1 | P a g e   

 CIIPS  is  a multidisciplinary  research  group  which  brings  together  researchers  from  engineering, science, mathematics, physics and computer science.  The group combines an active undergraduate and postgraduate teaching programme with pure and applied research to provide an environment in which  innovative  theoretical  developments  can  be  rapidly  turned  into  technologies  that  provide solutions  to  a  range  of  real‐world  problems.  The  focus  of  the  research  is  the  development  of intelligent information processing systems and their applications. The group is active in the areas of artificial neural networks, embedded systems, digital signal processing, pattern  recognition,  image processing,  parallel  and  reconfigurable  computing,  mobile  robots,  software  engineering, electromobility and automotive systems.  The staff members of the group include:  Ms  Linda  Barbour  (Administrative  Assistant),  Room  4.14,  Email:  linda.barbour@uwa.edu.au, Telephone: 6488 3897 Dr Adrian Boeing (Adjunct Research Fellow), Email: adrian.boeing@uwa.edu.au Professor  Thomas  Bräunl  (Head),  Room  4.15,  Lab  3.13,  Email:  thomas.braunl@uwa.edu.au, Telephone: 6488 1763 Professor  Gary  Bundell  (Adjunct  Professor),  Room  3.11,  Email:  gary.bundell@uwa.edu.au, Telephone: 6488 3897 Mr  Chris  Croft    (Adjunct  Research  Fellow),  Room  3.11,  Email:  Christopher.croft@uwa.edu.au, Telephone: 6488 3897 Professor David Harries (Adjunct Professor), Room 3.11, dharries@gmail.com, Telephone: 6488 3897 Professor  Terry  Woodings  (Adjunct  Associate  Professor  ‐  also  Computer  Science  and  Software Engineering), Room 4.18, Lab 3.02, Email: terry.woodings@uwa.edu.au, Telephone: 6488 2618. Associate  Professor  Kevin  Vinsen  (Research  Associate  Professor  ICRAR),  Email: kvinsen@ee.uwa.edu.au. Professor  Anthony  Zaknich  (Adjunct  Professor),  Room  4.04,  Email:  tonko@ee.uwa.edu.au, Telephone: 6488 1764. 

  AUTOMOTIVE LAB (Prof. Thomas Bräunl) 

The  Automotive  Lab  was  established  in  2008  and  is  dedicated  to  research  in  alternative  drive systems, such as plug‐in electric vehicles, as well as active driving safety, such as driver‐assistance systems.   The Automotive Lab currently houses  five vehicles, a BMW X5, a Hyundai Getz, a Lotus Elise S2 and two Formula SAE race cars.  A list of all projects is available at: http://robotics.ee.uwa.edu.au/students/projects.html    

 

ComputationalIntelligence‐InformationProcessingSystems(CIIPS) 

2 | P a g e   

  REV (Renewable Energy Vehicle)  This  is a Faculty‐wide project and  looks at  finding alternatives to petrol‐based cars. These projects are  suitable  for  students  in  Mechanical,  Mechatronics,  Electrical,  Computer  Engineering  and Computer Science.   REV has converted/built the following cars to electric drive:  

REV Eco (2008): Conversion of a 2008 Hyundai Getz to electric drive using DC technology  

REV Racer (2010) : Conversion of a 2002 Lotus Elise S2 to electric drive using AC technology  

REV SAE‐2010: Conversion of an the 2001 UWA Motorsport car to electric drive (dual motor)  

REV  SAE‐2012:  New  EV  design  from  scratch  for  Formula  SAE  Electric  (quad  wheel‐hub motors)  

REVski 2013: Conversion of a 2008 Sea‐Doo Jet Ski to Electric Drive  Web: theREVproject.com  Projects available:   1.   Group Project Electric Jet Ski 

a.  Mechanical  Students:  Motor  and  battery  mounts,  force  coupling,  cooling  system, 

evaluation  

b.  Electrical Students: Power and instrumentation circuitry, safety systems  

c.  Computer Students: Motor control, driver information system  

2.   Group Project Formula SAE Electric 2014 

Preparing  the  FSAE  car  for  competitions  in  Europe  and/or Australia  and  implementing  intelligent 

sensor‐based  motor  control  for  the  4‐wheel  hub  motors.    Performance  measurements  and 

improvements 

3.   Intelligent EV Charging 

IT  project  requiring  C/C++  skills  to  implement  a  simulated  HEMS  (Home  Energy  Management 

System),  which  allows  EV  drivers  to  select  their  charging  preferences  according  to  an  assumed 

dynamic hourly  energy  tariff  (minimising  costs) or  for  assumed  available  solar/wind  green power 

(maximising environmental benefits). 

4.   Driver Information systems for road‐licenced REV Vehicles  

a.  REV Eco: Programming an EyeBot M6 (Linux) in C/C++ to display vehicle/battery status, 

drive statistics and GPS navigation.  

b.  REV  Racer:  Programming  a  Windows  PC  with  graphical  user  interface  to  display 

individual  battery  status,  drive  statistics,  GPS  navigation,  generate  artificial  engine 

sound  

3 | P a g e   

5.   Drive‐by‐Wire: SAE Electric 

Change brake and steering on the Formula SAE car to optional drive‐by wire by adding a motor to 

the steering column and a servo on the brake.  

6.   Autonomously Driving SAE Electric 

Follow a pre‐set race course by using GPS, radar and imaging sensors for a fully autonomous drive.  

7.   Real‐Driving Simulator 

Link  the  SAE  car's  controls  (steering,  brake,  accelerator)  to  the  inputs  of  a  commercial  driving 

simulator  system,  so  the  simulation  can be driven  from  the  real SAE  car. Further build a  safe  roll 

stand, so the car can spin its wheels at a safe speed while linked to the simulator. 

 

 

ROBOTICS AND AUTOMATION LAB (Professor Thomas Bräunl) 

The Robotics and Automation  lab has been active since 1998 undertaking  research on all  types of autonomous  mobile  robots,  including  intelligent  driving  and  walking  robots,  autonomous underwater  vehicles,  and  unmanned  aerial  vehicles. We  also  work  on  the  design  of  embedded controllers and embedded operating systems, as well as on simulation systems.  A list of all projects is available at: http://robotics.ee.uwa.edu.au/students/projects.html   Projects available:   1. Autonomous Groups of Robots 

 Our  5  Pioneer  AT  outdoor  robots  are  equipped  with advanced range and positioning sensors. They can work as  a  team  through  communicating with  each  other  or with one of several base stations. 

Group Project available: In this project, a group of students will implement a navigation/exploration task for a group of autonomous mobile robots, based on the tasks of the MAGIC2010 robotics competition, based on the ROS robot operating system. These are IT projects and require good C/C++ programming skills.  

Individual tasks are— 

a. Robot navigation  

b. Map generation, loop closing (individual robot) and map fusion (between robots)  

c. Object detection using laser scanner and camera  

d. Human‐robot interface through console at ground station, displaying all robot information  

 

4 | P a g e   

 2. Advanced Embedded Systems 

Projects available:  

a. Supercomputer on  a Chip: Design  a  SIMD parallel  computer on  an FPGA  for  a  parallel  image  processing  application. Define  individual parallel  processing  elements  and  test  them  with  Retro  before implementation. 

b. Development of image pre‐processing routines in VHDL for FPGA  

c. Development  of  RoBIOS  actuator  and  sensor  routines  (motor  and sensor drivers) for embedded controller  

   

3. EyeSim Simulation Systems 

For the new high‐performance embedded controller, we need a new  version of  the EyeSim  simulator, which  can also emulate the new controller features such as: 

widescreen, color LCD   touch‐screen   dual (stereo) cameras   updated RoBIOS functions  

Project available:  

Implement new EyeSim simulator with advanced features  

  SYSTEMS ENGINEERING ANALYSIS MANAGEMENT (Mr Chris Croft and Professor Thomas Bräunl) 

 Projects Available:  1.  Real time analysis of music to determine the chord progression:  The aim of the project  is to sample music and determining the chord progression  in real time. The project will be  in  two stages,  first stage  to break down  the musical sound  into  the harmonics and determine the root frequency as well as the harmonics. The key will be known for this process. The second stage will be to sample the whole song and determine the key, then using this information in real time to determine the chord progression.   2. Renewable energy powered unmanned aerial vehicle (UAV) 

Feasibility of a long flight at high altitude UAV using renewable energy sources to provide a platform 

at an altitude above commercial aviation.  This project will involve investigation of sources of power 

over long periods of time (in the scale of quarters if not years). 

 

 

3. Tethered flight of a UAV  

5 | P a g e   

Tethered  flight  of  a UAV where  a UAV  flies  in  a  predetermined  path  as  tethered  from  a  ground 

station.   The AR Drone will be used  for  this project and will  require both hardware and software.  

Two projects may be offered in this topic. 

   

6 | P a g e   

Signals and Systems Engineering

 The Signals and Systems Engineering (SSE) has several research laboratories outlined below:  The Signals and Information Processing Laboratory undertakes key research in the areas of 

speech processing and speech and speaker recognition  leading to developments  in voice‐activated  technologies,  robust  speech  recognition  in  real  environments  and  biometric security by speaker verification. 

The Control Systems Research Laboratory undertakes  theoretical and applied  research  in the  areas  of mathematical modeling,  state  estimation,  robust  control  and  sliding mode control. 

The  Biomedical  Engineering  Laboratory  undertakes  research  into  applying  theoretical control  techniques  to  biomedical  systems  such  as  blood  glucose  control  in  diabetics, closed‐loop  control  of  mechanical  ventilation  in  critically  ill  and  patient  controlled analgesia.  

The  Signal  Processing  for Wireless  Communications  Laboratory  undertakes  fundamental and  applied  research  into  broadband  radio  communications  and  underwater  acoustic communications  leading to applications  in areas such as broadband wireless to the bush, oceanographic data collection, and offshore pipeline monitoring. 

The  Renewable  Energy  Laboratory  undertakes  fundamental  and  applied  research  into renewable energy technologies. 

Key areas of expertise 

Biomedical Systems 

Control Systems 

Power Electronics Applications 

Renewable Energy 

Signal Processing for Wireless Communication 

Speech and Image Processing and Recognition 

Underwater Acoustic Communications 

Facilities Software: Matlab, PSIM, Pspice, Nuance SDK, NS/2, Mathematica, and LabView Hardware:   Specialized hardware for control, communication, power electronics, renewable energy and signal processing     

 

   

7 | P a g e   

Year 2014 Final‐Year Projects in SIGNALS AND INFORMATION PROCESSING SYSTEMS 

Prof Roberto Togneri  We are currently in the first century of the information age and the new era of information systems engineering.  The  Signals  and  Information  Processing  (SIP)  Lab  is offering  exciting  and  challenging final‐year projects to students who can demonstrate the required motivation and passion. If you are interested  in any of the projects on offer please email <Roberto.Togneri@uwa.edu.au> or drop by Room 4.10 to discuss further, your thoughts and concerns, and to help you make the right choice. For  reading  material  and  resources  please  also  have  a  look  at  the  online  version http://www.ee.uwa.edu.au/~roberto/research/projects2014.html.  1. Speech Enhancement and Intelligibility Speech enhancement encompasses a  range of approaches which attempt  to  take a  speech  signal which has been degraded by additive noise and  reverberations and by use of  clever  spectral and temporal signal processing  is able to make the speech more  intelligible for human  listeners.  In this project you will investigate one or more spectral and temporal approaches that are designed to deal with either or both additive or reverberant speech with particular emphasis on speech intelligibility and  how  it  compares  to  the  usual  measures  of  speech  quality.  For  example,  classical  speech enhancement  (spectral  subtraction, Wiener  filtering,  etc.)  for  additive  noise  and/or more  novel solutions (spectral subtraction of  late reverberations,  inverse filtering, etc.) for reverberant speech. This can either be an experimental or more  theoretical project  involving analysis,  implementation and  evaluation  of  relevant  signal  processing  theory  and  algorithms.  Check  it  out:  Speech Enhancement Tutorial  , Review of Speech Enhancement Paper  , Speech Enhancement: Theory and Practice Book , Speech Intelligibility Measures Paper   2. Microphone Arrays for Speaker Localisation and Separation Microphone  arrays  consist  of multiple microphones  geometrically  arranged  so  as  to  capture  the directional  information  of  speech  and  interfering  sources.  In  this way  it  is  possible  to  separate different speakers and speakers from interfering noise based on their spatial location. In this project you will  investigate  the  application of microphone  array  technology  in  the  SIP  Lab  to  the  task of speech  source  separation.  More  than  one  project  is  possible  covering  several  interdependent investigations: setup and configuration of the microphone array hardware, software and processing for  microphone  arrays,  simple  practical  beamforming  (BF)  to  separate  two  (or  more!)  actual speakers, sophisticated signal processing algorithms for the estimation of Direction of Arrival (DOA) of the desired speech source, or Blind Source Separation (BSS) of individual spatially diverse sources. Projects  can  be  hands‐on,  experimental  or  highly mathematically  theoretical.  Team  projects  also quite possible. Check it out: Iain McCowan's Home Page , Beamforming Tutorial , BSS Software/Data , Conv BSS , Roomsim.  3. The Cone of Silence: Active Noise Cancellation With advances in fast digital signal processing it has become possible to do quite sophisticated signal filtering,  especially  with  audio  signals  and  acoustics.  By  clever  feedback  signal  processing  and adaptive filtering one can create any virtual sound environment over a so‐called sweet spot. In this project  you  will  examine  the  application  of  the  LMS  adaptive  filter  and  the  Filtered‐X  variant proposed over a decade ago and build a  real working active noise  cancellation  (ANC)  system and perhaps one and for all create that cone of silence (one of failed props used in the comedy series Get Smart, that was the 60s, the problem was solved  in the 90s). You can other do this at home using only  two  freestanding  microphones  and  stereo  loudspeaker  systems  or  the  microphone  array technology in the SIP Lab. This is high‐level systems and experimental engineering project where you 

8 | P a g e   

will build and test how effective ANC is and the varied limitations to make it work properly. Check it out: Filtered‐X LMS Algorithm Paper , Active Noise Control in MATLAB   4. Deep Belief Networks for Object Recognition Back in the 90s came the artificial neural network (ANN) and now we get the deep learning network (DBN).  Neural  networks  are  information  processing  systems  which  attempt  to  learn mappings/transfer  functions/processes  in  the  same  way  the  human  neural  system  works:  by complex non‐linear mappings and templates/patterns. The DBN first came to  light  in 2009 and has now spread like wild‐fire throughout the computing community, with companies like Microsoft and Google driving the technological impacts in human computer interaction and data processing. In this project for the highly motivated student looking for cutting edge research in information and signal processing you will  investigate DBNs and  implement a prototype working system  for  image/object recognition. And if you think you have what it takes then consider speech recognition (the jury is out whether DBNs will  replace HMMs,  ask Microsoft  and Google what  they  think).  Check  it  out: 3D Object  Recognition  with  DBN  Paper  ,  Learning  Deep  Architectures  Chapter  ,  Deep  Learning Resources Page  5. Audio‐Visual Speech and Speaker Recognition In current speech recognition, only the audio information is used, and yet it is well known that visual lip reading also works for speech recognition, especially in noisy conditions maybe the only means to understand  and  for  hearing  impaired  the  only way  to  communicate.  For  biometric  identification, speaker  recognition  usually  implies  audio  information  only,  and  yet  face  recognition  is  just  as effective,  so why not combine  the  two  together?  In  this project you will  investigate  the  fusion of audio‐visual  information for either speech or speaker recognition. For speaker recognition you can implement  a  basic  audio‐visual  speaker  recognition  prototype  using  standard  tools  for  face recognition and speaker recognition and  investigate different  fusion strategies. You can do  this by direct capture of audio‐visual features of friends and family, recordings of pertinent TV broadcasts (e.g. newsreader broadcasts) or make use of available AV corpora. Check it out: Audio‐Visual Speech Recognition Overview Paper  , Audio‐Visual Recognition Overview Paper  , Audio‐Visual Recognition Application Paper ,VidTIMIT Corpus , AVOZES Corpus  6. Compressive Sensing (CS) for Audio Enhancement Compressed  sensing  (CS)  is  a  novel  technique  used  to  reconstruct  a  signal  from  few  training examples,  possibly  below  the  Nyquist  sampling  rate.  This  has  profound  implications  for  source compression  and  signal  acquisition.  However  the  application  of  CS  to  audio  signals  has  been somewhat  limited.  One  potentially  exciting  approach  is  to  use  sparsity  to  enhance  blind  source separation  (BSS).  In  this  project  for  the  highly  motivated  student  with  a  solid  mathematics background  and  keen  interest  in  signal processing  you will  investigate how CS  can be  applied  to audio  separation  and  enhancement  for both  speech  and music  signals. Or  if  you have  any other ideas for a project on compressed sensing / sparse representations we can consider. Check  it out: CS: The Big Picture , Compressive Sensing Resources , Compressed Sensing for Audio Paper ,Using CS for BSS Paper  7. Empirical Mode Decomposition (EMD) and the Wavelet Transform For the student who wants another project which is mathematically challenging and explores novel signal processing paradigms  look no further! Empirical Model Decomposition (EMD) decomposes a time‐series signal into its constituent intrinsic mode functions (IMFs) directly in the time‐domain and is especially useful for complex biomedical, financial and meteorological signals. A very recent work (still under review) has put forward an alternative  intrinsic wavelet function (IWF) based on recent work on matched wavelet functions.  In this project  for the highly motivated student with a strong mathematics background and penchant for all things signal processing  looking to be challenged by 

9 | P a g e   

the latest research in the area, you will be tasked to investigate the IWF and how it compares to the IMF. Check it out:  EMD Demo , EMD Presentation , EMD Sound Paper , Matched Wavelet Function Paper  8. Non‐Extensive Statistics for Feature Normalisation One  of  the  frustrations  of  speech  recognition  is  the  sensitivity  of  systems  to  the  acquisition environment. This arises  from mismatches between where  the voice  recognition was  trained and where  it  is actually used. The quickest solution  is adaptation and  retraining  to new environments. Another solution  is to use speech features which are more robust to the environment. Many such robust  features have been proposed.  In  this project you will  investigate a  recently proposed q‐log spectral normalisation  technique based on  the  concept of non‐extensive  statistics.  For  the highly motivated student with a keen interest in mathematics and algorithms the concept of non‐extensive statistics can be explored, or  for the student  interested  in  latest  techniques the q‐LSMN algorithm can be  implemented and evaluated  for  speech  recognition  in  the presence of both additive noise and reverberant speech. Check it out: HMM Toolkit (HTK) Book , q‐LSMN Paper  9. Build Your own Speech Recognition System This  is  a  systems  engineering  project  where  you  will  build  and  investigate  the  technology  that underpins  speech  recognition  system.  Possible  systems  you  may  like  to  build  include:  limited vocabulary  (e.g.  financial  transactions,  control  commands,  etc.),  English  alphabet  recognition  (for dictation  and  spelling),  recognition  of  complete  phrases  rather  than  just  words,  recognition  in another language, recognition of connected speech (speaking a limited set of words with deliberate pauses),  and  real‐time  voice‐activated  applications  (e.g.  design  of  a  reliable  voice‐activated  TV remote). For a more challenging project you can investigate advanced issues like: keyword spotting, task independent phone models, continuous speech recognition, tone and syllable recognition (e.g. spoken Mandarin), recognition of the confusable /e/ set of alphabets: "b", "d", "e", "g", "p", "t", and real‐time  implementation  with  minimum  memory  and  computational  requirements,  etc.  Team projects also quite possible. Check it out: Speech Recognition Resources , HMM ToolKit (HTK) , CMU Sphinx ToolKit , FBDTW , WebASR  

    

10 | P a g e   

Year 2014 Final‐Year Projects in SIGNAL PROCESSING FOR WIRELESS COMMUNICATIONS LABORATORY 

 Prof. David Huang 

 

Final‐year projects offered in SPWCL are focused on the implementation, simulation and analysis of various future generation communication systems.  

1.   Underwater Acoustic Communications 

Acoustics  is  the  primary means  to  achieve wireless  communications  in  the  oceans.  Underwater acoustic communications could play a key role  in many subsea applications such as oceanographic data collection, environmental monitoring, and offshore hydrocarbon exploration and production. In this  project,  you  will  investigate  various  signal  processing  techniques  for  underwater  acoustic communications.  Potentially,  you  can  also  build  an  acoustic  modem  (the  key  component  in underwater acoustic communications) using a Digital Signal Processing (DSP) platform.  

2.    Broadband Wireless to the Bush 

Wireless  communications,  due  to  its  potentially  low  initial  deployment  cost,  high  scalability  and flexibility, will play a key role in providing broadband communications to sparsely populated areas of Australia.  This  project  focuses  on  promising  technologies  for  future  broadband  wireless communications especially to rural areas:  Multiple‐Input and Multiple‐Output (MIMO) Systems  Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Systems  Fountain Codes  Multiple Access Techniques  Low Density Parity Check Codes 

 3.   Build Your Own Radio Station Using USRP  Can  you  imagine using a  single gadget  to produce  and  receive  all  the possible  radio  signals  (e.g., digital radio, TV signal, CDMA signal, GSM signal, GPS signal, to mention a few)? The USRP (Universal Software  Radio  Peripheral),  aided  with  a  general  purpose  computer  and  the  “software‐defined radio”  technology,  can  achieve  this  task.  So using  the USRP,  you  can easily build  your own  radio station. Potentially, you can also use the box to eavesdrop your mates’ mobile phone conversation, though we do not recommend you to do so. 

  

 

 

 

   

11 | P a g e   

Power system emulation hardware platform with interactive student interface  

A/Prof. Lawrence Borle, Prof. Victor Sreeram, and A/Prof. Farid Boussaid  

This  project  aims  at  developing  an  innovative  state‐of‐the‐art  power  system  emulation  hardware platform  that  integrates  real‐time  touchscreen  control/monitoring  of  hardware  in  the  emulation loop. This exciting platform with interactive student interface will improve the learning experience in power systems for students at UWA and Australian universities, thereby stimulating renewed interest in this area. The proposed platform,  intended  for use  in undergraduate and postgraduate  labs, will provide students with  invaluable hands on experience on  the operation and  real‐time  response of real‐world power systems. While other educational lab equipment exist (e.g. Lab‐Volt), they are very limited in scope (power transmission/series compensation only). The scope of the proposed platform is much broader as it constitutes a contribution towards making power engineering education more attractive, modern, and effective in preparing students for power engineering careers.   The  proposed  demonstration  power  system  emulation  platform  (Figure  1) will  consist  of  a  single phase 240 volt power system complete with:  

Two independent generation sources, with one variable in voltage magnitude and phase 

Representative transmission line impedances on each source 

Variable linear loads at the distribution end 

Variable non‐linear, harmonic rich (diode rectifier) loads at the distribution end 

Solar  photovoltaic  energy  source  and  inverter,  emulating  the  effect  of  rooftop  PV  in residential areas 

A unified power flow controller (UPFC) to demonstrate shunt and series injection of voltage, current or  impedance  (to  emulate  various  FACTS devices).  The UPFC will be used  to  vary power flow between branches, regulate voltages and provide active filtering of harmonics.  

Power system protection systems can be added in the future.  

Considering  UPFC mode  of  operation,  they  include  operating  as  a  series  voltage  source,  current source or  impedance  (inductive or  capacitive). Possible  shunt modes  include operating as a  shunt voltage regulator either through reactive current control or through emulating a shunt inductance or shunt  capacitance.  In  addition,  in  series  current  source  mode,  the  UPFC  will  act  as  an  active harmonic filter, demonstrating the effects of removing the current harmonics.  Through  the  graphical  user  interface,  students will  be  able  to  set  various  operating  parameters, including  which  of  the  sources,  loads,  rooftop  PV,  UPFC  are  turned  on/off.  Examples  of  other parameters students can control include:   

the active and reactive components of the linear load 

the power of the non‐linear load 

the mode of operation of the UPFC 

the magnitude and phase of the variable source, which determines the sharing of active and reactive power between the transmission lines 

 

12 | P a g e   

Bi-D

irect

ion

al

Inve

rter

  Examples of practical experimentation that could be undertaken include:  

Vary the magnitude and phase of the second generator relative to the first, and observe the changes in active and reactive power flow in the two branches. 

Use  the  UPFC  as  a  shunt  impedance,  and  observe  the  corresponding  effect  on  voltage regulation, power flow, stability, etc. 

Use  the  UPFC  as  a  series  voltage  injection  or  series  impedance,  and  observe  the corresponding effect on voltage regulation, power flow, stability, etc. 

Vary the magnitude of the non‐linear  load, and observe the harmonic penetration  into the branch  circuits.  Then  turn  on  the  active  filtering  in  the UPFC  and  observe  the  change  in harmonics in each branch. 

Vary the rooftop PV power and observe the effects on the power system, including the case where the PV output exceeds the load.  

 The student interface (Figure 2) will consist of data acquisition and control hardware, two embedded computer/touchscreen  displays  with  interactive  monitoring  and  control  software.  The  data acquisition  will  collect  and  display  data  (e.g.  voltages,  currents,  active  and  reactive  power  flow, harmonics,  etc…),  in  real‐time,  in  a  user  friendly  graphical  display.  The  computer‐displays will  be permanently and securely mounted on the outside of the emulated power system enclosure and will be dedicated as human  interface devices only. Students will  interact with  the  system  through  the touchscreen,  controlling  power  system  parameters  and  observing  values  and  waveforms  on  the graphical displays. Two 4 channel embedded oscilloscopes will be connected to the first embedded computer and will show the voltage and current waveforms in real‐time at four nodes in the power system (generator1, generator2, UPFC  input, and  load  input). Several project students will be given the task of determining how to generate and display instantaneous active and reactive power.   

13 | P a g e   

   Power system emulation hardware platform with interactive student interface  This  project  aims  at  developing  an  innovative  state‐of‐the‐art  power  system  emulation  hardware platform  that  integrates  real‐time  touchscreen  control/monitoring  of  hardware  in  the  emulation loop. This exciting platform with interactive student interface will improve the learning experience in power systems for students at UWA and Australian universities, thereby stimulating renewed interest in this area. The proposed platform,  intended  for use  in undergraduate and postgraduate  labs, will provide students with  invaluable hands on experience on  the operation and  real‐time  response of real‐world power systems. While other educational lab equipment exist (e.g. Lab‐Volt), they are very limited in scope (power transmission/series compensation only). The scope of the proposed platform is much broader as it constitutes a contribution towards making power engineering education more attractive,  modern,  and  effective  in  preparing  students  for  power  engineering  careers.  The development of the proposed power system emulation hardware platform will involve around fifteen undergraduate design/research projects and 3 PhD students over the coming year.   The  proposed  demonstration  power  system  emulation  platform  (Figure  1) will  consist  of  a  single phase 240 volt power system complete with:  

14 | P a g e   

Two independent generation sources, with one variable in voltage magnitude and phase 

Representative transmission line impedances on each source 

Variable linear loads at the distribution end 

Variable non‐linear, harmonic rich (diode rectifier) loads at the distribution end 

Solar  photovoltaic  energy  source  and  inverter,  emulating  the  effect  of  rooftop  PV  in residential areas 

A unified power flow controller (UPFC) to demonstrate shunt and series injection of voltage, current or  impedance  (to  emulate  various  FACTS devices).  The UPFC will be used  to  vary power flow between branches, regulate voltages and provide active filtering of harmonics.  

Power system protection systems can be added in the future.  

Considering  UPFC mode  of  operation,  they  include  operating  as  a  series  voltage  source,  current source or  impedance  (inductive or  capacitive). Possible  shunt modes  include operating as a  shunt voltage regulator either through reactive current control or through emulating a shunt inductance or shunt  capacitance.  In  addition,  in  series  current  source  mode,  the  UPFC  will  act  as  an  active harmonic filter, demonstrating the effects of removing the current harmonics. 

 Figure 1: Emulated Power System Single Line Diagram 

 Through  the  graphical  user  interface,  students will  be  able  to  set  various  operating  parameters, including  which  of  the  sources,  loads,  rooftop  PV,  UPFC  are  turned  on/off.  Examples  of  other parameters students can control include:   

the active and reactive components of the linear load 

the power of the non‐linear load 

the mode of operation of the UPFC 

the magnitude and phase of the variable source, which determines the sharing of active and reactive power between the transmission lines 

 Examples of practical experimentation that could be undertaken include:  

Vary the magnitude and phase of the second generator relative to the first, and observe the changes in active and reactive power flow in the two branches. 

Use  the  UPFC  as  a  shunt  impedance,  and  observe  the  corresponding  effect  on  voltage regulation, power flow, stability, etc. 

15 | P a g e   

Use  the  UPFC  as  a  series  voltage  injection  or  series  impedance,  and  observe  the corresponding effect on voltage regulation, power flow, stability, etc. 

Vary the magnitude of the non‐linear  load, and observe the harmonic penetration  into the branch  circuits.  Then  turn  on  the  active  filtering  in  the UPFC  and  observe  the  change  in harmonics in each branch. 

Vary the rooftop PV power and observe the effects on the power system, including the case where the PV output exceeds the load.  

 The student interface (Figure 2) will consist of data acquisition and control hardware, two embedded computer/touchscreen  displays  with  interactive  monitoring  and  control  software.  The  data acquisition  will  collect  and  display  data  (e.g.  voltages,  currents,  active  and  reactive  power  flow, harmonics,  etc…),  in  real‐time,  in  a  user  friendly  graphical  display.  The  computer‐displays will  be permanently and securely mounted on the outside of the emulated power system enclosure and will be dedicated as human  interface devices only. Students will  interact with  the  system  through  the touchscreen,  controlling  power  system  parameters  and  observing  values  and  waveforms  on  the graphical displays. Two 4 channel embedded oscilloscopes will be connected to the first embedded computer and will show the voltage and current waveforms in real‐time at four nodes in the power system (generator1, generator2, UPFC  input, and  load  input). Several project students will be given the task of determining how to generate and display instantaneous active and reactive power.    

 Figure 2: Emulated Power System Interface Diagram 

 

16 | P a g e   

  The second embedded computer (Figure 2) will be used to allow the students to configure the power system and components as they see fit, and view what is happening in real‐time. The SCADA system will receive system parameter values (voltages, currents) through the readily available CompactRIO hardware.  The  SCADA  system  will  communicate  with  the  power  converters  (UPFC,  VSI  and configurable  loads)  through  a  serial modbus  protocol  to  send  commands  and  receive  converter operating parameters.  System  voltage  and  current  (obtained  from  the CompactRIO hardware  and power converters) magnitudes and phases will be displayed for several nodes  in the power system circuit. The SCADA software, Vision Module from  Ignition, will provide powerful HMI/SCADA clients that launch anywhere on the network.     Specific Final Year Project Descriptions  1. SCADA system hardware:           ‐ choosing the appropriate equipment; touchscreen display, RTU, measurement, communications? etc.         ‐ designing the wiring, and getting it done.         ‐ putting the system together with the rest of the project.         ‐ preparing user and maintenance documentation.  2. SCADA system software:           ‐ choosing the appropriate software etc.         ‐ designing the user interface, and getting it done.         ‐ setting the software up so that different lab exercises can be implemented.         ‐ putting the system together with the rest of the project.         ‐ preparing user and maintenance documentation.  3.  Voltage and Current waveform display:           ‐ choosing the appropriate equipment; display, oscilloscope, measurement, etc.         ‐ designing the wiring, and getting it done.         ‐ putting the system together with the rest of the project.         ‐ preparing user and maintenance documentation.  4. Power system emulation:           ‐ determining appropriate power system parameters (inductors, resistors, capacitors, transformers, switchgear)         ‐ choosing the appropriate passive components, including any variable or stepped component values, etc.  Coordinate with others and power converter supplier.         ‐ coordinate power ratings of all components in the whole system.         ‐ designing the wiring, and getting it done.         ‐ putting the system together with the rest of the project.         ‐ preparing user and maintenance documentation.  5. PV system integration:           ‐ determine how the PV system can be implemented into the power system emulation         ‐ choosing any required equipment (transformer? control interface, communications?), etc.  Coordinate with others and power converter supplier.         ‐ designing any wiring, and getting it done.         ‐ putting the system together with the rest of the project.         ‐ preparing user and maintenance documentation. 

17 | P a g e   

 6. Lab exercise preparation:           ‐ determining what lab exercises should be undertaken by students when the system is operational, considering power flow control, active and reactive power, harmonics, stability, etc.         ‐ ensure the other student designs will be suitable for the lab exercises.         ‐ SCADA system programming to implement the lab exercises         ‐ putting the system together with the rest of the project.         ‐ preparing user and maintenance documentation.  7.  Project Coordinator         ‐  One student could do their project on project management, and make sure everything gets done in an organized coordinated way.  (The REV project has this kind of project)     

18 | P a g e   

Investigation into the use of low voltage inverters to provide a UPFC function on SWER lines   

A/Prof. Lawrence Borle, Prof. Victor Sreeram,  A/Prof. Farid Boussaid, Le Truc (PhD student)  

     Single Wire Earth Return (SWER) systems (see figure in appendix) are used as an economical power transmission in rural areas of the world where loads are sparse.  Invented by Lloyd Mandeno in New Zealand  in 1925 to be used for electrifying New Zealand’s rural areas, today, we have over 200,000 km of SWER systems  installed around Australia and New Zealand.   These  lines are subject  to  large voltage variances due to the relative length and high impedance of the line, resulting in high voltages under  light  loading  and  low  voltages  under  heavy  loading.    As  loads  continue  to  grow  in  rural distribution networks reaching  its capacity some form of upgrade  is necessary to provide reliability and  power  quality  expected  in  the  21st  century.    Due  to  low  load  densities  and  long  distances involved,  the  conventional  upgrades  of  SWER  such  as  conversion  to  three‐phase  power may  be expensive and difficult to  justify economically.   The project funded by ASTP  investigates the use of Unified  Power  Flow  Converter  (UPFC)  to  provide  cost  effective  alternatives  to  the  conventional SWER upgrades.   The specific final year projects on this topic include:   

1. Complete a study into UPFC power flow at 50 Hz and at harmonic frequencies.  Simulate the operation  of  the  UPFC  on  SWER  lines.    Demonstrate  the  effectiveness  of  the  UPFC conceptually to produce voltage regulation and act as an active filter. 

2. Design and assemble  the SWER emulation hardware  (Variac and  configurable Pi network components) ensuring electrical  safety.   Assemble  configurable  linear and nonlinear  loads.  Connect the UPFC to the SWER emulation and loads, ensuring electrical safety. 

3. Implement  control  algorithms  to  operate back‐to‐back  inverters  as  a UPFC with  voltage 

19 | P a g e   

regulation with the SWER emulation and loads.  Procure custom‐made fully programmable back‐to‐back inverters which are suitable for this purpose.  Implement a user interface which will  allow  monitoring  and  control  of  the  UPFC  from  a  computer.    Demonstrate  the effectiveness and analyse the operation in terms of energy efficiency and SWER line capacity improvements. 

4. Simulate  the effect of adding energy storage  to  the UPFC.   Demonstrate whether battery charging  and  management  can  be  achieved  without  any  adverse  effect  on  the  voltage regulation and active filtering. 

5. Implement control algorithms  to operate back‐to‐back  inverters as a revised UPFC which includes additional requirements for transformer‐less operation with access to the dc‐link.  Procure custom‐made fully programmable back‐to‐back inverters which are suitable for this purpose.    Demonstrate  the  effectiveness  and  analyse  the  operation  in  terms  of  energy efficiency and SWER line capacity improvements. 

6. Add  the batteries  to  the UPFC.   Demonstrate  the  effectiveness of  the developed  voltage regulation,  active  filtering  and  battery management.    Add monitoring  and  control  of  the battery  management  to  the  user  interface.    Analyse  the  operation  in  terms  of  energy efficiency and SWER line capacity improvements. 

   Appendix:  How does SWER work?  

  A  diagram  of  a  SWER  system  is  shown  in  the  figure.    The  system  uses  a  distribution  isolation transformer feeding a single wire or a cable with earth used as a return path for the system. The wire has multiple termination points along its length and can extend for hundreds of kilometres.  At each termination point a step down transformer  is used to step the voltage down to two 240 V supplies via a centre tap or a single 480 V supply.       

20 | P a g e   

Year 2014 Final‐Year Projects in RENEWABLE ENERGY LABORATORY 

 Prof. Kit Po Wong, Prof. Herbert Iu and Prof. Tyrone Fernando 

 

1. Stability Analysis of a DFIG Wind Turbine System (2 Projects) Presently there is a global concern about the economic downturn and a green earth which in turn is related  to  a  better  and  efficient method  to  generate  and  transmit  electric  power. Wind  energy systems are becoming popular. Doubly fed induction generator (DFIG) is a popular is a popular wind turbine system due to its high energy efficiency, reduced mechanical stress on the wind turbine, and relatively low power rating of the connected power electronics converter. The DFIG is also complex involving  aerodynamical,  electrical,  and mechanical  systems. With  increasing  penetration  level  of DFIG‐type  wind  turbines  into  the  grid,  the  stability  issue  of  DFIG  is  of  great  importance  to  be properly  investigated. The aim of this project  is to study the small signal stability of the DFIG wind turbine system.  

2.  Control  Strategy  of  DFIG  Wind  Turbines  for  Power  System  Fault  Ride  Through  (2 Projects)  Doubly fed induction generator (DFIG) is a popular wind turbine (WT) system due to its high energy efficiency, reduced mechanical stress on the WT, and relatively  low power rating of the connected power electronics converter of low costs. With increasing penetration level of WTs into the grid, the wind power grid connection codes  in most countries require that WTs should remain connected to the  grid  to maintain  the  reliability  during  and  after  a  short‐term  fault.  The  ability  of WT  to  stay connected  to  the  grid  during  voltage  dips  is  termed  as  the  low‐voltage  ride‐through  (LVRT) capability. The aim of  this project  is  to develop a control strategy  for both  the rotor and grid side converters to enhance the LVRT capacity of the DFIG WT. 

 3. Functional Observers (2 Projects) Functional observers can estimate a linear function of the state vector without having to estimate all the individual states. Direct estimation of any required linear functions of the state vector results in reduced order observers. The aim of this project  is apply the theory of functional observers to the problem  of  Load  Frequency  Control  in  Power  systems  and  also  use  the  theory  in  processing measurements from Phasor Measurement Units in Wide Area Monitoring of Power systems.  

4. Three‐port dc/dc converter design (2 Projects) 

Due  to  the  growth  of  usage  of  renewable  energy, multi‐input  single‐output  converters  become 

popular. The aim of this project  is to design 3‐port dc/dc converters using the fundamental power 

flow and circuit theory. Good mathematical skills and simulation skills are essential in this project.  

   

21 | P a g e   

MICROELECTRONICS RESEARCH GROUP 

 

  The Microelectronics Research Group (MRG) is headed by Professor Laurie Faraone, and consists of 6  academic  staff,  12  research  staff,  and  21  postgraduates.    The MRG  has  built  up  to  be  one  of Australia’s  largest  and  most  respected  microelectronics  research  groups.    This  has  led  to collaboration with a wide range of international and Australian industry and research organisations1.  In 2008, the Microelectronics Research Group was awarded a prestigious Eureka Prize for Science in Support of Defence and Security for its world leading work. 

The projects undertaken by the MRG cover: 

Microelectronics,  

Optoelectronics,  

Micro‐electromechanical systems (MEMS),  

Nanotechnology, and  

VLSI 

with applications in:  

Agriculture, 

Defence, 

Manufacturing, 

Medicine, 

Remote sensing and environmental monitoring, 

Spectroscopy, 

Surveillance, and much more 

The work covers areas from semiconductor device modelling, fabrication, and fundamental material characterisation,  through  instrumentation  and  control  electronics,  to  systems  integration  and analysis.  The support for the research and engineering projects undertaken by the MRG comes from a mixture of Government and industrial funding. 

                                                            1 Some of the organisations with which the MRG has ongoing links include: Defence Science and Technology Organisation (DSTO, Australia), Tenix Defence Systems (Australia), CSIRO Division of Telecommunications and Industrial Physics (Australia), Australian Institute of Nuclear Science and Engineering (AINSE, Australia), Integrated Spectronics (Australia), Grain Research and Development Corporation (GRDC Australia), IMEC (Belgium), CEA-LETI (France), CNRS (France), University of Tabriz (Iran), Technion (Israel), Korean Advanced Institute of Science and Technology (KAIST, Korea), Vigo Systems (Poland), US Navy Space and Naval Warfare Center (SPAWAR, USA), Lakeshore Cryotronics (USA), University of California at Santa Barbara (UCSB, USA), University of Illinois at Chicago (UIC, USA), Naval Research Laboratories (NRL, USA), DRS Infrared Technologies (Dallas, USA), Defence Advanced Research Project Agency (DARPA, USA), Army Research Labs (ARL, USA), Night Vision Electronic Sensor Directorate (NVESD, Washington, USA), Raytheon Vision Systems (Santa Barbara, USA), University of New Mexico (Albuquerque), Charles University, Prague (Czech Republic), Parma University (Italy), Agilent Technologies (Australia and USA), Goodrich ISR (USA), Panorama Synergy (Australia)

22 | P a g e   

The  facilities available are among  the best  in Australia  in  the area of  semiconductor material and device fabrication, characterisation and modelling.  The group operates a nanofabrication facility for fabrication of semiconductor devices, and has a multitude of test and characterisation equipment, as well as commercial packages used for device and circuit simulations, modelling and layout. For many projects  in  this  area  students will  use  state‐of‐the‐art  equipment  and  techniques  to measure  a number  of  important  semiconductor  or  device  parameters.    In  some  projects  students will  also undertake  data  analysis  and  help  develop  explanations  of  the  observed  semiconductor material/device behaviour, much of which will be new  and never before  reported.   There  is  also scope to develop automated instrumentation control software in some areas.   

All the final year projects offered by the MRG are self‐contained but are related to, or support, larger ongoing  projects  (for  more  information  about  these  visit  the  MRG  web  page  at http://mrg.ee.uwa.edu.au/  ).   The  type of work  involved varies  from  fundamental and  theoretical research through to applied instrumentation control and development.  Most projects include some mixture of experimental and theoretical work.  Final year students will work alongside postgraduate students and research staff with all projects conducted  in a collegiate atmosphere of collaboration between students and staff.  

The following sections describe the general areas of research undertaken by the MRG.  There are a number  of  projects  available  in  each  area.   Most  projects  tend  to  be  somewhat  open‐ended  as would  be  expected with  a  research  program.    The  exact  limits  and  expected  outcomes  of  your project depend to some extent on your interests, and will be defined in consultation with you.  You will be part of a  team of  staff and postgraduate  students, each working on different aspects of a larger  project  and who  are  interested  and  keen  to  see  your  project  succeed.    In  return  for  this support, you will be expected to regularly report your results to the group and take a wider interest in the overall project.   For more  information about projects, please contact any of the members of the MRG.  Particular experience and/or skills are advantageous to achieve the requirements of some of the projects described.  However, the scope of projects is sufficient to allow the student to obtain these skills during the course of project.  

Academic Staff     

Prof. Lorenzo Faraone (Head, MRG)  lorenzo.faraone@uwa.edu.au  Rm: 1.78 Associate Prof. Farid Boussaid (VLSI)  farid.boussaid@uwa.edu.au   Rm: 4.20 Prof. John Dell  john.dell@uwa.edu.au   Rm: 1.68 Prof. Brett Nener  brett.nener@uwa.edu.au   Rm: 1.72 Prof. Adrian Keating (MechEng)  adrian.keating@uwa.edu.au  Rm: 1.02B (ENCM) Prof. Gia Parish  giacinta.parish@uwa.edu.au   Rm: 1.76  Research Staff     

Prof. Jarek Antoszewski  jarek.antoszewski@uwa.edu.au   Rm: 1.71 Dr Robert Basedow  robert.basedow@uwa.edu.au   Rm: 2.02 Dr John Bumgarner  john.bumgarner@uwa.edu.au   Rm: 1.66 Dr Nima Dehdashtiakhavan  nima.dehdashtiakhavan@uwa.edu.au   Rm: 1.21B Dr Venkatesh Chenniappan  venkatesh.chenniappan@uwa.edu.au   Rm: 1.21B Dr Renjie Gu  renjie.gu@uwa.edu.au   Rm: 1.21B Dr Fei Jiang  fei.jiang@uwa.edu.au   Rm: 1.02 Dr Gregory Jolley  gregory.jolley@uwa.edu.au  Rm: 1.21B Associate Prof. Wen Lei  wen.lei@uwa.edu.au   Rm: 1.58 Prof. Mariusz Martyniuk   mariusz.martyniuk@uwa.edu.au   Rm: 4.17 Associate Prof. Thuyen Nguyen  thuyen.nguyen@uwa.edu.au  Rm: 2.02 Associate Prof. Ramin Rafiei  ramin.rafiei@uwa.edu.au  Rm: 2.02 Associate Prof. Yongling Ren  yongling.ren@uwa.edu.au   Rm: 2.02 

23 | P a g e   

Prof. Dilusha Silva   dilusha.silva@uwa.edu.au   Rm: 1.67 Prof. Gilberto Umana‐Membreno  gilberto.umanamembreno@uwa.edu.au   Rm: 1.69 Mr Nir Zvison (Lab Technician)  nir.zvison@uwa.edu.au   Rm: 2.02  The following Postgraduate Students are doing their research with the MRG: 

Roozbeh Anvari  Wonjae Lee  Anna Podolska  Yan Wang Kirsten Brookshire  Shoufeng Lin  Gino Putrino  Danny Wee Ben Cheah  Hao Liu  Balaji Sankarshanan  Jing Zhang Amit Choudhary  Shaohua Lu  Rohit Sharda   Hemendra Kala  Imtiaz Madni  James Sharp   Farah L. Muhammad Khir  Haifeng Mao  Mohamad Susli   Ashok Kumar Kurapati  Radha Krishnan Nachimuthu  Dhirendra Kumar Tripathi    

International Visitors to the MRG (2013/2014): 

Prof. Charles R. Becker  RIBER SA, University of Illinois at Chicago, USA 

Prof. Antoni Rogalski  Military University of Technology, Poland 

 

Important note:  Many of the project descriptions below are deliberately broad.  In most cases projects can be tailored to student preferences such as for  

Theory 

Modelling (in‐house or using commercial packages such as Sentaurus or ANSYS) 

Measurements using high technology instrumentation, metrology tools and/or optics. 

Hands‐on (“build”)‐type projects, including mechanical or electrical hardware, optics, software and/or interfacing 

If in doubt, just ask the relevant supervisor(s). 

A. INFRARED SENSORS 

The  ability  of  IR  detectors  to  directly  sense  the  thermal  output  of  an  object  has  found  wide application in thermal imaging for medical diagnostics, bushfire detection, satellite remote sensing, search  and  rescue,  thermal  loss  budget  estimation,  as well  as  the more  traditional  defence  and aerospace applications.  In addition, emerging applications of IR detectors are found in spectroscopic systems for mineral exploration, pipeline monitoring, pollution detection and identification, and gas monitoring systems. Specific examples  include; detection of tumours and tissue damage, detecting illegal waste disposal by ships in harbours, preventative maintenance in electrical switchgear such as high voltage transformers. 

A1. HgCdTe‐based detectors (L Faraone, J Antoszewski) 

Characterisation of leading edge photovoltaic devices and/or arrays. For the fabrication of sensitive IR detectors, the highest performance is achieved in devices using the semiconductor material mercury cadmium telluride (HgCdTe or MCT). Modelling and characterisation of molecular beam epitaxially grown HgCdTe materials and heterostructures for high‐performance IR detectors.  

A2. Fabry‐Perot filters for micro‐spectrometers (L Faraone, J Antoszewski, D Silva) 

The Microelectronics Research Group  is working on optical MEMS  technology  to make optical detectors  which  are  only  sensitive  over  a  small,  electrically  tuneable  wavelength  range.  In 

24 | P a g e   

essence, a spectrometer on a chip that has widespread applications  in  food security, precision agriculture, defence & security, and biomedical diagnostics. 

A3. Sensor‐on‐board system for field deployable micro‐spectrometers   (R Rafiei, D Silva, J Bumgarner)  

The  Microelectronics  Research  Group  microspectrometer  project  aims  to  design  a  field deployable  infrared MEMS  spectrometer which will be utilised  for  the assessment of  soil and grain  parameters.    The  goal  of  this  project  is  to  design  and  construct  a  compact  electronic system  (i.e.  sensor‐on‐board)  for  the MEMS  spectrometer.   The electronic  system will  include the  hardware  and  software  needed  for  I/O  interface  with  the  MEMS  spectrometer,  signal conditioning, CPU communication, and power supplies. 

A4.   Long‐wave infrared filter and mirror characterization (R Rafiei, D Silva, H Mao)  

The  Microelectronics  Research  Group  (MRG)  has  recently  commenced  research  into  novel materials  and  fabrication  technologies  for  long wave  infrared  (LWIR)  Bragg mirrors with  the ultimate  aim  of  developing  a  compact,  robust,  and  relatively  low  cost  LWIR  Fabry‐Perot microspectrometer.    LWIR  spectrometer  technology  has  broad  ranging  applications  in environmental monitoring and agriculture while also offering  important advantages for military applications, such as night vision, and target  identification  in clutter.   The final year project will involve  radiometric  modelling  of  the  LWIR  measurement  system,  improving  the  LWIR measurement system capabilities, and LWIR filter and mirror characterization studies. 

A5. Silicon carbide for MEMS microspectrometer applications  (J Bumgarner, M Martyniuk, D Silva)  

As an expansion of the Microelectronics Research Group microspectrometer for field deployable infrared MEMS  spectrometer,  a  project  to  look  into  using  silicon  carbide  for  the membrane material of MEMS microspectrometer would be investigated.  This project would include optical modelling of the performance of the device with this material and basic optical and mechanical characterization  of  SiC  films  acquired  from  another  university  up  to  the  fabrication  of  fixed Fabry‐Perot microdevices. 

A6.  IR Microspectrometer for viniculture   (J Bumgarner, D Silva, R Rafiei)  

The  Microelectronics  Research  Group  microspectrometer  project  aims  to  design  a  field deployable  infrared MEMS  spectrometer.    An  extension  of  the  applications  from  grain  into viniculture  is an obvious future direction.   This portion of the project would be to examine the optical  spectra  of  juices  and  wines  and  their  variations  with  additives  to  determine  the measurement capabilities of the microspectrometer  in this application.   Potentially building an unattended measurement and reporting system would be the final deliverable of such a project building on the results from A3 above. 

B. CHEMICAL SENSORS 

Small,  inexpensive  and  robust  chemical  sensing  is  now  a major  business, with  applications  from security  (detection of  explosives  at  an  airport  for  example),  to  global warming  (determination of total  carbon  in  soil  is  important  for  carbon  sequestration  and  development  of  carbon‐credit schemes), water  recycling  (monitoring of contaminants), and so on. Within MRG chemical sensors are being investigated in a variety of materials systems and device architectures. These projects are quite open and could be anything  from a broad scoping study  to  investigating a particular  type of device in detail. 

25 | P a g e   

 

 

 

B1.  AlGaN/GaN based ion sensors (G Parish, BD Nener) 

Characterisation and optimisation of ion sensors for environmental monitoring applications. AlGaN/GaN‐based transistor structures offer high sensitivity, robust sensors. 

B2.  MEMS based chemical/biological sensors  (J Dell. L Faraone, A Keating, M Martyniuk, D Silva) 

Design and testing of cantilever‐based sensors. and novel optical read‐out technologies based on integrated waveguides, gratings and MEMS cantilevers 

B3.  Lab‐on‐a‐chip (A Keating) 

Lab‐on‐chip research within MRG focuses on techniques which can allow rapid analysis of ultra‐small volumes of fluid. One approach being considered is the use of acoustophoresis on‐chip (ultrasonics) to setup a standing wave within the microchannel. 

C. BIOMEDICAL SENSORS 

The ability to monitor biological and chemical signals with an electronic device is a tremendously innovative approach for cell research and process control in pharmaceutical and microbiological production, and chemical sensing applications. 

C1.  MEMS‐based biosensors   (J Dell, L Faraone, A Keating, M Martyniuk, D. Silva) 

Microcantilever based biosensors are a novel next generation approach to building high sensitivity sensor arrays.  The aim of this project is to create a computer controlled system which focuses a pulsed high power laser onto an absorbing thin film.   

C2.  AlGaN/GaN based biosensors (G Parish, B Nener) 

A bio‐friendly, chemically inert and stable III‐Nitride‐transistor‐based bio/chem‐sensor will be developed to detect responses to various specific compounds/chemicals, particularly through cell receptors. 

26 | P a g e   

D. FUNDAMENTAL MATERIAL STUDIES 

The group studies a variety of materials including: 

HgCdTe:  The MRG has  an  established Molecular Beam  Epitaxy  (MBE)  growth  facility  for mercury cadmium  telluride  (HgCdTe)  semiconductor  structures  for  high‐performance  infrared  detectors. MBE,  a  state  of  the  art  technology  for  semiconductor  crystal  growth,  allows  growth  of  layers  of different semiconductors, from as thin as a single atomic layer, to layers tens of microns thick. MBE technology  is very  important  for  fabrication and design of ultra‐high performance electronics and optoelectronics devices using bandgap engineering. 

III‐nitrides:  The  group  III‐nitride  semiconductor  materials  (GaN,  AlN,  InN,  and  their  alloys),  a relatively   new material  system,  are  commercially  successful  in  short wavelength optoelectronics covering  wavelengths  ranging  from  green  to  ultraviolet.    Research  is  now  focussed  on microelectronics.  III‐nitride‐based  FET  technology  offers  significantly  improved  performance  for applications  in  RF/microwave  power  amplifiers,  high  speed  switching  for  power  electronics,  and operation  in  harsh  electrically  noise  environments,  such  as  the  automotive  industry,  space applications, and switch mode power supplies. 

Porous  silicon: Porous  silicon  is a novel nano‐material with  the  capability  to perform as a mirror, waveguide,  light  emitting  diode,  photodetector,  and  sensor.  Aside  from  optoelectronics,  other applications include: photonic bandgap structures in micro‐optics, solar cells for energy conversion, gas  sensing  for  environmental  monitoring,  high  etch  selectivity  for  wafer  technology,  highly controllable  etching  parameters  for  micromachining,  biosensors,  and  enzyme  immobilization  in biotechnology. 

Silicon‐on‐insulator  and  advanced  group  III‐V  nanostructured  devices  :  In  the  present  bulk‐Si nanoelectronics  technology,  where  individual  transistors  are  already  approaching  the  size comparable with silicon  layer thickness (tens of nanometres), the size/thickness related  issues  lead to  fundamental  problems  in  the  process  of  scaling  devices.  It  is  generally  believed  that  further miniaturisation  will  be  achieved  through  Silicon  On  Insulator  (SOI)  and  advanced  group  III‐V semiconductors, which are nanostrucure‐based  technologies with material    thickness approaching less  than  ten  nanometers,  thus  allowing  further  scaling without  compromising  the  size/thickness ratio. 

Other materials systems are also investigated in collaboration with leading international researchers and industry partners. 

 

27 | P a g e   

D1.  Hall measurements for transport characterization (L Faraone, G Umana‐Membreno, J Antoszewski) 

This project involves characterisation of electrical transport properties of state of the art materials in a variety of technologies such as HgCdTe for infrared sensors, wide‐bandgap semiconductors transistor structures for high power electronics (SiC and GaN based), and next generation group III‐V semiconductor  structures for ultrascaled electronic devices, using Hall Effect and Magnetoresistance techniques. 

D2.  Material quality characterization (J Antoszewski, L Faraone, G Parish, B Nener, G Umana‐Membreno, M Martyniuk, A Keating, W 

Lei) 

Across the various materials systems used for devices in the MRG (particularly HgCdTe, (Al,Ga,In)N and porous silicon), fundamental material studies into electronic and optical material properties are required for continued development of state of the art device technology. The MRG has some of Australia’s best facilities for undertaking materials characterisation (such as minority carrier lifetime, photoresponse, Laser Beam Induced Current, x‐ray diffraction, infrared spectroscopy) for a wide range of semiconductors.  A number of projects are available in this area, working on the development of new techniques, as well as using techniques we have already established to measure the properties of semiconductor layers. 

E. ELECTRONIC/OPTIC SYSTEMS  

The projects in this area involve the design and production of electronic and optics systems that assist in characterising MRG devices or demonstrating the capabilities of MRG work.  

E1.  Electronic/Optic Systems (A Keating) 

Examples could include instrumentation for sensor operation, or position control systems for material/device fabrication. 

E2. A versatile optical system for MEMS device characterization  (R Rafiei, D Silva, L Faraone) 

MEMS optical devices are well suited for use with pixelated arrays. As such, their wider application will benefit from accurate characterization of their optical properties at high spatial resolution and over a wide range of operating conditions. At The University of Western Australia we are in the process of building an experimental system for accomplishing this. This system will enable measurements to be carried out across a wide range of temperatures and with a spectral sensitivity ranging from visible to long‐wave infrared. The final year project will involve system radiometric and ray‐trace modelling, hands‐on testing and performance characterization, followed by device measurements. 

F. ATMOSPHERIC PROPAGATION (N Fowkes, B Nener) 

The ultimate performance of an EO System is determined by the atmosphere.  The atmosphere can degrade the signal through scattering and absorption by aerosols, background radiation, scintillation and  refraction.  Projects  in  this  area  are  both  theoretical  and/or  involve  experimental work.  The experimental work  is  at  sites  like  Rottnest measuring  atmospheric  parameters  important  to  EO propagation  and  involves  the  design  and  installation  of  the  instruments,  and  the  analysis  and modelling  of  atmospheric  data  and  effects.  The  theoretical  work  involves  mathematical  and numerical  modelling  of  atmospheric  effects  relevant  to  EO  systems,  particularly  refraction  and scintillation. 

 

 

28 | P a g e   

F1.  Refractive Index Change in Atmosphere 

Modelling of the effects on light and microwave propagation of refractive index changes due to temperature gradients in the atmosphere over the ocean; modelling of mirages and other image distortions of objects seen at large distances; scintillation. 

G. INTEGRATED CIRCUIT DESIGN (F Boussaid) 

G1.  Camera‐on‐chip 

The current  trend  in Digital  Imaging Technology  is towards  building  camera‐on‐a‐chip  imaging systems,  i.e.,  CMOS  imagers.  The  fully  integrated product  results  in  significant  manufacturing  cost savings,  reduced  system  size,  but  also  in  lower power consumption. The unique concept of CMOS imagers offers the opportunity to  integrate photo‐sensing  array  and  signal  processing  circuitry  on  a single  silicon  chip,  enabling  the development of  a new generation of  smart mobile  imaging  systems. Half  the  size  of  a  small  postage  stamp,  a  CMOS imager chip can even be swallowed (pill‐camera) to transmit  images  from  inside  the  body.  Besides biomedical,  CMOS  imagers  have  numerous commercial  applications  in  cell  phones,  PC notebooks  or  any  application  for which  a  “micro‐camera” can be requested. 

 

Microphotograph of a fabricated CMOS imager (3.5×3.5mm2) 

 

Proposed final year projects will involve building such a camera, and optimize its performance in terms  of  dynamic  range,  resolution  and/or  power  consumption.  A  research  project  is  also available  on  3D  image  sensors.    During  these  projects,  you  will  further  develop  your analog/digital electronic design skills.  

G2.  Electronic nose 

Sniffing‐dogs are able to detect thousands of chemicals with high sensitivity and selectivity using only biological components. These nasal powerhouses have been successfully used to search for pipeline  leaks, drugs, or explosives. You will develop a biologically  inspired Electronic Nose  (or ENose  for short), that mimics the organization and neural processing of the olfactory bulb. The Enose will comprise a chemical sensor array and a gas recognition engine, integrated on a single chip. Projects offer an opportunity to discover and apply neuroscience principles into made‐made engineering  systems.  Projects  will  be  tailored  around  your  interests,  whether  neuroscience and/or integrated circuit design. 

29 | P a g e   

 

Microphotograph of a fabricated electronic nose 

G3.  UWA Unmanned Aerial Vehicle (UAV 

We  seek  to  develop,  design  and manufacture  a  UWA‐made  UAV  (Unmanned  Aerial  Vehicle). UAVs are man‐made flying vehicles capable of operating without a person on board. UAVs come in a  large variety of sizes and shapes and applications. This project will focus on the  ‘miniature’ UAV category, which  is defined as having a maximum  take‐off weight of 30Kg, maximum  flight time of 2 hours and a maximum altitude of 300 meters. This category represents a good trade‐off between size, complexity and cost when compared to  larger UAVs. Mini‐UAVs are  large enough to  carry useful payloads  such  as digital  cameras,  sensors  and other  equipment.  They  are  also small enough that they can be built relatively cheaply and do not come with the strict regulation requirements for operating and testing larger aircrafts. 

The core components of a UAV are: the airframe, the propulsion system, the avionics, the radio data  link, the base‐station and the payload. Given that the UAV project has  just started, help  is sought at all levels and disciplines. 

G4.  Efficient energy harvesting interface circuits 

The ever increasing demand for portable and miniature yet computationally powerful electronic devices has put stringent size and weight requirements on the power source or battery, whose capacity  is  in  turn  being  increasingly  limited.  The  proposed  projects will  tackle  the  issue  and explore ways to design efficient  interface circuits to extract (harvest) the maximum power from available ambient energy  sources  (e.g.,  solar power,  thermal energy, or kinetic energy). During the  project,  you  will  further  develop  your  analog  circuit  design  skills  in  the  area  of  energy harvesting and power management. 

G5.  Wearable Wireless Sensors 

Wearable wireless sensors enable the real‐time capture of biophysical and kinematic data for a wide  range of application areas  from  remote monitoring of epilepsy,  stroke and other  chronic disease patients to motion‐analysis for sports or gait analysis for the early detection of Parkinson. You will acquire and process data using wearable wireless sensors for one of the aforementioned applications.  The  project  will  involve  hardware  interfacing  and  the  development  of  signal processing algorithms. 

 

 

30 | P a g e   

G6.  Propose your own project 

If you have a project  idea for your final year project, please write a small paragraph  identifying the problem/challenge you would like to address. Your proposal will then be evaluated to assess that  it meets  the degree  requirements. The scope of  the project may be  reviewed accordingly. Please feel free to book an appointment with me to discuss any relevant project  ideas you may have. 

   

31 | P a g e   

 

http://obel.ee.uwa.edu.au 

 

Outcome focused, interdisciplinary research using light to perform imaging, sensing and 

diagnosis in biomedical applications. 

 

Our  projects  are  designed  to  contribute  to  our  research which  has  an  international  profile. As  a 

result  they  can be  challenging and extremely  rewarding. We offer projects  in one or more of  the 

following subjects: 

Optical engineering – design and realization of optical systems. 

Theoretical optics and electromagnetic theory – development of theory underlying the imaging techniques we employ. 

Instrumentation, electronics and system integration. 

Image processing – improving the quality of images and extracting new types of information. 

Numerical  modelling  –  modelling  of  image formation. 

Biology  and  medicine  –  interpretation  of images and application of techniques. 

Software engineering – development of robust software systems to drive our imaging systems. 

It is not a prerequisite that you be experienced in these fields to undertake a project. You would be 

supervised  by  one  of  OBEL’s  research  staff  and  given  the  opportunity  to  learn  the  valuable 

transferable  skills  required  to  complete  your  project. OBEL  has  a  team  ethos  and  you would  be 

actively encouraged to work as part of a team. 

 

Head of group: Winthrop Professor David Sampson 

32 | P a g e   

OBEL  has  a  tradition  of  undertaking  quality  research  in  optical  and  biomedical  engineering. We 

attract high calibre honours students who go on to be employed by leading companies. For example, 

recent  graduates  of  OBEL  have  gone  on  to  work  in  companies  such  as  Google,  Delloite, 

Schlumberger  and  Finisar  and  universities  such  as MIT,  University  of  Illinois  and  ANU.  Recent 

honours students have also published original work in academic journals such as: 

B. Lau et. al, “Imaging true 3D endoscopic anatomy by incorporating magnetic tracking with optical 

coherence tomography: proof‐of‐principle for airways,” Optics Express, 18(26), 7173‐27180, 2010 

B.F. Kennedy et. al, “Strain estimation in phase‐sensitive optical coherence elastography,” 

Biomedical Optics Express, 3(8), 1865‐1879, 2012. 

OBEL’s microscope  in  a  needle was  a  finalist  at  the  2012  Australian Museum  Eureka  Prizes  for 

Innovative Use of Technology.  In actively  seeking  to  commercialise out work, we  regularly patent 

novel technology developed within the group. 

The OBEL team is composed of a mixture of research staff and PhD students: 

 

Research  staff:  W/Prof.  David  Sampson,  Dr  Robert  McLaughlin,  Dr  Brendan  Kennedy,  Dr  Dirk 

Lorenser, Dr Peter Munro, Mr Bryden Quirk, Mr Rodney Kirk. 

 

PhD Students: Loretta Scolaro, Blake Klyen, Boon Yew (Teddy) Yeo, Xiaojie Yang, Peijun Gong, Kelsey 

Kennedy, Lixin Chin, Andrea Curatolo, Shaghayegh Eshaghian.  

 

In  addition  to our  staff  and  students, we  collaborate with  international  researchers based  in,  for 

example, the USA, Italy, Poland and the UK.  

All project areas  can accommodate  two or more  students.  It may not be  completely  clear  to you 

what you would actually do from the project description alone. Please take the opportunity to come 

and talk to us so that we can define a project around your skills. Contact details can be found on our 

webpage. 

 

1.  Medical imaging with optical coherence tomography 

Optical  coherence  tomography  (OCT)  is  an  ultra‐high  resolution  medical  imaging  modality.  Conceptually, it is similar to ultrasound  imaging, except that reflections of light are detected rather than  sound.  This  enables  a much  finer  scale  of  image  than  is  possible with  ultrasound.   OCT  is providing  images  of  unprecedented  clarity  of  living  biological  entities  and  is  providing  new information on a variety of diseases and conditions, including cancer and muscular dystrophy. 

 

OCT  research  at OBEL  aims  at  understanding  and  improving  the  technique  and  in  designing  and building  instruments  for various applications,  including breast cancer  (with surgeons at Sir Charles Gairdner Hospital and Royal Perth Hospital), skin  (scar assessment with Royal Perth Hospital), and 

33 | P a g e   

animal muscle  tissue  (for muscular dystrophy research with Miranda Grounds at UWA Anatomy & Human Biology). 

Examples of possible projects: 

i) Instrumentation Design: Design and construct a compact OCT system for clinical use.  The focus is  on miniaturization  of  the  current  optical  fibre‐based  system  and  involves  the  design  and construction of portable/compact electronic and optical modules.  The portability and reliability of the system will be tested under clinical conditions; 

ii) Image  Processing  of medical  images:  OBEL  is  currently  exploring  the  use  of  several  image processing  techniques,  including  segmentation  and  registration,  to  extract  new  types  of information  from high resolution medical  images, Projects  include developing new algorithms to  analyse  images  of  breast  cancer,  lung  disease  and  burn  scars.  This  is  a  software‐based project and will require knowledge of either Matlab or C++. 

2. OCT needle probes  

We have developed a number of prototype needle probes, where the miniaturised optics of the OCT system are encased  in a medical hypodermic needle. These probes will enable  surgeons  to more accurately detect cancer during surgery, and provide new ways to assess lung diseases. 

 

We  are  actively  exploring  new  probe  designs,  and  possible  projects will  focus  on  the  optics  and mechanical design of the probe itself. These are hardware‐based projects that involve researching a new probe design, fabrication of the optics and assessment of the probe. 

3.  High resolution elastography 

Elastography is a new imaging technique which creates an image of what tissue ‘feels’ like. It can be used to differentiate between healthy and diseased tissue by measuring the elastic properties of the tissue.  We  have  combined  this  technique  with  optical  coherence  tomography  to  achieve  high resolution elastography. Examples of possible projects are: 

(left): Histology of human breast cancer tissue. (right) Optical coherence tomography scan the same tissue, acquired 

with an OCT needle probe. 

34 | P a g e   

Signal processing to estimate strain:  We  implement elastography  by  placing  the tissue under mechanical  load and  measuring  the  resulting displacement  using  optical coherence  tomography.  The strain  introduced  to  the tissue  is  then  determined from  the spatial derivative of displacement.  We  are exploring  new  algorithms  to improve the strain estimation and to remove artefacts from our  images.  Possible projects in  this  area  include  the development  of  phase unwrapping algorithms and the acquisition and analysis of the Doppler spectrum.  

Handheld  probe  design  and  implementation: We  are  developing  handheld  probes  to  allow clinicians to perform elastography measurements on patients. This involves design of an optical fibre probe  and  loading mechanism.  The  loading mechanism must be  synchronised with  the image acquisition. Also, it is important to measure the force exerted by the probe on the tissue. Your project  could  involve working  in part of  the  team aiming  to develop  the  first handheld optical elastography probe. 

 4. Optical theory and modelling 

We have developed the most realistic models of image formation in optical coherence tomography 

currently available. We are  very  keen  to put  the models  to work  to make new discoveries about 

imaging in biological tissue. We offer the following projects in this area: 

 

i) Rigorous  modelling  of  light  tissue interaction  for  large  volumes  of  tissue. We  have  expertise  in  using  rigorous techniques  such  as  the  finite  difference time  domain  method  to  model  light scattering  however  we  would  like  to extend  this  technique  to  be  able  to model  larger  volumes  of  tissue.  We intend to make use of a technique which makes  use  of  Fourier  transforms  to calculate  spatial  and  temporal derivatives  which  allows  a  substantial reduction  in  the  field  sampling  density. This  project  would  require  a  student with,  or  a  desire  to  develop,  skills  in electromagnetic  theory  and  C/C++ programming. 

(a) Optical image; and (b) Strain image of a tumor-simulating material.

A focused beam propagating in air (top) and a focused beam travelling through tissue (lower)

35 | P a g e   

 

ii) Another way of extending the volumes of tissue which we can model is to parallelise our current finite difference time domain code. This code could run on  iVEC’s cluster computer. Again, this project would require a student with, or a desire to develop, skills in electromagnetic theory and C/C++ programming. 

 

iii) The  main  factor  limiting  optical  coherence  tomography’s  imaging  depth  is  scattering  by biological tissue Two images on this page demonstrate how scattering effects the beam used for imaging  (see  above)  and  also how  it  results  in  image distortion  (see  right). We have  a project  to  try out  a number of different  types of beams  theoretically and experimentally.  This  is  an  exciting  do  some  cutting edge research. 

 

iv) We  have  a  number  of  other modelling  problems  to solve,  please  come  and  discuss with  us  if  you would like to do a modelling project but don’t particularly like those mentioned above. 

5. Investigation of optical properties of biological samples 

One  goal  in OCT  is  to measure  the  optical  properties  of different tissue samples. This includes measuring how rapidly light attenuates and the directionality of  optical  scattering.  It  is  important  to  benchmark  optical  property measurements  in OCT  using independent techniques. A possible project would involve building optical setups using components such as lasers, optical fibres, goniometers and integrating spheres to allow this benchmarking to be performed. Another possible project would involve characterisation of nanocrystals for use in optical spectroscopy. 

 

6. Visualisation and rendering  

A  large  component  of  our  research  involves 

efficient  handling  of  large  3D  datasets. 

Possible  project  in  this  area  are  related  to 

visualisation,  feature  extraction  or  GPGPU 

(General  Purpose  Graphics  Processing  Unit) 

development. This could  involve real‐time 3D 

rendering for our optical imaging systems.  

 

3D rendering of an OCT scan of lung tissue, showing alveoli 

and small airways (bronchioles). 

Experimental OCT image (a) and simulated images (b) and (c) with increasing amounts of

36 | P a g e   

 

7. Improving OCT image quality 

OCT  images are subject to a granular or mottled appearance, similar to ultrasound, due to speckle. 

We  are  interested  in developing  techniques  to  reduce  speckle  and  improve  image quality, whilst 

maintaining  high  resolution.  A  possible  project  would  involve  developing  new  techniques  and 

comparing existing techniques to achieve this.  

 

One  technique  that we are keen  to  investigate uses sparse  image  representations. This  technique 

has already been demonstrated  in photography and has great potential  for denoising and  feature 

extraction in optical imaging. 

 

8. Fluorescence imaging and tomography for small animal imaging 

The use of fluorescence tomography and planar imaging is increasing rapidly in medical research. It 

allows for molecular imaging, albeit at low spatial resolution, in live small animals in such a way that 

the animal is not harmed. We are at the very beginning of building a fluorescent tomography system 

and are offering projects in the design and construction of the system. Broadly speaking, the system 

will  be  composed  of  a  broadband  light  source  with  an  array  of  spectral  filters,  a  photographic 

camera with a low noise CCD and a tuneable spectral filter to filter light which enters the lens of the 

camera. The camera and tuneable filter will all need to be computer controlled. We will also need to 

develop a means of determining the three‐dimensional surface of the  imaged object, which  in the 

first  instance  will  be  a  phantom,  not  an  animal.  This  project  will  also  have  significant  signal 

processing and information extraction aspects. 

 

This will be an excellent project for student wishing to work with various types of hardware which 

need to combine into a single system. It is also an opportunity to join a project at the ground level. 

   

37 | P a g e   

  CEED (Co‐operative Education for Enterprise Development) is a formal program designed to link the abilities and  training of undergraduate and postgraduate students with research and development needs of progressive organisations within  the wider community. The CEED program at UWA gives access to any discipline within the University  CEED  joint research projects  include a period of full time work on the project at the client's site at some stage during the project, as well as the normal time invested on campus.  CEED  clients determine  the  topics, which  are  set up  as extended undergraduate or postgraduate projects. Though seldom required, project content can be adapted to increase in academic demands to  ensure  high  grade  students  can  demonstrate  their  academic  ability.  Clients  provide  resources particular to their project, and contribute a fixed sum as their share of other costs.   Two DTSO atmospheric propagation CEED projects are offered and are listed below. Students will need 

to apply for these projects through the CEED program. Full details of the projects and the application 

procedures are available at www.ceed.uwa.edu.au. Applications close on Friday October 4th. 

 Refractive Effects in the Maritime Boundary Layer (Supervisor – Brett Nener) 

Modelling and simulation improvements are sought in the following areas: 

•  Effects of sea‐spray on periscope windows 

•  Effects of camera movement (orientation and position) on simulated video (motion blur) 

•  Refractive effects (e.g. mirage) in the maritime boundary layer 

Sea spray impacting on the periscope and the ensuing drain‐down over the periscope window can 

impede periscope operations. Not only in the visible band but also in the thermal wave bands where 

transmission and emissivity effects may impact on performance and small droplets on the window 

may be falsely perceived as detections. 

Further research is also sort in the area of refractive effects in the maritime boundary layer.  Such 

effects can cause false horizons, obscure surface objects, and render recognition tasks more difficult.  

Previous work on analytical forward and inverse solutions based on linear, quadratic, or exponential 

refractive index height profiles provides a solid foundation for continued study. 

   

38 | P a g e   

The Inverse Solution of Refractive Effects in the Maritime Boundary Layer Near the Sea Surface 

(Supervisor – Brett Nener) 

Modelling and simulation improvements are sought in the following areas: 

•  Effects of sea‐spray on periscope windows 

•  Effects of camera movement (orientation and position) on simulated video (motion blur) 

•  Refractive effects (e.g. mirage) in the maritime boundary layer 

Sea spray impacting on the periscope and the ensuing drain‐down over the periscope window can 

impede periscope operations. Not only in the visible band but also in the thermal wave bands where 

transmission and emissivity effects may impact on performance and small droplets on the window 

may be falsely perceived as detections. 

A refraction model is needed which accepts meteorological input data and estimates the refractive 

index profile over a given wavelength band (including visible and thermal bands).  The model would 

then use analytical solutions to predict the associated ray paths for a given line of sight and field of 

view.  This research will also involve development of the exponential analytical solution.  Secondly, 

further study is sort to develop the inverse solution using real imagery of known maritime surface 

objects in known meterological conditions, and estimate the effective refractive index profile over a 

range of weather conditions.  DSTO can assist with provision of reference data sets if required.