Pikosekunnin tarkkuudella

17.4.2015

Aikavälin mittaus on akatemiaprofessori Juha Kostamovaaran tutkimuksen ytimessä. Ja nyt ei puhuta urheilukisojen sekunnin sadasosista, vaan pikosekunneista, sekunti potenssiin -12, eli 0,000000000001 sekuntia.

Näin tarkka digitaalinen aikavälin mittaus mahdollistaa yhä nopeampien elektronisten laitteiden kehittämisen. Aika-digitaalimuuntimet ovat tärkeitä komponentteja muun muassa erilaisissa mittalaitteissa.

Aikaväliä voidaan käsitellä myös signaalina, jota voidaan prosessoida samalla tavalla kuin esim. jännitesignaalia.

"Kehittämämme aika-digitaalimuuntimet ovat maailman kärkeä. Niitä tarvitaan esimerkiksi laserkeilaimissa, jotka perustuvat optisten pulssien kulkuajan mittaamiseen", Juha Kostamovaara kertoo.

Laserkeilaus on mittaustapa, jolla kohteesta saadaan laserpulssin kulkuaikamittauksen perusteella mittatarkkaa kolmiulotteista tietoa kohteeseen koskematta.

Kostamovaaralla on selkeä visio laserkeilainten tulevaisuudesta. "Sokeripalan kokoinen optinen laserkeilain, joka havainnoi ympäristöä laajalta alueelta kolmiulotteisesti ilman liikkuvia osia", Kostamovaara sanoo.

"Laserkeilaimilla on paljon mahdollisia sovelluksia, jotka ovat vielä kehitysvaiheessa. Tulevaisuuden autoissa laserlaitteita käytetään yleisesti liikenneturvallisuuden parantamiseen."

Lasertutka varoittaa autoilijaa hankalasti havaittavista jalankulkijoista ja pyöräilijöistä, mittaa turvaväliä edellä ajavaan autoon ja hälyttää peräänajoriskistä. Nykyiset sahkömagneettiset peruutustutkat ovat karvalakkimalleja verrattuna tulevaisuuden kolmiulotteisiin laserapulaitteisiin.

 

 

Yksittäisten fotonien ilmaisemiseen perustuvan lasertutkan lohkokaavio (kokoluokka "sokeripala").

 

Kostamovaara tutkimusryhmineen kehitti kyseistä ADAS (Advanced Driver Assistanse System) teknologiaa mm. MiniFaros -projektissa, joka sai rahoituksensa EU:n seitsemännestä puiteohjelmasta. Hankkeessa kehitettiin pienikokoinen henkilö- ja kuorma-autoihin sopivan laserkeilaimen prototyyppi. Tämän tyyppisten keilaimien arvioidaan ehkäisevän jopa kolme neljäsosaa vakavista liikenneonnettomuuksista. Keilainten odotetaan yleistyvän uusissa autoissa lähivuosina.

Lisää tarkkuutta Raman-spektroskopiaan

Tarkalla ajanmittauksella on tärkeä rooli myös fluoresenssiongelman ratkaisemisessa Raman-spektroskopiamittauksissa. Raman-spektroskopiaa käytetään molekyylien tunnistamiseen, ja sillä on monenlaisia sovelluksia muun muassa lääketieteessä ja biokemiassa.

"Ongelmana on, että joidenkin aineiden mittauksissa fluoresenssi saattaa peittää alleen lähes samanaikaisesti ilmenevän heikon Raman-signaalin", professori Kostamovaara kertoo. Näin käy usein erityisesti lääkeaineiden mittauksissa.

Tarkka fotonien aikaerottelu vähentää fluoresenssin tasoa Raman-spektroskopiassa, mittausnäyte oliiviöljystä.

 

Raman-sironta ja fluoresenssi-ilmiöt tapahtuvat kuitenkin hieman eriaikaisesti, Raman alle pikosekunneissa ja fluoresenssi tyypillisesti nanosekunneissa. Ilmiöt voidaan erotella tämän aikaeron perusteella toisistaan.

"Olemme tehneet yhteistyötä Teknologian tutkimuskeskuksen (VTT Oy) kanssa kehittääksemme aikaerotteista menetelmää fluoresenssiongelman poistamiseksi. Näistä ponnisteluista on syntynyt muun muassa startup -yritys TimeGate Instruments", Kostamovaara kertoo.

Juha Kostamovaara pitää tärkeänä yhteistyötä teknologiayritysten sekä VTT:n ja muiden tutkimuslaitosten kanssa. Kostamovaara on patentoinut lukuisia teknologisia innovaatioita ja hänen johtamansa Oulun yliopiston elektroniikan laboratorion tutkimuksesta on syntynyt useita yrityksiä.

"Minulla on suoria yhteyksiä yritysmaailmaan ja käyn jatkuvaa keskustelua yritysten kanssa. Koen, että yhteistyö yliopiston ulkopuolelle maadoittaa minut ja tutkimukseni käytännön tasolle."

 

Mittaamattomia mahdollisuuksia

Kostamovaaran tutkimusryhmä Oulun yliopistosta on mukana Suomen Akatemian rahoittamassa Laserkeilaustutkimuksen huippuyksikössä (2014-2019). Tutkimuksen huippuyksikössä on mukana yhteensä yli 30 tohtoria Paikkatietokeskuksesta, Aalto yliopistosta, Helsingin yliopistosta ja Oulun yliopistosta. Yli kolmasosa huippuyksikön jäsenistä on ulkomaalaisia. Huippuyksikköä johtaa  Paikkatietokeskuksesta.

"Monitieteisessä huippuyksikössä kehitetään 3D-laserkeilauksen tekniikkaa edelleen ja tutkitaan sen potentiaalia muun muassa metsien kartoituksessa", Kostamovaara sanoo. "Esimerkiksi puiden tuottoa voidaan arvioida paljon tarkemmin kuin muilla kaukokartoitusmenetelmillä."

Laserkeilausteknologialla on lähes rajattomasti sovelluksia. Infrarakentamisessa laserkeilaus antaa tärkeää taustatietoa. Sillä voidaan määrittää esimerkiksi lumen syvyyttä, kartoittaa tulva-alueita ja luoda kolmiulotteisia malleja rakennetusta ympäristöstä.

Kaikki tämä saa alkunsa pienen pienistä piirilevyistä ja pikosekunnin tarkasta aikavälin mittauksesta.

Laserkeilauksen huippuyksikkö http://www.fgi.fi/coelasr/index.html

 

Teksti: Satu Räsänen
Henkilökuvat: Reijo Koirikivi/Studio P.S.V.
Muut kuvat: Juha Kostamovaara

Lisätietoja

Kaksinkertainen akatemiaprofessori (2006-2011, 2012-2017) Juha Kostamovaara on toiminut elektroniikan professorina Oulun yliopiston sähkötekniikan osastolla vuodesta 1995 alkaen.

Viimeksi muokattu 10.8.2015
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »