المبحث الثاني

التطبيقات العسكرية للأشعة تحت الحمراء في مجال الرؤية الليلية

أولاً: التطبيقات العسكرية والمدنية للأشعة تحت الحمراء

كانت ظلمة الليل، منذ فجر التاريخ، تشكل في أثناء الحروب معاناة للجنود، إذ كان الظلام يحرمهم من القدرة على رصد العدو وتحديد أهدافه. وقد حذر الأقدمون من العمليات الليلية، وفضل الكثيرون تجنب الظلام كلما أمكن، وعبر الفلاسفة والبارزون من القادة عن تحذيرهم من تنفيذ عمليات ليلية، إلا عند الضرورة القصوى. فقد سمح التكتيك والتقنية في الماضي لقدامى القادة بأن يمتنعوا عن العمليات الليلية، طالما أن ذلك في مقدورهم. حيث كان الليل هو وقت راحة الجنود المنهكين، ووقت القادة كي يخططوا لأعمال اليوم التالي، واثقين من أنه لا يوجد خصم سوف يقلق راحتهم ويفسد نومهم بمعركة ليلية.

وقد استمر هذا الحال إلى أن شاع استخدام الأضواء الكاشفة. ولكن كانت لها سلبياتها، ذلك أن الشعلات تضيء مناطق المعركة بكاملها للصديق والعدو. وبذلت محاولات منذ الحرب العالمية الأولى لاستغلال الأجزاء غير المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي لتعزيز الرؤية، ولم تفلح الجهود، إلا في الحرب العالمية الثانية، لاستخدام مصادر الأشعة تحت الحمراء لإضاءة الأهداف، وكان من النتائج التي تم التوصل إليها "مكثف الصور" Image Intensifier، الذي يحول الضوء إلى شحنات كهربائية للتضـخيم الإلكتروني، وإعادة تحويلها إلى ضوء مرئي للعرض على شاشة فلورسنتية Fluorescent Screen.

ولكن العدو، الذي كان يحوز معدات مشابهة، كان يستطيع، هو كذلك، رؤية مصادر الإضاءة بالأشعة تحت الحمراء، التي أصبحت فعلياً لا تختلف عن مصادر الإضاءة المرئية. ولذلك اقتضت الحاجة استخدام أجهزة سلبيـة، لا تصدر أي نوع من الإشعاع، فاتجهت الأنظار إلى طيف الضوء المرئي، وإلى حزم الأشعة تحت الحمراء القريبة، ولهذا استغلت مصادر الإضاءة الطبيعية مثل القمر والنجوم، والأشعة تحت الحمراء المتولدة من كل الأجسام، التي تشع حرارة مولدة منها نفسها، أو منعكسة عنها.

فإذا كانت هناك مجموعة من الطائرات تربض على أرض ممر في أحد المطارات، فإن ظلال هذه الطائرات على الممر تؤدي إلى اختلاف في درجة حرارة مكان الظلال عن المنطقة المحيطة، فإذا أقلعت الطائرات، فإن حرارة مكان الطائرة تكون مختلفة عن باقي أرض الممر. فإذا تم التصوير الحراري بعد فترة، فإنه يمكن تمييز مكان الطائرات، وعددها، ووضع تلك الطائرات قبل الإقلاع. وبالرجوع إلى جهاز الكمبيوتر ومتغيرات خاصة بالطقس والأرض، فإنه يمكن تحديد أزمنة إقلاع الطائرات وتتابع الإقلاع بكل دقة.

وهكذا فإن الكواشف الحرارية الحساسة وأجهزة الكمبيوتر، يمكن أن تضيف فائدة عظيمة لتصوير حدث بعد وقوعه. وقد أمكن فعلاً توفير كواشف حرارية في الأقمار الصناعية، يمكنها التمييز في درجات الحرارة بدقة، بلغت جزءاً من عشرة من درجة الحرارة المئوية الواحدة، واستخدمت فعلاً في تتبع الغواصات النووية في مساراتها بالقرب من قاع المحيطات. ويمكن أن تستخدم هذه الظاهرة في الوصول إلى شكل المجرمين وعددهم في مسارح الجريمة، مما يؤدي إلى كشف الغموض في عالم الإجرام.

وعلى الرغم من اكتشاف الأشعة تحت الحمراء سنة 1800م، فإنها لم تستخدم على نطاق واسع إلا مع بدء الحرب العالمية الثانية، عندما فاجأ الألمان الحلفاء بمعارك ليلية بالدبابات، بدون استخدام بواعث الإضاءة الكاشفة، ولكن باستخدام بواعث كاشفة لأرض المعركة بالأشعة تحت الحمراء مثبتة على دبابات، بينما تم تركيب المستقبلات على الدبابات المقاتلة. وقد تمكن الألمان من تدمير عدد كبير من الدبابات المعادية، إلا أن البريطانيين تمكنوا من اكتشاف فكرة هذه الأجهزة، فكانت البواعث تكتشف بواسطة نظارات حساسة للأشعة تحت الحمراء، حيث يتم تحديد مواقعها وتدميرها.

وتأتي الولايات المتحدة الأمريكية في مقدمة الدول، التي زاد اهتمامها أخيراً بأهمية العمليات الليلية، وكانت حربا كوريا وفيتنام حقلي التجارب لأجهزة الرؤية الليلية، (اُنظر جدول أجهزة الرؤية الليلية في حقبة الحرب الفيتنامية). وبدأ في أواخر الخمسينيات وبداية الستينيات ظهرت أجهزة الرؤية الليلية السلبية، التي تعمل بتكثيف ضوء النجوم من أجل استخدامات المشاة وبدأ استخدامها. وعرفت المناظير، المستخدمة في ذلك الوقت، باسم "مناظير ضوء النجوم" Starlight Scopes، وأفضل هذه المناظير كانت تسمح للجندي برؤية أهدافه على مسافة تصل حتى نصف ميل، وأصغرها ما كان يركب على البندقية طراز M16K. واستخدم الأمريكيون السلاح القناص المجهز بجهاز للرؤية الليلة، والذي سمي Sniper Scope، لأول مرة عندما نزلوا في سواحل المحيط الهادي، وقد أحدث رعباً بين الجنود اليابانيين.  

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 الماضية. وبذا أصبحت أجهزة الرؤية الليلية، بأنواعها، بديلاً لإضاءة أرض المعركة بالطرق التقليدية القديمة.

وعلى رغم النوعيات القوية من المكثفات وأجهزة التصوير الحراري، تظل هذه معدات رقيقة نسبياً، وينبغي أن تستخدم بحذر وبخاصة الكاميرات البصرية. وتصنع عدسات التصوير، بشكل خاص، من مادة رقيقة، يسهل خدشها برمال الصحراء، وإلى درجة تغدو معها غير صالحة للاستخدام. كما ينبغي تنظيفها بحذر، وبخاصة في حالة عدسات أجهزة التصوير على المركبات.

ثانياً: الرؤية الليلية

أصبحت القدرة على رؤية العدو ليلاً أحد العناصر الحاسمة لكسب الحرب الحديثة. فمن يرى عدوه أولاً يطلق عليه النيران، سواء كان العدو في الجو، أو في البحر، أو في البر. وسوف يوفر انتشار أجهزة الرؤية الليلية قدرات قتالية عالية، مثل زيادة إمكانية المعاونة القريبة على مدى 24 ساعة، وكفاءة الاستطلاع والقذف الإستراتيجي، وإعادة التموين، وكذلك عمليات القوات الخاصة ليلاً.

وقد تم تطوير نظريتين رئيسيتين في هذا الإطار، وهما:

·   تكثيف وضوح الصورة.

·   تكوين الصور حراريا.

وتعتمد النظرية الأولى، بشكل رئيسي، على تضخيم كمية الضوء المتاحة، مهما كانت ضئيلة. أمّا النظرية الثانية، فتعتمد، كلياً، على استخدام الإشعاعات الحرارية المنبعثة من الهدف، حيث تحول هذه الإشعاعات إلى ضوء تنجم عنه صورة مرئية.

ولأنظمة تكثيف الصورة وزيادة دقتها، مثل أجهزة المراقبة وأجهزة الرؤية الليلية، العديد من الاستخدامات في الأسلحة البرية والبحرية والجوية. ولكن قدرة هذه الأنظمة محدودة في بعض الظروف، لأنها تحتاج إلى بعض الضوء كي تستطيع العمل. وهناك حالات تضعف فيها الرؤية المباشرة للهدف المراد مراقبته نتيجة وجود الدخان، والغبار، والغيوم.

ويمتاز استخدام أجهزة الرؤية الليلية بالآتي:

·   قلة التكاليف والقدرة على استخدامها لفترات طويلة ومستمرة.

·   لا تخصص لها أسلحة معينة للاستخدام.

·   توفر عامل المفاجأة.

1. أجهزة الرؤية الليلية الإيجابية

تعمل أجهزة الرؤية الليلية الإيجابية في النطاق القريب من الأشعة تحت الحمراء، 0.75: 1.5 ميكرون. وتتكون هذه الأجهزة، بصفة عامة من:

أ. باعث: ويتكون من مصـدر ضوئي، وعاكس مرشح يسمح بنفاذ الأشعة تحت الحمراء.

ب. جهاز الرؤية،المستقبل: ويتكون من مجموعات بصرية، وصمام تحويل الصورة.

ج. مصدر طاقة.

وتنتج الشركات سلسلة واسعة من مكثفات الصورImage intensifier للمراقبة، أو للتصويب بالأسلحة. ومنها، على سبيل المثال، جهاز التصويب الليلي "مانتيس " Mantis، الذي يضم جهاز إضاءة، وجهاز ARK VIII كاشف المدى الليزري اليدوي، الذي يمكن أن يستعمل أحد مكثفات الصورة ليمنح قدرة رؤية ليلية فاعلة.

2. نظرية عمل أجهزة الرؤية الليلية الإيجابية

في أجهزة الرؤية الليلية الإيجابية يصدر الباعث الأشعة تحت الحمراء في اتجاه الهدف، فتسقط عليه، ثم تنعكس في اتجاه جهاز الرؤية، مكونة صورة غير مرئية على العدسة الشيئية Objective lens، التي تركز الأشعة المنعكسة على الكاثود الضوئي "فوتوكاثود"Photocathode [1]   للصمام، فتتحوّل الصورة غير المرئية إلى صورة مرئية على شاشة فوسفورية في الصمام، ترى مكبرة من خلال العدسات العينية viewing lens.

3. مميزات أجهزة الرؤية الليلية الإيجابية

أ. إمكانية استخدامها في الأوساط الجوية السيئة، مثل الأجواء الضبابية، الشابوره، وستائر الدخان الصناعية.

ب. إمكانية استخدامها في الأماكن المغلقة، أو الغابات.

ج. إمكانية رصد أهداف مموهة بدرجة معينة.

4. عيوب أجهزة الرؤية الليلية الإيجابية

أ.  سهولة رصد بواعث الأشعة تحت الحمراء من مسافات بعيدة، مما يفقدها ميزة السرية.

ب. ضرورة الضبط الدوري لمخروط الأشعة.

ج. ضرورة التنسيق المستمر بين الباعث وجهاز الرؤية.

د. إمكانية تعمية الأجهزة، إذا تم فتح بواعث ذات قدرات عالية بالمواجهة.

هـ. المدى محدود نسبياً.

ثالثاً: أجهزة تكثيف الضوء

للتغلب على إمكانية رصد بواعث الأشعة في الأجهزة الإيجابية، ظهرت الأجهزة السلبية التي تعتمد على مستويات الإضاءة المنخفضة للضوء المرئي ليلاً، مثل ضوء القمر والنجوم. وتعمل هذه الأجهزة بتكثيف الضوء ذي الطول الموجي من 0.35 ـ 0.77 ميكرون. ويتم تجميع هذا الضوء المنعكس من الأهداف من خلال العدسة الشيئية، مكوناً صورة مرئية خافتة على مهبط صمام التكثيف photocathode، حيث تنبعث الإلكترونات، حسب شدة الإضاءة الساقطة. ويجذب المجال الكهروستاتيكى الإلكتروني لتسقط على الشاشة الفوسفورية، حيث تسبب توهج الشاشة وإظهار صورة الهدف.

وأنظمة التكثيف عملية، إلى حد كبير، إذا كان الغرض منها هو خدمة الأشخاص المطلوب منهم أن يروا ليلاً ما يمكن أن يروه نهاراً في مدى الرؤية العادية. ويندرج تحت هذا الاستخدام جندي المشاة، الذي يريد أن يرى جنود العدو ومعداته في نطاق مدى رؤيته وسلاحه، وسائقو المركبات، الذين يجب أن يروا ليلاً بالقدر الذي يمكنهم من قيادة مركباتهم، وكذلك الطيارون، حيث يحتاجون إلى جهاز تكثيف إضافي؛ لتحسين وضعهم في الإحساس بما حولهم أثناء الطيران الليلي.

ولكن أنظمة التكثيف لا يمكنها العمل من خلال العوالق مثل الدخان والضباب، كما أنها ذات مدى محدود، ويمكن تعرضها لوسائل الخداع والتمويه، كما أن أداءها يتوقف على كمية الضوء المتاحة ليلاً.

وتأتي نظارات الرؤية الليلية Night Vision Goggles:NVG في ثلاثة أشكال أساسية هي:

·   النظارة المفردة، الوحيدة القناة،وتقدم الصور لعين واحدة فقط، بينما تبقى العين الثانية مفتوحة، ولكن بدون صورة مكثفة.وهذه الأخيرة تبقى متكيفة مع الظلام، وتبقى الحدقة واسعة. ولدى إزاحة النظارة، أو تعطلها يكون الانتقال إلى مشاهد الضوء المحيط شبه فوري.

·   النظارة الوحيدة القناة، التي تغذي عينين بالصور، وهي تقسم الصورة نفسها لكلتا العينين.

·   مناظير الرؤية الليلية الثنائيةBinocular، وفيها مسار بصري مستقل لكل عين، وتقدم للعينين صورة مجسمة، مع إحساس بالعمق. فالإحساس بالعمق في الرؤية الليلية يضفي على الصورة المسطحة بعداً ثالثاً، وهو أمر مهم، وخاصة بالنسبة للطيارين. ولذا يستخدم طيارو القوات البحرية الأمريكية على متن طائرات "هورنت" F/A-18 جهاز الرؤية الليلية المعروف باسم "عيون القط" Cats Eyes.

1. تطور أجهزة التكثيف الضوئي

شهدت أجهزة التكثيف الضوئي تطوراً كبيراً، عبر أجيالها الثلاثة، كالآتي:

أ. الجيل الأول:

وهو 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 تكبير شدة الاستضاءة النهائية، بعد المراحل الثلاث، إلى أكثر من 60 ألف مرة، (اُنظر شكل صمام من الجيل الأول).

والجهد الكهربي اللازم لتشغيل الصمام 45 كيلو فولت، تيار مستمر، وفرق الجهد على كل مرحلة 15 كيلوفولت، ويمكن الحصول على هذه الجهود من بطارية زئبقية، أو نيكل كادميوم.

وتتلخص عيوب صمامات الجيل الأول في:

·   قصر المدى نسبياً.

·   زيادة الوزن والحجم.

·   تلف الصمامات نتيجة التعرض للضوء نهاراً، أو استمرار تعرضها لوهج المقذوفات وإضاءة أرض المعركة ليلاً.

·   زيادة زمن اضمحلال الوميض لسطح الشاشات.

ب. الجيل الثاني:

للتغلب على عيوب صمامات الجيل الأول ظهرت صمامات الجيل الثاني، التي تتكون من مرحلة واحدة، والتي تعتمد أساساً على نظرية التضاعف الإلكتروني في الأنابيب المتناهية الصغر، (اُنظر شكل صمام من الجيل الثاني). ويتكون جهاز الجيل الثاني من صمام،وشاشة فوسفورية، بينهما قرص قنوات متناهية الصغر. ويعمل هذا القرص على تكبير التيار الإلكتروني في داخل الصمام، وبالتالي عدد الإليكترونات التي تصطدم بالشاشة، مما يؤدي إلى زيادة شدة الاستضاءة بالمعامل نفسه في حالة صمام الجيل الأول، دون استخدام ثلاث مراحل.

ويمتاز صمام الجيل الثاني بقدرته على التكبير الاختياري للإضاءة في النقط المختلفة، بحيث ينخفض معامل التكبير في النقط المضيئة، بينما يزيد في النقط المظلمة، مما يجعله مناسباً عند استخدام الذخيرة المضيئة. وجهزت صمامات الجيل الثاني بفوتوكاثود مصنوع من مواد قلوية مثل: أنتيمونيد الصوديوم، والبوتاسيوم، والسيزيوم.

ويعتمد الكسب في عدد الإليكترونات للقرص ذي الأنابيب المتناهية الصغر على:

·   فرق الجهد بين سطحي القرص.

·   نسبة طول القنوات إلى قطرها.

·   خواص الانبعاث الإليكتروني في مادة السطح الداخلي.

·   زاوية ميل القنوات.

ومن أبرز أمثلة منظومات الرؤية ليلاً من الجيل الثاني المستخدمة مع الأسلحة الصغيرة، الجهاز AN/PAS-13، وهناك ثلاثة أنواع منه يمكن استخدامها مع الأسلحة الصغيرة، بدءاً من البندقية الآلية، وحتى قاذفات القنابل اليدوية، (اُنظر جدول تطور أجهزة الرؤية الليلية المستخدمة مع الأسلحة الصغيرة في الجيش الأمريكي).

ولتخفيف وزن الجهاز، تستخدم مادة الماغنسيوم مع البلاستيك، في صناعة جسم الجهاز، بحيث لا يزيد وزنه عن كيلوجرامين تقريباً. وتولد الخلية الكهربائية العاملة مع الجهاز طاقة كهربائية مقدارها 10 واتات، لتشغيل كل من المبرد الكهروحراري، والباحث، وخلايا اكتشاف الأشعة. ويمكن لهذه البطارية أن تعمل لمدة 12 ساعة متصلة، وعند عدم التشغيل، فإن الباحث يقوم بفصل الطاقة الكهربائية آليا لتوفيرها، ولا يحتاج الجهاز إلا إلى ثانيتين فقط لكي يبدأ في العمل بعد الضغط على مفتاح العمل.

ومن نظارات الرؤية الليلية من الجيل الثاني، النظارة الأمريكية طراز  AN/PVS-5A، التي يستخدمها سائقو المركبات، (اُنظر صورة نظارة من الجيل الثاني والثالث). وهي تركب على الرأس، وتزن 850 جم، وتعمل في درجات حرارة من -45 إلى +45 درجة مئوية، وتحتاج إلى بطارية 2 ـ3.5 فولت، ومجال رؤيتها 45 درجة.

ج. الجيل الثالث

وصمام الجيل الثالث يشبه إلى حد كبير صمام الجيل الثاني، (اُنظر شكل صمام من الجيل الثالث)، إلا أن الفوتوكاثود يتكون من مادة أرسنيد الجاليوم Galium Arsnide، أو الألمونيوم أرسنيد جاليوم Aluminum Galium Arsnide، ذات الحساسية الفائقة للضوء في المجال المرئي، والنطاق القريب للأشعة تحت الحمراء، التي تزداد نسبتها في السماء ليلاً، فهي تحول بشكل جيد الضوء الأصفر والبرتقالي والأحمر إلى الأشعة القريبة من تحت الحمراء، ويتحول المزيد من الطاقة المضيئة المتاحة إلى إلكترونات، فتعطي إشارة دخل أقوى، ونسبة إشارات إلى تشويش أفضل.

وتعدّ النظارة AN/PVS-7B مثالاً لتقنية التكثيف من الجيل الثالث، حيث يستخدم صمام تكثيف فردي يغذي عدستي عينيتين، وتزن الوحدة أقل من 700 جرام، وتستمد طاقتها من بطارية.

وتتسم صمامات الجيل الثالث بأنها أغلى من صمامات الجيل الثاني، بثلاثة أضعاف، وعمرها أربعة أضعاف سابقاتها، وحساسيتها للضوء والتمييز تصل إلى ثلاثة أضعاف، كما أن الصمام أصغر، والصورة أوضح، (اُنظر جدول مقارنة بين صمامات التكثيف الضوئي في الجيلين الثاني والثالث).

وقد طورت الشركات الأمريكية النظام ANVIS/HUD، الذي يجمع بين الرؤية الليلية للطيارين وشاشة العرض الرأسية. وفي هذا النظام يقوم جهاز العرض الرأسي بجمع بيانات الطيران المهمة وإرسالها إلى نظارة الرؤية الليلية، حيث تتطابق هذه البيانات مع صورة النظارة لتؤمن للطيار صورة ليلية متكاملة.  

2. مميزات أجهزة التكثيف الضوئي

تتميز أنظمة التكثيف الضوئي عن أنظمة الرؤية الحرارية بالآتي:

أ. أقل تكلفة، حيث يقترب سعر نظارة التكثيف الحديثة من 7000 دولار، في حين يصل سعر الجهاز الحراري المحمول باليد إلى 70000 دولار.

ب. صغر الحجم، وقلة الوزن، مما يجعلها مناسبة للاستخدام الفردى، ويمكن مواءمتها بسهولة على خوذة الطيار أو الجندي.

ج. بساطة المكونات، حيث يتكون النظام، أساساً، من صمام التكثيف.

د. عدم الحاجة إلى تبريد، وقلة الأعطال، وتماثل الصورة لتلك التي ترى بالعين نهاراً.

هـ. درجة تمييز الصورة تعادل حوالي عشرة أضعاف درجة تمييز الصورة الحرارية.

3. عيوب أجهزة التكثيف الضوئي:

أ. قصر المدى نسبياً.

ب. التأثر الكبير بالعوامل الجوية: ضباب/ دخان/ سحاب.

ج. التأثر بالضوء المبهر والإضاءات الجانبية.  

د. التأثر بالكشافات الضوئية.

هـ. عدم القدرة على تمييز الأهداف المموهة.