logo

logo

logo

logo

logo



الرؤية الليلية

رويه ليليه

Night Vision - Vision de nuit

الرؤية الليلية

 

كانت القوات العسكرية سابقاً تعتمد الأنوار الكاشفة لإنارة أرض المعركة في أثناء القتال الليلي، لكن مثل هذه الطريقة تمكّن العدو والصديق من الرؤية على حد سواء. ثم جاء ابتكار منظار الأشعة تحت الحمراء sniper scope الذي يمكّن الجندي من إنارة أرض العدو بحزمة من الأشعة تحت الحمراء التي لا ترى بالعين المجردة، ورؤية هذا العدو في الظلمة بوساطة منظاره الخاص. وقد تم فعلياً استعمال أجهزة من هذا النوع بعد تركيبها على الأسلحة الفردية الخفيفة أو الدبابات، والتصويب بدقة من مسافات قصيرة دون إنارة ظاهرية. لكن مثل هذا الجهاز معرَّض للكشف بسهولة، ويكون مرئياً إذا ما استعمل العدو جهازاً مماثلاً. وفي هذه الحالة يصبح جهاز الرؤية بالأشعة تحت الحمراء خطراً على مستعمله، لأنه يحدد مكان وجوده.

وقد ظهرت بعد ذلك أجهزة لا ترسل أشعة، وسميت لذلك أجهزة سلبية passive خلافاً للأجهزة السابقة المسماة فعّالة active. وتعتمد الأجهزة السلبية على تقوية الضوء الضعيف الموجود في الليل والمنبعث من القمر أو النجوم. وبما أن هذا النوع من الأجهزة لا يرسل أي أشعة فهو غير قابل للكشف من قبل العدو.

كما ظهرت أنواع جديدة من أجهزة الرؤية الليلية التي تعتمد على الإشعاع الحراري الذاتي للأجسام. فهي تحوِّل الأمواج الكهرمغنطيسية تحت الحمراء الطويلة المنبعثة من الأجسام، والمختلفة باختلاف درجات حرارتها، إلى صورة مرئية تظهر فيها الأجسام متباينة تبعاً لدرجات حرارتها ولإصدارها الطيفي، وهذه هي أجهزة الرؤية الحرارية thermal imagers.

تعتمد أجهزة الرؤية الليلية من حيث الأساس على أحد المبادئ الثلاثة الآتية:

1ـ إنارة الأهداف بأشعة غير مرئية للعين المجردة (الأشعة تحت الحمراء) وتحويل الأشعة المنعكسة عن الأجسام إلى ضوء مرئي (أجهزة فعّالة: أجهزة الرؤية بالأشعة تحت الحمراء IR viewrs).

2ـ الاستفادة من الإشعاع القليل الموجود في الليل وتضخيمه مرات كثيرة بحيث يصبح كافياً للرؤية الواضحة (أجهزة سلبية: مضخمات الخيال image intensifiers).

3ـ الاستفادة من الإشعاع الحراري الذاتي للأجسام وتحويل هذا الأشعاع غير المرئي إلى ضوء مرئي (أجهزة سلبية: أجهزة الرؤية الحرارية thermal imaging systems).

وفيما يأتي عرض موجز وشرح مبسط لمبدأ عمل كل نوعٍ وخصائصه:

ـ أجهزة الرؤية بالأشعة تحت الحمراء:

يتألف جهاز الرؤية بالأشعة تحت الحمراء من:

أ ـ منبع للأشعة تحت الحمراء (مصباح مغطى بمرشح مناسب لا يمرر سوى الأشعة تحت الحمراء). ويمكن أن يكون هذا المنبع داخلياً، أي انه يشكل جزءاً من جهاز الرؤية ذاته، أو أن يكون خارجياً كمصابيح السيارات أو الدبابات بعد تغطيتها بالمرشح المناسب.

الشكل (1) مخطط أنبوب جهاز الرؤية بالأشعة تحت الحمراء

ب ـ أنبوب تحويل الأشعة تحت الحمراء IR image converter tube وهو الجزء الرئيس في الجهاز، ويتألف، كما هو مبين في الشكل (1)، من مهبط ضوئي photocathode وعدسات كهراكدة وشاشة متفلورة، ويحيط غلاف زجاجي مفرغ من الهواء بجميع هذه الأجزاء. تسقط الأشعة تحت الحمراء الصادرة عن المنبع والموجهة نحو الأهداف المرغوب رؤيتها، على هذه الأهداف وترتد لتسقط على المهبط الضوئي للأنبوب. ولدى تعرضه لهذه الأشعة المنعكسة يصدر هذا الأنبوب حزمة من الإلكترونات يتناسب عددها في كل نقطة مع شدة الأشعة الساقطة على المهبط في هذه النقطة. ويطبق حقل كهربائي ساكن (كهراكد) لتسريع هذه الإلكترونات على طول الأنبوب حتى تصل الإلكترونات إلى الشاشة المتفلورة الموجودة في الطرف الآخر من الأنبوب، وتتكفل هذه الشاشة بتحويل هذا التدفق الإلكتروني إلى صورة مرئية. تتصف هذه الأجهزة بربح ضوئي قليل يبلغ نحو 20 مرة يضيع قسم كبير منه في عدسات التسريع.

وبسبب العيب الرئيسي لهذه الأجهزة وهو كونها قابلة للاكتشاف من قبل العدو المجهَّز بأجهزة كشف الأشعة تحت الحمراء، فقد تناقص استخدامها وأصبح الاعتماد كلياً على الأجهزة السلبية أو الحرارية.

ـ أجهزة الرؤية السلبية:

يتكون المهبط الضوئي في هذه الأجهزة من قلويات متعددة (Sb-K-Na-Cs) يطلق عليها اختصاراً S-20 أو S-25. وتتمتع هذه المواد بحساسية أفضل كثيراً من المواد (CsOAg) المستعملة في الأجهزة السابقة. ومن جهة أخرى، تم الانتقال إلى استعمال الألياف الضوئية بدل العدسات الزجاجية للحصول على خيال بأقل درجة ممكنة من التشوه.

مرت تجهيزات الرؤية الليلية السلبية بأربع مراحل أو أربعة أجيال هي:

ـ أجهزة الجيل الأول:

الشكل (2) مخطط أنبوب تضخيم الخيال ذي المراحل الثلاث (الجيل الأول)

تستقبل العدسة الجسمية الأشعة الواردة من الجسم لتشكل خيالاً له على المهبط الضوئي للأنبوب. وتتولد الإلكترونات في هذا المهبط بشكل متناسب مع توهج الخيال في كل نقطة. ويتم بعد ذلك تسريع هذه الإلكترونات المنطلقة من كل عنصر صغير من الخيال لتسقط على عنصر مقابل من شاشة متفلورة حيث يطلق كل إلكترون لدى اصطدامه بهذه الشاشة عدداً أكبر من الفوتونات محدثاً بهذا تضخيماً أولياً للخيال الأصلي.

قد يتم تكرار هذه العملية عدة مرات للحصول على تضخيم كاف للخيال (بين عشرة آلاف إلى مائة ألف مرة) ويبين الشكل (2) مخططاً لمثل هذا الجهاز مع وجود ثلاث مراحل من التضخيم.

لهذا النوع من الأجهزة عيبان رئيسيان:

1ـ الحجم والوزن الكبيران نسبياً (يراوح الوزن بين 2 و 25 كغ).

2ـ ظاهرة الإعماء: أي عدم قدرة الجهاز على تأمين رؤية واضحة في حال ظهور مصدر قوي للضوء في حقل الرؤية، كظهور ضوء سيارة مثلاً. إذ يتعرض عندئذ هذا الضوء القوي إلى التضخيم نفسه الذي يتعرض له الضوء الضعيف في باقي حقل النظر. وفي الواقع، يحتوي جهاز الرؤية الليلية عادة على دارة خاصة تحمل التسمية ABC (اختصار لعبارة automatic brightness control) ليتحكم أوتوماتيكياً بمقدار تضخيم الضوء. وينخفض هذا التضخيم عند وجود ضوء قوي نسبياً، ولكن يؤدي ذلك إلى نقصان التضخيم أيضاً للأجسام الضعيفة الإنارة، ومن ثم تختفي هذه الأجسام لدى ظهور الضوء القوي.

ـ أجهزة الجيل الثاني:

تختلف هذه الأجهزة في مبدأ عملها عن أجهزة الجيل الأول في عدم اعتمادها على تسريع الإلكترونات المنطلقة من المهبط الضوئي، وإنما على الإصدار الثانوي للإلكترونات

 وتتم العملية هنا على مرحلة واحدة، وبذلك نحصل على وفرٍكبير في وزن الجهاز وحجمه. فبإمكان هذه الأجهزة توفير تضخيم أجهزة الجيل الأول نفسه باستخدام أنابيب ذات طول أقل بنحو ست مرات، إضافة إلى ميزاتها الفنية الأخرى وخلوها من ظاهرة الإعماء.

يتلخص مبدأ عمل هذا النوع من الأجهزة بما يأتي:

الشكل (3) مخطط أنبوب تضخيم الخيال ذي المرحلة الواحدة (الجيل الثاني)

الشكل (4) صفيحة الأقنية الدقيقة

يتلقى المهبط الضوئي المصنوع من مادة نصف شفافة S-20 الخيال الضوئي الذي تشكله العدسة الجسمية (الشكل ـ3)، فيصدر عدداً من الإلكترونات التي تساق مباشرة إلى ما يسمى بصفيحة الأقنية الدقيقة (micro channel plate) MCP. وهي صفيحة مستديرة الشكل بأقطار قياسية تبلغ سماكتها نحو 0.6مم، وتحوي عدداً كبيراً جداً (أكثر من مليون) من الأقنية المصنوعة من زجاج خاص. يراوح قطر كل قناة بين 10و20 ميكرون ويبلغ سمك جدرانها بين 3و5 ميكرون. وتزيد كثافة هذه الأقنية في الصفيحة على 4000 قناة في المليمتر المربع. وتعدّ صناعة هذه الصفيحة في غاية الدقة والصعوبة ذلك أن متطلبات الدقة فيها (خاصة من ناحية تماثل الأقنية) عالية جداً، إذ يجب ألا تختلف أقطار هذه الملايين من الأقنية أكثر من 1إلى 2% (الشكل ـ4). تصدر الإلكترونات من المهبط الضوئي وتصل إلى الصفيحة حيث تصطدم بجدران كل من الأقنية الدقيقة التي يمتد على طولها حقل كهربائي منتظم مما يؤدي إلى ظهور إلكترونات جديدة بفعل الإصدار الثانوي secondary emission . وتصدر هذه بدورها إلكترونات أخرى أكثر منها لدى كل اصطدام جديد، وبالنتيجة يتضاعف عدد الإلكترونات في أثناء عبور القناة مرات كثيرة جداً. وتصطدم هذه الإلكترونات لدى خروجها من أقنية الصفيحة بالشاشة المتفلورة وبذلك يتحول التمثيل الإلكتروني للمشهد الليلي إلى تمثيل ضوئي جديد مماثل للخيال الأول إنما بمستوى إضاءة أعلى بكثير.

تستعمل في أجهزة الجيل الثاني الألياف الضوئية لقلب الصورة fiber optic invertor لتوفر إعادة قلب الخيال إلى وضعه الصحيح ضمن مسافة قصيرة جداً. وهكذا يتم التغلب على إحدى المشكلات البصرية المرافقة للأنظمة البصرية دون اللجوء إلى استخدام العديد من العدسات مرتفعة الثمن والوزن والحجم.

تحتوي الأجهزة الليلية على دارة تغذية توفر جهداً عالياً، وتكون هذه الدارة من النوع الصغير جداً والملفوف حول الأسطوانة. وتتكفل هذه الدارة بتأمين الجهد العالي اعتماداً على بطاريات صغيرة (1.35 فولت) بهدف الحصول على تسريع كافٍ للإلكترونات المشاركة في عملية الإصدار الثانوي. كما تتولى هذه الدارة مهمة كشف تواجد المصادر الضوئية القوية بغية ضبط الجهد العالي آلياً بما يتناسب عكساً مع شدة الضوء. وبذلك يتم الحصول على تحكم آلي بالتضخيم (automatic gain control) AGC.

ـ أجهزة الجيل الثالث:

تميز هذا الجيل باستخدم GaAs في المهبط الضوئي وبإضافة غشاء خاص غير مطلي على وجه الخروج للصفيحة ذات الأقنية الدقيقة. وتمكن هذا الغشاء من منع عودة الإلكترونات إلى داخل الصفيحة ومن ثم يزداد عمر المضخم كثيراً. كما تميز الجيل الثالث بتخفيض تشوه الصورة بحيث أصبح غير ملحوظ إضافة إلى زيادة الربح بشكل محسوس.

ـ أجهزة الجيل الرابع:

يؤدي الغشاء الذي ظهر في الجيل السابق إلى انقاص الإشارة المفيدة، لذلك تم الاستغناء عن هذا الغشاء في الجيل الرابع.

يتميز الجيل الرابع بارتفاع نسب الإشارة إلى الضجيج S/N ودقة فصل عالية، إضافة إلى تحسين الصورة النهائية كثيراً بسبب استخدام الشاشات المتفلورة من النوع P22 التي تلائم الحساسية الطيفية لعين الإنسان.

ـ الكاميرا الليلية ICCD

مثّل ظهور هذه الكاميرا خطوة إضافية نحو التصوير الليلي. وهي تتضمن جزأين: كاميرا CCD أسود/أبيض ذات حساسية جيدة، ومضخم خيال. وتتضمن الكاميرا عدداً هائلاً ـ بين ربع مليون وعدة ملايين ـ من العناصر الحساسة مما يسمح بالحصول على مقدرة فصل جيدة. كما يسمح وجود مضخم الخيال بالتصوير الليلي.

إذاً، يتشابه عمل ICCD مع عمل مضخم الخيال، لكن يتم تحويل إشارة الخرج إلى إشارة فيديو متوافقة مع أجهزة العرض monitors بدلاً من النظر مباشرة بالعين إلى الشاشة المتفلورة.

ـ أجهزة الرؤية الحرارية:

لا تحتاج الرؤية بوساطة هذه الأجهزة إلى أي إضاءة خارجية للأهداف فهي تعتمد على الإصدار الحراري الذاتي الذي تشعه جميع الأجسام. ففي حقل المعركة مثلاً، تكون معظم الأهداف والأشخاص والعربات والمعدات أسخن من المحيط المجاور لها - وخاصة في الليل - كما تتباين الإصدارية الطيفية بين مختلف الأجسام مما يسمح بكشفها وتمييزها عن بعد بوساطة الأجهزة الحرارية التي تحوّل المشهد الحراري إلى مشهد مرئي.

الشكل (5) منحنيات الإشعاع الكهرمغنطيسي والنوافذ الجوية

الشكل (6) مخطط عمل جهاز الرؤية الحراري

والطريقة المتبعة لذلك عادة هي إما باستعمال كاميرا تلفزيونية خاصة تتحسس بالأطوال الموجية الحرارية، أو باستعمال منظومة ضوئية تقوم بمسح المشهد خطاً خطاً فيتم الحصول في النتيجة على ما يشبه الصورة التلفزيونية. وفي كلتا الحالتين يتم الحصول على خيال مماثل للصورة التلفزيونية أبيض/أسود، إلا أن الدرجات الأكثر سواداً تدل على درجات الحرارة الأخفض، والأكثر بياضاً على درجات الحرارة الأعلى. يبين الشكل (5) مخططاً لمنحنيات الإشعاع للأجسام في درجات الحرارة المختلفة حيث يظهر كيف أن الأجسام الأسخن تشع طاقة أكبر، كما يُشاهد الفرق بين الطاقة المشعة بين جسم درجة حرارته 5 درجات وأجسام أخرى بدرجة حرارة 20 أو200 أو600درجة. كما يُشاهد في الشكل (5) النوافذ الجوية التي تبين امتصاص الغلاف الجوي للإشعاع الكهرمغنطيسي في كل المجالات ما عدا مجالات ضيقة تدعى بالنوافذ (من 0.3حتى 1.2ميكرون، ومن 3 حتى 5ميكرون، ومن 8 حتى 14ميكرون)، ولذلك تعمل الكاميرات الحرارية في هذه المجالات فقط. ويبين الشكل (6) مخططاً عاماً لكيفية المسح الضوئي واستعمال الكواشف المبرَّدة للحصول على الصورة الحرارية.

إن استعمال أجهزة الرؤية الحرارية يتطلب التعرض إلى النقاط الخاصة الآتية:

1ـ في أثناء الليل تبرد الأجسام والأرض نتيجة عدم تعرضها للشمس. ويؤدي ذلك إلى حدوث تمايز بين الأجسام والأرض بسبب الاختلاف في سرعة تبردها مما يسهل تمييزها بوساطة أجهزة الرؤية الحرارية.

2ـ هناك بعض الأجسام التي يمكن تمييزها دون الحاجة إلى تفاصيل كثيرة بفضل نقاطها الساخنة المميزة كالآليات.

3ـ بما أن الأمواج الكهرمغنطيسية تحت الحمراء المستعملة في هذه الأجهزة ذات طول نسبي كبير (8ـ14ميكرون) فهي تتمتع بمقدرة كبيرة على النفوذ في الضباب الخفيف والدخان والغبار ويصبح التمويه العادي غير فعّال لهذه الأجهزة ولا بد من البحث عن طرائق جديدة للتمويه ضدها.

4ـ إن الظروف المناخية الرطبة، كالضباب والمطر، تكوّن مانعاً لرؤية التفاصيل داخل هذه الأجهزة حيث أن طبقة الماء التي تغطي الأجسام تزيل تقريباً الفروق في درجات الحرارة.

5ـ إن أجهزة الرؤية الحرارية هي أجهزة سلبية، ولا يمكن من ثم كشفها من قبل العدو كما يكشف الرادار. وينبغي في الواقع النظر إلى هذه الأجهزة وإلى أجهزة الرادار كأجهزة تكمل بعضها بعضاً، فلكل منها إمكانيات غير متوافرة لدى الآخر.

6ـ لا تؤثر الأضواء القوية ـ كالمصابيح القوية ـ في أجهزة الرؤية الحرارية، ولا تصيبها بالعمى كما هو الأمر لبقية أجهزة الرؤية الليلية.

ـ تطبيقات أجهزة الرؤية الليلية:

تُستخدم أجهزة الرؤية الليلية عسكرياً في كل مجال تبرز فيه الحاجة إلى الرؤية في الظلام (أو حتى في النهار فيما يتعلق بالأجهزة الحرارية). وتوفر الأسواق العالمية أجهزة ليلية تناسب مختلف التطبيقات من حيث مواصفاتها الفنية التي يمكن أن تختلف كثيراً من ناحية مبدأ العمل أو من ناحية المواصفات الأخرى.

ويمكن ذكر الاستخدامات الآتية على سبيل المثال لا الحصر:

مراقبة الحدود والسواحل.

قيادة السيارات والدبابات.

التسديد بوساطة الأسلحة الفردية.

تسديد مدفعية.

قراءة الخرائط.

التصوير الفوتوغرافي الليلي.

الاستطلاع الأرضي الليلي.

الاستطلاع الجوي الليلي.

توجيه الصواريخ.

الملاحقة.

التغلب على بعض الظروف الجوية السيئة ( ضباب ـ مطر خفيف).

ويُخص بالذكر هنا ظهور «الرادار الحراري» الذي يؤدي وظيفة مشابهة للرادار التقليدي الإيجابي ولكنه يؤدي وظيفته بصورة سلبية لأنه يعتمد على التقاط الأشعة تحت الحمراء الصادرة ذاتياً عن الأهداف.

سليم نوح

مراجع للاستزادة:

 

- Lucien M. Biberman, Electro-Optical Imaging: System Performance and Modeling  ONTAR-SPIE Press).

- R.Hradaynath, Selected Papers on Night Vision Technology (SPIE Milestone Sries).

 




التصنيف : الكيمياء و الفيزياء
النوع : علوم
المجلد: المجلد العاشر
رقم الصفحة ضمن المجلد : 153
مستقل

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

للحصول على اخبار الموسوعة

عدد الزوار حاليا : 62
الكل : 2904289
اليوم : 861

ثلا (كاميلو خوسِه-)

المزيد »