The work in this dissertation comprises aeroservoelastic simulation development, two modal filter design case studies and theoretical improvement of the modal filter. The modal filter is made robust to sensor bias. Studies have shown that the states estimated by the modal filter can be integrated into active structural control. The integration of modal filters into aircraft structural control systems is explored. Modal filters require distributed sensing to achieve accurate modal coordinate estimates. Distributed sensing technology has progressed to the point, where it is being tested on aircraft such as Ikhana and the upcoming X-56A. Previously, the modal filter was criticized for requiring too many sensors. It was never assessed for its potential benefits in aircraft control. Therefore it is of practical interest to reinvestigate the modal filter. The first case study shows that under conditions of sensor normality, the modal filter is a Gaussian efficient estimator in an aeroservoelastic environment. This is a fundamental experiment considering the fact that the modal filter has never been tested in the airflow. To perform this case study a linear aeroservoelastic code capable of modeling distributed sensing is developed and experimentally validated. From this code, a computational wing model is fitted with distributed sensing. A modal filtering design methodology is developed and applied. With distributed sensing and modal filtering feedback control is achieved. This is also compared and contrasted with a controller using state-of-the-art accelerometers. In addition, new methods of active shape control are introduced for warping an aeroelastic structure utilizing the modal filter and control surfaces. The next case study takes place in a realistic setting for an aircraft. Flexible aircraft bring challenges to the active control community. Increased gust loads, possibility of flutter, and off-design drag may detrimentally affect performance and safety. Aeroservoelastic tailoring, gust load alleviation (GLA) and active flutter suppression (AFS) may be required on future flexible air vehicles. It is found that modal filters can theoretically support these systems. The aircraft case study identifies additional steps required in the modal filtering design methodology. Distributed sensing, the modal filter and modal reference shape control are demonstrated on the X-56A flutter-unstable simulation model. It is shown that control of deformations at potentially millions of points on an aircraft vehicle can be achieved through control of a few modal coordinates. Finally modal filter robustness is theoretically improved and computationally verified. State-of-the-art modal filters have high bias sensitivity. In fact, this is so critical that state-of-the-art modal filters may never be certified for aircraft implementation. This is especially true within a flight critical control system. The solution to this problem is found through derivation of the robust modal filter. The filter combines good properties of concentration algorithms with robust re-descending M-estimation. A new trim criterion specific to the strain based modal sensing system is derived making the filter robust to asymmetric or leverage point outliers. Robust starts are introduced to improve convergence of the modal estimation system to the globally optimal solution in the presence of 100s of biased fiber optic sensors.

The number of potential applications for wireless sensor networks is immense. These networks may consist of large numbers of low cost, low power, disposable sensor nodes that can be deployed inside or close to phenomena to be monitored. The nature of these networks necessitates specific design requirements, of which energy efficiency is paramount. The limited available energy of sensor nodes is mainly drained during communication and computational processing. An energy efficient routing protocol can limit the number of message transmissions and the computational complexity of finding routing paths. Many routing protocols have been proposed for wireless sensor networks. Most of them are computationally complex, require a large number of messages to be transmitted or require that sensor nodes possess certain hardware capabilities in order to function. The objective of this dissertation was to develop a Simple Energy Efficient Routing (SEER) protocol for wireless sensor networks that is computationally simple, reduces the number of transmitted messages and does not impose any hardware prerequisites. The new routing protocol, which was developed during this research, uses a flat network structure for scalability and source initiated communication along with event-driven reporting to reduce the number of message transmissions. Computational simplicity is achieved by using a simple method for routing path selection. The SEER protocol selects the next hop for a message by choosing a neighbour that has a smaller or equal hop count to the current node. If multiple neighbours satisfy this requirement, the neighbour with the highest remaining energy is chosen as the next hop. Each node in the network has a table containing the hop count and remaining energy of each of its neighbours. Periodic messages sent through the network update these neighbour tables. SEER uses a novel approach to select the next hop of a message during routing. The protocol increases the lifetime of the network dramatically, compared to other similar routing protocols. This improvement is directly related to the reduction in the number of transmissions made by each node. The simplicity of the protocol reduces the required computational processing compared to other protocols, and at the same time makes this one of the few available protocols that does not impose hardware requirements on nodes in order to function. / Dissertation (MEng (Computer Engineering))--University of Pretoria, 2007. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

[EN] Structural Health Monitoring (SHM) is a discipline that quantitatively assesses the integrity and performance of infrastructures, relying on sensors, and support the development of efficient Maintenance and Rehabilitation (M&R) plans. Optical Multicore Fiber (MCF) Shape Sensors offer an innovative alternative to traditional methods and enable the reconstruction of the deformed shape of structures directly and in real-time, with no need of computation models or visual contact and exploiting all the advantages of Optical Fiber Sensors (OFS) technology. Despite the intense research efforts centered on this topic by research groups worldwide, a comprehensive investigation on the parameters that influence the performance of these sensors has not been conducted yet. The first part of the thesis presents a numerical study that examines the effects of strain measurement accuracy and core position errors on the performance of optical multicore fiber shape sensors in sensing three-dimensional curvature, which is at the basis of shape reconstruction. The analysis reproduces the strain measurement process using Monte Carlo Method (MCM) and identifies several parameters which play a key role in the phenomenon, including core spacing (distance between outer cores and sensor axis), number of cores and curvature measured. Finally, a set of predictive models were calibrated, by fitting the results of the simulations, to predict the sensors performance. Afterward, an experimental study is proposed to evaluate the performance of optical multicore fiber in sensing shape, with particular focus on the influence of strain sensors length. Two shape sensors were fabricated, by inscribing long (8.0 mm) and short (1.5 mm) Fiber Bragg Gratings (FBG) into the cores of a multicore seven-core fiber. Thus, the performance of the two sensors was assessed and compared, at all the necessary phases for shape reconstruction: strain sensing, curvature calculation and shape reconstruction. To conclude, an innovative approach, based on the Saint-Venant's Torsion Theory, is presented to determine the twisting of multicore fiber and to compensate the errors due to twisting during shape reconstruction. The efficiency of the theoretical approach was then corroborated performing a series of twisting tests on a shape sensor, fabricated by inscribing FBGs sensors into an optical spun multicore seven-core fiber. The investigation of the mechanical behavior of multicore optical shape sensors has synergically involved diverse disciplines: Solid Mechanics, Photonics, Statistics and Data Analysis. Such multidisciplinary research has arisen from the prolific cooperation between the Institutes of the Institute of Science and Technology of Concrete (ICITECH) and the Institute of Telecommunications and Multimedia Applications (iTEAM) - Photonics Research Labs (PRL) - of Universitat Politècnica de València (UPV), in addition to valuable collaboration with other members of the European ITN-FINESSE project, to which this work belongs. This research work aims to enhance the performance optical multicore fiber shape sensors and support the development of new sensor geometries, with great potential for structural health monitoring applications. / [ES] La Monitorización de la Salud Estructural (MSE) evalúa cuantitativamente la integridad y el comportamiento de las infraestructuras y permite desarrollar planes eficaces de Mantenimiento y Rehabilitación (M&R), utilizando los datos de los sensores. Sensores de forma basados en fibra óptica multinúcleo ofrecen una alternativa a los métodos tradicionales y permiten la reconstrucción de la deformada de estructuras de forma directa y en tiempo real, sin necesidad de modelos de cálculo o contacto visual y con todas las ventajas de la tecnología de los Sensores de Fibra Óptica (SFO). A pesar de los grandes esfuerzos en la investigación centrada en este tema por parte de los grupos de investigación de todo el mundo, todavía no se ha realizado una investigación exhaustiva que estudie los parámetros que influyen en el comportamiento de estos sensores. En la primera parte de la tesis se presenta un estudio numérico en el que se examinan los efectos de la precisión de la medición de la tensión y los errores de posición del núcleo en el comportamiento de los sensores de forma basados en fibra óptica multinúcleo para definir la curvatura tridimensional, que es la base de la reconstrucción de la forma. El análisis reproduce el proceso de medición de la tensión utilizando el método de Monte Carlo (MC) e identifica una serie de parámetros que desempeñan un papel en el proceso, entre ellos la separación del núcleo (distancia entre los núcleos exteriores y el eje del sensor), el número de núcleos y la curvatura medida. Por último, se calibró un conjunto de modelos de predicción ajustando los resultados de las simulaciones para predecir el comportamiento de los sensores. A continuación, se propone un estudio experimental para evaluar el comportamiento de los sensores de forma basado en fibra óptica multinúcleo, con especial atención en la influencia de la longitud de los sensores de deformación. Se fabricaron dos sensores de forma, inscribiendo Fiber Bragg Gratings (FBG) con longitudes de 8,0 mm y 1,5 mm en los núcleos de una fibra multinúcleo de siete núcleos. Así, se evaluó y comparó el comportamiento de los dos sensores en todas las fases necesarias para la reconstrucción de la forma, incluyendo la medición de la tensión, el cálculo de la curvatura y la reconstrucción de la forma. Para concluir, se presenta un enfoque innovador, basado en la Teoría de la Torsión de Saint-Venant, para determinar la torsión de la fibra multinúcleo y compensar los errores debidos a la torsión durante la reconstrucción de la forma. La eficiencia del enfoque teórico fue verificada realizando una serie de pruebas de torsión en un sensor de forma, fabricado inscribiendo los sensores de FBGs en una fibra óptica multinúcleo torcida y siete núcleos. La investigación del comportamiento mecánico de los sensores ópticos de forma multinúcleo ha involucrado sinérgicamente diversas disciplinas: Mecánica del sólido, Fotónica, Estadística y Análisis de datos. Esta investigación multidisciplinaria ha surgido de la prolífica cooperación entre el Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y el Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia (iTEAM) - Laboratorio de Investigación Fotónica (LIF) - de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), además de la valiosa colaboración con otros miembros del proyecto europeo ITN-FINESSE, al que pertenece este trabajo. Este trabajo de investigación puede permitir mejorar el comportamiento de los sensores de forma basados en fibra óptica multinúcleo y apoyar el desarrollo de nuevas geometrías de sensores, con un gran potencial para aplicaciones de control de la salud estructural. / [CA] Structural Health Monitoring (SHM) avalua quantitativament la integritat i el comportament de les infraestructures i permet desenrotllar plans eficaços de Maintenance and Rehabilitation (M&R), utilitzant les dades dels sensors. Optical Multicore Fiber (MCF) Shape Sensors oferixen una alternativa als mètodes tradicionals i permeten la reconstrucció de la forma de la deformació de les estructures de forma directa i en temps real, sense necessitat de models de càlcul o contacte visual i amb tots els avantatges de l'Optical Fiber Sensors (OFS) Technology. A pesar dels grans esforços en la investigació centrada en aquest tema per part dels grups d'investigació de tot el món, encara no s'ha realitzat una investigació exhaustiva que estudie els paràmetres que influïxen en el comportament d'aquestos sensors. En la primera part de la tesi es presenta un estudi numèric en què s'examinen els efectes de la precisió del mesurament de la tensió i els errors de posició del nucli en el comportament dels sensors de forma basats en fibra òptica multinucli per a definir la curvatura tridimensional, que és la base de la reconstrucció de la forma. L'anàlisi reproduïx el procés de mesurament de la tensió utilitzant el mètode de Monte Carlo (MC) i identifica una sèrie de paràmetres que exercixen un paper en el procés, entre ells la separació del nucli (distància entre els nuclis exteriors i l'eix del sensor), el nombre de nuclis i la mesura de la curvatura. Finalment, es va calibrar un conjunt de models de predicció ajustant els resultats de les simulacions per a predir el comportament dels sensors. A continuació, es proposa un estudi experimental per a avaluar el comportament dels sensors de forma basat en fibra òptica multinucli, amb especial atenció en la influència de la longitud dels sensors de deformació. Es van fabricar dos sensors de forma, inscrivint Fiber Bragg Gratings (FBG) amb longituds de 8,0 mm i 1,5 mm en els nuclis d'una fibra multinucli de set nuclis. Així, es va avaluar i es va comparar el comportament dels dos sensors en totes les fases necessàries per a la reconstrucció de la forma, incloent el mesurament de la tensió, el càlcul de la curvatura i la reconstrucció de la forma. Per a concloure, es presenta un enfocament innovador, basat en la Teoria de la Torsió de Saint-Venant, per a determinar la torsió de la fibra multinucli i compensar els errors deguts a la torsió durant la reconstrucció de la forma. L'eficiència de l'enfocament teòric va ser verificada realitzant una sèrie de proves de torsió en un sensor de forma, fabricat inscrivint els sensors de FBGs en una fibra òptica de set nuclis de filat múltiple. La investigació del comportament mecànic dels sensors òptics de forma multinucli ha involucrat sinèrgicament diverses disciplines: Mecànica del sòlid, Fotónica, Estadística i Anàlisi de dades. Aquesta investigació multidisciplinària ha sorgit de la prolífica cooperació entre l'Institut de Ciència i Tecnologia del Formigó (ICITECH) i l'Institut de Telecomunicacions i Aplicacions Multimèdia (iTEAM) - Laboratori de investigación fotònica (LIF) - de la Universitat Politècnica de València (UPV), a més de la valuosa col·laboració amb altres membres del projecte europeu ITN- FINESSE, al qual pertany aquest treball. Aquest treball d'investigació pot permetre millorar el comportament dels sensors de forma basats en fibra òptica multinucli i ajudar al desenrotllament de noves geometries de sensors, amb un gran potencial per a aplicacions de control de la salut estructural. / Floris, I. (2020). Optical Multicore Fiber Shape Sensors. A numerical and experimental performance assessment [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/148715 / TESIS

Předložená disertační práce zkoumá možnosti použití nového typu polovodičového MGY- Laseru elektricky laditelného v širokém spektrálním rozsahu a zabývá se možnostmi jeho nasazení v optovláknové senzorové síti založené na metodě FBG (Fiber Bragg Grating). Výzkum byl započat komplexními dlouhodobými testy reálného měřícího scénáře z oblasti stavebnictví, sestaveného pro účely ověření limitujících aspektů současných technik. Inženýrské aplikace nabízejí velké množství vzájemně se vylučujících požadavků pro návrh strukturálních senzorových systémů. Tyto požadavky jsou sdíleny mnoha dalšími technologickými oblastmi, což přispívá k vysokému stupni univerzálnosti použití dosažených výsledků. Na základě posouzení stavu současné techniky a aplikačních požadavků byly v práci nejprve identifikovány aspekty, které mají být výzkumem zlepšeny. V dalším kroku byl detailně charakterizován MG-Y laser Syntune/Finisar S7500. Na základě dat získaných měřením byla zkoumána nová metoda spojitého řízená vlnové délky záření laseru. Provedené experimenty vedly nejen k návrhu nového způsobu spojité regulace vlnové délky ale také k vytvoření prostředků pro vlastní kalibraci systému na základě jeho vnitřních vlastností (podélných módů rezonátoru).

[EN] Fiber grating sensors and devices have demonstrated outstanding capabilities in both telecommunications and sensing areas, due to their well-known advantageous characteristics. Therefore, one of the most important motivations lies in the potential of customized fiber gratings to be suitably employed for improving the interrogation process of optical fiber sensors and systems. This Ph.D. dissertation is focused on the study, design, fabrication and performance evaluation of customized fiber Bragg gratings (FBGs) and long period gratings (LPGs) with the double aim to present novel sensing technologies and to enhance the response of existing sensing systems. In this context, a technique based on time-frequency domain analysis has been studied and applied to interrogate different kind of FBGs-based sensors. The distribution of the central wavelength along the sensing structures has been demonstrated, based on a combination of frequency scanning of the interrogating optical pulse and optical time-domain reflectometry (OTDR), allowing the detection of spot events with good performance in terms of measurand resolution. Moreover, different customized FBGs have been interrogated using a technology inspired on the operation principle of microwave photonics (MWP) filters, enabling the detection of spot events using radio-frequency (RF) devices with modest bandwidth. The sensing capability of these technological platforms has been fruitfully employed for implementing a large scale quasi-distributed sensor, based on an array of cascaded FBGs. The potentiality of LPGs as fiber optic sensors has also been investigated in a new fashion, exploiting the potentials of MWP filtering techniques. Besides, a novel approach for simultaneous measurements based on a half-coated LPG has been proposed and demonstrated. Finally, the feasibility of FBGs as selective wavelength filters has been exploited in sensing applications; an alternative approach to improve the response and performance of Brillouin distributed fiber sensors has been studied and validated via experiments. The performance of the reported sensing platforms have been analyzed and evaluated so as to characterize their impact on the fiber sensing field and to ultimately identify the use of the most suitable technology depending on the processing task to be carried out and on the final goal to reach. / [ES] Los sensores y dispositivos en fibra basados en redes de difracción han mostrado excepcionales capacidades en el ámbito de las telecomunicaciones y del sensado, gracias a sus excelentes propiedades. Entre las motivaciones más estimulantes destaca la posibilidad de fabricar redes de difracción ad-hoc para implementar y/o mejorar las prestaciones de los sensores fotónicos. Esta tesis doctoral se ha enfocado en el estudio, diseño, fabricación y evaluación de las prestaciones de redes de difracción de Bragg (FBGs) y de redes de difracción de periodo largo (LPGs) personalizadas con el fin de desarrollar nuevas plataformas de detección y a la vez mejorar la respuesta y las prestaciones de los sensores fotónicos ya existentes. En este contexto, una técnica basada en el análisis tiempofrecuencia se ha estudiado e implementado para la interrogación de sensores en fibra basados en varios tipos y modelos de FBGs. Se ha analizado la distribución de la longitud de onda central a lo largo de la estructura de sensado, gracias a una metodología que conlleva el escaneo en frecuencia del pulso óptico incidente y la técnica conocida como reflectometria óptica en el dominio del tiempo (OTDR). De esta manera se ha llevado a cabo la detección de eventos puntuales, alcanzando muy buenas prestaciones en términos de resolución de la magnitud a medir. Además, se han interrogado varias FBGs a través de una técnica basada en el principio de operación de los filtros de fotónica de microondas (MWP), logrando así la detección de eventos puntuales usando dispositivos de radio-frecuencia (RF) caracterizados por un moderado ancho de banda. La capacidad de sensado de estas plataformas tecnológicas ha sido aprovechada para la realización de un sensor quasi-distribuido de gran alcance, formado por una estructura en cascada de muchas FBGs. Por otro lado, se han puesto a prueba las capacidades de las LPGs como sensores ópticos según un enfoque novedoso; para ello se han aprovechados las potencialidades de los filtros de MWP. Asimismo, se ha estudiado y demostrado un nuevo método para medidas simultáneas de dos parámetros, basado en una LPG parcialmente recubierta por una película polimérica. Finalmente, se ha explotado la viabilidad de las FBGs en cuanto al filtrado selectivo en longitud de onda para aplicaciones de sensado; para ello se ha propuesto un sistema alternativo para la mejora de la respuesta y de las prestaciones de sensores ópticos distribuidos basados en el scattering de Brillouin. En conclusión, se han analizado y evaluado las prestaciones de las plataformas de sensado propuestas para caracterizar su impacto en el ámbito de los sistemas de detección por fibra y además identificar el uso de la tecnología más adecuada dependiendo de la tarea a desarrollar y del objetivo a alcanzar. / [CA] Els sensors i dispositius en fibra basats en xarxes de difracció han mostrat excepcionals capacitats en l'àmbit de les telecomunicacions i del sensat, gràcies a les seus excel¿lents propietats. Entre les motivacions més estimulants destaca la possibilitat de fabricar xarxes de difracció ad-hoc per a implementar i/o millorar les prestacions de sensors fotònics. Esta tesi doctoral s'ha enfocat en l'estudi, disseny, fabricació i avaluació de les prestacions de xarxes de difracció de Bragg (FBGs) i de xarxes de difracció de període llarg (LPGs) personalitzades per tal de desenvolupar noves plataformes de detecció i al mateix temps millorar la resposta i les prestacions dels sensors fotònics ja existents. En este context, una tècnica basada en l'anàlisi temps-freqüència s'ha estudiat i implementat per a la interrogació de sensors en fibra basats en diversos tipus i models de FBGs. S'ha analitzat la distribució de la longitud d'ona central al llarg de l'estructura de sensat, gràcies a una metodologia que comporta l'escaneig en freqüència del pols òptic incident i la tècnica coneguda com reflectometria òptica en el domini del temps (OTDR). D'esta manera s'ha dut a terme la detecció d'esdeveniments puntuals, aconseguint molt bones prestacions en termes de resolució de la magnitud a mesurar. A més, s'han interrogat diverses FBGs a través d'una tècnica basada en el principi d'operació dels filtres de fotònica de microones (MWP), aconseguint així la detecció d'esdeveniments puntuals utilitzant dispositius de ràdio-freqüència (RF) caracteritzats per un moderat ample de banda. La capacitat de sensat d'aquestes plataformes tecnològiques ha sigut aprofitada per a la realització d'un sensor quasi-distribuït a llarga escala, format per una estructura en cascada de moltes FBGs. D'altra banda, s'han posat a prova les capacitats de les LPGs com a sensors òptics segons un enfocament nou; per a això s'han aprofitat les potencialitats dels filtres de MWP. Així mateix, s'ha estudiat i demostrat un nou mètode per a mesures simultànies de dos paràmetres, basat en una LPG parcialment recoberta per una pel¿lícula polimèrica. Finalment, s'ha explotat la viabilitat de les FBGs pel que fa al filtrat selectiu en longitud d'ona per a aplicacions de sensat; per això s'ha proposat un sistema alternatiu per a la millora de la resposta i de les prestacions de sensors òptics distribuïts basats en el scattering de Brillouin. S'han analitzat i avaluat les prestacions de les plataformes de sensat propostes per a caracteritzar el seu impacte en l'àmbit dels sistemes de detecció per fibra i a més identificar l'ús de la tecnologia més adequada depenent de la tasca a desenvolupar i de l'objectiu a assolir. / Ricchiuti, AL. (2016). Design and fabrication of customized fiber gratings to improve the interrogation of optical fiber sensors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66343 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales