بحث حول التصوير بالأشعة تحت الحمراء المستخدم في تكنولوجيا استكشاف الغواصات

الغواصات، باعتبارها السفن التي يمكنها الغوص في الأنشطة تحت الماء والقتال، هي السفن الهجومية الرئيسية للبحرية الحديثة. نظرًا لأن الغواصات تلعب دورًا متزايد الأهمية في الحرب البحرية، فقد تطورت أيضًا تكنولوجيا استكشاف الغواصات بسرعة.

هناك عدة أسباب تزيد من احتمالية اكتشاف الغواصة. يتم التقاط الضوضاء بشكل رئيسي، والضوضاء الصادرة عن أجهزة الدفع والمرافق المرتبطة بها بسهولة بواسطة السونار. هناك أيضًا المغناطيسية والكهرباء والحرارة والترددات الراديوية وما إلى ذلك. وهذه هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على قدرة الغواصات على التخفي أثناء القتال.

في الوقت الحاضر، هناك أنواع عديدة من طرق الكشف عن الغواصات الرئيسية، والتي يمكن تقسيمها تقريبًا إلى فئتين: معدات الكشف الصوتي تحت الماء ومعدات الكشف غير الصوتية. تشتمل معدات الكشف الصوتي تحت الماء بشكل أساسي على السونار، واختبار الضوضاء تحت الماء، ومحدد موقع الأشعة الصوتية، واختبار المسار الباليستي، واختبار تحديد المواقع تحت الماء، ومقياس سرعة الصوت، ومقياس الموجة، وما إلى ذلك. تشتمل معدات الكشف غير الصوتية بشكل أساسي على أجهزة الكشف المغناطيسية وكاشفات الأشعة تحت الحمراء ، والرؤية المنخفضة أجهزة التلفاز والرادارات الغاطسة ومقاييس درجة الحرارة.

1. مبدأ تقنية الأشعة تحت الحمراء للغوص

عادة ما يتم الكشف عن درجة حرارة سطح المحيط بواسطة قناة كاشف الأشعة تحت الحمراء لمقياس إشعاعي متقدم عالي الدقة. وبسبب امتصاص جزيئات الماء للأشعة تحت الحمراء، فإن الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الغواصات العاملة تحت الماء لا يمكن اكتشافها بسهولة بواسطة نظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء فوق الماء. ومع ذلك، فإن جميع الأنشطة تحت الماء التي تقوم بها الغواصة، بما في ذلك الاحتكاك بين السطح ومياه البحر في دفع الغواصة، وتشغيل المعدات المختلفة، وحتى أنشطة الأفراد، تسبب استهلاك الطاقة. ووفقا لقانون تحويل الطاقة وحفظها، فإن كل الطاقة المستهلكة تتحول في النهاية إلى شكل طاقة حرارية تتبدد حتما في البيئة المحيطة، أي مياه البحر، وبالتالي ترتفع درجة حرارة مياه البحر حول الغواصة. تصل مياه البحر الدافئة إلى السطح بالحمل الحراري وتبقى هناك لفترة قصيرة من الزمن. وبهذه الطريقة، في المكان الذي مرت فيه الغواصة تحت الماء للتو، تختلف درجة حرارة الماء على سطح البحر قليلاً عن درجة حرارة مياه البحر المحيطة، لذلك هناك أيضًا اختلاف في الأشعة تحت الحمراء. ويمكن لنظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء تحويل هذا الاختلاف في الأشعة تحت الحمراء لسطح البحر إلى إشارة كهربائية وتكوين صورة ضوئية مرئية توضح مسار الغواصة.

وبطبيعة الحال، من أجل اكتشاف هذا الاختلاف البسيط جداً في درجة حرارة الماء على سطح البحر، يجب أن يتمتع نظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء بحساسية عالية للغاية تسمح باكتشاف هذا الاختلاف البسيط في درجة حرارة ماء سطح البحر من مسافة بعيدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لنظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء مسح سطح البحر الكبير بسرعة بطريقة التصوير، وهو أكثر ملاءمة لاحتياجات الكشف المضادة للغواصات. من المرجح أن تشكل الغواصات النووية ذات الأهمية الاستراتيجية الخاصة مسارات واضحة للأشعة تحت الحمراء على سطح البحر بسبب الحاجة إلى تصريف المياه الساخنة المتراكمة ذات درجة الحرارة العالية بشكل منتظم.

عندما تبحر الغواصة النووية، فإنها دائمًا ما تطلق كميات كبيرة من الانبعاثات الدافئة لتبريد محطة الطاقة النووية وبالتالي تولد إشارة اختلاف درجة الحرارة في الماء. يقدر الخبراء الأجانب أن الغواصة النووية التي تعمل بمفاعل بقدرة 190 كيلووات تطلق ما يصل إلى (4.5 × 4.19) × 107 جول من الطاقة الحرارية في الثانية في المحيط. فكرة اكتشاف الغواصات عن طريق درجة الحرارة غير الطبيعية في الماء تم اقتراحها بالفعل في الثمانينيات، وتم تجهيز بعض الأقمار الصناعية بأجهزة كشف الموجات الدقيقة بالأشعة تحت الحمراء كمعدات مساعدة للكشف عن الغواصات.

إن التوزيع الرأسي لكثافة السوائل في البيئة البحرية الفعلية هو في الغالب غير خطي، ولكن يمكن أيضًا تقريب بعضها عن طريق تحليل التوزيع الخطي. وفي هذا الصدد، أجرت بعض المختبرات المحلية تجارب ذات صلة بالعواصف الحرارية المغمورة. وبافتراض أن كثافة مياه البحر خطية تقريباً، فقد تم تقدير قانون الطفو للانبعاث الحراري المغمور في الموائع الطبقية ذات الكثافة. تم إنشاء النموذج التقريبي لقانون الطفو، وتم التحقق من صحة النموذج من خلال تجارب المحاكاة. وقد تم تحليل خصائص الطفو وخصائص التوزيع للأثر الحراري بشكل محدد، مما وفر أساسًا علميًا للكشف عن الأشعة تحت الحمراء للغواصات على سطح المسار الحراري. يمكن من خلال التحليل النظري الشامل وتحليل النتائج التجريبية الحصول على قانون الطفو والمجموعات الأسية للأثر الحراري للغواصات العادية في البيئة البحرية ذات الكثافة الموحدة.

(1) بدون تأثير عوامل أخرى، يمكن للأثر الحراري الذي تطلقه الغواصة أن يطفو على السطح دون قيود في بيئة بحرية متجانسة.

(2) يكون التوهين في شدة إشارة فرق درجة حرارة الاستيقاظ الحراري سريعًا نسبيًا في المرحلة الأولية. ومع ارتفاع الارتفاع على مسافة طويلة، تضعف الإشارة الحرارية ببطء شديد. وبالتالي، حتى لو ارتفع عدة عشرات من الأمتار، لا يزال من الممكن أن يكون للأثر الحراري إشارة فرق في درجة الحرارة تبلغ حوالي 0.1 درجة مئوية.

(3) في عملية الطفو التدريجي، يستمر عرض الاثر الحراري في التوسع، ولكن سرعة التمدد تتباطأ تدريجيا. بعد الوصول إلى ارتفاع معين وفترة زمنية معينة، فإنه في الأساس لا يتغير. الأثر الحراري للغواصات العادية يمكن أن يصل عرض إشارة المسار الحراري على سطح الماء إلى حوالي عشرة أمتار إلى عدة عشرات من الأمتار.

(4) المسار الحراري الذي يشكله الاستيقاظ الحراري على سطح الماء ليس إشارة موحدة. كل جزء لديه أقوى نقطة إشارة. ويمكن وصف المسار الحراري للإشارة السطحية من خلال ربط أقوى النقاط، وهو ما يمكن أن يكون وسيلة لكشف الغواصات.

2. التحليل

يتطلب الغوص بالأشعة تحت الحمراء حساسية لدرجة الحرارة أقل من 0.2 كلفن. كما تم تحليله أعلاه، يمكن للطاقة الحرارية المنبعثة من الغواصة النووية أن ترفع درجة حرارة الماء خلفها بنحو 0.2 درجة مئوية. وفقًا لقانون الطفو الخاص بموجات الغواصات، في بيئة بحرية متجانسة، يمكن للموجات الحرارية المنبعثة من الغواصات أن تطفو على السطح بلا حدود بينما يتضاءل التوقيع الحراري ببطء شديد. ولذلك، فمن المعقول تحديد هذا الاختلاف في درجة الحرارة باعتباره الحد الأدنى لمؤشر حساسية درجة الحرارة للتطبيقات الغاطسة.

يستخدم نظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء المعتمد على كاشف المستوى البؤري لكشف الغواصات. نظرًا لتحسن الحساسية الحرارية للنظام بشكل كبير، يمكن العثور على المسار الحراري للغواصة بشكل فعال لتلبية احتياجات تطبيقات استكشاف الغواصات. من بين أنظمة التصوير الحراري العسكرية الوطنية لحلف شمال الأطلسي التي تم فحصها، يتمتع المراقبون العسكريون الأمريكيون والبريطانيون IR-18 وLT1085 بدقة مكانية عالية نسبيًا، لكن حساسية درجة الحرارة الخاصة بهم تبلغ حوالي 0.17 كلفن، بالقرب من 0.2 كلفن. ولذلك، عندما يكون الفرق في درجة حرارة سطح البحر حوالي 0.2 كلفن، فهي غير مناسبة لتطبيقات الغوص بسبب انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

LASH-ASW هو نظام ضوئي مرئي ذو دقة مكانية عالية، يستخدم بشكل أساسي لمهام استكشاف الغواصات في المياه الساحلية أو المياه الضحلة. يتم اكتشاف الغواصات من خلال التقاط أثر التتبع المخروطي الشكل للغواصة على سطح المحيط عندما تبحر الغواصة على عمق المنظار أو عندما لا تكون مغمورة بالمياه. خلاصة القول، في تطبيقات الكشف عن الغواصات الحديثة، يمكن استخدام المعدات الصوتية للكشف عن ضجيج الغواصات، ويمكن استخدام الرادارات للكشف عن الغواصات على السطح. ويمكن الآن استخدام أجهزة تصوير الأشعة تحت الحمراء للكشف عن المسار الحراري للغواصات.

3. التقنيات الرئيسية

3.1 تحسين NE△T

على الرغم من أن اختلاف درجة الحرارة على سطح البحر سوف يكون ناجمًا عن إبحار الغواصة، إلا أن هذا الاختلاف في درجة الحرارة صغير جدًا (عادةً أقل من 0.2 كلفن)، ولا يحتوي جهاز تصوير الأشعة تحت الحمراء إلا على حد أدنى صغير بما يكفي من فرق درجة الحرارة الذي يمكن تمييزه لاستخراج الإشارات المفيدة من الغواصة بشكل فعال. تداخل الخلفية على سطح البحر. يمكن تلبية هذا المطلب عن طريق تقليل الدقة المكانية للنظام أو زيادة الفتحة الفعالة للنظام البصري. لذلك، يمكن للنظام استخدام قناتين بصريتين، قناة الضوء المرئي ذات الدقة المكانية العالية وقناة الأشعة تحت الحمراء الحرارية. ويمكن إجراء تحليل الإشارة اللاحق من خلال دمج البيانات متعدد النطاقات.

3.2 حساب درجة الحرارة المطلقة

إذا كان من الضروري حساب درجة الحرارة المطلقة لسطح مياه البحر، فمن الضروري وجود نظام معايرة عالي الدقة. أصبح استخدام الجسم الأسود لمعايرة نظام الأشعة تحت الحمراء وسيلة فعالة شائعة الاستخدام في العالم، ولكن الفرضية هي أن مصدر المعايرة يتمتع بخصائص إشعاع جسم أسود قريب لتلبية متطلبات المعايرة عالية الدقة.

3.3 مرحلة ما بعد المعالجة للصور الرقمية

في أنظمة التصوير الحراري الحديثة، يلعب إدخال مكونات المعالجة الرقمية دورًا أساسيًا. يمكن للمعالجة الرقمية أن تحسن جودة الصورة ومطابقتها للرؤية ويمكن أيضًا استخدام أشكال مختلفة من إشارات المعالجة التكيفية، مما يوسع بشكل كبير إمكانية تطبيق أنظمة التصوير الحراري في مختلف المهام. أثناء المعالجة الرقمية، يمكنه ضمان إنشاء متساوي الحرارة، والرسوم البيانية، وملفات تعريف درجة الحرارة، وتقسيم المنطقة محل الاهتمام وتحديد درجة الحرارة القصوى والمتوسطة للمجال الحراري.

4. ملخص

باعتبارها وسيلة جديدة للكشف عن الغواصات، تتمتع تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء بمزايا لا تضاهى مقارنة بالأنظمة الأخرى في مجالات تطبيقية معينة وتدفع تطوير التقنيات ذات الصلة. وفي التطبيقات العملية، سيكون للجمع بين تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء وتقنيات الغوص الأخرى مزايا أكبر ومساحة تطبيق أوسع في الغوص.

بعد نهاية الحرب الباردة، قامت الولايات المتحدة بتعديل استراتيجياتها العالمية. من بينها، الاقتراح العسكري الأمريكي للعمليات المستقبلية المتمثل في إمكانية تركيز نظام المراقبة العالمي ونظام الاتصالات وتوليف ومعالجة البيانات ذات الصلة في منطقة حرب معينة لتكوين ميزة معلوماتية، مما يسمح بالقدرتين القتاليتين المتمثلتين في التمويه. واختراق خطوط الدفاع وتحديد وضرب الأهداف الثابتة والمتحركة الهامة في جميع الأحوال الجوية، ليلا ونهارا، يرتبط ارتباطا وثيقا بتكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء. مدفوعة بالمتطلبات العسكرية وتطوير التقنيات ذات الصلة، تطورت تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء من موقع تكتيكي في الماضي إلى موقع استراتيجي اليوم.

Quanhom هي شركة متخصصة في تصنيع عدسات الأشعة تحت الحمراء وكاميرات التصوير الحراري ومكونات النظام . يقوم فريقنا بسد الفجوة بين الأداء المتفوق والميزانية المحدودة، خاصة عندما نشارك في مشاريع تدمج الدقة العالية. تشتمل المنتجات على مجموعات بصرية تعمل بالأشعة تحت الحمراء لـ VIS/SWIR/MWIR/LWIR، والعدسات العينية، وعناصر عدسات الأشعة تحت الحمراء (من العدسات الأحادية إلى التبديل السريع بين عدسات الأشعة تحت الحمراء متعددة المجالات والتكبير المستمر)، وما إلى ذلك. إذا كانت لديك احتياجات ذات صلة، فيرجى الاتصال بنا .

مراجع

[1] تشانغ يوين، تم تحريره. "الهندسة البصرية بالأشعة تحت الحمراء"، معهد شنغهاي للعلوم والتكنولوجيا، الأكاديمية الصينية للعلوم. مطبعة شنغهاي للعلوم والتكنولوجيا

[2] وانغ شيانغنان. "مقياس إشعاعي بالأشعة تحت الحمراء ثنائي القناة لقياس درجة الحرارة بالاستشعار عن بعد"، معهد تكنولوجيا المحيطات، إدارة الدولة للمحيطات. "تكنولوجيا المحيطات"، 1999 رقم 1، 217-219.

[3] لو شينبينغ، شين زينكانغ. "تحليل نظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء المطبق على الكشف المضاد للغواصات"، مختبر ATR، الجامعة الوطنية لتكنولوجيا الدفاع. "هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر"، 2002.6، المجلد 31، العدد 3.

[4] وانغ جيانغ، آن غويان، غو جيانونغ. "بحث نظري وتجريبي حول الكشف بالأشعة تحت الحمراء عن اليقظة الحرارية الكامنة"، جامعة الهندسة البحرية. "الليزر والأشعة تحت الحمراء"، 2002.6، المجلد 32، العدد 3، 159-162.

[5]تقنية الأشعة تحت الحمراء الثامن عشر، إجراءات SPIE، المجلد 1762.

[6] أجهزة الاستشعار وبرامج الاستشعار عن بعد الأوروبية واليابانية المستقبلية، إجراءات SPIE، المجلد. 1490.

[7] تقدير درجة حرارة سطح البحر باستخدام الماسح الضوئي المرئي والأشعة تحت الحمراء (VIRS) هيروشي مو تاكامي، الوكالة الوطنية للتنمية الفضائية في اليابان (NASDA)، مركز أبحاث مراقبة الأرض (EORC).