Tesis:
Study, design and validation of a framework model for smoke and particle-filled atmospheres
- Autor: NADAL SERRANO, José María
- Título: Study, design and validation of a framework model for smoke and particle-filled atmospheres
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/45723/
- Director/a 1º: LÓPEZ VALLEJO, María Luisa
- Resumen: La visión es el sentido que aporta la mayor cantidad de información sobre conciencia situacional en humanos. Esto es relevante en el caso de pérdidas temporales de visión por parte de profesionales por sus implicaciones en seguridad -en especial durante la realización de tareas de riesgo-. Esta tesis aporta una serie de contribuciones para facilitar el desarrollo futuro de dispositivos capaces de solventar los riesgos y problemas asociados a ese tipo de ceguera temporal. En primer lugar se da una visión general de concepto desde una perspectiva de teledetección. Se analiza el estado del arte de varias tecnologías en uso hoy en día en aplicaciones relacionadas con la pérdida de visión en entornos exigentes. Se estudian sus posibilidades desde un punto de vista teórico, así como desde el punto de vista del usuario para determinar ventajas, inconvenientes y posibles áreas de mejora. A continuación se estudian los aspectos teóricos y prácticos de distintos tipos de señal y su aplicación a los sistemas de visión artificial, analizando su adecuación a la obtención de imágenes en medios tales como las atmósferas con partículas en suspensión. Se realiza una comparación entre ondas electromagnéticas y de presión como medios de detección del entorno, extrayendo conclusiones que apuntan a la necesidad de explorar nuevas tecnologías para mejorar el rendimiento de los sistemas actuales. Se definen dos casos de estudio, uno relacionado con operaciones de extinción de incendios y el otro con operaciones subacuáticas de baja visibilidad. La caracterización del medio perturbador se identifica como la piedra angular en la modelización de la propagación de la señal a través de atmósferas con partículas en suspensión. En ese sentido, se realiza un análisis en profundidad del humo como medio de propagación. Se caracteriza el humo como una suspensión de partículas en una atmósfera con una cantidad variable de productos de combustión. Además, se estudia junto con sus características principales: tamaños de partícula, propiedades ópticas, movimiento, etc. Se define un conjunto de parámetros válido para alimentar un modelo. A continuación se generalizan esas características a otros entornos -como aguas turbias-, aunque el presente trabajo se centre en atmósferas con humos. Con el medio completamente caracterizado, es posible crear un modelo de Monte Cario basado en eventos para describir las interacciones entre una radiación electromagnética incidente y una atmósfera con partículas en suspensión. El modelo está concebido como un modelo marco: es posible simular una amplia variedad de entornos con partículas en suspensión de tipos y propiedades arbitrarias sin grandes cambios. Se incluye también la definición del entorno espacial. A pesar de estar inicialmente pensado para longitudes de onda ópticas y de infrarrojos, es posible generalizar el modelo a otras partes del espectro. Este modelo, junto con la metodología de caracterización del medio, suponen la contribución original principal de la presente Tesis Doctoral. A continuación, se presenta y se discute la implementación del modelo en una arquitectura con alto grado de paralelización. Se realiza también la identificación de sumideros de rendimiento, y se analiza el hardware subyacente para la optimización del rendimiento. Se llevan a cabo dos estrategias de implementación, extrayendo consejos prácticos para maximizar la efectividad de las optimizaciones implementadas. La vasta cantidad potencial de datos generados por el modelo hace conveniente la existencia de algún tipo de herramienta para el análisis rápido y la explotación de los resultados obtenidos. En este marco se ha desarrollado una herramienta de visualización gráfica como prueba de concepto y que ha resultado ser de gran utilidad práctica. Finalmente, se diseñó y construyó un experimento para la validación del modelo con pruebas reales. Se explora también el flujo de trabajo necesario para conseguir el diseño rápido de un instrumento coste-efectivo para la realización de los experimentos. Para ello se usaron técnicas de diseño avanzado como el diseño paramétrico. El instrumento se fabricó usando técnicas de fabricación aditiva (impresión en 3D), incluyendo un método original para inyectar y confinar el medio en una cámara construida a propósito. Adicionalmente, se diseñó y probó un procedimiento para crear atmósferas estables y reproducibles a nivel microscópico usando microesferas calibradas. Dicho procedimiento es una contribución original del presente trabajo. Se realizaron varios experimentos de los cuales se obtuvieron los pertinentes resultados. En esta primera fase se obtuvieron datos cualitativos que mostraban buena correlación entre las simulaciones y los experimentos. Debido a la capacidad del hardware usado, la obtención de datos numéricos precisos se deja como trabajo futuro, junto con la exploración de -entre otras-, las técnicas de compressed sensing para el procesado de señal. ABSTRACT Vision is by far the most important source of information regarding situation awareness in humans. This is relevant in the case of temporary loss of vision for certain professionals due to safety implications –specially when conducting exposed tasks–. This thesis makes a number of contributions to facilitate the future development of devices able to overcome the risks and problems related with that kind of temporary blindness. First, a concept overview of the problem from a remote sensing perspective is given. An analysis of the state of the art of several technologies used today in applications involving loss of vision in harsh environments is conducted. Their possibilities are studied from a theoretical point of view as well as from the user’s perspective in order to determine advantages, disadvantages and possible areas of improvement. The theoretical and practical aspects of different signal domains and their application to artificial vision systems are studied next, surveying their suitability to imaging in media such as particle-filled atmospheres. A comparison between electromagnetic and pressure waves as a means of sensing the environment is made, extracting conclusions pointing to the need to explore new technologies to enhance the performance of current systems. Two cases of study are defined, one related to fire suppression operations and another one to low visibility underwater operations. The characterization of the disturbing medium is identified as the cornerstone in the modeling of signal propagation through particle-filled atmospheres. In that sense, an in-depth analysis of smoke as a propagation medium is carried out. The characterization of smoke as a suspension of particles in an atmosphere with a variable degree of combustion products is conducted. Main characteristics of smoke are also studied: particle sizes, optical properties, motion, etc. A reference set of parameters to feed a computer model is defined. Next, the generalization of those characteristics to other environments such as turbid water is done, although the present work is more focused on smoke-filled atmospheres. With the medium completely characterized, it is possible to create an eventbased, time resolved Monte Carlo model to describe interactions between an incident electromagnetic radiation and a particle-filled atmosphere. The model is conceived as a framework model: a wide scope of particle-filled environments with arbitrary particle types and optical properties can be simulated without ma jor changes. The definition of spatial environments with objects is also included. Although primarily intended for use in optical and infrared wavelengths, the model can be generalized to other parts of the spectrum as well. This model, along with the characterization of the medium, are the main original contribution of this PhD thesis. The implementation of the model in a highly parallel computer architecture for higher performance is presented and discussed subsequently. The identification of performance drainers, and the analysis of the underlying hardware for performance optimization have been worked out. Two implementation strategies were used and analyzed, extracting practical hints to maximize the effectiveness of the optimizations implemented. The huge amount of data generated potentially by the model makes it convenient to have some sort of tool for rapid analysis and exploitation of the results obtained. A visual tool has been developed as a proof of concept, and has proven to be very useful in practice. Finally, an experimental setup was designed and built to validate the model against real world tests. The workflow necessary to provide with a rapid design of a cost-effective instrument to run the experiments was planned, making use of advanced techniques such as parametric design. The instrument was fabricated using additive manufacturing techniques (3D printing), and included a way to inject and confine the medium inside an ad-hoc built chamber. A procedure to create stable and reproducible atmospheres at a microscopic level using calibrated microspheres was also designed and tested, accounting for an original contribution of the present thesis. Several experiments were run and results were obtained. In this first phase of the experiments, qualitative data showing good agreement between simulations and experiments was obtained. Due to the capabilities of the hardware used, the obtention of accurate numerical data is left for future work, along with the exploration of –among others–, compressed sensing techniques for signal processing.