Spiral grain in trees causes trouble to the wood industry, since boards sawn from trees with large grain angle have severe problems with form stability. Measurements of the grain angle under bark enable the optimisation of the refining process. The main objective of this thesis is to study the potential in estimating the grain angle by using microwaves. To do this, electromagnetic modelling and sensitivity analysis are combined. The dielectric properties of wood are different along and perpendicular to the wood fibres. This anisotropy is central for the estimation of the grain angle by means of microwaves. To estimate the grain angle, measurements are used together with electromagnetic modelling for the scattering from plane surfaces and cylinders. Measurement set-ups are proposed to determine the material parameters, such as the grain angle, for plane boards and cylindrical logs. For cylindrical logs both near-field and far-field measurements are investigated. In general, methods for determining material parameters exhibit large errors in the presence of noise. In this case, acceptable levels of these errors are achieved throug using few material parameters in the model: the grain angle and two dielectric parameters, characterising the electrical properties parallel and perpendicular to the fibres. From the case with plane boards, it is concluded that it is possible to make use of the anisotropy of wood to estimate the grain angle from the reflected electromagnetic field. This property forms then the basis of the proposed methods for the estimation of the grain angle in cylindrical logs. For the proposed methods, a priori knowledge of the moisture content or temperature of the wood is not needed. Furthermore, since the anisotropy persist also for frozen wood, the method is valid for temperatures below zero degrees Celsius. For the case with cylindrical logs, sensitivity analysis is applied to the near-field as well as the far-field methods, to analyse the parameter dependence with respect to the measurement model and the errors introduced by noise. In this sensitivity analysis, the Cram\'r-Rao bound is used, giving the best possible variance for estimating the parameters. The levels of the error bounds are high, indicating a problematic estimation problem. However, the feasibility of accurate estimation will be improved through higher signal-to-noise ratios, repeated measurements, and better antenna gain. The sensitivity analysis is also useful as an analytical tool to understand the difficulties and remedies related to the method used for determining material parameters, as well as a practical aid in the design of a measurement set-up. According to the thesis, grain angle estimation is possible with microwaves. The proposed methods are fast and suitable for further development for in-field use in the forest or in saw mills. / Träd med växtvridenhet orsakar problem i träindustrin eftersom brädor som sågats från träd med stor fibervinkel har problem med formstabiliteten och vrider sig då de torkas. Mätning av fibervinkeln under bark möjliggör optimering av förädlingsprocessen. I den här avhandlingen kombineras elektromagnetisk modellering och känslighetsanalys för att undersöka möjligheterna att bestämma fibervinkeln med mikrovågor. De elektriska egenskaperna hos trä är olika längs med och vinkelrätt mot fibrerna. Den här anisotropin är utgångspunkten för att bestämma fibervinkeln med hjälp av mikrovågor. För att skatta fibervinkeln används mätningar tillsammans med elektromagnetisk modellering för spridningen från plana ytor och cylindrar. Mätuppställningar föreslås för problemet att skatta materialparametrar, såsom fibervinkeln, i plana brädor och cylindriska stockar. För cylindriska stockar undersöks både närfälts- och fjärrfältsmätningar. I allmänhet har metoder för skattning av materialparametrar stora fel då systemet innehåller brus. Här erhålls acceptabla fel genom att använda få materialparametrar i modelleringen. De materialparametrar som används är fibervinkeln och två dielektriska parametrar som karakteriserar de elektriska egenskaperna längs med och vinkelrätt mot träfibern. Slutsatsen från fallet med plana brädor är att det är möjligt att använda anisotropin hos trä och dess påverkan på ett reflekterat elektromagnetiskt fält för att skatta fibervinkeln. Detta är grunden i de metoder som föreslås för cylindriska stockar. För samtliga metoder så gäller att varken fukthalt eller temperatur behöver vara kända på förhand. Eftersom anisotropin kvarstår också för fruset trä så är metoderna användbara även för temperaturer under noll grader Celsius. För fallet med cylindriska stockar används känslighetsanalys på både närfälts- och fjärrfältsmetoderna för att analysera parameterberoendet i uppmätt data samt felen som introduceras av brus. I den här känslighetsanalysen används Cram\'{e}r-Rao gränsen som ger den bästa möjliga variansen för skattning av parametrarna. Nivåerna på gränserna är höga vilket indikerar att det är ett svårt estimeringsproblem. Möjligheterna att skatta parametrarna noggrant förbättras genom bättre signal-brus förhållande, upprepade mätningar samt ökad antennstyrka. Känslighetsanalysen är också användbar som ett analytiskt verktyg för ökad förståelse för problem och möjligheter relaterade till metoden för att skatta parametrarna och som ett praktiskt stöd för design av en mätuppställning. Enligt avhandlingen är skattning av fibervinkel möjlig med mikrovågor. De föreslagna metoderna är snabba och lämpliga att utveckla vidare för användning i skogen eller i sågverk.

<p>Spiral grain in trees causes trouble to the wood industry, since boards sawn from trees with large grain angle have severe problems with form stability. Measurements of the grain angle under bark enable the optimisation of the refining process. The main objective of this thesis is to study the potential in estimating the grain angle by using microwaves. To do this, electromagnetic modelling and sensitivity analysis are combined.</p><p>The dielectric properties of wood are different along and perpendicular to the wood fibres. This anisotropy is central for the estimation of the grain angle by means of microwaves. To estimate the grain angle, measurements are used together with electromagnetic modelling for the scattering from plane surfaces and cylinders. Measurement set-ups are proposed to determine the material parameters, such as the grain angle, for plane boards and cylindrical logs. For cylindrical logs both near-field and far-field measurements are investigated. In general, methods for determining material parameters exhibit large errors in the presence of noise. In this case, acceptable levels of these errors are achieved throug using few material parameters in the model: the grain angle and two dielectric parameters, characterising the electrical properties parallel and perpendicular to the fibres.</p><p>From the case with plane boards, it is concluded that it is possible to make use of the anisotropy of wood to estimate the grain angle from the reflected electromagnetic field. This property forms then the basis of the proposed methods for the estimation of the grain angle in cylindrical logs. For the proposed methods, a priori knowledge of the moisture content or temperature of the wood is not needed. Furthermore, since the anisotropy persist also for frozen wood, the method is valid for temperatures below zero degrees Celsius.</p><p>For the case with cylindrical logs, sensitivity analysis is applied to the near-field as well as the far-field methods, to analyse the parameter dependence with respect to the measurement model and the errors introduced by noise. In this sensitivity analysis, the Cram\'{e}r-Rao bound is used, giving the best possible variance for estimating the parameters. The levels of the error bounds are high, indicating a problematic estimation problem. However, the feasibility of accurate estimation will be improved through higher signal-to-noise ratios, repeated measurements, and better antenna gain. The sensitivity analysis is also useful as an analytical tool to understand the difficulties and remedies related to the method used for determining material parameters, as well as a practical aid in the design of a measurement set-up.</p><p>According to the thesis, grain angle estimation is possible with microwaves. The proposed methods are fast and suitable for further development for in-field use in the forest or in saw mills.</p> / <p>Träd med växtvridenhet orsakar problem i träindustrin eftersom brädor som sågats från träd med stor fibervinkel har problem med formstabiliteten och vrider sig då de torkas. Mätning av fibervinkeln under bark möjliggör optimering av förädlingsprocessen. I den här avhandlingen kombineras elektromagnetisk modellering och känslighetsanalys för att undersöka möjligheterna att bestämma fibervinkeln med mikrovågor.</p><p>De elektriska egenskaperna hos trä är olika längs med och vinkelrätt mot fibrerna. Den här anisotropin är utgångspunkten för att bestämma fibervinkeln med hjälp av mikrovågor. För att skatta fibervinkeln används mätningar tillsammans med elektromagnetisk modellering för spridningen från plana ytor och cylindrar. Mätuppställningar föreslås för problemet att skatta materialparametrar, såsom fibervinkeln, i plana brädor och cylindriska stockar. För cylindriska stockar undersöks både närfälts- och fjärrfältsmätningar. I allmänhet har metoder för skattning av materialparametrar stora fel då systemet innehåller brus. Här erhålls acceptabla fel genom att använda få materialparametrar i modelleringen. De materialparametrar som används är fibervinkeln och två dielektriska parametrar som karakteriserar de elektriska egenskaperna längs med och vinkelrätt mot träfibern.</p><p>Slutsatsen från fallet med plana brädor är att det är möjligt att använda anisotropin hos trä och dess påverkan på ett reflekterat elektromagnetiskt fält för att skatta fibervinkeln. Detta är grunden i de metoder som föreslås för cylindriska stockar. För samtliga metoder så gäller att varken fukthalt eller temperatur behöver vara kända på förhand. Eftersom anisotropin kvarstår också för fruset trä så är metoderna användbara även för temperaturer under noll grader Celsius.</p><p>För fallet med cylindriska stockar används känslighetsanalys på både närfälts- och fjärrfältsmetoderna för att analysera parameterberoendet i uppmätt data samt felen som introduceras av brus. I den här känslighetsanalysen används Cram\'{e}r-Rao gränsen som ger den bästa möjliga variansen för skattning av parametrarna. Nivåerna på gränserna är höga vilket indikerar att det är ett svårt estimeringsproblem. Möjligheterna att skatta parametrarna noggrant förbättras genom bättre signal-brus förhållande, upprepade mätningar samt ökad antennstyrka. Känslighetsanalysen är också användbar som ett analytiskt verktyg för ökad förståelse för problem och möjligheter relaterade till metoden för att skatta parametrarna och som ett praktiskt stöd för design av en mätuppställning.</p><p>Enligt avhandlingen är skattning av fibervinkel möjlig med mikrovågor. De föreslagna metoderna är snabba och lämpliga att utveckla vidare för användning i skogen eller i sågverk.</p>

Estimating parameters is the problem of finding their values from measurements and modelling. Parameters describe properties of a system; material, for instance, are defined by mechanical, electrical, and chemical parameters. Fisher information is an information measure, giving information about how changes in the parameter effect the estimation. The Fisher information includes the physical model of the problem and the statistical model of noise. The Cramér-Rao bound is the inverse of the Fisher information and gives the best possible variance for any unbiased estimator. This thesis considers aspects of sensitivity analysis in two applied material parameter estimation problems. Sensitivity analysis with the Fisher information and the Cramér-Rao bound is used as a tool for evaluation of measurement feasibilities, comparison of measurement set-ups, and as a quantitative measure of the trade-off between accuracy and resolution in inverse imaging. The first application is with estimation of the wood grain angle parameter in trees and logs. The grain angle is the angle between the direction of the wood fibres and the direction of growth; a large grain angle strongly correlates to twist in sawn timber. In the thesis, measurements with microwaves are argued as a fast and robust measurement technique and electromagnetic modelling is applied, exploiting the anisotropic properties of wood. Both two-dimensional and three-dimensional modelling is considered. Mathematical modelling is essential, lowering the complexity and speeding up the computations. According to a sensitivity analysis with the Cramér-Rao bound, estimation of the wood grain angle with microwaves is feasible. The second application is electrical impedance tomography, where the conductivity of an object is estimated from surface measurements. Electrical impedance tomography has applications in, for example, medical imaging, geological surveillance, and wood evaluation. Different configurations and noise models are evaluated with sensitivity analysis for a two-dimensional electrical impedance tomography problem. The relation between the accuracy and resolution is also analysed using the Fisher information. To conclude, sensitivity analysis is employed in this thesis, as a method to enhance material parameter estimation. The sensitivity analysis methods are general and applicable also on other parameter estimation problems. / Estimering av parametrar är att finna deras värde utifrån mätningar och modellering. Parametrar beskriver egenskaper hos system och till exempel material kan definieras med mekaniska, elektriska och kemiska parametrar. Fisherinformation är ett informationsmått som ger information om hur ändringar i en parameter påverkar estimeringen. Fisherinformationen ges av en fysikalisk modell av problemet och en statistisk modell av mätbruset. Cramér-Rao-gränsen är inversen av Fisherinformationen och ger den bästa möjliga variansen för alla väntevärdesriktiga estimatorer.Den här avhandlingen behandlar aspekter av känslighetsanalys i två tillämpade estimeringsproblem för materialparametrar. Känslighetsanalys med Fisherinformation och Cramér-Rao-gränsen används som ett redskap för utvärdering av möjligheten att mäta och för jämförelser av mätuppställningar, samt som ett kvantitativt mått på avvägningen mellan noggrannhet och upplösning för inversa bilder. Den första tillämpningen är estimering av fibervinkeln hos träd och stockar. Fibervinkeln är vinkeln mellan växtriktningen och riktningen hos träfibern och en stor fibervinkel är relaterad till problem med formstabilitet i färdiga brädor. Mikrovågsmätningar av fibervinkeln presenteras som en snabb och robust mätteknik. I avhandlingen beskrivs två- och tredimensionella elektromagnetiska modeller som utnyttjar anisotropin hos trä. Eftersom matematisk modellering minskar komplexiteten och beräkningstiden är det en viktig del i estimeringen. Enligt känslighetsanalys med Cramér-Rao-gränsen är estimering av fibervinkeln hos trä möjlig. Den andra tillämpningen är elektrisk impedanstomografi, där ledningsförmågan hos objekt bestäms genom mätningar på ytan. Elektrisk impedanstomografi har tillämpningar inom till exempel medicinska bilder, geologisk övervakning och trämätningar. Olika mätkonfigurationer och brusmodeller utvärderas med känslighetsanalys för ett tvådimensionellt exempel på elektrisk impedanstomografi. Relationen mellan noggrannhet och upplösning analyseras med Fisher information. För att sammanfatta beskrivs känslighetsanalys som en metod för att förbättra estimeringen av materialparametrar. Metoderna för känslighetsanalys är generella och kan tillämpas också på andra estimeringsproblem för parametrar.