أنظمة التصوير الحراري المتقدمة: تقرير شامل

تاريخياً، كان التصوير الحراري محدوداً بدقته المنخفضة مقارنةً بالتصوير المرئي، ولكن العقدين الماضيين شهدا انتقالاً إلى استبانة عالية على غرار الإعدادات التالية: 4201x867، و 1024x1280 و 1576x1920 بيكسل.
ومن حيث المبدأ، تم تطوير التصوير الحراري في الأساس للاستخدام العسكري، ولكن أصبحت هذه الاستبانة العالية متاحة في المستشعرات التجارية. على سبيل المثال، كما يشير تصميم ATHENA 1920 صنع BAE Systems Sensor Solutions الذي يعتمد على صفيف Vanadium Oxide أو VOX ذات الاستبانة 1200x1920 بيكسل. يستخدم مقياس الضغط Microbolometer تكنولوجيا 12 بيكسل ولديه معدل إطار يبلغ 60 هيرتز، تم تقديمه العام الفائت، وهو مخصص للاستخدام في الأنظمة الأمنية والمراقبة والتهديف.

تقوم الولايات المتحدة الأميركية بتعديل طائرات القتال على غرار F-15 EAGLE التابعة لسلاح الجو الأميركي و F/A-18E/F Super Hornet التابعة للبحرية الأميركية، من خلال تجهيزها بأنظمة رصد وتعقب بالأشعة تحت الحمراء IRST. وكجزء من برنامج تطوير F/A-18E/F Super Hornet Block III، يقدم IRST Block II تحسيناً في البصريات وقوة المعالجة، ويهدف إلى زيادة إلمام الطيار بالوضع المحيط. بدأت تجارب الطلعات على Super Hornet في أواخر العام 2019، وبدأت أيضاً عمليات التسليم إلى البحرية الأميركية في العام 2021.
يستخدم نظام IRST Block 1 الأصلي مكونات من متلقي الأشعة تحت الحمراء المستخدم في مقاتلات F-15K/SG والتي تستند إلى نظام IRST، وكان قيد الخدمة على متن مقاتلات F-14 TOMCAT التي أُحيلت على التقاعد. ولم يدخل هذا النظام مرحلة الإنتاج بالطاقة الكاملة، عندها قررت البحرية الأميركية تركيز برنامجها على الطراز Block II. ويستخدم هذا الطراز متلقياً خامداً للأشعة تحت الحمراء يعمل بالموجة الطويلة ذات التصميم المحسن، والمعالج المحدّث، إضافة إلى وحدة قياس بالقصور الذاتي ووحدة تحكم بيئية. ويتم وضع أو تبييت هذه الأجهزة في مقدمة خزان الوقود محمولة على مزلاج القنابل BRU-32.
ويتم تحميل هذا الحاضن على إحدى مراكن الأسلحة الخارجية للطائرة، وهو يجمع بين متلقي الأشعة تحت الحمراء الخامد ذي الموجة الطويلة، والمعالج، ووحدة القياس بالقصور الذاتي. ويهدف إلى إيجاد حل لمراكن أسلحة عالية الجودة من دون الحاجة إلى استخدام رادار الطائرة المثبت على أنفها. وفي 8 تموز/ يوليو 2020، قامت شركتا Boeing و Lockheed Martin بتجهيز حواضن Block 1 LEGION، التي تحملها مقاتلات F-15C، بمتلقي الأشعة تحت الحمراء والمعالج من طراز IRST Block II الخاص بالبحرية الأميركية.
ويعتبر نظام التهديف البصري الإلكتروني EOTS، صنع Lockheed Martin، الخاص بمقاتلة F-35 Lightning II ، نظاماً متعدد الوظائف يوفر قدرات تهديف جو-جو وجو-سطح من دون المساس بخصائص شبحية الطائرة. تم تطوير EOTS ليجمع بين وظائف IRST والرؤية الأمامية بالأشعة تحت الحمراء، وهو مركّب داخل هيكل الطائرة، ويشاهد العالم الخارجي عبر نافذة من الياقوت Sapphire Window تقع أسفل أنف الطائرة. وتعمل واجهة الألياف البصرية عالية السرعة على توصيل النظام بالكمبيوتر المركزي المدمج بالطائرة. وتقوم Lockheed Martin حالياً بتسليم دفعات الإنتاج 13 – 17 من EOTS، حيث قامت بتسليم أكثر من 700 نظام. وتم استكمال الدفعة 13 في العام الفائت.
سيتم استبدال EOTS بالنظام الأكثر تطوراً ADVANCED EOTS، كجزء من برنامج تطوير مقاتلات F-35 Block 4، ويشمل الأشعة تحت الحمراء العاملة بالموجة القصيرة، وتلفزيون عالي الاستبانة، ومؤشر بالأشعة تحت الحمراء، وكاشف صور محسّن عالي الاستبانة. وتهدف هذه الخصائص إلى توفير قدرة رصد أفضل لكشف الأهداف والتعرف عليها.
ترأس Leonardo ائتلاف Eurofist الذي يضم Thales Land and Joint Systems و Tecnobit والذي طور «عدة التعقب الخامد بالأشعة تحت الحمراء المحمولة جواً» Passive Infrared Airborne Track Equipment أو PIRATE المحمولة على مقاتلات Eurofighter Typhoon والتي تعتمد على تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء العاملة بالموجة الطويلة وتم تطويرها تدريجياً من خلال تحسين الأجهزة والبرمجيات منذ وضع الإعداد الأصلي في الخدمة في تسعينيات القرن الفائت.
اختير نظام Skyward IRST، صنع Leonardo، لتستخدمه القوات الجوية السويدية على أسطولها من مقاتلات Gripen E، وكذلك تم تبنيه من قبل عميل تصديري آخر. وهناك طراز تصديري يُعرف بِـ Skyward-K لعميل آسيوي لم يفصح عن اسمه، و Skyward-AB المخطط لاستخدامه في عربة جوية أو طائرة تكتيكية غير آهلة لم يفصح أيضاً عن اسمه من قبل عميل في الشرق الأقصى.
لطالما كانت أنظمة التهديف البصرية الإلكترونية ميزة أساسية في المقاتلات الروسية الحديثة على غرار Su-27 Flanker و Su-57. ويتم استخدام مستشعرات مشابهة للجيل الأحدث من المقاتلات الصينية، وتم تطوير نظامي EOTS-89 و EORD-31، لاستخدامهما على مقاتلتي J-20 و J-31 الصينيتين، من قبل شركة Beijing A-Star Science Technology. وبدأ اختبار النظامين في العام 2015. وبحسب المطوّرين، يتوقع أن يكون هذان المستشعران قادرين على رصد قاذفة القنابل الاستراتيجية B-2 على مدى 150 كلم ومقاتلة F-22 على مدى أكثر من 100 كلم.
ويستخدم في بعض الحالات، التصوير الحراري كمستشعر في صواريخ سطح-جو قصيرة المدى أو المدفعية المضادة للجويات AAA. ويستخدم الصاروخ سطح-جو القصير المدى ATILGAN، صنع شركة Aselsan التركية، مجموعة مستشعرات تشمل الجيل التالي من التصوير الحراري ذي صفيف الرؤية البؤرية الثنائية المجال. كما هو الحال مع نظام الدفاع الجوي المركّب على قاعدة Zipkin صنع الشركة نفسها. وتم تركيب هذا النظام على الجزء الخلفي من نظام المدفع/ الصاروخ المضاد للطائرات SPAAGM وهو برج، يشغله جندي واحد، مسلح بصواريخ سطح-جو ورشاش ثقيل عيار 12.7 ملم. وتشمل مجموعة المستشعرات الخاصة بهذا النظام كاميرا تلفزيونية، وكاميرا حرارية وقائس مسافات ليزري.
يشمل نظام الدفاع الجوي الجديد والمحسّن TOR-M2 (SA-15 GAUNTLET) والطراز الخاص بالتصدير M2E صنع شركة Almaz Antey الروسية، جهاز تصوير حراري لتكملة عمل رادار الرصد الثلاثي الأبعاد، كما يشتمل أيضاً الطراز المحسّن لعربة المدفع/ الصاروخ الهجينة 2K22/ 2K92M TUNGUSKA (SA-19 GRISON) ، على متعقب جديد يعمل بالأشعة تحت الحمراء عُرض للمرة الأولى في معرض موسكو للطيران في العام 2009، ويستكمل المستشعر الجديد منظار الرامي البصري الأساسي الذي يعمل نهاراً فقط، ويمكنه توفير بيانات للرامي كمتعقب أهداف أوتوماتيكي.
 

مع العربات الجوية/ الطائرات غير الآهلة الصغيرة والطرز المعدّلة من العربات الصغرية المتاحة تجارياً والتي أصبحت تعتبر الآن تهديداً محتملاً. يتم الترويج لأنظمة الرؤية الحرارية أيضاً كوسيلة لكشف التهديدات.
على سبيل المثال، طورت Skylock نظام الكشف البعيد المدى المركّب على قاعدة ثلاثية القوائم لاستخدام ضوء مرئي ومستشعرات حرارية لكشف الطائرات أو المسيّرات. وتستخدم الكاميرات الحرارية لهذا النظام عدسات تزويم 48.5 – 700 ملم لتوفير حقول رؤية تراوح بين 11.9 درجة x 11.3 درجة وحتى 0.79 درجة x 0.69 درجة. ووفقاً للشركة يمكن كشف الطائرات على مدى يصل إلى 20 كلم، والمسيّرة على مدى يزيد عن 10 كلم والعربة الجوية الصغرية غير الآهلة على مدى 3 كلم.
 

يمكن للمستشعر ذي الاستبانة المنخفضة نسبياً أن يوفر كشفاً للعربات الجوية غير الآهلة الصغرية، لكن تعريف أو تصنيف الأهداف يجب أن يقوم به مشغّل خاص. وهناك حاجة للمستشعر ذي الاستبانة العالية إذا تطلب الأمر كشفاً أوتوماتيكياً للهدف وتصنيفه. ووفقاً لشركة Opgal، يمكن لمستشعر التصوير الحراري الخاص بها ACCURAC IIXR كشف العربات الجوية الصغرية نهاراً وليلاً وعلى أمداء تصل إلى بضعة كيلومترات، باستخدام تكنولوجيات تعريف الهدف أوتوماتيكياً ATR لتحديد ما إذا كان التهديد المحتمل هو عربة صغرية. إن اتخاذ القرار حول التهديد المحتمل هو الأمر الأكثر خطورة الذي يجب القيام به سواء من قِبَل المشغّل أو برمجيات ذكاء اصطناعي، وبالتالي يمكن استخدام الكاميرا للتحديد البصري.
هناك مشكلة قد نواجهها في استخدام المسيّرات الصغرية من هذا النوع التي يطلقها المتحمسون أو الهواة تتمثل في أن معظمها مصنوع من البلاستيك، وهي تدفع بمحركات كهربائية، وبالتالي ينبعث منها حد أدنى من البصمة الحرارية. ويمكن أن ينخفض مدى كشف هذه الفئة من المسيرات إلى نحو 100 متر.
لعل أحدث روايات استخدام أنظمة التصوير الحراري كانت في العام 2020 بواسطة مشروع Rapid Equipment Force الخاص بالجيش الأميركي، وبرنامج Executive Office Soldier ومركز C5ISR في قيادة تطوير القدرات القتالية للجيش الأميركي في استجابة لجائحة COVID-19. وتم استخدام مستشعر يعمل بالأشعة تحت الحمراء مركب على قاعدة ثلاثية القوائم في الدخول إلى المنشآت العسكرية لكشف الأفراد مع ارتفاع درجة حرارة أجسامهم ما قد يشير إلى عدوى فيروسية. ولأن هذا الاختبار لم يتطلب الاتصال الجسدي، حيث يجري على مسافة نحو مترين، فهو يحافظ على مسافة تباعدية آمنة بين المُختبِر والمادة. وهو لا يستغرق سوى ثوانٍ معدودة، وبالتالي فهو يحافظ على تدفق سريع للأفراد داخل الأبنية والمنشآت.
لا تزال التطبيقات العسكرية تدفع نحو تطوير المستشعرات. وتستخدم الصور المتحركة ذات المساحة الواسعة WAMI، المستخدمة من قِبَل الجيش الأميركي منذ أكثر من عقدين، كاميرات قادرة على التقاط صور لمناطق واسعة – بلدات بأكملها وحتى مدن.
في العام 2006، موّلت وكالة الأبحاث الدفاعية المتقدمة DARPA الأميركية مشروعاً لإنشاء توليفة مستشعرات محمولة جواً باستبانة تصل إلى نحو ملياري بيكسل. ونتج عن هذا المشروع تصميم نظام GORGON STARE من قِبَل القوات الجوية الأميركية. ويتألف أول نظام GORGON STARE من حاضني مستشعرات، يحمل الحاضن الأول الأنظمة البصرية الإلكترونية EO والكاميرات العاملة بالأشعة تحت الحمراء IR، فيما يستضيف الحاضن الآخر المعالج الرقمي وبرمجية وصلة البيانات اللازمة لإرسال البيانات إلى مراكز العمليات والوحدات الأمامية. تمت ميدنة النظام للمرة الأولى في آذار/ مارس من العام 2011، وباستطاعة الدفعة الأولى أن تغطي مساحة تصل إلى 16 كيلومتراً مربعاً. وتبعتها GORGON STARE INCREMENT2 في العام 2014. وتجمع الأخيرة بين صفيف من كاميرات الضوء المرئي المركّبة في حاضن واحد مع صفائف الأشعة الحمراء من Exelis (التي استحوذت عليها L3Harris) محمولة في حاضن ثانٍ. وفي العام 2015 حلت INCREMENT2 محل الطراز السابق.
في منتصف العام 2020، أعلنت Logos Technologies أنها فازت بعقد بقيمة 6.7 ملايين دوار لتسليم طرازين اختباريين لمستشعر الصور المتحركة ذات المساحة الواسعة WAMI إلى قيادة الأنظمة الجوية في البحرية الأميركية. وكان هذا مثالاً حيث تم تكييف أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء عالية الدقة المدنية للاستخدام العسكري، وأصبح نظام BlackKite IR التجاري الخاص بالشركة أساساً لتوليفة مستشعر CARDCOUNTER للطائرة غير الآهلة RQ-21 Black JACK المعروفة باسم Integrator صنع Boeing\ INSITU. وهو يسمح لعربة جوية غير آهلة واحدة بمراقبة أكثر من 12 كيلومتراً مربعاً من التضاريس الأرضية بالتزامن.
 

إحدى المشكلات التي يواجهها مطوّرو العربات الأرضية المستقلة وشبه المستقلة هي أنها تتطلب إضاءة نشطة إذا أرادت التنقل ليلاً، أو في الأنفاق أو داخل المباني المظلمة. وفي ربيع العام 2020، طلبت DARPA من الصناعة المساعدة في تطوير مستشعرات الأشعة تحت الحمراء ثلاثية الأبعاد القادرة على استغلال التثليث والإشارات المحيطة في الصور الحرارية من أجل خلق مستشعرات خامدة مناسبة للاستخدام في العربات غير الآهلة التي تسير بسرعات تصل إلى 40 كلم في الساعة.
يهدف المشروع المعروف تحت مسمى INVISIBLE HEADLIGHTS إلى استغلال الحقائق الفنية. ووفقاً لِـ DARPA، قد يكون المستشعر المثالي قادراً على استخراج العديد من البيانات الضخمة حول البيئة أكثر مما يمكن تحقيقه باستخدام مستشعرات الأشعة تحت الحمراء التقليدية.
أثناء العمليات العسكرية في العالم الحقيقي، غالباً ما يتدهور أداء المستشعرات البصرية الإلكترونية بسبب الظواهر الطبيعية على غرار الإضاءة الضعيفة، والوهج من مصادر الطاقة القوية، والضباب، إضافة إلى الدخان المتولد عن عمد أو عوامل التعتيم الأخرى. ويمكن أن تشتمل الأخيرة على دخان الأشعة تحت الحمراء المصمم لتوفير غموض شديد في موجات الأشعة تحت الحمراء الطويلة LWIR. وأطلقت وكالة الدفاع الأوروبية EDA برنامج SPIDVE (دراسة حول تحسين أداء المستشعرات البصرية الإلكترونية في البيئة المرئية المتدهورة) لدراسة تأثيرات المستشعرات البصرية الإلكترونية لمثل هذه الظروف المرئية المعاكسة.
وهو إجراء تقييمي للمشكلة، والتحقيق في أكثر التكنولوجيات الواعدة لتحسين الصورة في ظل ظروف البيئة المرئية المتدهورة DVE. الهدف هو استعادة قدرات التصوير جزئياً أو حتى كلياً للمستشعرات البصرية الإلكترونية عند وجود تدهور. وفي منتصف تسعينيات القرن الماضي، أخبر خبير روسي في الرؤية الليلية الكاتب أنه في عالم مثالي، يرغب الفرد في الحصول على مساعدة بصرية تعمل عكس النظارات الشمسية، ما يعزز مستويات الإضاءة للمشهد الخارجي بدلاً من تخفيفها.
بعد أكثر من ربع قرن، قد تبدو المواصفات وكأنها شيء من عالم الخيال العلمي بدلاً من كونها مطلباً عسكرياً واقعياً، ولكن مع الانتهاء من نص المقالة، أصدرت DARPA إعلاناً لما وصفته بأنه تحسين الرؤية الليلية في المناظير من عوامل (ENVISION).
يعبر هذا المستند عن اهتمامه بالأجهزة التي ستوفر وصولاً مرئياً ممدداً يتجاوز الأشعة تحت الحمراء القريبة NIR لتشمل الموجة القصيرة (SWIR، um3-1.5) والموجة المتوسطة (MWIR، um 5-3) أو موجة الأشعة تحت الحمراء الطويلة (LWIR، um 12-8) من خلال فتحة مشتركة، جنباً إلى جنب مع حقل رؤية موسع إلى قريب من البصر الطبيعي (%100). تخطط ENVISION  لاستكشاف إمكانية تحقيق رؤية مباشرة للأشعة تحت الحمراء من خلال عملية تعرف تحت مسمى «تحويل الفوتون» Photon Upconversion. وهذا يمكن أن يلغي الحاجة إلى مكونات متعددة كما يمكن أن يؤدي في النهاية إلى جميع أنظمة الرؤية الليلية البصرية في المستقبل. ويمكن أن تتخذ هذه شكل النظارات أو حتى العدسات اللاصقة. ويبدو أن الخطط الحالية تركز على استكمال أو حتى استبدال مناظير الرؤية الليلية ذات التكثيف الضوئي التي يستخدمها جنود الوحدات الأمامية. ولكن على المدى الطويل، قد تخدم جميع الأنظمة البصرية المقترحة بعض الأدوار التي تشغلها حالياً مستشعرات التصوير الحراري.