El objetivo de esta tesis es el estudio de la dinámica de los láseres de semiconductor (LS) con realimentación óptica, tanto desde el punto de vista experimental como numérico. La reflexión de la luz emitida por el láser, debida a la presencia de un espejo externo, es capaz de inducir una dinámica caótica en su intensidad de salida. Concretamente, cuando el láser es bombeado cerca de su corriente umbral, puede entrar en el régimen de fluctuaciones de baja frecuencia (LFF), caracterizado por repentinas caídas de su intensidad a tiempos irregulares. El comportamiento pulsado, y caótico, en este régimen es de especial interés desde el punto de vista de la dinámica de sistemas no-lineales, pero también por sus aplicaciones en comunicaciones ópticas.Si queremos resumir los resultados de esta tesis ordenados cronológicamente,debemos empezar hablando de ruido. El efecto de el ruido en un sistema no-lineal puede ser de gran ayuda en la obtención de una respuesta más regular, efectos como la resonancia coherente o la resonancia estocástica han dado buena prueba de ello. Con el objetivo de observar ambos fenómenos en el comportamiento pulsado de un láser en régimen de LFF, se realizan simulaciones numéricas a partir del modelo de Lang-Kobayashi (LK), que describe la evolución del campo eléctrico y los portadores en un LS. Los resultados obtenidos demuestran que añadiendo cierta cantidad de ruido externo a través de la corriente de bombeo, los pulsos observados en la intensidad de salida se vuelven más regulares, que es la característica típica de la resonancia de coherencia (RC). Si la corriente de bombeo está modulada con una señal periódica de cierta frecuencia, se puede observar cómo el ruido externo ayuda al sistema a seguir dicha frecuencia, lo que se refleja en la intensidad de salida con unas caídas no sólo más regulares, sino también a la frecuencia de forzamiento. Este fenómeno, observado en diversos sistemas no-lineales, se conoce como resonancia estocástica (SR). Los estudios realizados permiten observar que no sólo la amplitud del ruido es importante, sino también su tiempo de correlación, debiéndose ajustar ambos parámetros para poder observar dichas resonancias. En relación con el efecto del ruido en estos sistemas, se estudia (experimental y numéricamente) el caso de un láser en LFF cuando es modulado con dos frecuencias, observando resonancia a frecuencias no presentes en el sistema. Estos resultados son la primera evidencia experimental de este fenómeno, bautizado como resonancia fantasma (GR), el cual sólo habia sido predicho teóricamente hasta el momento.Paralelamente, se analizan los efectos del acoplamiento de dos sistemas caóticos, en nuestro caso dos láseres en régimen de LFF. Los resultados demostran que el acoplamiento puede incrementar la respuesta de un sistema no lineal a un señal periódica externa.Se profundiza también en el estudio del comportamiento multimodo de los láseres de semiconductor con realimentación óptica. Se presentan resultados experimentales y numéricos del comportamiento de los modos longitudinales en el régimen de LFF, observándose como, cuando la intensidad total cae, se activan modos laterales que hasta el momento permanecian apagados. Finalmente, y continuando con el estudio de la dinámica multimodo, se analiza la sincronización de dos láseres multimodo mediante una extensión del modelo de LK, observándose sincronización generalizada y anticipada, tanto de la intensidad total, como entre los modos longitudinales de cada láser. Estos resultados sugieren la utilización de este tipo de láseres para la transmisión de mensajes multiplexados.

Two research studies have been addressed in this thesis. Both of them are of actual scientific interest and are based on processing GNSS data. The first part of this thesis is devoted to GNSS detection and monitoring of solar flares. The second one is devoted to GNSS prediction of ionospheric Total Electron Content. Regarding the first study, a new solar flare detector called SISTED has been designed and implemented. Its goal is to provide a simple and efficient way of detecting the most number of powerful X-class solar flares in real time operation. In addition, it can send early warning messages to prevent the harmful consequences of the increase of ejected particles from the Sun that may reach the Earth after a solar flare, especially in case of a Coronal Mass Ejection. The main benefit of SISTED regarding other detection techniques is that it does not require data from external providers out of the GNSS community. In addition, it can run in real-time operation and could provide value added data to GNSS users. The results show that SISTED was able to detect up to the 95% of the X-class flares reported by GOES for more than a half solar cycle. Regarding the second study, a new approach to predict Global Ionospheric vertical TEC Maps has been designed and implemented in the context of the IGS Ionosphere Working Group. The motivation to develop a UPC Predicted product was the interest of ESA's SMOS mission. A recent application using UPC Predicted products is the generation of real-time global VTEC maps as background model. In addition, the predicted VTEC maps are used to generate the combined IGS Predicted products. The results obtained in this thesis show that the model performs well when the results are compared with those obtained by the other IGS analysis centers. In addition, applying the prediction model leads to better results than the use of time-invariant ionosphere for two days ahead. In relation with this research, 4 publications in international journals indexed in JCR/ISI have been generated (and another one is under review process), and 7 presentations have been authored in international meetings, among the new UPC predicted product contributing to IGS, and the contribution to two competitive projects funded by the European Space Agency (AGIM and MONITOR).

Els sistemes RFID estan composats per tags (coneguts també amb el nom d'etiquetes electròniques) que emmagatzemen un codi d'identificació que es pot obtenir via radiofreqüència per un equip lector, i ser transmesa a la xarxa a través dels sistemes d'informació. L'RFID de baix cost integra diferents tecnologies amb un denominador comú, la limitació de recursos computacionals dels tags (és a dir el seu baix cost). La tecnologia RFID de baix cost més comuna és l'Electronic Product Code Class 1 Generation 2 (EPC Gen2). El desenvolupament dels tags d'aquesta tecnologia ha de fer front a diverses limitacions, com són el cost de fabricació, compatibilitat amb les regulacions, consum de potència i funcionalitat. Com a conseqüència, les capacitats computacionals dels tags EPC Gen2 són limitades. En aquest sentit, les especificacions de la tecnologia EPC Gen2 només considera dos funcions de seguretat en els tags: generadors de nombres pseudoaleatoris (PRNGs) i operacions protegides amb contrasenya. La pseudoaleatorietat proporcionada als tags s'empra, de fet, per xifrar les operacions protegides amb contrasenya. Els PRNGs també són la base del mecanisme d'anticol•lisió en el procés d'inventariat dels tags, i del mecanisme de comprovació de recepció de certes operacions de l'estàndard EPC Gen2 (per exemple l'escriptura en memòria o la desactivació de tags). Per tant, els PRNGs són els elements bàsics en la seguretat de la tecnologia EPC Gen2. La contribució d'aquesta tesi és la millora de l'estat de l'art en la seguretat per la tecnologia RFID EPC Gen2. Amb el coneixement obtingut de l'anàlisi de tags comercials, i l'avaluació de propostes de la literatura científica, es proposa un nou disseny de PRNG compatible amb els requisits de la tecnologia EPC Gen2, millorant-ne les propietats de seguretat. Es pot concloure que el treball inclòs en aquesta tesi condueix a un nou paradigma en el disseny i recomanacions per a la seguretat en sistemes RFID de baix cost, i en particular, per la tecnologia EPC Gen2. / Los sistemas RFID se componen de tags (conocidos también como etiquetas electrónicas) que almacenan un código de identificación que se puede obtener vía radiofrecuencia por un equipo lector, y ser transmitida a la red a través del sistema de información. RFID de bajo coste integra diferentes tecnologías con un denominador común, la limitación de recursos computacionales de las etiquetas. La tecnología RFID de bajo coste más común es el Electronic Product Code Class 1 Generation 2 (EPC Gen2). El desarrollo de los tags de esta tecnologia tiene que superar diferentes limitaciones, como son el coste de fabricación, compatibilidad con las regulaciones, consumo de potencia y funcionalidad. Como consecuencia, las capacidades computacionales de los tags EPC Gen2 son limitadas. En este sentido, las especificaciones de la tecnología EPC Gen2 solo considera dos funciones de seguridad en los tags: generadores de números pseudo-aleatorios (PRNGs) y operaciones protegidas por contraseña. La pseudoaletoriedad proporcionada a los tags se utiliza, de hecho, para cifrar operaciones protegidas por contraseña. Los PRNGs también son la base del mecanismo de anticolisión en el proceso de inventariado de los tags, y del mecanismo de comprobación de recepción de ciertas operaciones del estándar EPC Gen2 (por ejemplo la escritura en memoria o la desactivación de los tags). Por tanto, los PRNGs son los elementos básicos en la seguridad de la tecnología EPC Gen2. La contribución de esta tesis es la mejora del estado del arte en la seguridad para la tecnología RFID EPC Gen2. Con el conocimiento obtenido del análisis de tags comerciales, i la evaluación de propuestas de la literatura científica, se propone un nuevo diseño de PRNG compatible con los requisitos de la tecnología EPC Gen2, mejorando sus propiedades de seguridad. Se puede concluir que el trabajo incluido en esta tesis conduce a un nuevo paradigma en el diseño y recomendaciones para la seguridad en sistemas RFID de bajo coste, y en particular, para la tecnología EPC Gen2. / RFID systems are composed by tags (also known as electronic labels) storing an identification sequence which can be wirelessly retrieved by an interrogator, and transmitted to the network through middleware and information systems. Low-cost RFID integrates different technologies, regarding the resource constrained characteristic (thus, reduced cost) of the RFID tags. The main example of low-cost RFID is the Electronic Product Code Class 1 Generation 2 (EPC Gen2) technology, which is designed to balance cost and functionality. The development of EPC Gen2 tags faces, in fact, several challenging constraints such as cost, compatibility regulations, power consumption, and performance requirements. As a consequence, the computational capabilities of EPC Gen2 tags are very simple. In this sense, the EPC Gen2 specification only considers two basic on board security features: pseudo-random number generators (PRNGs) and password-protected operations. The pseudo-randomness offered by on-board PRNGs is, indeed, used to protect the password-protected operations. PRNGs are also used as an anti-collision mechanism for inventorying processes, and to acknowledge other Gen2 specific operations (e.g., memory writing, decommission of tags, and self-destruction). PRNGs are, therefore, the crucial components that guarantee Gen2 security. The contribution of this dissertation is the improvement of the state of the art on security in RFID EPC Gen2 technology. With the knowledge obtained from the analysis of commercial EPC Gen2 tags, and the evaluation of scientific proposals, we have been able to propose a new PRNG design compatible with the hardware and statistical EPC Gen2 requirements, and with improved security properties. We can conclude that our work leads to new design paradigms and recommendations for the security in low-cost RFID, and particularly for the EPC Gen2 technology.

En aquesta tesi doctoral es proposa utilitzar la tècnica LIDAR (Light Detection And Ranging) per estudiar la deriva de pesticides. A diferència dels col·lectors in situ, aquesta tècnica permet mesurar els aerosols de forma remota, amb elevada resolució temporal i en distància. Els objectius d’aquesta tesi són (1) dissenyar un sistema lidar específic per la mesura de la deriva i (2) avaluar la capacitat d’aquesta tècnica per quantificar la concentració en els núvols de pesticides. Per la consecució de l’objectiu (1) s’ha elaborat una metodologia de disseny, validada mitjançant la construcció d’un prototipus de ceilòmetre lidar biaxial. Partint d’aquesta metodologia s’han establert els paràmetres de disseny del sistema específic per mesurar la deriva: longitud d’ona de 1550 nm, energia per pols igual a 25 μJ, etc. Respecte a l’objectiu (2), es proposa un model teòric que relaciona les mesures lidar de la deriva amb les obtingudes utilitzant col·lectors passius. La relació entre els dos tipus de sensors també s’ha estudiat experimentalment. Les mesures van mostrar que per a cada assaig existeix una elevada correlació lineal (R2≈0.9) entre el senyal lidar i els col·lectors. / En esta tesis doctoral se propone utilizar la técnica LIDAR (LIght Detection And Ranging) para monitorizar la deriva de pesticidas. A diferencia de los colectores in situ, esta técnica permite medir los aerosoles de forma remota, con elevada resolución temporal y en distancia. Los objetivos de esta tesis son (1) diseñar un sistema lidar específico para la medida de la deriva y (2) evaluar la capacidad de esta técnica para cuantificar la concentración en las plumas de pesticidas. Para la consecución del objetivo (1) se ha elaborado una metodología de diseño, validada mediante la construcción de un prototipo de ceilómetro lidar biaxial. Partiendo de esta metodología se han establecido los parámetros de diseño del sistema lidar específico para medir la deriva: longitud de onda de 1550 nm, energía por pulso igual a 25 μJ, etc. Respecto al objetivo (2), se propone un modelo teórico que relaciona las medidas lidar de la deriva con las obtenidas utilizando colectores pasivos. La relación entre ambos tipos de sensores también ha sido estudiada experimentalmente. Las medidas mostraron que para cada ensayo existe una elevada correlación lineal (R2≈0.9) entre la señal lidar y los colectores. / This doctoral thesis proposes the use of the LIDAR (LIght Detection And Ranging) technique for spray drift monitoring. Unlike in situ collectors, this technique enables remote measurement of aerosols with high temporal and range resolution. The objectives of this thesis are as follows: (1) the design of a lidar system specifically for the remote sensing of pesticide spray drift and (2) assessment of the capacity of lidar technology to quantify droplet concentration in drift clouds. For the purposes of objective (1), a design methodology was elaborated. This methodology was validated with the construction of a biaxial lidar ceilometer prototype. Taking this methodology as a starting point the design parameters of a lidar system specifically for spray drift measurement were established: 1550 nm wavelength, 25 μJ de pulse energy, etc. As for objective (2), it is proposed a quantitative analytical model which relates the lidar spray drift measurements with those obtained using passive collectors. The relationship between the two sensor types was also studied experimentally. The measurements showed that for each test there is a high linear correlation (R2≈0.9) between the lidar signal and the collectors

Aquest treball de recerca ha estat enfocat cap a l'aprofitament de les similituds existents entre l'arquitectura d'un satèl·lit (panells solars, bateries, unitat de control de potència, bus d'alimentació en corrent continua, plataforma i càrrega útil) i el disseny d'una arquitectura elèctrica basada en piles de combustible (FCs). En aquesta última, les FCs substituiran els panells solars, mentres que els dispositius d'emmagatzematge auxiliar (ASDs), unitat de control i buses seguiran existint adaptats al nou context de càrregues. Bàsicament es pretén adaptar a aquests sistemes basats en FCs algoritmes de gestió d'energia en estratègies, arquitectures i eines utilitzades en l'àmbit espacial. L'element clau de les diferents topologies híbrides (conjunts conformats per FC, ASD i convertidors commutats dc-dc) analitzades, estudiades i implementades en aquest estudi, és un convertidor modular buck-boost no inversor que presenta les següents característiques: capacitat d'elevar i reduir tensió, alta eficiència i baix arrissat en els seus corrents d'entrada i de sortida. Aquest mòdul pot controlar la seva corrents d'entrada i de sortida amb un ampli ample de banda, la qual cosa facilita el disseny del us diferents llaços de control i protecció requerits pel control mestre, el qual serà implementat digitalment. / Este trabajo de investigación ha sido enfocado hacia el aprovechamiento de las similitudes existentes entre la arquitectura de un satélite (paneles solares, baterías, unidad de control de potencia, bus de alimentación en corriente continua, plataforma y carga útil) y el diseño de una arquitectura eléctrica basada en pilas de combustible (FCs). En esta última, las FCs sustituirán a los paneles solares, mientras que los dispositivos de almacenamiento auxiliar (ASDs), unidad de control y buses seguirán existiendo adaptados al nuevo contexto de cargas. Básicamente se pretende adaptar a estos sistemas basados en FCs algoritmos de gestión de energía en estrategias, arquitecturas y herramientas utilizadas en el ámbito espacial. El elemento clave de las diferentes topologías híbridas (conjuntos conformados por FC, ASD y convertidores conmutados dc-dc) analizadas, estudiadas e implementadas en este estudio, es un convertidor modular buck-boost no inversor que presenta las siguientes características: capacidad de elevar y reducir tensión,alta eficiencia y bajo rizado en sus corrientes de entrada y de salida. Este módulo puede controlar su corrientes de entrada y de salida con un amplio ancho de banda, lo cual facilita el diseño del os diferentes lazos de control y protección requeridos por el control maestro, el cual será implementado digitalmente. / This research work has been focused toward the use of the similarities between a satellite architecture (solar panels, batteries, power control unit, DC power bus, plataform and useful load) and the design of an electrical architecture based ond fuel ells (FCs), in which the FC will replace the solar panels, while the auxilary storage devices (ASDs), control unit and buses will continue exist adapted to the new load context. Basically, the main objective is adapt these FCs algorithms based on energy management strategies, architectures an tools that have been used in the spatial systems field. The key element of the different hybrid topologies (FC, ASD in conjuction with dc-dc switching converters) is a modular non-inverting buck-boost converter wich has been analyzed, studied and implemented in this study and has the following features: voltage step-up and step-down properties, high efficiency, and low input an output current ripples. This module can control its input and output currents, with a wide bandwidth, which eases the design of the digital master control. This master control will be implemented digitally.

The increasing use of DC electronic devices connected to mains lead to numerous complications of harmonic distortion and efficiency reduction in electrical energy transmission. These devices behave as a marked non linear lads, which behavior lie in their topology and structure, but also in mains impedance as well as the neighbor loads impedance. In order to correct this situation, these loads can be modified or filters can be introduced. Filters are usually connected in parallel to de loads, to reduce harmonic generation. These filters can be active or passive. This thesis is devoted to parallel active filter topology and control method study; it also analyses and the filter behavior as soon as they are connected to the mains. More specifically, the thesis is focused in to hybrid filters study, coupled to the mains by a passive LC filter. The main contributions of this thesis, one and all supported by publications, are: a) Filter Topology: Various filter topologies show several problems, which are explained in detail on the document. Hybrid filter coupled to the mains by passive LC filters is adopted in this thesis and a new topology called "Neutral to Negative" (NtN) is proposed. This topology uses only one capacitor in the DC bus and therefore removes the DC balance requirement characteristic of split capacitors VSI topologies. b) Control and PWM modulation techniques: In these area contributions are concentrated in two features; a transformation based on 60º angles is proposed by contrast of the classic aß orthogonal transformation. This adaptation considerably simplifies to procure the VSI stages in case of systems without neutral wire. Furthermore a current controller and modulation technique has been developed to follow current track, in three and four-wire mains. c) Leading current control: A new method to reduce leading current in low load conditions has been developed. This method regulates the available voltage across coupling capacitors in order to obtain a specific di/dt; and is operational without losing filter properties. d) Non linear loads model: Harmonic filter introduction in power lines disturbs non-linear-loads (NLL) behavior and produce some harmonic amplification problems introduced in the last chapter. This chapter is devoted to obtain a NLL model in order to predict the load response when a filter is introduced. A model based in Neural Networks (NN) has been developed. This model is created making use of measure collection made where the filter is going to be connected. This NN model has been completed with an iterative method allowing to predict harmonic current changes in NLL when an active filter is connected. / La proliferación de equipos electrónicos alimentados en CC, conectados a la red, provoca multitud de problemas de distorsión armónica y una reducción de la eficiencia en la transmisión de la energía eléctrica. Estos equipos se comportan como cargas fuertemente no lineales, cuyo comportamiento depende de su topología y estructura, pero también de la impedancia de la red que los alimenta y de otras posibles cargas en paralelo, alimentadas por la misma red. Para corregir esta situación se puede optar por modificar las cargas o por introducir filtros, generalmente en paralelo con las mismas, para reducir la generación de armónicos. Los filtros para corregir esta situación pueden ser de dos tipos: activos o pasivos. La tesis se ha centrado en el estudio de la topología, los métodos de control y el comportamiento una vez conectados a la red de los filtros activos paralelo, denominados también APLC (Active Power Line Conditioners). Más concretamente, la tesis está centrada en el estudio de filtros híbridos, acoplados a red mediante un filtro pasivo LC serie. Las aportaciones básicas de la tesis, todas ellas avaladas por publicaciones, son las siguientes: a) Topología del filtro: Distintas topologías de filtros presentan diversos problemas, que se explican detalladamente en la memoria. En la tesis se ha optado por utilizar filtros híbridos acoplados a la red mediante un conjunto LC y se propone una nueva topología llamada "Neutro a Negativo" (NtN). La topología propuesta utiliza un solo condensador en el bus de CC y por tanto elimina la necesidad de equilibrar la tensión respecto a otras topologías basadas en convertidores VSI con bus de continua partido. b) Control y técnicas de modulación PWM: En el apartado de control, la tesis hace aportaciones en dos aspectos: Por una parte se ha introducido una transformación basada en ejes de referencia a 60º, en vez de la clásica descomposición en ejes ortogonales ( , ).Este cambio simplifica enormemente la obtención de los estados del VSI cuando el sistema al que va destinado es un filtro que no dispone de neutro. Por otra parte se ha desarrollado un regulador de corriente, y una nueva técnica de modulación para seguimiento rápido de la consigna, desarrollada para trabajar con redes de 3 y 4 hilos. c) Control de la corriente reactiva: Se ha desarrollado un nuevo método que permite reducir la corriente reactiva capacitiva que requiere el filtro híbrido en condiciones de poca carga. El método regula la tensión disponible en el condensador de acoplo, adaptándolo a la necesidad de crear un determinado di/dt. El método es aplicable sin pérdida de prestaciones del filtro. d) Modelado de cargas: La inserción de filtros de armónicos en la red, altera el funcionamiento de las cargas no lineales que los producen y genera ciertos problemas de amplificación que se han tratado en el último capítulo de la tesis, dedicado a obtener un modelo de dichas cargas no lineales y a poder predecir los resultados de la inserción de los filtros. Se ha desarrollado un modelo de las cargas basado en Redes Neuronales, que permite predecir el fenómeno de amplificación. El modelo se genera a partir de un conjunto de medidas tomadas en el punto donde se pretende conectar el filtro activo. Este modelo se ha completado con un método iterativo que permite predecir la variación de las corrientes armónicas consumidas por las cargas no lineales cuando se introduce un filtro activo en una instalación

Cotutela ICFO-Universitat Politècnica de Catalunya i Institut Fresnel-Université Aix-Marseille / In this century some of our main issues are energy shortage and pollution. This work will briefly describe these problems, proposing a plan of action combining energy saving and different sustainable energy sources. Within different types of renewable energy sources, solar energy is the most abundant one. To make solar energy a more sustainable and cost effective technology we focus on enhancing the optical characteristics of thin film solar cells. In this category, organic solar cells are good options for their exiguous amount of material and the low energy needed for the fabrication process. This technology can be lightweight, transparent, flexible and conformal in order to be applied to and integrated in various architectural solutions and consumer electronics. After a study of the physics of such devices and on how to optically enhance their performances, we will show some examples where we theoretically and experimentally collect the solar radiation with optical antennas. We report, for the first time in literature, a nanogap antenna that efficiently couples the light in our active material thin film. Finally, we elaborate on the concept of building integrated photovoltaics introducing some examples of solar façades. Based on our research, we are able to design and fabricate an organic transparent solar cell with a visible transparency above 20% and an optically enhanced photon-electron conversion efficiency remarkably similar to its opaque equivalent. / En el presente siglo, algunas de las prioridades son la escasez de la energía y la contaminación. Este trabajo describirá brevemente estos problemas y propondrá un plan de acción que combina el ahorro energético con diferentes fuentes sostenibles de energía. Dentro de estas fuentes de energía renovables, la energía solar es la más abundante. Con el objetivo de hacer la tecnología solar más sostenible y eficiente económicamente nos concentramos en aumentar las características ópticas en celdas solares de película delgada. Dentro de esta categoría, las celdas solares orgánicas son una buena opción porque su desarrollo requiere bajas cantidades de materiales y su fabricación es de baja energía embebida. Adicionalmente, esta tecnología puede ser liviana, transparente, flexible mecánicamente y modular para ser aplicada e integrada en varias soluciones arquitectónicas y de electrónica de consumo. Luego de estudiar los procesos físicos en tales dispositivos y de determinar las metodologías para aumentar ópticamente sus desempeños, mostraremos algunos ejemplos donde teórica y experimentalmente se colecta la radiación solar mediante antenas ópticas. Se reporta por primera vez, una antena de nanogap que acopla eficientemente la luz en la capa activa de la celda solar. Finalmente, se desarrolla el concepto de tecnología fotovoltaica integrada en edificaciones tras introducir algunos ejemplos de fachadas solares. Basados en nuestra investigación, fue posible diseñar y fabricar una celda solar orgánica transparente cuya transparencia en el rango visible estuvo por encima del 20% y una eficiencia de conversión foton-electron aumentada ópticamente que resulto notoriamente similar a la celda solar orgánica opaca equivalente. / La rareté grandissante des ressources en énergie associée à une augmentation de la pollution font partie des enjeux plus importants de ce siècle. Cette thèse décrira brièvement ces deux problématiques et proposera un plan d’action combinant économie d’énergie et diversité des sources d’énergies renouvelables. Parmi les formes d’énergies renouvelables disponibles, l’énergie solaire est la plus abondante. Pour faire de l’énergie solaire une ressource plus durable et plus rentable économiquement, nous proposons d’amplifier les propriétés optiques de cellules solaires en couches minces. Dans cette catégorie, les cellules solaires organiques représentent un choix pertinent de part la faible quantité de matériau nécessaire ainsi que la faible énergie nécessaire au procédé de fabrication. Cette technologie peut être légère, transparente et flexible de sorte qu’elle peut être utilisée dans différentes solutions architecturales s’adaptant à des produits électroniques pour le grand publique. Suivra la théorie sous jacente à ces dispositifs et l’explication de la manière dont leurs performances sont améliorées. Nous présenterons quelques exemples où l’on collecte la radiation solaire avec une antenne optique. Ainsi, nous faisons la toute première démonstration d’une antenne auto-assemblée qui couple efficacement la lumière dans le matériau constituant la couche mince que nous utilisons. Finalement, nous développons le concept de cellules photovoltaïques intégrées en présentant différents cas de façades solaires. Ces travaux nous ont permis de concevoir et de fabriquer une cellule solaire organique transparente avec une transparence dans le visible de 20% et une efficacité de conversion photon-électron améliorée, similaire à une cellule équivalente opaque. / La difficile reperibilità di risorse energetiche e l’inquinamento sono alcuni dei problemi più importanti di questo secolo. In questo lavoro saranno presentati brevemente questi temi proponendo un piano d’azione che abbini il risparmio energetico alle differenti fonti di energia rinnovabili. Nell’insieme delle fonti energetiche rinnovabili l’energia solare è senz’altro la più abbondante. Con l’obbiettivo di rendere lo sfruttamento di tale energia più sostenibile ed economicamente vantaggioso, ci premuriamo di migliorare le caratteristiche ottiche di celle fotovoltaiche a film sottile. In questa categoria utilizziamo, tra le diverse opzioni, le celle solari organiche in quanto la loro fabbricazione richiede una quantità di materiale minimo e un basso consumo energetico. Inoltre questi tipi di dispositivi possono essere leggeri, trasparenti, flessibili e conformabili alle superfici su cui sono applicati. Questa è una tecnologia che potrebbe essere implementata e integrata in varie soluzioni architettoniche o nell’ elettronica di consumo. Dopo aver presentato i principi fisici di tali dispositivi e determinato le metodologie ottiche per aumentarne le prestazioni, vengono illustrati alcuni esempi dove, teoricamente e sperimentalmente, riusciamo a intercettare la radiazione solare con antenne ottiche. Riportiamo, per la prima volta in letteratura, un’antenna ottica con nano-gap che accoppia efficacemente la luce solare nel nostro materiale attivo a film sottile. Nell’ultima parte sviluppiamo il concetto di tecnologia solare integrata negli edifici, introducendo alcuni esempi di facciate solari. Basando il design sulla nostra ricerca, è possibile realizzare una cella solare fotovoltaica organica trasparente, con una trasparenza superiore del 20% e un’ efficienza di conversione fotone-elettrone migliorata grazie all’ottica, che risulta molto vicina all’ equivalente cella fotovoltaica organica non trasparente.

Equipped with appropriate control strategies, permanent magnet (PM) machines are becoming one of the most flexible types of actuators for many industrial applications. Among different types of PM machines, five-phase BLDC machines are very interesting in fault tolerant applications of PM drives. Torque improvement in five-phase BLDC machines can be accomplished by optimizing their mechanical structure or by enhancing their controlling methods. New current controllers are proposed in this thesis to improve the quality of generated torque under normal operations of five-phase BLDC machines. Proposed current controllers are based on combination of predictive deadbeat controlling strategy and Extended Kalman Filter estimation. These controllers will be the basis for accurate faulty operation of the motor. Operation of five-phase BLDC machines under faulty conditions has also been considered in this study. To improve the generated torque under faulty conditions, both amplitude and phase angle of fundamental and third current harmonics are globally optimized for the remaining healthy phases. Under faulty conditions, appropriate reference currents of a five-phase BLDC machine have oscillating dynamics both in phase and rotating reference frames. As a result, the implemented current controllers under these conditions should be robust and fast. Predictive deadbeat controllers are also proposed for faulty conditions of five-phase BLDC machines. Fault tolerant five-phase BLDC machines are very interesting in automotive applications such as electrical vehicles and more electric aircraft. In addition, these devices are gaining more importance in other fields such as power generation in wind turbines. In all of these applications, the efficiency of PM machine is of most importance. The efficiency of a typical five-phase BLDC machine is evaluated in this thesis for normal and different faulty conditions. Experimental evaluations are always conducted to verify the theoretical developments. These developments include proposed controlling methods, optimized reference currents, and simulated efficiency of five-phase BLDC machine under different operational conditions.

This work is a contribution to a measuring system based on ultrasonic techniques to analyse and monitor, in real time, malolactic fermentation (MLF) in red wine, both at industrial and semi-industrial level. In the wine sector, MLF is of great importance due to its influence over wine organoleptic and sensory profiles, for it largely defines the quality of the final product. This process, whose main feature is that lactic acid bacteria (LAB) convert malic acid into lactic acid, is monitored, generally, in labs with analytical techniques. These techniques have several drawbacks, however, regarding costs, response times and chances to be included in production lines (they are off-line). On the contrary, the characteristics of the ultrasonic measuring method developed in this Thesis overcomes those and provides other advantages associated to this kind of technology (non-invasive, non-destructive, hygiene and accuracy among others). The main measuring instrument is the ultrasonic sensor, which has been designed and manufactured for measures ultrasonic propagation velocity. It is based on a transmission and reflection of ultrasonic waves technique (pulse-echo). Besides, a buffer rod is used to allow both signal conditioning (echoes) and also the coupling and start of the system in the big stainless steel tanks where the wine is kept during its production. Moreover, several methods to process the collected ultrasonic information are compared and classified according to their computing cost-precision relationship in order to facilitate selection depending on available resources. Regarding lab experiments, the system has proved an appropriate accuracy to detect variations when, in aqueous and hydroalcoholic solutions, lactic and malic acid levels of concentration are changed. It also works in the ultrasonic characterization of hydroalcoholic solutions when temperatures vary with different alcohol concentrations or to detect parameter changes such as turbidity. Regarding field tests, the behaviour of the ultrasonic propagation velocity is clearly related to several conventional parameters that are measured during MLF (malic and lactic acid concentrations, volatile acidity, bacteria population, etc.), which proves the usefulness of the system when predicting the end of the malolactic process on-line. This prediction shows a constant behaviour in ultrasonic propagation velocity when MLF is reaching the end, or none at all when LABs do not perform the process. The breaking point of the system in field tests is control over wine temperature. This parameter is influenced by variations on room temperature and changes generated by the process itself. Temperature must be precisely monitored in order to apply, when necessary, the corresponding compensations to ultrasonic results. The results confirm the feasibility of using ultrasonic waves to monitor the MLF of red wine, even the possibility to include them in a real time control system. / En este trabajo, se ha contribuido al desarrollo de un sistema de medida basado en técnicas de ultrasonidos para el análisis y monitorización, en tiempo real, de la fermentación maloláctica (FML) en el vino tinto elaborado a nivel semi-industrial e industrial. En el sector vinícola, la importancia e interés por la FML se debe a la gran influencia que ésta ejerce sobre los perfiles organolépticos y sensoriales del vino, ayudando a definir, en gran parte, la calidad del producto final. Caracterizado, principalmente, por la conversión del ácido málico en ácido láctico llevada a cabo por las bacterias ácido-lácticas (BAL), este proceso suele ser monitorizado a través de técnicas analíticas en laboratorios; técnicas que presentan algunos inconvenientes en cuanto a costes, velocidad de respuesta y oportunidad de ser incorporadas a líneas de producción (son off-line). Por el contrario, las características del método de medida por ultrasonidos desarrollado en esta Tesis, ofrecen la oportunidad de superar estas dificultades aportando, además, otras ventajas asociadas a esta clase de tecnología (no invasiva, no destructiva, higiene, precisión, etc.). Como pieza fundamental del sistema de medida, se lleva a cabo el diseño y fabricación de un sensor ultrasónico, que mide velocidad de propagación, basado en una técnica de transmisión y reflexión de ondas de ultrasonidos (pulso-eco). Igualmente, se aprovechan las ventajas aportadas por el mecanismo conocido como buffer rod para facilitar, por un lado, el acondicionamiento de las señales de interés (ecos) y por otro, el acoplamiento y puesta en marcha del sistema en los grandes tanques de acero inoxidable donde se deposita el vino durante su elaboración. Además, se realiza un estudio comparativo de diversos métodos aptos para el procesado de la información ultrasónica recopilada, clasificándolos por su relación precisión-coste computacional de tal forma que facilite una correcta elección de acuerdo a los recursos del sistema de medida donde se pretendan aplicar. En cuanto a los experimentos realizados, en laboratorio el sistema demuestra una adecuada sensibilidad para la detección de cambios cuando, sobre soluciones acuosas e hidroalcohólicas, se llevan a cabo variaciones en los niveles de concentración de los ácidos málico y láctico. Igualmente, su funcionamiento es adecuado para la caracterización ultrasónica de soluciones hidroalcohólicas cuando varía la temperatura ante diferentes concentraciones de alcohol o para detectar cambios en parámetros como la turbidez de las mezclas. A nivel de pruebas de campo, el comportamiento de la velocidad de propagación ultrasónica muestra una alta correlación con varios de los parámetros convencionales que suelen medirse durante la FML (concentraciones de ácidos málico y láctico, acidez volátil, población de bacterias, etc.), demostrando la utilidad del sistema en la predicción on-line del final del proceso maloláctico. Predicción que se caracteriza por un comportamiento prácticamente invariable de la velocidad cuando la FML va llegando a su final, o nulo cuando las BAL no cumplen con el proceso. Como punto crítico en la aplicación del sistema de medida en campo, encontramos el difícil control sobre la temperatura del vino, parámetro que se ve influenciado por las variaciones de la temperatura ambiente y por los propios cambios que genera el proceso en sí. Este aspecto obliga a monitorizar detalladamente dicho parámetro para, de ser necesario, aplicar las correspondientes compensaciones a los resultados ultrasónicos. Con todos los resultados obtenidos, se demuestra la viabilidad de utilizar ondas de ultrasonidos para la monitorización de la FML del vino tinto, con posibilidades de inclusión en un sistema de control en tiempo real.

This Ph.D. thesis addresses remote sensing of the atmosphere by means of lidar and S-band clear-air weather radar, and related data signal processing. Active remote sensing by means of these instruments offers unprecedented capabilities of spatial and temporal resolutions for vertical atmospheric profiling and the retrieval of key optical and physical atmospheric products in an increasing environmental regulatory framework. The first goal is this Ph.D. concerns the estimation of error bounds in the inversion of the profile of the atmospheric backscatter coefficient from elastic lidar signals (i.e., without wavelength shift in reception when interacting with atmospheric scatterers) by means of the two-component inversion algorithm (the so-called Klett-Fernald-Sasano¿s algorithm). This objective departs from previous works at the Remote Sensing Lab. (RSLab) of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) and derives first-order error-propagated bounds (approximate) and total-increment bounds (exact). As distinctive feature in the state of the art, the error bounds merge into a single body both systematic (i.e., user-calibration inputs) and random error sources (finite signal-to-noise ratio, SNR) yielding an explicit mathematical form. The second goal, central to this Ph.D., tackles retrieval of the Atmospheric Boundary Layer Height (ABLH) from elastic lidar and S-band Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) radar observations by using adaptive techniques based on the Extended Kalman Filter (EKF). The filter is based on morphological modelling of the Mixing-Layer-to-Free-Troposphere transition and continuous estimation of the noise covariance information. In the lidar-EKF realization the proposed technique is shown to outperform classic ABLH estimators such as those based on derivative techniques, thresholded decision, or the variance centroid method. The EKF formulation is applied to both ceilometer and UPC lidar records in high- and low-SNR scenes. The lidar-EKF approach is re-formulated and successfully extended to S-band radar scenes (Bragg¿s scattering) in presence of interferent noise sources (Rayleigh scattering from e.g., insects and birds). In this context, the FMCW feature enables the range-resolved capability. EKF-lidar and EKF-radar ABLH estimates are cross-examined from field campaign results. Finally, the third goal deals with exploitation of the existing UPC lidar station: In a first introductory part, a modified algorithm for enhancing the dynamic range of elastic lidar channels by ¿gluing¿ analog and photon-counting data records is formulated. In a second part, two case examples (including application of the gluing algorithm) are presented to illustrate the capabilities of the UPC lidar in networked atmospheric observation of two recent volcano eruption events as part of the EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network). The latter is part of GALION (Global Atmospheric Watch Atmospheric Lidar Observation Network)-GEOSS (Global Earth Observation System of Systems) framework. / La tesis doctoral aborda la teledetecció atmosfèrica amb tècniques lidar i radar (banda S) i llur tractament del senyal. La teledetecció activa amb aquests instruments ofereix resolucions espacials i temporals sense precedents en la perfilometria vertical de l'atmosfera i recuperació de productes de dades òptics i físics atmosfèrics en un marc de creixent regulació mediambiental. El primer objectiu d'aquesta tesi concerneix l'estimació de cotes d'error en la inversió del perfil del coeficient de retrodispersió atmosfèrica a partir de senyals lidar de tipus elàstic (és a dir, sense desplaçament de la longitud d'ona en recepció al interactuar amb els dispersors atmosfèrics) mitjançant l'algorisme d'inversió de dues components de Klett-Fernald-Sasano. Aquest objectiu parteix de treballs previs en el Remote Sensing Lab. (RSLab) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) i permet obtenir cotes de primer ordre (aproximades) basades en propagació d'errors i cotes (exactes) basades en el increment total de l'error. Característica diferencial en front l'estat de l'art és l'assimilació d'errors sistemàtics (per exemple, entrades de cal.libració d'usuari) i aleatoris (relació senyal-soroll, SNR, finita) en forma matemàtica explícita. El segon objectiu, central de la tesis, aborda l'estimació de l'altura de la capa límit atmosfèrica (ABLH) a partir de senyal lidar elàstics i d'observacions radar en banda S (ona continua amb modulació en freqüència, FMCW) utilitzant tècniques adaptatives basades en filtrat estès de Kalman (EKF). El filtre es basa en modelat morfològic de la transició atmosfèrica entre la capa de mescla i la troposfera lliure i en l'estimació continua de la informació de covariança del soroll. En el prototipus lidar-EKF la tècnica proposada millora clarament les tècniques clàssiques d'estimació de la ABLH como són les basades en mètodes derivatius, decisió de llindar, o el mètode de la variança-centroide. La formulació EKF s'aplica tant a mesures procedents de ceilòmetres lidar como de la pròpia estació lidar UPC en escenes d'alta i baixa SNR. Addicionalment, l'enfoc lidar-EKF es reformula i s'estén amb èxit a escenes radar en banda S (dispersió Bragg) en presència de fonts de soroll interferent (dispersió Rayleigh de, per exemple, insectes i ocells). En aquest context, la característica FMCW permet la capacitat de resolució en distància. L'estimació de la ABLH amb els prototipus lidar-EKF i radar-EKF s'intercompara en campanyes de mesura. Finalment, el tercer objectiu atén a l'explotació de l'estació lidar UPC existent: En una primera part introductòria, es formula un algorisme modificat de "gluing" per a la millora del marge dinàmic de canals lidar elàstics mitjançant combinació (o "enganxat") de senyals lidar adquirits analògicament i amb foto-comptatge. En una segona part, es presenten dos exemples (incloent l'aplicació de l'algorisme de "gluing") que il.lustren les capacitats del lidar de la UPC en l'observació atmosfèrica de dos recents erupcions volcàniques des de la xarxa d'observació EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network). Aquesta última és part de GALION (Global Atmospheric Watch Atmospheric Lidar Observation Network)-GEOSS (Global Earth Observation System of Systems).