الرؤية الحرارية

k.g.b

صقور الدفاع
إنضم
30 يوليو 2008
المشاركات
3,805
التفاعلات
237
بسم الله الرحمن الرحيم


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.

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:

(W (T) =C1/l 5 1/(ec2/l T-1
حيث:
(T)
W:
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

maxl

حيث:
l max
:
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؛
ج. مكونات جهاز الرؤية الحرارية
يتكون جهاز 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 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:
* 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.
* الكواشف الفوتونية
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.
* 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.

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:
أ.
المواصفة العيارية فينابل( FINABEL norm 32 A 9 ) ، والتي تتطلب تحقيق المسافات الآتية، بالنسبة إلى جهاز التسديد الحراري، المركب على الدبابة:
(1) الالتقاط على مسافة 5 كم.
(2) التعرف على مسافة 3 كم.
(3) التمييز على مسافة 2 كم.
ب.
معيارية جونسون ( Johnson's Criterion ) التي تحدد المسافات القياسية السابقة، باستخدام نماذج خطية،(كما في الشكل الرقم (2 ـ 10) ، بالأبعاد القياسية 2.3 م 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.
 

" بناء على توجيهات الادارة لتحسين محتوى المنتدى. فنأمل منكم الالتزام بالقوانين و عدم نشر الصور الحساسة و الدموية.
أعلى