Imageamento acústico é um problema computacionalmente caro e mal-condicionado, que envolve estimar distribuições de fontes com grandes arranjos de microfones. O método clássico para imageamento acústico utiliza beamforming, e produz a distribuição de fontes de interesse convoluída com a função de espalhamento do arranjo. Esta convolução borra a imagem ideal, significativamente diminuindo sua resolução. Convoluções podem ser evitadas com técnicas de ajuste de covariância, que produzem estimativas de alta resolução. Porém, estas têm sido evitadas devido ao seu alto custo computacional. Nesta tese, admitimos um arranjo bidimensional com geometria separável, e desenvolvemos transformadas rápidas para acelerar imagens acústicas em várias ordens de grandeza. Estas transformadas são genéricas, e podem ser aplicadas para acelerar beamforming, algoritmos de deconvolução e métodos de mínimos quadrados regularizados. Assim, obtemos imagens de alta resolução com algoritmos estado-da-arte, mantendo baixo custo computacional. Mostramos que arranjos separáveis produzem estimativas competitivas com as de geometrias espirais logaritmicas, mas com enormes vantagens computacionais. Finalmente, mostramos como estender este método para incorporar calibração, um modelo para propagação em campo próximo e superfícies focais arbitrárias, abrindo novas possibilidades para imagens acústicas. / Acoustic imaging is a computationally intensive and ill-conditioned inverse problem, which involves estimating high resolution source distributions with large microphone arrays. The classical method for acoustic imaging consists of beamforming, and produces the source distribution of interest convolved with the array point spread function. This convolution smears the image of interest, significantly reducing its effective resolution. Convolutions can be avoided with covariance fitting methods, which have been known to produce robust high-resolution estimates. However, these have been avoided due to prohibitive computational costs. In this thesis, we assume a 2D separable array geometry, and develop fast transforms to accelerate acoustic imaging by several orders of magnitude with respect to previous methods. These transforms are very generic, and can be applied to accelerate beamforming, deconvolution algorithms and regularized least-squares solvers. Thus, one can obtain high-resolution images with state-of-the-art algorithms, while maintaining low computational cost. We show that separable arrays deliver accuracy competitive with multi-arm spiral geometries, while producing huge computational benefits. Finally, we show how to extend this approach with array calibration, a near-field propagation model and arbitrary focal surfaces, opening new and exciting possibilities for acoustic imaging.

Submitted by admin tede (tede@pucgoias.edu.br) on 2018-05-28T19:09:38Z No. of bitstreams: 1 LEONARDO RODRIGUES DE OLIVEIRA MERELLES.pdf: 1239497 bytes, checksum: cf674b2af1fe982136ca8ff2e1740f37 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-28T19:09:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LEONARDO RODRIGUES DE OLIVEIRA MERELLES.pdf: 1239497 bytes, checksum: cf674b2af1fe982136ca8ff2e1740f37 (MD5) Previous issue date: 2018-03-27 / Understanding how climate change influences crop yield contributes to the forecasting of its consequences and assists in the management of agribusiness and food security. In this study, partial least squares regression (PLSR) was used to quantify the contribution of climate change to soybean and corn yield. To verify the accuracy of the model, the time series regression was applied. The Central-West and South regions of Brazil were considered for the modeling of grain yield using precipitation, temperature, humidity, evapotranspiration and carbon dioxide levels between 1980 and 2016 as predictors. In both regions, the main contributor to increased grain yield was the increase in carbon dioxide levels, and the main contributor to the reduction of productivity was air humidity, suggesting that climate change is influencing grain yield. The results confirm climate change, indicating that farmers and decision makers should work on other variables that control productivity, such as genetic improvement and agricultural management practices. / Compreender como as mudanças climáticas influenciam na produtividade agrícola contribui com a previsibilidade de suas consequências e auxilia na gestão do agronegócio e da segurança alimentar. Neste estudo, foi utilizada a regressão por mínimos quadrados parciais (PLSR) para quantificar as contribuições das mudanças climáticas na produtividade da soja e do milho. Para verificar a qualidade de ajuste do modelo foi aplicada a regressão de séries temporais. As regiões Centro-Oeste e Sul do Brasil foram consideradas para a condução da modelagem da produtividade de grãos, utilizando como variáveis preditoras a precipitação, temperatura, umidade, evapotranspiração e os níveis de dióxido de carbono, entre os anos de 1980 a 2016. Nas duas regiões, o principal contribuinte para o incremento da produtividade de grãos foi o aumento nos níveis de dióxido de carbono e o principal contribuinte para a redução da produtividade foi a umidade do ar, sugerindo que as mudanças climáticas estão influenciando na produtividade de grãos. Os resultados confirmam as mudanças climáticas, indicando que agricultores e tomadores de decisões deverão atuar em outras variáveis que controlam a produtividade, como melhoramento genético e práticas de gestão agrícola.

Esta dissertação de mestrado aborda o problema de regulação robusta recursiva para sistemas lineares discretos sujeitos a incertezas paramétricas. Um novo funcional quadrático, baseado na combinação de função penalidade e função custo do tipo jogos, é projetado para lidar com este problema. Uma característica interessante desta abordagem é que a recursividade pode ser realizada sem a necessidade do ajuste de parâmetros auxiliares. Bastante útil para aplicações online. A solução proposta é baseada numa equação recursiva de Riccati. Também, a convergência e a estabilidade do regulador para o sistema linear incerto invariante no tempo são garantidas. / This dissertation deals with robust recursive regulators for discrete-time systems subject to parametric uncertainties. A new quadratic functional based on the combination of penalty functions and game theory is proposed to solve this class of problems. An important issue of this approach is that the recursiveness can be performed without the need of adjusting auxiliary parameters. It is useful for online applications. The solution proposed is based on Riccati equation which guarantees the convergence and stability of the time-invariant system.

Esta dissertação investiga numericamente a influência dos efeitos viscosos e elásticos em escoamentos de materiais viscoplásticos no interior de uma cavidade dirigida. O modelo mecânico empregado é constituído pelas equações de conservação de massa e pelo princípio da quantidade de movimento linear, para fluidos incompressíveis, acoplado à equação constitutiva. Esta equação modifica o modelo viscoelástico de Oldroyd-B de modo a acomodar que os tempos de relaxação e retardo do material, bem como sua viscosidade viscoplástica, dependam das mudanças de sua microestrutura. A aproximação numérica do modelo emprega o método multi-campos de Galerkin mínimos-quadrados em termos do tensor de tensão extra, do vetor velocidade e do campo de pressão. Os resultados objetivam a determinção do tamanho e localização das regiões aparentemente não-escoadas do material, bem como sua deformação elástica, intensidade de tensão, e a sua vorticidade no interior da cavidade. Os resultados claramente indicam que o padrão do escoamento é fortemente influenciado pela variação dos efeitos elásticos (variação do tempo de relaxação adimensional, θ0 * ), viscosos (variação do índice de power-law, n) e cinemáticos (variação da velocidade adimensional, U* , do escoamento) no interior da cavidade. / This dissertation investigated numerically the influence of viscous and elastic effects on flows of viscoplastic materials within a lid-driven cavity. The mechanical model used is made up of mass and momentum balance equations, coupled with the constitutive equation. This equation modifies the viscoelastic Oldroyd-B model to accommodate both relaxation and retardation times, and viscosity function, dependent on the microstructure changes. Numerical approximations of the model make use a three-field Galerkin least squares method in terms of the extra stress tensor, velocity vector and pressure field. Computations focus on the determination of the size and position of apparently unyielded regions as well as the elastic deformation, stress intensity, and the vorticity within of the cavity. Results clearly indicate that the flow pattern is strongly influenced by the elastic (variation of the dimensionless relaxation time, θ0 * ), viscous (variation of the power-law index, n) and kinematic (variation of the dimensionless flow velocity, U* ) effects within the cavity.

Nous concentrons notre intérêt sur l'Équation du Bilan de la Population (PBE). Cette équation décrit l'évolution, au fil du temps, des systèmes de particules en fonction de sa fonction de densité en nombre (NDF) où des processus d'agrégation et de rupture sont impliqués. Dans la première partie, nous avons étudié la formation de groupes de particules et l'importance relative des variables dans la formation des ces groupes en utilisant les données dans (Vlieghe 2014) et des techniques exploratoires comme l'analyse en composantes principales, le partitionnement de données et l'analyse discriminante. Nous avons utilisé ce schéma d'analyse pour la population initiale de particules ainsi que pour les populations résultantes sous différentes conditions hydrodynamiques. La deuxième partie nous avons étudié l'utilisation de la PBE en fonction des moments standard de la NDF, et les méthodes en quadrature des moments (QMOM) et l'Extrapolation Minimale Généralisée (GME), afin de récupérer l'évolution, d'un ensemble fini de moments standard de la NDF. La méthode QMOM utilise une application de l'algorithme Produit- Différence et GME récupère une mesure discrète non-négative, étant donnée un ensemble fini de ses moments standard. Dans la troisième partie, nous avons proposé un schéma de discrétisation afin de trouver une approximation numérique de la solution de la PBE. Nous avons utilisé trois cas où la solution analytique est connue (Silva et al. 2011) afin de comparer la solution théorique à l'approximation trouvée avec le schéma de discrétisation. La dernière partie concerne l'estimation des paramètres impliqués dans la modélisation des processus d'agrégation et de rupture impliqués dans la PBE. Nous avons proposé une méthode pour estimer ces paramètres en utilisant l'approximation numérique trouvée, ainsi que le Filtre Étendu de Kalman. La méthode estime interactivement les paramètres à chaque instant du temps, en utilisant un estimateur de Moindres Carrés non-linéaire. / We center our interest in the Population Balance Equation (PBE). This equation describes the time evolution of systems of colloidal particles in terms of its number density function (NDF) where processes of aggregation and breakage are involved. In the first part, we investigated the formation of groups of particles using the available variables and the relative importance of these variables in the formation of the groups. We use data in (Vlieghe 2014) and exploratory techniques like principal component analysis, cluster analysis and discriminant analysis. We used this scheme of analysis for the initial population of particles as well as in the resulting populations under different hydrodynamics conditions. In the second part we studied the use of the PBE in terms of the moments of the NDF, and the Quadrature Method of Moments (QMOM) and the Generalized Minimal Extrapolation (GME), in order to recover the time evolution of a finite set of standard moments of the NDF. The QMOM methods uses an application of the Product-Difference algorithm and GME recovers a discrete non-negative measure given a finite set of its standard moments. In the third part, we proposed an discretization scheme in order to find a numerical approximation to the solution of the PBE. We used three cases where the analytical solution is known (Silva et al. 2011) in order to compare the theoretical solution to the approximation found with the discretization scheme. In the last part, we proposed a method for estimate the parameters involved in the modelization of aggregation and breakage processes in PBE. The method uses the numerical approximation found, as well as the Extended Kalman Filter. The method estimates iteratively the parameters at each time, using an non- linear Least Square Estimator.

Alguns aspectos devem ser considerados nos trabalhos com frutíferas como o ponto adequado de colheita e estratégias de conservação, sendo fundamental a análise do crescimento e desenvolvimento dos frutos. Vários tipos de modelos estatísticos podem descrever os processos de crescimento envolvidos no sistema de produção vegetal, sendo os modelos não lineares considerados mais adequados para esse tipo de estudo. Para que os resultados obtidos no ajuste do modelo sejam válidos é necessário verificar a qualidade de ajuste por meio de uma análise dos resíduos. A distribuição dos resíduos ordinários para os modelos de regressão não linear, é matematicamente trabalhosa e os critérios de diagnóstico são falhos, principalmente em pequenas amostras. Diante de tal fato, Cook e Tsai (1985) definiram o resíduo projetado. O comportamento dos resíduos projetados é melhor do que o dos resíduos ordinários, pois suas propriedades são mais próximas das correspondentes ao resíduo ordinário da regressão normal linear. O ganho é substancial se o teste para a medida de não linearidade for significativo. Por meio dos ajustes dos modelos logístico e de Gompertz aos dados de comprimento de peras foi realizada a análise dos resíduos ordinários e dos resíduos projetados, a fim de evidenciar suas vantagens. Os resíduos projetados se mostraram viáveis para diagnóstico dos modelos e descartaram possíveis tendências apresentadas pelos resíduos normalizados. / Some aspects must be considered in the works with fruit tree such as the appropriate point of harvest and conservation strategies, being fundamental the analysis of growth and fruit developments. Several types of statistical models can describe the growth processes involved in plant production system and the non-linear models are considered more suitable for this type of study. For the results obtained from the model fit to be valid is necessary to check the quality of fit through a residual analysis. The distribution of the ordinary residuals in the non-linear regression models is mathematically complicated and the diagnostic criteria are not precise, mainly in small samples. To overcome this fact, Cook and Tsai (1985) defined the projected residual. The behaviour of the projected residuals is better than the ordinary residuals since their properties are closer to those corresponding to the ordinary residuals for the normal linear regression. The gain is substantial if the test for non-linearity is significant. Through the fit of the logistic and Gompertz models to the pears length data, it was performed an analysis of the ordinary and projected residuals in order to demonstrate their advantages. The projected residuals showed more feasible for the diagnostic of the models and ruled out possible trends presented by normalized residuals.

Os sistemas de análises em fluxo com multi-impulsão (MPFS) têm como característica principal o emprego de bombas solenóide como unidade propulsora de fluidos, as quais proporcionam fluxo pulsado. Este regime de fluxo foi avaliado em função das condições de mistura entre as soluções envolvidas, transferência de calor e difusão gasosa. A associação dos métodos quimiométricos de análises e dos sistemas MPFS foi demonstrada em relação à determinação espectrofotométrica de glicose, frutose e glicerol em vinhos fermentiscíveis e caldos de cana-de-açúcar. O método se fundamentou na reação dos carboidratos com metaperiodato de sódio e posterior oxidação de iodeto pelo metaperiodato remanescente com monitoramento de [I3 -] produzido. O tratamento dos dados envolveu calibração multivariada, empregando o algoritmo PLS e os resultados são concordantes com aqueles obtidos por cromatografia líquida de troca aniônica com detecção por amperometria pulsada. O sistema proposto é simples e robusto, capaz de analisar 120 amostras por hora. O fluxo pulsado proporcionou melhoria no desenvolvimento reacional no que diz respeito à transferência de calor e difusão gasosa. Esse aspecto se deve principalmente ao aumento do transporte de massas no sentido radial. Estes fatos foram constatados na determinação espectrofotométrica de açúcares redutores totais (ART) e etanol. O sistema MPFS proposto para a determinação de ART envolveu hidrólise ácida da sacarose e degradação alcalina dos carboidratos. A natureza do fluxo pulsado possibilitou o uso de menores temperaturas de um banho termostatizado durante as etapas de hidrólise e degradação, bem como a diminuição da alcalinidade. Para a mecanização da determinação espectrofotométrica de etanol envolvendo a redução de Cr(VI) a Cr(III) sob condições ácidas, foi desenvolvido um sistema MPFS, o qual se demonstrou eficiente e adequado para procedimentos que envolvem difusão gasosa. Após otimização dos principais parâmetros envolvidos, os mesmos foram comparados empregando o sistema de multi-comutação, cujo fluxo é laminar. Melhores resultados analíticos foram obtidos no sistema proposto, que resultou em boa sensibilidade. Em relação aos sistemas de análises em fluxo que exploram interface reacional única (SIFA), foram demonstradas suas potencialidades através da implementação de procedimentos que envolvem determinações simultâneas, sem a necessidade de reconfigurações no módulo de análises. Ainda, a simplificação da etapa de otimização foi espectrofotometricamente avaliada através da determinação de alumínio, ferro total e P-PO4. O sistema proposto é de configuração simples e capaz de analisar 130, 140 e 90 amostras de alumínio, ferro total e fósforo por hora, respectivamente / Multi-pumping flow systems (MPFS) present as an unique feature the use of solenoid pumps as fluid propelling devices, which deliver pulsed flows. This flow regime was evaluated in order to improve mixing conditions between the involved solutions, heating transfer and gas diffusion.The association of the chemometric methods of analysis and MPFS systems was demonstrated in the spectrophotometric determination of glucose, fructose and glycerol in musts and sugar cane juices. The method involved metaperiodate oxidation of carbohydrates and further oxidation of remainder metaperiodate iodide yield in the [I3 -] complex that was spectrophotometrically monitored. Data treatment involved multivariate calibration relying on the PLS algorithm and results were in agreement with liquid anion chromatography with pulsed amperometric detection. The proposed system is simple and rugged, allowing 120 samples to be run per hour. The pulsed flow led to a enhanced in heating transfer and gas diffusion, in view of the enhanced radial mass transport. These aspects were verified in the spectrophotometric determination of total reducing sugars (TRS) and ethanol. The proposed MPFS system for TRS determination involved in-line hydrolysis of sucrose and alkaline degradation of the carbohydrates. The intrinsic characteristic of pulsed flow allowed the use of lower temperatures in bath thermostatization during hydrolysis and degradation steps, as well as a lower alkalinity. The MPFS for spectrophotometric determination of ethanol involving diffusion towards an acceptor stream, reduction of Cr(VI) to Cr(III) under acidic condition, and Cr*(III) monitoring proved to be eficient and amenale to analytical procedures involving gas diffusion. After optimization of the main parameters, the system was compared with a multicommuted flow system (MCFA) that exploits a laminar flow. Better analytical results were obtained with the proposed system which demonstrated fair sensitivity. Regarding flow systems exploiting a single reaction interface (SIFA), their potentialities were demonstrated by implementing analytical procedures for simultaneous determination without requiring reconfigurations in the flow manifold. In this proposed system the simplification of the optimization step was atained, and the approach was evaluated in relation to spectrophotometrically determination of aluminum, total iron and phosphate. The system exhibits simple configuration and allows 130, 140 and 90 samples of aluminum, total iron and phosphate to be run per hour, respectivelly

A laranja é uma das frutas mais produzidas e consumidas no mundo, sendo o Brasil o maior produtor e exportador do seu suco concentrado. Entretanto, pragas e doenças comprometem consideravelmente sua produção. Atualmente, a doença mais preocupante é o Greening, também conhecida mundialmente como Huanglongbing (HLB). A doença não possui cura, apresenta longa fase assintomática e não possui um método eficiente de controle. Além disso, não existem métodos de diagnóstico aplicáveis em larga escala. Neste trabalho são propostas as técnicas fotônicas de fluorescência induzida por laser e de infravermelho por transformada de Fourier para o diagnóstico do HLB. Para a realização das medidas, foram coletadas folhas de árvores saudáveis, doentes com HLB e doentes com a clorose variegada dos citros, sendo esta incluída nos estudos para verificar a capacidade de diferenciação entre as doenças. Foram coletadas quatro classes de folhas nessas plantas: sadia, HLB-sintomática, HLB-assintomática e CVC-sintomática. As folhas foram medidas em laboratório e seus espectros foram pré-processados para indução de um classificador via regressão por mínimos quadrados parciais. Além das folhas, foram medidas amostras dos seguintes metabólitos primários e secundários para entendimento espectral: amido, glicose, sacarose, hesperidina, naringina e umbeliferona. Taxas de acerto de superiores a 89% foram obtidas na classificação das folhas nas técnicas de fluorescência e infravermelho, sendo superior às taxas dos métodos de manejo empregados atualmente no campo. A fluorescência induzida por laser apresenta um grande potencial para uso em campo devido a possibilidade de miniaturização de seus componentes. Os espectros dos metabólitos secundários apresentam fortes indícios de que a alteração de suas concentrações podem contribuir na detecção de doenças pelas técnicas fotônicas. / Sweet orange is one of the most produced and consumed fruit in the world, and Brazil is the largest producer and exporter of this fruit. However, pests and diseases significantly reduce the worldwide production. Currently, the most destructive disease in the field is called greening, also known as huanglongbing (HLB). There is no control for HLB. In addition, the disease presents a long asymptomatic phase. Furthermore, no diagnostic methods are available to use in large scale. In this study are proposed fluorescence and infrared spectroscopy for the HLB diagnosis. For the measurements were collected leaves from healthy, HLB- and citrus variegated chlorosis-infected plants, being the last one to comparison between the diseases. It were collected four classes of leaves: healthy, HLB-asymptomatic, HLB-symptomatic and CVC-symptomatic. The leaves were measured and their spectra were pre-processed for the induction of classifier via partial least squares regression. In addition, samples of plant metabolites were measured for leaves spectral interpretation: starch, glucose, sucrose, hesperidin, naringin and umbelliferone. Success rates above 89% were obtained through both photonic techniques, higher compared to the sucess rates of the actual management methods. The metabolites spectra have shown strong evidence that their concentrations changes could contribute to the diagnosis of the diseases by photonic techniques. Particularly, the fluorescence spectroscopy seems interesting because it has a great potential for field application due to the existence of portable photonic devices.

Parameter estimation techniques have been successfully and extensively applied to deterministic models based on ordinary differential equations but are in early development for stochastic models. In this thesis, we first investigate using parameter estimation techniques for a deterministic model to approximate parameters in a corresponding stochastic model. The basis behind this approach lies in the Kurtz limit theorem which implies that for large populations, the realizations of the stochastic model converge to the deterministic model. We show for two example models that this approach often fails to estimate parameters well when the population size is small. We then develop a new method, the MCR method, which is unique to stochastic models and provides significantly better estimates and smaller confidence intervals for parameter values. Initial analysis of the new MCR method indicates that this method might be a viable method for parameter estimation for continuous time Markov chain models.

In mammalian hearts, initiation of the heartbeat occurs in a region of specialised pacemaker cells known as the sinoatrial node (SAN). The SAN is a highly complex spatially distributed structure which displays considerable cellular heterogeneity and is subject to complex electrotonic interactions with the surrounding atrial tissue. In this study, biophysically detailed ionic models of central and peripheral SAN pacemaker cells are described. These models are able to accurately reproduce experimental recordings of the membrane potential from central and peripheral SAN tissue. These models are used to investigate frequency synchronisation of electrically coupled cardiac pacemaker cells. Based on simulation results presented, it is proposed that cellular heterogeneity in the SAN plays an important role in achieving rhythm coordination and possibly contributes to the efficient activation of the surrounding atrial myocardium. This represents an important, previously unexplored, mechanism underlying pacemaker synchronisation and cardiac activation in vivo. A spatial-gradient model of action potential heterogeneity within the SAN is then formulated using a large-scale least squares optimisation technique. This model accurately reproduces the smooth spatial variation in action potential characteristics observed in the SAN. One and two dimensional models of the intact SAN are then formulated and three proposed models of SAN heterogeneity are investigated: 1) the discrete-region model, in which the SAN consists of a compact central region surrounded by a region of transitional pacemaker cells, 2) the gradient model, in which cells of the SAN exhibit a smooth variation in properties from the centre to the periphery of the SAN, and 3) the mosaic model, in which SAN and atrial cells are scattered throughout the SAN region with the proportion of atrial cells increasing towards the periphery. Simulation results suggest that the gradient model achieves frequency entrainment more easily than the other models of SAN heterogeneity. The gradient model also reproduces action potential waveshapes and a site of earliest activation consistent with experimental observations in the intact SAN. It is therefore proposed that the gradient model of SAN heterogeneity represents the most plausible model of SAN organisation.