กล่าวนำ 

ระบบ Electro-Optics เป็นส่วนหนึ่งของการสงครามอิเล็กทรอนิกส์ในย่านความถี่ที่อยู่นอกเหนือคลื่นวิทยุ (Radio Frequency: RF) ซึ่งเรียกรวมว่า ย่านความถี่ Electro-Optics: EO ซึ่งเป็นทำงานของอุปกรณ์ เทคนิค และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการกระจาย และการรับการแพร่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านอินฟราเรด (Infrared: IR), แสง (Visual Light), และอัลตราไวโอเล็ต (Ultraviolet)

รูป ๑ Electro-Optic Spectrum

การพัฒนาระบบ EO ในทางการทหารได้มีมาอย่างต่อเนื่องเพื่อการปฏิบัติการในสภาพอากาศที่เลวร้าย และมีทัศนวิสัยไม่ดีทั้งในเวลากลางวัน และกลางคืน ทั้งในการทำงานแบบ Passive เช่น ระบบนำวิถีด้วยอินฟราเรด (IR Homing), การสร้างภาพด้วยความร้อน (Thermal Imaging: TI), และการเพิ่มความเข้มของภาพ (Image Intensification: II) เป็นต้น รวมทั้งเป็นส่วนหนึ่งในระบบการตรวจจับ(Surveillance), การลาดตระเวน (Reconnaissance), การนำทาง (Navigation), การเลือกและติดตามเป้าหมาย (Target Acquisition and Tracking), การเล็งอาวุธ (Weapon Sights) การช่วยในการมอง (Personal Sights), การควบคุมการยิง และการนำวิถีอาวุธ (Fire Control and Weapon Guidance) สำหรับการทำงานแบบ Active เช่นระบบเลเซอร์ (LASER)        ถูกพัฒนามาใช้ในอุปกรณ์การวัดระยะ(range finding), การชี้เป้า (target designation) และการนำวิถีจรวด (missile guidance) ซึ่งในปัจจุบันได้มีการพัฒนาเพิ่มความเข้มและพลังงาน (High Energy LASER: HEL) เพื่อให้สามารถใช้เป็นอาวุธในการสกัดกั้นจรวด

คุณลักษณะของคลื่นความถี่ย่าน Electro-Optics

                โดยทั่วไปแล้วคุณสมบัติของคลื่นในย่านความถี่นี้จะคล้ายกับคลื่นความถี่ในย่านเรดาร์ และย่านวิทยุ โดยต้องเป็นไปตามกฎการสะท้อน (Reflection), การหักเห (Refraction), การเบี่ยงเบน (Diffraction) และขั้วไฟฟ้า (Polarization) รวมทั้งยังมีความเร็วในการแพร่เป็นความเร็วแสงที่เท่ากัน ความแตกต่างที่สำคัญของคลื่นในย่าน Electro-Optic คือจะมีความยาวคลื่น (Wavelength: λ) ที่สั้นกว่า หรือมีความถี่คลื่น (Frequency: f) ที่สูงกว่าย่านความถี่ของ RADAR โดยความถี่ของคลื่นจะอยู่ในช่วงเมกะเฮิร์ท (MHz) ถึงช่วงกิกะเฮิร์ท (GHz) และความยาวคลื่นอยู่ในช่วงไมโครเมตร (micrometer) หรือ ไมครอน (micron: µ) ซึ่งเท่ากับ 1 x 10-6 เมตร

คลื่น ความยาวคลื่น (micron: µ)
อินฟราเรด (IR)-          Far Far IR

–          Far IR

–          Middle IR

–          Near IR

 1000 – 40  

40 – 6

6 – 1.5

1.5 – 0.72

แสง (Visual Light) 0.72 – 0.40
อุลตราไวโอเรด (UV) 0.40 – 0.01

ตาราง 1 ความยาวคลื่น Electro-Optics

ในเวลากลางวันดวงอาทิตย์จะเป็นแหล่งผลิตพลังงานที่มีปัจจัยสำคัญในย่านความถี่แสง ทำให้พลังงานที่สะท้อนออกมาจากวัตถุต่าง ๆ เกิดเป็นภาพในการมองเห็นของมนุษย์ แต่ในเวลากลางคืนการสะท้อนของพลังงานในย่านดังกล่าวมีปริมาณน้อยทำให้เกิดข้อจำกัดในการมองเห็นของมนุษย์ จึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานอื่น หรือคลื่นในย่านความถี่อื่น ได้แก่ Visual light, IR หรือ UV ในการทำให้เกิดภาพแทนแสงที่มาจากดวงอาทิตย์ สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ความถี่ย่าน Visual light ซึ่งรวมถึงย่าน near UV และ near IR ใช้ในการตรวจจับพลังงานจากแหล่งอื่นที่สะท้อนออกมาจากวัตถุ ได้แก่ ระบบโทรทัศน์ (television: TV), ระบบเพิ่มความเข้มของภาพ (Image Intensifiers: II) และการภาพถ่าย (Photography) สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ความถี่ย่าน IR และUV เป็นการตรวจสอบพลังงานที่สร้างและแพร่กระจายออกมาตัววัตถุเอง เช่นระบบตรวจจับและติดตามแบบอินฟราเรด (Infrared Search and Track: IRST), ระบบตรวจการณ์อินฟราเรด (Forward Looking Infrared: FLIR), ระบบแจ้งเตือนการเข้าของจรวด (Missile Approach Warner: MAW) และระบบนำวิถีของจรวด

ส่วนประกอบเบื้องต้นของระบบ Electro-Optic

ระบบ Electro-Optic สามารถเปรียบเทียบการทำงานได้กับการมองเห็นของมนุษย์ ซึ่งต้องอาศัยการสะท้อนแสง หรือการเปล่งพลังงานคลื่นออกมาจากวัตถุเป้าหมาย (Target) พลังงานที่ออกมาจากวัตถุจะผ่านตัวกลาง เช่นบรรยากาศ (Atmosphere) แล้วตกลงที่เลนส์รับภาพ (Optical Receiver) เพื่อรวบรวมพลังงานไปให้ตัวตรวจจับ (Detector) และผลิตสัญญาณให้กับชุดประมวลผล (Signal Processing) ผลลัพธ์ที่ได้จะถูกนำไปใช้งานในอุปกรณ์ต่าง ๆ (Output Device) เช่นการแสดงภาพ (Display) หรือการนำวิถี (Guidance) เป็นต้น

รูป ๒ Basic EO Components

ชุดเลนส์ (Optics) ทำหน้าที่ในการรวบรวมพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่ออกมาจากวัตถุเป้าหมาย และส่งต่อไปยังตัวตรวจจับในทิศทาง (Azimuth) และมุม (Elevation) ที่ถูกต้อง

ตัวตรวจจับ (Detector) ทำหน้าที่ในการแปลงพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า โดยประสิทธิภาพของการแปลงสัญญาณขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสารที่นำมาใช้เป็นตัวตรวจจับ ความยาวคลื่น และปริมาณของพลังงานที่ได้รับ

ชุดประมวลผล (Signal Processor) ทำหน้าที่ในการขยายสัญญาณที่ได้รับจากตัวตรวจจับ และแปลความสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นข้อมูล แล้วส่งให้ใช้งานในอุปกรณ์ปลายทาง (Output Device) เช่น ชุดควบคุม (Control Device) หรือการแสดงผล (Display)

อุปกรณ์ปลายทาง (Output Device) เป็นอุปกรณ์ที่นำข้อมูลไปใช้โดยอัตโนมัติ ตามวัตถุประสงค์ของระบบที่ได้ออกแบบไว้ เช่น การควบคุมการนำวิถี หรือการแสดงภาพให้ผู้ใช้

ผลกระทบจากชั้นบรรยากาศ

                ตามปกติแล้วการแพร่กระจายคลื่นElectro-Optic จะได้รับผลกระทบจากตัวกลาง เช่น สภาพอากาศ เช่นเดียวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ได้แก่ การสูญเสียจากการแพร่ (Propagation Loss) การดูดซับ (Absorption) การกระจายตัว (Scattering) การสะท้อน (Reflection) การหักเห (Refraction) และการเบี่ยงเบน (Diffraction)

การสูญเสียจากการแพร่ (Propagation Loss) เป็นการลดความเข้มของพลังงานคลื่นที่ต้องแพร่กระจายออกเป็นอัตราส่วนตรงกับรัศมีการแพร่ยกกำลังสอง (R2)

การดูดซับ (Absorption) ในชั้นบรรยากาศมีอนุภาคเล็ก ๆ มากมาย เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่ผ่านอนุภาคเหล่านี้จะถูกซับพลังงานของคลื่นในระหว่างการเดินทาง ซึ่งจะมีผลมากกับคลื่นความถี่ย่าน IR และ UV โดยอนุภาคที่มีผลกระทบมากได้แก่ โอโซน (O3), ออกซิเจน (O2), คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และไอน้ำ (Water Vapour) โดยเฉพาะอย่างยิ่งการดูดซับแบบ (Resonance -Absorption) เนื่องจากความถี่ของคลื่น Electro-Optic บางช่วงใกล้คียงกับความถี่ธรรมชาติของอนุภาคต่าง ๆ ในอากาศ จะทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานของคลื่นมากกว่าปกติ

การกระจายตัว (Scattering) เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกส่งผ่านบรรยากาศ จะกระทบกับอนุภาคเล็ก ๆ ทำให้พลังงานส่วนหนึ่งของคลื่นเกิดการกระจายออกมา โดยปริมาณของการกระจายขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคกับความยาวคลื่น หากขนาดของอนุภาคใกล้เคียงกับความยาวคลื่น Electro-Optic จะให้เกิดการกระจายมากขึ้น โดยอนุภาคที่มีผลต่ออุปกรณ์ทางทหารมีดังนี้

อนุภาค ผลกระทบ
หมอกแดด (Haze) มีผลกระทบมากกับแสง มีผลกระทบเล็กน้อยกับ IR
หมอกบาง (Light Fog) มีผลกระทบมากกับแสง มีผลกระทบบ้างกับ IR
หมอกหนา และฝน (Wet Fog and Rain) มีผลกระทบมากทั้งแสง และ IR

 

                การสะท้อน (Reflection) เป็นการสะท้อนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อตกกระทบบนผิวของวัตถุ หากเป็นพื้นผิวราบเรียบคล้ายกระจก จะเกิดเป็น Specular Reflection หากพื้นผิวของวัตถุไม่เรียบจะเกิดเป็น Diffuse Reflection หรือ Scattering

                การหักเห (Refraction) เป็นการหักเหหรือเปลี่ยนทิศทางของคลื่นเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นที่ต่างกัน โดยมุมที่เปลี่ยนแปลงนั้นขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น

                การเบี่ยงเบน (Diffraction) เป็นการเปลี่ยนแปลงของทิศทางของคลื่นเมื่อเดินทางผ่านช่อง หากช่องมีความกว้างน้อยกว่าหรือเท่ากับความยาวคลื่น ช่องนั้นจะทำตัวเสมือนแหล่งกำเนิดคลื่นใหม่