RM. Este processamento consiste nas seguintes etapas: geração de imagens temporais (2DSTI), transformada de Hough modificada, algoritmo de contornos ativos e geração de silhueta. A partir de um dado ponto, denominado centro de rotação, são geradas diversas imagens temporais com orientações variadas. É proposta uma formulação modificada da transformada de Hough para determinar curvas parametrizadas que sejam síncronas ao movimento diafragmático, chamados movimentos respiratórios. Também são utilizadas máscaras para delimitar o domínio de aplicação da transformada de Hough. São obtidos movimentos respiratórios que são suavizados pelo algoritmo de contornos ativos e, assim, permitem a geração de contornos para cada quadro pertencente a sequência e, portanto, de uma silhueta do pulmão para cada sequência. / Lung movement visualization is of great interest in medicine. Direct observation of the lung movement is not practicable, as it collapses if the thoracic cage is opened. Among indirect observation means, we choose magnetic resonance imaging, acquired on free breathing, without the use of any triggering information and any special gas to enhance the contrast. This choice leads us to overcome the high variation on MR images\' quality, which is, generally, low, and, also, artifact susceptibility, among other limitations. Computed Tomography images have better quality and a shorter acquisition time, but they expose the subject to considerably high levels of radiation. A Lung segmentation methodology is presented and it produces a connected set of points. That is achieved through MRI sequences temporal processing and it consists of the following stages: masks generation, 2-dimensional space-time images (2DSTI), modified Hough transform, an active contours algorithm and silhouette generation. Using a given point, which will be called parameter point, various temporal images with varied orientation will be generated. A modified Hough transform is applied to extract parameterized curves, that are synchronous to diaphragmatic movement, which will be called respiratory movements. Also, masks will be used in order to delimit the modified Hough transform application domain. An active contours algorithm will smoothen the obtained respiratory movements, so they will allow the generation of a contour for each frame on the image sequence and, therefore, a lung silhouette for a given sequence.

Submitted by PPG Engenharia El?trica (engenharia.pg.eletrica@pucrs.br) on 2018-06-08T13:54:41Z No. of bitstreams: 1 RICARDO_VINICIUS_DOTH_DIS.pdf: 9281309 bytes, checksum: d26fbf7274d4c8eb7158a2d987437b1b (MD5) / Approved for entry into archive by Sheila Dias (sheila.dias@pucrs.br) on 2018-06-18T12:49:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 RICARDO_VINICIUS_DOTH_DIS.pdf: 9281309 bytes, checksum: d26fbf7274d4c8eb7158a2d987437b1b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-18T12:58:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RICARDO_VINICIUS_DOTH_DIS.pdf: 9281309 bytes, checksum: d26fbf7274d4c8eb7158a2d987437b1b (MD5) Previous issue date: 2018-03-27 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior - CAPES / Wide Area Motion Imagery (WAMI) systems acquire large area aerial images in real time to provide accurate situational awareness information from a region (BLASCH et al., 2014). This system is applied for urban aerial monitoring. Unfavorable environmental conditions, such as shadow regions, are factors that increase system complexity by compromising the effectiveness of tracking algorithms and human visual interpretation (PORTER; FRASER; HUSH, 2010). Several techniques of shadow removal in aerial images have been developed, however due to the characteristics of the shadow and aerial image, a specific method to evaluate and compare the removal is unknown. The main objective of this study is to develop a method to evaluate shadow removal algorithms in aerial images acquired by the WAMI system. This work proposes a radiometric approach modifying the illumination in a controlled environment, simulating an aerial scene, acquiring images with and without the presence of shadows. The image with shadows is processed by the evaluated shadow removal algorithm, with the ideal output being the shadow free image. Shadow detection is evaluated using the confusion matrix concept. Shadow removal is evaluated using the structural similarity index (SSIM). As a result the reduced scale aerial scene model is presented to generate shadow and freeshadow images and the evaluation of 3 shadow removal methods using the data sets of images obtained from the scale model applying the methodology developed. / Sistemas WAMI (Wide Area Motion Imagery) adquirem imagens a?reas de grandes ?reas em tempo real para prover informa??es precisas de uma determinada regi?o (BLASCH et al., 2014). Este sistema ? aplicado para monitoramento a?reo urbano. Condi??es ambientais desfavor?veis, como ?reas sombreadas, s?o fatores que aumentam a complexidade do sistema comprometendo a efic?cia de algoritmos de rastreamento e a interpreta??o visual humana (PORTER; FRASER; HUSH, 2010). Diversas t?cnicas de remo??o de sombra em imagens a?reas foram desenvolvidas, no entanto devido ?s caracter?sticas da sombra e da imagem a?rea ? desconhecido um m?todo espec?fico para avaliar e comparar a remo??o de sombras em imagens a?reas. O objetivo principal deste estudo ? desenvolver um m?todo para avaliar algoritmos de remo??o de sombra em imagens a?reas adquiridas pelo sistema WAMI. Este trabalho prop?e uma abordagem radiom?trica modificando a ilumina??o em um ambiente controlado, simulando uma cena a?rea, adquirindo imagens com e sem sombras. A imagem com sombra ? processada pelo algoritmo de remo??o de sombra avaliado, sendo a imagem sem sombra o resultado ideal a ser alcan?ado. A detec??o de sombra ? avaliada utilizando o conceito de matriz de confus?o (error matrix). A remo??o de sombra ? avaliada utilizando o ?ndice de similaridade estrutural entre duas imagens (SSIM). Foram desenvolvidos o modelo de cena a?rea em escala reduzida para gerar imagens com e sem sombra e a avalia??o de 3 m?todos de remo??o de sombras utilizando os data sets de imagens obtidas do modelo em escala aplicando a metodologia descrita.

A necessidade de novas técnicas para a obtenção de informações sobre os solos e seus atributos, de forma mais rápida e menos onerosa, tornaram o sensoriamento remoto e o geoprocessamento uma importante opção. Estas técnicas permitem analisar uma grande quantidade de dados ao mesmo tempo e associar as informações espectrais com outras variáveis ambientais como geologia e relevo. Neste sentido, este trabalho teve por objetivos (i) caracterizar o comportamento espectral de solos pelos sensores orbitais ASTER e TM e o sensor terrestre IRIS; (ii) avaliar o potencial em estimar teores de atributos do solo por meio de dados espectrais orbitais ASTER em conjunto com os topográficos (avaliação pontual); (iii) determinar a distribuição espacial de atributos do solo pela imagem ASTER (avaliação espacial). Para isso, foram utilizadas informações georeferenciadas de 184 pontos de amostragem de solo da região de Rafard, SP. Também foram utilizadas as análises químicas e físicas das amostras, bem como as informações espectrais orbitais e em laboratório. Na sequência, curvas espectrais médias de solo e de atributos foram geradas para sua caracterização. Modelos estatísticos associando dados de reflectância e topográficos foram gerados para quantificar atributos do solo. Com isso realizou-se o mapeamento dos atributos do solo na imagem de satélite ASTER. Verificou-se que (i) é possível discriminar atributos do solo através de sensores orbitais, sendo que as bandas da faixa do infravermelho se mostraram mais eficazes; o ferro total e matéria orgânica foram os atributos melhor discriminados pelos sensores orbitais ASTER e TM, (ii) é possível quantificar os atributos argila, ferro, silício e titânio utilizando dados espectrais conjuntamente com topográficos, (iii) a quantificação de atributos foi melhor estimada com as variáveis espectrais e topográficas conjuntamente no modelo de regressão quando comparada ao modelo espectral individualmente, (iv) é possível mapear os atributos textura, matéria orgânica, ferro total e capacidade de troca catiônica com índices de até 75 % de similaridade. / The necessity of new techniques to obtain information about soil and its attributes, in a faster and cheaper form, turns remote sensing and geoprocessing into important options. These techniques allow the analysis of a great amount of data at the same time and associate spectral information with other environmental variables such as geology and relief. The objective of this work was (i) to characterize the spectral behavior of soils by orbital (ASTER and TM) and terrestrial (IRIS) sensors; (ii) to evaluate the potencial to estimate soil attributes content through ASTER orbital spectral data combined with topography (punctual evaluation); (iii) to determine the spatial distribution of soil attributes on ASTER image (spatial evaluation). Information was collected from 184 georeferenced soil samples from Rafard, SP. It was also used chemical and physical analyses of the samples as well as laboratory and orbital spectral data. Then, mean spectral curves of soils and attributes were generated for their characterization, statistical models associating reflectance and topography data were created to quantify soil attributes, and attributes maps were done at ASTER image. Results showed that (i) it is possible to discriminate soil attributes through orbital sensors, and the infrared bands were the best ones for this; total iron and organic matter were the best attributes discriminated by ASTER and TM sensors, (ii) it is possible to quantify clay, total iron, silicon and titanium using spectral and topographic data, (iii) the quantification of attributes was better estimated with spectral and topographic data in the models when compared to the models with spectral data only, (iv) it is possible to create maps of grain size distribution, organic matter, total iron and cation exchange capacity with indexes of 75% of similarity.

A retinografia e angiografia digital são técnicas de observação e captura de imagens do fundo do olho que permitem o diagnóstico de diversas patologias. O aperfeiçoamento dos retinógrafos digitais, viabilizado pelos avanços tecnológicos observados nas últimas décadas, tornou possíveis modificações sistêmicas inovadoras como a apresentada e discutida neste trabalho. O principal objetivo é avaliar comparativamente a resolução espacial de imagens captadas com uma configuração que utiliza apenas um sensor monocromático e um conjunto de LEDs cromáticos, com imagens geradas por um sensor com filtro cromático integrado. A proposta é suportada por resultados teóricos que indicam um desempenho superior do uso de sensores monocromáticos em retinografia. Para validação da nova metodologia o sistema descrito foi montado e várias fotos da retina foram capturadas. Todo o processo de imageamento do fundo do olho é descrito, incluindo rotinas de software que precisaram ser criadas em decorrência das inovações. A partir das imagens capturadas foram aplicadas técnicas de avaliação global de maneira que as previsões teóricas puderam ser verificadas. Por fim são apresentadas conclusões sobre o desempenho global do sistema e adicionados tópicos como sugestões para continuidade futura do trabalho. / The digital retinography and angiography are techniques to observe and capture images of the eye fundus that allows the diagnosis of several diseases. The improvements of digital fundus camera made possible by technological advances seen in recent decades have made possible innovative systemic changes, as the presented and discussed in this work. The main objective is to comparatively evaluate the spatial resolution of images captured with a configuration that uses only a monochrome sensor and a set of chromatic LEDs, with images generated by a sensor with integrated color filter. The proposal is supported by theoretical results that indicate a superior performance when using a monochrome sensor to get fundus images. To validate the new methodology, the system described was assembled and several retina pictures were taken. The whole process of imaging the eye fundus is described, including software procedures that had to be created as a consequence of the innovations. From the images captured, overall evaluation techniques have been applied, so that theoretical forecasts could be verified. Finally, conclusions are presented on the overall performance of the system and suggestions for topics for future work were added.

Desenvolveu-se, pela Universidade de São Paulo, o protótipo de um equipamento submersível de captura para estudo de plâncton. Baseado na técnica shadowgraph, é formado por um feixe de LED infravermelho colimado e uma câmera de alta resolução, executados por um sistema de controle automatizado. Foram utilizados softwares de visão computacional desenvolvidos pelo Laboratório de Sistemas Planctônicos (LAPS) que executam várias tarefas, incluindo a captura e segmentação de imagens e a extração de informações com o intuito de classificar automaticamente novos conjuntos de regiões de interesse (ROIs). O teste de aprendizado de máquina contou com 57 mil quadros e 230 mil ROIs e teve, como base, dois algoritmos de classificação: o Support Vector Machine (SVM) e o Random Forest (RF). O conjunto escolhido para o treinamento inicial continha 15 classes de fito e zooplâncton, às quais foi atribuído um subconjunto de 5 mil ROIs. Os ROIs foram separados em grandes classes de, pelo menos, 100 ROIs cada. O resultado, calculado por meio do algoritmo de aprendizagem RF e SVM e fundamentado no método de validação cruzada, teve uma precisão de 0,78 e 0,79, respectivamente. O conjunto de imagens é proveniente de Ubatuba, no estado de São Paulo. Os perfis verticais elaborados apresentaram diferentes padrões de distribuição de partículas. O instrumento tem sido útil para a geração de dados espacialmente refinados em ecossistemas costeiros e oceânicos. / The University of São Paulo developed an underwater image capture system prototype to study plankton. Based on the shadowgraphic image technique, the system consists of a collimated infrared LED beam and a high-resolution camera, both executed by an automated control system. Computer vision software developed by the research laboratory was used to perform various tasks, including image capturing; image segmentation; and extract information to automatic classify news regions of interest (ROIs). The machine learning test had 57,000 frames and 230,000 ROIs, based on two classification algorithms: Support Vector Machine (SVM) and Random Forest (RF). The chosen set of the initial training had 15 classes of phytoplankton and zooplankton, which was assigned a subset of 5,000 ROIs. Big classes of, at least, 100 ROIs each were organized. The result, calculated by the RF and SVM learning algorithm and based on the cross-validation method, had a 0.78 and 0.79 precision score, respectively. The image package comes from Ubatuba, in the state of São Paulo. The vertical profiles elaborated presented different particles distribution patterns. The instrument has been useful for spatially refined data generation in coastal and oceanic ecosystems.

Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de circuitos para a deteção de ondas submilimétricas integrados em tecnologia CMOS. Existe um interesse crescente nas tecnologias que utilizam frequências em terahertz (300 GHz - 3 THz) para aplicações em diagnóstico médico por imagem, análise espectral, segurança, radiocomunicação, aplicações médicas e de inspeção. Os sistemas atuais que utilizam tecnologias fotônicas são complexos e consomem muito espaço, além de pouco acessíveis devido ao seu alto custo. Porém, com o advento das tecnologias de silício (eg. CMOS e BiCMOS) é possível desenvolver circuitos nesta faixa de frequência, com baixo custo e alta capacidade de integração, permitindo inclusive o processamento do sinal no próprio chip. Diante deste contexto, as investigações desta tese de doutorado pretendem analisar e contribuir com o desenvolvimento de circuitos de detecção de ondas sub-milimétricas, bem como, propor uma metodologia de projeto que permita a integração destes circuitos e suas antenas em tecnologia CMOS, e com especificações para aplicação em um sistema de identificação por imagem. Este sistema é composto por antena, interface para detecção e processamento do sinal. Alguns detectores com antenas patch acopladas e com variações topológicas foram fabricados em tecnologia CMOS de 180 nanometros e testados para diferentes faixas de frequências, que vão desde 400 GHz até 800 GHz. Também foi desenvolvido um arranjo de detectores com 12 pixels (4x3) para a faixa de 700 GHz a 770 GHz, para aplicação em sistemas de identificação por imagem. A análise, o projeto e os testes destes circuitos, bem como a sua aplicação e a comparação dos mesmos com os apresentados em outros trabalhos, são discutidos ao longo desta tese. Os circuitos foram testados com um setup proposto adaptando-se um sistema de espectroscopia no domínio do tempo, comprovando os resultados através de testes experimentais. / This PhD thesis deal with the development of circuits for submillimeter waves detection integrated in CMOS technology. There is a growing interest in technologies that uses terahertz frequencies (300 GHz to 3 THz) for applications in medical imaging, spectral analysis, security, radiocommunication, medical applications and inspection. The present systems that uses photonic technology are complex and space consuming, and also are very expensives. However, with the advent of silicon technologies (eg. CMOS and BiCMOS) is possible to develop circuits to work in this frequency range, with low cost and high integrability, including the on-chip signal processing. Given this context the investigations of this PhD thesis intends to analyze and to contribute with the development of submillimeter waves detection circuits as well as to propose a design metodology that allows the circuit integration and its antennas in CMOS technology and with specifications for application in imaging system. This system is composed by antenna, detection interface and signal processing. Some detectors with coupled patch antenna and with topological variations were fabricated in 180 nanometers CMOS technology and tested for different frequency ranges, that ranging from 400 GHz until 800 GHz. Also was developed a detector array with 12 pixels (4x3) for the 700 to 770 GHz frequency range (120 GHz bandwidth), for application in imaging systems. The analysis, design and testing of these circuits as well as their application and their comparison with those presented in other works, are discussed throughout this thesis. The circuits were tested using a proposed setup using a terahertz time-domain spectroscopy system confirming the results through experimental tests.