تُعدّ الغواصات، بوصفها سفنًا قادرة على الغوص في العمليات القتالية تحت الماء، سفن الهجوم الرئيسية في الأسطول البحري الحديث. ومع تزايد أهمية دور الغواصات في الحروب البحرية، شهدت تقنيات استكشاف الغواصات تطورًا سريعًا.

تزيد عدة عوامل من احتمالية رصد الغواصة، أهمها الضوضاء، إذ يسهل على السونار رصد الضوضاء الصادرة عن المحركات والمنشآت المرتبطة بها. كما توجد عوامل أخرى كالمغناطيسية والكهرباء والحرارة والترددات الراديوية، وغيرها. تُعدّ هذه العوامل الرئيسية التي تؤثر على قدرة الغواصات على التخفي أثناء القتال.

توجد حاليًا العديد من طرق الكشف الرئيسية عن الغواصات، والتي يمكن تقسيمها تقريبًا إلى فئتين: أجهزة الكشف الصوتي تحت الماء وأجهزة الكشف غير الصوتي. تشمل أجهزة الكشف الصوتي تحت الماء بشكل أساسي أجهزة السونار، وأجهزة اختبار الضوضاء تحت الماء، وأجهزة تحديد موقع الأشعة الصوتية، وأجهزة اختبار مسار المقذوفات، وأجهزة اختبار تحديد المواقع تحت الماء، وأجهزة قياس سرعة الصوت، وأجهزة قياس الموجات، وغيرها. أما أجهزة الكشف غير الصوتي فتشمل بشكل أساسي أجهزة الكشف المغناطيسي وأجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء، وأجهزة التلفزيون منخفضة الرؤية، والرادارات الغاطسة، ومقاييس تدرج درجة الحرارة.

1. مبدأ تقنية الأشعة تحت الحمراء للغوص

عادةً ما تُقاس درجة حرارة سطح المحيط بواسطة قناة كاشف الأشعة تحت الحمراء في مقياس إشعاع متطور عالي الدقة. ونظرًا لامتصاص جزيئات الماء للأشعة تحت الحمراء، يصعب على نظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء الموجود فوق سطح الماء رصد الإشعاع المنبعث من الغواصات العاملة تحت الماء. مع ذلك، فإن جميع أنشطة الغواصة تحت الماء، بما في ذلك الاحتكاك بين السطح ومياه البحر أثناء دفعها، وتشغيل المعدات المختلفة، وحتى أنشطة أفراد الطاقم، تُسبب استهلاكًا للطاقة. ووفقًا لقانون حفظ الطاقة وتحويلها، تتحول جميع الطاقة المستهلكة في النهاية إلى طاقة حرارية، والتي تتبدد حتمًا في البيئة المحيطة، أي مياه البحر، مما يزيد من درجة حرارتها حول الغواصة. تصل مياه البحر الدافئة إلى السطح بفعل تيارات الحمل الحراري وتبقى هناك لفترة وجيزة. وبهذه الطريقة، في المكان الذي مرت به الغواصة للتو، تختلف درجة حرارة الماء على سطح البحر اختلافًا طفيفًا عن درجة حرارة مياه البحر المحيطة، وبالتالي يختلف إشعاعها بالأشعة تحت الحمراء. يستطيع نظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء تحويل فرق الإشعاع تحت الأحمر على سطح البحر إلى إشارة كهربائية، وتكوين صورة ضوئية مرئية تُظهر مسار الغواصة.

وبالطبع، يتطلب رصد هذا الفرق الطفيف في درجة حرارة سطح البحر حساسية فائقة، مما يسمح برصده من مسافة بعيدة. إضافةً إلى ذلك، يتميز هذا النظام بقدرته على مسح مساحات واسعة من سطح البحر بسرعة، ما يجعله أكثر ملاءمةً لاحتياجات الكشف عن الغواصات. ومن المرجح أن تُشكّل الغواصات النووية ذات الأهمية الاستراتيجية مسارات واضحة بالأشعة تحت الحمراء على سطح البحر، نظرًا لحاجتها إلى تصريف المياه الساخنة المتراكمة بانتظام.

فعند إبحار الغواصة النووية، تُطلق كميات كبيرة من التيارات الحرارية لتبريد محطة الطاقة النووية، مُولّدةً بذلك إشارة فرق في درجة الحرارة في الماء. ويُقدّر خبراء أجانب أن الغواصة النووية التي تعمل بمفاعل بقدرة 190 كيلوواط تُطلق ما يصل إلى (4.5 × 4.19) × 10⁷ جول من الطاقة الحرارية في المحيط كل ثانية. لقد تم اقتراح فكرة الكشف عن الغواصات من خلال درجة الحرارة غير الطبيعية في الماء في ثمانينيات القرن الماضي، وتم تجهيز بعض الأقمار الصناعية بأجهزة كشف الأشعة تحت الحمراء والميكروويف كمعدات مساعدة للكشف عن الغواصات.

يتسم التوزيع الرأسي لكثافة السوائل في البيئة البحرية الفعلية بأنه غير خطي في الغالب، ولكن يمكن تقريب بعض جوانبه بتحليل التوزيع الخطي. وفي هذا السياق، أجرت بعض المختبرات المحلية تجارب ذات صلة على آثار التيارات الحرارية للغواصات. وبافتراض أن كثافة مياه البحر خطية تقريبًا، تم تقدير قانون الطفو لآثار التيارات الحرارية للغواصات في السوائل ذات الكثافة الطبقية. وقد تم وضع نموذج تقريبي لقانون طفو هذه الآثار، وتم التحقق من صحة النموذج من خلال تجارب محاكاة. كما تم تحليل خصائص الطفو وخصائص توزيع التيارات الحرارية بشكل دقيق، مما وفر أساسًا علميًا للكشف بالأشعة تحت الحمراء عن الغواصات على سطح المسار الحراري. ويمكن من خلال التحليل النظري الشامل وتحليل النتائج التجريبية الحصول على قانون الطفو ومجموعات الأسس للتيارات الحرارية للغواصات العادية في البيئة البحرية ذات الكثافة المنتظمة.

• في غياب تأثير العوامل الأخرى، يمكن للتيار الحراري المنبعث من الغواصة أن يطفو بحرية تامة في بيئة بحرية متجانسة.

• يتلاشى فرق درجة الحرارة الناتج عن التيار الحراري بسرعة نسبية في المرحلة الأولى. ومع ارتفاع الغواصة لمسافات طويلة، يضعف هذا الفرق ببطء شديد. لذا، حتى عند ارتفاعها عشرات الأمتار، يظل للتيار الحراري فرق في درجة الحرارة يصل إلى 0.1 درجة مئوية.

• خلال عملية الطفو التدريجي، يستمر عرض التيار الحراري في الاتساع، لكن سرعة هذا الاتساع تتباطأ تدريجيًا. وبعد بلوغ ارتفاع معين وفترة زمنية محددة، يستقر العرض تقريبًا. ويمكن أن يصل عرض مسار التيار الحراري للغواصات العادية على سطح الماء إلى ما بين عشرة أمتار وعدة عشرات من الأمتار.

• لا يُعد المسار الحراري الناتج عن التيار الحراري على سطح الماء إشارة منتظمة، إذ تتميز كل منطقة بنقطة ذروة في الإشارة. يمكن وصف المسار الحراري للإشارة السطحية عن طريق ربط أقوى النقاط، وهو ما يمكن أن يكون طريقة للكشف عن الغواصات.

2. التحليل

يتطلب الغوص بالأشعة تحت الحمراء حساسية حرارية أقل من 0.2 كلفن. وكما ذُكر سابقًا، يمكن للطاقة الحرارية المنبعثة من غواصة نووية أن ترفع درجة حرارة الماء خلفها بنحو 0.2 درجة مئوية. ووفقًا لقانون الطفو لآثار الغواصات، في بيئة بحرية متجانسة، يمكن لهذه الآثار الحرارية أن تطفو على السطح بلا حدود، بينما يتلاشى أثرها الحراري ببطء شديد. لذا، يُعدّ اختيار فرق درجة الحرارة هذا كحد أدنى لمؤشر الحساسية الحرارية لتطبيقات الغواصات أمرًا منطقيًا.

يُستخدم نظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء، القائم على كاشف المستوى البؤري، للكشف عن الغواصات. وبفضل التحسين الكبير في الحساسية الحرارية لهذا النظام، يُمكن تحديد المسار الحراري للغواصة بكفاءة عالية، ما يُلبي احتياجات تطبيقات استكشاف الغواصات. ومن بين أنظمة التصوير الحراري العسكرية الوطنية التابعة لحلف الناتو التي دُرست، يتميز كل من نظامي المراقبة العسكرية الأمريكية IR-18 وLT1085 البريطانيين بدقة مكانية عالية نسبيًا، إلا أن حساسيتهما الحرارية تبلغ حوالي 0.17 كلفن، وهي قريبة من 0.2 كلفن. لذا، عندما يكون فرق درجة حرارة سطح البحر حوالي 0.2 كلفن، لا تُعدّ هذه التقنيات مناسبة لتطبيقات الغوص نظرًا لانخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

يُعدّ نظام LASH-ASW نظامًا ضوئيًا مرئيًا عالي الدقة المكانية، ويُستخدم بشكل أساسي في مهام استكشاف الغواصات في المياه الساحلية أو الضحلة. يتم الكشف عن الغواصات من خلال رصد أثرها المخروطي الشكل على سطح المحيط عندما تكون الغواصة على عمق المنظار أو غير مغمورة. باختصار، في تطبيقات الكشف الحديثة عن الغواصات، يمكن استخدام المعدات الصوتية لرصد ضوضاء الغواصات، والرادارات لرصدها على السطح. أما الآن، فيمكن استخدام أجهزة التصوير بالأشعة تحت الحمراء لرصد مسارها الحراري.

3. التقنيات الرئيسية

3.1 تحسين NE△T

على الرغم من أن حركة الغواصة تُحدث فرقًا طفيفًا في درجة حرارة سطح البحر، إلا أن هذا الفرق ضئيل جدًا (عادةً أقل من 0.2 كلفن)، ولا يمتلك جهاز التصوير بالأشعة تحت الحمراء سوى حد أدنى صغير بما يكفي لتمييز فرق درجة الحرارة، مما يسمح باستخلاص إشارات مفيدة من التشويش المحيط على سطح البحر. ويمكن تحقيق ذلك بتقليل الدقة المكانية للنظام أو بزيادة الفتحة الفعالة للنظام البصري. لذا، يمكن للنظام استخدام قناتين بصريتين: قناة للضوء المرئي ذات دقة مكانية عالية، وقناة للأشعة تحت الحمراء الحرارية. ويمكن إجراء تحليل الإشارة لاحقًا من خلال دمج البيانات متعددة النطاقات.

3.2 حساب درجة الحرارة المطلقة

إذا لزم حساب درجة الحرارة المطلقة لسطح مياه البحر، فإن نظام معايرة عالي الدقة ضروري. وقد أصبح استخدام الجسم الأسود لمعايرة نظام الأشعة تحت الحمراء طريقة فعالة وشائعة الاستخدام عالميًا، ولكن الشرط الأساسي هو أن يتمتع مصدر المعايرة بخصائص إشعاعية قريبة من خصائص الجسم الأسود لتلبية متطلبات المعايرة عالية الدقة.

3.3 المعالجة اللاحقة للصور الرقمية

في أنظمة التصوير الحراري الحديثة، يلعب إدخال مكونات المعالجة الرقمية دورًا أساسيًا. إذ تُحسّن هذه المعالجة جودة الصورة ومطابقتها مع الرؤية، كما تُتيح استخدام أشكال إشارات معالجة تكيفية متنوعة، مما يُوسّع نطاق استخدام أنظمة التصوير الحراري في مهام مختلفة. وخلال المعالجة الرقمية، يُمكن إنشاء خطوط تساوي درجة الحرارة، ومخططات التوزيع التكراري، وملامح درجة الحرارة، وتقسيم منطقة الاهتمام، وتحديد درجة الحرارة القصوى والمتوسطة للحقل الحراري.

4. ملخص

باعتبارها وسيلة جديدة لكشف الغواصات، تتمتع تقنية الأشعة تحت الحمراء بمزايا لا تُضاهى مقارنةً بالأنظمة الأخرى في بعض مجالات التطبيق، وهي تُحفز تطوير التقنيات ذات الصلة. عمليًا، يُحقق دمج تقنية الأشعة تحت الحمراء مع تقنيات الغوص الأخرى مزايا أكبر ونطاقًا أوسع للتطبيق في مجال الغوص.

بعد انتهاء الحرب الباردة، عدّلت الولايات المتحدة استراتيجياتها العالمية. ومن بين هذه الاستراتيجيات، كان المقترح العسكري الأمريكي للعمليات المستقبلية هو تركيز نظام المراقبة العالمي ونظام الاتصالات، بالإضافة إلى تجميع ومعالجة البيانات ذات الصلة، في منطقة حرب محددة لتحقيق تفوق معلوماتي، مما يُتيح قدرتين قتاليتين هامتين: التمويه واختراق خطوط الدفاع، وتحديد وضرب الأهداف الثابتة والمتحركة الهامة في جميع الأحوال الجوية، ليلًا ونهارًا. ترتبط هذه القدرات ارتباطًا وثيقًا بتقنية الأشعة تحت الحمراء. وبفضل المتطلبات العسكرية وتطوير التقنيات ذات الصلة، تطورت تقنية الأشعة تحت الحمراء من كونها ذات أهمية تكتيكية في الماضي إلى كونها ذات أهمية استراتيجية اليوم.

Quanhom هي شركة مصنعة محترفة للعدسات الحرارية المخصصة، وكاميرات التصوير الحراري، ومكونات الأنظمة. يسد فريقنا الفجوة بين الأداء المتفوق والميزانية المحدودة، خاصة عندما نشارك في مشاريع تتطلب دقة عالية التكامل. تشمل المنتجات تجميعات بصرية تعمل بالأشعة تحت الحمراء للمجالات البصرية VIS/SWIR/MWIR/LWIR، وعدسات العينية، وعناصر العدسات الحرارية (بدءًا من العدسات أحادية المجال وصولاً إلى العدسات سريعة التبديل متعددة المجالات والعدسات الحرارية المستمرة التكبير)، وغيرها. إذا كانت لديك احتياجات ذات صلة، يرجى الاتصال بنا.

مراجع

[1] تشانغ يوين (محرر). "الهندسة البصرية بالأشعة تحت الحمراء"، معهد شنغهاي للعلوم والتكنولوجيا، الأكاديمية الصينية للعلوم. دار نشر شنغهاي للعلوم والتكنولوجيا.

[2] وانغ شيانغنان. "مقياس إشعاع بالأشعة تحت الحمراء ثنائي القناة لقياس درجة الحرارة عن بُعد"، معهد تكنولوجيا المحيطات، الإدارة الوطنية للمحيطات. "تكنولوجيا المحيطات"، 1999، العدد 1، ص 217-219.

[3] لو شينبينغ، شين تشن كانغ. "تحليل نظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء المُطبق على كشف الغواصات"، مختبر ATR، جامعة الدفاع الوطني للتكنولوجيا. "هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر"، يونيو 2002، المجلد 31، العدد 3.

[4] وانغ جيانغ، آن غويان، غو جيان نونغ. "بحث نظري وتجريبي حول الكشف بالأشعة تحت الحمراء عن آثار الحرارة الكامنة"، جامعة الهندسة البحرية. "الليزر والأشعة تحت الحمراء"، يونيو 2002، المجلد 32، العدد 3، الصفحات 159-162.

[5] تقنية الأشعة تحت الحمراء 18، وقائع مؤتمر SPIE، المجلد 1762.

[6] أجهزة الاستشعار عن بعد والبرامج الأوروبية واليابانية المستقبلية، وقائع مؤتمر SPIE، المجلد 1490.

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