Elaboració i anàlisi d'imatges radar desde satèl.lit

En les últimes dècades s'han desenvolupat tècniques i sistemes per la mesura de les deformacions del terreny mitjançant l'ús de radars. Aquests radars es poden pujar en un avió o instal·lar en un satèl·lit per cobrir una major superfície. Apareixen, així, els sistemes radar d'obertura sintètica que combinats amb la tècnica interferomètrica permeten mesurar les deformacions del terreny en un determinat espai de temps. En el present projecte, realitzat a l' Institut de Geomàtica i amb la col·laboració de la Unitat de Teledetecció Activa, es fa un estudi comparatiu entre dos maneres de mesurar les deformacions del terreny d'una zona, mitjançant aparells de mesura terrestre ubicats en la mateixa zona i mitjançant una tècnica interferomètrica, la tècnica PSI. El projecte s'inicia explicant conceptes bàsics com el funcionament d'un radar, el sistema radar d'obertura sintètica i una definició del terme interferometria, per passar després a la tècnica InSAR, i les seves millores, les tècniques DInSAR i PSI. Posteriorment, es descriu el procés interferomètric. Per finalitzar, amb un estudi pràctic de l'efecte que té en el terreny el pas d'una tuneladora en una zona de Barcelona, on es compara, per una banda els resultats obtinguts amb aparells terrestres de mesura de les deformacions del terreny, i per l'altra banda, els resultats obtinguts mitjançant interferogrames generats a partir d'imatges captades des de satèl·lit de la zona d'estudi

High accuracy synthetic aperture radar (SAR) processor for UAV platforms

The usual SAR processing algorithms used in LEO satellites or Ground Based SAR systems are not optimal for UAV based SAR formation (UPC Arbres system). The large dynamics and unstability characteristics of Multicopter UAV produce large defocusing and loss of detail in the SAR images. To prevent these problems the present operating parameters of Arbres must be optimized and a new algorithm able to operate with low Sweep Repetition Frequency (SRF) must be designed and evaluated based on simulated and/or experimental data.The combination of frequency-modulated continuous-wave (FMCW) technology and synthetic aperture radar (SAR) techniques leads to lightweight cost-effective imagining sensor of high resolution. One limiting factor to use of FMCW sensors is the well-known presence of nonlinearities in the transmitted signal. This results in contrast when the system is intended for high-resolution long-range applications, as it is the case for SAR. There are many algorithms to implement SAR formation but in this case the system it is placed in a UAV (UPC ARBRES system). The large dynamics and instability characteristics of drone UAV produce large defocusing and loss of detail in the SAR images. In this project is presented an algorithm to form synthetic apertures and compensate the defocusing and other aspects that are produced by the motion of the system. Firstly, the system it is assuming the Stop and Go assumption. Finally, the algorithm generates the raw data and the SAR image without assuming Stop and Go.La combinación de la tecnología de onda continúa modulada en frecuencia (FMCW, por sus siglas en inglés) y la tecnología de radar de apertura sintética (SAR, por sus siglas en inglés) conduce a un sensor de alta resolución, liviano y económico. Una limitación para el uso de sensores FMCW es la presencia conocida de no linealidades en la señal transmitida. Por otro lado, contrasta cuando el sistema está diseñado para aplicaciones de largo alcance de alta resolución, como es el caso de SAR. Hay muchos algoritmos para implementar la formación de imágenes SAR, pero en este caso el sistema se coloca en un UAV (sistema UPC ARBRES). La gran dinámica y las características de inestabilidad de los aviones no tripulados UAV producen gran desenfoque y pérdida de detalle en las imágenes de SAR. En este proyecto se presenta un algoritmo para formar aberturas sintéticas y compensar el desenfoque y otros aspectos que son producidos por el movimiento del sistema. En primer lugar, el sistema está asumiendo el supuesto de Stop and Go. Finalmente, el algoritmo genera los datos y la imagen SAR sin asumir Stop and Go.La combinació de la tecnologia d'ona continua modulada en freqüència (FMCW, per les seves sigles en anglès) i la tecnologia de radar d'obertura sintètica (SAR, per les seves sigles en anglès) condueix a un sensor d'alta resolució, lleuger i econòmic. Una limitació per a l'ús de sensors FMCW és la presència coneguda de no-liníalitats en el senyal transmès. D'altra banda, contrasta quan el sistema està dissenyat per a aplicacions de llarg abast d'alta resolució, com és el cas de SAR. Hi ha molts algorismes per implementar la formació d'imatges SAR, però en aquest cas el sistema es col·loca en un UAV (sistema UPC *ARBRES). La gran dinàmica i les característiques d'inestabilitat dels avions no tripulats UAV produeixen gran desenfoqui i pèrdua de detall en les imatges SAR. En aquest projecte es presenta un algorisme per formar obertures sintètiques i compensar el desenfoqui i altres aspectes que són produïts pel moviment del sistema. En primer lloc, el sistema està assumint el supòsit de Stop and Go. Finalment, l'algorisme genera les dades i la imatge *SAR sense assumir Stop and Go

Descripció i simulació d'operacions de càrrega i descàrrega per l'estudi de l'estabilitat i esforços en el model lchs 5000 lcc tanker del simulador (store tanks)

Aquest treball té com a objectiu dur a terme una anàlisi en profunditat del nou simulador de càrregues líquides de la facultat de nàutica de barcelona, lchs 5000 lcc tanker com a eina per a l’estudi de l’estabilitat i els esforços d’un vaixell mitjançant l’ús dels tancs d’emmagatzematge (store tanks). en el primer apartat es fa una descripció detallada dels diferents tancs d’emmagatzematge que s`estudiaran en aquest treball. Seguidament, es fa una breu introducció al simulador, les seves pantalles i funcionalitats. un cop ja descrits tots els seus apartats procedirem a explicar el procediment de com dur a terme, pas a pas, diferents escenaris: operativa de llast, tant de càrrega com de descàrrega així amb tractament d`aigües de llast. finalment, en l`últim apartat farem una breu anàlisi, a mode d’exemple, de com varia l`estabilitat transversal i els esforços del vaixell durant el procés de càrrega d`un dels seus tancs de llast. I ja per acabar, en l`apartat de conclusions es discutirà la utilitat del simulador càrregues líquides com a eina per estudiar l’estabilitat i els esforços d’un vaixell

Efficient SAR MTI simulator of marine scenes

Tècniques de detecció de moviment amb radars d'apertura sintètica multicanals sobre escenaris marítims.[ANGLÈS] Multichannel spaceborne and airborne synthetic aperture radars (SAR) offer the opportunity to monitor maritime traffic through specially designed instruments and applying a suitable signal processing in order to reject sea surface clutter. These processing techniques are known as Moving Target Indication techniques (MTI) and the choice of the most adequate method depends on the radar system and operating environment. In maritime scenes the seas presents a complicated clutter whose temporal/spatial coherence models and background reflectivity depends on a large number of factors and are still subject of research. Moreover the targets kinematics are influenced by the sea conditions, producing in some situations high alterations in the imaged target. These aspects make difficult the detectability analysis of vessels in maritime scenarios, requiring both theoretical models and numerical simulations. This thesis looks into the few available MTI techniques and deals experimentally with them in a developed simulator for maritime SAR images. The results are also presented in a image format, giving the sequence for one trial simulation and the asymptotic probability of detection for the simulated conditions.[CASTELLÀ] Los radares de apertura sintética (SAR) multicanal a bordo de satélites o plataformas aerotransportadas ofrecen la oportunidad de monitorizar el tráfico marítimo a través de instrumentos especialmente diseñados y procesando los datos recibidos de forma adecuada para rechazar la señal provocada por la reflexión del mar. A estas técnicas se las conoce como Moving Target Indication techniques (MTI) y la elección de la más adecuada depende del sistema y del entorno de aplicación. En escenarios marinos, el mar presenta un clutter complicado de modelar, cuya coherencia espacio-temporal y reflectividad radar dependen de un gran número de factores que hoy en día todavía siguen siendo investigados. Por otra parte los parámetros dinámicos del target estan influenciados por las condiciones del mar, produciendo en algunas situaciones graves alteraciones en la formación de la imagen. Estos aspectos dificultan el análisis de la detección de las embarcaciones, requiriendo modelos teóricos y simulaciones numéricas. Este Proyecto Final de Carrera investiga las técnicas MTI disponibles, aplicándolas sobre las imágenes marítimas generadas por un simulador SAR. Los resultados son la generación de los productos MTI en formato imagen y el cálculo de la probabilidad de detección para cada target.[CATALÀ] Els radars d'obertura sintètica (SAR) multicanal embarcats en satèl·lits o plataformes aerotransportades ofereixen l'oportunitat de monitoritzar el tràfic marítim a través d'instruments especialment dissenyats i processant les dades rebudes de forma adequada per rebutjar la senyal provocada per la reflexió del mar. A aquestes tècniques se les coneix com Moving Target indication techniques (MTI) i l'elecció de la més adequada depèn del sistema i de l'entorn d'aplicació. En escenaris marins, el mar presenta un clutter complicat de modelar, la coherència espai-temporal i reflectivitat radar depenen d'un gran nombre de factors que avui dia encara segueixen sent investigats. D'altra banda els paràmetres dinàmics del target estan influenciats per les condicions de la mar, produint en algunes situacions greus alteracions en la formació de la imatge. Aquests aspectes dificulten l'anàlisi de la detecció de les embarcacions, requerint models teòrics i simulacions numèriques. Aquest Projecte Final de Carrera investiga les tècniques MTI disponibles, aplicant-les sobre les imatges marítimes generades per un simulador SAR. Els resultats són la generació dels productes MTI en format imatge i el càlcul de la probabilitat asimptòtica de detecció per a cada target

Recerca de noves aplicacions de dades satel·litals. Anàlisi i projecció de dades en una plataforma física de gestió de riscos (HAToM). En l'àmbit de la Vall de Ruda

Aquest treball acadèmic de final de màster descriu els processos i resultats, dins del camp de la teledetecció i prevenció de riscs, desenvolupats en el projecte HAToM, durant l'estada de pràctiques a l'empresa Tinkerers Lab S.L. El projecte se centra en la recerca i anàlisi de dades geoespacials per a la seva projecció en un model topogràfic 3D físic. L'estudi es realitza en l'àmbit de la Vall de Ruda, a la Vall d'Aran, i es focalitza en el seguiment i la visualització de les cobertes nevades i dels episodis d'allaus. D'aquesta manera es pretén incorporar nova informació a la plataforma HAToM per tal de millorar els seus serveis en matèria de divulgació, prevenció de riscs i gestió del territori en zones alpines i subalpines. Per elaborar aquesta informació, per una banda, es fan servir imatges satèl·lit de Landsat (USA) i de Sentinel (EU) i per l'altra banda informació d'allaus de l'Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya.Este trabajo académico de final de máster describe los procesos y resultados, dentro del campo de la teledetección y prevención de riesgos, desarrollados en el proyecto HAToM, durante la estada de prácticas en la empresa Tinkerers Lab S.L. El proyecto se centra en la investigación y análisis de datos geoespaciales para su proyección en un modelo topográfico 3D físico. El estudio se realiza en el ámbito del valle de Ruda en la Vall d'Aran, y se focaliza en el seguimiento y visualización de las cubiertas nevadas i de los episodios de aludes. De esta forma se pretende incorporar nueva información a la plataforma HAToM para mejorar sus servicios en materia de divulgación, prevención de riesgos y gestión del territorio en zonas alpinas y subalpinas. Para elaborar esta información, por un lado, se usan imágenes satélite de Landsat (USA) y Sentinel (EU) y por el otro lado información de aludes del Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya.This academic Master's thesis describes the processes and results within the field of remote sensing and risk prevention, and was developed in the HAToM project during the course of an internship at Tinkerers Lab S.L. The project focuses on research and analysis of geospatial data for its projection onto a 3D topographic model. The study case is carried out in Ruda's valley, in Vall d'Aran, and is focused on following and viewing snowy covers and avalanches. In this sense, the focus of this project is to include new information on the HAToM platform in order to improve their services in terms of disclosure, risk prevention and territory management in alpine and subalpine zones. To elaborate this information, Landsat (USA) and Sentinel (EU) satellite images are used, as well as avalanche information obtained from the Cartographic and Geologic Institute of Catalonia

Utilització de dades InSAR per a l'estudi de l'efecte de la sobrexplotació d'aqüífers en la subsidència del terreny

El control dels nivells piezomètrics, per tant saber quanta aigua tenim als aqüífers, sempre és una necessitat, en aquest moment a Catalunya es calcula mitjançant piezòmetres, en pous concrets. Per poder controlar, el nivell piezomètric de la zona, existeix la metodologia InSAR, que en prendre les dades mitjançant satèl·lits, és una metodologia més simple per adquirir dades. Amb aquest projecte es du a terme una comparació entre les dades obtingudes mitjançant la piezometria i les que ens dona els satèl·lits InSAR. Donat que aquesta segona tècnica fa un mapeig de tota la zona d’estudi aportant molta més informació de la, però requereix una validació a través del a comparativa. Sabent prèviament que les dades obtingudes pel satèl·lit mai seran tan precises com les dels piezòmetres. Ara bé, les dades InSAR son molt més fàcils d’obtenir que les dels piezòmetres i per tant ens pot ser útil si les dades InSAR ens serveixen com a indicador de l’evolució del nivell. L’àmbit d’estudi d’aquest treball se situarà en dues zones de Catalunya; al Nord, on analitzarem les zones alimentades principalment pels rius Onyar, i al Sud, definida en gran part pel Francolí. Un cop comparades les dades intentarem delimitar les zones més perilloses. Totes les dades que hem obtingut s’han estat facilitades per l'Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya. Pel que fa a les dades piezomètriques, provenen de l’Agència Catalana de l’Aigua.El control de los niveles piezométricos, por lo tanto saber cuánta agua tenemos a los acuíferos, siempre es una necesidad, en este momento en Cataluña se calcula mediante piezómetros, en pozos concretos. Para poder controlar, el nivel piezométrico de la zona, existe la metodología InSAR, que al tomar los datos mediante satélites, es una metodología más simple para adquirir datos. Con este proyecto se lleva a cabo una comparación entre los datos obtenidos mediante la piezometría y las que nos da los satélites InSAR. Dado que esta segunda técnica hace un mapeo de toda la zona de estudio aportante mucha más información de la, pero requiere una validación a través del a comparativa. A sabiendas de previamente que los datos obtenidos por el satélite nunca serán tan precisas como las de los piezómetros. Ahora bien, los datos InSAR sueño mucho más fáciles de obtener que las de los piezómetros y por tanto nos puede ser útil si los datos InSAR nos sirven como indicador de la evolución del nivel. El ámbito de estudio de este trabajo se situará en dos zonas de Cataluña; en el Norte, donde analizaremos las zonas alimentadas principalmente por los ríos Onyar, y en el Sur, definida en gran parte por el Francolí. Una vez comparadas los datos intentaremos delimitar las zonas más peligrosas. Todos los datos que hemos obtenido se han sido facilitadas por el Instituto Cartográfico y Geológico de Cataluña. En cuanto a los datos piezométricos, provienen de la Agencia Catalana del agua.Piezomètric level control, or measuring the water found inside aquifers, it's always a requirement. Currently, it can be calculated in Catalonia by measuring the piezometers of very specific water wells. However, the biggest issue we can encounter is low subsidence levels. In order to control the piezometric level as well as subsidence in the area, we can use the InSAR methodology which collects data using satellites. This kind of methodology is more effective than measuring wells the traditional way since the area of research is increased from the original control point. The main aim of this project is to compare both the piezometric data and InSAR Satellite data to find if the satellite data can be as efficient as its piezometric counterpart given that it covers a broader area and the results are easier to obtain. Field research will be performed in two areas of Catalonia. The first one, up north where we will analyze areas mainly fed from the following rivers: Onyar and Ter. The second area will be south of Catalonia, mainly near the Francolí river and all its tributaries. Once we have compared the data, we'll isolate the most hazardous zones by applying UCGS Calculations. Every InSAR data between 26th of December 2016 and 27th of December 2017 used has been granted to us by l'Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya. Regarding piezometric data, we collected data between 2007 and 2021 from l’Agència Catalana de l’Aigua

Geosynchronous synthetic aperture radar for Earth continuous observation missions

This thesis belongs to the field of remote sensing, particularly Synthetic Aperture Radar (SAR) systems from the space. These systems acquire the signals along the orbital track of one or more satellites where the transmitter and receiver are mounted, and coherently process the echoes in order to form the synthetic aperture. So, high resolution images can be obtained without using large arrays of antennas. The study presented in this thesis is centred in a novel concept in SAR, which is known as Geosynchronous SAR or GEOSAR, where the transmitter and/or receiver are placed in a platform in a geostationary orbit. In this case, the small relative motions between the satellite and the Earth surface are taken to get the necessary motion to form the synthetic aperture and focus the image. The main advantage of these systems with respect to the current technology (where LEO satellites with lower height are considered) is the possibility of permanently acquire images from the same region thanks to the small motion of the platform. Therefore, the different possibilities in the orbital design that offer this novel technology as well as the geometric resolutions obtained in the final image have been firstly studied. However, the use of geosynchronous satellites as illuminators results in slant ranges between 35.000-38.000 Km, which are much higher than the typical values obtained in LEOSAR, under 1.000 Km. Fortunately, the slow motion of the satellite makes possible large integration of pulses during minutes or even hours, reaching Signal-to-Noise Ratio (SNR) levels in the order of LEO acquisitions without using high transmitted power or large antennas. Moreover, such large integration times, increases the length of the synthetic aperture to get the desired geometric resolutions of the image (in the order of a few meters or kilometres depending on the application). On the other hand, the use of long integration time presents some drawbacks such as the scene targets decorrelation, atmospheric artefacts due to the refraction index variations in the tropospheric layer, transmitter and receiver clock jitter, clutter decorrelation or orbital positioning errors; which will affect the correct focusing of the image. For this reason, a detailed theoretical study is presented in the thesis in order to characterize and model these artefacts. Several simulations have been performed in order to see their effects on the final images. Some techniques and algorithms to track and remove these errors from the focused image are presented and the improvement of the final focused image is analysed. Additionally, the real data from a GB-SAR (Ground-Based SAR) have been reused to simulate a long integration time acquisition and see the effects in the image focusing as well as to check the performance of compensation algorithms in the final image. Finally, a ground receiver to reuse signals of opportunity from a broadcasting satellite have been designed and manufactured. This hardware is expected to be an important tool for experimental testing in future GEOSAR analysis.Aquesta tesi s'emmarca dins de l'àmbit de la teledetecció, en particular, en els sistemes coneguts com a radar d'obertura sintètica (SAR en anglès) des de l'espai. Aquests sistemes adquireixen senyal al llarg de l'òrbita d'un o més satèl·lits on estan situats el transmissor i el receptor, i processa els ecos de forma coherent per a formar l'obertura sintètica. D'aquesta manera es poden aconseguir imatge d'alta resolució sense la necessitat d'emprar un array d'antenes molt gran. El treball realitzat en aquest estudi es centra en un nou concepte dins del món SAR que consisteix en l'ús de satèl·lits en òrbita geostacionària per a l'adquisició d'imatges, sistemes coneguts com a Geosynchronous SAR o GEOSAR. En aquest cas, els petits moviments relatius dels satèl·lits respecte de la superfície terrestre s'empren per a aconseguir el desplaçament necessari per a formar l'obertura sintètica i així obtenir la imatge. El principal avantatge d'aquests sistemes respecte a la tecnologia actual (on s'utilitzen satèl·lits en orbites més baixes LEO) és la possibilitat d'adquirir imatges d'una mateixa zona de forma permanent gràcies als petits desplaçaments del satèl·lit. Així doncs, en aquesta tesi s'estudien les diferents possibilitats en el disseny orbital que ofereixen aquests sistemes així com les resolucions d'imatge que s'obtindrien. Tot i així, l'ús de satèl·lits en òrbita geoestacionària, resulta en una distància entre el transmissor/receptor i l'escena entre 35000-38000 Km, molt més gran que les distàncies típiques en els sistemes LEO per sota dels 1000 Km. Tot i així, el moviment lent de les plataformes geostacionàries fa possible la integració de polsos durant minuts o hores, arribant a nivells acceptables de relació senyal a soroll (SNR) sense necessitat d'utilitzar potències transmeses i antenes massa grans. A més a més, aquesta llarga integració també permet assolir unes longituds d'obertura sintètica adients per a arribar a resolucions d'imatge desitjades (de l'ordre de pocs metres o kilòmetres segons l'aplicació). Malgrat això, l'ús de temps d'integració llargs té una sèrie d'inconvenients com poden ser la decorrelació dels blancs de l'escena, l'aparició d'artefactes atmosfèrics deguts als canvis d'índex de refracció en la troposfera, derives dels rellotges del transmissor i receptor, decorrelació del clutter o errors en el posicionament orbital, que poden afectar la correcta focalització de la imatge. Així doncs, en la tesi s'ha fet un detallat estudi teòric d'aquests problemes per tal de modelitzar-los i posteriorment s'han realitzat diverses simulacions per veure els seus efectes en una imatge. Diverses tècniques per a compensar aquests errors i millorar la qualitat de la imatge també s'han estudiat al llarg de la tesi. Per altra banda, dades reals d'un GB-SAR (SAR en una base terrestre) s'han reutilitzat per adaptar-les a una possible adquisició de llarga durada i veure així de forma experimental com afecta la llarga integració en les imatges i com millora l'enfocament després d'aplicar els algoritmes de compensació. Per últim, en la tesi es presenta un sistema receptor terrestre per a poder realitzar un anàlisi experimental del cas GEOSAR utilitzant un il·luminador d'oportunitat. Els primers passos en el disseny i la fabricació del hardware també es presenten en aquesta tes

A hydrogeological approach in urban underground infrastructures

The competition for space in urban areas due to an exponential growth of population makes derground engineering plays a crucial role in the development of cities. Urban underground infrastructures deal with variables such as cost, duration, safety, and management; faces political, social, economic and environmental issues; and guarantees future sustainability, maintenance, and energy efficiency. To do so, all these concepts and variables must be kept in mind during the whole construction process: (I) project design, (II) project construction and (III) project exploitation. This thesis aims to demonstrate how the construction cycle deals with the various impacts produced by the interaction of underground constructions with groundwater at each stage of the process, with a view to providing improved processes. During the project design previous data is collected, new data is generated, created and processed, helping to understand the context and to design the infrastructure. There are very advanced tools to store and process hydrogeological data, but most of these tools are not common in infrastructure projects. Often most of the constructions only perform the minimum legal requirement to characterize the ground: a pumping test. Therefore, there is a need to provide the constructors with a set of methods and tools to allow them to increase the quality of their hydrogeological analysis, which will allow early detection problems associated with the groundwater. The interaction of underground constructions with groundwater generates impacts. These impacts can usually be minimized by using mitigation measures. The most common impacts caused by underground constructions are the groundwater barrier effect and the groundwater pressure distribution and limitation under the bottom slab. In the literature there are many examples and designs to mitigate both groundwater barrier effect and groundwater pressure distribution impacts. However, there is no design that integrates both solutions. This thesis presents an innovative groundwater by-pass design that enables the groundwater to flow through the structure and provide a homogenous distribution of the water pressure under the bottom slab. The new integrated design was applied to the largest underground infrastructure of Barcelona: La Sagrera railway station. A hydrogeological model was implemented to test the original and the integrated designs in three different scenarios. This new solution mitigates the groundwater barrier effect and optimizes the bottom slab, considerably reducing the costs and increasing safety during the construction phase. Monitoring is required when dewatering underground constructions in order to anticipate unexpected events and preserve nearby existing structures. The most accurate and spread monitoring method to measure displacements is levelling, a pointlike surveying technique that typically allows for tens of discrete in-situ sub-millimetric measurements per squared kilometer. Another emerging technique for mapping soil deformation is the Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), which is based on SAR images acquired from orbiting satellites or by ground-based stations (GB-SAR). This remote sensing technique can provide better spatial point density than levelling, more extensive spatial coverage and cheaper acquisitions. Both satellite and ground-based SAR systems have been used and tested in a variety of analyses. However, nobody has applied this technology as a monitoring tool during construction works yet. This thesis contributes to data storing and data analysis software that implies new and significant method developments for increasing the quality of the hydrogeological analysis; it provides new approaches to address the groundwater corrective measures definition during the design stage, and it develops and applies new methods of nfrastructure monitoring using ground-based and satellite SAR sensors during the construction stage.Degut al creixement exponencial de la població i tenint en compte que l'espai dins les àrees urbanes és finit és, necessari la construcció d'infraestructures subterrànies. Variables com el cost, la durada, la seguretat i la gestió; els problemes polítics, socials, econòmics i ambientals; garantir la sostenibilitat futura, el manteniment i l'eficiència energètica, han d'estar presents durant totes les fases del procés constructiu: (I) fase de disseny, (II) fase de construcció, i (III) fase d'explotació. Les construccions subterrànies interactuen amb el medi subterrani, el resultat de la interacció són uns impactes en la construcció i en el medi ambient. Tots aquests impactes són avaluats al llarg del procés constructiu per tal de ser corregits o minimitzats. L'objectiu principal d'aquesta tesi és conèixer com s'avaluen els diferents impactes a cadascuna de les fas es del procés constructiu per poder així proposar millores. Durant el disseny del projecte i per tal d'entendre el context i el disseny de la infraestructura es recullen dades històriques i es generen noves dades . L'ús de la majoria d'eines hidrogeològiques no és habitual en els projectes d'infraestructures ja que la majoria caracteritzen el terreny amb una prova de bombament. Per tant, és necessari proporcionar als constructors un conjunt de mètodes i d'eines que permetin augmentar la qualitat dels seus anàlisis, per augmentar així la detecció primerenca de problemes associats a les aigües subterrànies. Els impactes produïts per la interacció de les construccions subterrànies amb les aigües subterrànies es poden minimitzar mitjançant l'ús de mesures de mitigació. Els impactes més comuns causats per construccions subterrànies són l'efecte barrera i la distribució i limitació de subpressions sota la llosa de fons. A la literatura hi ha molts dissenys que permeten mitigar l'efecte barrera i millorar la distribució de les subpressions, però no hi ha cap disseny que integri les dues solucions. Aquesta tesi presenta un disseny innovador per bypassar les aigües subterrànies a través de l'estructura proporcionant una distribució homogènia de les subpressions sota la llosa de fons. Aquesta nova solució minimitza l'efecte barrera de les aigües subterrànies i optimitza la llosa de fons, reduint considerablement els costos i augmentant la seguretat durant la fase de construcció. Quan una construcció rebaixa el nivell freàtic cal auscultar els nivells i la deformació del terreny per tal d'anticipar esdeveniments inesperats i preservar les estructures properes existents. El mètode actual més utilitzat per mesurar desplaçaments és l'anivellament, que permet avaluar in situ desenes de punts discrets amb una precisi ó submil·limètrica. Una tècnica emergent és el Radar d'Obertura Sintètica Interferomètrica (InSAR), que es basa en imatges SAR adquirides des de satèl·lits en òrbita o bé des d'estacions al terra (GB-SAR). Aquesta tècnica de detecció remota proporciona una major cobertura espacial i més econòmica que els mètodes d'auscultació tradicionals. Tot i que la tecnologia SAR s'ha utilitzat i validat en una gran varietat d'anàlisis, ningú ha aplicat encara aquesta tecnologia com a eina d'auscultació durant la construcció d'infraestructures. Aquesta tesi contribueix a: (I) millorar l'emmagatzematge i processament de dades a través de nous desenvolupaments i mètodes que permeten augmentar la qualitat de l'anàlisi hidrogeològica; (II) oferir noves formes d'anàlisi per al disseny de mesures correctores durant l'etapa de disseny; i (III) desenvolupar i aplicar nous mètodes d'auscultació d'infraestructura a través de sensors SAR (terrestres i satèl·lit) durant la fase constructiva.La limitación de espacio en áreas urbanas junto al crecimiento exponencial de la población, hace necesaria la construcción de infraestructuras subterráneas. Nuevos conceptos en planificación urbana junto con los avances tecnológicos en la construcción hacen posible la ejecución de infraestructuras más grandes y de más eficiencia. No obstante, variables tales como el coste, la duración, la seguridad y la gestión; los problemas políticos, sociales, económicos y ambientales; y garantizar la sostenibilidad futura, el mantenimiento y la eficiencia energética, hacen de esta ejecución un problema complejo. Por ello, todas estas variables deben estar presentes durante todo el proceso constructivo: (I) diseño del proyecto, (II) construcción del proyecto y (III) explotación del proyecto. Esta tesis tiene como objetivo principal saber cómo el ciclo constructivo (diseño del proyecto, construcción y explotación de proyectos) procesa las problemáticas inducidas por la interacción de las nuevas infraestructuras subterráneas urbanas con las aguas subterráneas para luego mejorarlo. Durante el diseño del proyecto (fase I) se recogen los datos históricos, se generan nuevos datos (pozos, pruebas de campo, muestras químicas ...) y se procesa conjuntamente, lo que ayuda a entender el contexto y el diseño de la infraestructura. Existen herramientas muy avanzadas para almacenar y procesar información geológica, hidroquímica e hidrogeológica, aunque la mayoría de estas herramientas no son comunes en los proyectos de infraestructuras subterráneas ya que es común que la mayoría de las construcciones sólo se realice una prueba de bombeo para caracterizar el subsuelo. Por lo tanto, hay una necesidad de proporcionar un conjunto de métodos y de herramientas a los constructores para que puedan aumentar la calidad de su análisis (como pruebas de bombeo), para aumentar así la detección temprana de problemas asociados a las aguas subterráneas. La interacción de las construcciones subterráneas con las aguas subterráneas genera impactos. Estos impactos generalmente pueden minimizarse mediante el uso de medidas correctoras. Los impactos más comunes causados por las construcciones subterráneas son el efecto barrera (impacto en las aguas subterráneas) y la distribución y limitación de subpresiones bajo la losa de fondo (impacto en la construcción subterránea). En la literatura hay muchos ejemplos de diseños para mitigar tanto el efecto barrera y como para mejorar la distribución de las subpresiones bajo la losa de fondo. Sin embargo, no hay ningún diseño que integre ambas soluciones. Es ilógico diseñar una medida correctora sin tener en cuenta todos los factores que intervienen en el problema. Esta tesis presenta un diseño innovador de by-pass para las aguas subterráneas que permite el flujo de agua subterránea a través de la estructura a la vez que proporciona una distribución homogénea de las subpresiones bajo la losa de fondo. El nuevo diseño se ha aplicado en la infraestructura subterránea más grande de Barcelona: la futura estación de tren de La Sagrera. Se ha realizado un modelo hidrogeológico para probar los nuevos diseños en tres escenarios diferentes. Esta nueva solución mitiga el efecto barrera de las aguas subterráneas y optimiza la losa de fondo, lo que reduce considerablemente los costes y aumenta la seguridad durante la fase de construcción. Durante la construcción (fase II) se genera una gran cantidad de nuevos datos. Es necesario auscultar los niveles y la deformación del terreno cuando una construcción rebaja el freático con el fin de anticiparse a acontecimientos inesperados y a preservar las estructuras y / o edificios cercanos existentes. El método actual más usado para medir desplazamientos en el terreno es la nivelación, una técnica que permite evaluar in situ decenas de puntos discretos con una precisión sub-milimétrica. Una técnica emergente para medir la deformación del suelo es el Radar de Apertura Sintética Interferométrica (InSAR), que se basa en imágenes SAR adquiridas o bien desde satélites en órbita o bien desde estaciones en tierra (GB-SAR). Esta técnica de detección remota proporciona una mayor cobertura espacial y más barata que los métodos de auscultación tradicionales. Aunque la tecnología SAR se ha utilizado y validado en una gran variedad de análisis, nadie ha aplicado esta tecnología como una herramienta de auscultación durante la construcción de infraestructuras. Esta tesis contribuye a mejorar el almacenamiento y tratamiento de datos a través de nuevos desarrollos y métodos que permiten aumentar la calidad del análisis hidrogeológico; ofrece nuevas formas de análisis para el diseño de medidas correctoras durante la etapa de diseño; y desarrolla y aplica nuevos métodos de auscultación de infraestructura a través de sensores SAR (terrestres y satélite) durante la fase constructiv

Design and implementation of an SDR-based multi-frequency ground-based SAR system

Synthetic Aperture Radar (SAR) has proven a valuable tool in the monitoring of the Earth, either at a global or local scales. SAR is a coherent radar system able to image extended areas with high resolution, and finds applications in many areas such as forestry, agriculture, mining, structure inspection or security operations. Although space-borne SAR systems can image extended areas, their main limitation is the long revisit times, which are not suitable for applications where the target experiments rapid changes, in the scale of minutes to few days. GBSAR systems have proven useful to fill this revisit time gap by imaging relatively small areas continuously, with extensions usually smaller than a few square kilometers. Ground Based SAR (GBSAR) systems have been used extensively for the monitoring of slope instability, and are a common tool in the mining sector. The development of the GBSAR is relatively recent, and various developments have taken place since the 2000s, transitioning from the usage of Vector Network Analyzers (VNAs) to custom radar cores tailored for this application. This transition is accompanied by a reduction in cost, but at the same time is accompanied by a loss of operational flexibility. Specifically, most GBSAR sensors now operate at a single frequency, losing the value of the multi-band operation that VNAs provided. This work is motivated by the idea that it is worth to use the value of multi-frequency GBSAR measurements, while maintaining a limited system cost. In order to implement a GBSAR with these characteristics, it is realized that Software Defined Radio (SDR) devices are a good option for fast and flexible implementation of broadband transceivers. This thesis details the design and implementation process of an SDR-based Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) GBSAR system from the ground up, presenting the main issues related with the usage of the most common SDR analog architecture, the Zero-IF transceiver. The main problem is determined to be the behavior of spurs related to IQ imbalances of the analog transceiver with the FMCW demodulation process. Two effective techniques to overcome these issues, the Super Spatial Variant Apodization (SSVA) and the Short Time Fourier Transform (STFT) signal reconstruction techniques, are implemented and tested. The thesis also deals with the digital implementation of the signal generator and digital receiver, which are implemented on top of an RF Network-on-Chip (RFNoC) architecture in the SDR Field Programmable Gate Array (FPGA). Another important aspect of this work is the development of an radiofrequency front-end that extends the capabilities of the SDR, implementing filtering, amplification, leakage mitigation and up-conversion to X-band. Finally, a set of test campaigns is described, in which the operation of the system is verified and the value of multi-frequency GBSAR observations is shown.El radar d'obertura sintètica (SAR) ha demostrat ser una eina valuosa en el monitoratge de la Terra, sigui a escala global o local. El SAR és un sistema de radar coherent capaç d’obtenir imatges de zones extenses amb alta resolució i té aplicacions en moltes àrees com la silvicultura, l’agricultura, la mineria, la inspecció d’estructures o les operacions de seguretat. Tot i que els sistemes SAR embarcats en plataformes orbitals poden obtenir imatges d'àrees extenses, la seva principal limitació és el temps de revisita, que no són adequats per a aplicacions on l'objectiu experimenta canvis ràpids, en una escala de minuts a pocs dies. Els sistemes GBSAR han demostrat ser útils per omplir aquesta bretxa de temps, obtenint imatges d'àrees relativament petites de manera contínua, amb extensions generalment inferiors a uns pocs quilòmetres quadrats. Els sistemes SAR terrestres (GBSAR) s’han utilitzat àmpliament per al control de la inestabilitat de talussos i esllavissades i són una eina comuna al sector miner. El desenvolupament del GBSAR és relativament recent i s’han produït diversos desenvolupaments des de la dècada de 2000, passant de l’ús d’analitzadors de xarxes vectorials (VNA) a nuclis de radar personalitzats i adaptats a aquesta aplicació. Aquesta transició s’acompanya d’una reducció del cost, però al mateix temps d’una pèrdua de flexibilitat operativa. Concretament, la majoria dels sensors GBSAR funcionen a una única freqüència, perdent el valor de l’operació en múltiples bandes que proporcionaven els VNA. Aquesta tesi està motivada per la idea de recuperar el valor de les mesures GBSAR multifreqüència, mantenint un cost del sistema limitat. Per tal d’implementar un GBSAR amb aquestes característiques, s’adona que els dispositius de ràdio definida per software (SDR) són una bona opció per a la implementació ràpida i flexible dels transceptors de banda ampla. Aquesta tesi detalla el procés de disseny i implementació d’un sistema GBSAR d’ona contínua modulada en freqüència (FMCW) basat en la tecnologia SDR, presentant els principals problemes relacionats amb l’ús de l’arquitectura analògica de SDR més comuna, el transceptor Zero-IF. Es determina que el problema principal és el comportament dels espuris relacionats amb el balanç de les cadenes de fase i quadratura del transceptor analògic amb el procés de desmodulació FMCW. S’implementen i comproven dues tècniques efectives per minimitzar aquests problemes basades en la reconstrucció de la senyal contaminada per espuris: la tècnica anomenada Super Spatial Variant Apodization (SSVA) i una tècnica basada en la transformada de Fourier amb finestra (STFT). La tesi també tracta la implementació digital del generador de senyal i del receptor digital, que s’implementen sobre una arquitectura RF Network-on-Chip (RFNoC). Un altre aspecte important d’aquesta tesi és el desenvolupament d’un front-end de radiofreqüència que amplia les capacitats de la SDR, implementant filtratge, amplificació, millora de l'aïllament entre transmissió i recepció i conversió a banda X. Finalment, es descriu un conjunt de campanyes de prova en què es verifica el funcionament del sistema i es mostra el valor de les observacions GBSAR multifreqüència

Anàlisi i implementació de tècniques de formació d'imatge i localització UWB

En aquest treball s'han desenvolupat els conceptes de formació d'imatge amb microones, més conegut amb el terme anglès Imaging i la Localització. Aquests dos termes fan referència a la utilització de microones (radiació electromagnètica des de 300 MHz fins a 300 GHz) per obtenir alguna informació d'un objecte situat a una distància curta. Imaging i Localització s'han desenvolupat àmpliament utilitzant senyals de banda estreta, però no ha estat fins els últims temps, que s'ha contemplat la possibilitat d'utilitzar senyals multifreqüència o de banda molt ampla, anomenats Ultra-WideBand. Aquesta idea obre un ventall de noves funcionalitats i ofereix la possibilitat de millorar les prestacions que s'obtenien amb una sola freqüència