رؤية ليلية

جنديان أمريكيان أثناء حرب العراق 2003

الرؤية الليلية هي القدرة على الإبصار في بيئة مظلمة، إما بطريقة حيوية طبيعية أوبوسائل تقنية، تكون الرؤية الليلية ممكنة عند اجتماع عنصرين، مجال طيف كافي، ومجال كثافة كافٍ. وله استخدامات عسكرية عديدة، كما يستخدم من قبل الباحثين كتصوير الحيوانات ليلاً حيث لا تحيط أى عين بشرية بالبيئة الليلية بكافة تفاصيلها.

الاستخدامات

الاستخدامات العسكرية

منظار رؤية ليلية على خوذة أحد الجنود

العمليات الليلية تعتبر عصب الحروب قديما وحديثاً لما توفره من تمويه بصري. ونظراً لما توفره من مزايا عديدة، تولي الدول اهتماماً كبيراً لها لتمكنها من الاستمرار في أعمال القتال ليلاً ونهاراً. وأدى التطور السريع في التكونولوجيا الكهروبصرية إلى ظهور تطبيقات واسعة خاصة في المجال العسكري، حيث أصبح بالإمكان تسجيل صور الأهداف المتنوعة في حالات الإضاءة المنخفضة. كانت العمليات الليلية في الماضي تعتمد على إضاءة أرض المعركة، واستخدام مقذوفات المدفعية، أوالمشاعل المضيئة، أوقنابل الطائرات، إلا حتى هذه الطريقة كانت تعتبر سلاح ذوحدين، فقد كانت تحدد مواقع وأماكن القوات المستخدمة لها. وفي الحرب العالمية الأولى استخدمت بواعث الضوء. بالرغم 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 ب الأشعة تحت الحمراء مثبتة على دبابات، تمكن البريطانيين من اكتشاف هذه الأجهزة، فكان يتم اكتشاف البواعث بواسطة نظارات حساسة للأشعة تحت الحمراء، حيث يتم تحديد مسقطها 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[1] 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 جميع ما 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 أونهاراً، ولذا لجأت الدول إلي إخفاء الصواريخ بوضعها في الغواصات، ويمكن التحكم في صعودها فوق الماء قبل لحظة الإطلاق. كما يمكن استعمال 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 أوالإنسداد في المواسير المدفونة تحت الأرض، وتحديد كفاءة العزل الحراري.

وتعتمد 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 جميع 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 حتىقد يكون هذا المنبع داخلياً، أي انه يشكل جزءاً من جهاز الرؤية ذاته، أوحتىقد يكون خارجياً كمصابيح السيارات أوالدبابات بعد تغطيتها بالمرشح المناسب.

ب ـ أنبوب تحويل الأشعة تحت الحمراء IR image converter tube وهوالجزء الرئيس في الجهاز، ويتألف، كما هومبين 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 نحوالأهداف 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 جميع 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 نحو20 مرة يضيع قسم كبير منه في عدسات التسريع.

وبسبب العيب الرئيسي لهذه الأجهزة وهوكونها قابلة للاكتشاف من قبل العدوالمجهَّز بأجهزة كشف الأشعة تحت الحمراء، فقد تناقص استخدامها وأصبح الاعتماد كلياً على الأجهزة السلبية أوالحرارية.

ـ أجهزة الرؤية السلبية:

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

مرت تجهيزات الرؤية الليلية السلبية بأربع مراحل أوأربعة أجيال هي:

ـ أجهزة 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 جميع نقطة. ويتم بعد ذلك تسريع هذه الإلكترونات المنطلقة من جميع عنصر صغير من الخيال لتسقط على عنصر لقاء من شاشة متفلورة حيث يطلق جميع 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 و25 كغ).

2ـ ظاهرة الإعماء: أي عدم قدرة الجهاز على تأمين رؤية واضحة طالما 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 فترة واحدة، وبذلك نحصل على وفرٍ كبير في وزن الجهاز وحجمه. فبإمكان هذه الأجهزة توفير تضخيم أجهزة الجيل الأول نفسه باستخدام أنابيب ذات طول أقل بنحوست مرات، إضافة إلى ميزاتها الفنية الأخرى وخلوها من ظاهرة الإعماء.

يتلخص مبدأ عمل هذا النوع من الأجهزة بما يأتي:

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 نحو0.6مم، وتحوي عدداً كبيراً جداً (أكثر من مليون) من الأقنية المصنوعة من زجاج خاص. يراوح قطر جميع 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 حتى 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 جميع من الأقنية الدقيقة التي يمتد على طولها حقل كهربائي منتظم مما يؤدي إلى ظهور إلكترونات جديدة بعمل الإصدار الثانوي secondary emission . وتصدر هذه بدورها إلكترونات أخرى أكثر منها لدى جميع اصطدام جديد، وبالنتيجة يتضاعف عدد الإلكترونات في أثناء اجتياز القناة مرات كثيرة جداً. وتصطدم هذه الإلكترونات لدى خروجها من أقنية الصفيحة بالشاشة المتفلورة وبذلك يتحول التمثيل الإلكتروني للمشهد الليلي إلى تمثيل ضوئي حديث 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 السليم ضمن مسافة قصيرة جداً. إلى غير ذلك يتم التغلب على إحدى المشكلات البصرية المرافقة للأنظمة البصرية دون اللجوء إلى استخدام الكثير 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 نحوالتصوير 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 فيديومتوافقة مع أجهزة العرض monitors بدلاً من النظر مباشرة بالعين إلى الشاشة المتفلورة.

ـ أجهزة الرؤية الحرارية:

لا بحاجة 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.

والطريقة المتبعة لذلك عادة هي إما باستعمال كاميرا تلفزيونية خاصة تتحسس بالأطوال الموجية الحرارية، أوباستعمال 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 حتى الدرجات الأكثر سواداً تدل على درجات الحرارة الأخفض، والأكثر بياضاً على درجات الحرارة الأعلى. يبين الشكل (5) مخططاً لمنحنيات الإشعاع للأجسام في درجات الحرارة المتنوعة حيث يظهر كيف من الممكن أن حتى الأجسام الأسخن تشع طاقة أكبر، كما يُشاهد الفرق بين الطاقة المشعة بين جسم درجة حرارتهخمسة درجات وأجسام أخرى بدرجة حرارة 20 أو200 أو600درجة. كما يُشاهد في الشكل (5) النوافذ الجوية التي تبين امتصاص الغلاف الجوي للإشعاع الكهرمغنطيسي في جميع المجالات ما عدا مجالات ضيقة تدعى بالنوافذ (من 0.3حتى 1.2ميكرون، ومن ثلاثة حتى 5ميكرون، ومنثمانية 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 يحتاج 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 حتى 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 إذا الظروف المناخية الرطبة، كالضباب والمطر، تكوّن مانعاً لرؤية التفاصيل داخل هذه الأجهزة حيث حتى طبقة الماء التي تغطي الأجسام تزيل تقريباً الفروق في درجات الحرارة.

5ـ إذا أجهزة الرؤية الحرارية هي أجهزة سلبية، ولا يمكن من ثم كشفها من قبل العدوكما 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 هوالأمر لبقية أجهزة الرؤية الليلية.

ـ تطبيقات أجهزة الرؤية الليلية:

تُستخدم أجهزة الرؤية الليلية عسكرياً في جميع مجال تبرز فيه الحاجة إلى الرؤية في الظلام (أوحتى في النهار فيما يتعلق بالأجهزة الحرارية). وتوفر الأسواق العالمية أجهزة ليلية تناسب مختلف التطبيقات من حيث مواصفاتها الفنية التي يمكن حتى تختلف كثيراً من ناحية مبدأ العمل أومن 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 مماثلة للرادار التقليدي الإيجابي ولكنه يؤدي وظيفته بصورة سلبية لأنه يعتمد على التقاط الأشعة تحت الحمراء الصادرة ذاتياً عن الأهداف.

الاستخدامات الطبية

ويمكن استعمال الأجهزة الحرارية في اكتشاف الأورام السرطانية، وأن كان هذا الاستخدام غير واسع الانتشار.

الروية الليلية الطبيعية، "الحيوية"

كيفية عمل الرؤية الليلية.

جزيئات الرؤية الأرجوانية Rhodopsin تمتص الضوء من قبل قصبات "أقضاب" العين الداخلية، والرؤية الأرجوانية هي المادة الكيميائية التي تسمح بالرؤية الليلية، وهي شديدة الحساسية تجاه الضوء، تبيض الصبغة فوراً داخل العين وتأخذ حوالي 30 دقيقة لإتمام تلك العملية، ولكن معظم الأوقات التي يحدث فيها هذا التكيف تكون في أول خمسة أوعشرة دقائق بالظلام، الرؤية الأرجوانية Rhodopsin شديدة الحساسية للموجة الحمراء الطويلة في الضوء، وهي أحد الموجات الضوئية. معظم الناس يستخدمون الضوء الأحمر لحفظ الرؤية الليلية، حيث أنها لا تستنزف الرؤية الأرجوانية بداخل العين المخزنة بالقصيات وبدلا من ذلك تعرض بواسطة الخلايا المخروطية.

بعض الحيوانات كالقطط والكلاب وال غزال لديهم نظام يدعى البساط الشفاف Tapetum lucidum في قاع العين التي تعكس الضوء مرة أخرى إلى ال شبكية مما يزيد من كمية الضوء المكتسب ويضاعف الرؤية، أما في الإنسان 10% فقط من الضوء تخل العين وتقع على أماكن صورية حساسة بالشبكية. وما يحدث في الحيوانات شبيه بما يحدث للإنسان عند استخدامه الجيل الأول والثاني من أجهزة الرؤية الليلية.