Numerical simulation is an important tool in understanding the electromagnetic field and how it interacts with the environment. Different topics for time-domain finite-difference (FDTD) and finite-element (FETD) methods for Maxwell's equations are treated in this thesis. Subcell models are of vital importance for the efficient modeling of small objects that are not resolved by the grid. A novel model for thin sheets using shell elements is proposed. This approach has the advantage of taking into account discontinuities in the normal component of the electric field, unlike previous models based on impedance boundary conditions (IBCs). Several results are presented to illustrate the capabilities of the shell element approach. Waveguides are of fundamental importance in many microwave applications, for example in antenna feeds. The key issues of excitation and truncation of waveguides are addressed. A complex frequency shifted form of the uniaxial perfectly matched layer (UPML) absorbing boundary condition (ABC) in FETD is developed. Prism elements are used to promote automatic grid generation and enhance the performance. Results are presented where reflection errors below -70dB are obtained for different types of waveguides, including inhomogeneous cases. Excitation and analysis via the scattering parameters are achieved using waveguide modes computed by a general frequency-domain mode solver for the vector Helmholtz equation. Huygens surfaces are used in both FDTD and FETD for excitation in waveguide ports. Inverse problems have received an increased interest due to the availability of powerful computers. An important application is non-destructive evaluation of material. A time-domain, minimization approach is presented where exact gradients are computed using the adjoint problem. The approach is applied to a general form of Maxwell's equations including dispersive media and UPML. Successful reconstruction examples are presented both using synthetic and experimental measurement data. Parameter reduction of complex geometries using simplified models is an interesting topic that leads to an inverse problem. Gradients for subcell parameters are derived and a successful reconstruction example is presented for a combined dielectric sheet and slot geometry.

The problem of subsurface imaging with Ground Penetrating Radar (GPR) is a challenging one. Due to the low-pass nature of soil sensors must utilise wave-lengths that are of the same order of magnitude as the object being imaged. This makes imaging difficult as straight ray approximations commonly used in higher frequency applications cannot be used. The problem becomes even more challenging when the target is shallowly buried as in this case the ground surface reflection and the near-field parameters of the radar need to be considered. This thesis has investigated the problem of imaging shallowly buried targets with GPR. Two distinct problems exist in this field radar design and the design of inverse scattering techniques. This thesis focuses on the design of inverse scattering techniques capable of taking the electric field measurements from the receiver and providing accurate images of the scatterer in real time. The thesis commences with a brief introduction to GPR theory. It then provides an extensive review of linear inverse scattering techniques applied to raw GPR data. As a result of this review the thesis draws the conclusion that, due to its strong foundations in Maxwell's equations, diffraction tomography is the most appropriate approach for imaging shallowly buried targets with GPR. A three-dimensional diffraction tomographic technique is then developed. This algorithm forms the primary contribution of the thesis. The novel diffraction tomography technique improves on its predecessors by catering for shallowly buried targets, significant antenna heights and evanescent waves. This is also the first diffraction tomography technique to be derived for a range of antenna structures. The advantages of the novel technique are demonstrated first mathematically then on synthetic and finally practical data. The algorithm is shown to be of high practical value by producing accurate images of buried targets in real time.

Orientador: Patricio Anibal Letelier Sotomayor / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-18T10:00:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AyalaMolina_JairoAlonso_D.pdf: 1244165 bytes, checksum: 30d706ffeeaefdce6a15f3a200327b18 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Na atualidade, o estudo de objetos como lentes gravitacionais ou buracos negros em dimensões superiores, bem como a formulação de cosmologias de Kaluza-Klein, têm recebido cada vez maior atenção. Na tentativa de compreender melhor estes e outros temas semelhantes, o estudo das soluções exatas, assim como de algoritmos para sua geração, desempenha um papel muito importante. Neste trabalho, apresentamos as equações de Einstein no vácuo para uma classe especial de espaço-tempo D-dimensional que admite D - 2 campos vetoriais de Killing, assim como sua formulação matricial. Apresentamos também a extensão de dois algoritmos apresentados no artigo do professor Patricio Letelier, On the Inverse-Scattering Method Generation of Gravitational Waves and other New Solution-Generating Algorithms, Nuovo Cimento 97 B, 1 (1987), para depois aplicá-los na obtenção de soluções não diagonais. Igualmente estudamos a aplicação do método de Belinski-Zakharov para a obtenção de soluções solitônicas multidimensionais a partir de nossa métrica, que admite representação diagonal por blocos. Finalmente, aplicamos os algoritmos de geração apresentados às métricas de Kaluza-Klein para obter novas soluções das correspondentes teorias efetivas em quatro dimensões, assim como seus tensores de energia-momento. Exemplos de possíveis interpretações destes tensores na teoria clássica de campos (ClFT) e na mecânica de fluidos, são apresentados também / Abstract: Nowadays, the study of objects such as black holes or gravitational lenses in higher dimensions, as well as the formulation of Kaluza-Klein cosmologies, have received increasing attention. In an attempt to better understand these and other similar topics, the study of exact solutions and the algorithms for their generation, plays a very important role. In the present work we present the Einstein equations in vacuum for a special class of D-dimensional space-time which admits D - 2 Killing vector fields, as well as its matrix formulation. We also present the extension of two algorithms studied in the Patricio Letelier's paper On the Inverse-Scattering Method Generation of Gravitational Waves and other New Solution-Generating Algorithms, Nuovo Cimento 97 B, 1 (1987), to later apply them in obtaining non-diagonal solutions. We also studied the method of Belinski-Zakharov to obtain multi-dimensional soliton solutions from our metric, which admits representation diagonal by blocks. Finally, we apply the presented generation algorithms to Kaluza-Klein metrics to obtain new solutions of the corresponding effective theories in four dimensions, as well as its energy-momentum tensors. Examples of possible interpretations of these tensors in classical field theory (ClFT) and fluid mechanics, are also presented / Doutorado / Fisica-Matematica / Doutor em Matemática Aplicada

L'objectif de ce travail de thèse est de détecter et de caractériser des cibles tridimensionnelles dans un milieu désordonné. Ce domaine de recherche est d'intérêt pour de nombreuses applications, telles que le sondage du sous-sol, l'imagerie médicale, la détection non-destructive et l'exploration géophysique, etc. Afin de distinguer les cibles des hétérogénéités du milieu, nous proposons d'utiliser l'une des techniques de retournement temporel, à savoir la méthode DORT (Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel). La méthode DORT permet de générer des ondes focalisant sélectivement sur chaque cible présente dans un environnement fortement hétérogène. Par ailleurs, la richesse de ces ondes focalisantes est combinée avec un algorithme d'inversion non-linéaire. Ceci nous permet non seulement de localiser, mais aussi de caractériser les cibles (forme et permittivité). La résolution obtenue à l'aide de cette approche est bien meilleure que celles obtenues avec la méthode DORT ou la méthode d'inversion seules, en particulier dans la direction d'illumination. Cette résolution est d'autant meilleure que les données utilisées sont vectorielles. Dans le cas spécifique d'une configuration d'objets enfouis impliquant deux semi-espaces infinis, la caractérisation s'avère problématique. Une solution est apportée en appliquant l'approche de marche récurrente en fréquences. Ces développements théoriques sont également confrontés aux données expérimentales mesurées dans le domaine optique. Une nouvelle Microscopie Tomographique par Diffraction (MTD) est mise en œuvre dans le cadre de cette thèse en tenant compte du caractère vectoriel de la lumière. Ce faisant, une résolution d'environ un quart de la longueur d'onde a été obtenue sur des échantillons en résine déposés sur un substrat de silicium. De plus, nous avons aussi appliqué avec succès la méthode DORT à la MTD afin de focaliser et caractériser de manière sélective plusieurs diffuseurs de tailles différentes.Lors de ce travail de thèse nous avons également développé des méthodes de caractérisation en régime transitoire. Les différentes méthodes d'inversion élaborées dans ce cadre ont été validées sur des données synthétiques et expérimentales dans le domaine des radio-fréquences. / The objective of this thesis work is to detect and to characterize three-dimensional targets in a disordered medium, using electromagnetic excitations. This research domain is of great interest in many applications, such as subsoil probing, medical imaging, non-destructive testing and geophysical exploration, etc. In order to extract the target information from the heterogeneities of the medium, we propose to use one of the time reversal technique, namely the DORT method (French acronym for Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel). This method permits us to generate different waves that focus selectively on each target in high noisy environment. Moreover, this method is also combined with a non-linear inversion algorithm, which permits not only to localize but also to characterize the targets. The reconstruction resolution appears to be better than the ones obtained with the DORT or the inversion procedure alone, especially in the illumination direction. It is also shown that using full-polarized data is indispensable for achieving better performances rather than in scalar configuration. Moreover, in the half-space configuration, it is mandatory to use the frequency-diversity data to get an accurate reconstruction. These theoretical developments are also confronted to experimental data measured in the optical domain. A full-polarization Tomographic Diffractive Microscopy (TDM) is implemented and a resolution about one-fourth of the wavelength is thus obtained. Furthermore, the DORT method is applied in TDM to realize selective focalization and characterization. In the presence of multiple targets, selective characterization of each scatterer is achieved.This thesis work also deals with the characterization problem using transient data. Different inversion algorithms are validated using synthetic and experimental hyper-frequency data.

The thesis addresses time-domain inverse electromagneticscattering for determining unknown characteristics of an objectfrom observations of the scattered .eld. Applications includenon-destructive characterization of media and optimization ofmaterial properties, for example the design of radar absorbingmaterials.A nother interesting application is the parameteroptimization of subcell models to avoid detailed modeling ofcomplex geometries. The inverse problem is formulated as an optimal controlproblem where the cost function to be minimized is thedi.erence between the estimated and observed .elds, and thecontrol parameters are the unknown object characteristics. Theproblem is solved in a deterministic gradient-basedoptimization algorithm using a parallel 2D FDTD scheme for thedirect problem.This approach is computationally intensive sincethe direct problem needs to be solved in every optimizationiteration in order to compute an estimated .eld.H ighlyaccurate analytical gradients are computed from the adjointformulation.In addition to giving better accuracy than .nitedi.erences, the analytical gradients also have the advantage ofonly requiring one direct and one adjoint problem to be solvedregardless of the number of parameters. When absorbing boundary conditions are used to truncate thecomputational domain, the equations are non-reversible and theentire time-history of the direct solution needs to be storedfor the gradient computation.Ho wever, using an additionaldirect simulation and a restart procedure it is possible tokeep the storage at an acceptable level. The inverse method has been successfully applied to a widerange of industrial problems within the European project,IMPACT (Inverse Methods for Wave Propagation Applications inTime-Domain).T he results presented here includecharacterization of layered dispersive media, determination ofparameters in subcell models for thin sheets and narrow slotsand optimization problems where the observed .eld is given bydesign objectives.

We clear up two issues regarding the eigenvalue problem for the Manakov system; these problems relate directly to the existence of the soliton [sic] effect in fiber optic cables. The first issue is a bound on the eigenvalues of the Manakov system: if the parameter ξ is an eigenvalue, then it must lie in a certain region in the complex plane. The second issue has to do with a chirped Manakov system. We show that if a system is chirped too much, the soliton effect disappears. While this has been known for some time experimentally, there has not yet been a theoretical result along these lines for the Manakov system. / Ph. D.

Cette thèse s’intéresse au diagnostic de défauts de réseaux électriques filaires à l'aide de la réflectométrie. Pour concevoir des algorithmes de diagnostic, nous avons étudié le problème direct (simulations numériques des réseaux électriques) et le problème inverse (détermination de certaines propriétés d’un réseau à partir des mesures de réflectométrie). Concernant le problème direct, nous avons développé une méthode de calcul du coefficient de réflexion d’un réseau sous forme d’arbre qui est basée sur la résolution successive d’équations différentielles de Riccati. Nous avons également généralisé l’équation de BLT pour des réseaux électriques composés de branches non uniformes et automatisé la méthode de sa résolution. La thèse a apporté deux nouveaux résultats concernant le problème inverse. Le premier résultat porte sur l’estimation des longueurs et des coefficients de pertes des branches d'un réseau électrique sous forme d’étoiles via une méthode itérative. Le deuxième porte sur l’identification, au moins partiellement, des matrices d’admittance des branches d’un réseau électrique modélisé par l’équation de BLT. Les méthodologies et les formalismes proposés dans la thèse sont validés soit par des simulations numériques, soit par des mesures réelles. / This thesis focuses on fault diagnosis of wired electric networks using reflectometry. To develop diagnostic algorithms, we studied the direct problem (numerical simulations of electrical networks) and the inverse problem (determination of certain properties of a network from reflectometry measurements). For the direct problem, we developed a method for the computation of reflection coefficients. This method is based on the successive solving for a Riccati differential equation. We also generalized the BLT equation for the nonuniform electric networks and automated the resolution of this method. The thesis has made two new results concerning the inverse problem. The first result concerns the estimation of lengths and loss coefficients of the branches of a star network via an iterative method. The second focuses on the identification, at least partially, of the branches admittance matrices of a electric network modeled by the equation of BLT. The methodologies and formalisms proposed in this thesis are validated either by numerical simulations or by real measurements.

Les radars millimétriques en bande W (75-110 GHz) sont en plein essor, grâce notamment aux progrès des circuits intégrés, permettant de réaliser des systèmes compacts à bas coût et haute résolution due à la courte longueur d’onde. Dans un premier temps, ces systèmes ont été utilisés à des fins de détection et de localisation, avec à terme, pour objectif l’identification. Ainsi, des systèmes d’imagerie radar ont été développés, notamment grâce à l’imagerie qualitative, basée par exemple sur l’imagerie radar par synthèse d’ouverture (SAR). Cependant, afin de reconstruire les propriétés électromagnétiques des objets pour une identification complète, il est nécessaire de développer des algorithmes de reconstruction quantitatifs. Le travail présenté dans ce manuscrit est de poser les bases d’un système d’imagerie qualitative et quantitative en gamme millimétrique pour la détection et l’identification des objets sur les pistes d’aéroport par tomographie, tenant compte de la polarisation de l’onde incidente. Au cours de cette thèse, un outil de simulation permettant de la résolution des problèmes direct et inverse, pour les deux types de polarisation à deux dimensions 2D-TE et 2D-TM, basé sur la méthode des moments (MoM) a été développé. La première étape a consisté en la validation du problème direct en effectuant des comparaisons numériques avec des solutions analytiques pour des cibles canoniques. Ensuite, des mesures expérimentales ont été effectuées et comparées aux résultats numériques. Enfin, les résultats des reconstructions obtenus ont permis de valider l’algorithme de reconstruction 2D développé pour l’imagerie quantitative. / Millimeter-wave radar systems in W-band (75-110 GHz) are booming, due to advances in integrated circuits, allowing the fabrication of low-cost and high-resolution compact systems, thanks to the short wavelength. First, these systems were used for detecting and localizing purposes, with the aim of identification. Thus, imaging radar systems have been developed, especially using qualitative imaging, based for example, on Synthetic Aperture Radar (SAR). Nevertheless, in order to reconstruct the electromagnetic properties of objects, for a complete identification, we must develop quantitative reconstruction algorithms. The work presented in this manuscript is to give the basis of a qualitative and quantitative millimeter wave imaging system for detecting and identifying foreign debris on airport runways using tomography, taking into account the polarization of the incident wave. In this thesis, a simulation tool for solving forward and inverse problems, for the two-dimensional polarization cases 2D-TM and 2D-TE, based on the method of moments (MoM) has been developed. The first step was to study the validation of the direct problem by comparing numerical results with analytical solutions for canonical targets. Then, experimental measurements have ben carried out and compared with numerical results. Finally, reconstruction results obtained have validated the reconstruction algorithm developed for quantitative imaging.

Ce manuscrit se décompose en deux parties principales, associées à deux types d'applications assez différentes. Dans la première partie qui comprend les deux premiers chapitres, je m'intéresse à des systèmes issus de problèmes de contrôle et d'estimation en physique quantique; dans la deuxième partie (troisième chapitre du manuscrit), j'étudie la propagation d'ondes électriques le long des fils classiques dans un réseau de lignes de transmission et je considère certains problèmes d'estimation de paramètres. Dans le premier chapitre nous étudions le problème de la planification de trajectoires pour des systèmes quantiques fermés modélisés par des équations de Schrödinger bilinéaire. Nous démontrons alors des résultats de la stabilisation approchée pour le cas d'une boite quantique infinie ainsi que pour le cas d'un potentiel décroissant. Dans les deux cas, le manque de pré-compacité des trajectoires dans des espaces fonctionnels appropriés nous oblige à proposer des méthodes de Lyapunov qui évitent des phénomènes de perte de masse à l'infini. Dans le deuxième chapitre nous étudions le problème de stabilisation de systèmes quantiques en observation. Cette observation nécessite l'ouverture du système à son environnement. Les modèles pertinents pour l'évolution de ce type de systèmes sont des modèles stochastiques basés sur des trajectoires de Monte-Carlo quantiques. Nous étudions alors certains problèmes de stabilisation qui parviennent de vraies expériences physiques. Enfin, dans le chapitre 3 nous considérons le problème d'estimation de paramètres pour un réseau de fils de câblage électrique. Dans ce but, nous étudions deux approches : l'approche temporelle et l'approche fréquentielle. Dans l'approche temporelle, nous considérons le réseau le plus simple qui consiste d'une seule ligne de transmission et nous proposons un algorithme d'identification pour l'équation d'onde associé qui est basé sur l'application des observateurs asymptotiques. Dans l'approche fréquentielle, nous considérons un réseau plus compliqué de la forme étoile. Nous proposons alors des résultats d'identifiabilité basés sur des techniques de l'inverse scattering.

Στην παρούσα εργασία ασχολούμαστε με μεθόδους κατασκευής λύσεων για μη γραμμικές μερικές διαφορικές εξώσεις (ΜΔΕ) εξέλιξης, δηλαδή εξισώσεις που περιγράφουν μια φυσική κατάσταση που εξελίσσεται χρονικά, και διακρίνονται σε γραμμικές και μη γραμμικές. Για την επίλυση των γραμμικών ΜΔΕ εξέλιξης υπάρχει η μέθοδος του μετασχηματισμού Fourier. Για τις μη γραμμικές ΜΔΕ εξέλιξης δεν υπάρχει κάποια γενική μέθοδος κατασκευής λύσεων. Πολλές απ’ αυτές, έχουν την ιδιότητα να επιδέχονται ειδικές λύσεις που ονομάζονται σολιτόνια. Βασικό χαρακτηριστικό των σολιτονίων είναι η «ελαστική» αλληλεπίδρασή τους. Πρώτοι οι Zabusky και Kruskal ανακάλυψαν το 1965 ότι η εξίσωση των Korteweg και De Vries (KdV) επιδέχεται σολιτονική λύση. Σχεδόν αμέσως οι Gardner, Greene, Kruskal και Miura [1967,1974] βρήκαν μια μέθοδο κατασκευής σολιτονικής λύσης για την εξίσωση KdV. Η μέθοδος βασίζεται στην λογική της σκέδασης και της αντίστροφης σκέδασης. Η μέθοδος της αντίστροφης σκέδασης, λειτουργεί ανάλογα με αυτή του μετασχηματισμού Fourier για τις γραμμικές, και αποτελεί το κύριο μέρος αυτής της εργασίας. Ειδικότερα: Στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζουμε παραδείγματα γραμμικών εξισώσεων εξέλιξης σε μία χωρική διάσταση, καθώς και λύσεις αυτών. Στη συνέχεια, αναζητούμε σολιτονικές λύσεις για τις μη γραμμικές ΜΔΕ εξέλιξης και κλείνουμε με ένα παράδειγμα μη γραμμικής ΜΔΕ εξέλιξης στις δύο χωρικές διαστάσεις. Στο δεύτερο κεφάλαιο, δείχνουμε πώς μπορούμε να κατασκευάσουμε λύσεις προβλημάτων αρχικών τιμών (ΠΑΤ) για γραμμικές εξισώσεις εξέλιξης, με χρήση του μετασχηματισμού Fourier. Στη συνέχεια, γίνεται εφαρμογή της μεθόδου της αντίστροφης σκέδασης στην κατασκευή λύσεων για μη γραμμικές ΜΔΕ εξέλιξης. Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται εφαρμογή της μεθόδου της αντίστροφης σκέδασης στο ΠΑΤ για την εξίσωση KdV. Για κατάλληλη επιλογή της αρχικής συνθήκης διαπιστώνουμε ότι η KdV επιδέχεται σολιτονικές λύσεις. Συγκεκριμένα, επιλέγουμε αρχικές συνθήκες που εξελίσσονται χρονικά σε σολιτονική, 2-σολιτονική και 3-σολιτονική λύση. Τέλος, παρουσιάζουμε ένα πρόγραμμα σε περιβάλλον Mathematica που κατασκευάζει πολυσολιτονική λύση για την εξίσωση KdV. Το τέταρτο κεφάλαιο αφιερώνεται στα ζεύγη Lax, τα οποία είναι ζεύγη γραμμικών εξισώσεων εξέλιξης. Αυτό που τα χαρακτηρίζει είναι ότι, η συνθήκη συμβατότητας αυτών είναι η εξίσωση εξέλιξης που μας ενδιαφέρει. Σε αυτό βασίζεται και η μέθοδος των Ablowitz, Kaup, Newell και Segur (AKNS), για την κατασκευή λύσεων μη γραμμικών εξισώσεων εξέλιξης. Εφαρμόζουμε την μέθοδο AKNS στην εξίσωση KdV για να κατασκευάσουμε σολιτονικές λύσεις. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο, ασχολούμαστε με την αναδιατύπωση ενός ΠΑΤ ως πρόβλημα Riemann-Hilbert. Επιπλέον, δείχνουμε πώς συνδέεται ένα πρόβλημα αντίστροφης σκέδασης με ένα πρόβλημα Riemann-Hilbert, θεωρώντας την εξίσωση KdV. Τέλος, αναφερόμαστε στην σύνδεση προβλημάτων αρχικών-συνοριακών τιμών με το πρόβλημα Riemann-Hilbert και κάνουμε μια επισκόπιση στη σύγχρονη βιβλιογραφία και παρουσιάζουμε πρόσφατα αποτελέσματα σε αυτή την κατεύθυνση. / In this master thesis our subject is to construct solutions for nolinear partial differential evolution equations (PDEs), which are equations that describe a physical model that evolves in time, and can be either linear or nonlinear. For solving linear PDEs we use the Fourier Transform (FT), while for nonlinear PDEs a general method for constructing solutions does not exist. Many of them admit special kind of solutions that are called solitons. A basic property of solitons, is that they interact in an elastic way. In 1965, Zabusky and Kruskal were the first to discover that the Korteweg & de Vries (KdV) equation admits a soliton solution. Straightforward Gardner, Greene, Kruskal and Miura [1967, 1974] found a method to contruct a soliton solution for the KdV equation. This method is based on the Inverse Scattering Transform (IST). The IST is the nonlinear FT- analogue, and a big part of our work is devoted to this method. Particularly: In the first chapter, we introduce some examples of linear evolution equations in one spatial dimension, and their solutions. We then construct soliton solutions for nonlinear evolution PDEs and an example in 2 spatial dimensions is considered. The second chapter deals with Initial Value Problems (IVP) and their solution construction via the FT. We also apply the IST to construct solutions for nonlinear evolution PDEs. In the third chapter, we consider KdV as an example of an evolution equation that is integrable under the IST, by the knowledge of the initial distribution of the solution. For a specific choise of the initial condition we establish that KdV equation admits soliton solutions. Especially, we choose initial conditions that evolve in time to 1-soliton, 2-soliton and multi-soliton solution. Finally, we present a program with Mathematica that constructs multi-soliton solution for the KdV. The lax pair for a nonlinear evolution equation is introduced in the fourth chapter. Lax pairs are pairs of linear PDEs and, often, their compatibility condition is the nonlinear equation we study. The method produced by Ablowitz, Kaup, Newell and Segur (AKNS), for constructing solutions for nonlinear evolution equations, is based on Lax pairs. We apply this method to KdV. The last chapter refers to Riemann Hilbert (RH) problems and their connection with the Inverse Scattering problem. We use KdV to show this connection. Finally, we mention how an Initial and Boundary Value Problem (IBVP) and an RH problem are connected. A quick review of recent results is considered.