Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
1
Rapport självständigt arbete
Kurs: Påbyggnadskurs Militärteknik: Självständigt arbete C-nivå
Kurskod: 1OP482 Poäng: 15 hp
Handledare: Thomas Svensson Datum: 2021-04-06
Examinator: Hans Liwång Antal ord: 8139
Smutsens påverkan på termisk emissivitet i uniformspersedlar Sammanfattning
Arbetets mål är att undersöka huruvida smutsansamling på uniformsplagg påverkar den termiska emissionsegenskapen (8-12 μm). Detta undersöks i syfte att klarlägga huruvida det finns ett behov för militära förband att lägga tid och resurser på att tillse att uniformerna är rena för att minimera den termiska signaturen hos förbandet och soldaten.
För att uppnå detta genomförs två experiment med det svenska uniformssystem 90 för att fastställa förändringen i emissivitet från smutsansamling i relation till rena uniformsplagg. Smutsiga
uniformspersedlar lånades från anställd militär personal under förutsättning att plaggen hade använts på daglig basis och inte tvättats på över 6 månader. Emissiviteten mättes med a termisk kamera från Flir Systems.
Medan skillnader kunde uppmätas i enlighet med arbetshypotesen så kunde ingen slutsats dras på grund av den låga statistiska signifikansen i resultatet. Den låga signifikansen berodde bedömt på populationens storlek i relation till storleken på den uppmätta skillnaden i emissivitet.
2
Thesis report
Course: Advanced Course Military Technology, Independent Project
Course code: 1OP482 Credits: 15
Supervisor: Thomas Svensson Date: 2021-04-06
Examiner: Hans Liwång Number of words: 8139
The effect of dirt accumulation on battle dresses’ thermal emissivity Abstract
The objective of this study is to determine whether the accumulation of dirt on a battle dress garment affects the emissivity of said garment in the thermal radiation spectrum (8-12 μm). This is researched for the purpose of identifying whether there is a need for military units to spend time and resources on keeping battle dresses clean to minimize their thermal signature.
To accomplish said objective, two experiments were conducted with the Swedish uniformssystem 90 (battle dress system) to determine change in emissivity due to dirt accumulation in relation to clean garments. Dirty garments were borrowed from active service personnel provided they had been used daily and not washed for over 6 months. Emissivity was gauged with a thermal camera from FLIR Systems.
While differences could be identified in unison with the hypothesis, can no conclusion be drawn due to the low statistical significance of the results. This is due to the small sample sizes in relation to the difference observed.
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
3 Författarens tack
Inledningsvis vill undertecknad utföra sitt tack till handledare Thomas Svensson som varit en positiv kraft och ovärderlig hjälp i den vetenskapliga process som genomförts; till Lars Martinsson som tålmodigt bistått vid experimenterandet och tillhandahållit all tänkbar materiel; till Anders Dahlberg som bistått med kunskap kring termiska kamerasystem; till Claudia Lampic för hennes hjälp kring statistiska metoder och vetenskapligt skrivande; Serviceförrådet MHSK som gladeligen bistått med nödvändig materiel för arbetets
genomförande; och sist men inte minst till de tappra soldater, officerare och officersaspiranter som lånat ut ovärderlig och skyddsvärd materiel till vetenskapens tjänst:
Aram Kerro Daniel Hillfelt Erik Waern Gustav Arthur Jesper Nilsson Joel Löfgren Johan Högfeldt Lukas Lahtinen Magnus Persson Michael Cederberg Michael Stjernholm Oskar Kihlberg Seth Ljunggren
4
Innehållsförteckning
1. Introduktion ... 5 1.1 Bakgrund ... 5 1.2 Problematisering ... 5 1.3 Syfte ... 6 1.4 Frågeställning ... 61.5 Avgränsningar och målgrupp ... 6
1.6 Förväntat bidrag ... 7
1.7 Tidigare forskning ... 7
2. Teori ... 9
2.1 Emission ... 9
2.2 Infraröd strålning ... 11
2.3 Signatur och kontrast ... 12
2.4 Termiska sensorer ... 12
3. Metod... 13
3.1 Experiment 1: Emission hos varmt objekt ... 14
3.2 Experiment 2: Uppvärmning genom absorption ... 15
3.3 Analysmetod ... 16 3.4 Redovisning ... 16 4. Genomförande ... 17 4.1 Genomförande av experiment 1 ... 17 4.2 Genomförande av experiment 2 ... 18 4.3 Databearbetning experiment 1 ... 19 4.4 Databearbetning experiment 2 ... 19 5. Resultat ... 21 6. Analys ... 23 7. Diskussion ... 25 7.1 Resultatdiskussion ... 25
7.2 Metod- och analysdiskussion ... 27
7.2.1 Diskussion av experiment 1 ... 27 7.2.2 Diskussion av experiment 2 ... 27 7.2.3 Diskussion av analysmetod ... 28 7.3 Källkritisk diskussion ... 28 7.4 Arbetets generaliserbarhet ... 28 7.5 Slutsatser... 29 7.6 Vidare forskning ... 29 8. Referenser ... 30
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
5
1. Introduktion
1.1 Bakgrund
Kapprustning gör sig kanske tydligast när det gäller länders arsenaler eller pansar och projektiler, dock förekommer den i alla aspekter av krigsföring som har bäring mot att
påverka en motståndare. En utvecklad förmåga eller tillfört verktyg kräver en anpassning hos övriga parter för att inte vara sårbar; således sker en kontinuerlig utveckling av medel och motmedel. Detta gäller även förstadiet till verkan: processen av att lokalisera och identifiera en motståndare, vilket lyfter fram dualiteten i att upptäcka och att förbli oupptäckt genom exempelvis kamouflage.
Teknikutvecklingen för att inhämta underrättelser om en motståndare har varit kontinuerlig för att sedan andra världskriget även omfatta våglängder som inte är synliga för mänskliga ögon. Genom att kunna använda sig av det infraröda spektrumet har förmågan att detektera objekts egenemitterade värmestrålning blivit möjlig, vilket har möjliggjort nya lösningar vad gäller exempelvis spaning och målföljning. Denna teknik används nu generellt i samtliga vapengrenar.1
Konsekvensen av ökat hot för upptäckt innebär att förmågan till att dölja egen personal, materiel och verksamhet tillika har ökat. Utvecklingen berör dels ytskikt i hårda material tillika textilier som täcker värmekällor som personal eller fordon.2
1.2 Problematisering
Den generella förmågeökningen i underrättelseinhämtningen ställer krav på förband att anpassa taktik och teknik för att minimera risken för upptäckt. Detta tar sig uttryck i hur utbildning av personal genomförs, samt vilken typ av och hur materiel används. Behovet av skydd innebär tidsödande och frihetsbegränsande konsekvenser för svenska förband, men vilka är oumbärliga för överlevnad, exempelvis ljud-, ljus- och signaldisciplin.3
Betraktat ur ett systemperspektiv kan personal eller objekts undermåliga maskering få konsekvenser för hela förbandet, så till vida att både position och verksamhet kan röjas. Det kan innebära taktiska konsekvenser, men ur ett övergripande perspektiv kan det även ge följder på operativ nivå. När delar av ett förband observeras kommer detta underlag påverka vilka slutsatser som kan dras. Av denna orsak är det viktigt att ha förmåga att anpassa vilka signaturer som är synliga för en fiende, om det så är personalens kroppsvärme eller ett kompani av stridsvagnar; därav behovet av signaturanpassning.
1 Peter Harrison, ”Thermal Imaging and Its Military Applications”, The RUSI Journal 122, nr 3 (september 1977): 68–74, https://doi.org/10.1080/03071847709428741.
2 Dev Om m.fl., ”Multi-layered textile structure for thermal signature suppression of ground based targets”, Infrared Physics & Technology 2020, nr 105 (u.å.): 1–2, åtkomstdatum 22 februari 2020,
https://doi.org/10.1016/j.infrared.2019.103175.
3 Försvarsmakten, Handbok Markstrid - Taktiska/Fältmässiga grunder, vol. 2016 (Försvarsmakten, u.å.), 94, 164.
6
Således behöver personalens personliga utrustning vara signaturanpassad även i det infraröda spektrumet för att uppnå ett skydd mot moderna sensorer. Detta är fullt möjligt att uppnå genom att anpassa textilierna i uniformsplaggen samt genom ytbehandling av dem. Huruvida denna skyddande egenskap i uniformen är beroende eller ej av uniformens skick är inte helt klart; det finns till och med orsak att tro att smuts kan bidra positivt i maskeringshänsyn givet att smutsen är lämplig för den rådande kontexten; exempelvis lera på uniform i en lerig miljö. Ett faktum är säkert: Uniformen kommer att bli smutsig av bruk både i freds- och krigstid. Är vården av denna ytterligare en tidsödande verksamhet för förbanden för att uppnå optimal termisk signatur för verksamheten?
Kunskap om utrustningens behov av vård för att uppfylla specificerade egenskaper är relevant för att upprätthålla funktionsduglig status på materielen, både för individ och myndighet i att minimera risk för egna förband vid lösande av tilldelade uppgifter.
1.3 Syfte
Detta arbete utgår från en beskrivande angreppsvinkel för att utreda hur eller om den termiska emissiviteten hos den svenska fältuniformen förändras med ansamling av smuts från dagligt bruk i syfte att kunna ge underlag för inriktning av vård av personlig utrustning på individuell och organisatorisk nivå.
Uppsatsens arbetshypotes är att smutsiga uniformspersedlar kommer att ha en större variation i emissivitet än rena uniformspersedlar på grund av den ytterligare påverkande faktorn som finns i smuts, utöver de gemensamma faktorerna hos samtliga uniformspersedlar som kan påverka emissiviteten, som exempelvis ålder och slitage.
1.4 Frågeställning
Skiljer sig smutsiga persedlar från rena ur ett termiskt emissionsperspektiv hos uniformssystem 90?
1.5 Avgränsningar och målgrupp
Arbetet kommer att avgränsas till strålning i det infraröda spektrumet i intervallet 8-12 μm. Medan spannet 3-5 μm också är relevant i denna kontext då kroppsvarma objekt kan
detekteras i detta spektrum så har inte några sådana system funnits att tillgå vid experimenten. Detta är en ekonomisk och tidsrelaterad begränsning.
Vidare kommer ingen kvalitativ undersökning av smutsens beskaffenhet i uniformsplaggen att genomföras. De smutsiga persedlar som kommer användas i studien är utlånade av soldater, officerare och officersaspiranter där de har brukats på daglig basis i markstrid eller snarlik verksamhet i över ett halvår utan att tvättas.
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
7
Detta arbete vänder sig främst till officerare, officersaspiranter och de i försvarsrelaterad verksamhet. Arbetet förutsätter en viss förståelse för den taktik, hotbild och teknik som påverkar militär verksamhet och det vokabulär som förknippas med detta.
1.6 Förväntat bidrag
Arbetet avser att bidra med kunskap kring hur smuts i eller på uniformsplagg har för påverkan på den termiska emissiviteten, och i sin förlängning huruvida vård av den personliga
utrustningen har bäring på den termiska signaturen hos soldaten eller ej.
I den litteraturundersökning som genomförts inför detta arbete har material relevant för signaturanpassning av förband hittats, exempelvis hur textilier kan modifieras för att uppnå önskade egenskaper. Vad gäller smutsens påverkan på textiliers egenskaper har underlaget varit betydligt mindre.
I Signaturmateriel 2017-19 – Slutrapport från Totalförsvarets forskningsinstitut (FOI) redogörs för smutsavstötande ytor, där följande skrivs:
”Frågan hur och om smuts påverkar effektiviteten hos en kamouflerande yta har diskuterats men inte studerats noga. […] Det är oklart om en kamouflerande yta som är smutsig är lika effektiv som samma yta när den är ren. Studier bör göras på detta och om effektiviteten skulle visa sig bli försämrad bör man överväga att studera om superhydrofobiska beläggningar kan fungera för att hålla ytan ren och i så fall hur beläggningen påverkar ytans kamouflerande funktion.”4
Bidraget blir således att tillföra underlag till den av FOI identifierade kunskapsluckan.
1.7 Tidigare forskning
Som nämnt finns forskning kring textilier och utformningen av dessa. Relevansen är både hög civilt som militärt.
I Development of Visible and Near Infrared Camouflage Textile Materials undersöks hur olika former av slitage på textilier med tryck påverkar färgfastheten och den reflexiva egenskapen i materialet, och hur detta skiljer sig mellan olika former av textilier och tryck. Artikelns författare noterar i sin litteratursökning att mängden forskning i textiliernas
utformning är bred, men konsekvensen av slitage på densamma är obefintlig. Slutsatsen som dras i artikeln är att tvätt och ljusexponering påverkar ovanstående egenskaper hos textilierna negativt, men att även märkbara förändringar i färg inom synligt spektrum inte nödvändigtvis innebär en förändrad reflektionsegenskap i NIR-spektrumet.5
Detta är relevant att ha i beaktande vid utformandet av studierna, att kontrollera för ålder som kan vara indikativt på exponering för ljus och antal tvättningar. Denna studie är dock
4 Linda H. Karlsson m.fl., ”Signaturmaterial 2017–19”, Slutrapport (FOI, december 2019), 28, FOI.se.
5 Vitalija Rubežien m.fl., ”Development of Visible and Near Infrared Camouflage Textile Materials”, Materials science (Medžiagotyra). 2009, nr 2 (u.å.), åtkomstdatum 12 februari 2021.
8
begränsad till konsekvenser för färg i synligt spektrum samt för reflektion inom NIR-spektrumet.
Försvarshögskolans Kent Andersson har producerat texter med relevans för ämnet. I A review of materials for spectral design coatings in signature management applications avhandlas signaturhantering och teknik för att möjliggöra den. I denna text beskrivs bland annat hur bättre infraröda egenskaper för signaturhantering kan skapas i textilier. Dock ligger tyngdpunkten snarare hos hårdare material än textilier, även om båda avhandlas.6
Som exempel har man i Novel infrared stealth property of cotton fabrics coated with nano ZnO: (Al, La) particles undersökt hur den termiska strålningen från bomullstextilier kan minskas med hjälp av zinkoxidbehandling berikad med aluminium och lantan. Studien visade att tillförandet av aluminium och lantan sänkte emissionen inom våglängsintervallet 8-14μm från 0,832 (ren zinkoxid) till 0,627 (5% aluminium, 2% lantan). Dock beskrivs mjukheten i textilen som otillfredsställande, som möjligen påverkas i valet av adhesiv, som i detta fall utgjorde 80% av massan i behandlingen vilket gav optimala egenskaper i signaturhänseende.7
För att sätta ovanstående emission i perspektiv tydliggörs emission hos textilier i Multi-layered textile structure for thermal signature suppression of ground based targets. Generellt har textilier en emission runt 0,92-0,98 på en skala mellan 0 och 1. Studien i stort undersöker hur termiska signaturer kan maskeras med hjälp av textilier med multipla lager i form av exempelvis maskeringsnät. Undersökningen fokuserar på hur antalet lager och avstånd till värmekällan påverkar den termiska strålningen från textilen; där slutsatsen är att materialet med fler lager kan skyla ett varmare objekt bättre, samt att vinningen i avstånd avtar efter 16mm mellan värmekällan och textillagret, med vilken en minskning över 90% kan åstadkommas.8
Det finns ett stort intresse i hur textilierna i sig kan anpassas, användning av dem och även hur vård och användning av dem påverkar signaturen i fler våglängdsintervall än den termiska. Hur smuts i eller på textilier påverkar signaturen är sparsam, likt det som undersöktes om slitaget av Vitalija et al.
Då tvätt verkar förändra textiliernas egenskaper negativt i signaturanpassningsavseende, så finns det relevans i att undersöka tvättens komplementhändelse: Frånvaro av tvätt. Persedlar som ej tvättats på lång tid finns det gott om i Försvarsmakten; dessa kommer insamlas i syfte att undersöka just denna komplementhändelse.
6 Kent E. Andersson och Christina Åkerlind, ”A review of materials for spectral design coatings in signature management applications”, red. Douglas Burgess m.fl. (SPIE Security + Defence, Amsterdam, Netherlands, 2014), 92530Y, https://doi.org/10.1117/12.2067167.
7 Mao Zhiping m.fl., ”Novel Infrared Stealth Property of Cotton Fabrics Coated with Nano ZnO: (Al, La) Particles”, Vacuum 2014, nr 104 (u.å.): 111–15.
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
9
2. Teori
I syfte att läsaren ska ha förståelse för experimentets ingående delar kommer emission som egenskap hos objekt och infraröd strålning att förklaras i teoridelen. Vidare kommer även begreppet signatur och kontrast inledningsvis att avhandlas för att sätta emissionsegenskapen i ett perspektiv som är relevant i militär kontext. Slutligen kommer en kort genomgång av en termisk sensors funktion att beskrivas i syfte att tydliggöra vad som de facto undersöks i arbetet.
2.1 Emission
All materia med temperatur över den absoluta nollpunkten (-273,15 ˚C) emitterar
värmestrålning, detta på grund av partiklarnas laddningar och rörelser, vilka ger upphov till elektriska och magnetiska fält; det vill säga essensen i elektromagnetiska vågor. Dessa är grundpelaren i det fenomen som kommer undersökas i detta arbete.9
När infallande strålning kommer i kontakt med ett objekt kan energin i den elektromagnetiska strålningen antingen:
1. Reflekteras 2. Absorberas
3. Transmitteras (passera igenom)
Eftersom energi inte kan förstöras utan endast omvandlas så kommer dessa tre delar att motsvara 100% av den infallande strålningen.10 Material som optiskt inte tillåter transmission av strålning kan göra det i andra spektrum och vice versa. Exempelvis passerar inte termisk strålning igenom glas medan visuellt ljus gör det; respektive en svart soppåse som
transmitterar värmestrålning i intervallet 8-12 μm medan visuellt ljus absorberas eller reflekteras.
Objekt i verkligheten, i motsats till objekt som existerar rent hypotetiskt, kommer ha inslag av reflektion, absorption och transmission. Dessa kan skrivas som kvoten mellan den energi som reflekteras, absorberas eller transmitteras relativt den totala infallande strålningen. Summan av dessa kvoter (R, A och Tr) är lika stor som energin hos den infallande strålningen, det vill säga 𝑅 + 𝐴 + 𝑇𝑟 = 1. För ett objekt som inte tillåter transmission gäller 𝑅 + 𝐴 = 1.1112
9 Jörgen Gustaffsson, Fysik fysik 1 fysik 2, 1:3, vol. 2015 (Lund: Studentlitteratur AB, u.å.), 363.
10 Hugh D. Young och Roger A. Freedman, University Physics with Modern Physics, 14:e uppl. (Essex, England: Pearson Education Limited, 2016), 648.
11 Andersson och Åkerlind, ”A review of materials for spectral design coatings in signature management applications”, 4.
12 ”Bruksanvisning FLIR Exx-serien” (FLIR Systems, 16 mars 2018), 263, https://support.flir.com/DocDownload/app/RssDocDownload.aspx?ID=22798.
10 För att beskriva eller räkna på verkligheten krävs ibland helt hypotetiska objekt. En hypotetisk kropp som absorberar all infallande strålning kallas en svartkropp; det vill säga att inget reflekteras eller transmitteras. Eftersom all infallande strålning absorberas och således tillför energi till objektet kommer dess temperatur öka. Hade ett sådant objekt befunnit sig i vakuum hade temperaturen fortsatt stiga i oändlighet. På grund av emittans sker inte detta utan objektet hamnar i termisk jämnvikt, där lika mycket energi emitteras som absorberas. Vilken typ strålning och hur den fördelar sig över olika spektrum beskrivs av Max Plancks
strålningslag.13 (se fotnot14)
Emissionen har ett direkt samband med absorptionen. Enligt Kirschhoffs lag är emissiviteten lika stor som den absorberande
egenskapen, således gäller 𝐴 = ε.15 Det vill säga att om ett objekt ska behandlas för att få
lägre emissivitet kommer det enligt energins bevarande att behöva påverka antingen transmissions eller reflektionsegenskapen hos materialet.
Ur Plancks lag kan Stefan-Boltzmanns lag integreras, vilken förklarar strålningsintensiteten över alla spektrum som en funktion av enbart temperaturen hos ett objekt. (se fotnot16) Ökad temperatur påverkar intensiteten exponentiellt!17
Tillika kan Wiens förskjutningslag härledas ur Plancks strålningslag. Den förklarar vid vilken våglängd en svartkropp kommer att emittera mest strålning beroende på dess tempetarur. (se fotnot18)
Dessa samband gäller för svartkroppar, en hypotetisk perfekt radiator och absorberare. Reella föremål både reflekterar och absorberar del av strålningen. Vissa objekt kan beskrivas som gråkroppar, det vill säga en kropp med en likadan strålningsfördelning som för en svartkropp enligt Planck, men med en faktor för emissiviteten (ε) där 0 < ε < 1. Det vill säga att en gråkropp kommer att emittera strålning likt en hypotetisk svartkropp, men med lägre intensitet eftersom viss energi också reflekteras. Jämför med den zinkoxidbehandlade textilen av Mao 13 Gustaffsson, Fysik fysik 1 fysik 2.
14 𝐸(𝑇, 𝜆) = 2ℎ𝑐2 𝜆5 ∗ 1 𝑒 ℎ𝑐 𝜆𝑘𝑇−1
, där E är emittansen mätt i 𝑊/𝑚2vid en given temperatur (T) och våglängd (λ) Detta samband gäller för en svartkropp.
15 Andersson, ”On the Military Utility of Spectral Design in Signature Management: A Systems Approach”, 41, 50.
16𝐼 = 𝜎𝑇4, där I är intensiteten (summan av alla våglängders energi, 𝑊/𝑚2), T är ytans temperatur och σ är Boltzmanns konstant. Skiljer sig från emittans i och med att det är summan av våglängder och inte en enskild våglängd vid en given temperatur.
17 Young och Freedman, University Physics with Modern Physics, 1327–28.
18𝜆𝑚𝑎𝑥𝑇 = 𝑎. Där a är konstant (𝑎 = 2,90 ∗ 10−3𝐾𝑚), T är temperaturen och 𝜆𝑚𝑎𝑥 det spektrum med högst strålningstäthet
Figur 1. Strålningsintensitet beroende av temperatur. Ett varmare objekt strålar en större total mängd energi (samlad area under respektive graf. Maximipunkten är den våglängd som varje respektive kropp strålar som mest vid beroende på temperaturen. Denna bild visar strålningsintensiteten utifrån våglängd och temperatur för en svartkropp. Källa Försvarshögskolan.
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
11
Zhiping et al, där emissiviteten sänktes.19 Blanka metaller har oftare lägre emission än naturligt förekommande föremål, som växtlighet och sten.20
En gråkropp är inte en alltid en bra beskrivning av verkligheten heller. Atmosfären tillåter transmission av vissa våglängder, men inte andra; jämför med tidigare exempel med glas som transmitterar visuellt ljus men ej termisk strålning. Enligt tidigare hänger transmission
samman med reflektion och absorption; dessa egenskaper kan alltså vara våglängdsberoende, sådana objekt kallas för selektiva strålare och beskriver bättre verkliga objekt.2122
2.2 Infraröd strålning
Infraröd strålning är elektromagnetiska vågor med en våglängd längre än de som är synliga för människor (synligt ljus ca 0,38 nm till 0,75 nm).23 I militära sammanhang delas det infraröda spektrumet ibland upp i:
• NIR – nära infraröd (0,8-2 μm)
• MWIR – mellanvågs infraröd (3-5 μm) • LWIR – långvågs infraröd (8-12 μm) • TIR – termisk infraröd (2-14 μm)24
Denna uppdelning beror på vilka intervall som är av relevans i militär verksamhet. På grund av atmosfärens beskaffenhet transmitteras endast vissa våglängder, däribland synligt ljus och ovanstående infraröda intervall. Enligt tidigare så bevaras energin antingen genom
transmission, reflektion eller absorption. Exempelvis absorberas eller reflekteras infraröd
19 Zhiping m.fl., ”Novel Infrared Stealth Property of Cotton Fabrics Coated with Nano ZnO: (Al, La) Particles”. 20 Andersson och Åkerlind, ”A review of materials for spectral design coatings in signature management applications”, 5–6.
21 Kristian Artman, Anders Westman, och Försvarshögskolan, Lärobok i militärteknik. V. 2, Sensorteknik (Stockholm: Försvarshögskolan, 2007), 55.
22 ”Bruksanvisning FLIR Exx-serien”, 276.
23 Young och Freedman, University Physics with Modern Physics, 1077.
24 Artman, Westman, och Försvarshögskolan, Lärobok i militärteknik. V. 2, Sensorteknik, 56.
12
strålning mellan MWIR och LWIR (intervallet 5-8 μm) i atmosfären, och är således ointressant ur militär synpunkt.25
Enligt tidigare kan vi med hjälp av Wiens förskjutningslag räkna ut vid vilken våglängd en mänsklig kropp emitterar mest strålning:
𝜆𝑚𝑎𝑥 = 𝑎 𝑇= 2,90 ∗ 10−3𝐾𝑚 273,15 + 30˚𝐶 = 2,90 ∗ 10−3𝐾𝑚 303,15𝐾 = 9,566 ∗ 10 −6𝑚 = 9,56 𝜇𝑚
Strålning som emitteras från människovarma objekt transmitteras i atmosfären och är således möjlig att observera.
2.3 Signatur och kontrast
För att kunna detektera ett objekt krävs att det finns en kontrast i relation till bakgrunden. Kontrast är en mätbar skillnad i en gemensam egenskap hos objektet och bakgrunden,
exempelvis färg eller rörelse. Finns det ingen skillnad i den egenskap man betraktar ett objekt och dess omgivning utifrån kommer den inte kunna detekteras. Måttet på denna skillnad kallas signatur.
En kontrast relevant för detta arbete är den emitterade strålningsmängden inom ett specifikt intervall. Signaturen kan således i detta arbetes kontext beskrivas som:
𝑺𝒊𝒈 = 𝑬𝒐𝒃𝒋− 𝑬𝒃𝒈𝒅
Där 𝑬𝒐𝒃𝒋 är emissionen från det sökta objektet och 𝑬𝒃𝒈𝒅 är bakgrundens emission. Skillnaden däremellan är Signaturen.2627
2.4 Termiska sensorer
Termiska sensorer är anpassade för att detektera strålning inom ett specifikt spektrum, antingen inom MWIR eller LWIR beroende på vilka typer av temperatur som är av relevans. Likt en vanlig optisk kamera används optik för att fånga strålningen, med den skillnaden att speciella material som tillåter transmission av den sökta strålningen (det vill säga inte silikatglas). 28
Den termiska sensorn fångar strålningen genom optiken och riktar den mot
detektorelementen, som kan utgöras av mikrobolometrar som översätter den infallande strålningen till en temperatur för varje enskild pixel. Som exempel: en termisk sensor
25 Andersson och Åkerlind, ”A review of materials for spectral design coatings in signature management applications”, 5.
26 Lars Bohman, ”Sensorer mot markmål” (Totalförsvarets forskningsinstitut, augusti 2012), 11–12.
27 Andersson, ”On the Military Utility of Spectral Design in Signature Management: A Systems Approach”, 35– 36.
28 F. Di Felice m.fl., ”Drone High Resolution Infrared Imaging of the Lusi Mud Eruption”, Marine and Petroleum Geology 90 (februari 2018): 41, https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2017.10.025.
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
13
utvecklad av FLIR Systems använder sig mikrobolometrar utan kylning som detekterar strålning i spannet 7,5 till 14 μm; vilket ett kroppstempererat objekt strålar inom.29
En termisk sensor kan inte skilja på huruvida infallande strålning är emitterad från objektet eller reflekterad från omgivningen. Således är det avgörande att känna till mätobjektets emissivitet för att på ett tillförlitligt sätt kunna uppskatta dess temperatur med en termisk sensor. Ett objekt med låg emission och således hög reflexivitet kommer uppfattas att vara närmre rumstemperatur eftersom väldigt lite egenemitterad strålning avges.
Kopplat till signaturbegreppet kan alltså en kropp med låg emissivitet uppfattas att vara mer lik sin omgivning då merparten av strålningen är reflekterad och således uppnås en lägre signatur i en värmekamera betraktat.
3. Metod
Syftet med detta arbete är att undersöka huruvida den termiska emissiviteten förändras av att uniformsplaggen blir smutsiga. Den emissiva egenskapen vid termiska våglängder är
intressant på grund av den taktiska konsekvens den har i och med utvecklingen av moderna sensorer i militär kontext. Genom att förhålla undersökningen till de fysikaliska egenskaperna hos reella objekt kan denna egenskap undersökas på flertalet sätt.
Emissivitet i ett objekt har direkt koppling till dess absorptionsegenskap, som har samband med reflektions- och transmissionsegenskapen i materialet. Således är det möjligt att undersöka emissiviteten genom att betrakta exempelvis den absorberande egenskapen; alternativt att undersöka den reflekterande egenskapen om transmissionen går att kontrollera eller eliminera.
För att inhämta data i syfte att beskriva hur smuts i uniformen påverkar den termiska
signaturen kommer experiment att genomföras där ovanstående egenskaper undersöks i syfte att utröna om eventuell skillnad hos smutsiga i jämförelse med rena kan identifieras.
För att undersöka dessa egenskaper kommer dels den emissiva egenskapen att undersökas genom att med termisk kamera jämföra den emitterade energin mellan objekten. Därutöver kommer den absorberande egenskapen undersökas genom uppvärmning genom bestrålning. I denna studie kommer uniformspersedlar från Försvarsmaktens uniformssystem 90 att användas som försöksobjekt. I uniformssystem 90 ingår flertalet ytterplagg, däribland: Fältjacka 90, fältbyxa 90 och fältmössa 90. Dessa delar specifikation för yttertyg enligt Försvarets materielverks (FMV) dokument Technical specification 50003 C.30 I detta framgår kraven som ställs på de optiska egenskaperna i yttertyget, däribland reflektion inom det infraröda spektrumet. Dock inom vad som kallas nära infrarött, i specifikationens fall mellan 0,68 μm och 1,2 μm.
29 ”Bruksanvisning FLIR Exx-serien”, 120.
14
Medan reflektion är en högst relevant faktor i emissionshänseende så berör specifikationen inte de våglängder som är intressanta för kroppstempererade objekt, det vill säga långvågig infraröd strålning.
Uniformerna delar tygspecifikation enligt deras respektive specifikationer.3132 Medan
fältjacka 90 har foder vilket kan ge en motsvarande effekt likt i Multi-layered textile structure for thermal signature suppression of ground based targets så bör mätningar på en fältmössa ge representativa värden för yttertyget hos övriga plagg. Luftspalten och fodret i en fältjacka kommer kunna dölja en värmekälla bättre; men en fältjacka och en fältmössa vid samma temperatur kommer avge samma strålning på grund av deras delade ytegenskaper.
För att identifiera huruvida otvättade uniformsplagg skiljer sig i termisk emission genomförs två skilda experiment; detta i syfte att resultaten från respektive genomförande ska validera varandra.
3.1 Experiment 1: Emission hos varmt objekt
Stefan-Boltzmanns lag ger att strålningsintensiteten är proportionerlig mot temperaturen. 𝐼 = 𝜎𝑇4
Till detta tillkommer den emissiva egenskapen, där objekt med låg emissivitet strålar mindre energi och tillika absorberar mindre energi; det vill säga alla objekt som inte motsvarar en svartkropp; exempelvis en fältuniform.
𝐼𝑈𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚= ε𝑈𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚𝜎𝑇𝑈𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚4
En högre temperatur hos uniformen innebär en högre strålningsintensitet i relation till uniformens emissivitet. Förutsatt att temperaturen hos försöksobjekten är lika och att denna skiljer sig från omgivningstemperaturen33 så är en skillnad i strålningsintensitet möjlig att detekteras, vilket enligt Stefan-Boltzmanns lag skulle innebära en skillnad i emissivitet då temperaturen är densamma.
Således bör en skillnad i emissiviteten vara mätbar under följande förutsättningar: 1. Försöksobjektens temperaturer är lika stora.
2. Försöksobjektens temperatur skiljer sig från omgivningens temperatur. (3. Försöksobjektens strålningsintensitet är olika stora.)
För att manipulera försöksobjektens temperatur till önskad utgångspunkt kan en vanlig köksugn användas. För att sedan dokumentera försöksobjektens emissivitet kan en termisk kamera användas. På följande sätt avses detta experiment att genomföras:
- Samtliga försöksobjekt placeras i ugn som är uppvärmd till en temperatur högre än omgivningstemperaturen.
- Försöksobjekten tillåts nå termisk jämnvikt i ugnen.
31 FMV, ”Technical specification 11689 F” (Försvarets Materielverk, 24 april 2014). 32 FMV, ”Technical specification 11628 M” (Försvarets Materielverk, 11 april 2018).
33 Eftersom reflektion och emission för ett ogenomskinligt objekt = 1 så behöver temperaturen i mätobjekten skilja sig från omgivningen för att skilja sig sinsemellan och från bakgrunden.
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
15 - Försöksobjekten fotograferas med termisk kamera.
3.2 Experiment 2: Uppvärmning genom absorption
Ett objekt i vakuum i termisk jämvikt absorberar lika mycket energi som det emitterar, när objektet bestrålas med mer energi än vad som emitteras från objektet ökar temperaturen till dess att jämvikt uppnås. Ett objekt med högre emissivitet kommer absorbera mer energi än ett objekt med lägre emissivitet, och respektive emittera mer energi vid samma temperatur som ett objekt med lägre emissivitet.Temperaturökningen hos ett objekt beror dels på den tillförda energin, dels på massan och den specifika värmekapaciteten för materialet (hur mycket energi som krävs för att värma en given massa och temperatur). Olika material kräver olika mycket energi för att vid samma massa öka deras temperatur lika mycket. Som exempel kommer 1kg järn och 1kg vatten öka olika mycket i temperatur om både tillförs lika mycket energi.34
Stefan-Boltzmanns lag appliceras även i detta experiment. En fältmössa har uppnått termisk jämvikt vid rumstemperatur när den både strålar och absorberar lika mycket energi (i detta fall försummas andra värmeledningsegenskaper som konduktion och konvektion)
𝐼𝑈𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚 = 𝐼𝐵𝑎𝑘𝑔𝑟𝑢𝑛𝑑
Strålningsintensiteten hos fältmössan anges i effekt per ytenhet. För att ta reda på effekten eller hur mycket energi som förflyttas mellan fältmössa och omgivningen per tidsenhet inkluderas den strålande ytan i formeln enligt tidigare samt den strålande omgivningen:
𝑃𝑈𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚 = 𝐴𝑢𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚ε𝑈𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚𝜎(𝑇𝑈𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚4− 𝑇𝐵𝑎𝑘𝑔𝑟𝑢𝑛𝑑4)
Om omgivningen är kallare än fältmössan, det vill säga att (𝑇𝑈𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚4 − 𝑇𝐵𝑎𝑘𝑔𝑟𝑢𝑛𝑑4) > 0 kommer fältmössan stråla ut mer energi till omgivningen och dess temperatur kommer att sjunka. Är omgivningens temperatur högre tillförs energi till fältmössan och dess
temperaturen stiger.
Genom att exponera persedlarna för uppvärmning genom bestrålning av radiator kan skillnad i den absorberande egenskapen uppmätas genom att betrakta försöksobjekten efter de har blivit bestrålade. På följande sätt avses detta experiment genomföras:
- Försöksobjekt placeras framför en radiator på ett bestämt avstånd. - Försöksobjektet värms upp genom bestrålning av radiator.
- Som tidigast när försöksobjektet har högre temperatur än omgivningen stängs radiator av och försöksobjektet fotograferas med termisk kamera.
16
3.3 Analysmetod
För vidare statistisk analys krävs att kvantitativa data extraheras ur rådata från termisk kamera i form av bilder från respektive metod. Adobe Photoshop CS3 kommer användas för detta ändamål, där det inbyggda histogramverktyget användes för att kvantifiera bildernas innehåll. Den kvantitativa data som kommer användas utgörs av intervallvariabler och
nominalvariabler.35 Från experiment 1 kommer intervallvariabeln maxtemperatur att extraheras på lättast vis ur bilderna då den nominella maxtemperaturen redovisas direkt på bilderna. Från experiment 2 kommer intervallvariabeln medelljusstyrka att extraheras genom histogramverktyget.
En bivariat analys kommer genomföras på resultatets centralmått, där försöksobjektens skick kommer att jämföras mot medelljusstyrkan. Detta i syfte att utröna huruvida smutsen har någon påverkan på emissiviteten. Bivariat analys lämpar sig väl för att undersöka hur två variabler påverkar varandra. T-test kommer genomföras med hjälp av
statistikbehandlingsprogrammet SPSS i syfte att undersöka den statistiska signifikansen i resultatet. Eftersom urvalet ur populationen som kommer användas är relativt liten kommer även Mann-Whitney U test användas för att validera signifikansen.36 Den statistiska
signifikansen är viktig då låg signifikans innebär att slumpen kan vara den avgörande faktorn i slutsatserna som dras. Generellt sägs 5% (0.05 i T-testets Sig. (2-tailed)) risk för att slumpen har påverkat resultatet vara en godtagbar risknivå.
3.4 Redovisning
De kvantitativa data kommer att redovisas i obehandlad form under resultatkapitlet för att i analyskapitlet redogöras för utifrån de statistiska verktyg som nämnts ovan. Slutligen kontextualiseras de analyserade resultaten i diskussionskapitlet.
35 Annika Eliasson, Kvantitativ metod från början (Lund: Studentlitteratur, 2010), 38. 36 Eliasson, 131–37.
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
17
4. Genomförande
I syfte att möjliggöra studier av uniformen har följande persedlar införskaffats: Fältmössor utlämnade från förråd: 20st
Fältmössor utlånade av anställda soldater och officerare: 14st.
Bild 1. Lånade persedlar
Samtliga fältmössor märks med tejp för identifiering och spårbarhet. De lånade fältmössorna märks med namn och de tvättade från förrådet märks med ”REF N”, där N är en siffra mellan 0 och 19. Persedlarna skiljer sig sinsemellan så till vida att fältmössorna från förrådet är använda men tvättade medan fältmössorna från soldater och officerare är otvättade sedan minst 6 månader. De lånade fältmössorna kommer från soldater och officerare som använder dessa på daglig basis. Dessa utgör försöksobjekten för mätningarna.
4.1 Genomförande av experiment 1
För att uppnå önskade förutsättningar och genomföra mätningar används utöver försöksobjekten:
1. Elektrolux EKC6120 - Ugn
2. FLIR E75 42˚ - Termisk kamera 3. Aluminiumfolie
Vid detta genomförande mättes 8st persedlar varav samtliga rena. Samtliga persedlar
placerades i ugnen för gemensam uppvärmning i 30 minuter. Därefter togs de ut individuellt och placerades på ett underlag av aluminiumfolie för fotografering av termisk kamera. Denna plats täcktes med aluminiumfolie i syfte att minska emission vid eventuell uppvärmning av
18
underlaget.37 På den avsedda platsen markerades ett riktmärke med vit vävtejp för att göra bilderna mer enhetliga.
Tiden från att persedlarna lämnat ugnen till dess att de fotograferades tog mindre än 15 sekunder. Vid detta genomförande användes REF0 till REF7 som försöksobjekt; REF0 är alltså inte tänkt som ett referensobjekt.
4.2 Genomförande av experiment 2
Till förfogande för detta genomförande användes:1. Infrared HEATER 600W - Infravärmare från Clas Ohlssons
2. FLIR E75 42˚ - Termisk kamera
Vid detta genomförande mättes 16 st persedlar: 10 smutsiga, 5 rena och 1 referensobjekt. Fältmössorna placerades på hållare med skärmarna symmetriskt pekandes mot varandra med samma avstånd till radiator och termisk kamera. Uppställningen var symmetrisk i syfte att båda försöksobjekten skulle påverkas lika av radiatorns strålningslob.
Fältmössorna och hållarna var placerade på ett bord. Bordet var täckt med vaxduk, vars kant mot radiatorn täcktes med silvertejp samt en centrumpunkt med svart eltejp i syfte att ha ett referensmärke för att rikta in kamera och radiator. Den svarta eltejpen som var centrerad bedömdes ha hög emissivitet och låg massa och var således tänkt att nå högst temperatur först.
Fältmössorna placerades på respektive hållare för att därefter bestrålas till dess att den termiska kameran visade en maxtemperatur på 30˚C, varvid bild togs och, försöksobjektet byttes ut och temperaturen i systemet fick återgå till rumstemperatur. Vid avkylningen tilläts en avvikelse från rumstemperaturen med två grader i syfte att påskynda processen. Vid bildtagning tilläts en avvikelse från maxtemperaturen med 0.1˚C och en avvikelse från minimitemperatur om 29.9˚C med 0.2˚C.
37 Blank metall som exempelvis aluminiumfolie reflekterar merparten av all termisk strålning och således påverkas mätningen minimalt av tidigare objekt som legat på samma plats och värmt upp underlaget då emissionen i relation är väldigt låg.
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
19
Fältmössa märkt Ref 0 användes som referens under hela genomförandet. I rummet vid mätningen befann sig tre personer under hela genomförandet. Alla fönster i rummet var förtäckta med både persienner och gardiner i syfte att minimera infallande strålning utifrån. Rummets sju lampor var släckta under genomförandet. Rummets dörr stod öppen vid hela genomförandet i syfte att minimera temperaturökningen i rummet.
Målet med detta experiment var att erhålla bilder med en gemensam referensskala för att möjliggöra jämförelser mellan bilderna.
4.3 Databearbetning experiment 1
Ur bilderna från genomförande 1 kan den högst uppmätta temperaturen utläsas ur kamerans egen bildbehandling (se bild 3, övre höger hörn). Temperaturen utgör intervallvariabler och försöksobjektens skick utgör nominalvariabler.
4.4 Databearbetning experiment 2
Ur bilderna från genomförande 2 betraktas ljusstyrkan som en indikation på temperaturen. Hög ljusstyrka indikerar högre temperatur och lägre ljusstyrka en lägre temperatur.
Gemensam färgskala i förhållande till temperaturen gör att dessa bilder går att jämföra sinsemellan, då ljusstyrkan beror på färgskalan som är konstant.
En kvadrat dimensionerad till 50x50 pixlar placerades i genomsnittlig centrumpunkt för både referensobjektet och försöksobjekten, se bild 5. Kvadraten placerades mellan pixlarna 149, 359 till 199, 309 över försöksobjekten respektive 434, 358 till 484, 308 för referensobjektet (position enligt X, Y räknat i pixlar där X räknas vänster till höger och Y uppifrån och ned).
20
Histogrammet redogör för ljusstyrkan (luminosity) inom det markerade området på en skala från 0 til 255 där medelvärde, median och standardavvikelse för ljusstyrkan redovisas; denna metods intervallvariabler. Dessa värden presenteras jämte försöksobjektens skick, metodens nominalvariabler.
Bild 5. 50x50 centrerad i fältmössa Bild 4. Photoshop - Histogram
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
21
5. Resultat
Nedan redovisas data från genomförande 1 och 2 i obehandlad form. Data enligt tabellen.
Experiment 1
Objekt Maximalt uppmätt temperatur [℃] År sedan tillverkning (Tillverkningsår) REF0 65 5 2016 Medel 72 REF1 68 5 2016 Median 73 REF2 73 5 2016 Std.av. 5 REF3 70 15 2006 REF4 77 5 2016 REF5 74 20 2001 REF6 79 5 2016 REF7 74 20 2001 REF8 67 14 200722
Medelljusstyrka
(medelvärde)
Experiment 2
Genomförande smutsiga
Försöksobjekt Medelljusstyrka Referensobjekt Medelljusstyrka Skillnad Smutsig 25 212,41 207,67 4,74 Smutsig 26 210,82 213,33 -2,51 Smutsig 29 222,98 209,7 13,28 Smutsig 30 218,28 221,06 -2,78 Smutsig 31 213,82 219,49 -5,67 Smutsig 32 212,37 224,58 -12,21 Smutsig 33 202,94 225,08 -22,14 Smutsig 34 198,84 218,94 -20,1 Smutsig 35 202,63 219,43 -16,8 Smutsig 36 203,29 219,37 -16,08 Medelvärde 209,838 217,865 -8,027 Median 211,595 219,4 -8,94 Maximun 222,98 225,08 13,28 Minimum 198,84 207,67 -22,14 Skillnad Min/Max 24,14 17,41 35,42 Standardavvikelse 7,7258323 5,840828 11,47343Genomförande rena
Försöksobjekt Medelljusstyrka Referensobjekt Medelljusstyrka Skillnad Ren 37 216,85 221,97 -5,12 Ren 38 211,59 220,82 -9,23 Ren 39 211,38 225,58 -14,2 Ren 40 213,6 214,95 -1,35 Ren 41 213,49 226,3 -12,81 Medelvärde 213,382 221,924 -8,542 Median 213,49 221,97 -9,23 Maximun 216,85 226,3 -1,35 Minimum 211,38 214,95 -14,2 Skillnad Min/Max 5,47 11,35 12,85 Standardavvikelse 2,1969001 4,5379874 5,341748Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
23
6. Analys
Experiment 1 visar varierande uppmätta temperaturer mellan försöksobjekten på individuell basis hos de rena försöksobjekten. Variationen sträcker sig från 65 ℃ hos REF0 till 79 ℃ hos REF6. Försöksobjektens ålder redovisas jämte temperaturen. Vid detta genomförande var både de med högst och lägst uppskattade temperatur producerade vid samma år (2016).
Ur data från genomförande 2 kan de statistiska centralmåtten sammanställas, se figur 4.38
Figur 4
Från experiment 2 framgår att medelvärde och median för medelljusstyrkan hos både referensobjektet och försöksobjekten från försöket med de rena försöksobjekten är nära varandra, med en avvikelse på 0,05% och 0,01% för försöks- respektive referensobjekten. För genomförandet med de smutsiga försöksobjekten skiljer sig medelvärde från median med en större variation, 0,8% respektive 0,6%. Medan avvikelsen mellan medelvärde och median i respektive mätning är förhållandevis liten så är skillnaden mätningarna emellan förhållandevis stor.
38 Christofer Edling och Peter Hedström, Kvantitativa metoder: grundläggande analysmetoder för samhälls- och beteendevetare (Lund: Studentlitteratur, 2003), 24–27.
209,838 213,382 211,595 213,49 217,865 221,924 219,4 221,97 202 204 206 208 210 212 214 216 218 220 222 224 Försök smutsiga Försök rena M e d e llju ssty rka (0 -255)
Försöksobj. Medel Försöksobj. Median Referensobj. Medel Referensobj. Median
65 68 73 70 77 74 79 74 67 5 5 5 15 5 20 5 20 14 0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 60 65 70 75 80 85
REF0 REF1 REF2 REF3 REF4 REF5 REF6 REF7 REF8
År se d an p ro d u kt ion Te mp era tu r ℃ Figur 3
24
Att medelvärdet är lägre än medianen kan antyda att det finns en mindre mängd värden i det lägre intervallet som väger tungt. För att synliggöra detta kan spridningsmåttet utbredning betraktas vilket är skillnaden i variabelns extremvärden, se figur 5.39
Figur 5
Ur dessa kan utläsas att spridningen är som störst för de smutsiga försöksobjekten, och att den lägsta spridningen finns i de rena
försöksobjekten. Även hos referensobjektet skiljer sig ljusstyrkan inom och mellan respektive grupp, där skillnaden är större i den inledande mätningen jämfört med den senare. Dessa värden ger tydliga utslag i standardavvikelsen i medelljusstyrkan.
Omgivningstemperaturen under genomförandet dokumenterades för att möjliggöra kontroll av dess påverkan på resultatet, se figur 6. Temperaturen steg under genomförandet för att slutligen nå jämnvikt vid 22,8 ℃.
Medelljusstyrkan hos försöksobjekten kan jämföras med medelljusstyrkan från
referensobjekten vid varje enskild mätning. Skillnaden visar hur mycket starkare eller svagare försöksobjektet lyser i förhållande till referensobjektet; där en positiv avvikelse innebär att försöksobjektet lyser starkast, och en negativ avvikelse innebär att referensobjektet lyser starkast. Se figur 7.
Figur 7
39 Edling och Hedström, 27–28. -30 -20 -10 0 10 20 Skilln ad medell ju ss ty rk a
Avvikelse i ljusstyrka från referensobjektet
Smutsigas avvikelse Renas avvikelse
0 2 4 6 8 10 Standardavvikelse Sta n d ar d av vikel se m ed ellju ss ty rk a
Standardavvikelse
Std.av. smutsiga Std.av. rena Std.av. Refobj. smutsiga Std.av. Refobj. rena 0 5 10 15 20 25 30 Skillnad Min/Max Skilln ad me d ellju ss ty rk aSkillnad Min/Maxvärden
Skillnad smutsiga Skillnad rena Skillnad referens (smutsiga) Skillnad referens (rena) 22,1 22,3 22,8 22,8 21,5 22 22,5 23 1300 1400 1500 1600 Te m p era tu r ℃ Klockslag Figur 6Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
25
T-Testet som genomfördes jämförde medelljusstyrkan mellan de smutsiga och de rena försöksobjekten från respektive genomförande, se appendix A. Ur denna utläses följande värden:
Smutsiga medel=209,8, standardavvikelse=7,7; rena m=213,4, std.av.=2,2; t=0,989; p=0,204 Generellt brukar ett p-värde som är mindre än 0,05 anses tyda på ett statistiskt signifikant samband, vilket resultatet inte visar i detta fall.40 Mann-Whitney U testet förordar att nollhypotesen behålls, det vill säga att det inte finns någon statistiskt signifikant skillnad mellan smutsiga och rena uniformspersedlar.41
7. Diskussion
7.1 Resultatdiskussion
Medan skillnaderna i medelvärde och median i respektive grupp (försöksobjekt och
referensobjekt i vardera mätningar) är förhållandevis små så förekommer den största relativa skillnaden mellan försöksobjekten och referensobjekten i de två olika genomförandena. Det är inte osannolikt att denna skillnad mellan försöksobjekt och referensobjekt har uppstått i och med att referensobjektet har värmts upp fler gånger; och således värmt upp delar som inte är i direkt exponering för infravärmaren vilka för försöksobjekten fortfarande kan leda bort en del energi.
Att referensobjektets förhållande till försöksobjekten blir snedvridet är olyckligt men inte avgörande för experimentets värde. Ytterligare är standardavvikelsen hos referensobjektet intressanta att analysera. Den standardavvikelse som förekommer är indikativ för fel i metoden: en perfekt metod som hade givit samma resultat vid varje mätning hade inte heller haft någon avvikelse från snittet. Dock är den snarlik för båda genomförandena med viss övervikt vid det smutsiga genomförandet som kanske kan tillskrivas uppvärmningseffekten som nämndes ovan. Detta diskuteras vidare i metoddiskussionen
Detta kan ställas i kontrast till den uppskattade temperaturen från experiment 1 där REF0 uppvisade den lägsta temperaturen av samtliga försöksobjekt, vilket skulle indikera att REF0 har lägst emissivitet av samtliga försöksobjekt i den populationen; och inte högre emission som tycks gälla i samtliga försök förutom två i experiment 2, vilket innebär att åtminstone en av metoderna behöver ses över. Detta diskuteras även i metoddiskussionen.
Omgivningstemperaturen förändrades under experiment 1 vilket självklart kan ha en viss påverkan på resultatet. Sannolikt så är denna effekt antagligen försumbar då experimentet förhöll sig till den högst uppmätta temperaturen. Om omgivningstemperaturen har haft en påverkan så har den sannolikt påverkat främst de delar som inte avsågs att värmas upp, exempelvis bakgrunden. En högre bakgrundstemperatur skulle innebära att färgskalan förskjuts och att en högre temperatur relativt sett visar en lägre ljusstyrka grafiskt tolkat i kameran.
40 Eliasson, Kvantitativ metod från början, 111–12. 41 Eliasson, 108, 132.
26
Värt att nämna är att utbredningen av värden tillika standardavvikelsen för de smutsiga försöksobjekten är avsevärt högre än för de rena. Referensobjektet ger en fingervisning i hur stor spridning som kan uppstå genom metodfel, mellan 5,8 och 4,5; vilket är nära skillnaden på 5,2 i standardavvikelse mellan smutsiga och rena försöksobjekt. Att metoden medger en felmarginal av denna dignitet sänker trovärdigheten i resultatet.
Uppsatsens arbetshypotes att smutsiga uniformspersedlars egenskap skulle variera i större utsträckning än rena tycks få stöd av ovan redovisade standardavvikelse. Huruvida en sådan slutsats kan dras med statistisk signifikans beräknades med T-testet vilket visade att
signifikansen för sambandet var lågt; och därmed kan ingen sådan slutsats dras och
nollhypotesen behöver behållas; det vill säga att det inte finns någon mätbar skillnad mellan smutsiga och rena uniformspersedlar.42
I stort var signifikansen så pass låg i de data som hämtats från undersökningen att nollhypotensen inte kan förkastas; således kan det vare sig fastställas eller förkastas att smutsen har en påverkan på den emissiva egenskapen i uniformsplaggen åt någondera håll. Detta kan till del bero på populationens storlek, där exempelvis den förhållandevis stora standardavvikelse som observerades mellan rena och smutsiga inte kunde fastställas att bero på inneboende egenskaper i urvalet snarare än att det i detta fall skulle bero på slump. Utöver problematiken med urvalens storlek och att dessa resultat inte medger ett säkert utlåtande så blir det även tydligt att metoderna som användes har en brist så till vida att samma objekt har större variation än vad olika försöksobjekt har; detta bör inte förekomma vid en enhetligt genomförd metod, vilket diskuteras nedan.
Även om det hade visat sig vara en statistiskt signifikant skillnad mellan smutsiga och rena uniformsplagg behöver även denna skillnad förhållas till en kontext. Medan en statistisk skillnad är av intresse för vidare forskning så behöver den praktiska skillnaden utvärderas innan kunskapen kan tillämpas. När är det att avsätta resurser för att dölja emission, hur mycket måste emissiviteten öka från ursprungsvärdet innan det innebär en för stor risk för förbandet? Desto högre emissivitet desto större risk för stor signatur vilket i slutändan är det som gör den egna styrkan detekterbar för en motståndare.
Ursprungstanken var att även använda fabriksnya försöksobjekt som referensobjekt, men denna idé ströks då det inte ansågs relevant ur syftets kontext att undersöka skillnaden mellan nya och gamla persedlar eftersom alternativet till smutsiga uniformsplagg kommer vara tvättade och inte fabriksnya.
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
27
7.2 Metod- och analysdiskussion
7.2.1 Diskussion av experiment 1
Metoden förlitar sig till fullo på precisionen i den termiska kamerans mätdata, som inte påverkades annat än att bilder togs med den under de knappa två (2min, 8s) minuter som fotografering tog.
Målet är att försöksobjekten fotograferas vid samma temperatur, för att genom kamerans upplevda temperatur kunna dra slutsatser huruvida emissiviteten varierar då övriga faktorer är konstanta.
Två felkällor har identifierats vilka kan ha påverkat försöksobjektens faktiska temperaturer så att de de facto skiljer sig emellan.
• Den första är den energi som försöksobjekten förlorar under transporten från ugn till fotograferingsplats. Denna tid var kort och snarlik för samtliga försöksobjekt, och således bedöms den vara försumbar.
• Interna skillnader i temperaturen i ugnen. Försök gjordes för att undersöka detta, men utrustningen gick sönder. I retrospektiv borde försöksexemplaren förpackats i någon slags behållare i syfte att blockera värmestrålning direkt från värmeelementen i ugnen. Detta hade även kunnat avhjälpas genom att ha en varmluftsugn samt placera
försöksobjekten så långt ifrån elementet som möjligt. Denna felkälla bedöms vara mer påtaglig.
På grund av dessa felkällor är det vanskligt att sia om åldern hos försöksobjekten har någon påverkan på den emissiva egenskapen.
7.2.2 Diskussion av experiment 2
En avsevärd indikator på att metoden har inneboende brister är den stora standardavvikelsen som finns i referensobjektets medelljusstyrka. Att referensobjektet har ett högre medelvärde och median än försöksobjekten kan ha sina naturliga förklaringar, vilket som sagt är olyckligt. En orsak till standardavvikelsens storlek hos referensobjektet kan bero på att bildtagningen rubbade kameran vid avtryckningsögonblicket, och på så vis försköts kameran på olika sätt vid varje enskilt tillfälle; detta framgår tydligt när man bläddrar igenom samtliga bilder i snabb följd, medan det är svårt att observera när bilderna ligger orörliga jämte varandra. Detta hade kunnat undvikas med hjälp av en fjärrkontroll till den termiska kameran.
Metoden utformades i syfte att ha en så nära konstant färgskala som möjligt i syfte att kunna jämföra resultaten bilderna emellan. För att uppnå detta producerades en referenspunkt som bedömdes värma upp snabbare än persedlarna, och således blev exponeringstiden för uppvärmning beroende av hur lång tid det tog innan referenspunktens temperatur justerade färgskalan till den eftersökta (max 30℃ ± 0,1; min 29,9℃ ±0,2). Hade kompetens funnits att låsa färgskalan hade exponeringstiden kunnat bestämmas oberoende av bilden som söktes. Vid ett sådant genomförande hade inte ett referensobjekt behövts, då exponeringen hade kunnat styras till att vara konstant.
28
7.2.3 Diskussion av analysmetod
Valet av analysmetoderna bedöms ha hög relevans för denna undersökning. T-testet används när variabeln är normalfördelad, vilket den antas vara i detta fall. Med ett stort stickprov ur populationen kan en normalfördelning approximeras, vilket dock inte gäller i detta fall. I övriga fall används icke-parametriska test, som exempelvis Mann-Whitney U testet; som används vid små urvalsstorlekar och vid variabler som ej är normalfördelade. Detta
kompleterar T-testet och slutsatserna är tillförlitliga.43
7.3 Källkritisk diskussion
Arbetet förlitar sig på olika typer av källor för att möjliggöra ett bidrag av värdefull kunskap. Den inledande delen använder sig främst av vetenskapliga artiklar i beskrivningen av det samtida forskningsläget samt av myndighetsdokument som tillsammans med artiklarna sätter kunskapsläget i kontexten för detta arbete. I urvalet används främst artiklar som är granskade, alternativt artiklar som refererats till i den avhandling som använts som källa i detta arbete. De efterföljande delarna förlitar sig på läroböcker i sin beskrivning av de fysikaliska
egenskaperna och analysmetoden; och manualer och specifikationer för beskrivning av de specifika verktyg och material som undersöks. Dessa delar betraktar undertecknad som helt tillförlitliga som underlag för arbetets genomförande.
7.4 Arbetets generaliserbarhet
Tidigt i arbetet avgränsades en djupdykning i vad smutsens beståndsdelar i de försöksobjekt som insamlats bestod av. Smuts som kan ansamlas i persedlar generellt, men kanske framför allt i Försvarsmakten kan vara av många olika sorter där inte minst organiska föreningar som motoroljor, hudpartiklar, kroppsfetter och så vidare kan förekomma. I den litteratursökning som gjordes inledningsvis hittades inget som tydde på att föreningar som inte är specifikt anpassade för att minimera termisk emissivitet hade någon avsevärt avvikande egenskap. Således kan smutsen i försöksobjekten anses vara generaliserbara i egenskap av att andra former av smuts troligtvis inte kommer påverka emissiviteten avsevärt positivt eller negativt. Vad gäller fältmössan som försökspersedel anses den vara generaliserbar för övriga
uniformsplagg i uniformssystem 90 då den delar yttertygsspecifikation med fältjacka- och fältbyxa 90. Generaliserbarheten gäller dock inte för plagg som är anpassade för att minimera emissivitet, men kan tänkas vara generaliserbar för andra liknande textilier.
43 Göran Ejlertsson och Göran Ejlertsson, Statistik för hälsovetenskaperna: Göran Ejlertsson (Lund: Studentlitteratur, 2003), 169–75, 190.
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
29
7.5 Slutsatser
För att i detta skede återkoppla till arbetets frågeställning och syfte: Den variation som uppmätts kan inte tillskrivas en skillnad mellan rena och smutsiga uniformspersedlar med statistisk signifikans. Det betyder inte att det inte finns någon skillnad mellan smutsiga och rena uniformsplagg, det är en tydlig skillnad i resultaten; det betyder endast att dessa resultat inte med någon säkerhet kan bekräfta eller dementera arbetshypotesen.
Det går således inte att med detta arbete som underlag hävda att vårdinstruktioner till förband och personal ska förändras i syfte att minimera förbandets termiska signatur.
7.6 Vidare forskning
• Eftersom flertalet brister i metoden har identifierats finns fog för att genomföra en snarlik undersökning där ovanstående brister är åtgärdade i syfte att antingen kunna styrka eller dementera nollhypotesen.
• Medan resultatet som sagt inte ger ett statistiskt signifikant samband mellan smutsiga fältmössor och förändrad emissivitet så är denna fråga än mer relevant att undersöka i relation till uniformspersedlar som är anpassade för minskad emissivitet, vilket kan bli aktuellt vid införande av nytt uniformssystem.
• Under arbetets gång har undertecknad bekantat sig med soldater, officerare och blivande officerare och deras relation till sina uniformspersedlar. En outforskad fråga som har diskuterats fritt under arbetets gång är orsaken till den upplevt utspridda kultur som råder i Försvarsmakten, där framför allt fältmössornas skick är central. Många av försöksobjekten i detta arbete har inte tvättats på flertalet år med dagligt bruk; en individ i urvalet uppgavs inte ha tvättats på tolv år. Det är nästan med lättnad som undertecknad med handen på hjärtat kan informera dessa kollegor om att det inte föreligger något behov av tvätt ur ett termiskt emissionsperspektiv. En intressant fråga för kommande uppsatser att avhandla är denna kulturs ursprung och betydelse för Försvarsmaktens personal.
30
8. Referenser
Andersson, Kent. ”On the Military Utility of Spectral Design in Signature Management: A Systems Approach”. National Defence University, Finland, u.å. Åtkomstdatum 12 februari 2021.
Andersson, Kent E., och Christina Åkerlind. ”A review of materials for spectral design coatings in signature management applications”. redigerad av Douglas Burgess, Gari Owen, Harbinder Rana, Roberto Zamboni, François Kajzar, och Attila A. Szep, 92530Y. Amsterdam, Netherlands, 2014. https://doi.org/10.1117/12.2067167. Artman, Kristian, Anders Westman, och Försvarshögskolan. Lärobok i militärteknik. V. 2,
Sensorteknik. Stockholm: Försvarshögskolan, 2007.
Bohman, Lars. ”Sensorer mot markmål”. Totalförsvarets forskningsinstitut, augusti 2012. ”Bruksanvisning FLIR Exx-serien”. FLIR Systems, 16 mars 2018.
https://support.flir.com/DocDownload/app/RssDocDownload.aspx?ID=22798. Di Felice, F., A. Mazzini, G. Di Stefano, och G. Romeo. ”Drone High Resolution Infrared
Imaging of the Lusi Mud Eruption”. Marine and Petroleum Geology 90 (februari 2018): 38–51. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2017.10.025.
Edling, Christofer, och Peter Hedström. Kvantitativa metoder: grundläggande analysmetoder för samhälls- och beteendevetare. Lund: Studentlitteratur, 2003.
Ejlertsson, Göran, och Göran Ejlertsson. Statistik för hälsovetenskaperna: Göran Ejlertsson. Lund: Studentlitteratur, 2003.
Eliasson, Annika. Kvantitativ metod från början. Lund: Studentlitteratur, 2010. FMV. ”Technical specification 111628 M”. Försvarets Materielverk, 11 april 2018. ———. ”Technical specification 11689 F”. Försvarets Materielverk, 24 april 2014. ———. ”Technical specification 50003 C”. Försvarets Materielverk, 21 mars 2014. Försvarsmakten. Handbok Markstrid - Taktiska/Fältmässiga grunder. Vol. 2016.
Försvarsmakten, u.å.
Gustaffsson, Jörgen. Fysik fysik 1 fysik 2. 1:3. Vol. 2015. Lund: Studentlitteratur AB, u.å. Harrison, Peter. ”Thermal Imaging and Its Military Applications”. The RUSI Journal 122, nr
3 (september 1977): 68–74. https://doi.org/10.1080/03071847709428741.
Karlsson, Linda H., Åsa Andersson, Tomas Hallberg, Hans Kariis, Anna Pohl, Steven Savage, och Christina Åkerlind. ”Signaturmaterial 2017–19”. Slutrapport. FOI, december 2019. FOI.se.
Om, Dev, Dayal Shanker, Dubey Ashish, och Abbas S. M. ”Multi-layered textile structure for thermal signature suppression of ground based targets”. Infrared Physics &
Technology 2020, nr 105 (u.å.). Åtkomstdatum 22 februari 2020. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2019.103175.
Rubežien, Vitalija, Gėlė Minkuvien, Julija Baltušnikait, och Ingrida Padleckien.
”Development of Visible and Near Infrared Camouflage Textile Materials”. Materials science (Medžiagotyra). 2009, nr 2 (u.å.). Åtkomstdatum 12 februari 2021.
Young, Hugh D., och Roger A. Freedman. University Physics with Modern Physics. 14:e uppl. Essex, England: Pearson Education Limited, 2016.
Zhiping, Mao, Yu Xili, Zhang Linping, Zhong Yi, och Xu Hong. ”Novel Infrared Stealth Property of Cotton Fabrics Coated with Nano ZnO: (Al, La) Particles”. Vacuum 2014, nr 104 (u.å.): 111–15.
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
31 Figur 1
Kristian Artman, Anders Westman, och Försvarshögskolan, Lärobok i militärteknik. V. 2, Sensorteknik (Stockholm: Försvarshögskolan, 2007), 54.
Figur 2
Kristian Artman, Anders Westman, och Försvarshögskolan, Lärobok i militärteknik. V. 2, Sensorteknik (Stockholm: Försvarshögskolan, 2007), 55.
32
Självständigt arbete OP-T 226 QRZN
