ข้อมูลอ้างอิง MASS Consultant Co.Ltd.
กล่าวนำ
จากที่เคยกล่าวมาแล้วว่า การสงครามอิเล็กทรอนิกส์เป็นการใช้ประโยชน์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทุกย่านความถี่ ซึ่งรวมไปถึงคลื่นอินฟราเรด (Infrared: IR) ด้วยนั้น ในบทความนี้จะเน้นในการใช้พลังงานของ คลื่นอินฟราเรดในทางทหารเป็นสำคัญ โดยเฉพาะการแพร่กระจาย และพิสัย (Propagation and Range), ตัวตรวจจับและอุปกรณ์ (Detectors and Optics), การค้นหาทางอินฟราเรด (IR Scanning), คุณลักษณะของเป้าทางอินฟราเรด (IR Target Characteristic)
การแพร่กระจาย และพิสัย (Propagation and Range)
เนื่องจาก คลื่นอินฟราเรดเป็นคลื่นหนึ่งที่อยู่ในย่านความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นยังคงมีคุณลักษณะต่าง ๆ เช่นเดียวกับคลื่นวิทยุ หรือคลื่นเรดาร์ที่เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นกัน ใช้กฎ และคุณสมบัติของการแพร่กระจายคลื่นเหมือนกัน โดยมีความต่างเพียงการมีความยาวคลื่น (Wavelength: λ) ที่สั้นกว่า และมีความถี่ (Frequency: f) โดยความถี่ที่สูงขึ้นจะทำให้ผลกระทบในการดูดซับ (Absorption) และการกระจาย (Scattering) ในบรรยากาศมากกว่าคลื่นวิทยุ และคลื่นเรดาร์ ทำให้การตรวจจับทำได้ในระยะที่ใกล้กว่า นอกจากการดูดซับ และการกระจายที่มีผลกระทบจากความถี่ที่สูงขั้นแล้ว ยังคุณสมบัติการปล่อยพลังงาน (Emission) และกระแสรบกวน (Turbulence) ที่มีผลทำให้ระยะในการใช้ประโยชน์จากคลื่นอินฟราเรดลดลงอีกด้วย
การปล่อยพลังงาน (Emission)
โดยทั่วไปตัวตรวจจับคลื่นอินฟราเรด (IR) จะต้องแยกแยะระหว่างพลังงานที่ปล่อยออกมาจากเป้ากับพลังงานที่มาจากการแพร่รังสีของสิ่งแวดล้อม เช่น พลังงานความร้องของดวงอาทิตย์ที่สะท้อนออกมาจากพื้นดินหรือเมฆ ที่สามารถปิดกั้นพลังงานที่ปล่อยออกมาจากเป้าหมายได้ อีกทั้งระบบยังต้องคัดกรอง เพื่อที่จะกำจัดคลื่นในย่านความถี่ที่ไม่ต้องการออกไป ดังนั้น ตัวตรวจจับคลื่น อินฟราเรด (IR Detector) จำเป็นต้องถูกเลือกให้ไวต่อย่านความถี่ที่เป้าหมายปล่อยพลังงานออกมามากที่สุด เพื่อให้สามารถค้นหาและทราบทิศทางที่จะนำไปสู่เป้าหมายได้ หากมีความไม่ชัดเจนระหว่างพลังงานจากเป้าหมายกับพลังงานที่ปล่อยออกมาจากสิ่งแวดล้อม เช่น ดองอาทิตย์ หรือ Flare จะทำให้การตรวจจับด้อยประสิทธิภาพลงไป
กระแสรบกวน (Turbulence)
การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในบรรยากาศเป็นสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงของค่าดัชนีการหักเหของคลื่น และส่งผลให้ภาพของเป้าหมายมีการขยับไปมา ทำให้ภาพไม่คมชัด และการเคลื่อนที่ของเป้าหมายไม่ชัดเจน ซึ่งจะมีผลกระทบทั้งการรับภาพของตามนุษย์ และอุปกรณ์ตรวจจับที่ต้องใช้เวลาในการโฟกัส 100 millisecond(ms) และ 33 ms ตามลำดับ
ตัวตรวจจับ(Detectors)
ในการที่จะใช้พลังงานคลื่นอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากเป้าหมายให้เกิดประโยชน์ พลังงานเหล่านี้จะต้องถูกตรวจจับ และแปลงให้อยู่ในรูปของข้อมูลที่สามารถนำไปใช้ได้ ตัวตรวจจับอินฟราเรด (IR Detector) เป็นวัสดุพิเศษที่มีความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานคลื่นอินฟราเรดให้เป็นพลังงานไฟฟ้าในความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน และได้รับผลกระทบได้โดยตรงกับอุณหภูมิที่ต่ำลง ตัวอย่างวัสดุที่นำมาใช้สำหรับตรวจจับพลังงาน IR ในจรวดนำวิถีด้วยความร้อน ได้แก่ Lead Sulphide (PbS), Indium Antimonide (InSb) และ Mercury cadmium telluride (HgCdTe) เป็นต้น
รูป ๑ Lead Sulphide (PbS)
รูป ๒ Indium Antimoide (InSb)
จากที่กล่าวมาแล้วว่าขีดความสามารถการตรวจจับของวัสดุจะได้รับผลกระทบโดยตรงจากอุณหภูมิของการใช้งาน ดังนั้นการหล่อความเย็น (Cooling) ให้กับตัวตรวจจับจึงเป็นสิ่งที่จำเป็นต่อระบบที่นำไปใช้เป็นอย่างยิ่ง โดยทำให้ไวต่อการตรวจจับพลังงาน IR ยิ่งขึ้น ด้วยเหตุผล ๓ ประการ คือ
๑. การแพร่พลังงานในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิปกติ (Ambient Temperature) ตัวตรวจจับจะได้รับการหันหวน(Fluctuations) จากคลื่นรบกวน (Noise) ที่มาจากสิ่งแวดล้อม ซึ่งเกิดจากความร้อน
๒. การหล่อเย็นสามารถลดสัญญาณรบกวนภายในระบบ (Internal System Noise)
๓. เมื่ออุณหภูมิสูง เซลของตัวตรวจจับจะมีจะมีอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นอยู่มาก ดังนั้นต้องใช้พลังงานเพิ่มขึ้นในการที่จะกระตุ้นอิเล็กตรอนที่เหลืออยู่ในการตรวจจับพลังงานอินฟราเรดของเป้าหมาย ดังนั้นทำให้ความไวต่อการตรวจจับ(Sensitivity) ต่ำ ในทางตรงกันข้าม เมื่ออุณหภูมิต่ำ อิเล็กตรอนภายในเซลของการตรวจจับจะถูกกระตุ้นน้อยกว่า ทำให้มีอิเล็กตรอนเหลืออยู่เป็นจำนวนมากไนการตรวจจับพลังงานจากเป้าหมายได้ ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิต่ำลงจะทำให้ความไวต่อการตรวจจับสูงขึ้น
ในปัจจุบัน ประเภทของวัตถุตรวจจับพลังงานอินฟราเรดมี ๒ ประเภท คือ ตัวตรวจจับความร้อน (Thermal Detector) และ ตัวตรวจจับอนุภาค (Photon or Quantum Detector)
๑. ตัวตรวจจับความร้อน (Thermal Detector) เป็นการตรวจจับความร้อนที่เกิดการแผ่รังสี แล้วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของคุณสมบัติทางฟิสิกส์ และคุณลักษณะทางไฟฟ้าของวัสดุ ซึ่งการสนองตอบนี้จะขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่ถูกดูดวับเข้าไปในวัตถุตัวตรวจจับ วัตถุชนิดนี้สามารถทำงานได้ในอุณหภูมิปกติ แต่ต้องใช้เวลาในการสนองตอบมาก
๒. ตัวตรวจจับอนุภาค (Photon or Quantum Detector) การตรวจจับประเภทนี้ การแผ่รังสีความร้อนของเป้าหมาย ทำให้เกิดการกระตุ้นของอิเล็กตรอนภายในอะตอมของวัตถุแล้วสร้างเป็นกระแสสัญญาณ (signal Current) ตัวตรวจจับอนุภาค Photon มีข้อได้เปรียบที่สามารถผลิตให้มีความไวในการตรวจจับมากในย่านความถี่ที่กำหนดได้ แก่สัญญาณผลลัพธ์ที่ได้นั้นน้อยมาก จนถูกรบกวนจากสิ่งรบกวนต่าง ๆ (Noise) ได้ง่าย จึงจำเป็นต้องมีระบบหล่อเย็น (Cooling) เพื่อลดอุณหภูมิอยู่ในระดับต่ำ (77 K)
ระบบเลนส์ของอินฟราเรด (IR Optical System)
วัตถุประสงค์หลักของระบบเลนส์ คือการรวบรวมการแผ่รังสีของคลื่นอินฟราเรดจากแหล่งที่มา และโฟกัสไปยังตัวตรวจจับ โดยมีปัจจัยในขีดความสามารถของการทำงาน ที่สำคัญ ๒ ปัจจัย คือ ขนาดของเลนส์ (Lens Diameter) และมุมการมอง (Field of View)
ขนาดของเลนส์ (Lens Diameter) เลนส์ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่จะสามารถรับพลังงาน และส่งไปที่ตัวตรวจจับได้มากกว่า ทำให้มีประสิทธิภาพในการทำงานสูงขึ้น
มุมการมอง (Field of View: FOV) เป็นมุมในความสามารถการมองเห็นของมนุษย์ หรืออุปกรณ์ ณ ขณะใดขณะหนึ่งขีดจำกัดทางกายภาพในมุมการตรวจจับแหล่งที่มาของพลังงานอินฟราเรด
รูป ๓ Field of View
ในการตรวจจับวัตถุต่าง ๆ การแผ่รังสีของพื้นหลัง(Background) จะยังคงอยู่รวมกับเป้าหมาย (Target) กรณีของตัวค้นหาของจรวด (IR Missile Seeker) ท้องฟ้าจะทำให้เกิดการแผ่รังสีพื้นหลังที่ไม่ต้องการ ซึ่งถือเป็นสิ่งรบกวน (Noise) อย่างหนึ่ง ดังนั้น ตัวตรวจจับ (Detector) จึงจำเป็นต้องจำกัดการรับคลื่นในห้วงความยาวคลื่นที่ต้องการ โดยการใช้ตัวกรอง ที่เรียกว่า Spectral Filtering เพื่อกรองความยาวคลื่นที่ไม่ต้องการออกไป
ยังมีอีกเทคนิคที่ใช้ในการลดสัญญาณพื้นหลังออกจากเป้าหมาย เรียกว่า Spatical Filtering ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้กันมาก โดยใช้ตรวจกรองที่มีลวดลาย เรียกว่า Reticle ที่มีลักษณะเบื้องต้นเป็นแผ่นเลนส์กลม แบ่งส่วนตามแนวรัศมี โดยมีส่วนที่โปร่งแสงและทึกแสงสลับกัน
รูป ๔ Retical แบบต่าง ๆ
เมื่อ Reticle เกิดการหมุน มันจะสแกนบนภาพที่ปรากฏ หากเป้าหมายมีขนาดใหญ่ เช่น เมฆ พลังงานจะเล็ดลอดผ่านช่องโปร่งแสงทุก ๆ ช่องทำให้ผลลัพธ์ที่ได้มีการเปลี่ยนแปลงไม่มากนัก แต่หากเป้าหมายมีขนาดเล็ก พลังงานจะผ่านเฉพาะช่องที่มีเป้าหมายอยู่ ทำให้เกิความแตกต่างระหว่างผลลัพธ์ของช่องโปร่งแสงที่มีเป้าหมาย กับที่ไม่มีเป้าหมาย รวมทั้งส่วนทึบแสงที่พลังงานไม่สามารถผ่านได้ ทำให้เกิดความถี่ของสัญญาณ ที่ใช้ในการแสดงความมีอยู่ของเป้าหมาย
รูป ๕ Spatial Filtering
ชุดเลนส์ของระบบอินฟราเรดนั้นจำเป็นต้องคำนึงถึงการผ่าน (Transmissivity) ของพลังงานอินฟราเรดไปยังตัวจรวจจับภายใน ในอุดมคตินั้นการผ่านของพลังงานควรผ่านได้ทั้งหมด แต่ในความเป็นจริงจะมีพลังงานส่วนหนึ่งที่สะท้อนกลับออกมา และอีกส่วนหนึ่งที่ถูกดูดวับไว้ในเนื้อเลนส์เอง ในด้านการติดตั้งเป็นอีกปัจจัยในการออกแบบอุปกรณ์ เนื่องจากระบบ ฯ จะต้องนำไปใช้ในอากาศยานรบ ต้องคำนึงถึงความทนทาน (Ruggedness) ต่อสภาพแรง G ที่มาก โดยสรุปแล้วในการออกแบบชุดเลนส์ของอุปกรณ์ระบบคลื่นอินฟราเรด (IR System) จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยดังต่อไปนี้
ย่านความถี่ (Bandwidth)
ย่านความถี่เป็นปัญหาแรกของอุปกรณ์ตรวจจับคลื่นอินฟราเรด เนื่องจากคลื่นอินฟราเรดมีห้วงความยาวคลื่นระหว่าง 0.72 µ ถึง 1000 µ ในการหาวัสดุที่สามารถตรวจจับให้ครอบคลุมทั้งย่านความถี่นั้นเป็นไปได้ยาก ถึงแม้นจะให้วัสดุหลาย ๆ ชนิดมาประกอบกัน ก็ตาม ในปัจจุบันอุปกณ์ตรวจจับคลื่นอินฟราเรดมีความสามารถในการจับคลื่นในช่วง 0.72µ ถึง 15 µ เท่านั้น ซึ่งน้อยกว่าย่านความถี่ทั้งหมดของคลื่นอินฟราเรดอยู่ถึง 40 เท่า และนำไปสู่ปัญหาของการกรอง และการส่งผ่านของพลังงาน ซึ่งจะต้องสอดคล้องกับพลังงานคลื่นอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากเป้าหมาย(อากาศยาน) ต่อไป
ปัจจุบันมีการแยกย่านความถี่คลื่นอินฟราเรดออกเป็นย่านความถี่ย่อย ๆ หลายแบบ แต่ที่มีความนิยมมากที่สุดโดยอ้างอิงจาก Wikipedia.com ได้แบ่งออกเป็นช่วง ๆ ตามความยาวคลื่นดังนี้
๑. ย่าน Near-Infrared (NIR, IR-A: 0.75µ – 1.4µ) เป็นย่าน IR ที่สามารถใช้แก้วเป็นตัวนำได้ นิยมใช้ในอุปกรณ์สายไยแก้วนำแสง (Fiber Optic)
๒. ย่าน Short-Wavelength (SWIR, IR-B: 1.4µ – 3µ) เป็นย่าน IR ที่ถูกปล่อยออกมาจากโลหะท่อท้ายของเครื่องยนต์อากาศยาน (Engine Hot Metal & Exhaust Pipe) ซึ่งเป็นแหล่งพลังงาน IR ที่ถูกใช้ในการตรวจจับในยุคแรก ๆ ของจรวดนำวิถีด้วยคลื่นอินฟราเรด
๓. ย่าน Mid-Wavelength (MWIR, IR-C: 3µ – 8µ) เป็นย่าน IR ที่ใช้ในการตรวจจับเป้าหมายอากาศยานที่นิยมในปัจจุบัน เนื่องจากเป็นพลังงานที่ปล่อยมาจากไออากาศร้อนของเครื่องบิน (Exhaust Plume) ซึ่งทำให้มุมในการยิงกว้างกว่าการตรวจจับในย่าน SWIR
๔. ย่าน Long-Wavelength (LWIR, IR-C: 8µ – 15µ) เป็นย่าน IR ที่เกิดจากความร้อนที่เพิ่มขึ้นทางกายภาพของวัตถุ เช่นการเสียดสีของอากาศบริเวณผิวของอากาศยานความเร็วสูง (> 1 M) ซึ่งสามารถนำมาใช้ในอุปกรณ์ Forward Looking Infrared: FLIR และใช้ประกอบกับอุปกรณ์ IR ย่านอื่น ๆ เพื่อเป็นการป้องกัน Countermeasure Technique ของเป้าหมาย ในบางกรณี ย่าน LWIR จะถูกนำรวมกับย่าน FIR
๕. ย่าน Far Infrared (FIR: 15µ – 1000µ) เป็นย่าน IR ที่ยังมีการใช้งานไม่แพร่หลายนัก ในปัจจุบันมีการพัฒนานำไปใช้ในอุปกรณ์ Far Infrared LASER สำหรับการตรวจหาสารระเบิด และสารที่ใช้ในสงครามเคมี (Chemical Warfare Agents: CWAs)
รูป ๖ การแบ่งย่านความถี่คลื่น IR และการส่งผ่านพลังงานในบรรยากาศ
การส่งผ่านพลังงาน (Transmissivity)
ในการออกแบบชุดเลนส์ของระบบ IR จะต้องเลือกวัสดุที่สามารถผ่านพลังงานในย่านความยาวคลื่นที่ต้องการได้มากที่สุด ในย่านความยาวคลื่นที่ต้องการ ได้แก่ ท่อท้ายเครื่องยนต์ (1.6µ – 2.8µ), ไออากาศร้อน (4µ – 5.5µ), และความร้อนที่ผิวเครื่องบิน (8µ – 14.5µ)
รูป ๗ แหล่งกำเนิดพลังงาน IR และความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาจากอากาศยาน
โดยทั่วไปสารที่นำมาใช้ในชุดเลนส์ IR คือ Ceramic, Germanium (Ge) และ Arsenic Trisulphide (As2S3) หากเป็นจรวดนำวิถีด้วยคลื่น IR ในยุคแรกที่ต้องการตรวจจับในย่าน SWIR อาจใช้แก้ว (Silicon: SiO2) ที่สามารถส่งผ่านพลังงาน IR ได้ดีในช่วงความยาวคลื่นน้อยกว่า 3µ
ข้อจำกัดทางกายภาพ (Physical Limitation)
ตามธรรมชาติ วัสดุที่ใช้ในอุปกรณ์ระบบ IR มีลักษณะทางกายภาพที่อ่อนแอ สามารถถูกทำให้เสียหายโดยน้ำ ความชื้น และสารละลายต่าง ๆ ไม่คงทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และความดัน อีกทั้งต้องพิจารณาถึงความเสียหายที่เกิดจากการใช้งานในสิ่งแวดล้อมในพื้นที่การรบอีกด้วย
การเกิดความร้อน (Heating)
อุปกรณ์ระบบ IR หลายชนิดที่ต้องทำงานในอุณหภูมิปกติที่ร้อนมาก ความร้อนที่เกิดขึ้นนี้อาจส่งผลให้ชุดเลนส์เกิดการปล่อยพลังงาน IR ออกมา ทำให้เกิดเป็นเป้าหมายที่เกินความต้องการ (False Target)
การสแกนคลื่นอินฟราเรด (IR Scanning)
ความต้องการหลักของชุดเลนส์ระบบ IR คือ การโฟกัสพลังงาน IR ลงไปยังตัวตรวจจับจากทิศทาง (Azimuth) และมุมยก (Elevation) ที่ถูกต้อง มี ๒ หนทางพื้นฐานในวัตถุประสงค์นี้ ได้แก่ การสแกนแบบอนุกรม (Serial Scanning) และการสแกนแบบขนาน (Parallel Scanning)
การสแกนแบบอนุกรม (Serial Scanning หรือ Scanning Arrays)
เป็นการรับภาพความร้อนโดยใช้ตัวตรวจจับเพียงชิ้นเดียว โดยใช้การสแกนผ่านกระจก ๒ ชุด (ตามแนวนอน และแนวตั้ง) ด้วยวิธีเก็บภาพเป็นจุด ๆ ตลอด FOV ด้วยความเร็วสูง แล้วส่งไปจังตัวขยายสัญญาณ และประมวลผลให้เป็นภาพที่ต้องการ กระบวนการในการสร้างภาพทั้งหมดนี้ ต้องมีความเร็วไม่น้อยกว่า ๒๕ ภาพต่อวินาที เพื่อทำให้เกิดความต่อเนื่องและไม่ให้เกิดปัญหาการกระตุกของภาพ
การสแกนแบบขนาน (Parallel Scanning หรือ Time Domain Integration หรือ Time Delay Integration)
เป็นการรับภาพความร้อนโดยใช้ตัวตรวจจับหลายตัวที่ติดตั้งไว้ในแนวตั้ง โดยทั่วไปจะใช้ตัวตรวจจับไม่เกิน ๑๒๘ ชิ้น (๑๒๘ เส้น) จำนวน ๑ แถว แล้วใช้การสแกนในแนวนอน ใน FOV ที่ต้องการ หากต้องการความละเอียดมากกว่า ๑๒๘ เส้น จำเป็นต้องมีการสแกนในแนวตั้งเพิ่มเติม หากตัวตรวจจับติดตั้งไว้ในแนวนอนแล้วให้การผสมสัญญาณของทุก ๆ ตัวเข้าด้วยกันในการสร้างภาพ จะทำให้สามารถลดสัญญาณรบกวนที่เป็น Random ได้ทำให้ได้ภาพที่ชัดเจนยิ่งขึ้น แต่มีความล้าช้าในการรอสัญญาณ ซึ่งอย่างน้อยต้องเป็น ๘ เท่าของตัวตรวจจับ เทคนิคนี้เรียกว่า Time Domain Integration หรือ Time Delay Integration (TDI) ซึ่งยังคงการสร้างภาพแบบมิติเดียวเช่นเดียวกับ Serial Scanning
การสแกนแบบจดจ้อง (Staring Arrays)
เป็นการสร้างภาพความร้อนโดยใช้ตัวตรวจจับจำนวนมากติดตั้งเต็มพื้นที่ของ FOV เป็นการแปลงสัญญาณโดยไม่จำเป็นต้องใช้การสแกนของตัวตรวจจับ จึงไม่จำเป็นต้องมีกลไกต่างต่าง ๆ เช่นชุดกระจก แต่จำเป็นต้องมีวงจรไฟฟ้าที่ใช้สำหรับการผนวกภาพจากตัวตรวจจับในส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกัน และการประมวลภาพในแต่ละตัวตรวจจับจะต้องทำงานสอดคล้องในเวลาเดียวกันเพื่อความต่อเนื่องของภาพ หากจำนวนของตัวตรวจจับมากขึ้นจะทำให้คุณภาพของภาพที่ออกมาดีขึ้น
รูป ๘ IR Scanning แบบต่าง ๆ
ความแตกต่างการสร้างภาพของ Staring Arrays กับ Scanning Arrays และ TDI คือ Staring Arrays สามารถสร้างภาพใน Field of View (FOV) ที่ต้องการได้โดยไม่ต้องสแกน สำหรับ Scanning Arrays เป็นการสร้างภาพที่เกิดจากใช้การประกอบกันของ Instant FOV โดยใช้การหมุนของกระจกในการเก็บส่วนของภาพในการสแกน จนได้ภาพครบตาม FOV ที่ต้องการ สำหรับเทคนิค TDI จะเป็นการสแกนที่ละแถว แล้วใช้การขยับของกล้องในการเก็บส่วนของภาพในแถวถัดไป
“A staring array is analogous to the film in a typical camera; it directly captures a 2-D image projected by the lens at the image plane. A scanning array is analogous to piecing together a 2D image with photos taken through a narrow slit. A TDI imager is analogous to looking through a vertical slit out the side window of a moving car, and building a long, continuous image as the car passes the landscape.” wikipedia.com
ข้อดีและข้อเสียของ Starring Arrays
| ข้อดี | ข้อเสีย |
| ๑.ระบบกลไกไม่ซับซ้อน | ๑.กระบวนการในการสร้างภาพซับซ้อน |
| ๒..ใช้พลังงานน้อยกว่า | ๒.ยุ่งยากในสายการผลิด |
| ๓.แข็งแรงมากกว่า | ๓.Detectors ต้องมีการสนองตอบเหมือนกัน |
| ๔.ใช้เวลาน้อยกว่าในการสร้างภาพ | ๔.ต้องใช้ Detectors ใน FOV เป็นจำนวนมาก |
คุณสมบัติของเป้าทางคลื่นอินฟราเรด (IR Target Characteristics)
โดยทั่วไปการปรากฏของเป้าจะเปลี่ยนแปลงไปตามชนิดของพื้นหลัง การค้นพบเป้าหมายจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างเป้าหมายกับพื้นหลัง หากเป้าหมายมีความต่าง (Contrast) กับพื้นหลังมากจะทำให้ถูกค้นพบหรือตรวจจับได้ง่าย ในทางตรงกันข้ามหากเป้าหมายกลมกลืน (Camouflage) กับพื้นหลัง จะทำให้ตรวจจับได้ยาก ซึ่งหลักการนี้สามารถนำไปใช้ได้ทั้งการตรวจจับด้วยสายตา และการตรวจจับด้วยอุปกรณ์คลื่นอินฟราเรด
รูป ๙ เป้าหมายที่มีความแตกต่างจากพื้นหลัง
รูป ๑๐ เป้าหมายที่กลมกลืนกับพื้นหลัง
สำหรับอากาศยานการแพร่พลังงานอินฟราเรดจะมีพื้นหลังเป็นท้องฟ้า เมฆ ดวงอาทิตย์ หรือพื้นดิน ซึ่งมีความต่างของระดับการสะท้อนความร้อนในสิ่งแวดล้อมที่ต่างกัน เมื่อเปรียบเทียบกันแล้วท้องฟ้าจะเย็น พื้นดินจะร้อน ผลจะทำให้การตรวจจับทำงานได้ผิดพลาดมากขึ้น และหากได้รับพลังงานความร้อนโดยตรงจากแหล่งกำเนิดพลังงานขนาดใหญ่ เช่นดวงอาทิตย์ หรือเลเซอร์ อาจทำให้ระบบเกิดความเสียหายได้
แหล่งที่มาของคลื่นอินฟราเรดของอากาศยาน
พลังงาน IR ของอากาศยานมีการแผ่รังสีออกจากแหล่งกำเนิด ๓ แห่ง คือ โลหะร้อนบริเวณห้องผาไหม้และท่อท้าย (Combustion Chamber and Pipe), ไออากาศร้อน (Jet Plume), และพื้นผิว (Aerodynamically heated Surfaced)
การแผ่พลังงานจากท่อท้าย (Jet Pipe Emission)
โดยปกติเมื่อเครื่องยนต์ไอพ่นทำงาน จะสามารถวัดอุณหภูมิท่อท้ายอยู่ระหว่างประมาณ 750µ – 1200µ (477˚C – 927˚C) ซึ่งท่อท้ายที่ร้อนนี้จะเป็นแหล่งที่ปล่อยพลังงาน IR ที่เข้มข้นในช่วงความยาวคลื่น 2µ – 4µโดยมีค่าความร้อนหลายกิโลวัตต์ ดังนั้น ท่อท้ายจะเป็นเป้าหมายอย่างดีในการตรวจจับและนำวิถีของจรวด IR แต่ยังมีข้อจำกัดบางประการ ได้แก่
๑. ความยาวคลื่น IR ที่ปล่อยออกจากโลหะท่อท้ายจะใกล้เคียงกับความยาวคลื่นแสง ดังนั้นอาจทำให้ระบบค้นหาของจรวดถูกรบกวนโดยแสงที่มีความสว่างมาก ๆ เช่นดวงอาทิตย์ หรือเมฆ
๒. ท่อท้ายของเครื่องยนต์ไอพ่นถูกออกแบบมาให้มีขีดจำกัดในการถูกมองเห็น โดยส่วนใหญ่จะอยู่ภายในกรวย 30˚ จากด้านหลังตามแกนของเครื่องบิน (Conical Zone) หรือเรียกมุมนี้ว่า Angle Off Tail: AOT ซึ่งจรวจจะสามารถรับพลังงานความร้อนที่ประมาณ 773K (500˚C)
รูป ๑๑ Jet Pipe Emission
การแผ่พลังงานจากไออากาศร้อน (Jet Plume Emission)
ไออากาศร้อนเกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงและอากาศ จะประกอบไปด้วย ไอน้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งสามารถปล่องพลังงานคลื่นอินฟราเรดได้เมื่อถูกทำให้ร้อน โดยคาร์บอนไดออกไซด์ปล่อยคลื่น IR อย่างมากในช่วงความยาวคลื่น 3µ และไอน้ำปล่อยคลื่น IR ในช่วงความยาวคลื่น 4.2µ ซึ่งจะถูกจับได้ง่ายในระดับความสูงที่มาก
ตามลักษณะกายภาพของไออากาศร้อนจะมีปริมาตรและขนาดที่ใหญ่กว่า Jet Pipe ทำให้การค้นหาและนำวิถีของจรวดทำได้เกือบทุกทิศทาง (Nearly All Aspect) ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบของการใช้คลื่น IR ในช่วงความยาวคลื่นนี้
ปริมาณความร้อนของไออากาศร้อนจากอากาศยานขึ้นอยู่กับการกำหนดตำแหน่ง Throttle ของนักบิน หาก Throttle อยู่ในตำแหน่งปกติ อุณหภูมิของไออากาศร้อนจะประมาณ 600K (327˚C) หากอยู่ในตำแหน่ง หรือใช้ Afterburner อุณหภูมิจะเพิ่มเป็น มากกว่า 1000K (727˚C) และมีปริมาตรที่ใหญ่ขึ้นทำให้มุมและรัศมีการถูกตรวจจับขยายตัวมากขึ้น
การใช้เครื่องยนต์ไอพ่น แบบ Turbofan อาจช่วยให้อุณหภูมิของไออากาศร้อนเย็นลงเร็วขึ้น โดยอาศัยการผสมของอากาศเย็นที่ไหลผ่านช่องอากาศโดยตรง
รูป ๑๒ Jet Plume Emission
ความร้อนจากพื้นผิว (Aerodynamically Heated Surfaces)
ตามปกติที่ความเร็วต่ำกว่าเสียง (Subsonic) การแผ่คลื่นความร้อนที่เกิดจากอากาศพลศาสตร์จะเกิดน้อยมาก แต่เมื่อความเร็วเพิ่มมากกว่าความเร็วเสียง (Mach Speed) เริ่มมีความร้อนเกิดขึ้นจากความดันที่สูงขึ้นบริเวณชายหน้าของโครงสร้าง อากาศยาน ซึ่งสาเหตุจากแรงเสียดทางระหว่างพื้นผิวกับอากาศ โดยมีช่วงความยานคลื่นระหว่าง 8µ – 14µ และหากเพิ่มความเร็วมากกว่า 2 Mach ความร้อนที่เกิดจากอากาศพลศาสตร์นี้ยิ่งสูงขึ้นอย่างมาก รวมทั้งยังสามารถถูกตรวจจับได้ง่ายจากด้านหน้า (Front Aspect)
การแผ่คลื่นความร้อนของพื้นผิวอาจมีปริมาณน้อยเมื่อเทียบกับ Jet Pipe และ Jet Plume แต่มีความสำคัญมากเนื่องจากเป็นตัวที่ใช้แยกเป้าหมาย (Target) อากาศยานออกจากเป้าลวง (Flare) เนื่องจาก Flare ทั่วไปจะไม่สามารถผลิตความร้อนที่เกิดจาก Aerodynamically Heated Surfaces ได้
รูป ๑๓ Leading Edges IR Emission
Nniwat's Blog 