Positive displacements pumps, as currently designed, produce significant flow pulsations that result in pressure pulsations. These pulsations contribute to the global noise generated by the installation. Moreover, they interact with the system where the pump is connected shortening the life of both the pump and circuit components. Rotary trochoidal gear pump, a type of rotary positive displacement machine, has characteristics that make it suitable for many applications fields. Nowadays, in cases like additivation and dosage, these applications have not been completely developed, and present a growing potential in the industrial world, such as in new diesel engines generation or in medical applications. The thesis presents a set of design tools applied to trochoidal gear pumps, from the viewpoint of the fluid dynamical performance of the pump. These design tools are aimed to help improving two of the main performance indices of the pump: the volumetric capacity and the flow irregularity, leading the designer to more efficient new designs of gerotor pumps. On the one hand, the volumetric capacity is related with the pump's efficiency, and increases in this particular index result in a higher efficiency of the pump. On the other hand, flow irregularity measures de flow ripple generated by the pump, and by reducing this index, the life of both the pump and the installation can be extended, as phenomena like fatigue are attenuated. This is achieved through the use of analytical, simulation and experimental procedures. From the analytical side, two new modules of GeroLAB Package are created, Minimum Clearance Module and Effective Port Areas. Also, a dynamical simulation through BondGraph is conducted, studying the influence of the port areas geometry. In the present thesis, the model has been improved by adding the information of the effective port areas, thus making it more realistic. Regarding the numerical simulation, a three-dimensional with deforming mesh Computational Fluid Dynamics model is presented. The model includes the effects of the manufacturing tolerance and the leakage inside the pump. Also, the influence of simulating the contact points is studied. A new boundary condition is created for the simulation of the solid contact in the interteeth radial clearance, established as a fluid-dynamic condition. The experimental study of the pump is carried out by means of Time-Resolved Particle Image Velocimetry. This technique is developed in order to adapt it to the gerotor pump, and measurements are captures in the outlet pipe and in the chambers between trochoidal profiles. Results are qualitatively evaluated thanks to the analytical and simulation tools. The presented experimental procedure meets the need of a methodology to directly measure the flow ripple generated by the pump, with a non-intrusive technique. It constitutes an alternative to the Secondary Source Method, and it is the first approach of Time-Resolved Particle Image Velocimetry applied to a trochoidal gear pump, according to the author's knowledge. / Las bombas de desplazamiento positivo, en su diseño actual, producen pulsaciones de caudal significantes que resultan en pulsaciones de presión. Estas pulsaciones contribuyen al ruido global generado por la instalación. Además, interactúan con el sistema al cual se encuentra conectada la bomba, reduciendo la vida útil tanto de la bomba como de los componentes del circuito. La bomba rotativa de engranajes trocoidales, un tipo de máquina rotativa de desplazamiento volumétrico, tiene características que hacen que sea adecuada en muchos campos de aplicación. Actualmente, en casos como la aditivación o la dosificación, estas aplicaciones no han sido completamente desarrolladas, y prestan un creciente potencial en el mundo industrial, como en nuevas generaciones de motores diesel o en aplicaciones médicas. La tesis presenta un conjunto de herramientas de diseño aplicadas a bombas de engranajes trocoidales, desde el punto de vista del comportamiento fluidodinámico de la bomba. Estas herramientas de diseño están orientadas a ayudar a la mejora de dos de los principales índices de la bomba: la capacidad volumétrica y la irregularidad en el caudal, dirigiendo al diseñador a nuevos diseños de bombas gerotor más eficientes. Por un lado, la capacidad volumétrica está relacionada con la eficiencia de la bomba, e incrementos en este índice resultan en una mayor eficiencia de la bomba. Por otro lado, la irregularidad en el caudal mide el las fluctuaciones en el caudal generado por la bomba, y reduciendo este índice, la vida útil de la bomba y de la instalación puede ser aumentada, ya que fenómenos como la fatiga se ven atenuados. Esto se consigue a través del uso de procedimientos analíticos, de simulación y experimentales. Desde el punto de vista analítico, se han creado dos nuevos módulos para el software GeroLAB Package, denominados Minimum Clearance Module y Effective Port Areas. También se ha llevado a cabo una simulación dinámica de BondGraph, estudiando la influencia de la geometría de las lumbreras. En esta tesis, el modelo se ha mejorado añadiendo la información de las secciones efectivas de las lumbreras, obteniendo así un modelo más realista. En relación con la simulación numérica, se presenta un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) tridimensional y con malla deformable. El modelo incluye los efectos de las tolerancias de fabricación y las fugas en el interior de la bomba. Además, también se estudia la influencia de simular los puntos de contactos entre dientes. Se crea una nueva condición de contorno para la simulación del contacto sólido en las holguras radiales entre dientes, establecida como una condición fluidodinámica. El estudio experimental de la bomba se lleva a cabo mediante resolución en tiempo de Velocimetría de Imágenes de Partículas (TRPIV). Esta técnica se adapta a la bomba gerotor, y las medidas obtenidas son capturas en la tubería de salida y en las cámaras entre perfiles trocoidales. Los resultados se evalúan cualitativamente gracias a las herramientas analíticas y de simulación. El procedimiento experimental presentados responde a la necesidad de una metodología para medir de manera directa el caudal generado por la bomba, con una técnica no intrusiva. Constituye una alternativa al método de la fuente secundaria, y es la primera aproximación de TRPIV aplicado a una bomba de engranajes trocoidales, de acuerdo con el conocimiento de la autora

The aim of this thesis is the study of the dynamics induced by optical feedback in semiconductor lasers. This study aims, on the one hand, to improve our knowledge of stocahstic complex systems, and on the other hand, to use complex dynamics of semiconductor lasers to develop a protocol for subwavelength position sensing. The intensity of the light emitted by a semiconductor laser is stable, besides fluctuations due to spontaneous emission noise. When the light of the laser is reflected and part re-enters into the laser, the laser intensity can become unstable, displaying a broad range of dynamical behaviors. One of the dynamical regimes present in lasers with optical feedback is the low frequency fluctuations (LFF). This dynamics is characterized by sharp drops in the laser intensity (to almost switch the laser off), followed by gradual recoveries. The time intervals between two consecutive drops is irregular. The first part of this Thesis is focused on this dynamic regime, and a detailed experimental study has been performed to characterize it. A symbolic time series analysis has been used, based on the comparison of successive time intervals between dropouts. The dynamics of a semiconductor laser with feedback is governed by nonlinear light-matter interaction in the active medium of the laser, quantum noise due to spontaneous emission and time-delayed feedback. Therefore, the dropouts in the LFF regime can be noise-induced or triggered by deterministic processes. In this Thesis symbolic ordinal analysis has been used to statisticlly distinguish dropouts that can be noise-induced from those that have signatures of a deterministic origin. In this Thesis, the symbolic dynamics in the LFF regime has also been studied, and serial correlations have been found among several consecutive dropouts. It has been found a hierarchical and clustered structure of the symbolic dynamics. Moreover, a minimal iterative model has been found that, despite its simplicity, describes successfully the correlations found in the experiments. Because of the importance of external forcing in dynamical systems, the effect of current modulation on the symbolic dynamics of the LFFs has been studied. These experiments have allowed to characterize the effect of the modulation in the symbolic dynamics. The clusters of ordinal patterns formed without forcing remain under external periodic forcing. The minimal model has been verified, as it reproduces satisfactorily the symbolic dynamics of the experimental data. Also, in this Thesis a technique has been developed to detect displacements of two independent objects at subwavelength resolution (λ/160). With this purpose, a setup has been developed with a semiconductor laser with dual feedback. In addition to the high resolution, this protocol offers the advantage of sensing two objects by just measuring one variable. / El objetivo de esta tesis es el estudio de la dinámica inducida por realimentación óptica en láseres de semiconductor. Dicho estudio persigue, por un lado, profundizar en el conocimiento de aspectos generales de los sistemas complejos, y por otro lado, utilizar dicha dinámica para crear un protocolo para medir desplazamientos en dos dimensiones con una resolución mucho menor que la longitud de onda del láser utilizado. La intensidad de la luz emitida por un láser de semiconductor es estable salvo fluctuaciones debidas al ruido de emisión espontánea. Sin embargo, cuando la luz del láser se refleja en una superficie y parte de esta luz vuelve a entrar en el láser, la intensidad de la luz emitida se puede desestabilizar y mostrar una amplia gama de comportamientos dinámicos. Uno de los regímenes dinámicos presentes en láseres con realimentación óptica es el de fluctuaciones de baja frecuencia (LFF de sus siglas en inglés). Esta dinámica se caracteriza por caídas abruptas de la intensidad del láser (hasta casi apagarse), seguidas de recuperaciones graduales, siendo la separación temporal entre dos caídas consecutivas irregular. La primera parte de esta tesis está centrada en este régimen dinámico, habiéndose realizado un detallado estudio experimental para caracterizarlo. Se ha utilizado un análisis simbólico de series de datos basado en patrones ordinales, definidos mediante la comparación de tiempos consecutivos entre caídas. En la dinámica del láser de semiconductor con realimentación intervienen varios factores: la interacción no lineal entre luz y materia en el medio activo del láser, el ruido cuántico debido a la emisión espontánea y la señal retardada de la realimentación. Por ello las caídas en el régimen de LFFs pueden ser inducidas tanto por ruido como por procesos deterministas. En esta tesis, mediante el análisis simbólico se ha conseguido distinguir estadísticamente, qué caídas pueden ser inducidas por ruido y cuales presentan una estadística que muestra señales de determinismo. En esta tesis también se ha estudiado la dinámica simbólica del régimen de LFF y se han encontrado correlaciones entre varias caídas consecutivas. También se ha encontrado una estructura jerárquica en la dinámica simbólica que incluye emparejamientos de las probabilidades de los patrones simbólicos. Además se ha encontrado un modelo simple a tiempo discreto (mapa) que describe adecuadamente la dinámica simbólica del régimen de LFF. Debido a la importancia de forzamientos externos en sistemas dinámicos, se han realizado experimentos incorporando modulación en la corriente de inyección del láser. Estos experimentos han permitido caracterizar el efecto de la amplitud de la modulación en la dinámica simbólica, encontrando cambios claros en la estructura simbólica, inducidos por la modulación, pero que se conservan los emparejamientos observados sin modulación. El modelo simple ha sido verificado ya que reproduce satisfactoriamente la dinámica simbólica encontrada en los datos experimentales. Asimismo, en esta tesis se ha demostrado experimentalmente un protocolo que permite detectar desplazamientos de dos objetos independientes en una escala muy inferior a la longitud de onda de la luz empleada (Λ/160). Para ello se ha diseñado un experimento donde el láser está sometido a realimentación de dos espejos que se mueven de manera independiente. Además de la alta resolución, otra ventaja de este protocolo reside en que únicamente es preciso medir una variable para calcular los dos desplazamientos.

In recent years, it has been proposed that circular microresonators may become an important element in the core of many photonic devices. The high Q-factors seen in fused silica micro-spheres and micro-toroids for light coupled in the whispering gallery modes (WGMs) inside the micro-resonator led to many new developments in a diversity of fields. Indeed, WGM micro-resonators have found applications in laser oscillation, optical filtering, bio and chemical sensing, frequency stabilization, quantum electrodynamics experiments, nonlinear parametric conversion and in many other light-matter interaction processes where light recirculation is an essential ingredient. For second and third order nonlinear optical phenomena a high-Q micro circular cavity is an ideal framework to lower the light intensity or material density and still obtain a measurable interaction. This may become particularly useful when the nonlinear interaction is considered on the sphere surface because at an interface centro-symmetry is always broken. In this thesis, we approach the problem of obtaining SHG with the smallest amount of material possible. Our goal is to demonstrate that WGMs in micro-sphere resonators are an optimal option to consider such type of non-linear interaction. SHG from a small amount of material may found interesting applications in high sensitivity unmarked detection of low numbers of very small objects such as molecules, viruses or other types of nano-particles. The different experimental and theoretical developments we implemented to achieve such goal are reported in the four chapters of the current thesis. In chapter 1 we introduce basic concepts of spherical micro-resonators an their interest. Theoretical aspects of light propagation and nonlinear light generation in the whispering gallery modes in such micro-resonators are discussed in Chapter 2. A new method to obtain patterns of non-linear material is presented in Chapter 3. In Chapter 4, the developments presented in the previous chapters are combined to obtain second harmonic generation in the whispering gallery modes of microspheres. In this chapter we report the design and fabrication of a nonlinear spherical resonator to experimentally measure SHG from molecules deposited on its surface. Such nonlinear interaction is quasi-phase matched by implementing the periodical patterning reported in Chapter 3 on a molecular layer deposited on the surface of a micro-sphere. By coupling laser light pulses at the fundamental frequency into the whispering gallery modes of the high-Q spherical micro-resonators we demonstrate that a signal at the second harmonic (SH) frequency can be measured when less than 100 molecules contribute in the nonlinear interaction. Finally, applications of such type of generation in highly sensitive sensing are discussed. / En años recientes los microresonadores circulares han sido propuestos como un elemento central para formar parte de muchos dispositivos fotónicos. El alto factor de calidad observado en microesferas o microtoroides de sílice cuando la luz se propaga en modos "whispering gallery" (WG) ha dado lugar a un gran número de nuevos desarrollos en campos muy diversos. En efecto, los micro resonadores con modos WG han encontrado aplicación en la oscilación laser, en el filtrado óptico, en sensores bioquímicos, como estabilizadores de frecuencia, en experimentos de electrodinámica cuántica, en la conversión paramétrica no lineal y en muchas otros procesos donde la recirculación de luz es un ingrediente esencial para su interacción con la materia. En fenómenos ópticos no lineales de segundo y tercer orden, la micro cavidad circular con un alto factor de calidad constituye una estructura ideal para poder obtener una interacción medible incluso cuando se consideran pequeñas intensidades de luz o bajas densidades de materia. Esto puede resultar particularmente útil en la superficie de la microesfera ya que en la interface entre dos materiales se rompe la simetría de inversión incluso cuando los materiales son centro simétricos. En esta tesis abordamos la generación de segundo armónico con una cantidad mínima de material. Nuestra meta es demostrar que los modos WG en resonadores de microesfera son una opción óptima para poder considerar este tipo de interacción no lineal. La generación de segundo armónico con una cantidad muy pequeña de material puede encontrar aplicaciones interesantes en la detección de muy pocos objetos pequeños tales como moléculas, viruses o cualquier otro tipo de nanopartículas. Los diferentes desarrollos experimentales y teóricos que implementamos para alcanzar nuestro objetivo están explicados en los cuatro capítulos de esta tesis. En el Capítulo 1 introducimos conceptos básicos de microresonadores esféricos y su interés. Aspectos teóricos de la propagación y generación no lineal de luz de los modos WG en dichos resonadores se discuten en el Capítulo 2. Un método nuevo para generar patrones de material no lineal se presenta en el Capítulo 3. En el Capítulo 4, los desarrollos de los capítulos previos presentados se combinan para implementar la generación de segundo armónico en los modos WG de las microesferas. En este capítulo reportamos el diseño y la fabricación del resonador esférico no lineal para llegar a medir experimentalmente la generación de segundo armónico de las moléculas depositadas en su superficie. Dicha interacción no lineal se obtiene en la configuración "quasi-phase matched" implementando el mecanismo de escritura de patrones reportado en el Capitulo 3, sobre una capa molecular depositada en la superficie de la microesfera. Mediante el acoplamiento de pulsos de luz láser a la frecuencia fundamental en los modos WG de un microresonador esférico con un alto factor de calidad Q, demostramos que la señal a la frecuencia de segundo armónico puede ser medida, menos de 100 moléculas contribuyen a esta interacción no lineal. Finalmente, se discuten aplicaciones de ese tipo de generación para la detección altamente sensible.

Nanosystems, integrated systems with a total size of a few micrometers, are capable of interacting at the nanoscale, but their short operating range limits their usefulness in practical macro-scale scenarios. Nanonetworks, the interconnection of nanosystems, will extend their range of operation by allowing communication among nanosystems, thereby greatly enhancing their potential applications. In order to integrate communication capabilities into nanosystems, their communication subsystem needs to shrink to a size of a few micrometers. There are doubts about the feasibility of scaling down current metallic antennas to such a small size, mainly because their resonant frequency would be extremely high (in the optical domain) leading to a large free-space attenuation of the radiated EM waves. In consequence, as an alternative to implement wireless communications among nanosystems, two novel paradigms have emerged: molecular communication and graphene-enabled wireless communications. On the one hand, molecular communication is based on the exchange of molecules among nanosystems, inspired by communication among living cells. In Diffusion-based Molecular Communication (DMC), the emitted molecules propagate throughout the environment following a diffusion process until they reach the receiver. On the other hand, graphene, a one-atom-thick sheet of carbon atoms, has been proposed to implement graphene plasmonic RF antennas, or graphennas. Graphennas with a size in the order of a few micrometers show plasmonic effects which allow them to radiate EM waves in the terahertz band. Graphennas are the enabling technology of Graphene-enabled Wireless Communications (GWC). In order to answer the question of how communication networks will scale when their size shrinks, this thesis presents a scalability analysis of the performance metrics of communication networks to the nanoscale, following a general model with as few assumptions as possible. In the case of DMC, two detection schemes are proposed: amplitude detection and energy detection. Key performance metrics are identified and their scalability with respect to the transmission distance is found to differ significantly from the case of traditional wireless communications. These unique scaling trends present novel challenges which require the design of novel networking protocols specially adapted to DMC networks. The analysis of the propagation of plasmonic waves in graphennas allows determining their radiation performance. In particular, the resonant frequency of graphennas is not only lower than in metallic antennas, but it also increases more slowly as their length is reduced to the nanoscale. Moreover, the study of parameters such as the graphenna dimensions, the relaxation time of graphene and the applied chemical potential shows the tunability of graphennas in a wide frequency range. Furthermore, an experimental setup to measure graphennas based on feeding them by means of a photoconductive source is described. The effects of molecular absorption in the short-range terahertz channel, which corresponds to the expected operating scenario of graphennas, are analyzed. Molecular absorption is a process in which molecules present in the atmosphere absorb part of the energy of the terahertz EM waves radiated by graphennas, causing impairments in the performance of GWC. The study of molecular absorption allows quantifying this loss by deriving relevant performance metrics in this scenario, which show novel scalability trends as a function of the transmission distance with respect to the case of free-space propagation. Finally, the channel capacity of GWC is found to scale better as the antenna size is reduced than in traditional wireless communications. In consequence, GWC will require lower transmission power to achieve a given performance target. These results establish a general framework which may serve designers as a guide to implement wireless communication networks among nanosystems.

Beta delayed neutron emission probability is one of the main properties of neutron rich nuclei away from the valley of beta stability. The knowledge of this parameter provides the opportunity to extend the information on: the structure of atomic nuclei and its dependence with the N/Z ratio; the rapid neutron capture nucleosynthesis process (r-process), and hence study the formation of nuclei in supernova explosions; new data for reactor technology applications, since is one of the key features for the safe operation of actual nuclear power plants. The objective of the thesis was to design and test a prototype of a 4p neutron detector for DESPEC experiments related with the measurement of beta delayed neutron emission probabilities. As the neutron emission probabilities are low and the neutron energies are not well known, it is necessary to design a detector with high neutron detection efficiency, and a low dependence with neutron energy for a wide neutron energy ranges. The prototype designed has a mean neutron detection efficiency of the order of 27.1 % and is flat for neutron energies ranging from thermal values to 6 MeV. The detector designed is composed by 20 3He proportional counters at 20 atm, inserted in a polyethylene matrix. The counters are distributed in 2 concentric rings, surrounding a beam hole located at the central axis of the matrix This Master Thesis is divided in three main steps: 1) the analysis of different detector configurations and properties; 2) the selection of the definitive configuration of detector prototype, including the electronics and data acquisition system (DAQ); 3) the test of prototype and calibration with neutron sources. The detector configuration analysis has been done by means of Monte Carlo simulations with the code MCNPX. These MC simulations were useful to find: the optimal pressure of 3He counters; the best number of counters, taking in account the cost and the maximum neutron detection efficiency achievable; the number of counters in each concentric ring, and the distance of rings to the center of polyethylene matrix; the optimal counter length; or the shielding thickness for background radiation reduction. All of these studies were basic to obtain the optimal neutron detector configuration. The design of the detector also involved the selection of the most suitable electronics and Data Acquisition System (DAQ), as is described in this Thesis. This activity was done with the collaboration of the "Instituto de Física Corpuscular (IFIC- Valencia)". This PhD. Thesis includes the description of different tests done to check MC simulations of the neutron detector and the DAQ system. The definitive experiment done to check the detector design was done at IGISOL facility (Jyväskylä University, Finland). This experiment allowed to obtain the detector efficiency, measuring the beta-delayed neutron emission of two well known nuclei: 95Rb and 88Br. The results showed a good agreement between experiment and simulations.

The planned International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) has the mission to test and qualify materials for future fusion reactors. IFMIF will employ the deuteron-lithium stripping reaction to irradiate the test samples with a high-energy neutron flux. IFMIF will consist mainly of two linear deuteron accelerators, a liquid lithium loop and a test cell. Accelerated deuterons will collide with the lithium producing a high-energy neutron flux that will irradiate the material samples in the test cell. A timely and relevant fusion neutron source is essential in the path towards DEMO and future fusion power plants. For this reason, IFMIF is required to have high availability to obtain a fusion materials database to find suitable materials for DEMO design within the anticipated timeline. RAMI (Reliability Availability Maintainability Inspectability) analyses are being performed in the very early stages of design to meet such requirements. The IFMIF accelerator facility is composed of two independent linear accelerators, each of which produces a 40 MeV, 125 mA deuteron beam in a continuous wave mode at 175 MHz. These beam characteristics pose several unprecedented challenges: the highest beam intensity, the highest space charge, the highest beam power and the longest RFQ (Radio Frequency Quadrupole). As a result of these challenges, many design characteristics are counter to high-availability performance: the design is reluctant to accept failures, machine protection systems are likely to stop the beam undesirably, cryogenic components require long periods for maintenance, and activation of components complicates maintenance activities. These design difficulties, together with the high availability requirements and the demanding scheduled operational periods, make RAMI analysis an essential tool in the engineering design phase. These studies were performed in collaboration with system designers, enabling the creation of RAMI models that reflect current accelerator design. This feedback has been of the utmost importance to propose plausible design modifications in order to improve the availability performance of the machine. Parallel activity on the design and construction of the Linear IFMIF Prototype Accelerator (LIPAc) provided the detailed design information needed to conduct these studies properly. An iterative process was followed to match IFMIF design and availability studies. These iterations made it possible to include recommendations and design change proposals coming from the RAMI analyses into the accelerator reference design. Iterations consist of gathering information from the design, creating or updating the RAMI models, obtaining and analyzing results, and proposing ways to improve the design. Three different approaches were carried out in the iterative process. First, a comparison with other similar facilities was performed. Second, an individual fault tree analysis was developed for each system of the accelerator. Finally, a Monte Carlo simulation was performed for the whole accelerator facility considering synergies between systems. These approaches make it possible to go from detailed hardware availability analyses to global accelerator performance, to identify weak design points, and to propose design alternatives as well as foresee IFMIF performance, maintenance and operation characteristics. The IFMIF accelerator facility design was analyzed from the RAMI point of view, estimating its future availability and guiding the design towards a high reliability and availability performance. In order to achieve the high-availability requirements several design changes have already been included in the accelerator reference design whereas other important design modifications have been proposed and will be further analyzed in future design phases.

The Doñana wetlands, in Southwest Spain, undergo yearly cycles of inundation in fall and drying out during the spring season. As any wetland ecosystem, Doñana depends critically on its water resources. Important monitoring and modeling efforts have been made since the 1990's in order to assess the ecosystem health, partially restore Doñana¿s natural hydrologic scheme and design climate change adaptation strategies for ensuring its sustainability. The present research work inscribes within those efforts. Satellite images of Doñana marshes were acquired between 2006 and 2010, in order to obtain regional, synoptic observations of the inundation evolution, with the final aim to further current knowledge on the wetland's hydrology and to calibrate the existing two-dimensional hydraulic model of the marshes. The images were acquired by the C-band radar sensor ASAR, on board the Envisat satellite. ASAR's all-weather observation capability was particularly suitable to observe the flooding process, since this is associated to overcast weather. The images were ordered at seven different incidence angles in order to increase the observation frequency, and most of them in HH and VV polarizations. A detailed observation of the wetland filling up was achieved during the 2006-2007 hydrological cycle. Backscattering temporal signatures of the main land cover types in Doñana were derived for the different incidence angles and polarizations. The signatures were analyzed with the aid of ground-truth data in order to identify the effect of the flooding on the backscattering coefficients. Conclusions on the feasibility to discriminate emerged versus flooded land were drawn for the different incidence angles, land cover types and phenological stages: Intermediate incidence angles (ASAR IS3 and IS4) came up as the most appropriate single swaths to discriminate open water surface from smooth bare soil in the marshland deepest areas. Flood mapping in pasture lands, the most elevated regions, is feasible at steep to mid incidence angles (ASAR IS1 to IS4). In the medium elevation zones, colonized by large helophytes, shallow incidence angles (ASAR IS6 and IS7) enable more accurate flood delineation during the vegetation growing phase up to approximately mid-April, when the penetration capacity at these swaths might become insufficient. Due to the complex casuistic of the Doñana covers' backscattering, flood mapping from single ASAR acquisitions often resulted unfeasible. Flood mapping was then tackled by the synergistic use of the ASAR scenes with the Doñana¿s digital terrain model and vegetation map. The use of irregular filtering neighborhoods adapted to the topography drastically improved the ASAR image filtering, since natural edges tend to follow terrain contours. Clustering and classification algorithms were design to operate on individual sub-basins, as the pixels elevation is more accurately related to the cover classes within them. Vegetation and elevation maps plus knowledge of Doñana's backscattering characteristics from preceding studies were initially used to select seed pixels with high confidence on their class membership. Next, a region growing algorithm extends the seed regions with new pixels based on their planimmetric adjacency and backscattering distance to the seeds. Frequent flood mapping from the ASAR scenes enabled the identification of several events for the calibration of the marshes hydraulic model. This research work also revealed other target information enclosed in the radar backscattering, such as the helophyte vegetation developmental degree or the potential to discriminate among plant communities. Learnings from this research work are expected to be applied and furthered with upcoming data from the C-band Sentinel-1 constellation and Radarsat-2 satellite, the L-band ALOS-2/PALSAR-2 system and the X-band future Spanish mission PAZ. / Las marismas de Doñana, situadas en el suroeste de la Península Ibérica, experimentan ciclos anuales de inundación en otoño y secado en primavera. Como en cualquier humedal, la sostenibilidad de Doñana depende críticamente de sus recursos de agua. Desde la década de los noventa se han realizado importantes esfuerzos de monitorización y modelación para evaluar la salud del ecosistema marismeño y restaurar en lo posible su régimen hidrológico natural, para prever riesgos derivados de las actividades socio-económicas próximas y del cambio climático, y para diseñar estrategias de adaptación que garanticen su sostenibilidad La presente tesis doctoral forma parte de estos esfuerzos. Entre los años 2006 y 2010 se encargó la adquisición expresa de numerosas imágenes satelitales de Doñana con el objeto de obtener observaciones regionales y sinópticas de la evolución de la superficie inundada en el humedal. Con estas observaciones se pretendía avanzar en el conocimiento de la hidrodinámica de las marismas y calibrar el modelo hidráulico bidimensional de las mismas. Lograr una frecuencia de observación elevada durante el llenado de las marismas fue un requisito de especial interés, pues es durante este período cuando la lluvia es más abundante y los procesos hidrodinámicos suceden a mayor velocidad. Las imágenes fueron adquiridas por el sensor radar en banda C ASAR, a bordo del satélite Envisat de la Agencia Espacial Europea. La capacidad de la banda C para atravesar la cobertura nubosa resultó particularmente apropiada para monitorizar con detalle el proceso de llenado, ya que éste se halla asociado a la presencia de nubes. Las imágenes ASAR se solicitaron en siete ángulos de incidencia diferentes para incrementar la frecuencia de observación y la mayoría de ellas fueron adquiridas con la configuración de polarizaciones HH/VV. Durante el año hidrológico 2006-2007 se consiguió una monitorización detallada del proceso de llenado. Para este ciclo se elaboraron signaturas temporales de los principales tipos de cubiertas en Doñana, en los distintos ángulos de incidencia y polarizaciones disponibles. Las signaturas se analizaron con la ayuda de datos de verdad-terreno para identificar el efecto de la inundación sobre el coeficiente de retrodispersión y se extrajeron conclusiones sobre la posibilidad de discriminar superficies emergidas e inundadas en función del ángulo de incidencia, tipo de cobertura vegetal y fase fenológica: ángulos de incidencia intermedios, como los IS3 e IS4 de ASAR, resultaron ser los más apropiados para discriminar en una única imagen superficies de agua libre. La cartografía de inundación en los paciles, las regiones más elevadas, es factible usando ángulos reducidos y medios (entre IS1 e IS4 de ASAR). En las zonas de elevación intermedia, colonizadas por grandes helófitos, los ángulos de incidencia elevados (IS6 e IS7 de ASAR) permiten una delimitación de la inundación más precisa durante el desarrollo de la vegetación hasta aproximadamente mediados de abril, cuando la capacidad de penetración de estos ángulos puede resultar insuficiente. Dada la compleja casuística de la retrodispersión de las cubiertas de Doñana, a menudo resultó inviable delinear la inundación en toda la marisma a partir de una única adquisición de ASAR. La cartografía de inundación se abordó entonces mediante el uso sinérgico de los datos ASAR con el modelo digital del terreno y el mapa de vegetación de Doñana. El uso de entornos de procesado irregulares adaptados a la topografía mejoró drásticamente el filtrado de las imágenes, ya que los bordes naturales tienden a seguir las curvas de nivel del terreno. A continuación se diseñaron algoritmos de agrupación y clasificación de píxeles que utilizan los datos ASAR junto con la cota del terreno y el mapa de vegetación, y que se aplican independientemente en las distintas subcuencas de Doñana, porque dentro de ellas existe una relación más precisa entre la cota de los píxeles y la clase de cubierta. Los mapas de elevación y vegetación, más el conocimiento adquirido sobre las características de retrodispersión de Doñana se utilizaron inicialmente para escoger píxeles germen o de origen con elevada confianza en su clase de pertenencia. A continuación, un algoritmo iterativo extiende las regiones germen, incorporando los píxeles adyacentes que son además próximos en distancia de retrodispersión. La cartografía frecuente de inundación a partir de las escenas ASAR permitió identificar distintos eventos de calibración para el modelo hidrodinámico de las marismas de Doñana. Esta investigación también puso de manifiesto que la retrodispersión radar aporta datos adicionales sobre el estado de las marismas, como es el grado de desarrollo de las especies helófitas o la capacidad de discriminar ciertas comunidades vegetales. Es de desear que los conocimientos derivados de este estudio puedan ser aplicados y extendidos con los datos polarimétricos de Doñana que serán adquiridos en breve por modernos radares satelitales. Se trata del sensor canadiense Radarsat-2 y de la constelación europea Sentinel-1, ambos operando en banda C, del sistema japonés ALOS-2/PALSAR-2, en banda L, y de la futura misión española PAZ, en banda X. / Els aiguamolls de Doñana, situats al sud-oest de la Península Ibèrica, experimenten cicles anuals d'inundació a la tardor i d’assecament a la primavera. Com en qualsevol zona humida, la sostenibilitat de Doñana depèn fonamentalment dels seus recursos hídrics. Des de la dècada dels noranta s’han portat a terme importants esforços de seguiment i modelització per a avaluar la salut de l'ecosistema i restaurar tant com sigui possible el seu règim hidrològic natural, per a preveure riscos derivats de les activitats sòcio-econòmiques i del canvi climàtic, i per a dissenyar estratègies d'adaptació que garanteixin la seva sostenibilitat. La present tesi doctoral forma part d’aquests esforços. Entre 2006 i 2010 s’encarregà l’adquisició expressa de nombroses imatges satel·litals de Doñana amb l’objecte d’obtenir observacions regionals i sinòptiques de l'evolució de la superfície inundada als aiguamolls. Amb aquestes observacions es pretenia avançar en el coneixement de la hidrodinàmica del conjunt humit i calibrar el model hidràulic bidimensional del mateix. Aconseguir una freqüència d'observació elevada durant l'ompliment dels aiguamolls fou un requisit d'especial interès, ja que durant aquest període la pluja és més abundant i els processos hidrodinàmics són més ràpids. Les imatges foren adquirides pel sensor radar en banda C ASAR, a bord del satèl·lit Envisat de l'Agència Espacial Europea. La capacitat de la banda C per a travessar la nuvolositat resultà particularment adient per a monitoritzar en detall el procés d'ompliment, ja que aquest està associat amb la presència de núvols. Les imatges ASAR se sol·licitaren en set angles d'incidència diferents per a augmentar la freqüència d'observació, i la majoria d'elles foren adquirides amb la configuració de polaritzacions HH/VV. Durant l'any hidrològic 2006-2007 s’aconseguí un seguiment detallat del procés d'ompliment. Per a aquest cicle es desenvoluparen signatures temporals dels principals tipus de cobertes de Doñana, en els diferents angles d'incidència i polaritzacions disponibles. Les signatures s’analitzaren amb l'ajuda de dades de veritat-terreny per a identificar l'efecte de la inundació en el coeficient de retrodispersió i s’extragueren conclusions sobre la possibilitat de discriminar superfícies emergides i inundades en funció de l'angle d'incidència, tipus de cobertura vegetal i fase fenològica: angles d’incidència intermitjos, com els IS3 i IS4 d’ASAR, resultaren ser els més apropiats per a discriminar superfícies d’aigua lliure en una sola imatge. La cartografia d'inundació als paciles, les regions més elevades, és factible utilitzant angles d’incidència reduïts i intermitjos (entre IS1 i IS4 d’ASAR). En les zones d'elevació intermèdia, colonitzades per grans helòfits, els angles d'incidència grans (IS7 i IS6 d’ASAR) permeten una delimitació de la inundació més precisa durant el desenvolupament de la vegetació fins a aproximadament mitjans d’abril, quan la capacitat de penetració d'aquests angles pot resultar insuficient. Donada la complexa casuística de la retrodispersión de les cobertes de Doñana, la cartografia d’inundació dels aiguamolls sencers a partir d’una sola imatge ASAR fou sovint inviable. Aquesta cartografia s’abordà llavors mitjançant l’ús sinèrgic de les dades ASAR amb el model digital del terreny i el mapa de vegetació de Doñana. L’ús d’entorns de processat irregulars adaptats a la topografia millorà dràsticament el filtrat de les imatges, ja que les vores naturals tendeixen a seguir les corbes de nivell del terreny. Seguidament es dissenyaren algoritmes d’agrupació i classificació de píxels que utilitzen dades ASAR, la cota del terreny i el mapa de vegetació, i que s’apliquen independentment a les diferents sub-conques de Doñana, perquè a dins d'elles existeix una relació més acurada entre la cota dels píxels i el tipus de coberta. Els mapes d'elevació i vegetació, més el coneixement adquirit sobre les característiques del retrodispersió de Doñana s’utilitzaren inicialment per a seleccionar píxels germen o d’origen amb elevada confiança en la seva classe de pertinença. A continuació, un algoritme iteratiu expandeix les regions germen, incorporant-hi els píxels adjacents que són, a més a més, propers en distància de retrodispersió. La cartografia freqüent d’inundació a partir de les escenes ASAR permeté identificar diferents esdeveniments de calibració per al model hidrodinàmic dels aiguamolls de Doñana. Aquest treball de recerca també posà de manifest que la retrodispersión radar aporta dades addicionals sobre l’estat dels aiguamolls, ara com el grau de desenvolupament de les espècies helòfites o la capacitat de discriminar certes comunitats vegetals. És d’esperar que els coneixements derivats d'aquest estudi puguin ser aplicats i ampliats amb les dades polarimètriques de Doñana que seran adquirides properament per moderns radars satel·litals: es tracta del sensor canadenc Radarsat-2 i de la constel·lació europea Sentinel-1, ambdós operant en banda C, del sistema japonès ALOS-2/PALSAR-2, en banda L, i de la futura missió espanyola PAZ, en banda X.

This thesis deals with uncertainty in radar-based precipitation estimation and nowcasting in two ways: its quantification in a probabilistic manner, and its reduction in the precipitation estimates. A straightforward way to obtain a quantification of the uncertainty is approximating the error in rainfall estimates or nowcasts by comparison against a reference and analyzing the error. In this thesis methods for the error statistical characterization in both rainfall estimation and nowcasting are proposed. In particular, the error characterization is thought for the uncertainty representation by means of the generation of multiple realizations of the estimates or nowcasts, being each realization a possible rainfall field. These sets of realizations (ensembles) are easy to interpret and use as an input in other non-linear systems (for instance, rainfall-runoff hydrological models) for the analysis of the uncertainty propagation. Through the years, the efforts to reduce the uncertainty in rainfall estimates have been devoted, in general, to the correction of radar observations for individual radars. The potential of radar networks in regions covered with several radars has not been fully exploited yet. In this thesis, we present a method to improve the estimation of 3D reflectivity fields using observations from several radars. An evaluation methodology has been also developed to compare different 3D radar mosaicking techniques. / Aquesta tesi aborda la incertesa en lʼestimació i previsió de pluja amb radars meteorològics en dos sentits: la seva quantificació de manera probabilística, i la reducció dels seus efectes en les estimacions de pluja. Una manera directa dʼobtenir una quantificació de la incertesa és aproximar lʼerror comès en lʼestimació o previsió de pluja per comparació amb una referència, i analitzar lʼerror. En aquesta tesi es proposen mètodes per caracteritzar estadísticament lʼerror en estimació i previsió de pluja amb radar meteorològics. En particular, la caracterització de lʼerror està enfocada a la representació de la incertesa mitjançant la generació de múltiples realitzacions de lʼestimació o la previsió, de manera que cada realització sigui un possible camp de pluja. Aquests conjunts de realitzacions (ensembles) són fàcils dʼinterpretar i dʼusar com a entrada en altres sistemes per a lʼanàlisi de la propagació de la incertesa a través dʼun sistema no lineal (per exemple models hidrològics de transformació pluja-escolament). Al llarg del temps, els esforços per reduir la incertesa en les estimacions de pluja sʼhan centrat, en general, en la correcció de les observacions radar per radar, i encara no sʼha treballat a fons el potencial de les xarxes de radars actuals en les àrees cobertes per més dʼun radar. En aquesta tesi es presenta un mètode per obtenir, aprofitant mesures de diversos radars sobre una mateixa zona, un camp tridimensional de reflectivitat més acurat que els dels mètodes tradicionals. Per això també sʼha desenvolupat una metodologia dʼavaluació de mètodes de composició tridimensional dʼobservacions de radars.

La Tesis Doctoral "Modelos de seguridad para móviles" tiene como principal objetivo la definición de una arquitectura de seguridad para los sistemas de telefonía móvil de segunda generación, que permita soslayar los problemas de seguridad que éstos plantean, y que permita la coexistencia de éstos con los de tercera generación, sin que ello signifique renunciar a los servicios de seguridad ofrecidos por ésta. En definitiva lo que se pretende es uniformizar los servicios de seguridad ofrecidos por los sistemas de telefonía móvil de las generaciones 2G y 3G en el límite superior, es decir el ofrecido por los sistemas de tercera generación.Además de este requerimiento funcional, se impuso uno adicional de tipo pragmático, consistente en imponer la restricción de que fuese realizable empleando componentes existentes en el mercado, puesto que las redes IP ya ofrecen estos servicios de seguridad y debía ser posible definir una arquitectura que permitiese garantizar la seguridad de las comunicaciones extremo-a-extremo, sin perder aspectos tan importantes como la confidencialidad o la acreditación del origen en pasarelas intermedias entre las distintas redes de telecomunicaciones existentes actualmente (fija, móvil, IP).Dado que una de las premisas de la arquitectura de comunicaciones seguras era su factibilidad, se ha buscado el refrendo de la propuesta realizada por parte de algún operador de telefonía móvil, consiguiéndose hasta el momento el de Airtel.Dentro de esta tesis, además, se han considerado otros factores como el de especificación de MTU para movilidad IP y la realización de una valoración comparativa de las diferentes implementaciones que ofrece movilidad IP. / The thesis "Security Patterns for mobiles" has as main objective the definition of a security architecture for second generation mobile phone systems that allow override the security problem they have and also permit the coexistence of them with third generation mobile phone systems. This fact does not mean to renounce to the security services offered by 3G. In the end the aim is to make uniform the security services offered by mobile phone systems form second and third generation in the uppermost limit, that means, the given by third generation.Besides from this functional requirement, we impose ourselves an additional one that consist of impose the restriction of doing it using existing components in the market, as IP networks already offer these security services and also it must be possible to define an architecture that can warrant the end-to-end communication security without losing as important features as confidentiality or origin authentication in intermediate gateways among the different current telecommunication networks (fix, mobile, IP).As one of the security communications architecture premises is its feasibility, an approval has been done by Airtel up to now and we are looking for other mobile phone operators opinion.Furthermore in the thesis, they have been considered other factors as the MTU specification for IP mobility and the comparative analysis of the different IP mobility implementations.

En esta tesis se presenta un modelo numérico para simular la fase de compactación de pulvimateriales y su implementación en ordenadores de cálculo paralelo, con el ánimo de facilitar y mejorar el diseño de los procesos de fabricación por compactación de polvos metálicos. El estudio se inicia llevando a cabo una breve descripción fenomenologica del proceso de compactación, se estudian las principales propiedades y métodos de producción del material en polvo y su efecto sobre las propiedades finales del compacto, se analizan cada una de las operaciones que intervienen en el proceso y se estudian las modificaciones de las propiedades físicas a medida que avanza la compactación. El estudio continua con una breve descripción del estado del arte de los modelos constitutivos empleados hasta ahora y las diferentes técnicas numéricas propuestas para la solución del sistema de ecuaciones asociado a la modelizacion.En el núcleo de la tesis se presenta la formulación matemática del modelo numérico. Se describen las variables básicas y su interpretación física, se formulan las ecuaciones básicas necesarias para la simulación numérica: ecuaciones cinemáticas, ecuación constitutiva, función de fluencia, reglas de flujo y disipación. Se formula el algoritmo de integración de la ecuación constitutiva y el cálculo del tensor constitutivo tangente. Adicionalmente, se describen los modelos numéricos de contacto y de fricción, que permiten simular los efectos que producen las paredes tanto del molde como de los punzones, sobre el material en polvo y en general sobre las propiedades mecánicas finales del compacto.El estudio del comportamiento del modelo numérico propuesto, se lleva a cabo mediante dos grupos de ejemplos.En el primer grupo se calibra y compara el modelo frente a una campaña de resultados experimentales. El segundo grupo, muestra la utilidad que tiene la herramienta numérica en el diseño de piezas complejas.