أجهزة الرؤية الليلية .. التقنية والاستخدامات
لواء د.- علي محمد رجب
أصبحت العمليات الليلية في ظروف الحرب الحديثة من الأهمية بحيث أصبح لها تكتيكاتها وأسلوبها ومعداتها الخاصة. ونظراً لما توفره العمليات الليلية من مزايا عديدة، تولي الدول اهتماماً كبيراً القدرات القتالية لجيوشها، لتمكنها من الاستمرار في أعمال القتال ليلاً ونهاراً. وأدى التطور السريع في تكنولوجيا الكهروبصريات إلى ظهور تطبيقات واسعة خاصة في المجال العسكري، حيث ظهرت تطبيقات كثيرة لأغراض الرؤية، وتسجيل صور الأهداف المختلفة في حالات الإضاءة المنخفضة.
ولقد كانت العمليات الليلية في الماضي تعتمد على إضاءة أرض المعركة، واستخدام مقذوفات المدفعية، أو المشاعل المضيئة، أو قنابل الطائرات، إلا أن هذه الطريقة كانت تعتبر سلاح ذو حدين، فهي رغم قدرتها على إضاءة أرض المعركة، إلا أنها في نفس الوقت كانت تحدد مواقع وأماكن القوات المستخدمة لها. وفي الحرب العالمية الأولى استخدمت بواعث الضوء.
وبالرغم من اكتشاف الأشعة تحت الحمراء سنة 1800م، إلا أنها لم تستخدم على نطاق واسع إلا مع بدء الحرب العالمية الثانية، عندما فاجأ الألمان الحلفاء بمعارك ليلية بالدبابات، بدون استخدام بواعث الإضاءة، ولكن باستخدام بواعث كاشفة لأرض المعركة بالأشعة تحت الحمراء، مثبتة على دبابات، إلا أن البريطانيين تمكنوا من اكتشاف هذه الأجهزة، فكان يتم اكتشاف البواعث بواسطة نظارات حساسة للأشعة تحت الحمراء، حيث يتم تحديد موقعها وتدميرها.
وتأتي الولايات المتحدة الأمريكية في مقدمة الدول التي زاد اهتمامها أخيراً بالعمليات الليلية، وكانت حربا كوريا وفيتنام هما حقلا التجارب لأجهزة الرؤية الليلية. وبدأ في أواخر الخمسينات وبداية الستينيات من القرن الماضي ظهور واستخدام أجهزة الرؤية الليلية السلبية ، التي تعمل بتكثيف ضوء النجوم. وفي منتصف الستينيات بدأ تصميم أجهزة الرؤية الحرارية، ومع بداية السبعينيات بدأ تطوير هذه الأجهزة والبحث في جعلها أصغر حجماً، وأقل وزناً وتكلفة، ثم بدأ استخدام أجهزة الرؤية والتصوير الحراري على نطاق واسع خلال السنوات العشرة الماضية. وبذا أصبحت أجهزة الرؤية الليلية بأنواعها بديلا لإضاءة أرض المعركة بالطرق التقليدية القديمة. ويمتاز استخدام هذه الأجهزة بقلة التكاليف، وبالقدرة على استخدامها لفترات طويل ومستمرة.
طبيعة الضوء
الضوء هو عبارة عن موجات كهرومغناطيسية، تتقسم حسب الطول الموجي والتردد Frequency إلى نطاقات طيفية Bands، وهي: الأشعة الكونية Cosmic Rays أشعة جاما أشعة أكس الطيف الضوئي الميكروويف موجات الراديو.
وينقسم الطيف الضوئي إلى ثلاثة أقسام رئيسية، حسب الطول الموجي:
<= من 01.0 : 35.0 ميكرون أشعة قوق البنفسجية (غير مرئية).
<= من 35.0 : 77.0 ميكرون أشعة الضوء المرئي.
<= من 77.0 ميكرون وحتى 1 مم، الأشعة تحت الحمراء (غير مرئية).
وينقسم الضوء حسب الطول الموجي إلى الألوان التالية بالترتيب: بنفسجي، سماوي، أزرق، أخضر، أصفر، برتقالي، أحمر.
وتنقسم الأشعة تحت الحمراء إلى ثلاثة نطاقات:
<= من 77.0 : 5.2 ميكرون، نطاق قريب.
<= من 5.2 : 6.5 ميكرون، نطاق متوسط.
<= من 6.5 : 1000 ميكرون، نطاق بعيد.
وبدراسة تأثير الجو على الأشعة تحت الحمراء، وجد أن نافذية هذه الأشعة في الجو ترتبط بالطول الموجي، وأنه يوجد ثلاثة نطاقات طيفية تكون النفاذية فيها أكبر ما يمكن، ولهذا سميت هذه النطاقات "نوافذ" Windows للأشعة تحت الحمراء. وهذه النوافذ هي:
(1) النافذة القريبة: من 9.0 إلى 5.2 ميكرون.
(2) النافذة المتوسطة: من 3 إلى 5 ميكرون.
(3) النافذة البعيدة: من 8 إلى 12 ميكرون.
أجهزة الرؤية الليلية الإيجابية
تعمل هذه الأجهزة في النطاق القريب من الأشعة تحت الحمراء (75.0 : 5.1) ميكرون، وتتكون من باعث يتضمن مصدر ضوئي، وعاكس مرشح، يسمح بنفاذ الأشعة تحت الحمراء (من 75.0 إلى 5.1 ميكرون)، وجهاز الرؤية الذي يتكون من مجموعات بصرية، وصمام تحويل الصورة، ومصادر للطاقة.
ويقوم الباعث بإصدار الأشعة تحت الحمراء في اتجاه الهدف، فتسقط عليه، وتنعكس في اتجاه جهاز الرؤية، مكونة صورة غير مرئية، حيث تقوم عدسة جهاز الرؤية بإسقاطها على صمام تحويل الصورة، فيتم تحويل الصورة إلى صورة مرئية على شاشة في الصمام، ترى مكبرة من خلال عدسات.
ومن مميزات أجهزة الرؤية الليلية الإيجابية: إمكانية استخدامها في الأوساط الجوية السيئة، مثل الشبورة وستائر الدخان الصناعية، وفي الأماكن المغلقة أو الغابات، وإمكانية رصد أهداف مموهة بدرجة معينة. أما أوجه القصور في هذه الأجهزة فهي سهولة رصد بواعث الأشعة تحت الحمراء من مسافات بعيدة، مما يفقدها ميزة السرية، وضرورة الضبط الدوري لمخروط الأشعة، والتنسيق المستمر بين الباعث وجهاز الرؤية، وإمكانية تعمية الأجهزة إذا تم تشغيل بواعث ذات قدرات عالية بالمواجهة، بالإضافة إلى أن المدى محدود نسبياً.
أجهزة الرؤية الليلية السلبية
للتغلب على إمكانية رصد بواعث الأشعة في الأجهزة الإيجابية ظهرت الأجهزة السلبية التي تعتمد على مستويات الإضاءة المنخفضة للضوء المرئي ليلاً (ضوء القمر والنجوم). وتعمل هذه الأجهزة بتكثيف الضوء المرئي (الطول الموجي من 35.0 : 77.0 ميكرون)، ويتم تجميع الضوء المنعكس من الأهداف مكوناً صورة مرئية خافتة على صمام التكثيف، حيث تنبعث الإلكترونات حسب شدة الإضاءة الساقطة، لتسقط على الشاشة الفوسفورية، حيث تسبب توهج الشاشة وإظهار صورة الهدف.
وكان صمام الجيل الأول من هذه الأجهزة يتكون من ثلاث مراحل متماثلة التركيب والتصميم، بغرض تكثيف الضوء الضعيف، للوصول به إلى القدر الذي يمكن العين البشرية العادية من التقاطه بوضوح، حيث تقوم كل مرحلة بتكبير شدة الاستضاءة 40 مرة، حتى يصل التكبير، بعد المراحل الثلاث، إلى أكثر من 60 ألف مرة. وتتلخص عيوب صمامات هذا الجيل في قصر المدى نسبياً، وزيادة الوزن والحجم، وتلف الصمامات نتيجة التعرض للضوء نهاراً، أو استمرار تعرضها لوهج المقذوفات وإضاءة أرض المعركة ليلاً.
وللتغلب على هذه العيوب، ظهرت صمامات الجيل الثاني، التي تتكون من مرحلة واحدة، وتمتاز بقدرتها على التكبير الاختياري للإضاءة في النقط المختلفة، بحيث ينخفض معامل التكبير في النقط المضيئة، بينما يزيد في النقط المظلمة، مما يجعلها مناسبة عند استخدام الذخيرة المضيئة.
أما صمام الجيل الثالث فيشبه إلى حد كبير صمام الجيل الثاني، إلا أنه يستخدم مواد لها حساسية فائقة للضوء في المجال المرئي والنطاق القريب للأشعة تحت الحمراء، التي تزاد نسبتها، كما تزداد انعكاساتها من الأهداف ليلاً. ولذا فإن صمامات الجيل الثالث تعمل في المجال المرئي والنطاق القريب للأشعة تحت الحمراء.
وتتلخص عيوب أجهزة التكثيف في قصر المدى، والتأثر الكبير بالعوامل الجوية (ضباب- دخان- سحاب)، وبالضوء المبهر والإضاءات الجانبية، وبالكشافات الضوئية، وعدم القدرة على تمييز الأهداف المموهة.
أجهزة الرؤية الحرارية
بدراسة الظواهر الطبيعية، وجد أن الأجسام التي درجة حرارتها فوق الصفر المطلق (273 درجة مئوية تحت الصفر) تنبعث منها أشعة تحت الحمراء، وكلما زادت درجة حرارة الجسم كلما زادت الطاقة المنبعثة، وقل الطول الموجي لهذه الأشعة. والأهداف الأرضية التي تتراوح درجة حرارتها من (- 40 إلى + 80)، ينبعث منها إشعاع حراري بطول موجي من (8 إلى 12 ميكرون)، في حين يكون من (3 إلى 5 ميكرون) لمحركات الطائرات والأهداف الصاروخية (درجة حرارة 400 مئوية).
ووجد أن نفاذية الأشعة في الجو تكون كبيرة جداً عند نطاق الطول الموجي من (8:12) ميكرون، لذا فإن هذه الإشعاعات قادرة على اختراق الدخان والضباب وأحوال الرؤية السيئة، وكذا سحابة الدخان الصناعية، إذا كانت في الطول الموجي من (8:12) ميكرون.
ولذلك، تم تصميم أجهزة الرؤية الحرارية، لتعمل في النطاق الموجي من (8:12) ميكرون، وتعتمد على الإحساس بالتباين Contrast في درجة الحرارة بين الأهداف والخلفية التي ورائها. ووجد أن أنسب كواشف Detectors للأشعة تحت الحمراء تعمل في هذا النطاق هي كواشف مصنعة من مركب "كادميوم تلوريد الزئبقي" وتعمل بكفاءة عالية جداً إذا تم تبريدها إلى درجة حرارة (- 196 تحت الصفر المئوي)، وعند سقوط الأشعة على الكاشف تتكون إشارة كهربية يمكن استغلالها في تكوين صورة مرئية للأشعة الحرارية، المنبعثة من الهدف.
ولذا يجب تبريد الكواشف إلى درجة الحرارة (- 196 درجة مئوية) للتخلص من حركة الجزئيات بها، ولكي تكون الإشارة الخارجة من الكواشف معبرة عن الأشعة الساقطة من الهدف فقط، ويتم التبريد بطرق مختلفة، منها تمرير الهواء البارد لامتصاص الحرارة، أو استخدام دائرة تبريد مغلقة، أو مولد هواء نقي مضغوط.
مميزات استخدام أجهزة
التصوير الحراري
يمكن استخدام الأسلحة ليلاً بمدى لا يقل عن 50 60% من المدى النهاري.
عدم الاعتماد على الإضاءة أو على الرؤية البصرية أثناء الليل.
إمكانية الاستخدام نهاراً في حالات الرؤية الضعيفة.
تفادى أعمال الإعاقة البصرية للعدو، مع التقليل من كفاءة أعمال الإخفاء والتمويه للعدو.
العمل بكفاءة خلال الشبورة والغبار والضباب والدخان الصناعي وفي الغابات والأحراش.
تمييز الأهداف، وذلك بالإحساس بفرق درجة التباين للصورة الحرارية المتكونة للهدف بالنسبة لخلفيتها، خاصة أثناء الليل، لإنخفاض درجة حرارة الأرض الخلفية للأهداف، نتيجة غياب الشمس.
لا تتأثر بالضوء المبهر، أو ضوء النهار، أو وهج القذائف والصواريخ.
التحكم في إضاءة الصورة والتباين Contrast.
القدرة على إكتشاف الحرارة التي تخلفها الطائرات والمركبات والدبابات بعد رحيلها بساعات.
تطور أجهزة الرؤية الحرارية
نظراً لارتفاع تكاليف أجهزة الرؤية الحرارية، اتجهت النية في السنوات الأخيرة إلى دراسة خفض التكاليف وذلك بإنتاج مجموعات داخلية متشابهة (Common Modules) ليمكن استخدامها في أكثر من جهاز. وقد بدأت أمريكا تنفيذ ذلك في المدة من عام 1972م إلى عام 1976م، حيث توجد هذه المجموعات الآن في الأجهزة المستخدمة مع الجيش الأمريكي، مثل الدبابة M60A3، والدبابة M1، والنظام الصاروخي "تو" Tow، والصاروخ "دراجون" Dragon، وأجهزة القوات البرية والطائرات العمودية.
وبدأت ألمانيا "الغربية" تطوير الأجهزة الحرارية اعتباراً من عام 1977م لإنتاج مجموعات متشابه كما فعلت أمريكا، وفي عام 1983م كان قد تم إنتاج جهاز الرؤية الحراري رقم 1000 للدبابة (ليوبارد 2) Leopard-2، كما تقوم إحدى شركات الإلكترونيات الألمانية بإنتاج الكواشف والمبردات المتشابهة للأجهزة الحرارية.
وبدأت فرنسا في تطوير المجموعات المتشابه للأجهزة الحرارية، ثم بدأ الإنتاج الكمي من الأجهزة في عام 1984م. وفي إنجلترا يختلف الوضع لأنهم صنعوا مجموعات متشابهة أكثر.
وتتجه الأبحاث الآن لتطوير أجهزة الرؤية الحرارية، وإنتاج الجيل الثاني منها، وزيادة عدد عناصر الكاشف، ويهدف التطوير إلى تحقيق المزايا التكتيكية والفنية الآتية:
زيادة مدى الأهداف التي يمكن رصدها وتمييزها.
تكبير مجال الرؤية.
تبسيط الأجهزة، وذلك بتحاشي الأجزاء الميكانيكية.
التيسير على المستخدم، وذلك باستخدام بعض المستشعرات التي تؤدي إلى تنفيذ بعض مهام التتبع الآلي للأهداف.
بعض الاستخدامات المتنوعة
هناك العديد من الاستخدامات العسكرية والمدنية لأجهزة الرؤية الليلة والتصوير الحراري، وعلى سبيل المثال فإن جهاز الرؤية الحراري للدبابة M1 يعتبر أصغر حجماً وأقل وزناً وتكلفة من جهاز الدبابة M60A3، ويظهر الصورة على شاشة، ويستخدم 120 عنصر كاشف في خط رأسي، ويتم تثبيت جهاز الرؤية الحراري ومقدر المسافة بالليزر والتليسكوب النهاري للرامي ليكونوا وحدة واحدة.
وجهاز التصوير الحراري (AN/AD-5) يستخدم في الاستطلاع، حيث يمكنه تسجيل خريطة حرارية على فيلم، ويستخدم مع بعض النفاثات من طراز (RF-4).
وجهاز الرؤية الحراري (IHADSS) لقائد الطائرة العمودية، مثبت في غطاء الرأس، ويوفر صورة على شاشة، وبالتالي يستطيع الطيار الطيران ليلاً في الإظلام التام، وعندما يحرك رأسه فإنه يقوم بتحريك خط البصر أو مجال الرؤية لإستطلاع الأهداف الأرضية، ويمكن القائد من عمليات البحث والإنقاذ، كما تظهر علامات التنشين على الشاشة لاستخدام السلاح المزودة به الطائرة.
وتجري التجارب لتركيب جهاز تكثيف ضوئي مع الجهاز الحراري، ليستخدم في حالات المطر في درجة الحرارة القريبة من الصفر، حيث يكون من الصعب التمييز بين الأهداف، نظراً لانخفاض التباين الحراري بين الأجسام.
وفي نظم التحذير من الصواريخ، تستخدم الأجهزة الحرارية لإنذار أطقم الطائرات من الصواريخ الموجهة إليها، كما يمكن التمييز بين التهديد الحقيقي والخداعي للعدو.
وتستخدم كاميرات المراقبة الحرارية في المراقبة وحراسة الطرق والحدود والسواحل، حيث تقوم برصد وتمييز الأشخاص والأشياء ليلاً ونهاراً، وفي حالات الرؤية الضعيفة، وفي الماضي استخدمت الكاميرات التلفزيونية، ولكن لم تكن تؤدي مهمتها بكفاءة في حالات الرؤية الضعيفة أو ليلاً، فضلاً عن قصر مسافة المراقبة.
أما بالنسبة للكاميرات التلفزيونية التي تعمل في حالات الرؤية الضعيفة، فإنه لا يمكن استخدامها نهاراً، أو في حالات الإظلام التام، كما أن مداها محدود وتتأثر بأعمال التمويه. وتمكن كاميرات المراقبة الحرارية من اكتشاف الأهداف على مسافات كبيرة، وإظهارها على شاشات تلفزيونية. ويمكن وضع الكاميرات على حوامل يتم التحكم فيها عن بعد، ويمكن استخدام بعض الكاميرات في المراقبة الجوية، أو البحرية.
وتستخدم أجهزة الرؤي والتصوير الحراري "فلير" Forward Looking Infrared-FLIR في الدبابات والطائرات والغواصات والطائرات بدون طيار، كما تستخدمها قوات مكافحة الجريمة في البحث عن المجرمين، والضحايات والمفقودين.
وقد أدى استخدام التصوير الحراري في الأقمار الصناعية إلى هتك ستر كل ما هو فوق سطح الأرض، ولذا لم يعد من الممكن إخفاء بطاريات الصواريخ عابرة القارات عن عدسات أقمار التجسس لأنها أجسام معدنية تشمخ فوق الأرض عدة أمتار، ويسهل تمييزها وتصويرها، سواء ليلاً أو نهاراً، ولذا لجأت الدول إلي إخفاء الصواريخ بوضعها في الغواصات، ويمكن التحكم في صعودها فوق الماء قبل لحظة الإطلاق.
كما يمكن استخدام الأجهزة الحرارية في كشف الألغام الغير معدنية، ومساعدة الطائرات على الهبوط في حالات الأحوال الجوية السيئة، وتحديد أماكن خطوط الأنابيب والكابلات المدفونة تحت الأرض، وأماكن التسريب أو الإنسداد في المواسير المدفونة تحت الأرض، وتحديد كفاءة العزل الحراري، ويمكن استخدام الأجهزة الحرارية في اكتشاف الأورام السرطانية، وأن كان هذا الاستخدام غير واسع الانتشار.