أجهزة الرؤية الليلية

أجهزة الرؤية الليلية



  المقدمة
  أولاً: الغلاف الجوي والطيف الكهرومغناطيسي
  ثانياً: تكنولوجيا الرؤية الليلية
  ثالثاً: أجهزة الرؤية الليلية والحرارية وأجهزة التكثيف الضوئي
  الجداول
  الصور
  الأشكال
  المصادر والمراجع



   

المقدمة

أظهرت حرب تحرير الكويت (يناير ـ فبراير 1991)، الأهمية المتزايدة للمعَدات والأجهزة الكهروضوئية، خاصة معدات الرؤية الليلية، تلك التي تتيح أعمال المراقبة والملاحة والتسديد إلى الأهداف، ليلاً، من دون الحاجة إلى أي إضاءة خاصة. والافتقار إلى معَدات الرؤية الليلية، يحُول دون الطيران، ليلاً؛ وهو ما عاق طائرات الجاجوار (Jaguar) الفرنسية، مثلاً، على الرغم من تزويدها بأدق الصواريخ الموجهة بالليزر.

ولقد أثنى الجنرال نورمان شوارتزكوف، قائد قوات التحالف في تلك الحرب، على فاعلية معَدات الرؤية الليلية، وتأثيرها. وأكد أنه بوساطتها أمكن قوات التحالف التعامل مع العدو، "الذي لم يكن يدري حتى بوجود هذه القوات أمامه، في الساحة ‍‍‍‍‍!"

ويمكن القول إن تطوير معَدات الرؤية الليلية، هو أحد ميادين السباق التكنولوجي، في هذه الحقبة من نهاية القرن العشرين؛ إذ إن تلك المعَدات تتيح للمستخدم الرؤية أثناء الظلام الحالك، كما أن أجهزة التسديد الليلي، تجعل دقة الهجمات الجوية الليلية تكافئ دقة الهجمات النهارية.

ويتضح الدور المهم، الذي تؤديه أجهزة الرؤية الليلية ومعَداتها، ولا سيما في المجال العسكري وفي المعارك الليلية، تحديداً. ناهيك عن استخدام أجهزة التصوير الحراري في عمليات الاستشعار من بعد، في طائرات الاستطلاع، أو الأقمار الصناعية لمختلف الأغراض، سواء العسكرية منها والمدنية، مثل عمل المسح، الجغرافي والجيولوجي، لمناطق معينة. فمن طريق الصور الحرارية الملتقطة، يمكن تعرّف محتوى المساحة المصورة وتمييزه، من هيئات أو عناصر طبيعية أو صناعية؛ إذ يختلف الإشعاع الطيفي الحراري لكلٍّ منها، إلى درجة أنه يمكن استنتاج نوع المعادن، الموجودة في التربة المصورة!

والتكنولوجيا آخذة في تطوير أجهزة الرؤية الليلية، فهي تتجه، حالياً، إلى توسيع مجال الرؤية لنظارات التكثيف الواسعة الاستخدام، وكذلك إلى إدماج صورة التكثيف الضوئي مع الصورة الحرارية، في منظر واحد.

ومن الأحلام، التي تراود العلماء، والتي بدأت في الظهور كحقيقة واقعية ـ التوسع في استغلال ما يعرف بالذاكرة الحرارية، في تصوير أحداث الماضي، القريب أو البعيد!

والذاكرة الحرارية هي حقيقة علمية، تنص على احتفاظ المكان بالبصمة (التأثيرات) الحرارية للجسم، حتى بعد مغادرته ذلك المكان، لمدة معينة، قبل اضمحلالها؛ وباستخدام كواشف ذات حساسية فائقة، يمكن تصوير ما تبقى من هذه البصمة. وقد أمكن، فعلاً، التصوير الحراري لأحد المطارات، حيث ظهرت صورة لطائرات، كانت تقف على أحد الممرات، بعد أن غادرته، فعلاً منذ لحظات.

فهل ينجح العلماء في التوغل في الماضي، وتصوير أحداث، عفاها الزمن؟ هذا ما سينبئ به المستقبل القريب، محققاً حلماً كبيراً من أحلام البشرية؛ وسبحان من علم الإنسان ما لم يعلم!





       

أولاً: الغلاف الجوي والطيف الكهرومغناطيسي

1. خلفية تاريخية

مع التطور التكنولوجي الكبير، الذي شهده القرن العشرين، استطاع العلماء استغلال حيز موجات الراديو، بكافة أقسامه الفرعية (اللاسلكية ـ الميكروويف)، إلى درجة أنه أصبح مكتظاً بمختلف التطبيقات، سواء المدنية والعسكرية؛ وبات من الطبيعي، أن تتجه التكنولوجيا الحديثة إلى استغلال جزء آخر من الموجات، هي موجات الحيز الكهروضوئي، في تطبيقات جديدة، خصوصاً في المجال العسكري، ولا سيما في أنظمة الكشف والرؤية والتسديد.

ومما ساعد على ذلك، أن معظم الأسلحة والمقذوفات، أصبحت باهظة النفقات؛ مما يحتم ضمان وصولها إلى أهدافها بدقة بالغة. كما أن الإصابة والتدمير، من أول طلقة، أصبحا شبه مؤكدين؛ مما يعني أن طرف الصراع، الذي يرى خصمه أولاً، تكون له فرصة الفوز عليه بمجرد تصويب السلاح نحوه.

لقد كان حلم الإنسان على مدار التاريخ أن يقهر الظلام ويتعرف على ما لا تراه عينه بحيث يرى في الظلام كما يرى نهاراً. وقد تحقق له هذا الحلم بفضل اكتشاف الأسُس العلمية للرؤية الليلية وتطبيقها تكنولوجياً في صورة أجهزة ومعدات الرؤية الليلية بنوعيها: التكثيف والرؤية الحرارية.

2. الطيف[1] الكهرومغناطيسي ـ الحيز الضوئي

لا بدّ من إلقاء نظرة سريعة على الطيف الكهرومغناطيسي لتعرّف الجزء الفريد، المسمّى بالحيز الضوئي، بأقسامه، التي هي مجال عمل معَدات الرؤية عامة، والرؤية الليلية بصفة خاصة.

تتكون الموجة الكهرومغناطيسية من مركبَين (جزأين): مركب كهربائي، وآخر مغناطيسي متعامد عليه. وتسير الموجة وتنتشر في اتجاه عمودي، على كليهما.

و"الطيف الكهرومغناطيسي الشامل شاسع وواسع الامتداد؛ إذ يشتمل على حيز من الترددات، يزيد على 1610 هرتز (1هرتز ـ 1سيكل) (دورة)/ثانية)، بداية من الترددات المنخفضة جداً، حتى الأشعة الكونية الفائقة التردد. (اُنظر شكل الحيز الكهرومغنطيسي/ الضوئي)

والحيز الضوئي هو جزء من الطيف الكهرومغناطيسي، (اُنظر شكل الحيز الكهرومغنطيسي/ الضوئي)، يلي حيز موجات الراديو (الميكروويف)، من ناحية الترددات الأعلى. ويشمل حيزات فرعية ثلاثة رئيسية، هي (طبقاً لازدياد التردد):

أ. حيز الأشعة تحت الحمراء:

ويمتد من الطول الموجي 1 مم وحتى 0.78 ميكرون (1ميكرون = 10-3 مم). والذي ينقسم، بدوره، إلى الأقسام الفرعية التالية:

(1) حيز الأشعة تحت الحمراء، القريب: من الطول الموجي 0.78 ميكرون حتى 3 ميكرونات.

(2) حيز الأشعة تحت الحمراء، المتوسط: من الطول الموجي 3 ميكرونات حتى 8 ميكرونات.

(3) حيز الأشعة تحت الحمراء، البعيد: من الطول الموجي 8 ميكرونات حتى 50 ميكروناً.

(4) حيز الأشعة تحت الحمراء، الأقصي: من الطول الموجي 50 ميكروناً حتى 1000 ميكرون.

ب. حيز الأشعة المرئية:

وهو الحيز الذي تستطيع فيه العين البشرية الرؤية المباشرة. ويقع بين الطول الموجي 0.39 حتى 0.77 ميكرون فقط. ويشمل ألوان الطيف السبعة المعروفة، بداية من اللون البنفسجي حتى اللون الأحمر. وتبلغ أكبر حساسية للعين البشرية حول اللون الأخضر بطوله الموجي 0.555 ميكرون. (اُنظر شكل الحساسية الطيفية للعين)

ج. حيز الأشعة فوق البنفسجية:

من الطول الموجي 0.1 ميكرون حتى 0.39 ميكرون.

وبديهي، لدى التكلم عن الرؤية الليلية، تركيز الاهتمام في الأشعة تحت الحمراء.

3. الغلاف الجوي والنفاذية الجوية للأشعة تحت الحمراء

تتأثر الأشعة تحت الحمراء، أثناء انتشارها في الغلاف الجوي، بسبب وجود الجزيئات الدقيقة في مسارها، خاصة غازات ثاني أكسيد الكربون CO2 والأوزون O3 وبخار الماء H2O، إذ يمتصّ كل منها حيزاً معيناً من الأطوال الموجية لتلك الأشعة، طبقاً لحجم جزيئات هذه الغازات، وحركة ودوران تلك الجزيئات.

ففي طبقات الجو المرتفعة، يظهر تأثير كلٍّ من ثاني أكسيد الكربون والأوزون، بينما تتأثر الأشعة تحت الحمراء ببخار الماء تأثراً أكبر، على الارتفاعات المنخفضة.

وينتج من ذلك امتصاص Absorption أو تشتت Scattering الأشعة تحت الحمراء، في كل حيز الأطوال الموجية لها، عدا حيزات طيفية معينة، (اُنظر شكل النوافذ الجوية الطيفية) يمكن تحديدها بثلاثة حيزات (تسمى النوافذ الجوية الطيفية)، تسمح بمرور هذه الأشعة عندها، من دون فقْد أو اضمحلال يذكر.

4. النوافذ الجوية Atmospheric Windows

وتقع في الحيزات الطيفية الآتية:

أ. النافذة الأولى

وتشمل حيز الأطوال الموجية من 0.3 إلى 2.5 ميكرون، أي أنها تشمل جزءاً من الأشعة فوق البنفسجية، وجميع الحيز المرئي، وحيز الأشعة تحت الحمراء، القريب. وهي مجال عمل العين البشرية، وأجهزة التكثيف الضوئي.

ب. النافذة الثانية

وتشمل حيز الأطوال الموجية من 3 إلى 5 ميكرونات، وتعمل فيها أجهزة الرؤية تحت الحمراء الحرارية المتوسطة.

ج. النافذة الثالثة

وتشمل حيز الأطوال الموجية من 8 ميكرونات إلى 14 ميكروناً.

وتعمل فيها أجهزة الرؤية تحت الحمراء الحرارية البعيدة.

[1] كلمه "طيف" Spectrum، يقصد بها حيز الترددات ( أو الأطوال الموجية)؛ ومنها كلمة "طيفي" Spectral، أي منسوب إلى التردد أو الأطوال الموجية.

ثانياً: تكنولوجيا الرؤية الليلية

تقسم معدات الرؤية الليلية إلى نوعَين رئيسيَّين هما:

    أجهزة التكثيف الضوئي (Image Intensifiers) (I2)، التي تعمل بصمامات التكثيف الضوئي .
    أجهزة الرؤية الحرارية (ThIR) (Thermal InfraRed) بقسميها المتوسط والبعيد.

1. أجهزة التكثيف الضوئي

أ. عملها

مهمة أجهزة التكثيف الضوئي، (اُنظر صورة نماذج من أجهزة التكثيف الضوئي) هي تكبير الضوء المتبقي ليلاً، والمنعكس على الأهداف. ولذا قد تنعدم الرؤية بها، إذا كانت الإضاءة ضعيفة جداً (كما في الغابات، في الليالي الغائمة)، أو كانت عوامل الرؤية سيئة.

ب. بقايا الضوء الليلي

يُعَدّ الضوء المتبقي في الليل، هو مصدر الضوء اللازم لعمل أجهزة التكثيف. وهو يحتوي على الحيز المرئي، إضافة إلى حيز الأشعة تحت الحمراء، القريب (من الطول الموجي 0.78 وحتى 1.8 ميكرون ). وتقاس شدة استضاءته (E) بوحدات، تسمى لكس (Lux):

شدة الاستضاءة (E) = الفيض (بالوات)/المساحة (بالمتر المربع) = وحدة (لكس – Lux)

والمقدار (1) لكس، يُعَدّ الحد الفاصل بين الليل والنهار؛ إذ تكون شدة الاستضاءة أكبر من (1) لكس، نهاراً، وأقل من (1) لكس، ليلاً.

ومصادر هذا الضوء المتبقي موضحة في منحنيات (اُنظر شكل طيف مصادر الضوء الليلي)، وبيانها كالآتي:

(1) القمر (إذا وجد): وتصل شدة إضاءته إلى 100 مللي لكس (1,. لكس).

(2) النجوم: وتصل شدة إضاءتها إلى 10 مللي لكس.

(3) التأين الجوي/لمعان السماء (وذلك في الليالي الغائمة) :وتكون شدة أضاءته بين 0.1 و1 مللي لكس.

وبسقوط هذا الضوء المتبقي ليلاً، على الأهداف وانعكاسها، تستقبلها أجهزة التكثيف، وتكبرها 10 آلاف مرة (أي ما يعادل التكبير من 0.1 مللي لكس إلى 1 لكس)؛ و قد يصل التكبير في بعض الأحيان، إلى 50 ألف مرة.

ج. صمامات أجهزة التكثيف

تضطلع أجهزة التكثيف بالتكبير بوساطة وحدات تكبير، تسمى صمامات التكثيف. وفيها تتحول، أولاً، الفوتونات (وهي وحدات الضوء) الساقطة، إلى إلكترونات بوساطة مهبط فوتوني (فوتوكاثود)، يطلق إلكترونات تلائم شدة الضوء الساقط عليه. ثم يكون التكبير (التكثيف) الإلكتروني داخل الصمام (اُنظر صورة صمامات التكثيف). وبعد ذلك، تُستقَبل الإلكترونات المكبرة على شاشة فوسفورية (أنود)، تشعّ، بدورها، فوتونات في الحيز المرئي للعين البشرية، مكونة الصورة، التي يستطيع المشاهد تمييزها بسهولة، وتكون هذه الصورة، عادة، خضراء اللون، حيث أكبر حساسية للعين.

ويكون التكبير، داخل صمام التكثيف بأحد الأسس العلمية التالية، أو بمجموعة منها:

(1) زيادة الطاقة الحركية للإلكترونات، بوساطة استخدام مجال كهربائي، للتعجيل بين الفوتوكاثود والشاشة (الأنود).

(2) تركيز شعاع الإلكترونات في الشاشة الفوسفورية.

(3) مضاعفة عدد الإلكترونات، من طريق الإشعاع الثانوي[1] Secondary Emission.

د. أجيال أجهزة التكثيف

ظهرت، حتى الآن، ثلاثة أجيال من هذه الأجهزة، طبقاً لطريقة (أساس) التكبير السابقة، والمستخدمة في عمل صمام التكثيف للمناظير. وهي كالآتي:

(1) الجيل الأول

وصمامه يستخدم الأساسَين، الأول والثاني، في التكبير، (اُنظر شكل عمل صمامات الجيل الأول)

(2) الجيل الثاني

وصمامه يستخدم الأساسَين، الأول والثالث، في التكبير،(اُنظر شكل عمل صمامات الجيلين الثاني والثالث).

(3) الجيل الثالث (اُنظر شكل عمل صمامات الجيلين الثاني والثالث).

وهو يستخدم الأساسَين، الأول والثالث، في التكبير، مثل الجيل الثاني. والفرق بينهما هو نوع الفوتوكاثود المستخدم؛ فهو من مادة (مالتى ألكالي) Multialkali، في الجيل الثاني، ومن مادة جاليوم أرسينايد (GaAs)، في الجيل الثالث. وهذا الأخير، يعطي حساسية أكبر، وتبايناً أفضل، وعمراً أطول للصمام، مما هو الحال في الجيل الثاني؛ إلا أن سعره أضعاف سعر الثاني.

وأجهزة الجيلَين، الثاني والثالث، تعطي تكبيراً أشد من أجهزة الجيل الأول.

وجدير بالذكر، هنا، أن أجهزة التكثيف هذه، تعطي الرائي صورة حقيقية (اُنظر صورة صورتان ملتقطتان بجهاز تكثيف الضوء)، مشابهة لتلك التي قد يراها في ظروف الرؤية العادية.

وهذه الأجهزة عملية إلى درجة كبيرة، عند استخدامها من قِبل الأشخاص المطلوب منهم، أن يروا، ليلاً، ما يمكنهم رؤيته، نهاراً، في مدى الرؤية العادية وظروفها، مثل الجنود المشاة أو سائقي الشاحنات أو أطقم الطائرات، ممن يحسُن الإدراك بما حولهم، أثناء التحرك أو الطيران ليلاً.

2. الرؤية الحرارية

من المعروف أن العين البشرية، عند الرؤية العادية، ترى الأشياء نتيجة سقوط الأشعة الضوئية،الصادرة من أي مصدر طبيعي أو صناعي، على الأجسام وارتدادها من على سطحها. وإذا كانت هذه الأشعة المرتدة ضعيفة، فيمكن استخدام أجهزة تكبير خاصة للضوء، مثل ما سبق ذكره من أجهزة التكثيف الضوئي. وبديهي أن تُعدَم الرؤية إذا عُدِم مصدر الأشعة الضوئية الساقطة تماماً.

ومن هنا، جاءت فكرة استغلال الإشعاع الحراري الذاتي، الصادر عن الأجسام، في الرؤية، بدلاً من الاعتماد كلية على الإشعاع المرتد عنها، والذي قد يُعدَم، أحياناً.

والمعروف، طبيعياً، أن جميع الأجسام الموجودة على ظهر الأرض، والتي تزيد درجة حرارتها على الصفر المطلق ـ تصدر إشعاعاً حرارياً محدداً.

ويختلف الإشعاع الحراري الذاتي، في الشدة والخواص الطيفية (الحيز الموجي)، طبقاً لدرجة حرارة الجسم المشع، وتبعاً لنوع مادته، وكذلك الخواص الطبيعية للسطح الباعث.

وباختصار، تُعَدّ جميع الأجسام مصادر للإشعاع الحراري، ويمكن تقسيمها كالآتي:

أ. مصادر ذات إشعاع طيفي حراري مستمر (إشعاع متصل)، على حيز الأطوال الموجية، كما هو الحال في حالة أشعة الشمس، وإشعاع الأجسام الصلبة والسوائل.

ب. مصادر ذات إشعاع طيفي، قد يشمل منطقة معينة من الأطوال الموجية (إشعاع اختياري)، كما هو الحال في مصابيح التفريغ الكهربائي وبخار السوائل.

ج. إشعاع طيفي خطي، يظهر في شكل خطوط عند أطوال موجية محددة، وهو ما ينبعث من الغازات، تحت الضغط المنخفض.

د. إشعاع في خط طيفي واحد، يكاد يكون بطول موجي واحد (أحادي الخط)، مثل شعاع الليزر[2].

وتنتج الأشعة تحت الحمراء من الأجسام، بالطاقة الحرارية؛ إذ تتحول الطاقة، الكهربائية أو الكيماوية أو الآلية، التي يتعرض لها الجسم، إلى طاقة حرارية يشعها الجسم نفسه، مثل ما يحدث عند توهج سلك السخان، عند مرور تيار كهربائي به، أو تولّدها المصادر الوميضية، نتيجة سقوط ذرات المواد وجزيئاتها من مستوى طاقة إلى مستوى طاقة أخر؛ أو تكون نتيجة لمصادر كهرومغناطيسية حيث تصدر أشعة تحت الحمراء، في حيز الأطوال الموجية، البعيد.

أ. قوانين الإشعاع الحراري

هناك عدة قوانين رياضية، تصف هذا الإشعاع وتحكمه، أهمها:

(1) قانون بلانك للإشعاع المتصل Plank `s Law

وهو يصف العلاقة بين قدرة الإشعاع الحراري المتصل، وبين طول موجة هذا الإشعاع. وينص على:

W2 (T) =C1/l5 1/(ec2/l T-1)

 

حيث:

W2 (T): القدرة الطيفية عند درجة حرارة معينة.

T: درجة الحرارة المطلقة بالـ (كلفن) حيث 1 كلفن تساوي 273 درجة مئوية؛ أو بطريقة أخرى درجة الصفر المئوي تساوي 273 درجة كلفن.

C1,C2: ثوابت بلانك.

e: ثابت رياضي معروف .

وبعيداً عن التعقيدات الرياضية لهذه المعادلة، يمكن أن نستخلص منها، أنه كلما ازدادت درجة حرارة الجسم، ازدادت القدرة الطيفية المشعة منه، طبقاً لقانون ثابت.

(2) قانون ستيفان/ بولتزمان Stefan\ Boltzmann

وينتج من التكامل الرياضي لقانون بلانك السابق، بالنسبة إلى طول الموجة، وينص على:

W = s T4

 

حيث:

W: الطاقة الإجمالية للإشعاع الحراري، عند درجة حرارة مطلقة معينة.

s: مقدار ثابت.

ومن هذا القانون، تلمس الزيادة الكبيرة في الطاقة المشعة، نتيجة لأي زيادة طفيفة في درجة الحرارة.

(3) قانون وين  Wien` s law

وينتج من التفاضل الرياضي لقانون بلانك، بالنسبة إلى طول الموجة. وينص على:

T = a
   

 
   

lmax

 حيث:

lmax : الطول الموجي لأكبر إشعاع

T:      درجة الحرارة المطلقة.

a:     مقدار ثابت .

ومن ذلك نستنتج، أن طول الموجة، التي يحدث عندها أكبر إشعاع، يتناسب تناسباً عكسياً ودرجة الحرارة المطلقة للجسم؛ أو بطريقة أخرى: كلما انخفضت درجة حرارة الجسم، تركز إشعاعه الحراري حول الأطوال الموجية الأكبر، والعكس صحيح. وهذا يفسر احمرار القضيب الحديدي كلما ازدادت سخونته (إذ تزحزح إشعاعه ناحية الأطوال الموجية الأقل، إلى أن شمل جزءاً في اللون الأحمر من الطيف المرئي).

ب. عمل أجهزة الرؤية الحرارية

جميع الأجسام تصدر إشعاعاً حرارياً؛ فهي تُعَدّ مصادر وأهدافاً حرارية، يمكن التقاط إشعاعاتها وتعرّفها، بوساطة أجهزة الرؤية الحرارية، التي تعمل، في الواقع، كمحول لهذه الأشعة المستقبلة، إلى أشعة في الحيز المرئي، يمكن العين البشرية رؤيتها على مبينات خاصة، تماثل شاشات التليفزيون.

يلتقط جهاز الرؤية الحرارية الإشعاع الحراري، الصادر عن كلٍّ من الهدف والخلفية المصاحبـة لـه. ثم يحدد شكل الصورة الحراريـة، مـن طريق التباين الحراري Thermal contrast بين مختلف أجزاء الهدف، وبينها وبين الخلفية.

وتعتمد شدة ووضوح الصورة الحرارية، على كمية الإشعاع الحراري الملتقط من الجسم، والتباين الحراري بين أجزاء الهدف والخلفية؛ وكذلك على القدرة التحليلية Resolution لجهاز الرؤية نفسه.

والقدرة التحليلية لجهاز ما، تعبّر عن قدرة الجهاز على التفرق بين درجات الحرارة المتقاربة، الصادرة عن أجزاء الجسم ومن الخلفية. ويكون التعبير عن ذلك بخاصية رقمية مهمة لأي جهاز، تحدد:

"أقل فرق حراري يمكن للجهاز تمييزه" Minimum Resolved Temperature Difference (MRTD) وبديهي أنه كلما قل هذا الرقم، ارتفعت القدرة التحليلية للجهاز، أي ازدادت قدرته على التمييز والتفرقة بين أجزاء الهدف المتقاربة حرارياً، وبين الخلفية؛ لتزداد الصورة وضوحاً، ويمكن تعرّف الهدف بصورة أوضح.

وقد أمكن، مؤخراً، الوصول إلى أجهزة رؤية ذات مكونات، يمكنها تمييز فروق حرارية ضئيلة جداً (حوالي 0.01 درجة مئوية)؛ وذلك نتيجة للتطور التكنولوجي في صناعة الكواشف المستخدمة.

وجدير بالذكر، هنا، أن الصورة الحرارية، التي تراها العين من خلال جهاز الرؤية، ليست صورة حقيقية للهدف المرئي، مثلما هو الحال في الرؤية العادية، أو باستخدام أجهزة التكثيف؛ ولكنها تمثيل للفروق الإشعاعية الحرارية، لمختلف أجزاء الهدف والخلفية. ولهذا، فهي تتكون، عادة، من درجات من اللون الرمادي، كما يمكن تلوينها بألوان صناعية، تعبّر عن كود خاص، مناظر لدرجات هذا اللون الرمادي؛ (اُنظر صورة صور حرارية).

ج. مكونات جهاز الرؤية الحرارية

يتكون جهاز الرؤية الحرارية، (اُنظر صورة نماذج من أجهزة الرؤية الحرارية) من المكونات الأساسية الآتية:

(1) مجموعة الشيئية

وهي مدخل الإشعاع الحراري، ومن طريقها يلتقط الجهاز ذلك الإشعاع، الصادر عن الهدف المراد رؤيته. وتحدد زاوية مجال الرؤية للجهاز، وهي عبارة عن مجموعة من العدسات والمرايا، لكنها ليست مصنوعة من الزجاج العادي؛ إذ أنه لا يسمح بمرور هذه الأشعة تحت الحمراء، ولكنها تصنع من مواد منفذه لهذه الأشعة، مثل السيليكون (في حالة استخدام الحيز الموجي المتوسط، من 3 إلى 5 ميكرونات)، أو الجرمانيوم (في حالة استخدام الحيز الموجي البعيد، من 8 ميكرونات إلى 14 ميكروناً).

(2) مجموعة المسح (التحليل) الميكاضوئي

وهي عبارة عن مرايا، أو مجموعة منشورية، تتحرك رأسياً وأفقياً، مهمتها مسح صورة الهدف وتتبّعها على الكاشف. ولتفادي مشاكل المسح الميكاضوئي، وسلبيات الحركة المتعلقة به، تتجه التكنولوجيا، حالياً، إلى استخدام أسلوب المسح الإلكتروني بدلاً منه، وذلك في حالة مصفوفة الكواشف Detector Array.

(3) الكاشف Detector

وهو العنصر الذي يستشعر الأشعة تحت الحمراء، ويولّد إشارة كهربائية، تلائم شدة هذه الأشعة الساقطة. ويوضح في المستوى البؤري للشيئية، وهو قد يتكون من عنصر واحد، وقد يكون على هيئة مصفوفة، تحتوي على أعداد كبيرة من الكواشف الحساسة، وتسمى المصفوفات البؤرية. وهناك نوعان رئيسيان من الكواشف، هما:

(أ) الكواشف الحرارية

وهي تنتج إشارة كهربائية، تلائم قياس حرارة الأشعة الساقطة عليها. وهي لا تحتاج إلى تبريد، ويعيبها أنها ذات استجابة بطيئة، وحساسية ضعيفة، وتحقق مدى رؤية من 500 إلى 1000 متر فقط.

(ب) الكواشف الفوتونية[3].

وهي تعمل على أساس التبادل والتفاعل المباشر، بين الإلكترونات المتولدة بها والفوتونات الساقطة عليها في حيز الأشعة تحت الحمراء. وتتميز بالاستجابة السريعة الفورية والحساسية العالية، وتحقق مدى رؤية قد يصل إلى عشرات الكيلومترات؛ ولكنها تحتاج إلى عمليات تبريد معقدة، لمعادلة تأثير الحرارة المحيطة، كي لا تضغى على الشحنات الفوتونية المتولدة من الكاشف.

ويُعَدّ نوع الكاشف وعدد عناصر المصفوفة البؤرية، من العوامل المهمة لتحديد كفاءة جهاز الرؤية الحرارية ككل.

(ج) دوائر معالجة إشارة إلكترونية ومبين مرئي

وهي تضطلع بتكبير الإشارة الكهربائية الضعيفة المتولدة من الكاشف، ومعالجتها وإظهارها على مبين مرئي، مثل ما هو الحال في شاشة أنبوبة أشعة المهبط (CRT) Cathode Ray Tube، التليفزيونية.

د. استخدام أجهزة الرؤية الحرارية

تعمل أجهزة الرؤية الحرارية في النافذتَين الجويتيَن: المتوسطة (في حيز الأطوال الموجية من 3 إلى 5 ميكرونات)، والبعيدة (في حيز الأطوال الموجية من 8 ميكرونات إلى 14 ميكروناً).

وبالرجوع إلى قوانين الإشعاع الحراري، المذكورة من قبل، يتضح أن درجة حرارة الأجسام في الحيز المتوسط، تكون مرتفعة، بمتوسط نحو 600 درجة مطلقة (325 درجة مئوية). بينما تكون درجة حرارتها في الحيز البعيد، حول درجة حرارة الجو المعتاد (الغرفة) أي نحو 300 درجة مطلقة (27 درجة مئوية).

ويُراعَى ذلك عند التطبيقات العملية الرئيسية للأجهزة الحرارية، فيُستخدم الحيز المتوسط في أغراض التتبع والتوجيه، للأسلحة أو الصواريخ الموجهة حرارياً، أو تلك الباحثة عن الحرارة، التي تتجه ناحية المناطق الأكثر سخونة في الهدف، مثل إشعاع عادم محركات الطائرات، أو محركات وراديتيرات المركبات، أو مواسير العادم (الشكمانات).

بينما يستخدم الحيز البعيد في أعمال الاستطلاع والمراقبة والتصوير الحراري؛ إذ تكون الأهداف المطلوبة في درجة الحرارة المعتادة.

(اُنظر شكل الإشعاع الطيفي للطائرة والعادم والخلفية)، الذي يوضح الإشعاع "الطيفي" للخلفية، وطائرة تمثل الهدف، وكذلك إشعاع عادم محركها بدرجة حرارته العالية.

وتتكون الصورة بالأشعة تحت الحمراء، بعدة وسائل، أشهرها النظامان التاليان:

(1) نظام المسح الخطي Infrared Line Scanner (IRLS)

وهو جهاز تصوير يكوّن الصورة من طريق المسح المتتالي لمرآة دوارة، خطاً بخط. وهذا المسح يكون عرضياً، على اتجاه خط السير للطائرة الحاملة للجهاز. ومع تقدُّمها في مسارها، ينفّذ خط المسح التالي. وفي حالة استخدامه في التصوير مع الأقمار الصناعية، يكون مسار الطيران هو مدار القمر الصناعي.

(2) نظام الرؤية الأمامي Forward Looking Infra Red (FLIR)

وهو يناظر عمل الكاميرات التلفزيونية العادية؛ إذ يضطلع بالرؤية الأمامية، والتصوير بالأشعة تحت الحمراء، في الوقت الحقيقي. ويمكن أن يطلق عليه، في بساطة، "جهاز التصوير الحراري"، لأنه ينهض بعمله في التصوير الليلي، من طريق رؤية المنظر المحصور في مجال الرؤية، مرة واحدة.

وتعمل هذه الأجهزة في كلا حيزَي الأشعة تحت الحمراء، المتوسط والبعيد.

هـ. التطبيقات العسكرية

هناك العديد من تلك التطبيقات لأجهزة الرؤية الحرارية، تشمل:

(1) التوجيه الحراري للصواريخ، وهو يتنوع بين الأنواع البسيطة الباحثة عن الحرارة Heat seekers مثل باحث صاروخ (ستريللا)، وبين الأنواع المتقدمة، الباحثة عن الصورة (البصمة) الحرارية للهدف، مثل باحث صاروخ (مافريك) الحراري.

(2) الملاحة والرؤية والتصوير الحراري، مثل أجهزة الرؤية الأمامية FLIR، الموجودة في نظام (لانترن) LANTIRN، المركب على المقاتلتين، F - 15E و F-16C/D.

(3) التسديد الحراري Thermal Sights، مثل الأجهزة الحرارية المركبة على الدبابة (TTS).

3. رؤية الأهداف، حرارياً

بعد استقبال جهاز الرؤية الحراري الأشعة الصادرة عن الهدف، وإظهارها في صورة حرارية مناظرة، يعمد الرائي (المستخدم) إلى رؤية هذه الصورة وتفسير مكوناتها. ولتقييم هذه الصور يستخدم بعض التعريفات الأساسية التالية، والتي تعبّر، في الوقت نفسه، عن خصائص جهاز الرؤية نفسه:

أ. مدى (مسافة) الالتقاط (الكشف) Detection Range

هي المسافة التي يمكن عندها إدراك وجود هدف ما، في الصورة.

ب. مسافة التعرف Recognition

هي المسافة التي تتيح معرفة الأهداف المختلفة، كأنواع رئيسية فقط، وليست تفصيلية (على سبيل المثال، يمكن عندها التفرقة بين دبابة متحركة ورهط من الجنود).

ج. مسافة التمييز Identification

هي المسافة التي يمكن عندها تحديد طراز الهدف نفسه، وما إذا كان معادياً أم صديقاً، فيمكِن عندها، مثلاً، تمييز نوع الدبابة، وما إذا كانت ليوبارد أو تي 62.

وهناك حدود قياسية عالمية، لضبط هذه المسافات، وتقييم مدى مطابقتها أداء أجهزة الرؤية الليلية.

ومن أشهر هذه الحدود العالمية:

(1) المواصفة العيارية فينابل FINABEL norm 32 A 9، والتي تتطلب تحقيق المسافات الآتية، بالنسبة إلى جهاز التسديد الحراري، المركب على الدبابة:

(أ) الالتقاط على مسافة 5 كم.

(ب) التعرف على مسافة 3 كم.

(ج) التمييز على مسافة 2 كم.

(2) معيارية جونسون Johnson's Criterion التي تحدد المسافات القياسية السابقة، باستخدام نماذج خطية، بالأبعاد القياسية 2.3 م X 2.3 م، طبقاً لمواصفات حلف الناتو، بفارق حراري، قدره درجتان مئويتان، بين الخط الأدكن والفراغ البيني، مع احتمالية كشف 50%.

وعلى ذلك، تحددت مطالب المسافات، كالآتي:

(أ) الالتقاط: عندما يمكن تحليل زوج واحد من الخطوط على الهدف.

(ب) التعرف: عندما يمكن تحليل أربعة أزواج من الخطوط لكل مم.

(ج) التمييز: عندما يمكن تحليل سبعة أزواج من الخطوط لكل مم.

4. البصمة الحرارية

كما أن لكل إنسان بصمة خاصة به، تميزه عن غيره، فإن لكل هدف بصمة حرارية خاصة به، تمكّن من تمييزه عن غيره من الأهداف.

ويمكن الحصول على بصمة كل هدف وتحديدها، بالتحليل الطيفي لمكونات إشعاعه الحراري؛ ومن ثَم التوصل إلى المنحنى الطيفي له.

والبصمة الإشعاعية الحرارية مفيدة، في حالة اختيار التهديد المضاد الملائم لهدف ما، ثم توجيهه إليه. فمثلاً، بعد تحديد البصمة الحرارية لمحرك طائرة ما، يمكن استنتاج خصائص ونوعية الصواريخ الموجهة حرارياً، الممكن استخدامها ضد هذا النوع من الطائرات؛ وذلك بتجهيزها بأجهزة الكشف الحراري الملائمة للحيز الطيفي لهذه البصمة. وهكذا يمكن الصاروخ تجنّب وتفادي أي إجراء خداعي مضاد، من جانب الطائرة الهدف، مثل إلقاء المشاعل الحرارية Flares، والتي لن تكون بصمتها كالبصمة الإشعاعية الحرارية لمحرك الطائرة أو جسمها.

[1] الإشعاع الثانوي: هو خاصية يتمتع بها بعض المواد، وتعني إشعاع تلك المواد العديد من الإلكترونات، نتيجة ارتطام إلكترون واحد فقط فيها

[2] الليزر LASER هو شعاع فريد، ينتج من تكبير الضوء بوساطة الانبعاث الصناعي للأشعة من مواد خاصة، لها القابلية لإنتاج هذه الأشعة. ويتميز شعاع الليزر بقدرته الكبيرة، المركزة في مقطع إشعاعي صغير، وانتشاره في خط مستقيم، له انفراج ضيق، على المسافات الكبيرة. وهو يكاد يكون أحادي التردد، ومتماسك Coherent، وهذه الصفات جعلت شعاع الليزر مؤهلاً للعديد من التطبيقات، سواء المدنية والعسكرية

[3] كلمه (فوتون) (Photon) مناظرة لكلمة الضوء. وهي تعبّر عن وحدات الضوء؛ فكما نقول إن الكهرباء هي تيار من الإلكترونات، فإن الضوء هو تيار من الفوتونات

ثالثاً: أجهزة الرؤية الليلية والحرارية وأجهزة التكثيف الضوئي

1. أجهزة الرؤية الليلية وأجهزة الكشف بموجات الراديو (مثل الرادارات)

بالمقارنة السريعة بينها، يتضح أن الأولى تتميز بزيادة درجة التباين Resolution للصورة، مما يؤدى إلى وضوح أكبر في تفاصيلها، نظراً إلى قصر طول موجاتها. كما أنها تتميز بصعوبة اكتشافها؛ نظراً إلى عدم إصدارها أي إشعاعات، واعتمادها على السلبية في الاستخدام، كما أنها أصغر حجماً، وأرخص نسبياً.

2. أجهزة الرؤية الليلية وأجهزة الرؤية النهارية

تتميز الأولى بقدرتها على كشف الأهداف وتمييزها، حتى في الظلام الدامس، إضافة إلى بيان حالتها، من حيث الحركة أو السكون أو دوران المحركات من عدمه (المحرك الدائر إشعاعه أكبر من الساكن). كما أنها تعمل في الضباب والدخان بطريقة أفضل.

3. أجهزة التكثيف الضوئي وأجهزة الرؤية الحرارية (اُنظر جدول مقارنة بين أجهزة التكثيف الضوئي وأجهزة الرؤية الحرارية)

ويلاحظ من المقارنة، تتفوق أجهزة الرؤية الليلية على أجهزة التكثيف، في قدرتها على التغلب على وسائل التمويه المعتادة، والظروف الجوية الصعبة، وهذه من العوامل المهمة، التي تؤخذ في الحسبان، في إجراءات الإخفاء والتمويه، عند التخطيط العملياتي، وإعداد المواقع الدفاعية.

كما أن المدى الكبير لهذه الأجهزة، يمنح المستخدم عنصر المفاجأة؛ إذ يمكنه رؤية العدو، من دون أن يدري هذا الأخير بوجوده (كما حدث، فعلاً، في حرب تحرير الكويت).

كما يؤدي استخدام الأجهزة الحرارية في معَدات المراقبة، إلى مضاعفة القدرات القتالية، خصوصاً عند ربطها وتكاملها مع الأنظمة المقاتلة الحديثة، التي تتميز بالدقة الفائقة؛ فهي تتيح للطيار استخدام أشعة الليزر في توجيه المقذوفات الدقيقة، ليلاً، إلى هدف، لا بدّ أن يراه، أولاً، قبل التصويب إليه.

جدول مقارنة بين أجهزة التكثيف الضوئي وأجهزة الرؤية الحرارية أجهزة الرؤية الحرارية أجهزة التكثيف الضوئي م تستغل الإشعاع الحراري الصادر، ذاتياً، عن الأهداف. تعمل بصمامات التكثيف، فتعمل على تكبير الضوء المتبقي، ليلاً (في حيز الأشعة، المرئية وتحت الحمراء، القريب). 1 تعطي صورة، تبين التوزيع الحراري لأجزاء الهدف والخلفية. وهي، في النهاية، صورة فيديو، يمكن نقلها وتسجيلها وتحليلها، كما هو الحال مع أفلام كاميرات الفيديو العادية. تعطي صورة حقيقية، مشابهة لتلك التي يراها المشاهد في الواقع. وتتميز بدقة التفاصيل وبدرجة تمييز، تفوق عشرة أضعاف درجة تمييز الصورة الحرارية. 2 يمكنها الرؤية جيداً، خلال وسائل التمويه المعتادة، وفي الظلام التام. ولأن درجة وضوح الصورة، ومدى الكشف، لا يعتمدان على أي إضاءة خارجية ـ فهي لا تتعرض لأي تلف عند استخدامها، نهاراً أو تعرضها للضوء الباهر. تتأثر بوسائل التمويه والدخان وظروف الرؤية المختلفة. ويتعرض الصمام للتلف، إذا تعرض للضوء الباهر المباشر. 3 يصل المدى إلي عدة كيلومترات. يصل مداها إلى عدة مئات من الأمتار. 4 مرتفعة الثمن، نسبياً. رخيصة الثمن، نسبياً، لبساطة مكوناتها. 5   صغيرة الحجم، وقليلة الوزن (قد يصل الجهاز إلي أقل من 1 كجم)، مما يجعلها ملائمة للاستخدام الفردي، على نطاق واسع. 6       المصادر والمراجع 1.       B.D GUENTHER , R.BUSER , W. MORROW, " Electro - Optics in Desert Storm " , Optics & Photonics News, Nov. 1991. 2.      LEWIS J. PINSON, "Electro - Optics" John Wiley & Sons. Inc. New York , 1985. 3.      R.D HUDSON , "Infrared System Engineering" , John Wiley & Sons, New - York , 1968 . 4.      The Infrared & Electro - Optical Systems Handbook, "Passive Electro - Optical Systems" Vol.5 Stephen B. Campana , Editor. Naval Air Warfare Center , 1993.