Este trabalho trata da simulação da propagação de ondas eletromagnéticas (1-D) em meios geológicos de propriedades físicas conhecidas (espessura, condutividade e permissividade elétrica), do registro das ondas EM refletidas (dados sintéticos) para uma antena receptora, e do uso desse registro em algoritmos de inversão e otimização que procuram estimar as propriedades físicas dos meios geológicos. Adotou-se modelos geológicos estratificados de pequena espessura (< 1,2 m) e altas frequências para a onda eletromagnética (800, 1000 e 1200 MHz). A propagação da onda eletromagnética é modelada por meio da resolução das equações de Maxwell no método FDTD. Os métodos de inversão Quasi-Newton e Otimização Ant Colony modificado são aplicados sobre os dados sintéticos para estimar os parâmetros elétricos para cada camada geológica. Ambos os métodos foram aplicados alternadamente para aumentar a precisão e a convergência ao longo da profundidade. Os métodos de inversão foram capazes de estimar simultaneamente duas propriedades eletromagnéticas do modelo geológico: a permissividade elétrica e a condutividade elétrica. Os métodos de inversão alcançaram bons resultados quando executados simultaneamente sobre os dados sintéticos em 3 diferentes frequências. Exemplos de estimativas dos perfis de condutividade e permissividade elétricas unidimensionais são apresentados, com e sem inserção de ruídos nos dados. Os resultados indicam que a combinação dos métodos de inversão (ACO modificado e Quasi-Newton) pode fornecer bons resultados para as estimativas dos parâmetros físicos de meios geológicos e geotécnicos em meios rasos. Além disso, essa combinação de métodos de inversão abre novas perspectivas para o processamento de dados georradar multi-canais. As investigações também mostram que a simulação dos perfis sintéticos por meio do método FDTD pode propagar erros em espessuras maiores de subsolo, devido ao fato de ser um método explícito. / This work deals with simulation of a 1-D electromagnetic wave propagating into a geological structure of known physical properties (thickness, electric conductivity and permittivity), the record of the reflected EM wave (synthetic data), and the use of these records in inversion and optimization algorithms to estimate back the physical properties of the geological structure. A stratified and thin (< 1.2 m) geological structure was initially constructed in order to be scanned by high frequency EM waves (800, 1000, and 1200 MHz). The EM wave propagation is simulated by Maxwell equations through FDTD method. The Quasi-Newton inversion and Ant Colony Optimization methods were applied into synthetic data to estimate original physical parameters of each geological layer. Both methods were applied in order to increase precision and convergence along depth. These methods were able to simultaneously estimate two physical properties of the geological structure: electrical permittivity and conductivity. The methods showed good results when applied simultaneously upon synthetic data of all three frequencies. Electric permittivity and conductivity profiles are shown with and without noise in the data. The results indicate that combined inversion methods can show good results to estimate physical properties of thin geological and geothecnical structures. The combined inversion methods open new perspectives to multichannel GPR data processing. The investigations also show that simulation of synthetic data through FDTD can propagate errors when dealing with thick geological structures, due to the fact that FDTD is an explicit method.

O presente trabalho investiga a propagação e amplificação de ondas eletromagnéticas no plasma localizado nas proximidades dos pólos geomagnéticos, a altitudes não muito superiores a três vezes o raio da Terra. O fenômeno estudado é conhecido como Radiação Quilométrica das Auroras (AKR - Auroral Kilometric Radiation), a mais intensa das várias emissões que podem surgir em decorrência da interação entre o vento solar e a magnetosfera terrestre. Inicialmente são abordadas algumas das principais características conhecidas dessa emissão, através de uma revisão observacional do fenômeno. O maser de elétron-ciclotron é então discutido como um possível mecanismo gerador da AKR. Faz-se uso deste mecanismo para o estudo da propagação e amplificação da Radiação Quilométrica das Auroras, sendo os parãmetros físicos necessários para esse estudo obtidos de um modelo físico baseado no trabalho de Chiu & Shulz (1978) [1] que reproduz aproximadamente as condições do plasma na região fonte. Inclui-se no modelo os gradientes perpendiculares ao campo magnético ambiente, com variações em curta escala para a densidade, chamadas de subcavidades aurorais. As componentes do tensor dielétrico do plasma são calculadas para uma distribuição que consiste em uma soma de uma Maxwelliana, que descreve os elétrons frios, e uma cone-de-perda do tipo DGH relativística para os elétrons energéticos, sendo utilizada a aproximação localmente homogênea. É feito um estudo de traçado de raios por meio das equações da ótica geométrica e em cada ponto da trajetória da onda é calculada a emissividade espectral. Através da equação de transferência, obtém-se o fator de amplificação da onda enquanto ela se propaga pela região fonte. Se constata que a inclusão da emissividade do meio no estudo de traçado de raios aumenta o fator de amplificação. Porém, esse aumento não é suficiente para explicar os níveis de amplificação normalmente observados. Em contraponto, conclui-se que a inclusão de variações de curta escala (na direção perpendicular ao campo magnético) na densidade e demais parãmetros do plasma da região fonte, pode ser um fator muito importante na explicação desses níveis de amplificação. / The present work investigates the propagation and amplification of electromagnetic waves in a plasma localized in the vicinity of the geomagnetic poles, at heights not much greater than three times the Earth's radius. The phenomena studied is known as the Aurorai Kilometric Radiation (AKR), the strongest of the various types of emission that can occur as a consequence of the interaction of the solar wind and the terrestrial magnetosphere. Initially some of the main known characteristics of this emission are discussed, including a review of the literature on the observational features of the phenomena. The electron cyclotron maser mechanism is then discussed as a possible generator mechanism for the AKR. This mechanism is then utilized in order to study the propagation and amplification of the Aurorai Kilometric Radiation, the physical parameters necessary for this study being obtained from a physical model based in the work of Chiu & Schultz (1978), which approximately reproduces the plasma conditions in the source region. The model includes the gradients perpendicular to the ambient magnetic field, with small scale variations of the density, called auroral subcavities. The componente of the plasma dielectric tensor are calculated for one distribution which consists in a summation of a Maxwellian, which describes cold electrons, and a relativistic DGH distribution for the energetic loss-cone electrons, being used the locally homogeneous approximation. A ray-tracing study is done using the geometrical optics equations, and at each point along the wave trajectory the spectral emissivity is calculated. By means of the transfer equation, the wave amplification factor is obtained for as long as the wave propagates in the source region. It is verified that the inclusion of the emissivity of the medium in the ray tracing calculation enhances the amplification factor. However, the increase obtained is not sufficient to expiam the amplification leveis currently observed. On the other hand, it is concluded that the inclusion of small scale variations (in the direction perpendicular to the magnetic field) in the density and other plasma parameters in the source region, may be an important factor in the explanation of the observed amplification leveis.

[pt] Esta tese tem como objetivo a caracterização experimental do canal de propagação na faixa de UHF para as aplicações em sistemas de TV Digital. Através de campanhas de medições de campo em condições que aproximam a operação real destes sistemas foi levantado um conjunto de dados que permitiu: a avaliação de métodos de previsão da perda média de propagação em regiões urbanas densas; a determinação do retardo médio e banda de coerência do canal nestas regiões, em condições de recepção externa e interna; a caracterização estatística do espalhamento de retardos do canal; e a simulação do canal em diferentes condições de recepção para obtenção de seu perfil de retardos. São apresentadas as três campanhas de medidas realizadas, incluindo a descrição das regiões e configurações de medição, técnicas de medição e processamento de dados utilizados. A seguir é apresentada uma análise da perda média de propagação nas medições realizadas e a comparação com as previsões fornecidas para os mesmos percursos pela implementação do modelo do ITU-R. A caracterização em banda larga do canal é realizada pela modelagem estatística do perfil de retardos de multipercurso do canal. Finalmente, são apresentados os resultados de simulações para obtenção do perfil de retardos do canal com base nos resultados experimentais obtidos e a modelagem estatística desenvolvida nesta tese. / [en] This thesis aims the experimental characterization of propagation channel of UHF band for applications in Digital TV systems. Through of measurements in the field conditions as close to actual operation of these systems was raised a set of data that allowed: the evaluation of methods for prediction of propagation mean loss in dense urban areas, determining the mean power delay and the coherence bandwidth of the channel in these regions, in two types of reception conditions, indoor and outdoor, the statistical characterization of the delay spread, and the simulation of channel for different conditions for obtain a power delay profile. Three measures campaigns are reported, including the description of regions and setup of measurement; measurement techniques and data processing methodology. It is presented a review of the average loss for the measurements developed and compared with data provided for same pathways, for the implementation of the ITU-R model. The characterization of the broadband channel is carried out by the statistical modeling of power delay profile of channel. Finally, it is presents the simulation´s results of power delay based on experimental results and statistical modeling developed in this thesis.

Este trabalho trata da simulação da propagação de ondas eletromagnéticas (1-D) em meios geológicos de propriedades físicas conhecidas (espessura, condutividade e permissividade elétrica), do registro das ondas EM refletidas (dados sintéticos) para uma antena receptora, e do uso desse registro em algoritmos de inversão e otimização que procuram estimar as propriedades físicas dos meios geológicos. Adotou-se modelos geológicos estratificados de pequena espessura (< 1,2 m) e altas frequências para a onda eletromagnética (800, 1000 e 1200 MHz). A propagação da onda eletromagnética é modelada por meio da resolução das equações de Maxwell no método FDTD. Os métodos de inversão Quasi-Newton e Otimização Ant Colony modificado são aplicados sobre os dados sintéticos para estimar os parâmetros elétricos para cada camada geológica. Ambos os métodos foram aplicados alternadamente para aumentar a precisão e a convergência ao longo da profundidade. Os métodos de inversão foram capazes de estimar simultaneamente duas propriedades eletromagnéticas do modelo geológico: a permissividade elétrica e a condutividade elétrica. Os métodos de inversão alcançaram bons resultados quando executados simultaneamente sobre os dados sintéticos em 3 diferentes frequências. Exemplos de estimativas dos perfis de condutividade e permissividade elétricas unidimensionais são apresentados, com e sem inserção de ruídos nos dados. Os resultados indicam que a combinação dos métodos de inversão (ACO modificado e Quasi-Newton) pode fornecer bons resultados para as estimativas dos parâmetros físicos de meios geológicos e geotécnicos em meios rasos. Além disso, essa combinação de métodos de inversão abre novas perspectivas para o processamento de dados georradar multi-canais. As investigações também mostram que a simulação dos perfis sintéticos por meio do método FDTD pode propagar erros em espessuras maiores de subsolo, devido ao fato de ser um método explícito. / This work deals with simulation of a 1-D electromagnetic wave propagating into a geological structure of known physical properties (thickness, electric conductivity and permittivity), the record of the reflected EM wave (synthetic data), and the use of these records in inversion and optimization algorithms to estimate back the physical properties of the geological structure. A stratified and thin (< 1.2 m) geological structure was initially constructed in order to be scanned by high frequency EM waves (800, 1000, and 1200 MHz). The EM wave propagation is simulated by Maxwell equations through FDTD method. The Quasi-Newton inversion and Ant Colony Optimization methods were applied into synthetic data to estimate original physical parameters of each geological layer. Both methods were applied in order to increase precision and convergence along depth. These methods were able to simultaneously estimate two physical properties of the geological structure: electrical permittivity and conductivity. The methods showed good results when applied simultaneously upon synthetic data of all three frequencies. Electric permittivity and conductivity profiles are shown with and without noise in the data. The results indicate that combined inversion methods can show good results to estimate physical properties of thin geological and geothecnical structures. The combined inversion methods open new perspectives to multichannel GPR data processing. The investigations also show that simulation of synthetic data through FDTD can propagate errors when dealing with thick geological structures, due to the fact that FDTD is an explicit method.

O presente trabalho investiga a propagação e amplificação de ondas eletromagnéticas no plasma localizado nas proximidades dos pólos geomagnéticos, a altitudes não muito superiores a três vezes o raio da Terra. O fenômeno estudado é conhecido como Radiação Quilométrica das Auroras (AKR - Auroral Kilometric Radiation), a mais intensa das várias emissões que podem surgir em decorrência da interação entre o vento solar e a magnetosfera terrestre. Inicialmente são abordadas algumas das principais características conhecidas dessa emissão, através de uma revisão observacional do fenômeno. O maser de elétron-ciclotron é então discutido como um possível mecanismo gerador da AKR. Faz-se uso deste mecanismo para o estudo da propagação e amplificação da Radiação Quilométrica das Auroras, sendo os parãmetros físicos necessários para esse estudo obtidos de um modelo físico baseado no trabalho de Chiu & Shulz (1978) [1] que reproduz aproximadamente as condições do plasma na região fonte. Inclui-se no modelo os gradientes perpendiculares ao campo magnético ambiente, com variações em curta escala para a densidade, chamadas de subcavidades aurorais. As componentes do tensor dielétrico do plasma são calculadas para uma distribuição que consiste em uma soma de uma Maxwelliana, que descreve os elétrons frios, e uma cone-de-perda do tipo DGH relativística para os elétrons energéticos, sendo utilizada a aproximação localmente homogênea. É feito um estudo de traçado de raios por meio das equações da ótica geométrica e em cada ponto da trajetória da onda é calculada a emissividade espectral. Através da equação de transferência, obtém-se o fator de amplificação da onda enquanto ela se propaga pela região fonte. Se constata que a inclusão da emissividade do meio no estudo de traçado de raios aumenta o fator de amplificação. Porém, esse aumento não é suficiente para explicar os níveis de amplificação normalmente observados. Em contraponto, conclui-se que a inclusão de variações de curta escala (na direção perpendicular ao campo magnético) na densidade e demais parãmetros do plasma da região fonte, pode ser um fator muito importante na explicação desses níveis de amplificação. / The present work investigates the propagation and amplification of electromagnetic waves in a plasma localized in the vicinity of the geomagnetic poles, at heights not much greater than three times the Earth's radius. The phenomena studied is known as the Aurorai Kilometric Radiation (AKR), the strongest of the various types of emission that can occur as a consequence of the interaction of the solar wind and the terrestrial magnetosphere. Initially some of the main known characteristics of this emission are discussed, including a review of the literature on the observational features of the phenomena. The electron cyclotron maser mechanism is then discussed as a possible generator mechanism for the AKR. This mechanism is then utilized in order to study the propagation and amplification of the Aurorai Kilometric Radiation, the physical parameters necessary for this study being obtained from a physical model based in the work of Chiu & Schultz (1978), which approximately reproduces the plasma conditions in the source region. The model includes the gradients perpendicular to the ambient magnetic field, with small scale variations of the density, called auroral subcavities. The componente of the plasma dielectric tensor are calculated for one distribution which consists in a summation of a Maxwellian, which describes cold electrons, and a relativistic DGH distribution for the energetic loss-cone electrons, being used the locally homogeneous approximation. A ray-tracing study is done using the geometrical optics equations, and at each point along the wave trajectory the spectral emissivity is calculated. By means of the transfer equation, the wave amplification factor is obtained for as long as the wave propagates in the source region. It is verified that the inclusion of the emissivity of the medium in the ray tracing calculation enhances the amplification factor. However, the increase obtained is not sufficient to expiam the amplification leveis currently observed. On the other hand, it is concluded that the inclusion of small scale variations (in the direction perpendicular to the magnetic field) in the density and other plasma parameters in the source region, may be an important factor in the explanation of the observed amplification leveis.

CAPES / Neste trabalho foram demonstrados transdutores a fibra ótica baseados em redes de período longo (LPG) modificadas com nanoestruturas para otimização do desempenho. Nanopartículas de ouro (AuNPs) foram depositadas na região da casca da fibra que contém a rede, por funcionalização da superfície da fibra com 3- aminopropiltrietoxisilano e posterior recobrimento com solução de ácido tetracloroaurico e redução desta por boridreto de sódio. A ressonância plasmônica localizada de superfície (LSPR) que ocorre nas AuNPs foi excitada pelo acoplamento com os modos de transmissão da LPG. Esse dispositivo foi projetado visando o aumento da sensibilidade, particularmente em ambientes hídricos. Comparado ao transdutor não modificado, a sensibilidade foi 17 vezes maior, na LPG com nanopartículas de ouro (LPG-AuNPs) interrogada em intensidade, para o índice de refração de 1,3933. As resoluções atingidas foram tão pequenas quanto 0,0003 RIU (unidades de índice de refração), na faixa de 1,3629 a 1,4399. Para a LPG-AuNPs interrogada em comprimento de onda, obtiveram-se sensibilidades maiores nos índices de refração próximos ao índice da água, assim como resoluções tão pequenas quanto 0,00001 RIU, para índices próximos ao índice da casca da fibra. No entanto, esse dispositivo não se mostrou capaz de detectar pequenas variações na concentração de analitos em soluções aquosas. As nanopartículas de ouro depositadas na LPG foram posteriormente modificadas quimicamente via adesão de cisteamina. A rede que contém as AuNPs foi inserida em uma solução aquosa de cloridrato de cisteamina. Em seguida, a seletividade da LPG foi avaliada com soluções aquosas de glifosato, em concentrações na faixa de 1 μM a 100 μM. Para esses transdutores, a interrogação em intensidade resultou numa variação de 0,6 % nas bandas de transmissão, e a variação em comprimento de onda chegou a 0,34 nm, mostrando a possibilidade de detecção seletiva de traços de analitos em ambientes hídricos. / This work shows optical fiber transducers based on long period gratings (LPG), modified with nanostructures to achieve optimized performance. The cladding of the fiber with the previously recorded grating was coated with gold nanoparticles (AuNPs), by functionalizing its surface with 3-aminopropyltriethoxysilane, further recoated with tetrachloroauric acid solution and sodium borohydride reduction. The localized surface plasmon resonance (LSPR) on the AuNPs was excited by its coupling with LPG transmission modes. Such device was projected aiming to increase its sensitivity, particularly in water environments. A 17-times increased sensitivity was obtained for this LPG modified with gold nanoparticles (LPG-AuNPs) intensity coded, when compared with the non-modified transducer, for refractive indices close to 1.3933. Resulting resolutions were as small as 0.0003 RIU (refractive index units), within the range from 1.3629 to 1.4399. For the LPG-AuNPs wavelength coded, higher sensitivities were obtained for refractive indices close to the water refractive index, as well as a limit resolution of 0.00001 RIU in environments with refractive indices close to the fiber cladding refractive index. However, this device was not able to detect small changes in concentration of analytes in water solution. A further chemical modification of the AuNPs was carried out by functionalization with cysteamine. The LPG-AuNPs was inserted in a cysteamine hydrochloride aqueous solution, and the transducer selectivity was assessed for water solutions of glyphosate in the 1 μM to 100 μM concentration range. For the latter transducer configuration, changes of 0.6 % and 0.34 nm were obtained for intensity coded and wavelength coded operation, respectively, showing the prospect of selective detection of traces of analytes in water environments.

CAPES / Neste trabalho foram demonstrados transdutores a fibra ótica baseados em redes de período longo (LPG) modificadas com nanoestruturas para otimização do desempenho. Nanopartículas de ouro (AuNPs) foram depositadas na região da casca da fibra que contém a rede, por funcionalização da superfície da fibra com 3- aminopropiltrietoxisilano e posterior recobrimento com solução de ácido tetracloroaurico e redução desta por boridreto de sódio. A ressonância plasmônica localizada de superfície (LSPR) que ocorre nas AuNPs foi excitada pelo acoplamento com os modos de transmissão da LPG. Esse dispositivo foi projetado visando o aumento da sensibilidade, particularmente em ambientes hídricos. Comparado ao transdutor não modificado, a sensibilidade foi 17 vezes maior, na LPG com nanopartículas de ouro (LPG-AuNPs) interrogada em intensidade, para o índice de refração de 1,3933. As resoluções atingidas foram tão pequenas quanto 0,0003 RIU (unidades de índice de refração), na faixa de 1,3629 a 1,4399. Para a LPG-AuNPs interrogada em comprimento de onda, obtiveram-se sensibilidades maiores nos índices de refração próximos ao índice da água, assim como resoluções tão pequenas quanto 0,00001 RIU, para índices próximos ao índice da casca da fibra. No entanto, esse dispositivo não se mostrou capaz de detectar pequenas variações na concentração de analitos em soluções aquosas. As nanopartículas de ouro depositadas na LPG foram posteriormente modificadas quimicamente via adesão de cisteamina. A rede que contém as AuNPs foi inserida em uma solução aquosa de cloridrato de cisteamina. Em seguida, a seletividade da LPG foi avaliada com soluções aquosas de glifosato, em concentrações na faixa de 1 μM a 100 μM. Para esses transdutores, a interrogação em intensidade resultou numa variação de 0,6 % nas bandas de transmissão, e a variação em comprimento de onda chegou a 0,34 nm, mostrando a possibilidade de detecção seletiva de traços de analitos em ambientes hídricos. / This work shows optical fiber transducers based on long period gratings (LPG), modified with nanostructures to achieve optimized performance. The cladding of the fiber with the previously recorded grating was coated with gold nanoparticles (AuNPs), by functionalizing its surface with 3-aminopropyltriethoxysilane, further recoated with tetrachloroauric acid solution and sodium borohydride reduction. The localized surface plasmon resonance (LSPR) on the AuNPs was excited by its coupling with LPG transmission modes. Such device was projected aiming to increase its sensitivity, particularly in water environments. A 17-times increased sensitivity was obtained for this LPG modified with gold nanoparticles (LPG-AuNPs) intensity coded, when compared with the non-modified transducer, for refractive indices close to 1.3933. Resulting resolutions were as small as 0.0003 RIU (refractive index units), within the range from 1.3629 to 1.4399. For the LPG-AuNPs wavelength coded, higher sensitivities were obtained for refractive indices close to the water refractive index, as well as a limit resolution of 0.00001 RIU in environments with refractive indices close to the fiber cladding refractive index. However, this device was not able to detect small changes in concentration of analytes in water solution. A further chemical modification of the AuNPs was carried out by functionalization with cysteamine. The LPG-AuNPs was inserted in a cysteamine hydrochloride aqueous solution, and the transducer selectivity was assessed for water solutions of glyphosate in the 1 μM to 100 μM concentration range. For the latter transducer configuration, changes of 0.6 % and 0.34 nm were obtained for intensity coded and wavelength coded operation, respectively, showing the prospect of selective detection of traces of analytes in water environments.

Este trabalho trata da simulação da propagação de ondas eletromagnéticas (1-D) em meios geológicos de propriedades físicas conhecidas (espessura, condutividade e permissividade elétrica), do registro das ondas EM refletidas (dados sintéticos) para uma antena receptora, e do uso desse registro em algoritmos de inversão e otimização que procuram estimar as propriedades físicas dos meios geológicos. Adotou-se modelos geológicos estratificados de pequena espessura (< 1,2 m) e altas frequências para a onda eletromagnética (800, 1000 e 1200 MHz). A propagação da onda eletromagnética é modelada por meio da resolução das equações de Maxwell no método FDTD. Os métodos de inversão Quasi-Newton e Otimização Ant Colony modificado são aplicados sobre os dados sintéticos para estimar os parâmetros elétricos para cada camada geológica. Ambos os métodos foram aplicados alternadamente para aumentar a precisão e a convergência ao longo da profundidade. Os métodos de inversão foram capazes de estimar simultaneamente duas propriedades eletromagnéticas do modelo geológico: a permissividade elétrica e a condutividade elétrica. Os métodos de inversão alcançaram bons resultados quando executados simultaneamente sobre os dados sintéticos em 3 diferentes frequências. Exemplos de estimativas dos perfis de condutividade e permissividade elétricas unidimensionais são apresentados, com e sem inserção de ruídos nos dados. Os resultados indicam que a combinação dos métodos de inversão (ACO modificado e Quasi-Newton) pode fornecer bons resultados para as estimativas dos parâmetros físicos de meios geológicos e geotécnicos em meios rasos. Além disso, essa combinação de métodos de inversão abre novas perspectivas para o processamento de dados georradar multi-canais. As investigações também mostram que a simulação dos perfis sintéticos por meio do método FDTD pode propagar erros em espessuras maiores de subsolo, devido ao fato de ser um método explícito. / This work deals with simulation of a 1-D electromagnetic wave propagating into a geological structure of known physical properties (thickness, electric conductivity and permittivity), the record of the reflected EM wave (synthetic data), and the use of these records in inversion and optimization algorithms to estimate back the physical properties of the geological structure. A stratified and thin (< 1.2 m) geological structure was initially constructed in order to be scanned by high frequency EM waves (800, 1000, and 1200 MHz). The EM wave propagation is simulated by Maxwell equations through FDTD method. The Quasi-Newton inversion and Ant Colony Optimization methods were applied into synthetic data to estimate original physical parameters of each geological layer. Both methods were applied in order to increase precision and convergence along depth. These methods were able to simultaneously estimate two physical properties of the geological structure: electrical permittivity and conductivity. The methods showed good results when applied simultaneously upon synthetic data of all three frequencies. Electric permittivity and conductivity profiles are shown with and without noise in the data. The results indicate that combined inversion methods can show good results to estimate physical properties of thin geological and geothecnical structures. The combined inversion methods open new perspectives to multichannel GPR data processing. The investigations also show that simulation of synthetic data through FDTD can propagate errors when dealing with thick geological structures, due to the fact that FDTD is an explicit method.

O presente trabalho investiga a propagação e amplificação de ondas eletromagnéticas no plasma localizado nas proximidades dos pólos geomagnéticos, a altitudes não muito superiores a três vezes o raio da Terra. O fenômeno estudado é conhecido como Radiação Quilométrica das Auroras (AKR - Auroral Kilometric Radiation), a mais intensa das várias emissões que podem surgir em decorrência da interação entre o vento solar e a magnetosfera terrestre. Inicialmente são abordadas algumas das principais características conhecidas dessa emissão, através de uma revisão observacional do fenômeno. O maser de elétron-ciclotron é então discutido como um possível mecanismo gerador da AKR. Faz-se uso deste mecanismo para o estudo da propagação e amplificação da Radiação Quilométrica das Auroras, sendo os parãmetros físicos necessários para esse estudo obtidos de um modelo físico baseado no trabalho de Chiu & Shulz (1978) [1] que reproduz aproximadamente as condições do plasma na região fonte. Inclui-se no modelo os gradientes perpendiculares ao campo magnético ambiente, com variações em curta escala para a densidade, chamadas de subcavidades aurorais. As componentes do tensor dielétrico do plasma são calculadas para uma distribuição que consiste em uma soma de uma Maxwelliana, que descreve os elétrons frios, e uma cone-de-perda do tipo DGH relativística para os elétrons energéticos, sendo utilizada a aproximação localmente homogênea. É feito um estudo de traçado de raios por meio das equações da ótica geométrica e em cada ponto da trajetória da onda é calculada a emissividade espectral. Através da equação de transferência, obtém-se o fator de amplificação da onda enquanto ela se propaga pela região fonte. Se constata que a inclusão da emissividade do meio no estudo de traçado de raios aumenta o fator de amplificação. Porém, esse aumento não é suficiente para explicar os níveis de amplificação normalmente observados. Em contraponto, conclui-se que a inclusão de variações de curta escala (na direção perpendicular ao campo magnético) na densidade e demais parãmetros do plasma da região fonte, pode ser um fator muito importante na explicação desses níveis de amplificação. / The present work investigates the propagation and amplification of electromagnetic waves in a plasma localized in the vicinity of the geomagnetic poles, at heights not much greater than three times the Earth's radius. The phenomena studied is known as the Aurorai Kilometric Radiation (AKR), the strongest of the various types of emission that can occur as a consequence of the interaction of the solar wind and the terrestrial magnetosphere. Initially some of the main known characteristics of this emission are discussed, including a review of the literature on the observational features of the phenomena. The electron cyclotron maser mechanism is then discussed as a possible generator mechanism for the AKR. This mechanism is then utilized in order to study the propagation and amplification of the Aurorai Kilometric Radiation, the physical parameters necessary for this study being obtained from a physical model based in the work of Chiu & Schultz (1978), which approximately reproduces the plasma conditions in the source region. The model includes the gradients perpendicular to the ambient magnetic field, with small scale variations of the density, called auroral subcavities. The componente of the plasma dielectric tensor are calculated for one distribution which consists in a summation of a Maxwellian, which describes cold electrons, and a relativistic DGH distribution for the energetic loss-cone electrons, being used the locally homogeneous approximation. A ray-tracing study is done using the geometrical optics equations, and at each point along the wave trajectory the spectral emissivity is calculated. By means of the transfer equation, the wave amplification factor is obtained for as long as the wave propagates in the source region. It is verified that the inclusion of the emissivity of the medium in the ray tracing calculation enhances the amplification factor. However, the increase obtained is not sufficient to expiam the amplification leveis currently observed. On the other hand, it is concluded that the inclusion of small scale variations (in the direction perpendicular to the magnetic field) in the density and other plasma parameters in the source region, may be an important factor in the explanation of the observed amplification leveis.

Submitted by Rosa Assis (rosa_assis@yahoo.com.br) on 2016-09-22T14:43:47Z No. of bitstreams: 2 EDSON TAFELI CARNEIRO DOS SANTOS .pdf: 9777193 bytes, checksum: 7899eea8e7cc4550fef2b2744ddb778d (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-22T14:43:47Z (GMT). No. of bitstreams: 2 EDSON TAFELI CARNEIRO DOS SANTOS .pdf: 9777193 bytes, checksum: 7899eea8e7cc4550fef2b2744ddb778d (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-02-05 / The digital television reception system has a number of possible technological changes in its architecture. One of the changes is the transition from the VHF broadcast band to UHF. This fact requires a change in design, size and electrical characteristics of the radio receiver antenna side. Among the desirable characteristics of an antenna operating in this frequency band are: omnidirectionality, gain, directivity and wideband required to cover the entire range, combined with low cost and easy construction. This work proposes a new antenna, formed by a planar monopole acting as irradiator element and supported by a conical structure attached to a cylindrical shaped element with sleeve format that promotes an increase and control of the bandwidth required to cover the entire UHF band, including GSM850 and GSM900 bands. The design of the proposed antenna was performed with a full wave electromagnetic field simulator. A prototype was built and simulated and experimental results showed that the proposed antenna could cover the range of 469.6 MHz to 1387.4 MHz, with a steady-state wave ratio of less than 2. The performance of the proposed antenna was compared with other monopole antennas in relation to the received power level. A digital TV receiver was used to verify system performance in a closed and urban environment. / O sistema de recepção da TV digital apresenta diversas mudanças tecnológicas na sua arquitetura. Uma das mudanças, é a alteração da faixa de transmissão do VHF para o UHF. Esse fato impõe uma alteração no desenho, tamanho e características radio elétricas da antena no lado do receptor. Dentre as características desejadas de uma antena que opere nessa faixa de frequências está a ominidirecionalidade, ganho, diretividade e largura de banda elevada para cobrir toda a faixa necessária, aliado a um baixo custo e facilidade de construção. Esta pesquisa apresenta uma nova proposta de antena, composta por um monopolo planar como elemento irradiador, e suportado por uma estrutura em formato de tronco de cone unida a um elemento cilíndrico em forma de luva para promover aumento e controle da largura de banda necessários para cobrir toda a faixa do UHF, inclusive as bandas GSM850, e GSM900. A antena proposta foi projetada com simulador de campo eletromagnético de onda completa. Um protótipo foi simulado e construído e os resultados experimentais demonstraram que a antena pode cobrir a faixa de 469,6 MHz a 1387,4 MHz, com uma taxa de onda estacionária inferior a 2. O desempenho da antena proposta foi comparada com outras monopolos em relação ao nível de potência recebido. Um receptor de TV digital foi utilizado para verificar o desempenho do sistema em um ambiente fechado e urbano.