Teknillisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa Kuopion kampuksella.
Mikä on väitöstutkimuksesi aihe? Miksi aihepiiriä on tärkeää tutkia?
Väitöskirjatyössä kehitettiin laskennallisia menetelmiä taustaorientoituneen schlierenkuvantamisen mallinnukseen ja käänteisongelmaan. Taustaorientoitunut schlierenkuvantaminen on kohtalaisen uusi optinen menetelmä ultraäänikenttien mittaamiseen. Menetelmä perustuu valon taittumiseen taitekerroinjakauman läpi, mikä voidaan havaita kuvannettavassa taustakuvaparissa. Ultraäänikenttien kuvantamisen tapauksessa taitekerroinjakauma syntyy akusto-optisen ilmiön seurauksena, eli menetelmä yhdistää optisen ja akustisen fysiikan. Ultraäänikenttä voidaan laskennallisesti estimoida kuvannettujen taustakuvien perusteella.
Menetelmää voidaan käyttää ultraäänikenttien kuvantamisen lisäksi myös yleisemminkin taitekerroinjakaumien kuvantamisessa. Taustaorientoitunut schlierenkuvantaminen yhdistää optisen ja akustisen fysiikan siten, että ultraäänikenttä voidaan ratkaista matemaattisena käänteisongelmana. Käänteisongelma on kuitenkin huonokuntoinen, eli herkkä virhelähteiden suhteen, mikä on merkittävin haaste taustaorientoituneessa schlierenkuvantamisessa. Rekonstruoidun ultraäänikentän tarkkuus voi myös heikentyä, jos mittausasetelman parametreja ei tunneta tarkasti.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Väitöskirjatyössä kehitetyt laskennalliset menetelmät pyrkivät edistämään ultraäänikenttien mittaamista taustaorientoituneella schlierenkuvantamisella entistä tarkemmin. Työ toteutettiin kolmessa osassa. Työn ensimmäisessä osassa kehitettiin lineaarista approksimaatiota hyödyntävä menetelmä estimoimaan matalaintensiteettisiä ultraäänikenttiä. Työssä sovellettiin perinteisen optisen virtauksen menetelmien sijaan potentiaalivirtausta, jonka havaittiin olevan tarkempi ja soveltuvan paremmin mielivaltaisesti asetellun ultraäänikentän estimointiin.
Työn toisessa osassa potentiaalivirtausmenetelmän kehitystä jatkettiin soveltaen sitä korkeaintensiteettisten ultraäänikenttien estimoimiseen. Ratkaisumenetelmän havaittiin olevan aiempaa menetelmää huomattavasti tarkempi. Lisäksi työssä esiteltiin aiempaa tarkempi epälineaarinen malli simuloimaan tarkasteltavaa fysiikkaa.
Väitöskirjatyön kolmannessa osassa kehitettiin entistä tarkempi kokonaisvaltainen mallinnusmenetelmä simuloimaan mittausasetelmaa sekä mittauksia. Mallia ja väitöskirjan ratkaisumenetelmiä hyödyntäen työssä määritettiin mittausasetelman parametrien ja niiden epävarmuuden vaikutusta estimoidun ultraäänikentän tarkkuuteen.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Väitöskirjassa kehitettyjä menetelmiä voidaan hyödyntää ultraäänikenttien entistä tarkempaan kuvantamiseen taustaorientoituneella schlierenkuvantamisella. Lisäksi tuloksia voidaan tulevaisuudessa hyödyntää kehitettäessä ultraäänikenttien kuvantamiseen tarkoitettuja taustaorientoituneita schlierenkuvantamisen mittausasetelmia. Kehitetyt menetelmät ja mallit eivät kuitenkaan rajoitu vain ultraäänikenttien kuvantamiseen, vaan niitä voidaan soveltaa yleisemminkin aaltomaisten taitekerroinjakaumien kuvantamisessa.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Väitöskirjan lähtökohtana oli aikaisempi taustaorientoituneen schlierenkuvantamisen perustava teoria sekä mittausasetelma (OPUS-laboratorio, https://sites.uef.fi/opus/), joiden osoitettiin olevan lupaavia ultraäänikenttien kuvantamiseen. Väitöskirjassa kehitettiin uusia menetelmiä ultraäänikenttien estimointiin, jotka perustuvat optiseen virtaukseen ja potentiaalivirtaukseen sekä tomografiseen takaisinprojisointiin. Tämän lisäksi väitöskirjassa kehitettiin uusia menetelmiä mallintamaan ilmiön fysiikkaa. Väitöskirja kehitettiin osana Inversiomallinnuksen ja kuvantamisen huippuyksikköä.
FM Eero Koposen teknillisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Background-oriented schlieren imaging for measuring ultrasound fields (Taustaorientoitunut schlierenkuvantaminen ultraäänikenttien mittaamiseen) tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa, Kuopion kampuksella. Vastaväittäjänä toimii professori Lauri Oksanen, Helsingin yliopisto, ja kustoksena dosentti Aki Pulkkinen, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on englanti.
Lisätietoja:
Eero Koponen, eero.koponen@uef.fi
- Väitöstilaisuus
- Väitöskirja (PDF)
