Inversion and assimilation methods with applications in geophysical remote sensing

Stratospheric ozone can be measured accurately using a limb scatter remote sensing technique at the UV-visible spectral region of solar light. The advantages of this technique includes a good vertical resolution and a good daytime coverage of the measurements. In addition to ozone, UV-visible limb scatter measurements contain information about NO2, NO3, OClO, BrO and aerosols. There are currently several satellite instruments continuously scanning the atmosphere and measuring the UVvisible region of the spectrum, e.g., the Optical Spectrograph and Infrared Imager System (OSIRIS) launched on the Odin satellite in February 2001, and the Scanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CartograpHY (SCIAMACHY) launched on Envisat in March 2002. Envisat also carries the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) instrument, which also measures limb-scattered sunlight under bright limb occultation conditions. These conditions occur during daytime occultation measurements. The global coverage of the satellite measurements is far better than any other ozone measurement technique, but still the measurements are sparse in the spatial domain. Measurements are also repeated relatively rarely over a certain area, and the composition of the Earth’s atmosphere changes dynamically. Assimilation methods are therefore needed in order to combine the information of the measurements with the atmospheric model. In recent years, the focus of assimilation algorithm research has turned towards filtering methods. The traditional Extended Kalman filter (EKF) method takes into account not only the uncertainty of the measurements, but also the uncertainty of the evolution model of the system. However, the computational cost of full blown EKF increases rapidly as the number of the model parameters increases. Therefore the EKF method cannot be applied directly to the stratospheric ozone assimilation problem. The work in this thesis is devoted to the development of inversion methods for satellite instruments and the development of assimilation methods used with atmospheric models.

Improving Cross Direction Basis Weight Profile in a Fourdrinier Paper Machine

The purpose of this study was to improve PM7’s basis weight CD profile in Stora Enso’s Berghuizer mill and to search mechanical defects which affect to the formation of the basis weight CD profile. In the theoretical part PM7’s structure was presented and the formation of the basis weight and caliper CD profiles was examined as well as disturbances which are affecting to the formation. The function of the control system was scrutinised for the side of CD profiles as well as the formation of the measured CD profiles. Tuning of the control system was examined through the response model and filtering. Specification of the response model and filtering was explained and how to determine 2sigma statistical number. In the end of the theoretical part ATPA hardware and a new profile browser were introduced. In the experimental part focus was in the beginning to search and remove mechanical defects which are affecting to CD profiles. The next step was to verify the reliability of the online measurements, to study the stability of the basis weight CD profile and to find out so called fingerprint, a basis weight CD profile which is unique for each paper machine. New response model and filtering value for basis weight CD profile was determined by bump tests. After a follow up period the affect of the new response model and filtering was analysed.

Liikkuvan kenttätyön hallinta etätunnistusta ja paikannusta hyödyntävällä mobiilijärjestelmällä

Liikkuvan kenttätyön työntekijät suorittavat työpäivän aikana työtä useassa eri työkohteessa. Työkohteilla suoritettujen työtehtävien kirjaus tapahtuu usein jälkikäteen ja muistinvaraisesti. Diplomityön tavoitteena on esittää ratkaisu liikkuvan kenttätyön työkirjausten automatisointiin. Tavoitteen mukaisen etätunnistusta ja paikannusta hyödyntävän mobiilijärjestelmän avulla työntekijöiden käsinkirjoitetut ja mahdollisesti puutteelliset työkirjaukset korvataan automaattisilla ja täsmällisillä kirjauksilla. Järjestelmän tavoitteena on vähentää työntekijöiden työkuormaa. Työssä arvioidaan etätunnistuksen hyödyntämistä mobiilisovelluksen käyttöä helpottavana tekniikkana. Parhaimmillaan etätunnistus poistaa kokonaan mobiililaitteen näppäilytarpeen, mutta aiheuttaa osaltaan lisää työtä järjestelmän ylläpitoon. Työn tuloksissa esitetään myös satelliittipaikannuksen todettu tarkkuus ja soveltuvuus liikkuvan kenttätyön tarpeisiin taajama- ja kaupunkialueella. Varsinkin kaupunkialueella satelliittiperustaisen paikkatiedon tehokas hyödyntäminen edellyttää suodatusta ja älykkyyttä paikkatiedon prosessointiin.

Multilevel converter modulation: implementation and analysis

Multilevel converters provide an attractive solution to bring the benefits of speed-controlled rotational movement to high-power applications. Therefore, multilevel inverters have attracted wide interest in both the academic community and in the industry for the past two decades. In this doctoral thesis, modulation methods suitable especially for series connected H-bridge multilevel inverters are discussed. A concept of duty cycle modulation is presented and its modification is proposed. These methods are compared with other well-known modulation schemes, such as space-vector pulse width modulation and carrier-based modulation schemes. The advantage of the modified duty-cycle modulation is its algorithmic simplicity. A similar mathematical formulation for the original duty cycle modulation is proposed. The modified duty cycle modulation is shown to produce well-formed phase-to-neutral voltages that have lower total harmonic distortion than the space-vector pulse width modulation and the duty cycle modulation. The space-vector-based solution and the duty cycle modulation, on the other hand, result in a better-quality line-to-line voltage and current waveform. The voltage of the DC links in the modules of the series-connected H-bridge inverter are shown to fluctuate while they are under load. The fluctuation causes inaccuracies in the voltage production, which may result in a failure of the flux estimator in the controller. An extension for upper-level modulation schemes, which changes the switching instants of the inverter so that the output voltage meets the reference voltage accurately regardless of the DC link voltages, is proposed. The method is shown to reduce the error to a very low level when a sufficient switching frequency is used. An appropriate way to organize the switching instants of the multilevel inverter is to make only one-level steps at a time. This causes restrictions on the dynamical features of the modulation schemes. The produced voltage vector cannot be rotated several tens of degrees in a single switching period without violating the above-mentioned one-level-step rule. The dynamical capabilities of multilevel inverters are analyzed in this doctoral thesis, and it is shown that the multilevel inverters are capable of operating even in dynamically demanding metal industry applications. In addition to the discussion on modulation schemes, an overvoltage in multilevel converter drives caused by cable reflection is addressed. The voltage reflection phenomenon in drives with long feeder cables causes premature insulation deterioration and also affects the commonmode voltage, which is one of the main reasons for bearing currents. Bearing currents, on the other hand, cause fluting in the bearings, which results in premature bearing failure. The reflection phenomenon is traditionally prevented by filtering, but in this thesis, a modulationbased filterless method to mitigate the overvoltage in multilevel drives is proposed. Moreover, the mitigation method can be implemented as an extension for upper-level modulation schemes. The method exploits the oscillations caused by two consecutive voltage edges so that the sum of the oscillations results in a mitigated peak of the overvoltage. The applicability of the method is verified by simulations together with experiments with a full-scale prototype.

Impedanssisovituksen tarkkailu jännitevälipiirillisessä taajuusmuuttajakäytössä

Invertterikäyttöjen pitkissä kuormakaapeleissa jännitteen aaltomuodossa on havaittavissa ylijännitteitä. Ylijännitteet johtuvat invertterikäytön käyttämien kytkinten ohjaamisesta pulssinleveysmodulaatiolla, niiden nopeista kytkeytymisistä ja itse järjestelmästä. Ylijännitteet ovat haitallisia järjestelmässä, joten niitä pyritään estämään esim. suodattamalla. Yksi käytännön sovellus sähkökoneen suotimena on RC-suodin. RC-suotimen toimintakyvyn aleneminen on kuitenkin oletettavaa, joten sähkökone altistuu tällöin ylijännitteille. Mittaamalla RC-suotimen kuntoa voidaan valvoa generaattorin kokemia ylijännitteitä. Työssä tarkastellaan järjestelmän häiriöitä ja ylijännitteitä, RC-suodinta sekä suotimen vajaatoimintatiloja, ja kehitetään mittaus tarkkailemaan vajaatoimintaa.

Sterilointimenetelmät bioprosessiteollisuudessa

Erilaiset sterilointitarpeet ovat olennainen osa biotekniikkaa. Steriloinnit ovat huomattava kuluerä energia-, materiaali- ja laitekäyttöjen takia ja puutteellinen sterilointi voi aiheuttaa huomattavia ylimääräisiä kustannuksia. Eniten teollisesti käytettäviä sterilointimenetelmiä ovat steriilisuodatus, lämpösterilointi, kemiallinen sterilointi ja säteilysterilointi. Näistä lämpösterilointi on selvästi käytetyin menetelmä. Kirjallisuusosassa käsitellään lämpösteriloinnin kinetiikka ja sterilointityön laskentaan käytetyt menetelmät. Lämpösteriloinnin kinetiikka on mikrobista ja sen olomuodosta riippuvainen ja noudattaa Arrheniuksen lakia. Kirjallisuusosassa käsitellään myös lämpösterilointiin käytettyjä laitteistoja. Soveltavassa osassa käsitellään panos- ja jatkuvatoimia lämpösterilointeja. Työssä käydään läpi glukoosisiirapin sterilointi vastaavan kapasiteetin panos- ja jatkuvatoimisella sterilointilaitteistolla ja vertaillaan tarvittavia energia- ja hyödykemääriä. Soveltavan osan tietojen perusteella tehdään vertailu eri lämpösterilointimenetelmien kustannuksista sekä muista hyvistä ja huonoista puolista.

Bayesian methods for estimation, optimization and experimental design

Mathematical models often contain parameters that need to be calibrated from measured data. The emergence of efficient Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods has made the Bayesian approach a standard tool in quantifying the uncertainty in the parameters. With MCMC, the parameter estimation problem can be solved in a fully statistical manner, and the whole distribution of the parameters can be explored, instead of obtaining point estimates and using, e.g., Gaussian approximations. In this thesis, MCMC methods are applied to parameter estimation problems in chemical reaction engineering, population ecology, and climate modeling. Motivated by the climate model experiments, the methods are developed further to make them more suitable for problems where the model is computationally intensive. After the parameters are estimated, one can start to use the model for various tasks. Two such tasks are studied in this thesis: optimal design of experiments, where the task is to design the next measurements so that the parameter uncertainty is minimized, and model-based optimization, where a model-based quantity, such as the product yield in a chemical reaction model, is optimized. In this thesis, novel ways to perform these tasks are developed, based on the output of MCMC parameter estimation. A separate topic is dynamical state estimation, where the task is to estimate the dynamically changing model state, instead of static parameters. For example, in numerical weather prediction, an estimate of the state of the atmosphere must constantly be updated based on the recently obtained measurements. In this thesis, a novel hybrid state estimation method is developed, which combines elements from deterministic and random sampling methods.

Exploring Adaptive Implementation of On-Chip Networks

As technology geometries have shrunk to the deep submicron regime, the communication delay and power consumption of global interconnections in high performance Multi- Processor Systems-on-Chip (MPSoCs) are becoming a major bottleneck. The Network-on- Chip (NoC) architecture paradigm, based on a modular packet-switched mechanism, can address many of the on-chip communication issues such as performance limitations of long interconnects and integration of large number of Processing Elements (PEs) on a chip. The choice of routing protocol and NoC structure can have a significant impact on performance and power consumption in on-chip networks. In addition, building a high performance, area and energy efficient on-chip network for multicore architectures requires a novel on-chip router allowing a larger network to be integrated on a single die with reduced power consumption. On top of that, network interfaces are employed to decouple computation resources from communication resources, to provide the synchronization between them, and to achieve backward compatibility with existing IP cores. Three adaptive routing algorithms are presented as a part of this thesis. The first presented routing protocol is a congestion-aware adaptive routing algorithm for 2D mesh NoCs which does not support multicast (one-to-many) traffic while the other two protocols are adaptive routing models supporting both unicast (one-to-one) and multicast traffic. A streamlined on-chip router architecture is also presented for avoiding congested areas in 2D mesh NoCs via employing efficient input and output selection. The output selection utilizes an adaptive routing algorithm based on the congestion condition of neighboring routers while the input selection allows packets to be serviced from each input port according to its congestion level. Moreover, in order to increase memory parallelism and bring compatibility with existing IP cores in network-based multiprocessor architectures, adaptive network interface architectures are presented to use multiple SDRAMs which can be accessed simultaneously. In addition, a smart memory controller is integrated in the adaptive network interface to improve the memory utilization and reduce both memory and network latencies. Three Dimensional Integrated Circuits (3D ICs) have been emerging as a viable candidate to achieve better performance and package density as compared to traditional 2D ICs. In addition, combining the benefits of 3D IC and NoC schemes provides a significant performance gain for 3D architectures. In recent years, inter-layer communication across multiple stacked layers (vertical channel) has attracted a lot of interest. In this thesis, a novel adaptive pipeline bus structure is proposed for inter-layer communication to improve the performance by reducing the delay and complexity of traditional bus arbitration. In addition, two mesh-based topologies for 3D architectures are also introduced to mitigate the inter-layer footprint and power dissipation on each layer with a small performance penalty.

Kaarihitsauksen suojakaasun tunnistus ja virtauksen mittaus ultraäänellä

Kaasukaarihitsauksessa suojakaasuna käytetään yleensä argonin ja hiilidioksidin tai argonin ja heliumin seoksia. Suojakaasu vaikuttaa useisiin hitsausominaisuuksiin, jotka puolestaan vaikuttavat hitsauksen laatuun ja tuottavuuteen. Automaattisella suojakaasun tunnistuksella ja virtausmäärän mittauksella voitaisiin tehdä hitsauksesta paitsi käyttäjän kannalta yksinkertaisempaa, myös laadukkaampaa. Työn tavoite on löytää mahdollisimman edullinen ja kuitenkin mahdollisimman tarkasti kaasuseoksia tunnistava menetelmä, jota voitaisiin hyödyntää MIG/MAG-hitsauskoneeseen sisäänrakennettuna. Selvä etu on, jos menetelmällä voidaan mitata myös kaasun virtausmäärä. Äänennopeus kaasumaisessa väliaineessa on aineen atomi- ja molekyylirakenteesta ja lämpötilasta riippuva ominaisuus, joka voidaan mitata melko edullisesti. Äänennopeuden määritys perustuu ääniaallon kulkuajan mittaamiseen tunnetun pituisella matkalla. Kaasun virtausnopeus on laskettavissa myötä- ja vastavirtaan mitattujen kulkuaikojen erotuksen avulla. Rakennettu mittauslaitteisto koostuu kahdesta ultraäänimuuntimesta, joiden halkaisija on 10 mm ja jotka toimivat sekä lähettimenä että vastaanottimena. Muuntimet ovat 140 mm:n etäisyydellä toisistaan virtauskanavassa, jossa suojakaasu virtaa yhdensuuntaisesti äänen kanssa. Virtauskanava on putki, jossa on käytetty elastisia materiaaleja, jotta ääniaaltojen eteneminen kanavan runkoa pitkin minimoituisi. Kehitetty algoritmi etsii kahden lähetetyn 40 kHz:n taajuisen kanttiaaltopulssin aiheuttaman vasteen perusteella ääniaallon saapumisajanhetken. Useiden mittausten, tulosten lajittelun ja suodatuksen jälkeen tuntemattomalle kaasulle lasketaan lämpötilakompensoitu vertailuluku. Tuntematon kaasu tunnistetaan vertailemalla lukua tunnettujen kaasuseosten mitattuihin vertailulukuihin. Laitteisto tunnistaa seokset, joissa heliumin osuus argonissa on enintään 50 %. Hiilidioksidia sisältävät argonin seokset puolestaan tunnistetaan puhtaaseen hiilidioksidiin asti jopa kahden prosenttiyksikön tarkkuudella. Kaasun tilavuusvirtausmittauksen tarkkuus on noin 1,0 l/min.

Sumea suositin elokuville

Suositusmenetelmien tarkoituksena on auttaa käyttäjää löytämään häntä kiinnostavia asioita ja välttämään asioita, joista hän ei pitäisi. Suositusmenetelmät antavat suosituk- set yleensä terävinä lukuina. Tässä työssä kehitetään suositusmenetelmä, joka antaa suo- situkset arvosanojen sumeina jäsenyysasteina. Menetelmän antamat suositukset voidaan myös perustella käyttäjälle. Menetelmä kuuluu pääosin yhteisösuodatusmenetelmiin, jois- sa suositukset tehdään käyttäjien antamien arvosanojen perusteella, mutta myös tietoa elokuvien tyylilajeista hyödynnetään suositustarkkuuden parantamiseksi. Sumeiden suo- situsten suositeltavuusjärjestyksen laskemiseen esitetään myös menetelmä. Käyttäjien elokuville antamat arvosanat voidaan käsittää sumeana datana. Käyttäjä voi kuvata arvosanaa esimerkiksi ilmaisulla ”noin 4”. Tästä syystä on loogista esittää suo- situksetkin sumeina lukuina. Tällöin käyttäjälle voidaan antaa tietoa suosituksen tark- kuudesta ja mahdollisista ristiriidoista. Epävarmojen suositusten tapauksessa käyttäjä voi painottaa enemmän muita tietolähteitä. Kokeiden perusteella kehitetty menetelmä antaa joissa tapauksissa selvästi vertailtavia menetelmiä parempia suosituksia, kun taas toisissa tapauksissa suositukset ovat selvästi heikompia.

Post-industrial 2.0 – Social Web as the second coming of the post-industrial society

This study presents a review of theories of the so-called post-industrial society, and proposes that the concept of post-industrial society can be used to understand the recent developments of the World Wide Web, often described as Web 2.0 or social Web. The study combines theories ranging from post-war management science and cultural studies to software development, and tries to build a holistic view of the development of the post-industrial society, and especially the Internet. The discourse on the emergence of a post-industrial society after the World Wars has addressed the ways in which the growing importance of information, and innovations in digital communications technology, are changing our society. It is furthermore deeply connected with the discourse on the postmodern society, which emphasizes cultural fragmentation, intertextuality, and pluralism. The Internet age is characterized by increasing masses of information that are managed through various technologies. While 1990s Internet technologies often used the network as a traditional broadcasting channel with added interactivity, Web 2.0 technologies are specifically designed to utilize the network model by facilitating communication between various services and devices, and analyzing the relationships between users and objects in order to produce intelligent insight. The wide adoption of the Internet, and recently of Internet-enabled mobile devices, is furthermore continuously producing new ways of communicating, consuming, and producing. Applications of the social Web, such as social media or social networking services, are permanently changing our traditional social, cultural, and economic practices. The study first presents an overview of the post-industrial society, the Internet, and the concept of Web 2.0. Then the concept of social Web is described with an analysis of the term social media, the brief histories of the interactive Web and social networking services, and a description of the concept ―long tail‖, used to represent the masses of information available in the Web that do not receive mainstream attention. Finally, methods for retrieving and filtering information, modeling social and cultural relationships, and communicating with customers, are presented.

City meadows : Vitality from a living heritage

In the middle of the hustle and bustle of a city, you may find a city meadow. A city meadow refers to a green area situated in an urban setting, the management of which aims at maintaining meadow species and facilitating outdoor recreation for city residents. Some of these green areas situated in cities are managed in a detailed and planned manner, while others have been left untended and are now wild, overgrown and in some cases impenetrable. However, all these meadows share one similarity: they play an important role in producing ecosystem services. What, then, is meant by ecosystem services? The multitude of flowers that bloom during summer, recreational opportunities, maintaining nature’s diversity, as well as filtering urban runoff are some of the everyday “services” that city meadows provide for the urban environment and its residents. This publication covers several different points of view by numerous experts on the importance of green areas in cities. The message is clear: management of city meadows improves both natural and cultural environments in a cost-effective manner. City meadows also help improve the health and enjoyment of city residents. When a green area is well-managed, the reputation and image of the surrounding properties and neighbourhood will also improve, as will their financial value!

Characterization of fiber and vessel elements in pulp suspension images

The thesis is related to the topic of image-based characterization of fibers in pulp suspension during the papermaking process. Papermaking industry is focusing on process control optimization and automatization, which makes it possible to manufacture highquality products in a resource-efficient way. Being a part of the process control, pulp suspension analysis allows to predict and modify properties of the end product. This work is a part of the tree species identification task and focuses on analysis of fiber parameters in the pulp suspension at the wet stage of paper production. The existing machine vision methods for pulp characterization were investigated, and a method exploiting direction sensitive filtering, non-maximum suppression, hysteresis thresholding, tensor voting, and curve extraction from tensor maps was developed. Application of the method to the microscopic grayscale pulp images made it possible to detect curves corresponding to fibers in the pulp image and to compute their morphological characteristics. Performance of the method was evaluated based on the manually produced ground truth data. An accuracy of fiber characteristics estimation, including length, width, and curvature, for the acacia pulp images was found to be 84, 85, and 60% correspondingly.

Rasvasuodatus UV-valon avulla

Tämä kandidaatintyö käsittelee rasva-aerosolien vähentämistä liesituulettimissa ultraviolettivalon (UV) ja titaanioksidin avulla (TiO2). Työssä käsitellään rasva-aerosolien aiheuttamia haittoja julkisissa keittiöissä ja liesituulettimen merkitystä rasva-aerosolipitoisuuksiin. Työn tavoitteena on selvittää, miten rasva-aerosolit käyttäytyvät kun niitä suodatetaan UV-valon ja TiO2-katalyytin avulla. Työssä myös pohditaan onko UV/TiO2-menetelmä tehokas liesituulettimen rasvan vähentäjä.

Puuhydrolysaatin esikäsittely foulaantumisen vähentämiseksi ultrasuodatuksessa

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin, voidaanko puuhydrolysaatin esikäsittelyllä vähentää sen ultrasuodatuksen aikana esiintyvää kalvojen foulaantumista. Kokeellinen osa rajattiin koskemaan hydrolysaatin käsittelyä lakkaasientsyymillä, flokkulanteilla, kitosaanilla sekä adsorbentin ja lakkaasientsyymin yhdistelmällä. Esikäsittelyjen tavoitteena oli poistaa tai hajottaa hydrolysaatin sisältämää ligniiniä. Käsittelyjen teho testattiin suodattamalla eri tavoin käsiteltyä hydrolysaattia laboratoriokokeissa. Kokeissa adsorbentin ja lakkaasientsyymin yhdistelmäkäsittely osoittautui parhaaksi. Suodatuskapasiteetti parani ja foulaantuminen väheni verrattuna esikäsittelemättömän hydrolysaatin suodatukseen. Ligniiniä poistui käsittelyssä, kuten tavoitteena oli. Suodatuksessa kuitenkin edelleen tapahtui foulaantumista ja esikäsittelyn tehoa tulisi siksi vielä parantaa. Myös esikäsittely lakkaasientsyymillä paransi suodatuskapasiteettia ja vähensi foulaantumista, mutta vähemmän kuin entsyymi-adsorbenttikäsittely.