Visión nocturna

Visión Noc u na An onio Cañada y José Luis Mon esino-Espa e o INTRODUCCION. El homb e es á p epa ado pa a desen ol e se en su en o no i- al: el cue po humano comp ende a- ios sis emas pe cep i os median e los cuales ecibe in o mación ex e io que p ocesa pa a oma decisiones. En e ellos es á el sis ema isual. G acias a él, ap o echamos la in o - mación que nos llega median e la luz i adiada o e lejada po o os cue pos. El ancho de banda de es e sis ema sensible a las adiaciones elec o- magné icas es á limi ado al espec o isible (longi udes de onda en e 0,4 /Jlll ( iole a) y 0,75 /Jlll ( ojo». Debido a ello, en los momen os de obscu idad (en ausencia de uen es lumínicas) el ojo no cap a in o ma- ción ex e io . Exis en dos al e na i as pa a in en a palia es a limi ación: la ilu- minación a i icial, o de ec a las a- diaciones no isibles que emi en los cue pos. 'Visión Noc u na' es el concep o que alude al desa ollo de sis emas que pe mi an al homb e ' e ' en condiciones de obscu idad, bien cap ando luz de muy baja in ensidad en ambien es de cuasi-obscu idad (TulJos de In ensi icación de Imagen) o de ec ando adiaciones no isibles (De ección Té mica). Has a aho a, la g an mayo- ía de p oyec os de Visión Noc u na ealizados se han dado en el campo mili a y policial debido al al o in e és es a égico de es os sis emas. De ahí que los concep os undamen ales de su uncionamien o es én ilus ados con es e ipo de aplicaciones. TUBOS DE INTENSIFICACION DE IMAGEN. Desde la apa ición de los p ime os ubos en los años 50 has a nues os días ha habido un g an a an- ce en cuan o a p es aciones, debido a la u ilización de nue os ma e iales y mayo in eg ación, pe o no ha a iado mucho su uncionamien o básico. Po an o pa a pode explica pos e io - men e la e olución de los ubos in ensi icado es de imagen con mayo cla idad empeza emos desc ibiendo el uncionamien o de un sis ema ge- ne al. Funcionamien o: En odo ubo de in ensi icación de imagen podemos dis ingui es pa es undamen ales: 1. Obje i o: Se eciben los o ones debidos p incipalmen e a la adiación en in a ojo ce cano que p o iene de la e lexión de la luz de las es ellas y la luna en los obje os. 2. Fo ocá odo: Pod íamos deci que es la pa e p incipal y en la que se han ob enido mayo es mejo as. Consis e en un ma e ial que con ie e los o ones en elec ones, és os son a su ez acele ados y ocalizados. 1.-Imagen no mal 2.-0bje i o 3.-Óp ica de ib a de id io 4.-Fo ocá odo 3. Pan alla: No malmen e una pan a- lla de ós o o donde los elec ones pasan de nue o a o ones pa a se obse ados. Una ez desc i o el uncio- namien o gene al amos a e la e o- lución que han expe imen ado los u- bos de imagen. E olución his ó ica: Has a hoy han habido es gene aciones con di e sas mejo as y e oluciones den o de cada una de ellas. Y en base a es os es ipos de ubos se han cons uido g an a iedad de binocula es y mi as des inados a la isión noc u na en su mayo pa e con ines mili a es. Gene ación 1: Los p ime os ubos in ensi icado es de imagen son los denominados de p ime a gene ación (Gen. 1) y ue on u ilizados en la gue- a de Vie nam. Las ca ac e ís icas p incipales de és os son: -U ilización de al os ol ajes pa a acele a los elec ones, de 10 a 30 kV. -Poca au onomía y ba e ías muy pe- sadas. 5.-Ánodo 6.-Ocula 7. -Imagen in ensi icada ecibida ig.l 60 -Fo ocá odos ialcalinos de cesio, sodio, po asio, an imonio. También llamados S-25 o S-20. -Sensibles en el siguien e ma gen de longi udes de onda: 0.4 a 0.85 ¡.un. -Va ias e apas acopladas óp icamen- e dan una mayo ganancia, cada e a- pa se compone de o ocá odo y pan a- lla de ós o o dispues as al como mues a la igu a 1. El modelo más ep esen a i- o de es a gene ación es el AN/PVS-2. Es e modelo se mon ó sob e i les M-16 do ándoles así de una isión noc u na de unos 360 me- os. Gene ación n: La segunda gene ación de ubos desa ollada en los 70 in odujo un impo an e a ance conocido como MCP (Mic oChannel Pla e). Es a éc- nica consis e en u iliza un disco colo- cado después del o ocá odo y ho a- dado po mul i ud de canales , de 2 a 3 millones en un disco de 18 mm. de diáme o. De es a o ma se consigue que al ebo a en las pa edes del ubo los elec ones inciden es p oduzcan nue as emisiones, ob eniendo así un c ecimien o exponencial, po cada elec ón que en a salen 1000. De es a o ma conseguimos que cada aguje o o ubo se con ie a en un ampli icado independien e que podemos asocia a un pixel de la sa- lida. Una ez los elec ones salen del MCP hay que con e i los de nue o a o ones, pa a ello el mé odo más sim- ple es el ya u ilizado en la gene ación I que consis e en una pan alla de ós- o o. O o mé odo simple es u iliza un ánodo conduc o que con ie e las nubes de elec ones en co ien e que es conducida a un p eampli icado y luego a un o denado u o o elemen o de ep esen ación. Es a nue a écnica emplea- da en la Gen. 11 se adujo en una educción del peso y olumen de los ubos así como del ol aje u ilizado colocándose aho a al ededo de los 6 kV. De es a o ma ya se pudie on ealiza equipos más anspo ables que desc ibi emos a con inuación. Una impo an e des en aja de es os ubos de gene ación II e a su co a ida ope a i a. El AN/PVS-4 ue uno de los p ime os que in odujo el ubo Gen. 11 y se ealiza on a ias e siones, p ime o de mano y pos e- io men e pa a mon a en i les. La unidad más endida has- a aho a ha sido la conocida como AN/PVS-5 que inco po a dos ubos de segunda gene ación y puede se mon ada en un casco dejando las ma- nos lib es. Es a úl ima ca ac e ís ica do a a es a unidad de p opiedades excelen es pa a la conducción y el pilo aje, an o es así que se ha seguido u ilizando has a nues os días. Con la apa ición de es e modelo se empezó a conside a y a p oba su uso pa a la a iación y p incipalmen e pa a helicóp e os. Sob e es e modelo se han ido ha- ciendo una se ie de mejo as, ales como: - Fo ode ec o pa a apaga el ubo cuando es expues o du an e un pe iodo de iempo a una luz ue e, de es a o ma e i amos daña el ubo y gas a ba e- ías inú ilmen e. -Tubos de segunda gene ación mejo ados ; inco po an c is ales de mayo lumi- nosidad que las ib as óp icas u iliza- das an e io men e. -U ilización de écnicas ac i as, pa a mejo a el compo amien o de los binocula es ambién conocidos po NVG (Nigh Vision Goggle): +Pa a la lec u a de mapas, haz de luz en IR-ce cano con un al- cance de unos 2 m. +Pa a apun a i les: AN / P AQ-4, es un lase de a seniu o de galio que se mon a sob e el i le y p oduce un pun o de luz no isible po el ojo sob e el blanco. Es a écnica ha sido de g an u ilidad ya que acili a mucho el apun amien o con NVG, 61 que esul aba an e io men e de g an di icul ad. La siguien e mejo a impo - an e apa ece en los binocula es AN/ PVS-7 que cons an de un solo ubo y una sola len e, pe o dos ocula es, e- duciendo de es a o ma a p ác ica- men e la mi ad el cos e del apa a o y haciéndolo más asequible pa a usos masi os y de in an e ía. Una se ie de modi icaciones en el modelo an e io pe mi ie on ob ene el p ime NVG pa a isión subma ina, pudiéndose u iliza has a 50 m. de p o undidad en agua salada. Hay que des aca que es os ubos se siguen u ilizando hoy en día y que juga on un impo an e papel en misiones de in an e ía en la Gue a del Gol o. AN/AYS-6 Gene ación III: La p incipal inno ación que se in oduce en los ubos de e ce a gene ación son los o ocá odos de GaAs, con los que se ob iene una sensibilidad es o cua o eces mayo , un aumen o de ida ú il de 2000 ho as (11 gen.) a 7500 h. Y una mejo espues a en in a ojo ce ca- no. Po an o básicamen e y uncionalmen e es os ubos son igua- les a los an e io es. La implan ación de es os u- bos se a haciendo p og esi amen e y no malmen e sob e modelos como el 1I " " I ANIPVS-7 que an es u ilizaban ubos de segunda gene ación. El apa a o de isión noc u na más u ilizado que in- co po a ubos de es a gene ación es el AN/AVS-6 (ANVIS) que cons a de dos ubos de Gen. m alimen ados po dos ba e ías y a mon ado sob e un casco. Es e NVG es á especial- men e indicado pa a misiones noc u - nas en helicóp e o y ue muy u ilizado en el Gol o, donde se pudie on e sus mayo es ca encias. A aíz de ello se han in oducido algunas mejo as de las que cabe des aca el ANVIS/HUD (Heads-Up Display). El HUD su gió al cons a a la deso ien ación y desconcie o que su ían los pilo os po el exceso de in o mación en la cabina y el ene que le an a y baja la cabeza pa a e los ins umen os. De o ma que en los úl imos apa a os se ha in oducido den o del iso un pequeño ubo de ayos ca ódicos que p esen a la in o - maclón p incipal como la elocidad del ien o, la al u a, di ección, e c. Y además exis e la posibilidad de edu- ci la can idad de in o mación p esen- ada en cabina. También hay que deci que ac ualmen e se es án diseñando pan allas en colo (AMLCD) pa a a iones y helicóp e os de o ma que sus coo denadas de colo sean com- pa ibles con los NVG y de es a o ma se enga una isión de odos los colo- es de la pan alla an o sin como con NVG. O a mejo a que se ha in o- ducido en la Gen m es el aumen o de esolución que ha pasado de 28 pa es de líneas po milíme o a 36 lp/mm. Ac ualmen e bajo desa o- llo es á la que se conoce como gene a- ción 3.5 que in oduce o ocá odos más sensibles, mayo esolución (has a 60 Ip/mm), aumen o del ocula de 18 a 25 mm pa a ene una buena imagen pa a mayo g ado de posiciones del ojo, aumen o del FOV (Angulo de isión) de 40º a 60º. Las con amedidas u ilizadas con a los NV G son lashes y ocos po en es o como en la gue a del Gol o hace impo an es hogue as que en ese caso ue on los pozos de pe óleo. De ección in a oja Los sis emas de Visión Noc u na basados en la de ección de adiación in a oj a (Fo wa d Looking In a ed Senso s: FLIR) ap o echan que los cue pos emi en calo pa a obse a el en o no de mane a pasi a. En la a mós e a las adiaciones de calo que mejo se p opagan son las de longi ud de onda comp endidas en los má genes 2-5 AID Y 8-15 AID (In a ojo medio y lejano). La adia- ción de onda co a se p opaga mejo que la de onda la ga en ambien es húmedos, pe o se compo a peo an e la p esencia de ae osoles en suspen- sión. La p esión ba omé ica y la empe a u a son ambién condicionan es de la p opagación de calo . En los peo es casos, la ansmi- sión de in a ojos en condiciones de llu ia o niebla in ensas se uel e im- posible. Senso es de in a ojos: Exis en dos ipos de senso es in a ojos: los é micos y los cuán icos. Los p ime os p oducen co ien e eléc ica p opo cional a los inc emen os de empe a u a debidos a la ene gía adiada po los cue pos obse ados. Los iempos de espues a de es os senso es son al os (del o den de los milisegundos), pe o ienen una sensibilidad uni o me en odo el espec o de ecuencias, y no nece- si an e ige ación. En cuan o a los de ec o es cuán icos, son semicon- duc o es que ap o echan, la ene gía o ónica pa a gene a elec ones y pasa del es ado de co e al de conduc- ción, gene ando así una ca ga que con iene in o mación y que se a a pos e io men e. A pesa de que los iempos de espues a de es os senso es es muy in e io al de los é micos (del o den de los mic o o nanosegundos), no ienen una sensibilidad uni o me a lo la go del espec o, equi iendo así sis emas de e ige ación. Exis en dos ipos de de ec- o es cuán icos, di e enciables po el 62 modo de abajo: -Fo oconduc i idad: Al pola iza el de ec o con un po encial ex e no, una co ien e p opo cional a los o ones que llegan a a iesa el disposi i o, gene ándose así la señal eléc ica que se á p ocesada. En es e g upo se en- cuen an los de ec o es basados en Telú ido de Me cu io y Cadmio (HgCdTe) y los Disposi i os Acopla- dos po Ca ga (CDD) que son in eg ables. -Fo o ol aicos: Se a a, de uniones p-N semiconduc o as. En bo nes de la unión apa ece una ensión p opo cio- nal a la can idad de o ones que impac an en la unión. En es e g upo se encuen an los de ec o es basados en A seniu o de Galio (GaAs) y An imónido de Indio (lnAs). Los senso es que se u ili- zan en los sis emas FLIR es án basa- dos en ma e iales de ec o es como el An imónido de Indio (InSb: 3-5 AID) o el Telú ido de Me cu io y Cadmio (MCT: 8-13 !ID1). Los disposi i os diseñados equie en sis emas de e- ige ación (a empe a u as ce canas a la lique acción del Helio: 70 K) pa a abaja con la mejo sensibilidad posible de los ma e iales empleados. Hoy día se in es iga en de ec o es e oeléc icos ce ámicos que aba- jen a empe a u a ambien e, y de meno cos e, como los de Ti ana o de Ba io y Es oncio (más ba a os, aunque de peo es p es aciones que el MCT). También se in es iga pa a consegui un mayo g ado de in eg ación. Los CCD (c eados en 1970 en los labo a o ios Bell) son ci cui os in eg ados MOS cuya in o mación es á bajo o ma de paque es de ca ga c eados al incidi la adiación. Así, la in o mación cap ada po los de ec o- es es anspo ada median e una se- ñal de eloj hacia ampli icado es pa a su pos e io a amien o.El g an a ac i o de es os disposi i os es que pe mi en al a in eg ación, ab i la posibilidad de ealiza ácilmen e un p ocesado digi al de la imagen, y abaja con g an sensibilidad y bajos ni eles de uido. Como consecuen- cia, las esoluciones de las imágenes ob enidas con CCD son muy al as (dependiendo del g ado de in eg a- -- ción, has a 4096 * 4096 pixels). El diseño de los p ime os senso es in a ojos se basó en dis i- buciones (a ays) lineales de 60,120, 180 o 240 de ec o es. Se gene aba una señal eléc ica in eg ando la in o ma- ción de cada de ec o ob enida as un ba ido del a ay median e un espejo poligonal o ando a unos 35000 pm. Luego, la señal se ampli icaba pa a su pos e io p ocesado. Los senso es de segunda gene ación ya incluyen a ays planos con al menos 240*4 de ec o- es, inco po ando los nu e os e ige- ado es e moeléc icos, mucho más manejables que los an e io es e ige- ado es c iogénicos. La capacidad de in eg ación es mucho mayo , y no es necesa ia la écnica de ba ido óp ico de los de ec o es, sino que és os es án di ec amen e expues os a la adiación (CCD). Aplicaciones: Las p incipales apl icaciones de la de ección in a oja pa a obse - a en o nos en malas condiciones de isibilidad son p incipalmen e mili a- es. En e ec o, los sis emas FLIR ie- nen un g an in e és logís ico, sob e odo aplicados al comba e noc u no, donde su uso puede se una en aja decisi a pa a el ejé ci o que los posea. La mejo a de p es aciones ope a i as espec o a los sis emas de ampli ica- ción de imagen son impo an es ác i- camen e: el alcance es mayo , se pue- de abaja en condiciones de obscu i- dad o al, y se es inmune a las con amedidas que a ec an a los sis e- mas de ampli icación. Se es á diseñando los p i- me os sis emas é micos mon ados en a mas po á iles, como i les, mo e- os, bazookas, e c. Se a a de sis e- mas de segunda gene ación, en los que es c í ico el peso del sis ema. En e ec o, el p ime equisi o a cumpli es un peso compa ible con el a m a- men o: los iso es é micos ienen que se lige os. Has a aho a a ias emp esas es án abajando en iso es pa a i les y a ille ía lige a. El Ejé ci- o de los EEUU lanzó a mediados de los años 80 los p og amas TWS (The mal Weapon s Sigh ) y RTS (Sho Range The mal Sigh s). Los esul ados has a el momen o (los di- ulgados) son iso es de senso es de ecnología plana , y pesos de en e 1 y 2 kg, Y alcances desde los 700 m has a los 1200 m (Hu ghes , Texas In s umen s, Magna ox, Honeywell, Thom-Emi ,e c). En cuan o a los ni e- les de sensibilidad conseguidos, hay disposi i os que de ec an di e encias de empe a u a de has a 0,1 ° . El cam- po de isión obse able llega has a los 20 °* 12 ° del sis ema WASP (Wide Angle S inge Poin e ) desa ollado po Magna ox pa a el sis ema de misiles ie a-ai e po á il S inge . TWS de segunda gene ación. Los sis emas FLIR son am- bi én un elemen o ác ico y de ayuda a la na egación muy impo an es pa a anques, helicóp e os y sob e odo pa a la a iación. G acias a los sis emas FLIR (la go alcance: 10-15 km en condiciones de poca humedad; e imá- genes de al a esolución y campos de isión de 20-30°), los pilo os de a io- nes supe sónicos disponen de una ayuda impo an ísima pa a misiones de uelo a baja al u a. Es el caso de los F-15E y F-16 de apoyo (CAS: Clos Ai Suppo ) ope a i os en la ope a- ción To men a del Desie o, en los que se ins ala on sis e mas FLIR LANTIRN (Low Al i ude Na iga ion and Ta ge ing o In a ed Nigh ). El sis ema LANTIRN se compone de un equipo de seguimien- o de blancos po lase , y un equipo de 63 na egación combinando un ada de obse ación del e eno y un FLIR con ancho campo de isión. Se es án desa ollando sis emas de explo ación del espacio que pe mi an al pilo o obse a el en o no lib emen e, ya que los sis emas ins alados en los a iones sólo abajaban en una di ec- ción ija (P og ama FaJcon Eye FLIR: senso es é ico, que pe mi e al pilo o o ien a se al obse a ). La in o ma- ción de los FLIR se p esen a en pan a- llas 2-D o di ec amen e en la ise a del casco del pilo o. En Eu opa se desa ollan p og amas de sis emas de im agen é mica, como los CaNDO R (po el conso cio eu opeo SATEL: SAT de F ancia, Elec o de Alema- nia, Tho n-Emi de G an B e aña). Es os sis emas se basan en a ays de CdHgTe hib idizados en chips de CCD (IR CCD) y equie en e ige ación a 77 K. El campo de isión, g acias a la óp ica usada, puede a ia en e 70 °* 30° Y menos de 1 °* 1 ° , y comp ende un sis ema lase (lO ~ )pa a de e mi- na alcance s. Es e sis ema equipa á a los ejé ci os de los países asociados. La in es igación sob e i- sión noc u na se o ien a hoy día hacia la de ección in a oja como apues a de u u o, una ez que las líneas de in es igación en in ensi icación de imagen se an ago ando. A pa i de aho a se abaja á en senso es de in a ojos pa a aplicaciones de co o y medio alcance, a la pa que se em- pieza a usa los a ances alcapzados has a aho a en ac i idades Ci iles: con ol policial, obse ación de ani- 6' males en en o nos ambigUos (Ba and S oud ne nal-Ín;lag ng sys em de Pilki,ng on Ene gy Ad iso s L d.: sis ema pa a obse ación aé ea de osos . en la nie e y ocas g ises en bancos de a ena en zonas pola es cuando la ob- se ación isual es imposible po la al u a del a ión),e c. CONCLUSION. A medida que se usan los nue os equipos de isión noc u na en ope aciones mili a ~s, se acumula expe iencia ú il pa a a a de mejo a los equipos y a a de e i a si uacio- nes equí ocas. En e ec o, uno de los mayo es p oblemas a los que se en- en a el mili a al aC ua con equipos de isión noc u na es cómo iden i i- ca si un blanco es amigo o enemigo. Has a aho a, bien debido a un pode de esolución insu icien e o a una al a de amilia ización o en ena- mien o con los nue os sis emas, en los con lic os en que se ha ac uado en misiones noc u nás han habido bajas debidas a u«go 'amigo': se dio el caso en el Co'n lic odel Gol o en que una unidad mecanizada ame icana que se de endía de soldados i aquís con uego de g anadas con undió a an- ques amigos si uados a unos kilóme- os. Es os; al c ee que se a aba de uego hos il dispa a on, y cOmo esul- ado hubo 6 mue os, 25 he idos y a ios anques y blindados des uídos. Como soluciones se ha pensado en equipa a los ehículos de balizas in a ojas pa a su iden i icación, y usa compu ado as más ápidas y po- en es pa a ayuda a los soldados, que analicen. la in o mación en iempo eal. La p óxima gene ación de sis emas de isión noc u na se án los de usión de imagen (Image Fusion). En ellos se combina án los FLIR (in- eg ando senso es de 2-5 ¡..un Y 8- 15¡..un simul áneamen e: equipos mul i ecuencia) con los sis emas de Ampli icación de Imagen, educien- do así las p obabilidades de e o de iden i icación. Se án equipos con . campos de isión. hayo es'ymejo esolución de empe a u a (como los Ad anced Helicop e Pilo age display and senso s subsys ems p e is os poi los EEUU pa a 1995: una pan alla binocula mon ada en el casco con un campo de isión de 40° * 80° ,dualidad de senso es de Al (0,6-0,9 ¡..un) Y FLIR (8-12¡..un),y esolución mínima de empe a u a mejo ada en un 50% . Bibliog a ía Rawls, James W., Lase s: The ba le ield ools o omo ow a e he e, July 1989 De ense Elec onics. Koehle , T., In a ed de ec o s con inue o di e si y, Ma ch 1991 Technology guide: De ec o s; Lase Focus Wo ld . Jaszka, Paul R., The Lase and í s Mili a y Applica ions: A P ime , July 1989 De ense Elec onics. Blouke, M. 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