טכנולוגיית הדמיה אינפרא אדום פועלת על בסיס העיקרון של קרינת אינפרא אדום. כל עצם עם טמפרטורה מעל האפס המוחלט ישדר אור אינפרא אדום. טכנולוגיה זו מזהה אנרגיית אינפרא אדום זו וממירה אותה לתמונה גלויה, המאפשרת זיהוי ומעקב אחר מטרות. כטכנולוגיה מודרנית של-היי-טק, נעשה בה שימוש נרחב בכלי נשק בעשור האחרון, מכלי רכב משוריינים קרקעיים ועד למטוסי קרב מוטסים, מספינות עיליות ועד צוללות תת-מימיות. הפעולה הפסיבית שלו (ללא העברת אותות אקטיבית, וכתוצאה מכך הסתרה גבוהה), הפרעות אנטי- חזקה (לא מושפעות מהפרעות אלקטרומגנטיות), זיהוי מטרות חזק (יכול להבחין בהפרשי טמפרטורה עדינים בין המטרה לרקע), וכל-פעולת מזג האוויר (לא מושפעת ביום, לילה, ערפל, שלג וערפילים קשים אחרים) נשק קונבנציונלי-היי-טק. הוא עונה על הדרישות התפקודיות הליבה של סוגים שונים של ציוד לצבא, חיל הים וחיל האוויר, ומשפר באופן משמעותי את יעילות הלחימה ואת כושר השרידות של מערכות הנשק.
יישומים צבאיים של טכנולוגיית הדמיה אינפרא אדום
מערכות נשק קרקעיות
בין כלי הנשק הקרקעיים, כלי רכב צבאיים כגון טנקים וכלי רכב משוריינים מצוידים לרוב בציוד הדמיה אינפרא אדום, המשמש בעיקר ללחימה לילית, לסיור בסביבות שדה קרב מורכבות ולבקרת אש. הדמיה פעילה ליד-אינפרא אדום מסתמכת על מקורות אור חיצוניים, מה שהופך אותו לרגיש לזיהוי אויב. ביצועי ראיית לילה ברמת -אור- נמוכה מוגבלים באור שמש בהיר או בעשן. טכנולוגיית הדמיה אינפרא אדום, לעומת זאת, חודרת ביעילות עשן ואבק על ידי לכידת הפרש הטמפרטורה בין המטרה והסביבה הסובבת. זה יכול לזהות מטרות ביעילות אפילו בחושך מוחלט.
ביישומים מעשיים, ניתן לשלב מדמי אינפרא אדום עם מדדי טווח לייזר, מחשבים בליסטיים וציוד אחר כדי ליצור מערכת בקרת אש משולבת. לדוגמה, צילום אינפרא אדום רכוב-טנק יכול לצלם תמונות אינפרא אדום בזמן אמת של כלי רכב משוריינים של אויב, ביצורים ומטרות אחרות. מד טווח הלייזר מודד בו זמנית את מרחק המטרה, והמחשב הבליסטי מחשב פרמטרים של ירי על סמך תנועת הרכב וסוג התחמושת. בסופו של דבר, תמונת האינפרא אדום, מרחק המטרה, הכוונת והנתונים הבליסטיים משולבים ומוצגים בלוח הבקרה, ועוזרים לצוות להינעל במהירות על המטרה ולקבל החלטות ירי, מקצרים משמעותית את זמן התגובה באש ומשפר את דיוק הפגיעה.
כלי נשק ניידים אישיים נגד-טנקים
במערכות כלי נשק ניידים אישיים נגד-טנקים, טכנולוגיית הדמיית אינפרא אדום היא המפתח לשיפור יכולות הלחימה האישיות, בעיקר במתן מענה לצרכים של זיהוי יעדים-לטווח ארוך, זיהוי מטרות ברקע מורכב ו"פעולה אוטונומית לאחר שיגור". כלי נשק נגד טנקים- מסורתיים מסתמכים על כוונה אופטית, המושפעת באופן משמעותי מתאורת הסביבה ודורשת מהיורה לכוון ברציפות עד לפגיעה במטרה, מה שיכול בקלות לחשוף את מיקומו. ציוד המצויד בטכנולוגיית הדמיה אינפרא אדום, לעומת זאת, משתמש בגלאים רגישים ביותר כדי ללכוד קרינת אינפרא אדום מאזורים חמים כמו מנועי טנקים ומסילות, מה שמאפשר מיקום יעד מדויק גם בסביבות המוסתרות על ידי צמחייה ושטח מורכב.
חלק מהציוד המתקדם משלב מחפשי הדמיית אינפרא אדום, ומאפשר יכולות "לירות-ו-לשכוח": לאחר שהיורה ננעל ויורה את הנשק, מחפש ההדמיה האינפרא אדום עוקב באופן אוטונומי אחר חתימת האינפרא אדום של המטרה, ללא השפעה מפעולות היורה. הוא יכול אפילו לבחור מחדש יעדים-בעדיפות גבוהה יותר במהלך הטיסה, מה שמאפשר בחירת- יעדים מרובים ובחירת נקודות מכוון (לדוגמה, תעדוף אזורים פגיעים כמו תא המנוע של הטנק). יתר על כן, ניתן לשלב מכשירי הדמיה אינפרא אדום עם טלסקופים אפוקאליים, מגבירי תמונה כפולים ורכיבים אחרים כדי להרחיב עוד יותר את טווח הזיהוי, לענות על הצרכים של חיילים בודדים בקרב- וארוך-בטווח בינוני וארוך- נגד טנקים.
מערכות נשק למטוסים
כלי נשק למטוסים מקיפים שתי קטגוריות עיקריות: מטוסים וטילים. מערכות הדמיה אינפרא אדום מבצעות משימות ליבה שונות בהתאם לסוג הציוד, ומספקות תמיכה טכנית הליבה לסיור אווירי, מכות מדויקות וניווט מאובטח. ביישומי מטוסים, מערכות הדמיה אינפרא אדום מוגדרות באופן שונה בהתאם לפונקציונליות של דגם המטוס. מטוסי סיור נגד-צוללות מצוידים במערכות הדמיה אינפרא אדום שיכולות לזהות מטרות כמו ספינות שטח ושנורקל צוללות בלילה (שם יש הבדל טמפרטורה משמעותי ממי הים). הם גם מתהדרים בטווח חיפוש רחב, המאפשר כיסוי מהיר של אזורי אוקיינוס עצומים. מטוסי קרב מצוידים במערכות אינפרא-אדום-לפנימה (FLIR) עבור ניווט לילה-נמוך (זיהוי מכשולי שטח) והתקפה קרקעית (נעילה על כלי רכב וביצורים). מערכות מסוימות יכולות להיות מקושרות גם עם מכשירי לייזר כדי להנחות פצצות לייזר-, תוך השגת אסטרטגיית "מצא והשמד". ציוד הדמיית אינפרא אדום רכוב במסוק- משמש בעיקר לסיור בגובה{12}} נמוך, חיפוש וחילוץ כוח אדם ותמיכה באש קרקעית. בפרט, בלחימה עירונית, הוא יכול לחדור למרווחי בניין כדי ללכוד אותות אינפרא אדום ממטרות פנימיות, ולשפר את הגמישות התפעולית.
בתחום הטילים, הנחיית הדמיה באינפרא אדום היא כיוון פיתוח מרכזי בטכנולוגיית הנחיה מדויקת. בהשוואה להנחיית מקור אינפרא אדום-מסורתית (שמזהה רק נקודת קרינה אינפרא אדום בודדת על המטרה), הנחיית הדמיית אינפרא אדום, על ידי רכישת תמונת אינפרא אדום של המטרה, יכולה להבחין בצורה מדויקת יותר בין המטרה לבין פתיונות אינפרא אדום, ולשפר משמעותית את יכולות האנטי-ההפרעות שלה. טכנולוגיה זו תואמת למגוון סוגי טילים, כולל אוויר-אל-אוויר, משטח-אל-אוויר ואוויר-ל-קרקע. טילי אוויר-ל-אוויר יכולים להשתמש במחפשי הדמיה באינפרא אדום כדי לעקוב אחר פליטות מנועי מטוסים ואזורי-טמפרטורות גבוהות על גוף המטוס, מה שמאפשר התערבות-לטווח קרוב ויירוט- לטווח בינוני-. טילי קרקע-ל-אוויר יכולים לזהות טילי שיוט-נמוכים ומטוסי קרב, ולהתמודד עם איומי חדירה-נמוכים במיוחד-בגובה. טילי אוויר-לקרקע- יכולים להינעל על מטרות כמו כלי רכב משוריינים קרקעיים וביצורים קבועים, ולהשיג פגיעה מדויקת גם בסביבות-עשן סתומות.
מערכות ספינות ימיות
מערכות הדמיה אינפרא אדום הנישאות בספינות תוכננו במיוחד ללוחמה על פני השטח, ועונות על שלוש דרישות ליבה: זיהוי מטרות בלילה, הגנה מפני טילים בגובה- נמוך וסיור פריסקופ. הם משמשים ככלי עזר חיוני לפעילות הגנה אווירית- מבוססת אוניות, נגד-טילים ואנטי-צוללות. מבחינת מערכות זיהוי ליליות, היעדר נקודות ייחוס על פני הים מקשה על ציוד אופטי מסורתי להבחין בין ספינות מרוחקות לאיים וסימני ניווט. עם זאת, מערכות הדמיה אינפרא אדום יכולות לזהות במהירות סוגי מטרות (למשל, כלי שיט אזרחיים מכלי שיט צבאיים) על ידי שימוש בקרינה אינפרא אדומה מאזורי-טמפרטורות גבוהות כגון מערכת חשמל וארובות של ספינה. מערכות אלו אינן מושפעות מהשתקפויות פני השטח ומערפל, מה שמשפר את יכולות הסיור והמעקב הלילי.
במונחים של מערכות בקרת אש, מערכות הדמיה אינפרא אדום הנישאות בספינה יוצרות לעתים קרובות מערכת זיהוי מורכבת עם מערכות מכ"ם ולייזר, המתמקדת בעיקר בהתמודדות עם איומי טילים-נמוכים. כאשר טילים טסים בגבהים נמוכים, חיכוך האוויר מחמם את ראש הנפץ ואת פלומת הפליטה של המנוע, ויוצר קרינת אינפרא אדומה עזה (אורך גל הקרינה של ראש הנפץ הוא בדרך כלל 8-14 מיקרומטר, בעוד שאורך הגל של פלומת הפליטה הוא בדרך כלל 3-5 מיקרומטר). מערכות הדמיה אינפרא אדום יכולות ללכוד באופן ספציפי את המאפיינים הללו, ולבצע אוטומטית חיפוש יעד, רכישה ומעקב. הם משדרים אזימוט מטרה, גובה ונתונים אחרים למרכז הפיקוד של הספינה בזמן אמת, מסייעים לטילי הגנה אווירית וסגירה-במערכות נשק בהתאמת פרמטרי יירוט. הם יכולים להבחין במדויק בין מטרות טילים על רקע מורכב כמו פני הים והאיים, ובכך לתת מענה לנקודות העיוורון של המכ"ם בזיהוי בגובה נמוך במיוחד. בנוסף, טכנולוגיית הדמיה אינפרא אדום נמצאת בשימוש נרחב על תרנים אופטרוניים ופריסקופים. ציוד הדמיה אינפרא אדום המותקן על תרנים אופטרוניים מאפשר סיור סמוי של מטרות פני השטח והאוויר מבלי לחשוף את הספינה לאותות מכ"ם. מערכות הדמיה אינפרא אדום המשולבות בפריסקופים מאפשרות לצוללות לרכוש במהירות מידע על מטרות פני השטח תוך הרחבת הפריסקופים שלהן מתחת למים, צמצום זמן החשיפה ושיפור החמקנות והשרידות של הצוללת.
המצב הנוכחי של טכנולוגיית הדמיה אינפרא אדום
טכנולוגיית הדמיית אינפרא אדום התפתחה במהירות מאז שנות ה-70, מונעת בעיקר על ידי התקדמות טכנולוגית בגלאי אינפרא אדום. מוצרי הדמיה תרמית התפתחו ממערכות זיהוי ראשוניות פשוטות למוצרי דור שלישי- עם רזולוציה גבוהה ורגישות גבוהה. כל דור השיג פריצות דרך במבנה הגלאים, הביצועים ושילוב המערכת.
-מערכות הדמיה תרמיות מהדור הראשון: משנות ה-70 ועד תחילת שנות התשעים, אלו פעלו בעיקר בפסי האינפרא-אדום- והבינוני-בינוניים והשתמשו בגלאי מערך ליניארי רב--אלמנט (כגון גלאי כספית קדמיום טלוריד). מערכת זו דורשת מצנן (כדי לשמור על טמפרטורת הפעולה הנמוכה של הגלאי ולהגביר את הרגישות) וסורק אופטו-מכני (המשתמש בתנועה מכנית לסריקה ותמונה של אזור המטרה). למרות שרזולוציית ההדמיה שלו נמוכה יחסית (פחות קווי תמונה), העיצוב הסטנדרטי והמודולרי שלו מאפשר להתאים אותו לפלטפורמות נשק שונות, כמו טנקים, כלי רכב משוריינים וכלי טיס, העומדים בדרישות הבסיסיות של יישומים צבאיים מוקדמים. במהלך תקופה זו, ארצות הברית, בריטניה, צרפת ומדינות אחרות פיתחו מוצרי-ראשון, וגם סין השיגה פריצות דרך טכנולוגיות בשלב זה, והניחה את הבסיס לפיתוח הבא.
הדור השני של מערכות הדמיה תרמית-: החל משנות ה-90, טכנולוגיית מערך המישור המוקד הפכה לפריצת דרך מרכזית, והחליפה גלאים ליניאריים מסורתיים ומבני סריקה אופטו-מכאניים, ושיפרה משמעותית את יעילות ההדמיה והרזולוציה. טכנולוגיה זו זמינה בשתי תצורות: מערך סריקה 4N (המשיג הדמיית שדה- רחבה באמצעות סריקה עם מספר מוגבל של פיקסלים) ומערך בוהה N×M (כאשר הפיקסלים מכסים ישירות את שדה הראייה, מה שמבטל את הצורך בסריקה מכנית וכתוצאה מכך להדמיה מהירה יותר). חומרי גלאים הם בעיקר כספית קדמיום טלוריד מקורר (HgCdTe) ואינדיום אנטימוניד (InSb), והטכנולוגיה בשלה בטווח האינפרא אדום- והקצר-קצר (MWIR). בהשוואה לדור הראשון, מערכת הדור השני-מתהדרת ברזולוציה גבוהה יותר, גודל קטן יותר, צריכת חשמל נמוכה יותר ויכולות משופרות של זיהוי יעדים. הוא הפך בהדרגה למאפיין מיינסטרים בנשק בכל ענפי הצבא, והוא נמצא בשימוש נרחב בפלטפורמות כמו מטוסי קרב, טילים וספינות.
דור שלישי למערכות הדמיה תרמית-: מאז תחילת המאה ה-21, טכנולוגיית הדמיה אינפרא אדום נכנסה לדור השלישי שלה. מערכת זו כוללת מערך מוקדי שטח- גדול בוהה (LAFA) כמאפיין הליבה שלה. למרות שהוא עדיין מבוסס בעיקרו על גלאים מקוררים, הוא השיג שדרוגי ביצועים מקיפים. דור זה של מערכות משתמש בגלאי LFAFA עם מספר גדל משמעותית של פיקסלים, המאפשר תמונות אינפרא אדום ברזולוציה גבוהה יותר. אופטימיזציה של חומרים ומבנה גלאים משפרת משמעותית את היעילות הקוונטית (היחס בין פוטונים אינפרא-אדומים המומרים לאותות חשמליים), מרחיבה את טווח טמפרטורת ההפעלה (חלק מהגלאים יכולים לפעול בין 120 ל-180 K, ומפחיתה את המורכבות של מערכת הקירור), מפחיתה את הפרש הטמפרטורה המקביל לרעש (NETD) ל-1 עד 5 mK, ומאפשרת זיהוי משמעותי יותר של זיהוי טמפרטורה, (מאפשר זיהוי משמעותי יותר). (מזעור ביצועים שינויים בין פיקסלים). יתרה מזאת, המערכת מהדור השלישי-תומכת בזיהוי רב-באורך גל (פועלת בו-זמנית בפסי אינפרא אדום-קצרים,-בינוניים וגלים-ארוכים) ועיבוד אותות רב תכליתי (כגון דחיסת טווח דינמי, ותיקון יעדים לא-לינאריים). זה מאפשר לו לשלב מידע נוסף על יעדים, ולשפר עוד יותר את זיהוי היעדים ויכולות נגד-הפרעות בסביבות מורכבות.
Outlook עתידי עבור טכנולוגיית הדמיה אינפרא אדום
פיתוח עתידי של טכנולוגיית הדמיה אינפרא אדום יתמקד בארבע יעדי ליבה: "שיפור ביצועים, הפחתת גודל, הרחבת פונקציונליות והפחתת עלויות". זה יתמקד בפריצות דרך בטכנולוגיית גלאים וחידושים באינטגרציה של מערכות, תוך הצגת ארבעה כיווני פיתוח עיקריים:
מישור מוקד ומערכים גדולים: התקני מישור מוקד יכולים להמיר ישירות קרינת אינפרא אדום לאותות חשמליים, תוך ביטול הצורך במנגנוני סריקה אופטיים מסורתיים, מפשטים את עיצוב המערכת ומצמצמים את הגודל וצריכת החשמל. זה יהפוך לנתיב הטכנולוגיה המיינסטרים בעתיד. במקביל, כדי לענות על הצרכים של סיור- רחב וזיהוי ברזולוציה גבוהה-, גלאים יתפתחו לכיוון מערכים גדולים יותר וקווים ארוכים יותר. על ידי הגדלת מספר הפיקסלים (למשל, מ-1024×1024 פיקסלים ל-2048×2048 פיקסלים או אפילו יותר), ישתפרו רזולוציית התמונה וכיסוי שדה הראייה, ויאפשרו להם להסתגל לתרחישי לחימה מורכבים יותר (כגון סיור בשדה קרב רחב{11}} ומעקב סימולטני מרובה מוקדים{12}.
אינטגרציה: באמצעות מינוף ההתקדמות בטכנולוגיית ייצור חומרים מוליכים למחצה, גלאי הדמיה אינפרא אדום יתפתחו לקראת גישה משולבת ביותר. מצד אחד, על ידי שילוב של הגלאי, מעגלי הקריאה ויחידות עיבוד האותות לשבב אחד, החיבורים בין הרכיבים יופחתו, וישפרו את יציבות המערכת ומהירות התגובה. מצד שני, על ידי התמקדות בפיתוח של חומרי סגסוגת HgCdTe (המציעים יכולות זיהוי פס רחב) וחומרי באר קוונטיים/על-סריג (המאפשרים פסי זיהוי ניתנים לכוונון באמצעות עיצוב מבני), גלאים ישולבו עוד יותר עם המישור המוקד והרב-תכליתיות, תוך השגת מערכת{3}עיבוד{3}העברה{2} משולבת. זה יקטין עוד יותר את גודל המערכת ויאפשר תאימות לפלטפורמות קטנות כגון מיקרו-נשק (כגון מיקרו-טילים ומזל"טים). מזעור: הפיתוח של פלטפורמות לחימה קטנות כמו ציוד בודד ומט"מים מיקרו- מציב דרישות גבוהות יותר לגודל ומשקל של מערכות הדמיה אינפרא אדום. פריצות דרך עתידיות בטכנולוגיות מפתח, כגון עיצוב אופטי דו-פסי-(מערכת אחת יכולה לזהות בו-זמנית שני פסי אינפרא-אדום, להפחית את מספר הרכיבים האופטיים), טכנולוגיית מיקרו-קירור (פיתוח מקררי הספק{12}קטנים יותר{12}}ופחות{12}} ופחות{13}}שבבי עיבוד אותות של מערכת{13}} ומשקל תוך שמירה על ביצועי זיהוי. זה יאפשר יישום רחב יותר של טכנולוגיית הדמיית אינפרא אדום על ציוד כגון מכשירי ראיית לילה בודדים, מל"טים מיקרו-סיור וטילים קטנים, ותגביר את יכולות הלחימה של יחידות בסיס קרביות.
ריבוי צבע: הדמיית אינפרא אדום מסורתית היא לרוב-פס יחיד, לוכדת מידע יעד מוגבל. הפיתוח העתידי יעבור לכיוון ריבוי צבעוני (הדמיה מרובת-להקות). על ידי הרחבת טווח הספקטרלי הזיהוי (למשל, כיסוי גל קצר, גל בינוני, גל ארוך ואינפרא אדום-אולטרה) או חידוד חלוקת הלהקה (פיצול פס בודד למספר תת-רצועות-), ניתן ללכוד את מאפייני הקרינה של המטרה בפסי אינפרא-אדום שונים, וליצור תמונה של "צבע". הדמיה מרובת צבעים מספקת מידע יעד עשיר יותר (כגון הבחנה של התפלגות טמפרטורה על פני חלקים שונים של מטרה וזיהוי מטרות מוסוות), שיפור דיוק זיהוי מטרות ויכולות אנטי--הפרעות ברקע מורכב (לדוגמה, הבחנה יעילה בין מטרות לתעתועי אינפרא אדום). יתר על כן, ריבוי צבע ישולב עם טכנולוגיה לא מקוררת (ביטול הצורך במקרר, צמצום נוסף של גודל וצריכת חשמל), אלגוריתמים חכמים (כגון -זיהוי יעדים בסיוע בינה מלאכותית והערכת איומים אוטומטית), ואינטגרציה בצפיפות{{12} גבוהה, המניעה את הפיתוח של מערכות הדמיה אינפרא-אדום לכיוון רב-תכליתיות וצריכת חשמל נמוכה.
מנקודת מבט של שוק, הביקוש למערכות הדמיה אינפרא אדום וחיישנים במגזר הצבאי ימשיך לגדול. צמיחה זו מונעת הן על ידי פריסת נשק וציוד חדשים (כגון מטוסי קרב-שישי, פלטפורמות לחימה בלתי מאוישות וטילים היפרסוניים) והן על ידי שדרוג והתאמה של ציוד קיים (כגון התאמה לאחור של טנקים ישנים ומטוסי קרב עם מערכות הדמיה אינפרא אדום מתקדמות). במקביל, שיעור המוצרים המוגמרים המסחריים (כגון מצלמות אינפרא אדום אזרחיות וציוד בדיקה תעשייתי) המשמשים בצבא יגדל בהדרגה (באמצעות תקינה צבאית והפחתת עלויות). מערכות מטוסי מוקד לא מקוררות, בשל גודלן הקטן, צריכת החשמל הנמוכה והעלות הנמוכה יחסית, צפויות להתפתח בקצב מהיר יותר, להפוך לבחירה המרכזית עבור ציוד בודד ופלטפורמות קטנות, ולקדם את הפופולריות והיישום הנרחב של טכנולוגיית הדמיית אינפרא אדום בצבא.
