historias con arreglos de sensores - acaingpba.org.aracaingpba.org.ar/arreglos de sensores.pdf ·...

Academia de Ingeniería de la Provincia de Buenos Aires 18 de Mayo de 2017 1 Carlos H. Muravchik

Academia de Ingeniería de la Provincia de Buenos Aires

Historias con Arreglos de Sensores

Carlos H. Muravchik

LEICI Instituto de Investigaciones

en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales


¡A Jorge Agüero!


Agradecimientos

Instituciones

Profesores

Colegas

Becarios

Estudiantes

18 de Mayo de 2017 3 Carlos H. Muravchik

… y mi familia!


Contenido


Generalidades

Fundamentos

Historia

Nuestros arreglos históricos

Nuestros arreglos modernos EEG

Radar

Reflectometría


Generalidades



Qué son Arreglos de Sensores?

Arreglos…?

No! Arreglos de Sensores

Línea de geófonos (prospección sísmica) 1er arreglo de radar de estado

sólido en Pave Paws UHF array

Arreglo de NASA de antenas en Nueva México


Qué es?

• Sensores

Dispositivos capaces de medir una magnitud física.

Ej: antenas, electrodos, micrófonos, fotodiodos

• Arreglos

Conjunto de sensores combinados entre sí (mezcla con pesos individuales) para medir una magnitud

También hay Arreglos de Actuadores donde se combinan generadores de una magnitud física


Por qué?

Para mejorar alguna característica de los sensores

• Distintas ubicaciones; distintos puntos de vista. Reducen la no-unicidad del problema inverso (EEG, GG)

• Dirección de arribos (Radar, EEG…)

• Tiempo de arribo (Fugas en poliductos)

• Fuentes múltiples de la magnitud observada y su separación (EEG, Radar…)

• Propiedades del camino entre fuente y arreglo (EIT, Radar)

• Mayor número de sensores, más información, mejor estimación (EEG, Radar)

¡Un arreglo vale más que 1000 sensores! 18 de Mayo de 2017 8 Carlos H. Muravchik


Fundamentos


Ideas básicas


S(t)

Banda angosta, M-antenas, K-fuentes:

Vector con Mediciones

(Mx1)

Vector con fuentes

(Kx1) Vector con

ruidos (Mx1)

Matriz del arreglo (MxK)

A estimar: • Θ

• Intensidad de N(t)

• Parámetros de S(t)


Más principios

Patrón de radiación (b. angosta)

Arreglo Lineal Uniforme M=10, d=λ/2

Lóbulos secundarios


Modificar el patrón de radiación

Beamformer o filtro espacial

Arreglo transmisor


Aún más…

Ruidos, interferencias, multicamino

e incertidumbres

procesos estocásticos

Desempeño o calidad (performance): Cota de Cramér-Rao (CRB)


• Var como indicador de calidad

• Cota universal para “cualquier” estimador insesgado

• “cualquier”: hay ciertas hipótesis

• SNR

CRB se calcula con la distribución de probabilidades asociada a los parámetros ϴ a estimar


Una Breve historia de los arreglos de sensores



Historia - Personal

12 años de becario!

• De la pesca de la anchoíta

a los filtros digitales

• Doctorando (SU) a red de

sensores distribuidos

• CNEA y por fin UNLP


1977 Parlocha


Historia de arreglos de sensores


Arreglo acústico de

Sensores para detectar aviones enemigos.

Utilizado por Francia en la

Guerra Mundial I (~1916)

Jean Perrin, Premio

Nobel de Física (1925)

(no por esto)




H.T. Friis (1925)

Arreglo de dos antenas “loop” (diám 1.76m) separadas 34.4m

operando a más de 500KHz



Antena Yagi o arreglo de Yagi-Uda (1920’s)


Parte del Chain Home Radar system en Isla de Man, UK. Operaba en 20 a 30MHz (1935 a 1940)


Y más…


British Post Office 1927: buscando radioaficionados díscolos

Onda corta (Radio Suecia): Antena cortina 4x4 dipolos

Goniómetro Bellini-Tosi WW I

Celular HF DF 1962-1994


Historia … todo antenas? No!

Vamos desde los inicios de EEG (Galvani?)

hasta que en 12/1934 Gibbs, Davis, and Lennox describieron descargas interictales epileptiformes con varios electrodos registrados simultáneamente

La actividad se suponía “cercana” al electrodo que mostraba la mayor amplitud hasta los 1960’s



Primeros pasos

Galvanómetro Balístico

Richard Caton (1842-1926), 1874

Primer registro de actividad eléctrica en perros y monos

L. Galvani (1738-1798) y las ranas; corregido por Volta


Primer registro de EEG de canal único


Primer registro de EEG (6/7/1924)

Hans Berger (1873 – 1941)

Ojos cerrados

Ojos abiertos

abiertos - cerrados


Primer arreglo de electrodos para EEG


Equipo en el laboratorio del

Dr. Hallowell Davis en UK, 1934

Dr. H. Davis

Osciloscopio (sin sincronismo). Necesita

una cámara de fotos mecánica

Registrador

Cámara de fotos mecánica para detener el trazo del osciloscopio


Nuestros primeros arreglos


Seguidor solar Arreglo bioinspirado Gradiente gravitacional y objetos enterrados Intensidad y dirección de arribo del oleaje Velocidad y dirección del viento


Seguidor solar


Dónde está el sol?


Determinar la orientación de la barquilla de un globo sonda o en qué dirección se ve el sol desde allí.

Contexto:

• Medición de UV

• Bajo peso

• Bajo consumo

• Hasta -30C

• Bajo volumen de datos a transmitir


Dónde está el sol?


Arreglo de fotodiodos

Dr. J. Tocho (Ciop) planteó medir UV (diodo especial). Necesitaba la dirección de la que venía la radiación solar.

Ing. H.E. Lorente: tecnología del globo sonda y transmisor de datos.

Con M.E. Di Blasi, Leonardo Sandler construímos y probamos el arreglo y electrónica asociada. Maravilloso!(1996-2000)

Nunca llegamos a hacerlo “volar” (¿dio pena perderlo?)

Esta parte no viaja. Tiene electrónica asociada “en tierra”.


Arreglo bio-inspirado



Arreglo bio-inspirado

El verdadero título debió ser: ¿a dónde voy para reproducirme? (la mosca Ormia Ochracea hembra)


grillo

Cuando escucha el canto del grillo ¿cómo sabe la Ormia en qué dirección debe ir?

Ormia tiene 2 sensores, oído derecho y

oído izquierdo y con eso debe arreglarse.

Como hacemos los humanos.


Análisis 1


El grillo canta a unos 1500Hz.

Longitud de onda: 22.7cm

Separación entre oídos del grillo:

500 micrones.

Encontrar la dirección así sería imposible.

Pero lo hace! A pensar…

Acoplamiento mecánico

Modelo mecánico


Análisis 2

¿Qué performance tiene un arreglo de 2 sensores no independientes, sino acoplados?


Con M. Ackakaya y A. Nehorai (en WUSTL) demostramos que acoplando 2 sensores (de manera óptima) se puede mejorar la directividad, manteniendo buen desempeño con relación al ruido (usando la cota de Cramér-Rao)(2010-2015)

CRB y ECM - SNR=-10dB

D=0.1λ D=0.2λ


Gradiente gravitacional y localización de objetos enterrados



Localización de objetos enterrados Un objeto enterrado de densidad distinta a la del medio provoca un gradiente gravitacional local en la superficie (arqueología, viejas estructuras olvidadas en ciudades –caños, túneles, etc-).

Las piedras, rocas, provocan “ruido” en las lecturas.

¿Qué se puede “detectar” con un medidor del gradiente gravitacional?

Con Nehorai (1992-1994)


Gradiente Gravitacional


Balanza de torsión de Eötvös

Bell Geospace Air-FTG 1990’s.

1m de lado!


Localización de objetos enterrados

Modelo (corte esquemático)


De medir en un solo MP no se podría estimar la masa (identificabilidad)

Entonces, múltiples MP (identificabilidad)

Múltiples ángulos del plano de medida

MODELO físico “idealizado”

Masas espurias (ruido)

Objetos de interés


¿Qué se puede localizar?

Usamos la Cota de Cramér-Rao. P.ej.:



Intensidad y dirección de arribo del oleaje



Altura, intensidad, dirección del oleaje

• Las características del oleaje se requieren para diseñar construcciones portuarias eficaces

• Boyas oligráficas – precio, “desapariciones”

• Sensor de presión diseñado por D. Guaraglia (1988-1990)

• Uso previo: espectro del oleaje (1986 con G.F. Safar)

• Arreglo circular de 4 sensores sobre el lecho (hasta 20m)

Modelo Relación presión – altura del oleaje

La onda de presión llega a cada sensor en diferentes momentos

Con esta idea se podría estimar la dirección de arribo

Pero: reflexiones, aguas poco profundas (Airy, banda ancha), viento local, etc



Ensayo vivo (Punta Lara 1990) del sensor


Con Constantino Rago 1989-1991


Planteo


Algoritmo MUSIC (banda ancha) etc

Uno de los primeros arreglos no-onda, con Music. Con C. Rago 1991

Esta matriz NO es identidad y puede ser “casi” singular


Ensayos y Resultados


Ensayo del Arreglo


Pileta en el viejo galpón del Departamento de Hidráulica

Arreglo de 4 sensores

Barrera de reflexión para provocar “multicamino” muy correlacionado

Agitador para generar olas


Medición ultrasónica de la velocidad y dirección del viento



Anemómetro direccional ultrasónico

a) Tiempo de “vuelo”

b) Elimina dependencia con la velocidad del sonido

c) 3 pares en estrella

El arreglo proporciona direccionalidad

a) y b) con C. Rago (1986), a), b), c) analógico con C.Rago y E. Beytía (1991) y a), b), c) todo digital con J. Marastoni y P.A.

Roncagliolo (2000)

Sin partes móviles


Anemómetro ultrasónico



Nuestros arreglos de estos días



Estudio de fuentes de actividad neuronal


EEG de superficie y subdural (ECoG) simultáneos

Electro-corticografía (ECoG) y electrodos intracerebrales (iEEG)

Con N. von Ellenrieder, L. Beltrachini, A. Blenkmann,

M. Fernández Corazza en asociación con

Dra Silvia Kochen del ENYS, Estudios de Neurociencias y

Sistemas Complejos (Conicet-HEC-UNAJ)


EIT y Estimulación


• Seguimiento de conductividades de cada capa • Generación de una densidad de corriente

estipulada, en una ubicación pre-establecida, con mínima densida de corriente en otros lugares

Con M. Fernández Corazza y S. Turovets, del Neuroinformatics Center, University of Oregon, D. Tucker y Ph. Luu de Electrical Geodesics Inc.

Apuntado dinámico


Arreglos y Reflectometría


Arreglo: cómo diseñarlo? Mejora del receptor específico Con S. Ozafrain y P.A. Roncagliolo

Con J.M. Cané, A. Wengierko y J.G. García

Efecto del acoplamiento entre antenas sobre el arreglo. Con E. Marranghelli y P. A. Roncagliolo


Radar Meteo y de Apertura Sintética


¿Monumento al Balero? No, es el RMA01 de INVAP

Modos de operación del SAR

Con M. Hurtado, S. Pazos, J.I. Fernández Michelli y J. Areta (UNRN), J.P. Pascual (Inst. Balseiro) e INVAP

Algoritmos de Segmentación no-supervisada

Modelos estadísticos para datos polarimétricos

SAR: se aprovecha el tiempo de vuelo de un pulso 4ms y el movimiento del

satélite 7km/s para hacer un arreglo

gigante virtual

Sistema Nacional de Radares Meteorológicos (SINARAME) Modelos de clutter Algoritmos para

estimación/clasificación


¡Muchas gracias!

¿Preguntas?


historias con arreglos de sensores - acaingpba.org.aracaingpba.org.ar/arreglos de sensores.pdf ·...

Documents