أنظمة التصوير الحراري المتقدمة
إن استخدام الأنظمة البصرية الإلكترونية (EO) التي تعمل بأطوال موجية تراوح بين الطيف المرئي والأشعة تحت الحمراء نمت بشكل كبير، ولكنها لم تعد حكراً على الدول الكبرى. إن أجهزة الرؤية الليلية متاحة بسهولة للقوات المسلحة في البلدان الصغيرة، وحتى المنظمات غير الدولية.
كلما كانت مهمة المراقبة أكثر تعقيداً، كلما زادت الحاجة إلى وضوح الصورة. يعرّف فرع Opgal للصناعات البصرية التابع لشركة Elbit Systems رصد الأهداف المحتملة التي هي موضع اهتمام بأنها تتطلب عادةً وحدة وضوح مضاعفة – وهي كافية لإظهار وجود شيء ما. يتطلب التعرف على ماهية هذا الكائن ستة بكسلات Pixels، لكن تعريف التفاصيل يتطلب 12 بكسل.
تاريخياً، كان التصوير الحراري محدوداً بسبب الاستبانة المنخفضة مقارنة بالتصوير المرئي، لكن العقدين الأخيرين شهدا تحركاً نحو الاستبانة العالية على غرار مثل 1024 x 768 و1280 x 1024 و1920 x 1576. تم تطوير هذه الاستبانة العالية في الأساس للاستخدام العسكري، وأصبحت الآن متوافرة في المستشعرات التجارية.
على سبيل المثال، كما يشير تعيين في ATHENA 1920، تعتمد BAE Systems Sensor Solutions على 1920 x 1200 بكسل من صفيف أكسيد الفاناديوم (VOx). يستخدم هذا المقياس الدقيق غير المبرد تكنولوجيا 12 ميكرون بكسل، وله معدل إطار يبلغ 60 هيرتز. تم طرحه العام الماضي، وهو يهدف إلى استخدامه في أنظمة الأمن والمراقبة والتهديف.
تقوم الولايات المتحدة بتجهيز مقاتلات على غرار مقاتلة F-15 EAGLE التابعة لسلاح الجو الأميركي ومقاتلة F/A-18E/F SUPER HORNET التابعة لسلاح البحرية بأنظمة البحث والتعقب بالأشعة تحت الحمراء IRST. ويتضمن برنامج التحديث الذي يطال قسماً من مقاتلات F/A-18E/F SUPER HORNET Block III، نظام IRST Block II الذي يقدم بصريات إلكترونية وقوة معالجة محسّنَيْن، وهو يهدف إلى زيادة إدراك الوضع المحيط للطيار. بدأت تجارب الطيران على SUPER HORNET في أواخر العام 2019، فيما بدأت عمليات التسليم إلى البحرية الأميركية USN في العام 2021.
يستخدم الطراز الأساسي IRST Block I مكونات من متلقيات الأشعة تحت الحمراء التي هي قيد الاستخدام على مقاتلات F-15K/SG، والذي كان يستند إلى IRST المحمول على المقاتلة F-14 TOMCAT التي أحيلت على التقاعد. لم تدخل أبداً في الإنتاج بالطاقة الكاملة، حيث قررت USN تركيز البرنامج على طراز Block II. ويستخدم هذا متلقي الأشعة تحت الحمراء التي تعمل بالموجة الطويلة الخامدة بالتصميم المحسن، وهو معالج محدث، بالإضافة إلى وحدة قياس بالقصور الذاتي، ووحدة تحكم بيئية. ويبيّت متلقي الأشعة تحت الحمراء والمعالج ووحدة قياس القصور الذاتي في الجزء الأمامي من خزان الوقود المحمول على مزلاج حامل القنابل BRU-32 الخاص بالمقاتلة.
يمكن تجهيز مقاتلات F-15C وF-16، التابعة لسلاح الجو الأميركي، بنظام استشعار LEGION POD الذي تنتجه شركة Lockheed Martin. يتم حمله على إحدى مراكن الأسلحة الخارجية للمقاتلة، ويجمع بين متلقي الأشعة تحت الحمراء الخامدة ذي الموجة الطويلة، وحاسوب، ووحدة قياس بالقصور الذاتي. وهو يرمي إلى تأمين حل حامل الأسلحة ذي الجودة العالية من دون الحاجة إلى استخدام المقاتلة راداراً مركّباً على مقدمتها. في 8 تموز/ يوليو 2020، استخدمت مقاتلة F-15C EAGLE حاضن التوجيه في تنفيذ تجربة لإطلاق صاروخ جو-جو للمدى القصير AIM-9X. بموجب عقد القوات الجوية الأميركية في أواخر العام 2020، قامت Boeing وLockheed Martin بتحديث حاضن التوجيه Block I LEGION الذي تحمله مقاتلة F-15C مع متلقي الأشعة تحت الحمراء والمعالج الحاسوبي من طراز Block II IRST تابع للبحرية الأميركية.
يشكل «نظام التهديف البصري الإلكتروني» (EOTS) من «لوكهيد مارتن» الخاص بمقاتلة F-35 LIGHTNING II نظاماً متعدد الوظائف الذي يقوم بتزويد قدرة تهديف جو-جو وجو-أرض من دون المساس بخصائص المقاتلة الخفية. طُوّر نظام EOTS داخلياً ليجمع بين وظائف الرؤية الأمامية للأشعة تحت الحمراء ووظائف IRST الابتكارية، وهو مركّب داخل بدن الطائرة ويراقب العالم الخارجي من خلال نافذة بلورية تقع تحت أنف المقاتلة. تربط واجهة الألياف الضوئية ذات السرعة العالية النظام البصري الإلكتروني بالكمبيوتر المركزي المدمج في المقاتلة. قامت شركة Lockheed Martin بتسليم مكوّنات من EOTS، إلى عدة عملاء التي يبلغ عددها أكثر من 700 وحدة.
سيصار إلى استبدال النظام بأنظمة EOTS المتقدمة، وهي تشكّل فعلاً جزءاً متطوراً من F-35 Block 4. وسوف يقدم الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة، وتلفازاً ذا استبانة عالية، ومؤشر الأشعة تحت الحمراء، ومدى محسّن لرصد الصور. تهدف هذه الخصائص إلى توفير أمداء متزايدة لرصد الأهداف والتعرف عليها.
تشكّل ائتلاف بقيادة «ليوناردو» Leonardo وضم Thales Land & Joint Systems وTecnobit الذي طوّر PIRATE (معدات التعقب المحمولة جواً التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء الخامدة) المركّب على Eurofighter TYPHOON. واستناداً إلى تقنية الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة، طوّر تدريجياً من خلال تحسينات الأجهزة والبرمجيات منذ تطوير الإعداد الأساسي في تسعينيات القرن الفائت.
تم اختيار SKYWARD IRST، الذي تنتجه «ليوناردو» Leonardo، للاستخدام في أسطول GRIPEN E التابع لسلاح الجو الملكي السويدي، وتم اعتماده من قبل أحد عملاء التصدير. ومن طرز التصدير المختلفة المعروفة هي Skyward-K التي سلّمت لعميل آسيوي لم يفصح عن اسمه، وهناك خطط لاستخدام SKYWARD-AB على مسيّرة تكتيكية غير محددة من قبل عميل في الشرق الأقصى.
شكّلت أنظمة التهديف البصري الإلكتروني ميزة من مميزات المقاتلات الروسية الحديثة على غرار Su-27 ‘Flanker’ وSu-57، واستخدمت مستشعرات مماثلة في الجيل الأحدث من المقاتلات الصينية. تم تطوير EOTS-89 وEORD-31 للاستخدام على المقاتلات الصينية J-20 وJ-31 من قبل شركة Beijing A-Star للعلوم والتكنولوجيا. وأفيد أن كلا النظامين سيكونان جاهزين لاختبارات الطيران في العام 2025. وبحسب المطورين، يتوقّع أن تكون هذه المستشعرات قادرة على رصد القاذفة الاستراتيجية B-2 على مدى 150 كيلومتراً، والمقاتلة الثقيلة F-22 على مدى أكثر من 100 كيلومتر.
وفي بعض الحالات، استخدم نظام التصوير الحراري كمستشعر لصاروخ سطح-جو SAM أو صاروخ جو-جو AAA للمدى القصير. تستخدم Aselsan الصاروخ ATILGAN SAM للمدى القصير مجموعة مستشعرات تشتمل على نظام تصوير حراري لصفيف مسطح ذي حقل رؤية ثنائي من الجيل الثاني، كما طورت الشركة ذاتها نظام الدفاع الجوي ZIPKIN المثبت على قاعدة أرضية (PMADS). وركّب على مؤخرة برج Poly Technologies FB-6A للدفاع الجوي والصاروخي المضاد للطائرات ذاتي الدفع من قِبَل طاقم مؤلف من فرد واحد ومسلح بصواريخ أرض جو ومدفع رشاش عيار 12.7 ملم. تضم مجموعة المستشعرات الخاصة بها كاميرا تلفازية وكاميرا حرارية وقائس مسافات ليزري.
يتضمن نظام Almaz/Antei TOR-M2 (SA-15 GAUNTLET) الجديد والمحسن، وطرازه التصديري M2E ، على جهاز تصوير حراري لدعم رادار رصد الأهداف ثلاثي الأبعاد للنظام. تم عرض طراز محدث من عربة مدفع/صاروخ هجينة 2K22/2K22M TUNGUSKA (SA-19 GRISON) التي تشتمل على جهاز تعقب جديد يعمل بالأشعة تحت الحمراء في معرض «موسكو للطيران 2009». ويكمل المستشعر الجديد المنظار البصري الذي يعمل نهاراً عمل منظار الرامي الأصلي فقط، وباستطاعته تقديم بيانات لجهاز رصد الهدف الأوتوماتيكي TTA (Teleteplovizniy Avtomat) الخاص بالرامي.
وبالنسبة إلى الطائرات غير الآهلة الصغيرة والطرز المعدلة من المسيّرات المتوافرة تجارياً أصبحت كتهديدات محتملة، يتم أيضاً الترويج لأنظمة التصوير الحراري كوسيلة لرصد هذه الفئة من التهديدات. على سبيل المثال، طوّرت Skylock نظام الرصد بعيد المدى المثبت على حامل ثلاثي القوائم لاستخدام أجهزة استشعار الضوء المرئي والمستشعرات الحرارية لرصد الطائرات أو المسيّرات الجوية. تستخدم كاميرتها الحرارية عدسة تزويد ذات بُعد بؤري يراوح بين 48.5 و700 ملم لتزويد حقول رؤية تراوح من 11.9Åã x 11.3Åã إلى 0.79Åã x 0.69Åã. وبحسب الشركة، باستطاعة الطائرة رصد على مسافة تصل إلى 20 كيلومتراً، أو مسيّرة حتى مدى 10 كيلومترات، ودرون Drone حتى مسافة تصل إلى 3 كيلومترات.
باستطاعة مستشعر ذي استبانة منخفضة نسبياً رصد المسيّرات، ولكن تصنيف الأهداف يجب أن يتم بواسطة المشغّل. هناك حاجة إلى مستشعر ذي استبانة عالية إذا كان رصد الهدف وتصنيفه مطلوباً. وبحسب شركة Opgal، يمكن لنظام التصوير الحراري ACCURACII XR رصد مسيّرة ليلاً أو نهاراً على أمداء تصل إلى عدة كيلومترات، باستخدام تكنولوجيا نظام التعرف الأوتوماتيكي على الهدف (ATR) لتحديد ما إذا كان الهدف المحتمل هو مسيّرة. يجب أن يتم اتخاذ القرار بشأن الهدف المحتمل الأكثر خطورة إما عن طريق المشغل أو عن طريق برنامج الذكاء الصناعي، بحيث يمكن استخدام الكاميرا لتحديد الهوية البصرية.
إحدى المشاكل التي يجب مواجهتها إذا تم النظر إلى المسيّرات الترفيهية من النوع الذي يستخدمه الهُواة على أنها تهديد، هي أن معظمها مصنوع من البلاستيك، ويتم تشغيلها بواسطة محركات كهربائية، لذا فهي تنبعث منها بصمة حرارية خفيفة. يصل مدى هذه الفئة من المسيّرات إلى نحو 100 متر أو أكثر قليلاً.
ومن الاستخدامات الحديثة الحالية للتصوير الحراري كان مشروع العام 2020 الذي نفذته قوة التدخل السريع التابعة للجيش الأميركي، والمكتب التنفيذي لبرنامج الجندي، ومركز C5ISR التابع لقيادة تطوير القدرات القتالية بالجيش الأميركي، استجابةً لكوفيد-19. تم استخدام مستشعر يعمل بالأشعة تحت الحمراء مثبت على حامل ثلاثي القوائم عند مدخل المنشآت العسكرية للكشف عن الأفراد الذين يعانون من ارتفاع درجة حرارة الجسم والتي قد تشير أن هناك عدوى فيروسية. نظراً لأن هذا الاختبار لم يتطلب اتصالاً جسدياً، حيث تم إجراؤه على مسافة نحو مترين، فقد حافظ على مسافة تباعدية آمنة بين المختبر وموضوع الاختبار. استغرق الأمر بضع ثوانٍ فقط، ما ساعد في الحفاظ على تدفق أسرع للأفراد إلى المباني والمنشآت.
لا تزال التطبيقات العسكرية تدفع نحو تسريع تطوير المستشعرات. يستخدم الجيش الأميركي منذ نحو عقدين من الزمن نظام التصوير المتحرك واسع النطاق (WAMI) الذي يستخدم كاميرات قادرة على التقاط صور لمساحات شاسعة - بلدات بأكملها أو مدن.
في العام 2006، موّلت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) الأميركية إنشاء توليفة مستشعرات محمولة جواً بدقة تصل إلى ملياري بكسل. حصل المشروع المنبثق على تسمية GORGON STARE من قبل سلاح الجو الأميركي. يتكون نظام GORGON STARE الأولي من حاضني استشعار. يحمل أحدهما الكاميرات البصرية الإلكترونية (EO) والأشعة تحت الحمراء (IR)، بينما يحتوي الآخر على المعالج الرقمي وأجهزة ربط البيانات اللازمة لإرسالها إلى مراكز العمليات ووحدات الخطوط الأمامية. تم إطلاق نظام Increment 1 للمرة الأولى في آذار/ مارس 2011، ويمكن أن يغطي مساحة قدرها 16 كيلومتراً مربعاً. وتبعها في العام 2014 برنامج المتابعة GORGON STARE INCREMENT 2 . وقد جمع هذا بين مجموعة من كاميرات الضوء المرئي المثبتة في حجرة واحدة مع صفائف الأشعة تحت الحمراء من Exelis المحمولة في حجرة ثانية. بحلول العام 2015، حلت INCREMENT 2 محل الطراز الأسبق.
في منتصف العام 2020 عندما أعلنت شركة Logos Technologies أنها فازت بعقد قيمته 6.7 ملايين دولار أميركي لتسليم طرازين أوليين لمستشعر الصور المتحركة الواسعة النطاق (WAMI) إلى قيادة الأنظمة الجوية البحرية الأميركية. كان هذا مثالاً حيث تم تكييف مستشعرات الأشعة تحت الحمراء المدنية عالية الدقة للاستخدام العسكري؛ أصبح نظام BLACKKITE IR التجاري الخاص بالشركة أساساً لتوليفة مستشعرات CARDCOUNTER الخاصة بالبحرية الأميركية لجهاز RQ-21A BLACK- JACK. لقد سمحت لطائرة من دون طيار واحدة بمراقبة متزامنة لأكثر من 12 كيلومتراً مربعاً من التضاريس الأرضية.
إحدى المشاكل التي يواجهها مطورو العربات الأرضية ذاتية القيادة وشبه ذاتية القيادة هي أن هذه العربات تتطلب إضاءة أو رؤية نشطة إذا أرادت الانتقال ليلاً، أو داخل الأنفاق، أو داخل المباني المظلمة. في ربيع العام 2020، طلبت «وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتطورة» (DARPA) من الصناعة المساعدة في تطوير مستشعرات ثلاثية الأبعاد مكثفة تعمل بالأشعة تحت الحمراء حسابياً وقادرة على استغلال التثليث والإشارات المحيطة في الصور الحرارية من أجل إنشاء أجهزة استشعار خامدة مناسبة للاستخدام في العربات الأرضية غير الآهلة التي تسير بسرعات تصل إلى 40 كلم/ساعة.
أُطلق على هذا البرنامج اسم «المصابيح الأمامية غير المرئية»، ويهدف إلى استغلال القطع المصنّعة يدوياً الموجودة في الموقع والتي ربما كانت تعتبر في السابق ضوضائية. وبحسب DARPA، «قد يكون المستشعر المثالي قادراً على استخراج العديد من الأوامر لمزيد من البيانات حول البيئة من حيث الحجم أكثر مما يمكن تحقيقه باستخدام المستشعرات الأشعة تحت الحمراء التقليدية. وسيتطلب تمكين الرؤية ثلاثية الأبعاد الخامدة للملاحة المستقلة صفر ضوضاء تقريباً وتنوع أوامر بحجم أكبر من أجهزة الاستشعار التقليدية - وبخاصة عند السرعات العالية، سيتطلب هذا على الأرجح أنواعاً جديدة تماماً من أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء.
أثناء العمليات العسكرية في العالم الحقيقي، غالباً ما ينخفض أداء مستشعرات EO بسبب الظواهر الطبيعية مثل الضوء الخافت، والوهج الناتج عن مصادر الطاقة القوية، والضباب، وكذلك بسبب الدخان الناتج عن عمد أو غيرها من الستائر المعتمة. يمكن أن يشمل الأخير دخان الأشعة تحت الحمراء المصمم لتوفير ستار عالٍ في LWIR. أطلقت وكالة الدفاع الأوروبية (EDA) برنامج SPIDVE (دراسة حول تحسين أداء مستشعرات EO في البيئة المرئية الخافتة) لدراسة التأثيرات على مستشعرات EO في مثل هذه الظروف المرئية الخافتة. وهي تجري تقييماً للمشكلة، وتبحث في أكثر التقنيات الواعدة لتحسين الصورة في ظل ظروف البيئة البصرية الخافتة (DVE). ويكمن الهدف من ذلك استعادة قدرات التصوير لأجهزة الاستشعار EO جزئياً أو حتى كلياً عند تراجع الرؤية.
في منتصف التسعينيات، أخبر أحد الخبراء الروس في الرؤية الليلية أنه في عالم مثالي يرغب الجندي الفردي في الحصول على أجهزة مساعدة بصرية تعمل عكس النظارات الشمسية، ما يعزز مستويات الضوء في المشهد الخارجي بدلاً من تخفيفه. وغني عن القول إن الجندي يرغب أيضاً في ألا يكون مثل هذا الجهاز أقل ضخامة أو أثقل من النظارات الشمسية.
بعد أكثر من ربع قرن، قد تبدو مثل هذه المواصفات وكأنها شيء من الخيال العلمي بدلاً من كونها مطلباً عسكرياً واقعياً، ولكن بينما كان نص هذه المقالة قيد الانتهاء، أصدرت DARPA إعلاناً واسع النطاق للوكالة لما وصفته بـ « تعزيز الرؤية الليلية في عوامل شكل النظارات (ENVision)».
تعرب هذه الوثيقة عن الاهتمام بالأجهزة التي ستوفر «وصولاً مرئياً ممتداً يتجاوز NIR ليشمل الموجات القصيرة (SWIR، 1.5-3 ميكرومتر)، أو الموجة المتوسطة (MWIR، 3-5 ميكرومتر)، أو الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة (LWIR، 812 ميكرومتر) من خلال فتحة مشتركة»، بالإضافة إلى «مجال رؤية موسع قريب من البصر الطبيعي (100Åã)». تخطط ENVision لاستكشاف إمكانية تحقيق رؤية مباشرة للأشعة تحت الحمراء من خلال عملية تعرف باسم تحويل الفوتون. وهذا يمكن أن يلغي الحاجة إلى مكونات متعددة ويمكن أن يؤدي في النهاية إلى أنظمة رؤية ليلية بصرية بالكامل (NV) في المستقبل. يمكن أن تأخذ هذه شكل نظارات NV أو حتى عدسات لاصقة NV. ويبدو أن الخطط الحالية تركز على استكمال أو حتى استبدال مناظير التكثيف الضوئي التي تستخدم في تكثيف الصورة والتي يستخدمها جنود الخطوط الأمامية، ولكن على المدى الطويل، قد تخدم الأنظمة البصرية المقترحة بعض الأدوار التي تشغلها حاليا أجهزة استشعار التصوير الحراري.^
