System Engineering Applied to Fuenmayor Karst Aquifer (San Julián de Banzo, Huesca) and Collins Glacier (King George Island, Antarctica)

La ingeniería de sistemas, definida generalmente como arte y ciencia de crear soluciones integrales a problemas complejos, se aplica en el presente documento a dos sistemas naturales, a saber, un sistema acuífero kárstico y un sistema glaciar, desde una perspectiva hidrológica. Las técnicas de identificación, desarrolladas típicamente en ingeniería para representar sistemas artificiales por medio de modelos lineales y no lineales, pueden aplicarse en el estudio de los sistemas naturales donde se producen fenómenos de acoplamiento entre el clima y la hidrosfera. Los métodos evolucionan para afrontar nuevos campos de identificación donde se requieren estrategias para encontrar el modelo idóneo adaptado a las peculiaridades del sistema. En este sentido, se han considerado especialmente las herramientas basadas en la transformada wavelet utilizadas en la preparación de series temporales, suavizado de señales, análisis espectral, correlación cruzada y predicción, entre otros. Bajo este enfoque, una aplicación a mencionar entre las tratadas en esta tesis, es la determinación analítica del núcleo efectivo estacional (SEC) a través del estudio de la coherencia wavelet entre temperatura del aire y la descarga del glaciar, que establece un conjunto de períodos de muestreo aceptablemente coherentes, a partir del cual se crearán los modelos del sistema glacial. El estudio está dirigido específicamente a estimar la influencia de la precipitación sobre la descarga del acuífero kárstico de Fuenmayor, en San Julián de Banzo, Huesca, España. De la misma manera, se ocupa de las consecuencias de la temperatura del aire en la fusión del hielo glaciar, que se manifiesta en la corriente de drenaje del glaciar Collins, isla King George, Antártida. En el proceso de identificación paramétrica y no paramétrica se buscan los modelos que mejor representen la dinámica interna del sistema. Eso conduce a pruebas iterativas, donde se van creando modelos que se verifican sistemáticamente con los datos reales del muestreo, de acuerdo a un criterio de eficiencia dado. La solución mejor valorada según los resultados obtenidos en los casos tratados apuntan a estructuras de modelos en bloques. Esta tesis significa una exposición formal de la metodología de identificación de sistemas propios de la ingeniería en el contexto de los sistemas naturales, que mejoran los resultados obtenidos en muchos casos de la hidrología kárstica que comúnmente usaban métodos ad hoc ocasionales de carácter estadístico; así mismo, los enfoques propuestos en los casos de glaciología con el análisis wavelet y los modelos orientados a datos raramente considerados en la literatura, revelan información esencial ante la imposibilidad de precisar la totalidad de la física que rige el sistema. Notables resultados se derivan en la caracterización de la respuesta del manantial de Fuenmayor y su correlación con la precipitación, desde la perspectiva de un sistema lineal, que se complementa con los métodos de identificación basados en técnicas no lineales. Así mismo, la implementación del modelo para el glaciar Collins, obtenido también mediante métodos de identificación de caja negra, puede revelar una inestabilidad de los límites de los periodos activos de la descarga, y consecuentemente la variabilidad en la tendencia actual en el cambio climático global

Functional magnetic resonance imaging : an intermediary between behavior and neural activity

Blood oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging is a non-invasive technique used to trace changes in neural dynamics in reaction to mental activity caused by perceptual, motor or cognitive tasks. The BOLD response is a complex signal, a consequence of a series of physiological events regulated by increased neural activity. A method to infer from the BOLD signal onto underlying neuronal activity (hemodynamic inverse problem) is proposed in Chapter 2 under the assumption of a previously proposed mathematical model on the transduction of neural activity to the BOLD signal. Also, in this chapter we clarify the meaning of the neural activity function used as the input for an intrinsic dynamic system which can be viewed as an advanced substitute for the impulse response function. Chapter 3 describes an approach for recovering neural timing information (mental chronometry) in an object interaction decision task via solving the hemodynamic inverse problem. In contrast to the hemodynamic level, at the neural level, we were able to determine statistically significant latencies in activation between functional units in the model used. In Chapter 4, two approaches for regularization parameter tuning in a regularized-regression analysis are compared in an attempt to find the optimal amount of smoothing to be imposed on fMRI data in determining an empirical hemodynamic response function. We found that the noise autocorrelation structure can be improved by tuning the regularization parameter but the whitening-based criterion provides too much smoothing when compared to cross-validation. Chapter~5 illustrates that the smoothing techniques proposed in Chapter 4 can be useful in the issue of correlating behavioral and hemodynamic characteristics. Specifically, Chapter 5, based on the smoothing techniques from Chapter 4, seeks to correlate several parameters characterizing the hemodynamic response in Broca's area to behavioral measures in a naming task. In particular, a condition for independence between two routes of converting print to speech in a dual route cognitive model was verified in terms of hemodynamic parameters

Recent Advances in Signal Processing

The signal processing task is a very critical issue in the majority of new technological inventions and challenges in a variety of applications in both science and engineering fields. Classical signal processing techniques have largely worked with mathematical models that are linear, local, stationary, and Gaussian. They have always favored closed-form tractability over real-world accuracy. These constraints were imposed by the lack of powerful computing tools. During the last few decades, signal processing theories, developments, and applications have matured rapidly and now include tools from many areas of mathematics, computer science, physics, and engineering. This book is targeted primarily toward both students and researchers who want to be exposed to a wide variety of signal processing techniques and algorithms. It includes 27 chapters that can be categorized into five different areas depending on the application at hand. These five categories are ordered to address image processing, speech processing, communication systems, time-series analysis, and educational packages respectively. The book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity