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The agricultural sector is the backbone which supports the livelihoods and the economic development of nations across the globe. In consequence, the need for robust and continuous monitoring of agricultural crops is primordial to face the interlinked challenges of growth rate population, food security and climate change. Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors have the powerful imaging capability of operating at almost all weather conditions, independent of day and night illumination. By penetrating through clouds and into the vegetation canopy, the incident radar signal interacts with the structural and dielectric properties of the vegetation and soil, thus providing critical information of the crop state, such as height, biomass, crop yield or leaf structure, which can help devise sustainable agricultural management practices. This is achieved by means of the Polarimetric SAR Interferometry (PolInSAR) technique, which by coherently combining interferometric SAR acquisitions at different polarization states allows for the retrieval of biophysical parameters of the vegetation. In this framework, this thesis focuses on the development of crop monitoring techniques that properly exploit satellite-based PolInSAR data. All the known InSAR and PolInSAR methodologies for this purpose have been analysed. The sensitivity of these data provided by the TanDEM-X bistatic system to both the physical parameters of the scene (height and structure of the plants, moisture and roughness of the soil) and the sensor configuration (polarization modes and observation geometry) is evaluated. The effect of different simplifications made in the physical model of the scene on the crop estimates is assessed. The interferometric sensitivity requirements to monitor a crop scenario are more demanding than others, such as forests. Steep incidences associated with the largest spatial baselines provided by the available data set lead to the most accurate estimates under all the different model assumptions. Shallower incidences, on the other hand, generally yield important errors due to their characteristic shorter spatial baselines. Through the methodologies proposed in this thesis, PolInSAR data have shown potential to refine current methods for the quantitative estimation of crop parameters. Results encourage to continue further research towards the objective of achieving operational crop monitoring applications. / Work supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation, the State Agency of Research (AEI) and the European Funds for Regional Development (EFRD) under Project TEC2017-85244-C2-1-P. Noelia Romero-Puig received a grant from the Generalitat Valenciana and the European Social Fund (ESF) [ACIF/2018/204].

Synthetic Aperture Radar interferometry (InSAR) is a powerful and established technique, which is based on exploiting the phase difference between pairs of SAR images, and which aims to measure changes in the Earth’s surface. The quality of the interferometric phase is therefore the most crucial factor for deriving reliable products by means of this technique. Unfortunately, the quality of the phase is often degraded due to multiple decorrelation factors, such as the geometrical or temporal decorrelation. Accordingly, central to this PhD thesis is the development of advanced processing techniques and algorithms to extensively reduce such disturbing effects caused by decorrelation. These new techniques include an improved range spectral filter which fully utilizes an external Digital Elevation Model (DEM) to reduce geometrical decorrelation between pairs of SAR images, especially in areas strongly influenced by topography where conventional methods are limited; an improved filter for the final interferometric phase the goal of which is to remove any remaining noise (for instance, noise caused by temporal decorrelation) while, simultaneously, phase details are appropriately preserved; and polarimetric optimization algorithms which also try to enhance the quality of the phase by exploring all the polarization diversity. Moreover, the exploitation of InSAR data for crop type mapping has also been evaluated in this thesis. Specifically, we have tested if the multitemporal interferometric coherence is a valuable feature which can be used as input to a machine learning algorithm to generate thematic maps of crop types. We have shown that InSAR data are sensitive to the temporal evolution of crops, and, hence, they constitute an alternative or a complement to conventional radiometric, SAR-based, classifications.

[ES] La difusión de la luz es un fenómeno ubicuo con implicaciones significativas en gran variedad de disciplinas. Mientras que la mayoría de los estudios de difusión se centran en la extinción u otras mediciones relacionadas con la amplitud, la fase de la onda difusa contiene información importante que puede ser aprovechada para múltiples propósitos. Aunque pocas técnicas de caracterización son adecuadas para esta tarea, la espectroscopía de terahercios (THz) es una técnica coherente que permite esto en un amplio rango de frecuencias con propiedades cuasi ópticas. Para lograrlo, estudiaremos y mejoraremos la metodología existente de pulsos de THz aumentando la velocidad de adquisición de espectros de alta resolución mediante la combinación de diversas técnicas para el muestreo de retardo. Esta tesis aborda la investigación de luz difusa con tecnología de THz para dos desarrollos principales. El primero es un método de caracterización del tamaño de partículas resuelto espectralmente utilizando medidas de extinción y de índice de refracción (IR). Al resolver el problema inverso de luz difusa, se puede obtener una gran información de las propiedades geométricas y químicas de las partículas. Este método tradicionalmente ha empleado solo de datos de extinción del medio heterogéneo. Demostramos que se puede lograr una mejora neta en la reconstrucción de la distribución del tamaño de partícula al combinar datos de extinción con datos de IR. Dado que las mediciones se encuentran en un rango de frecuencia limitado, obtener el IR a partir de relaciones de Kramers-Kronig (KK) no puede sustituir su medición directa utilizando técnicas coherentes. Una razón adicional por la cual las relaciones de KK pueden no ser útiles es que, en el caso de una partícula con una densidad óptica menor que el fondo, el IR efectivo complejo no sigue relaciones de dispersión convencionales. El estudio de este fenómeno y la interpretación de las implicaciones causales que surgen son el foco de la última parte de esta tesis, junto con su posible aplicación para el diseño de ondas con contenido espectral arbitrario. Finalmente, se discuten las conclusiones y las líneas futuras de trabajo derivadas de nuestros hallazgos. / [CA] La difusió de la llum és un fenomen ubic amb implicacions significatives en una gran varietat de disciplines. Mentre que la majoria dels estudis de difusió se centren en l'extinció o altres mesures relacionades amb l'amplitud, la fase de l'ona difusa conté informació important que es pot aprofitar per a múltiples propòsits. Encara que poques tècniques de caracterització són adequades per a aquesta tasca, l'espectroscòpia de teraherços (THz) és una tècnica coherent que permet això en un ampli rang de freqüències amb propietats quasi òptiques. Per a aconseguir-ho, estudiarem i millorem la metodologia existent de polsos de THz augmentant la velocitat d'adquisició d'espectres d'alta resolució mitjançant la combinació de diverses tècniques per al mostreig de retard. Aquesta tesi aborda la investigació de la llum difusa amb tecnologia de THz per a dos desenvolupaments principals. El primer és un mètode de caracterització de la mida de partícules resolt espectralment utilitzant mesures d'extinció i d'índex de refracció (IR). En resoldre el problema invers de llum difusa, es pot obtenir una gran informació sobre les propietats geomètriques i químiques de les partícules. Aquest mètode tradicionalment ha emprat només dades d'extinció del medi heterogeni. Demostrem que es pot aconseguir una millora neta en la reconstrucció de la distribució de la mida de partícula en combinar dades d'extinció amb dades d'IR. Donat que les mesures es troben en un rang de freqüència limitat, obtenir l'IR a partir de relacions de Kramers-Kronig (KK) no pot substituir la seua mesura directa utilitzant tècniques coherents. Una raó addicional per la qual les relacions de KK poden no ser útils és que, en el cas d'una partícula amb una densitat òptica menor que el fons, l'IR efectiu complex no segueix relacions de dispersió convencionals. L'estudi d'aquest fenomen i la interpretació de les implicacions causals que sorgeixen són el focus de la darrera part d'aquesta tesi, juntament amb la seua possible aplicació per al disseny d'ones amb contingut espectral arbitrari. Finalment, es discuteixen les conclusions i les línies futures de treball derivades dels nostres descobriments. / [EN] Light scattering is a ubiquitous phenomenon with significant implications across various disciplines. While most scattering studies focus on extinction or other amplitude-related measurements, the phase of the scattered wave holds important information that can be harnessed for a multitude of purposes. However, while few characterization techniques are suited for this task, terahertz (THz) spectroscopy is a coherent technique that permits this across a wide range of frequencies with quasi-optical properties. To accomplish this, we will study and improve the existing methodology of pulsed THz by increasing the speed of acquisition of high-resolution spectra with a combination of existing delay sampling techniques. This thesis approaches light scattering research with THz technology for two main developments. The first one is a spectrally resolved particle size characterization method using extinction and refractive index (RI) measurement. By solving the inverse scattering problem, great insight into the geometric and chemical properties of the particles can be gained. This method has traditionally relied only on extinction data from the heterogeneous medium. We demonstrate that a net improvement in the reconstruction of the particle size distribution can be made by combining extinction with RI datasets. Since the measurements are in a limited frequency range, obtaining the RI from Kramers-Kronig (KK) relations cannot substitute for its direct measurement using coherent techniques. One additional reason why KK relations may not be of use is that, for the case of a particle with lower optical density than the background, the measured complex effective RI does not follow conventional dispersion relations. The study of this phenomenon and the interpretation of the causal implications that arise are the subject of the last part of this thesis, along with its possible application to the arbitrary shaping of spectral wave features. Ultimately, the conclusions and future lines of work derived from our findings are discussed. / This thesis has been developed under grant FPI ACIF-2018-163 by GVA, project PID2019-111339GBI00 and project PDC2021-121597-I00 by MCIN/AEI / Báez Chorro, MÁ. (2024). Study of the Complex Spectral Response of Scattering Media with Terahertz Spectroscopy [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/205586

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El problema de detección de series temporales multivariadas surge en aplicaciones tan dispares como radar, sonar, ingeniería biomédica o comunicaciones. Aunque, sin lugar a dudas, dos de las aplicaciones más importantes en la actualidad son el sensado espectral multiantena para radio cognitiva (CR) y las redes de sensores. En el primer caso, el objetivo consiste en detectar bandas del espectro vacías, para permitir la transmisión oportunista de usuarios secundarios. En el segundo, a partir de las señales adquiridas por un conjunto de sensores, se quiere determinar qué modelo ha generado dichas observaciones. Los problemas de detección multicanal se pueden resolver de diferentes maneras en función de la información a priori disponible. En concreto, en esta Tesis se consideran los detectores basados en la estructura espacial, que es una característica especialmente interesante dado que permite desarrollar tests que necesitan muy poca información a priori sobre las señales. / The multiple-channel signal detection problem appears in many applications, such as radar and sonar, bioengineering, or communications. Nevertheless, two of the most important applications nowadays are multiantenna spectrum sensing and sensor networks. In the first case, we must detect frequency sub-bands which are not occupied, to allow the opportunistic transmission of secondary users. In the second case, the goal consists in determining, from a set of observations, the model which better explains the data. Multiple-channel detection problems may be solved following different approaches depending on the available information. Concretely, in this Thesis, spatial-structure based detectors are considered, providing tests that use no or very limited a priori information about the signal to be detected.

En esta Tesis Doctoral se presenta el método determinístico de alta frecuencia denominado Modi_ed Equivalent Current Approximation (MECA). Su ámbito de aplicación se circunscribe al cálculo de niveles de campo electromagnético a partir de unas corrientes equivalentes, tanto eléctricas como magnéticas, para un escenario eléctricamente grande. Se trata de una extensión de la formulación clásica de Óptica Física para la consideración no solo de super_cies de tipo conductor eléctrico perfecto sino también dieléctrico o con pérdidas.El método MECA debe ser complementado por un algoritmo de cálculo de visibilidades para distinguir entre zonas iluminadas y en sombra desde un punto de vista. En consonancia con ello se evalúan cuatro distintas metodologías, de las cuales tres son nuevas (Método Cono, Método Pirámide y Método Recorte) y la restante, Binary Space Partitioning, se emplea como referencia.La validación se efectúa a partir del cómputo de la sección recta radar de diversas geometrías canónicas y se contrasta con sus expresiones analíticas o bien con los resultados provistos por la técnica de onda completa basada en el Método de los Momentos. Adicionalmente se contemplan diferentes aspectos de interés ligados a MECA, como el efecto de la polarización o el ángulo de incidencia.La inclusión de métodos de aceleración basados en división en dominios o limitación en alcance y la descripción de la herramienta de cálculo de cobertura radioeléctrica desarrollada dan paso a los ejemplos de aplicación. Estos consisten en una optimización de una red GSM/GPRS en un entorno rural y una diagnosis en un entorno urbano con dos estaciones transmisoras de radio. También se muestra un escenario para evaluar el comportamiento en interiores.

[ES] La red de sexta generación (6G) es la solución potencial para satisfacer los requisitos exponencialmente crecientes de los servicios y aplicaciones emergentes. La plataforma 6G espera ofrecer altas velocidades de datos, conectividad ultra alta y baja latencia en función de los indicadores clave de rendimiento (KPI) requeridos. La tecnología de comunicación por luz visible (VLC) representa una tecnología clave para la red 6G, pero requiere una técnica de modulación avanzada eficiente para cumplir con dichos requisitos. En las últimas décadas, las señales ópticas basadas en el esquema de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) han atraído mucha atención y se han convertido en la modulación más popular entre varios esquemas de acceso multiportadora, gracias a su robustez y simplicidad frente a la cancelación por trayectos múltiples utilizando el prefijo cíclico (CP). Una de las formas de onda más prometedoras para redes de próxima generación es la técnica de modulación Filter Bank MultiCarrier (FBMC). El principal beneficio del esquema FBMC es que no depende de CP y de un gran número de muestras de banda de guarda, por lo tanto, emplea varias funciones de pulso localizadas en el tiempo con una alta relación de supresión de lóbulos laterales, lo que permite mejorar la eficiencia espectral y el rendimiento del sistema como factores clave en las redes ópticas de próxima generación, y proporciona una buena alternativa a la técnica CP-OFDM. Esta Tesis pretende dar un paso adelante en la propuesta de formatos de modulación para ser utilizados en sistemas VLC como tecnología habilitadora en redes 6G. Por lo tanto, se propone el sistema Flip-FBMC con un algoritmo de truncamiento para ofrecer una transmisión de alta velocidad con baja latencia Flip-FBMC mediante el uso del algoritmo de transformación ortogonal isotrópica (IOTA) y la capa PHYsical para DYnamic AccesS y filtros de radio cognitiva (PHYDYAS). En esta Tesis se propone la ecualización multitap con el fin de mitigar la Interferencia imaginaria intrínseca (IMI) en un canal con perfiles de retardos elevado en sistemas VLC de interiores. Además, se ha mejorado rendimiento de error de las señales FBMC no coherentes mediante el análisis de la propiedad de la localización de tiempo-frecuencia con la función gaussiana extendida (EGF), donde el factor de dispersión desempeña un papel crucial en la determinación del equilibrio entre las características espectrales y la reconstrucción óptima de la calidad de la señal. Además, la Tesis proporciona el primer análisis teórico que informa de la degradación en la estimación para varios factores de clipping basada en el impacto del nivel de interferencia imaginario fuera de la zona de primer orden que no puede ser estimada mediante el preámbulo de IAM. Sin embargo, se debe enfatizar en el valor de la técnica Flip-FBMC/IAM para proporcionar el modelo unipolar en comparación con el uso del formato FBMC óptico polarizado con corriente continua (DCO-FBMC) que sufre una reducción en la estimación de la precisión. Por lo tanto, se ha demostrado el descenso del rendimiento con el sistema DCO-FBMC debido al IMI inducido fuera de los símbolos de orden cero, y que es más evidente cuando se requieren niveles bajos de corriente DC. Desde esta perspectiva, la técnica de repetición de tramas con señales Flip-FBMC ha demostrado ser una solución importante para minimizar la interferencia inducida. Por lo tanto, en esta Tesis, la modulación Flip-FBMC con repetición de tramas y perfil de filtro PHYDYAS se propone como un candidato viable para hacer frente al rango dinámico restringido del LED, en comparación con el rendimiento de los sistemas Flip-CP-OFDM y Flip-FBMC/IAM en futuras redes 6G basadas en acceso VLC. / [CA] La xarxa de sexta generació (6G) és la solució potencial per a satisfer els requisits exponencialment creixents dels servicis i aplicacions emergents. La plataforma 6G espera oferir altes velocitats de dades, connectivitat ultra alta i baixa latència en funció dels indicadors clau de rendiment (KPI) requerits. La tecnologia de comunicació per llum visible (VLC) representa una tecnologia clau per a la xarxa 6G, però requerix una tècnica de modulació avançada eficient per a complir amb estos requisits. En les últimes dècades, els senyals òptics basats en l'esquema de multiplexació per divisió de freqüència ortogonal (OFDM) han atret molta atenció i s'han convertit en la modulació més popular entre diversos esquemes d'accés multiportadora, gràcies a la seua robustesa i simplicitat enfront de la cancel·lació per trajectes múltiples utilitzant el prefix cíclic (CP). Una de les formes d'ona més prometedores per a xarxes de pròxima generació és la tècnica de modulació Filter Bank MultiCarrier (FBMC). El principal benefici de l'esquema FBMC és que no depén de CP i d'un gran nombre de mostres de banda de guarda, per tant, empra diverses funcions de pols localitzades en el temps amb una alta relació de supressió de lòbuls laterals, la qual cosa permet millorar l'eficiència espectral i el rendiment del sistema com a factors clau en les xarxes òptiques de pròxima generació, i proporciona una bona alternativa a la tècnica CP-OFDM. Esta Tesi pretén fer un pas avant en la proposta de formats de modulació per a ser utilitzats en sistemes VLC com a tecnologia habilitadora en xarxes 6G. Per tant, es proposa el sistema Flip-FBMC amb un algoritme de truncament per a oferir una transmissió d'alta velocitat amb baixa latència Flip-FBMC mitjançant l'ús de l'algoritme de transformació ortogonal isotròpica (IOTA) i la capa PHYsical per a DYnamic AccesS i filtres de ràdio cognitiva (PHYDYAS). En aquesta Tesi, es proposa l'equalització multitap per als sistemes VLC en interiors per a mitigar la interferència imaginària intrínseca (IMI) en un canal amb perfils de retards elevat. A més, el rendiment d'error dels senyals FBMC no coherents es millora mitjançant l'anàlisi de la propietat de la localització de temps-freqüència amb la funció gaussiana estesa (EGF), on el factor de dispersió exercix un paper crucial en la determinació de l'equilibri entre les característiques espectrals i la reconstrucció òptima de la qualitat del senyal. En tal escenari, a causa del rang dinàmic limitat del díode emissor de llum (LED), la millora de la precisió de l'estimació depén dels nivells de potència dels pseudopilots amb l'ús de l'arquitectura del Mètode d'Aproximació d'Interferència (IAM) i per tant, no és adequada en sistemes VLC d'il·luminació i comunicació. A més, la Tesi proporciona la primera anàlisi teòrica que informa de la degradació en l'estimació per a diversos factors de clipping basada en l'impacte del nivell d'interferència imaginari fora de la zona de primer orde que no pot ser estimada mitjançant el preàmbul de IAM. No obstant això, s'ha d'emfatitzar en el valor de la tècnica Flip-FBMC/IAM per a proporcionar el model unipolar en comparació amb l'ús del format FBMC òptic polaritzat amb corrent continu (DCO-FBMC) que patix una reducció en l'estimació de la precisió. Per tant, s'ha demostrat el descens del rendiment amb el sistema DCO-FBMC a causa del IMI induït fora dels símbols d'orde zero, i que és més evident quan es requerixen nivells baixos de corrent DC. Des d'esta perspectiva, la tècnica de repetició de trames amb senyals Flip-FBMC ha demostrat ser una solució important per a minimitzar la interferència induïda. Per tant, en esta Tesi, la modulació Flip-FBMC amb repetició de trames i perfil de filtre PHYDYAS es proposa com un candidat viable per a fer front al rang dinàmic restringit del LED, en comparació amb el rendiment dels sistemes Flip-CP-OFDM i Flip-FBMC/IAM en futures xarxes 6G basades en accés VLC. / [EN] The sixth generation (6G) network is the potential solution to meet the exponentially increasing requirements of the emerging services and applications. The 6G platform expects to offer high data rates, ultra-high connectivity, and low latency based on the required key performance indicators (KPIs). The visible light communication (VLC) technology represents a key technology for 6G network but requires an efficient advanced modulation technique to support such requirements. In the last decades, optical signals based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) scheme has attracted a lot of attention and become the most popular modulation among several multicarrier access schemes, thanks to its robustness and simplicity against multipath fading using the cyclic prefix (CP). One of the most candidate waveforms that is considered as the promising modulation technique for the next generation requirements and applications is Filter Bank MultiCarrier (FBMC) multiplexing. The major benefit of FBMC scheme is non-reliance on CP and high numbers of guard band samples, thereby, it employs several well time-frequency localized pulse functions with high side-lobe suppression ratio instead, which allows enhancing the spectral efficiency and system performance as key factors in next generation optical networks, and provides a good alternative to CP-OFDM technique. This Thesis aims to make a step forward in proposing modulation formats to be used in VLC systems as enabling technology in 6G networks. Hence, Flip-FBMC system with a truncation algorithm is proposed to offer a high-speed transmission with low latency by tackling the doubled-overhead tails at the subframes of Flip-FBMC burst by the use of the isotropic orthogonal transformation algorithm (IOTA) and PHYsical layer for DYnamic AccesS and cognitive radio (PHYDYAS) filters. Multitap equalization is proposed in this Thesis for the sake of mitigating the intrinsic imaginary interference (IMI) over a channel with high delays profile for indoor VLC system. Moreover, the error performance of non-coherent FBMC signals is enhanced by analysing the property of time-frequency localization with Extended Gaussian Function (EGF), where the spreading factor plays a crucial role in determining the trade-off between the spectral features and optimal reconstruction of signal quality. In such scenario, due to the limited dynamic range of light emitting diode (LED), improving in the accuracy of estimation depends on the power-levels of pseudo pilots with the use of Interference Approximation Method (IAM) architecture. Thereby, the analysis reveals that IAM sequence is not suitable for a real transmission scenario due to high power of IAM over the payload data which conflicts with VLC purposes of illumination and communication simultaneously. Additionally, the Thesis provides the first theoretical analysis reporting the degradation of estimation accuracy for several clipping ratios based on the impact of imaginary interference level outside the first order neighbourhood zone that cannot be estimated by IAM preamble. However, the value of Flip-FBMC/IAM technique in providing the unipolar model must be emphasized compared to the use of Direct Current biased Optical FBMC (DCO-FBMC) format that suffers from a reduction in estimating accuracy. Thereby, the downfall performance with DCO-FBMC system has been reported because of the induced IMI that spreads out the first neighbourhood symbols, which is more evident when low levels of the added DC-bias are required. From such perspective, the frame repetition technique with Flip-FBMC signals has been demonstrated as a major solution for minimizing the induced interference. Therefore, in this Thesis, Flip-FBMC/frame repetition with PHYDYAS profile is proposed as a viable candidate to cope with the restricted dynamic range of the LED, compared to the performance for each Flip-CP-OFDM and Flip-FBMC/IAM system in future 6G networks based on VLC access. / Bahaaelden, MS. (2024). Novel 5G-Modulation Formats and Their Application in Optical Wireless Communications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/204634