Venäläisten rynnäkkökoneiden ja monitoimihävittäjien sensori- ja omasuojajärjestelmien tekninen tarkastelu ja niiden vaikutukset ilmasta-maahan suorituskykyyn

Tutkimuksen aiheena on Venäläisten rynnäkkökoneiden ja monitoimihävittäjien sensorija omasuojajärjestelmien tekninen tarkastelu ja niiden vaikutuksen ilmasta-maahan suorituskykyyn. Tutkimustyö käsittelee venäläisten rynnäkkökoneiden SU-24 ja SU-25 sekä monitoimihävittäjien SU-27SM ja MiG-29SMT sensoreita ja omasuojajärjestelmiä sekä käytettäviä asejärjestelmiä. Tutkimuksessa muodostetaan sensori-, omasuoja- ja asejärjestelmien avulla kokonaiskuva koneiden ilmasta-maahan suorituskyvystä. Tutkimuksessa pyritään vastaamaan seuraaviin kysymyksiin: Mistä muodostuu ilmastamaahan suorituskyky? Mitkä ovat Venäjän ilmavoimien yleisimmät rynnäkkökoneet ja monitoimihävittäjät ja mitä järjestelmiä niissä on? Mikä on koneen optimaalinen suorituskyky tarkasteltavaa kohdetta vastaan? Tutkimuksen sivutuotteena vastataan kysymykseen: Mikä on panssarivaunun tutkaheräte dBm² ja m² suureina? Tutkimuksen tutkimusmenetelminä on käytetty kirjallisuustutkimusta ja vertailevaa tutkimusmenetelmää. Järjestelmien julkisissa lähteissä ilmoitettu suorituskyky on pyritty todentamaan matemaattisesti laskien. PVTT:ssa toteutettujen simulointien avulla on voitu laskea lavettien tutkien havaitsemisetäisyyksiä. Tutkimustyön lähdeaineisto pohjautuu julkisiin lähteisiin. Suurin osa tutkimustyön lähteistä on internetistä julkaistuja artikkeleita ja teknisiä raportteja. Lähdeaineistoa lukemalla, vertailemalla ja analysoimalla on koostettu tietoa aiheesta. Rynnäkkökoneiden ja monitoimihävittäjien tutkien suorituskyvyn muodostamiseksi toteutettiin panssarivaunun 3Dmallin tutkaherätteen simulointi. Tulosten perusteella voidaan vertailla käytössä olevien tutkien suorituskykyä. Ilma-aseen suorituskyky pohjautuu pääosin käytettäviin sensoreihin ja laitteisiin. Sensorijärjestelmillä suunnistetaan, paikannetaan maali, osoitetaan maali käytettävällä asejärjestelmällä ja ohjataan asejärjestelmä haluttuun maaliin. Omasuojajärjestelmillä mahdollistetaan ilma-aseen toimiminen alueella vallitsevasta uhkasta huolimatta. Omasuojajärjestelmät koostuvat varoittimista ja aktiivisista vastatoimenpidejärjestelmistä.. Ilmasta-maahan suorituskykyyn vaikuttavat oleellisesti lavetin kyky havaita kohteita tutkalla, lämpökameralla ja TV-kameralla. Ilmasta-maahan suorituskykyyn vaikuttaa oleellisesti miltä etäisyydeltä kohde voidaan havaita ja miltä etäisyydeltä asejärjestelmä voidaan laukaista. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta Venäjän ilmavoimilla olevan suorituskyvyltään hyvällä tasolla olevia koneita. Suorituskykyisten koneiden lukumäärä on hyvin pieni. Suurin osa operatiivisessa käytössä olevista koneista ei ole suorituskyvyltään riittävällä tasolla. Modernisaatioiden myötä Venäjän ilmavoimat saavuttavat riittävän suorituskyvyn rynnäkkökoneille ja monitoimihävittäjille.

Water vapor tightness of packages: methods and optimizing

Työn tarkoituksena oli testata jo tutkimuskeskuksella käytössä ollutta ja tutkimuskeskukselle tässä työssä kehitettyä pakkauksen vesihöyrytiiveyteen liittyvää mittausmenetelmää. Saatuja tuloksia verrattiin keskenään sekä materiaalista mitattuihin arvoihin. Elintarvikepakkauksia tutkittiin myös kosteussensoreiden, säilyvyyskokeen sekä kuljetussimuloinnin avulla. Optimoinnilla tutkittiin pakkauksen muodon vaikutusta vesihöyrytiiveyteen. Pakkauksen vesihöyrynläpäisyn mittaamiseen kehitetty menetelmä toimi hyvin ja sen toistettavuus oli hyvä. Verrattaessa sitä jo olemassa olleeseen menetelmään tulokseksi saatiin, että uusi menetelmä oli nopeampi ja vaati vähemmän työaikaa, mutta molemmat menetelmät antoivat hyviä arvoja rinnakkaisille näytteille. Kosteussensoreilla voitiin tutkia tyhjän pakkauksen sisällä olevan kosteuden muutoksia säilytyksen aikana. Säilyvyystesti tehtiin muroilla ja parhaan vesihöyrysuojan antoivat pakkaukset joissa oli alumiinilaminaatti- tai metalloitu OPP kerros. Kuljetustestauksen ensimmäisessä testissä pakkauksiin pakattiin muroja ja toisessa testissä nuudeleita. Kuljetussimuloinnilla ei ollutvaikutusta pakkausten sisäpintojen eheyteen eikä siten pakkausten vesihöyrytiiveyteen. Optimoinnilla vertailtiin eri muotoisten pakkausten tilavuus/pinta-ala suhdetta ja vesihöyrytiiveyden riippuvuutta pinta-alasta. Optimaalisimmaksi pakkaukseksi saatiin pallo, jonka pinta-ala oli pienin ja materiaalin sallima vesihöyrynläpäisy suurin ja vesihöyrybarrierin määrä pienin.

Energy harvesting methods for wireless sensor nodes in heavy-duty vehicles

The number of autonomous wireless sensor and control nodes has been increasing rapidly during the last decade. Until recently, these wireless nodes have been powered with batteries, which have lead to a short life cycle and high maintenance need. Due to these battery-related problems, new energy sources have been studied to power wireless nodes. One solution is energy harvesting, i.e. extracting energy from the ambient environment. Energy harvesting can provide a long-lasting power source for sensor nodes, with no need for maintenance. In this thesis, various energy harvesting technologies are studied whilst focusing on the theory of each technology and the state-of-the-art solutions of published studies and commercial solutions. In addition to energy harvesting, energy storage and energy management solutions are also studied as a subsystem of a whole energy source solution. Wireless nodes are also used in heavy-duty vehicles. Therefore a reliable, long-lasting and maintenance-free power source is also needed in this kind of environment. A forestry harvester has been used as a case study to study the feasibility of energy harvesting in a forestry harvester’s sliding boom. The energy harvester should be able to produce few milliwatts to power the target system, an independent limit switch.

Sensoriteknologia rakennetun alueen taistelussa

Nykyajan sodankäynti painottuu yhä enemmän taisteluun informaatiosta. Informaation perusteella muodostetaan tilannekuva, jonka avulla päätökset tehdään. Informaation hankinnassa on sensoriteknologia keskeisessä asemassa. Kaupunkien merkityksen korostumisen seurauksena pääosa nykyajan taisteluista tullaan käymään ainakin osittain rakennetulla alueella. Sensorien toiminnan kannalta rakennettu alue on aivan erilainen ympäristö kuin esimerkiksi metsämaasto. Esimerkiksi lyhyet tähystysetäisyydet erityisesti sisätiloissa, rajoitettu näkyvyys, erilaisista materiaaleista valmistetut rakennukset ja pinnat sekä valoisuuden vaihtelu sisätiloissa asettavat uusia vaatimuksia sensorien suorituskyvylle. Tutkimuksessa tarkastellaan uhkamallina Yhteiskunnan turvallisuusstrategian mukaista strategista iskua, jonka osakohteina voivat olla esimerkiksi sähkön jakelun valvomot ja materiaalin varastotilat. Näiden kohteiden lisäksi tarkastellaan ulkotiloja yleisesti. Tutkimus on kirjallisuustutkimus ja sen tarkastelutapa on tekninen. Tutkimuksen ensimmäisen osan tarkoituksena on selvittää eri sensoreiden suorituskyky ja kehityksen tulevaisuudennäkymiä. Tutkimuksen toisessa osassa tarkastellaan eri sensorijärjestelmien sopivuutta tilannekuvan hankkimiseen ja ylläpitoon rakennetulla alueella kahta esimerkkitapausta soveltaen. Tavoitteena on selvittää rakennetun alueen asettamat reunaehdot eri sensorijärjestelmille. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että yksittäiseen teknologiaan perustuva sensori ei ole suorituskykyinen rakennetulla alueella. Eri teknologiat soveltuvat eri olosuhteisiin ja monien nykyisten järjestelmien suorituskyky rakennetulla alueella on hyvin rajoittunut. Tutkimuksen perusteella tulevaisuudessa korostuvat erityisesti optronisten sensorien integrointi yhteen laitteeseen, liikuteltavat sensorit sekä langattomat sensoriverkot. Sensoriteknologia rakennetulla alueella vaatii runsaasti lisätutkimusta esimerkiksi sensorin lavetin merkityksestä ja taistelunkestävyydestä sekä taktisten miehittämättömien ilmaalusten käytöstä sisä- ja ulkotiloissa.

Seuraavan hävittäjähankkeen ideointivaiheessa käytettäviä suorituskykykriteerejä

Nykyisen torjuntahävittäjäkaluston elinkaaren päättyminen 2025 - 2030 aiheuttaa tarpeen aloittaa korvaavan suorituskyvyn rakentamisen suunnittelu ja tutkiminen lähivuosina. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kartoittaa suorituskykykriteerejä huomioitavaksi seuraavan hävittäjähankkeen ideointivaiheessa tapahtuvaan operatiivisten suorituskykyvaatimusten laadintaan. Ideointivaiheessa ei päätetä miten suorituskyky toteutetaan ja sen takia tutkimuksessa hävittäjä -termi käsitti laaja-alaisesti miehittämättömän ja miehitetyn vaihtoehdon. Strateginen suunnittelunprosessi ja suorituskyvyn rakentaminen on puolustusvoimissa muutoksen alla. Puolustusvoimat on siirtymässä enemmän suorituskykylähtöiseen kehittämiseen. Suorituskykylähtöisen kehittämisen mahdollistamiseksi on meneillään olevalla suunnittelukierroksella luotu luonnoksena määrittely puolustusjärjestelmän suorituskykyalueista. Tutkimuksessa käytettiin suorituskyvyn käsitemallin kyvykkyysnäkymää luvussa 3 esitellyin rajauksin. Kyvykkyysnäkymän soveltuvuuden selvittämiseksi tutkimuksessa tutkittiin puolustusjärjestelmän suorituskykyalueiden sekä suorituskyvyn käsitemallin ja sen kyvykkyysnäkymän liittymistä suorituskyvyn rakentamiseen tulevaisuudessa. Tutkimuksessa käytettiin pääosin Survey -kirjallisuustutkimusta ja puolustusvoimien asiantuntijoille sekä teollisuudelle suunnattua avointa kyselyä tulevaisuuden suorituskykykriteereistä. Tutkimuksen näkökulmana oli projekti-/hankehenkilöstön näkökulma seuraavassa hävittäjähankkeessa. Kyselyjen ja alaan liittyvien julkaisujen perusteella koottiin merkittävimpiä havaintoja kyvykkyysnäkymäalueittain. Tulokset on esitetty edellä mainitulla jaottelulla luvussa 4. Toimintaympäristötietoisuus ei esiintynyt alkuperäisessä merkityksessään, vaan se rajattiin tässä tutkimuksessa käsittelemään tilannetietoisuutta. Merkittävimpinä tuloksina oli suorituskykyjen osalta verkottumisen, toimintaympäristötietoisuuden, tiedon vastaanottamisen ja jakamisen sekä tiedon yhdistämistä tukevan automatiikan vaatimusten korostuminen. Huomattava tekijä oli edellä mainittujen kykyjen sidonnaisuus toisiinsa. Tulevaisuuden järjestelmät nähtiin komplekseina ja nykyisiä kalliimpina. Verkottuminen korostuu taistelun lisäksi myös logistiikassa (huoltoketjun optimointi) ja joukkojen tuottamisessa (virtuaalisimulaattoriympäristöjen tarve). Hävittäjällä pitää olla kyky vaikuttaa tarkasti kauas ja lähelle, joko omaan tai muiden antamaan maalinosoitukseen. Vaikutukseen tulee pystyä kineettisesti ja ei-kineettisesti. Hävittäjän suojan on koostuttava laajasta keinovalikoimasta, johon liittyy oleellisesti erilaiset häiveteknologiat. Puolustusministeriön materiaalistrategian vaatimuksena oleva kansallinen ja kansainvälinen yhteistoimintakyky nähtiin kaluston optimoinnin kannalta välttämättömänä. Elinjakson kustannustehokkuuden varmistamiseksi seuraavan hävittäjän sensori- ja asejärjestelmä tulisi kyetä ylläpitämään uhkaa vastaavalla tasolla koko elinkaaren ajan ilman suuria rakenteellisia päivityksiä. Käytettävyys pidetään korkeana esimerkiksi hävittäjän kyvyllä ottaa vastaan uusia aseita ja sensoreita plug and play tyylisesti. Tutkimustulosten perusteella mielenkiintoisin jatkotutkimustarve on verkottumisen tuoma suorituskyvyn lisääntyminen ja sen merkitys tulevaisuuden hävittäjäkoneissa.

Häivehävittäjän torjunta nykyaikaisella torjuntahävittäjällä

Sotilasilmailun viimeisintä kehitystä edustavat häivehävittäjät, joissa pyritään häiveominaisuuksia sekä uusinta sensori- ja moottoritekniikkaa hyödyntämällä ylivertaiseen suorituskykyyn muihin hävittäjiin verrattuna. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan häivehävittäjien suorituskykyä taktisesta näkökulmasta. Tutkimuksen tavoitteena on hyödyttää taktiikan jatkotutkimusta selvittämällä, mitkä häivehävittäjän ominaisuudet ja taktiset periaatteet ovat merkittävimpiä, kun suunnitellaan sen torjuntaa nykyaikaisella torjuntahävittäjällä. Tutkimus toteutettiin julkisesti saatavilla olevien kirjallisten lähteiden sisältöä analysoimalla hyödyntämällä hypoteettisdeduktiivista tutkimusmenetelmää. Tutkimusaineisto koostuu ilmailualan kirjallisista julkaisuista sekä internet-sivustoilta kerätyistä artikkeleista. Aineiston johdonmukainen analyysi tehtiin tarkastelemalla tutkimustyön aikana syntynyttä tutkimushypoteesia, jonka mukaan paras menetelmä häivehävittäjän torjumiseksi nykyaikaisella torjuntahävittäjällä olisi pyrkiä huomaamattomasti näköetäisyydelle ja haastaa se taisteluun infrapunasensoreiden kantamalla. Myös tutkimusraportti ja tutkimuksen tulokset rakentuvat tämän tutkimushypoteesin ympärille. Häivehävittäjän havaitseminen näköetäisyyden ulkopuolella hävittäjätutkan avulla on erittäin vaikeaa. Näköetäisyydelle kannattaisi pyrkiä hakeutumaan häivehävittäjän alta matalalla lentäen samalla maanpinnan tutkakatveita hyödyntäen. Nykyaikaisten ilmataisteluohjusten suorituskyvyllä taistelun ratkaisemiseksi ei välttämättä edes synny kaartotaistelua, vaan taistelun voittaa yllätykseen kyennyt osapuoli. Jos torjuntahävittäjällä sitoudutaan kaartotaisteluun häivehävittäjän kanssa, häivehävittäjän jatkuva liikehtimiskyky on ylivoimainen, mutta sen hetkellinen liikehtimiskyky ei tämän tutkimuksen perusteella ole merkittävästi parempi. Taistelu on siis mahdollista voittaa, jos ratkaisuun kyetään nopeasti taistelun alkuvaiheessa. Tämän tutkimuksen perusteella nykyaikaisella torjuntahävittäjällä voidaan torjua häivehävittäjä sen huomattavasta suorituskyvystä huolimatta. Taktisista periaatteista torjunnassa on tärkeää pyrkiä hyödyntämään erityisesti yllätystä ja aloitetta. Tutkimuksen mukaan häivehävittäjä kannattaa aina pyrkiä haastamaan mahdollisimman matalalla ja suurella nopeudella. Torjunnan suunnittelun kannalta tulisi tutkia tarkemmin osapuolten tutkien suorituskykyä ja hakeutumisgeometrioita häivehävittäjän nopeusluokan maalille. Näköetäisyydellä taistelun kannalta tärkeimmät tutkittavat kohteet ovat häiveominaisuuksien vaikutukset infrapunaohjusten seurantaetäisyyksiin ja häivehävittäjien todellinen aerodynaaminen suorituskyky. Ylipäätään torjunnan mahdollistamiseksi tärkeimmät tutkimuskohteet ovat häivehävittäjän seurantaan kykenevät sensorit, sillä nykyaikaisilla torjuntahävittäjillä on erittäin rajallinen kyky löytää häivehävittäjä. Olisi kannattavaa tutkia, onko torjuntahävittäjään asennettava pitkän kantaman infrapunasensori ehdoton varuste tulevaisuuden ilmasodankäynnissä häiveominaisuuksia vastaan.

Häivetekniikan nykytila

Tutkielmassa käsitellään tutka-alueen häivetekniikkaa ja sen huomioon ottamista aluksissa. Häiveteknologian käyttö on noussut viime vuosina merkittäväksi osaksi taistelualusten omasuojajärjestelmiä. Merellä tapahtuva tiedustelu, valvonta ja tulenjohto aiheuttavat kilpajuoksun toisaalta maalin havaitsemisen suhteen ja toisaalta paljastumisen suhteen. Tämä ilmenee sensori- ja häiveteknologian välisenä kehityskilpailuna. Häivetekniikan merkitys korostuu, kun maiden laivastot pienenevät. Sen avulla minimoidaan tappioita ja taistelunkestävyys paranee. Häivetekniikalla kyetään suojaamaan aluksia ennakoivasti. Sen avulla kyetään välttämään omaan toimintaan kohdistuvaa tiedustelua sekä suojautumaan tulenjohdolta. Päätutkimuskysymyksenä on: Miten aluksen näkyvyyteen voidaan vaikuttaa merellä. Tutkielmaan on asetettu lisäksi kolme alakysymystä. Ensimmäinen alakysymys käsittelee muotoilun merkitystä häivetekniikalle. Toinen alakysymys määrittää materiaalien roolia häiveteknologiassa ja kolmas tutkimuskysymys käsittelee olosuhteiden vaikutusta häiveteknologiaan sekä uusien runkoratkaisujen tuomia mahdollisuuksia alussuunnitteluun ja häiveteknologiaan Kirjallinen aineisto on kerätty pääsääntöisesti kirjastoista. Artikkelit ovat suurimmaksi osaksi internetissä olevista tietokannoista. Haastattelut on tehty puolustusvoimien sisällä. Johtopäätöksissä esitellään, millaisia ratkaisuja aluksen tutkaherätteen pienentämiseksi käytetään maailmalla tällä hetkellä. Mukaan on otettu myös mahdollisia tulevaisuuden näkymiä, jotka pohjautuvat lähteistä saatavaan informaatioon.

Kiteen mekaanisten värähtelyjen vaimentaminen takaisinkytkennällä

Pulseri on laite, joka tuottaa noin 10 MHz:n taajuudella olevan sähköisen pulssin, joka ohjataan kiteeseen. Kide lähettää korkeataajuuksisen ääniaallon ja toimii samalla vastaanottimena kaikuna heijastuneille ääniaalloille. Kide ja membraanikalvo ovat vedessä. Ääniaalto heijastuu takaisin suodatusmembraanikalvosta, jolla on tarkoitus erotella epäpuhtauksia. Membraanikalvo ja kide ovat millimetrin etäisyydellä toisistaan ja ääniaalloilla kestää noin 1,3 mikrosekuntia kulkea kiteestä membraanikalvon pinnalle ja siitä kaikuna takaisin kiteeseen. Saadaksemme luotettavia tuloksia ääniaallon kulkuajasta, kiteen tulee olla värähtelemättömässä tilassa silloin, kun kaikuna palaava pulssi saapuu takaisin. Työssä keskitytään kiteen vaimentamiseen mahdollisimman nopeasti lähetetyn pulssin jälkeen ja siihen liittyviin ongelmiin.

Täsmäviljely ja ravinteiden käytön tarkentaminen

Ravinnetaseiden vaihtelut peltolohkojen välillä ja myös niiden sisällä voivat olla suuria. Toisissa paikoissa lannoituspanoksia hukataan, jolloin sadon käyttämättä jättämät ravinteet ovat alttiina huuhtoutumiselle pinta- ja pohjavesiin. Toisissa pellon osissa puolestaan sadontuottokyky saattaa olla vajaassa käytössä. Molemmissa tapauksissa aiheutuu taloudellista menetystä. Silmämääräisesti ravinnetaseiden vaihtelun määrän todentaminen on mahdotonta, ja siksi tarvitaan erilaisia mittausmenetelmiä. Alati kehittyvät täsmäviljelytekniikat tarjoavat käytännön työkaluja pellon vaihtelun mittaamiseen sekä vaihtelun huomioon ottamiseen viljelyn toteutuksessa. Kehittyvät ja yleistyvät tekniikat halpenevat, tulevat entistä luotettavammiksi ja käytettävämmiksi. Paikkatiedon hallinta on täsmäviljelyn avain. Paikkatiedon mittaaminen ja yhdistäminen eri lähteistä, tiedon analysointi ja käyttö viljelyn suunnittelussa sekä työn ja koneiden ohjaamisessa vaatii uudenlaista osaamista ja asennoitumista niin viljelijältä kuin hänen työtään tukevalta ja siihen linkittyvältä toimijaverkolta. Lähitulevaisuudessa on odotettavissa automaation käytön lisääntymistä niin työkoneiden, tiedonkeruun kuin tiedonhallinnan osalta. Sensori- ja sensoriverkkoteknologiat, kaukokartoitusteknologiat, ISOBUS-työkoneet ja web-pohjaiset tiedonhallintapalvelut asemoivat viljelyn ja sen toteutustekniikat uudelle tietämyksen, käytön ja tietoisuuden tasolle. Tuotantoprosessien tarkempi ohjaaminen helpottuu. Uusien teknologioiden mahdollistama vaivaton tiedonkeruu ja työn dokumentointi avaavat mahdollisuuden parempaan tuotannon läpinäkyvyyden ja vastuullisuuden osoittamiseen. Raportti on toteutettu osana Tehoa maatalouden vesiensuojeluun (TEHO) -hanketta.

AVR-pohjainen mobiilirobotti

Kandidaatintyön aineena oli rakentaa autonomisesti pyörillä liikkuva, esteitä väistelevä mobiilirobotti käyttäen Arduino-kehitysympäristöä prototyypin valmistamiseen. Rakensin robotin alusta alkaen itse eli työhön sisältyi robotin mekaniikan kokoaminen, elektroniikan suunnittelu ja rakentaminen sekä toimintaälyn ohjelmointi mikroprosessorille eteenpäin kulkemiseen ja esteiden väistämiseen. Arduinon ytimenä on Atmelin AVR-sarjaan kuuluva ATMega328-mikroprosessori. Robotin ympäristön havainnointi tapahtuu käyttämällä ultraäänisensoria. Robotti oli mielenkiintoinen projekti toteuttaa ja toimi kokonaisuutena katsottuna odotetulla tavalla.

Imbuing airborne electronic warfare self-protection : possibilities to disguise

Tutkielman nimi käännettynä suomeksi on Lentokoneiden omasuojajärjestelmien kyllästäminen – mahdollisuuksia kätkeytymiseen. Siinä keskitytään etsimään aktiivisia, ilmauhkaa kohti säteileviä keinoja ilmahyökkääjän, lentokoneen tai helikopterin, omasuojajärjestelmän harhauttamiseksi. Järjestelmät pyrkivät varoittamaan lentäjää laser- ja tutkasäteilyhavainnoista sekä ohjuksen laukaisusta ja lähestymisestä. Omasuojajärjestelmiin kuuluviin vastakeinoihin tutkimus ei keskity. Tavoitteena harhauttamisella on ilmapuolustuksen todellisen määrän ja sijainnin suojaaminen. Epätietoisuus voi saada lentäjän tekemään vääriä johtopäätöksiä. Työ ei fokusoi harhauttamisen taktiseen kehykseen työn kannalta tarpeellista määrää enempää. Tietosuojasyistä tutkimus ei käsittele käytössä olevien omasuojajärjestelmien operatiivisia ominaisuuksia vaan käsittelee teoriaa niiden taustalla. Tutkimus tehtiin käyttäen taustatutkimukselle enemmän tyypillistä kirjallisuustutkimusta. Jo tutki-muksen alkuvaiheessa oli oletettavaa, että elektronisiin sensoreihin perustuvaa omasuojajärjestelmää pystytään harhauttamaan. Systeemianalysoinnilla pyrittiin löytämään vastauksia tähän olettamukseen. Omasuojajärjestelmästä muodostettiin jo tutkimuksen varhaisessa vaiheessa malli. Tieteellistä kirjallisuutta omasuojajärjestelmistä on olemassa jonkin verran, ja niistä löydettyä tietoa omasuojajärjestelmien ominaisuuksista ja sensoreista yhdistettiin malliin niin, että siitä saatiin mahdollisimman tarkka systeemin kuvaus todellisesta omasuojajärjestelmästä. Analyysin tavoitteena oli löytää niitä kriteereitä, joilla omasuojajärjestelmä saataisiin kohtuullisen tehokkaasti uskomaan harhautusta oikeaksi hälytykseksi. Ohjuksen laukaisusta varoittava sensori perustuu ohjuksen moottorin muodostaman pilven lämpö-säteilyyn. Säteily kuitenkin muuttuu lennon eri vaiheissa, mikä tuottaa haasteita järjestelmälle. Millimetrialueen tutkan käyttö varoittimen sensorina on myös yksi vaihtoehto. Laser-varoittimet toimivat koko sillä taajuusalueella, mitä sotilaskäytössä tulenjohtamiseen ja ohjusten ohjaamiseen käytetään. Tutkavaroittimen tutkimus on vielä kesken. Löydettyjä tuloksia analysoimalla tulen tässä vaiheessa hieman ristiriitaisiin tuloksiin. Lämpösäteilyn käytön suurin haaste on sen eteneminen ilmakehässä. Varoittimen tavoitekaan ei ole toimia kymmentä kilometriä pidemmälle. Yksi mahdollinen ratkaisu on suunnitella ja toteuttaa raketti, jonka tuottaa lämpösäteilyä kuten tietty puolustavan joukon käytössä oleva ohjus. Jos koneessa on kuitenkin myös millimetrialueen tutka tukemassa varoitusjärjestelmää, hankaloituu rakettiharhautus merkittävästi, koska sen pitäisi oletettavasti olla lentokoneen kanssa melko tarkasti kohtaavalla reitillä. Laser-varoitin on ilmeisesti herkin järjestelmistä, koska se voi tietyissä olosuhteissa ja varsinkin matalalla lentokorkeudella aiheuttaa paljon vääriä hälytyksiä ilman tarkoituksellista harhauttamista. Laserin käyttö yhdistettynä raketin laukaisuun saattaisi tuottaa halutun tuloksen. Tutkavaroittimen harhautus onnistuu, jos valelaitteen signaali on uskottavan tarkka.

Photon Upconverting Nanophosphors: Unique Reporters for Optical Biosensing

Upconversion photoluminescence is a unique property of mostly certain inorganic materials, which are capable of converting low-energy infrared radiation into a higher-energy emission at visible wavelengths. This anti-Stokes shift enables luminescence detection without autofluorescence, which makes the upconverting materials a highly suitable reporter technology for optical biosensing applications. Furthermore, they exhibit long luminescence lifetime with narrow bandwidths also at the optical window of biomaterials enabling luminescence measurements in challenging sample matrices, such as whole blood. The aim of this thesis was to study the unique properties and the applicability of nano-sized upconverting phosphors (UCNPs) as reporters in biosensing applications. To render the inorganic nanophosphors water-dispersible and biocompatible, they were subjected to a series of surface modifications starting with silica-encapsulation and ending with a bioconjugation step with an analyte-recognizing biomolecule. The paramagnetism of the lanthanide dopants in the nanophosphors was exploited to develop a highly selective separation method for the UCNP-bioconjugates based on the magnetic selectivity of the high gradient magnetic separation (HGMS) system. The applicability of the nano-sized UCNPs as reporters in challenging sample matrices was demonstrated in two homogeneous sensing applications based on upconversion resonance energy transfer (UC-RET). A chemosensor for intracellular pH was developed exploiting UC-RET between the UCNP and a fluorogenic pH-sensitive dye with strongly increasing fluorescence intensity in decreasing pH. The pH-independent emission of the UCNPs at 550 nm was used for referencing. The applicability of the pH-nanosensor for intracellular pH measurement was tested in HeLa cells, and the acidic pH of endosomes could be detected with a confocal fluorescence microscope. Furthermore, a competitive UC-RET-based assay for red blood cell folic acid was developed for the measurement of folate directly from a whole blood sample. The optically transparent window of biomaterials was used in both the excitation and the measurement of the UC-RET sensitized emission of a near-infrared acceptor dye to minimize sample absorption, and the anti-Stokes detection completely eliminated the Stokes-shifted autofluorescence. The upconversion photoluminescence efficiency is known to be dependent on crystallite size, because the increasing surface-to-volume ratio of nano-sized UCNPs renders them more susceptible to quenching effects of the environment than their bulk counterpart. Water is known to efficiently quench the luminescence of lanthanide dopants. In this thesis, the quenching mechanism of water was studied using luminescence decay measurements. Water was found to quench the luminescence of UCNPs by increasing the non-radiative relaxation of the excited state of Yb3+ sensitizer ion, which had a very strong quenching effect on upconversion luminescence intensity.