تشعشعات مادون قرمز حرارتی تهدیدی برای سامانه‌های موشکی

کلیه اجسام با دمای بالاتر از صفر مطلق (273- درجه سانتی گراد) تابش‌های الکترومغناطیسی را از خود ساطع می‌نمایند که اغلب تابش‌های حرارتی نامیده می‌شوند. اراضی طبیعی معمولاً در محدوده دمایی 300-250 درجه کلوین می‌باشند و اهداف ساخت دست بشر اغلب دماهای بالاتری را دارند که ناشی از بکارگیری فناوری‌های مختلف حرارت زا در آن‌ها می‌باشند بنابراین آن‌ها براحتی بوسیله حسگرهای حرارتی قابل رؤیت هستند. این مقاله به طور خلاصه به برخی از کاربردهای نظامی- دفاعی حسگرهای حرارتی مادون قرمز اشاره می‌کند و به توصیف استفاده از این سامانه‌ها در کشف، آشکارسازی و شناسایی می‌پردازد همچنین در این راستا برخی از ویژگی‌های منحصر به فرد تصوربرداری حرارتی که در سایر سامانه‌های تصویربرداری مرئی و ماوراء بنفش وجود ندارد معرفی خواهند شد.
طیف مادون قرمز حرارتی، عبارتی است که به منظور توصیف گروه خاصی از امواج الکترومغناطیسی، که طول موج آن‌ها بین موج مرئی و مایکروویو است و از نظر عددی بین 8، 0 و 0، 1000 میکرومتر است. بکار می‌رود. تشعشع مادون قرمز ویژگی‌های مشابه بسیاری با نور مرئی دارد و می‌تواند متمرکز، منتشر، جذب یا منعکس شود. تشعشعات مادون قرمز حرارتی می‌تواند به طور نزدیک مرتبط با حرارت و انتقال آن از طریق اجسام باشد. وقتی حجمی از ماده گرم می‌شود در واقع انرژی درونی آن افزایش می‌یابد که این انرژی در سطح اتمی به شکل ارتعاشات شبکه کریستالی می‌باشد. هر جسم گرم، تشعشعات را در باند پیوسته‌ای از طول موج‌ها منتشر می‌سازد به طوری که دامنه هر موج بستگی به دمای جسم دارد.
انتشار امواج در هر جسم با دمای کمتر از1200 کلوین به طور عمده در باند مادون قرمز می‌باشد. حسگرهای حرارتی این امواج را از محیط دریافت کرده و آن را به صورت یک تصویر حرارتی قابل رویت تقویت می‌کنند.
اهداف و روند توسعه
حسگرهای حرارتی در جنگ جهانی دوم کاربردهای فراوانی یافت و انواع و اقسام سلاح‌ها و ردیاب‌های حرارتی به واسطه این فناوری توسعه یافت، اکنون نیز یکی از مهمترین ابزارهای کشف، شناسایی و ردیابی سامانه‌های نظامی و غیر نظامی همین حسگرها می‌باشد که روز به روز دقیق‌تر، حساس‌تر و پیشرفته‌تر می‌شوند.
حسگرهای اولیه حرارتی بسیار حجیم و سنگین و پردردسر بودند اما با گذشت زمان و پیشرفت علم و دانش و ساخته شدن انواع جدید آن‌ها، امروزه این ادوات کوچکتر، دقیق تر و حساس تر شده‌اند. طوری که امروزه حتی بر روی کلاه و اسلحه سربازان نیز نصب و مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سامانه‌های فروسرخ حرارتی در دو بازه طیفی زیر توسعه یافته‌اند:
- حسگرهای 8 تا 14 میکرومتر جهت شناسایی و مراقبت دوربرد.
- اغلب حسگرهای هدف‌گیری و کنترل آتش که در دامنه 3 تا 5 میکرومتر عمل می‌نماید.
علائم حرارتی که به حسگر می‌رسند ناشی از امواج حرارتی نشر شده از هدف و منعکس شده از هدف می‌باشند. امواج نشر شده، از منابع ذیل ناشی می‌شوند:
1) امواج حرارتی ناشی از گرم شدن هدف به وسیله تابش خورشید
2) امواج حرارتی ناشی از منابع تولید حرارت هدف مانند موتور یا اگزوز
علاوه بر علائم حرارتی نشر شده، امواج حرارتی ثانویه یا فرعی نیز وجود دارند که از گرم شدن محیط نزدیک هدف توسط گرمای خروجی هدف ناشی می‌شوند، مثل داغ شدن گرد و غبار حاصل از حرکت یک خودرو بوسیله گرمای خروجی اگزوز یا گرم شدن برخی از نقاط سطح زمین توسط خروجی‌های حرارتی تاسیسات زیر زمینی.
در ذیل به برخی از کاربرد‌های این حسگرها اشاره می‌کنیم:
- کشف، شناسایی و ردیابی کلیه فرایندهایی که گرما آزاد می‌کنند مانند کلیه موتور‌های احتراق داخلی، توربین‌های جت، نیروگاه‌های هسته‌ای و حرارتی، کارگاه‌ها و کارخانه‌های تولیدی و نیز تمام موجودات خون گرم که انتشار امواج مادون قرمز از خود دارند.
- اندازه‌گیری انتشار جوی تشعشعات حرارتی که ناشی از بازتاب و یا جذب پرتوهای خورشید توسط مولکول‌های موجود در لایه‌های مختلف جو می‌باشد که این امر به منظور شناسایی ترکیبات شیمیایی و به طور خاص کشف نوع و پراکندگی سلاح‌های شیمیایی مورد استفاده در جنگ‌ها می‌باشد.
- زیر نظر گرفتن منطقه‌ای مشکوک از خاک دشمن که به واسطه اختلاف و تغییر تشعشع حرارتی زمینه، منجر به کشف برخی از فعالیت‌های زیر زمینی دشمن می‌گردد، زیرا که اغلب تونل و تاسیسات زیرزمینی مجهز به سامانه‌های تهویه مطبوع می‌باشند که در سطح زمین آثار حرارتی بسیار کمی از خود به جا می‌گذارند که این اختلاف دمایی کوچک منجر به کشف تونل‌ها، کانال‌ها، لوله‌های انتقال گاز و نفت زیرزمینی می‌گردد.
- توانایی در هدایت موشک‌ها به خصوص موشک‌های هوا به هوا در نبرد‌های هوایی و پدافند برد کوتاه مانند انواع موشک‌های استینگر حرارتی.
- دوربین‌های تصویربرداری حرارتی می‌توانند ردیابی و کشف اهداف زنده در تاریکی شب حتی بدون وجود نور ماه و ستارگان را انجام دهند و برخلاف دوربین‌های دید در شب نیاز به منبع روشن سازی ندارند. این دوربین‌ها کمترین اختلاف دمایی را قابل رویت می‌کنند و حتی می‌توانند از میان شاخ و برگ درختان، مه، باران و دود براحتی اهداف زنده را ردیابی و تصویر برداری نمایند. در زیر به تشریح این توانایی برای دوربین‌های حرارتی می‌پردازیم.
ردیابی آثار حرارتی در تأسیسات زیرزمینی
تصویربرداری مادون قرمز به منظور کشف اهداف
تصویر تشکیل شده توسط یک تصویربردار حرارتی شبیه به یک تصویر تلویزیون سیاه و سفید است. اگر یک بالگرد نظامی بر روی یک ناحیه که با شاخ و برگ خشکیده استتار شده است پرواز کند با سامانه ویدیویی معمولی دیدن هدف بسیار سخت خواهد بود، اما اگر بالگرد به دوربین‌های مادون قرمز مجهز شده باشد مناظر طبیعی اطراف هدف، نور مادون قرمز را منعکس خواهد کرد که با رنگ روشن روی نمایشگر حاضر می‌شود در حالی که هدف به صورت سیاه حاضر خواهد شد چون شاخ و برگ مرده، نور مادون قرمز را منعکس نمی‌کنند.
حسگرهای تصویربرداری حرارتی که توسط ماهواره‌ها حمل می‌شوند، می‌توانند مجراها و دریچه‌هایی که برای تخلیه حرارت تولید شده در مکان‌های زیرزمینی تعبیه شده‌اند را آشکار نمایند. در یک نمونه از این حساسه‌های ماهواره‌ای، محدوده دمایی قابل اندازه گیری از 40- تا 2000 درجه سانتی گراد و حساسیت حرارتی 0/035 درجه سانتی گراد در دمای 30 درجه سانتی گراد است.
کاربردهای زمینی دوربین‌های حرارتی شامل موارد زیر می‌باشد:
آ. مراقبت و جمع آوری اطلاعات درباره عملکرد و تحرکات نفرات، وسایل نقلیه و تجهیزات.
ب. پیدا کردن (شناسایی) هدف برای آشکارسازی، شناسایی و تعیین موقعیت اهداف برای تجزیه و تحلیل و بکارگیری.
ج. مشاهده در شب- مشاهدات می‌تواند در تاریکی و در فواصل قابل ملاحظه انجام شود.
کاربردهای هوا پایه نیز شامل موارد زیر می‌باشد:
تصویربردارهای حرارتی در هواپیماها، پهپادها و هلیکوپترها در عملیات گشت زنی، مراقبت و شناسایی و حمله به دیگر هواپیماها کاربرد فراوانی دارند. همچنین کاربرد این سامانه‌ها در ناوبری هواپیماها، نمایش تصاویر زمینی و هوایی به صورت غیرقابل اختلال (1) و عاری از کلاتر (2) می‌باشد و برای حمله به اهداف زمینی تصویربردار‌های حرارتی همراه با یک سامانه لیزری شناسایی هدف یا فاصله یاب بکار می‌رود.
مقایسه تصویر گرفته شده با دوربین دید در شب (سمت چپ) و دوربین حرارتی (سمت راست)
مقایسه تصویر گرفته شده مرئی (بالا) و دوربین حرارتی (پایین)
تصویر مادون قرمز حرارتی هدف ثابت
مزیت‌ها در سامانه‌های تصویربردار حرارتی
این نوع تصویربرداری در موشک‌های هدایت شونده حرارتی مانند موشک استینگر می‌تواند برای شناسائی و نشانه‌گیری دقیق در هنگام شب و در شرایط بد جوی مورد استفاده قرار گیرد.
از دیگر ویژگی‌های خاص دوربین‌های حرارتی، عدم محدودیت آن‌ها در تصویربرداری در شرایط نامطلوب جوی است زیرا افزایش ذرات بخار آب در اتمسفر که موجب ایجاد هوای بارانی، ابری یا مه آلود می‌شود، طول موج‌های کوتاه تر بیشتر از طول موج‌های بلندتر پراکنده می‌شوند که نهایتاً موجب می‌گردد تصویربرداری در طیف مرئی، ماورا بنفش و اشعه ایکس در هوای بد، مشکل یا ناممکن باشد.
تصویربرداری مادون قرمز حرارتی توسط ماهواره‌ها، قدرت تفکیک به مراتب کمتری از تصویربرداری مرئی دارد، که دلیل آن بلندتر بودن طول موج‌ها در این ناحیه است. به منظور دستیابی به قدرت تفکیک یکسان برای هر دو نوع تصویربرداری، از یک ارتفاع مشخص، لازم است که دریچه تصویربرداری مادون قرمز حرارتی، 20 بار بزرگتر از تصویربرداری مرئی باشد.
جمع‌بندی
سامانه تصویربرداری حرارتی در تمامی صحنه‌های نبردهای زمینی، هوایی و دریایی کاربردهای فراوانی جهت آشکارسازی و کشف اهداف زمینی و هوایی دارد و این سامانه‌ها به صورت قابل حمل توسط نفر و قابل نصب روی خودروها، پهپادها، کشتی‌ها و ماهواره‌ها می‌باشند. همچنین دوربین‌های ردیاب حرارتی برای کنترل آتش مستقیم یا غیرمستقیم سلاح‌ها و نمایش تصاویر زمینی و هوایی به صورت عاری از اختلال و کلاتر در صحنه‌های نبرد کاربردهای فراوانی دارند. تصاویر ارائه شده توسط آن‌ها نسبت به دوربین‌های دید در شب، ماوراء بنفش و مرئی برای کشف اهداف زنده، تاسیسات مخفی، ماشین آلات و تجهیزات دارای موتور محرک (الکتریکی، احتراقی) از ارزش و اهمیت بالاتری برخوردار است.
در تانک‌ها سامانه تصویربرداری حرارتی بهمراه لیزر فاصله یاب برای تیرانداز یا دید فرمانده قرار داده می‌شود و کاربرد آن‌ها در کنترل آتش توپخانه‌ها، آشکار سازی نقطه برخورد گلوله با زمین است.
تصویر مادون قرمز حرارتی هدف متحرک
مقایسه تصویر مرئی و حرارتی در هوای مه‌آلود
البته تاکنون روش‌های گوناگونی برای اختفا و استتار نفر و تجهیزات نظامی از دید دوربین‌های تصویربرداری حرارتی طراحی و ساخته شده است که شناسایی آن‌ها را از دید دشمن مشکل می‌سازد و نیاز است تا تصاویر از فاصله‌هایی بسیار نزدیک‌تری تهیه گردد تا منجر به شناسایی و کشف اهداف استتار شده شود.

برخی ماهواره‌هایی که به حسگرهای مادون قرمز حرارتی ( 14-8) مجهز هستند
زمان گردش(روز)	پهنای swat(km)	ارتفاع(km)	دقت دمایی(k)	قدرت تفکیک(m)	تاریخ پرتاب	کشور	ماهواره
16	185	705	1-0/5	120	1984	آمریکا	Landsat-5
16	185	705	1-0/5	60	1999	آمریکا	Lansat-7
16	60	-	0/2	90	1999	آمریکا/ ژاپن	ASTER

پی‌نوشت‌ها:

1- ایجاد اختلال در عملکرد حسگرها یا برونداد آن‌ها از طریق روش‌هایی مانند اغتشاش یا ارسال علائم کاذب.
2- سیگنال‌های برگشتی ناخواسته به صحنه رادار.

منابع تحقیق:
1- استتار، روش‌ها، فناروی‌ها و مواد/ فیروز قنبری 1389
2- Christopher Lavers Stealth Warship Technology- 14/2012
3- INFRA RED DETECTORS/ Sqn Ldr UC SHARMA 2004/10
4- High performance thermal imaging with on- board.
5- 5MP visual camera/ www. Fl ir.com.
ماهنامه صنایع هوافضا، شماره 110.