Noktowizja – podstawowe zagadnienia

Urządzenia noktowizyjne na stałe weszły do naszej świadomości. Postrzega się je jako łatwo dostępne i najczęściej znajdujące się w wyposażeniu żołnierzy biorących udział działaniach bojowych. Do spopularyzowania takiego stanu rzeczy przyczyniły się w znacznej mierze czynniki popkulturowe, trafiające do szerokiego grona odbiorców.

Na przestrzeni ostatnich 20 lat powstało wiele filmów przedstawiających konflikty zbrojne. Wiele z nich prezentowało wydarzenia w Somalii, Iraku, czy Afganistanie. W obrazach takich jak Helikopter w Ogniu z 2002, Snajper z 2014, czy też finałowa scena z Wroga numer jeden z 2012, ukazano użycie noktowizji w działaniach wojskowych jako coś niemal tak samo oczywistego, jak wyposażanie ich w broń strzelecką.

Drugim czynnikiem wpływającym na powszechny obraz noktowizji okazały się gry komputerowe. Serie takie jak: Call of Duty, Battlefield czy rozgrywający się w 1984 MGSV: Phantom Pain umożliwiają graczom korzystanie z noktowizji w każdych warunkach. Tym samym poszerzają ich znajomość tematu, ale jednocześnie utrwalają błędne przeświadczenia na temat tych rozwiązań technicznych.

Początki badań nad noktowizją sięgają przełomu XIX i XX wieku, kiedy prace nad emisją termoelektronową umożliwiły Johnowi Ambrosowi Flemingowi wynalezienie diody próżniowej działającej w oparciu o zasady funkcjonowania elektronów. W 1924 Louis de Broglie postawił hipotezę dotyczącą falowej natury elektronów, za którą 5 lat później otrzymał Nagrodę Nobla. W ten sposób rozpoczął się rozwój elektrooptyki.

W 1926 Hans Bush badając pola elektryczne i magnetyczne, wykazał że mogą one działać na soczewki. Kolejnym etapem prowadzącym do rozwoju tej dziedziny techniki był 1934, kiedy dwóch uczonych, G. Holst i H. de Boer, stworzyli przewodnik elektrooptyczny zwany „Holst glass”. Brytyjskie przedsiębiorstwo EMI opracowało przemysłowe próbki przetwornika i zaczęło ich produkcję na potrzeby rodzimych sił zbrojnych.

Niedługo potem badania rozpoczęli naukowcy w Niderlandach, Niemczech i USA. Dzięki fascynacji radiem w l. 30-tych XX wieku wzięli oni „pod lupę” transmisję obrazu rzeczywistego. Wzorowano się na mikroskopie, elektronicznym teleskopie i radarach, aż w końcu powstało prymitywne urządzenie umożliwiające widzenie w nocy. W 1939 Urząd Patentowy USA wydał patent Walterowi Schaffernichtowi na zgłoszony 3 lata wcześniej wniosek zatytułowany „Electron Image Tube”.

Senior Airman Noah Lindquist, a 774th Expeditionary Airlift Squadron loadmaster, tests his night vision goggles in the back of a C-130J Super Hercules before a sortie at Bagram Airfield, Afghanistan, Feb. 22, 2016. Loadmasters are responsible for calculating aircraft weight, balancing records and cargo manifests, conducting cargo and personnel airdrops, scanning for threats, and troubleshooting in-flight problems. (U.S. Air Force photo/Tech. Sgt. Robert Cloys)

 

Niemieckie AEG rozpoczęło w 1936 badania nad noktowizją i termowizją, aby w 1942 oddać do użytku reflektor podczerwieni. Dwa lata później Wermacht posiadał w wyposażeniu ponad 300 czołgów Pantera posiadających reflektory podczerwieni umożliwiające obserwację do 600 metrów. Jednocześnie badania w tym kierunku trwają w Związku Sowieckim, gdzie w 1944 powstaje pierwszy celownik Iskra, umożliwiający nocne strzelanie do celów oddalonych od 60 do 100 metrów. Do jego obsługi potrzebne są dwie osoby – obserwator musiał zlokalizować cel za pomocą oświetlacza podczerwieni, podczas gdy drugi – strzelec, oddawał strzał. Celownik nigdy nie został przetestowany na placu boju.

Najbardziej znanym niemieckim celownikiem umożliwiającym działania nocne był ZG 1229 znany jako Vampir. To ważące 2,5 kg urządzenie składało się z celownika i lampy IR. Montowano je na specjalnej szynie na karabinie Stg44. Wyprodukowano 310 sztuk celownika, którego oporządzenie (transformator, bateria) miało masę 13kg. Po raz pierwszy zastosowano je w boju w lutym 1945.

Po wojnie nastąpił gwałtowny rozwój techniki, którego kulminacją będzie 1961 i powstanie pierwszego pasywnego noktowizora niewymagającego doświetlania.

Airmen from the 320th Special Tactics Squadron clear a hallway Nov. 19, 2015, in a shoot house at Camp Hansen, Japan. The Airmen cleared the house as part of training led by the Direct Action Resource Center during a two-week course where a group of pararescuemen, combat controllers and force reconnaissance Marines develop skills they can use when they deploy with other joint special operations teams. (U.S. Air Force photo/Senior Airman John Linzmeier)

Noktowizor to urządzenie, a właściwie układ optoelektroniczny, którego najważniejszym elementem jest wzmacniacz obrazu. Jest to właściwie serce noktowizora. Jego zadaniem jest wzmocnienie światła szczątkowego od kilku do kilkudziesięciu tysięcy razy, co pozwala na wytworzenie obrazu, który będzie widoczny dla człowieka. Światło szczątkowe pada przez obiektyw o odpowiednio dobranych parametrach optycznych (obiektyw może posiadać soczewki powiększające). Skupia on rozproszone światło – strumień fotonów, który pada na fotokatodę – element optoelektroniczny, który pod wpływem światła emituje elektrony.

Fotokatoda rozbija światło w proporcji 1:1. Strumień elektronów jest następnie wielokrotnie wzmacniany i kierowany na ekran fosforyzujący (luminofor), który zamienia strumień elektronów ponownie w fotony – obraz widzialny dla człowieka, obserwowany przez okular. Dla uproszczenia, zasadę działania wzmacniacza obrazu najłatwiej wyobrazić sobie jako kulkę śniegu zrzuconą góry, która spadając powiększa swą objętość, aby ostatecznie przekształcić się lawinę.

Należy mieć na uwadze, że fizyki nie da się oszukać i w przypadku braku fotonów noktowizor nie będzie w stanie stworzyć elektronów. Tak więc przy braku choćby szczątkowych źródeł światła, z noktowizorem czy bez, użytkownik nie będzie widział. W takim przypadku nowoczesne urządzenia noktowizyjne posiadają doczepiony mały oświetlacz IR, który generuje niewidzialne dla ludzkiego oka światło w zakresie od 850nm do 950nm (ludzkie oko, zależnie od cech indywidualnych, jest w stanie dojrzeć promieniowanie podczerwone o długości fali 700nm – 750nm).

Z użyciem oświetlacza IR możliwe jest już działanie noktowizji na obszarach całkowicie pozbawionych światła. Wadą takiego rozwiązania jest samo doświetlanie, które z jednej strony umożliwia operatorowi działanie w warunkach całkowitego braku światła, a z drugiej zdradza jego pozycje innym użytkownikom noktowizji. O ile w przypadku cywilnego zastosowania, np. przy zabawie w paintball czy polowaniu, nie jest to istotne, to w przypadku działań wojennych stanowi realne zagrożenie dla żołnierzy, zdradzając ich obecność i położenie oraz narażając na niebezpieczeństwo.

Capt. Andrew Reinhart and Lt. Col. Anthony Determan use their night vision goggles to guide their runway approach April 12, 2014, at the Sioux Falls Airport, S.D. The weekend training missions for the 96th Airlift Squadron and 27th Aerial Port Squadron included preparing and deploying airdrops, unscheduled landings, operating in night-vision environment and deploying flares. Reinhart and Determan are with the 96th Airlift Squadron. (U.S. Air Force photo/Shannon McKay)

Często podczas wydarzeń targowych czy prezentacji sprzętu można spotkać się z pytaniem o generację wzmacniacza obrazu. Nie jest to pytanie bezzasadne, ale też niebyt dokładnie precyzuje ono zagadnienie rozwoju noktowizji. Jest to pewne uproszczenie, które utrwaliło się w świadomości użytkowników na takiej samej zasadzie jak adidasy czy coca-cola. Otóż nie każde buty zwane adidasami są produkowane przez Adidasa, i nie każdy czarny napój typu cola jest produkowany przez Coca-Colę. Do czego zmierzam. Otóż pojęcie generacji odnośnie noktowizji słusznie kojarzy się z przekonaniem – im wyższa generacja tym lepszy obraz. Nie jest to jednak jedyna cecha, którą należy brać pod uwagę.

Generacja 1

Jak wspomniałem wcześniej w 1961 powstał pierwszy pasywny system noktowizyjny, czyli nie wymagający doświetlania zewnętrznego. Na bazie tego odkrycia w 1965 został wprowadzony do użytku pierwszy celownik AN/PVS-1”Starlight Scope”. Niestety z uwagi na dopiero początki pasywacji noktowizji trzeba było liczyć się z kompromisami takimi jak fakt, że celownika można było używać jedynie przez półmiesiąca, kiedy na niebie był widoczny księżyc. Dodatkowo, złe warunki atmosferyczne, jak deszcz czy mgła, również uniemożliwiały wykorzystanie urządzenia. Dopiero druga wersja celownika PVS-2 została użyta przez Amerykanów w Wietnamie.

Pierwsza generacja z uwagi na początki rozwoju i zastosowanie metod próżniowych powodujących zniekształcenia, charakteryzowała się najgorszą jakością wyświetlanego obrazu oraz dystorsjami widocznymi na brzegach obrazu. Ich największy skuteczny zasięg przy blasku księżyca wynosił ok. 180 m.

Następnym krokiem w rozwoju była technologie przejściowa tzw. 1+. Wyposażenie urządzeń w elementy światłowodowe – małego szklanego dysku z tysiącami rurek spowodowało zwiększenie rozdzielczości i zasięgu, jednocześnie niwelując pojawiające się na rogach zniekształcenia. Zmiana była zauważalna, ale nie na tyle wielka, aby stworzyć nową generację.

Generacja 2

W 1975 Optic Electronic Corporation wyprodukowało urządzenie spełniające wojskowe normy – PVS-4.  Korpus celownika wykonano z ceramiki i metalu. Jednak tym, co spowodowało, że możemy mówić o nowej generacji jest płytka mikrokanalikowa MCP. Jest to niewielkie urządzenie o grubości od 0,75 do 2,00 mm ze szkła z regularnie rozmieszczonymi otworami. Zasada działania płytki była prosta. Jednocześnie efekty jej zastosowania okazały oszałamiające. Zewnętrzne powierzchnie są spolaryzowane napięciem od 100 do 170V. Nierównoległe ustawienie kanałów powoduje, że elektron wpadający do kanału uderza w jego ściankę. Po uderzeniu wybija od 2 do 4 elektronów wtórnych. W zależności od długości kanału i jego nachylenia może wystąpić od 3 do 8 odbić elektronu na grubości płytki.. Wykorzystanie płytki mikrokanalikowej umożliwiło uzyskanie większego wzmocnienia obrazu – ok. 50000 razy – niż w przetwornikach I generacji (ok. 1000 razy).

Generacja 3

W 1985 podpisano kontrakty z ITT/Varo Joint Venture i Litton na stworzenie nowych systemów noktowizyjnych, które miałyby zastąpić PVS-5. ITT dostarczyło AN/PVS-7B, a Litton AN/PVS-7A. W generacji 3. zastosowano fotokatodę zbudowaną z arsenku galu. Ponownie poprawiło to parametry noktowizorów tej generacji. Oprócz fotokatody inżynierowie zajęli się przetwornikiem i ulepszyli go tlenkiem aluminium, co wydłużyło ich żywotność do 10000 godzin.

Generacja 3+/4

Są to najnowsze urządzenia noktowizyjne, jednak nazwa Generacja 4 nie jest poprawna. Nie wyraził na nią zgody amerykański urząd NVESD (Night Vision and Electronic Sensors Directoriate) odpowiedzialny za kategoryzowanie technologii noktowizyjnej. Pozostał przy Generacji 3 z dopiskiem OMNI. Urządzenia te różnią się w dwóch kwestiach. Pierwszą jest auto-gating lub bramkowanie. Polega na poprawie reakcji fotokatody na zmienne źródła światła. Funkcja bramkowania poprzez ciągłe wyłączanie i włączanie napięcia poprawia kontrast obrazu w sytuacjach zmiennego oświetlenia.

Bramkowanie zmniejsza również ryzyko oślepienia operatora i wydłuża żywotność przetwornika. Jest uważane za najlepszą dostępną funkcję, w jaką może być wyposażony noktowizor. W momencie narażenia na silny strumień światła, urządzenia wyposażone w automatyczną kontrolę natężenia światła wyłączają noktowizor. W najgorszym wypadku wzmacniacz ulega spaleniu. W tych samych warunkach noktowizor wyposażony w funkcję „AutoGated” będzie działać bez przerwy, dostosowując obraz i nie przerywając pracy operatora. Obecnie wszystkie najnowsze noktowizory są wyposażone we wzmacniacze światła z tą funkcją.

Drugą kwestią jest zmniejszenie bariery jonowej na płytce mikrokanalikowej, która odrzucała wcześniej dużą liczbę elektronów. Dzięki absorbcji większej ilości elektronów obraz jest jaśniejszy. Niestety wadą takiego rozwiązania jest skrócenie cyklu żywotności noktowizora.

Obecnie zarówno generacja 3 jak i 3+/4 są całkowicie niedostępne na rynku cywilnym. Ich jedynym odbiorcą jest wojsko.

U.S. Army Spc. Chad Dreibelbis, left, and Pfc. Sean Collins, both assigned to the East Africa Response Force (EARF), deployed in support of Combined Joint Task Force-Horn of Africa, use night vision goggles during training at a cooperative security location in Libreville, Gabon, Jan. 16, 2019. The EARF provides a broad range of rapidly deployable military capabilities to protect American interests on the African continent should any threat arise. (U.S. Air Force photo by Tech. Sgt. Chris Hibben)

Wracając do postawionego wcześniej pytania o generację noktowizji, najłatwiej jest powiedzieć, że jest to zakres parametrów i rozwiązań, którymi charakteryzuje się noktowizor. Sama „Generacja” natomiast jest określeniem używanym i zastrzeżonym przez Amerykanów, producentów wzmacniaczy obrazu i wojsko. W Europie można mówić o wzmacniaczach obrazu cechujących się taką samą (lub wyższą) jakością jak amerykańskie, ale będących ekwiwalentem lub odpowiednikiem generacji.

Najważniejszym współczynnikiem, który bierze się pod uwagę przy określaniu „generacji” lub jej odpowiednika jest współczynnik wydajności FOM (Figure of Merit). Składa się on z dwóch cech: rozdzielczości i stosunku sygnału do szumu (SNS – Signal-to-Noise Ratio).

Rozdzielczość jest wyrażana w parach linii na milimetr (lp/mm) i jest eksperymentalnie mierzony dla każdego wzmacniacza w fabryce.

Podczas testu operator, musi wyraźnie rozróżniać linie pionowe i poziome, a następnie odnieść się do oryginalnej dokumentacji przetwornika w celu potwierdzenia wydajności. Rozdzielczości powyżej 60 lp/mm zapewniają detaliczny obraz noktowizora. Stosunek sygnału do szumu (ang. SNR) jest drugim bardzo ważnym parametrem definiującym jakość przetwornika. SNR jest bezwymiarową wartością, która określa wydajność przetwornika w warunkach niskiego oświetlenia. Stosunek sygnału do szumu jest obliczany dzieląc wartość sygnału światła, które dociera do oka operatora przez szum tła.

Wartość stosunku sygnału do szumu w dobrym przetworniku zaczyna się od 20 i wyżej. To oznacza, że sygnał, który dociera do wzmacniacza jest 20 razy silniejszy niż sygnał tła. Współczynnik wydajności (FOM) jest obliczany z rozdzielczości i stosunku sygnału do szumu. Wydajność waha się od kilkuset dla generacji 1 do ponad 1800 dla wysokowydajnych przetworników generacji 3.

FOM = Rozdzielczość x SNS – na tej podstawie można mówić o generacji lub odpowiedniku noktowizji.

Europejscy producenci wzmacniaczy światła nie posługują się terminem generacji, a jedynie podają współczynnik FOM oraz rozdzielczość. Przy założeniu, że najwyższa „generacja” wzmacniaczy powinna osiągać FOM na poziomie przynajmniej 1800 znajomość parametrów pozwala zawsze porównać noktowizor do sławnych generacji.

I tak trzy podstawowe wzmacniacze światła produkcji Photonis cechują się następującymi parametrami:

XD-4                    XR5                     4G
FOM minimalny                      1200                    1600                    1800
FOM typowy                           1400                    1770                    2200
Rozdzielność (lp/mm)             60-64                   64-68                  64-72
SBR (singal to noise ratio)      20-22                   25                       28-30

Z powyższej tabelki można wyciągnąć wniosek, że wzmacniacz XD-4 jest na poziomie 2 generacji, XR5 właściwie jest odpowiednikiem 3 generacji, natomiast 4G wyznacza trend w dziedzinie noktowizji.

A U.S. Army Special Forces team leader with Special Operations Task Force – South communicates with fellow Soldiers via radio during an operation to rid insurgents from PanjwaÕi District, Oct. 26, 2010, in Kandahar Province, Afghanistan. (U.S. Army photo by Spc. Daniel P. Shook/Special Operations Task Force – South).

GULF OF ADEN (Dec. 18, 2016) MV-22 Ospreys assigned to the Ridge Runners of Marine Medium Tiltrotor Squadron (VMM) 163 (Reinforced), conduct night-vision device flight operations aboard the amphibious assault ship USS Makin Island (LHD 8). Makin Island is deployed as part of the Makin Island Amphibious Ready Group to the U.S 5th Fleet area of operations to support maritime security operations and theater security cooperation efforts. (U.S. Navy photo by Petty Officer 3rd Class Devin M. Langer/Released)161218-N-LI768-042

Sama noktowizja występuje również w dwóch kolorach. Panuje przekonanie, za którym stoją wspomniane przekaźniki multimedialne, że noktowizja wyświetla obraz zielony. Za kolor wyświetlanego obrazu odpowiada fosfor znajdujący się we wzmacniaczu. W przypadku produkcji noktowizji można wybrać jeden z dwóch rodzajów fosforu: P43 – zielony fosfor lub P45 – biały fosfor. Większość wzmacniaczy światłą jest produkowana w dwóch dostępnych wersjach, w zależności od tego, którą barwę fosforu wybiera klient.

Pierwotnie noktowizory wyświetlały jedynie obraz zielony. Producenci twierdzili, że fosfor, którym pokryty jest luminofor będzie emitować zielone światło, ponieważ w tym zakresie czułość ludzkiego oka jest najwyższa. Najwięcej odcieni rozpoznawanych jest w zakresie fal o długości od 500 do 560nm, która odpowiada barwom zielono-niebieskim. Dzięki temu można dostrzec znacznie więcej szczegółów niż w przypadku innych barw.

Teatr pola walki jednak rozszerzył dotychczasowe przekonania producentów. Okazało się, że w przypadku działań w jaskiniach i zamkniętych pomieszczeniach zielony obraz noktowizji ma zdecydowanie mniejszy kontrast niż biały, a tym samym nie pozwala dostrzec wszystkich szczegółów. Faktem jest, że różnica między czarnym a białym jest zdecydowanie bardziej dostrzegalnia niż między zielony i czarnym. Obecnie, coraz częściej można spotkać się z zastosowaniem białego fosforu P45 o wysokim kontraście. Według użytkowników wadą zastosowania białego obrazu i uzyskiwania lepszych efektów jest szybsze zmęczenie wzroku z uwagi na intensywność białej barwy padającej na oko. Wojsko stara się używać monokularów z fosforem P45 w miejsce gogli, ponieważ w przypadku oślepienia oka na skutek zbyt długiego wystawienia na biały fosfor są oni w stanie przełożyć monokular na drugie oko.