Navigazione aerea - gli nvg (occhiali ad intensificazione di luce notturna)

NAVIGAZIONE

AEREA

GLI NVG       

(OCCHIALI AD INTENSIFICAZIONE DI LUCE NOTTURNA)

Gli occhiali ad intensificazione di luce notturna (Night Vision Goggles - NVG) si basano sul principio di amplificazione della luce riflessa dalla luna e dalle stelle.

Sfruttando fonti di luce ambientale, gli NVG costruiscono immagini dettagliate, dalla tipica tonalita' verde.I fotoni (particelle di luce), passando attraverso l'obiettivo, producono un'immagine a rovescio sul fotocatodo che rilascia una quantita' proporzionale di elettroni. Un campo elettrico accelera gli elettroni fino a quando questi vanno a colpire un disco a micro canali, formato da circa tre milioni di tubi in vetro rivestiti con materiale emissivo. Gli elettroni eccitati generano a loro volta altri elettroni, che escono dal disco a micro canali nello stesso modo in cui sono entrati. Solo alla fine, colpendo uno schermo al fosforo e facendo brillare i punti di fosforo, si viene a creare un'immagine a luce amplificata.A questo punto, l'immagine viene nuovamente capovolta dalle lenti che compongono l'oculare.

Alcuni modelli girano l'immagine mediante un prisma che, in un certo senso, e' piu' efficace, anche se piu' pesante.Minore e' il rapporto tra la lunghezza focale dell'obiettivo e l'apertura delle lenti (focale), maggiore e' la quantita' di luce che entra. In condizioni di scarsa luminosita', quindi, minore e' la focale, migliore e' la performance.

Altro punto fondamentale e' la distorsione ottica, che risulta dall'elaborazione non perfetta dell'immagine da parte delle lenti. Una distorsione inferiore al 5% e' comunque accettabile e ormai tutti i sistemi rientrano in questo valore. Importante e' il dispositivo di riposo per l'occhio, poiche' determina la presenza o meno di uno spazio per una visiera di protezione (EPV) o per un respiratore, accessori a volte richiesti. Se si desidera un dispositivo di protezione per l'occhio piu' ampio, l'oculare, per mantenere il campo visivo, dovra' essere piu' esteso: questo comporta un aumento di peso, problema che tratteremo piu' avanti.Uno dei maggiori difetti degli occhiali ad intensificazione di luce notturna e' il campo visivo limitato (approssimativamente 40°) che puo' facilmente causare una perdita di riferimento.

Volando ad un livello basso, su un mare assolutamente calmo, il pilota potrebbe avere la sensazione di volare su un gigantesco 'buco nero'. Il fenomeno opposto puo' verificarsi se, manovrando il velivolo, il pilota volge lo sguardo verso la luna bassa sull'orizzonte. L'effetto abbagliante provocato dalla luce proveniente dal sistema ottico potrebbe richiedere un po' di tempo per dissiparsi.

CONFRONTO TRA VARIE GENERAZIONI DI NVG

Nelle notti illuminate dalla luna non si nota una grande differenza di risoluzione tra tubi della 2S e della 3S generazione, anche se gli ultimi hanno sicuramente una performance migliore in caso di scarsa luce stellare. Questo e' dovuto al rivestimento del fotocatodo in arsenuro di gallio, il quale aumenta la fotosensibilita', rendendo i tubi particolarmente sensibili a quella luce presente nella banda che si estende da 0.6 micron fino a 0.9, fascia in cui predomina la luce stellare. I tubi della 2S generazione, invece, sono piu' sensibili alla luce emanata dalla luna, che appartiene alla banda che va da 0.4 a 0.8 micron.Aziende come AEG, EEV, ITT, Litton e Varian producono tubi da 18 mm., sia nella 2S che nella 3S generazione, da usare con NVG sugli elicotteri.

Dato che la maggior parte di NVG sono compatibili con i tubi forniti da diversi produttori, le differenze di performance tra i vari sistemi sono limitate.Facendo un breve passo indietro, si puo' affermare che e' stato il successo degli intensificatori di luce notturna della 2S generazione a portare questi strumenti in 'aria', dando inizio all'era delle applicazioni aeree.

Tuttavia l'aviazione, sempre piu' esigente, ha subito richiesto strumenti con sensibilita' maggiore: e' cosi' che sono iniziati i lavori per la produzione della 3S generazione.Le aziende produttrici di strumentazione per la visione notturna sono particolarmente attente alle applicazioni aeree e ai sistemi legati all'aviazione, dato che i piloti (gli elicotteristi in modo particolare) prendono parte ad operazioni notturne estremamente difficili e pericolose. Ecco perche' le loro attrezzature devono essere sofisticate e affidabili.

Secondo la Litton, la maggior parte di incidenti fatali avvenuti a bordo di aerei o elicotteri e' stata causata da errori del pilota e non da difetti del sistema utilizzato a bordo. La Litton sostiene anche che esercizi di addestramento non realistici hanno spesso portato a vere e proprie catastrofi aeree. Comunque, al di la' di ogni colpa o difetto, il dato di fatto e' che gli strumenti della 3S generazione promettono di accrescere l'abilita' del pilota impegnato in queste rischiosissime missioni che richiedono precisione e tempestivita' nella frazione di un secondo.Oltre a fornire una buona visibilita' al buio e in varie condizioni atmosferiche, gli NVG sono essenziali anche durante un atterraggio di emergenza, momento in cui e' cruciale per il pilota conoscere la superficie che sta sotto il suo velivolo. Grazie agli NVG, il pilota puo' individuare immediatamente la presenza di elementi come lastricato, cespugli, boschi, acqua e ogni altro tipo di struttura sul suolo sottostante. Gli occhiali ad intensificazione notturna sono strumenti che garantiscono un alto livello di sicurezza, consentendo l'accesso a zone ritenute generalmente rischiose per operazioni notturne, a causa della mancanza di un orizzonte visibile.

Per quanto concerne i costi, si e' notato un drastico calo dei prezzi, dovuto da un lato alla produzione su larga scala, dall'altro ai miglioramenti apportati al design e alle tecnologie di produzione. Oggi, un buon tubo di 2S generazione costa una minima parte di quanto costava un tubo di prima generazione qualche anno fa.

Anche se i tubi di 3S generazione hanno ancora costi troppo elevati (che andranno a diminuire grazie al continuo miglioramento delle tecniche di produzione), sono sicuramente i migliori per il volo, poiche' offrono immagini piu' luminose e con un contrasto maggiore.

APPLICAZIONI MILITARI DEI NIGHT VISION GOGGLES

'Vedere o non vedere. Questo e' il problema'. Quando Amleto rifletteva su fionde e frecce e sulle azioni da intraprendere, non aveva certo bisogno di preoccuparsi che queste potessero venire controllate o meno da un osservatore attrezzato con strumenti per la visione notturna.
Vedere nella notte e' da sempre il sogno di ogni soldato. Del resto, la notte e' per tradizione il momento piu' adatto per operazioni al coperto e operazioni che hanno come elemento chiave la sorpresa.
Queste considerazioni, apparse in un articolo pubblicato su Military Technology, appartengono a George Thomson, esperto di visione notturna e consulente per i progetti legati alla visione notturna a scopo militare per l'esercito statunitense.

Chi ha la possibilita' di 'vedere nella notte' e' in grado di sfruttare questo vantaggio tattico e continuare l'offensiva; il nemico sara' invece costretto ad aspettare la luce del giorno.
Poniamo il caso di un nemico che durante un combattimento diurno avesse conquistato un certo territorio e supponiamo che durante la notte, in piena oscurita', lo si volesse riconquistare; e' a questo punto che gli NVG entrano in gioco, consentendo di proseguire con l'offensiva.
Nel caso di velivoli che volano a bassa quota, elicotteri in particolare, assume un ruolo determinante l'insieme di elementi quali la risposta IR, il grado di illuminazione del cielo durante la notte e la capacita' di riflettere del fogliame: tutti elementi in grado di fornire al pilota un'immagine molto chiara del terreno durante la notte.

I piloti impegnati in operazioni di pattugliamento, prima di poter usare gli NVG devono frequentare un addestramento sotto la tutela di piloti da combattimento veterani, con alle spalle anni come istruttori di volo, in grado quindi di fornire ai piloti piu' giovani dettagli tecnici e informazioni pratiche relative agli NVG.

I piu' giovani apprendono cosi' il metodo di interpretazione delle immagini verdi, viste attraverso gli occhiali ad intensificazione di luce notturna, e il modo migliore per regolare la percezione della profondita'.

Come detto precedentemente, i piloti hanno innanzitutto sperimentato occhiali ad intensificazione di luce notturna della 2S generazione, come gli AN/PVS-5 per elicotteri. Tuttavia, la sensibilita' e la risoluzione di questi occhiali, creati per applicazioni a bassa velocita', si sono rivelate inadeguate quando usate su mezzi che volano a velocita' elevata.

Un altro svantaggio era dato dal fatto che la maschera facciale dei PVS-5 restringeva la visione periferica. Oltre a questo, interferenze provenienti dalla cabina di pilotaggio ostacolavano la visibilita', costringendo il pilota a spegnere o coprire display non essenziali.

I costruttori hanno risolto questi problemi in tre modi: adottando strumenti di 3S generazione in grado di produrre immagini meglio definite e piu' dettagliate; aggiungendo filtri meno-blu in modo da ridurre la risposta del tubo nei confronti della luce visibile emessa dai display della cabina di pilotaggio; ridisegnando la cabina di pilotaggio rendendola compatibile con la risposta degli intensificatori di 3S generazione.

Sostanzialmente, la differenza principale tra sistemi di 2S e 3S generazione si riduce alla sensibilita' del materiale che costituisce il catodo fotosensibile. Punto chiave della visione notturna, infatti, e' che la luce non viene amplificata, bensi' intensificata all'interno del visore notturno.
Gli occhiali ANVIS (Aviator's Night Vision Imaging System), sfruttando tubi di 3S generazione, consentono di effettuare voli raso terra a livelli di illuminazione inferiori alla luce stellare in un cielo nuvoloso.

Un normale display a incandescenza, elettroluminescente o con diodo foto-emittente, posto in una cabina di pilotaggio, interferisce con il funzionamento di NVG di 3S generazione, in quanto emette notevoli radiazioni ad infrarossi all'interno del raggio di risposta del fotocatodo.
Questo eccesso causa interferenza in vari modi: riflessioni provenienti dal tettuccio del velivolo producono immagini spurie negli NVG; gli infrarossi possono provocare una fluorescenza nel tubo, creando intorno al display una sorta di bagliore simile ad un alone e rendendo quindi piu' difficile la lettura del display; livelli particolarmente elevati di infrarossi possono attivare il controllo automatico del guadagno, danneggiando la sensibilita' e la risoluzione degli occhiali.
La filtrazione degli ANVIS trasmette luce rossa, traendo in questo modo il maggior beneficio dalle radiazioni riflesse dal fogliame e ottimizzando la visibilita' al livello delle cime degli alberi. Contemporaneamente, il filtro meno-blu degli ANVIS elimina la maggior parte della bassa radianza presente in un cielo notturno, nella banda tra i 500-600 nanometri. Questo non danneggia la visibilita' che si ottiene guardando attraverso gli occhiali, dato che in questa regione il fogliame ha una riflettivita' relativamente bassa.

Gli occhiali ANVIS forniscono un'eccellente visione periferica e consentono al pilota di dare un'occhiata al di sotto dell'oculare per controllare la propria strumentazione di volo.

Ridisegnare il sistema di illuminazione della cabina di pilotaggio ha richiesto una chiara definizione di compatibilita' degli NVG e metodi di verifica.

Negli Stati Uniti la specifica MIL-L-85762A classifica il sistema di illuminazione compatibile con gli NVIS di 3S generazione in base al tipo e alla classe degli occhiali:

Gli occhiali 'Tipo 1'
Gli occhiali 'Tipo 1', generalmente usati su elicotteri, forniscono un'immagine a visione diretta e solo lo schermo al fosforo e' visibile attraverso l'oculare. Il pilota deve quindi guardare verso il basso per vedere la strumentazione di volo.

Gli occhiali 'Tipo 2'
Gli occhiali 'Tipo 2', usati prevalentemente su velivoli ad ala fissa, forniscono un'immagine proiettata attraverso una lente combinatrice che consente al pilota di guardare contemporaneamente l'emissione del tubo intensificatore e la strumentazione di volo. Queste lenti combinatrici forniscono anche una migliore compatibilita' con il display da montare in testa (HUD) head-up display).

Gli occhiali Tipo 1 sono generalmente della Classe A, mentre il Tipo 2 e' conforme alla Classe B.Nei modelli della Classe A, con un filtro meno-blu da 625 nanometri aggiunto all'obiettivo, la risposta relativa dell'1% si trova a 595 nanometri. Questo permette l'illuminazione della cabina di pilotaggio nei colori blu, verde (consultazione) e giallo (cautela, massima cautela, allarme). Si evitano display arancio e rossi.Per la Classe B, usando un filtro meno-blu da 665 nanometri, la risposta relativa dell'1% si trova a 625 nanometri. Questo esclude la maggior parte della banda rossa dalla risposta NVIS e permette l'illuminazione in blu, verde (consultazione), giallo (cautela) e rosso (massima cautela e allarme).

Organizzazioni non statunitensi spesso assegnano priorita' diverse a elementi quali colore, luminescenza, contrasto e radianza. Per esempio, potrebbero accettare valori di radianza piu' elevati in cambio di maggiore luminosita' e migliore leggibilita' in presenza di luce solare.
Il Regno Unito e' solito quantificare la radianza come guadagno degli NVG, ovvero il rapporto tra radiazioni rosse ed infrarosse e verdi nel display.

La Oxley Developments, che possiede strutture di produzione sia nel Regno Unito che Negli Stati Uniti, ha prodotto una serie di filtri usando un rivestimento dicroico su un substrato in vetro di qualita' ottica che unisce un filtraggio IR ad uno screening (EMI Interferenza Elettromagnetica).
Il materiale laminato dello schermo, disponibile in dimensioni che raggiungono i 2.500 mm.², viene fornito con una guarnizione conduttiva che accresce le sue proprieta' di screening RF (radio frequenza). I filtri di questa azienda vengono montati su velivoli quali Tornado, Harrier, Jaguar, Sea King, Lynx, Puma e Black Hawk.

IL PESO VALE LA FATICA

Il limite maggiore degli NVG e' la fatica cui il pilota e' sottoposto. Sebbene consentano al pilota una certa liberta', permettendogli di guardare tranquillamente in ogni direzione, gli NVG rimangono tuttavia ingombranti e stancano il pilota, risultando addirittura letali in caso di espulsione (il centro di gravita' di elmetto + occhiali si trova notevolmente al di sopra del collo, quindi un'accelerazione brutale puo' provocare una rotazione della testa ad una velocita' tale da spezzare la colonna vertebrale). Sono ancora in fase di studio progetti per mantenere il centro di gravita' dell'elmetto il piu' vicino possibile al punto di rotazione del collo.Il pilota deve comunque fare i conti con il peso non trascurabile degli NVG montati su elmetti appositamente modificati. Il peso in avanti degli occhiali e' compensato dal piccolo vano batterie posto dietro l'elmetto. Due batterie AA con un paio di back up forniscono approssimativamente 22 ore di attivita'. Gli occhiali, le batterie, il vano batterie e l'attacco degli occhiali raggiungono un peso di circa 860 gr.

Ma non e' tutto. Molti piloti indossano sul retro del proprio elmetto zavorre di piombo, pari a 626 gr., per controbilanciare la distribuzione del peso. Il peso dell'intero sistema degli occhiali, unito all'elmetto, corrisponde a circa 3,2 kg.La maggior parte dei piloti si adatta col tempo a questo 'peso in piu'' da indossare, senza riuscire tuttavia ad evitare stiramenti al collo, stiramenti muscolari e crampi. Sulla base di questi dati, gli esperti ritengono che 1 ora di volo con occhiali ad intensificazione di luce notturna corrisponda a 2 ore e mezza di volo senza strumenti di questo genere. Mentre la capacita' di vedere nell'oscurita' migliora di gran lunga la sicurezza di volo, il pilota deve essere in grado di rispondere positivamente alla fatica cui e' sottoposto.I piloti possono usare gli NVG anche in combinazione con unita' di terra, anch'esse dotate di occhiali ad intensificazione di luce notturna. Usando un comune puntatore laser a forma di penna, il pilota puo' illuminare dall'alto un'area sospetta. Le unita' di terra equipaggiate con NVG possono vedere il sottile raggio di luce verde penetrare nell'oscurita' come da una bacchetta magica. Il laser illumina infatti le particelle d'aria, come umidita' e polvere, le quali rifrangono la luce, creando un raggio di luce visibile attraverso gli occhiali. La luce del laser emette un segnale specifico per le unita' di terra.

Dato che certi tipi di luce interferiscono con l'efficienza degli NVG, questi danno le migliori prestazioni in presenza di luce stellare o lunare, mentre le luci forti della citta' offuscano e sbiadiscono le immagini degli NVG. E' quindi opportuno l'impiego di speciali lenti ad infrarossi. La luce ad infrarossi, invisibile all'occhio umano, inverte l'effetto dell'offuscamento provocato dalle luci forti della citta' riportando gli occhiali all'efficienza originaria. Gli NVG sono infatti cosi' sensibili che la luce bianca puo' danneggiarli gravemente. Ecco perche' i piloti non rimuovono i copri lente degli NVG tranne che nell'oscurita' piu' totale.

La rigidita' del sistema e la montatura sono fattori rilevanti in un ambiente operativo che deve tener conto delle vibrazioni. Alcuni modelli sono gia' di per se' meno predisposti a sopportare gli effetti delle vibrazioni rispetto ad altri, mentre la resistenza dei materiali usati per determinati componenti si valutera' nel tempo.La tecnologia rappresenta ancora il fattore limite nella progettazione degli occhiali ad intensificazione di luce notturna dell'attuale generazione. Si sono tentati approcci innovativi tesi a superare alcuni dei problemi inerenti i comuni NVG, ma ognuno rivelava carenze.

Gli straordinari risultati raggiunti nel campo della microelettronica, apriranno la strada ad un numero infinito di applicazioni per sistemi integrati con elmetti. Non solo, si potranno anche risolvere problemi di peso e di sicurezza. La possibilita' di potenziare i velivoli esistenti rappresentera' un notevole passo in avanti.Combattimenti simulati hanno dimostrato che un pilota equipaggiato con occhiali integrati con elmetto riesce a portare a termine con successo 75 incarichi su 100.

L'Aviazione israeliana ha scelto per la propria squadra di elicotteristi da combattimento un sistema di visione notturna costituito dagli occhiali della Elbit Computers.Con un'aggiunta di soli 110 grammi al peso dell'elmetto, si ottiene quel sistema chiamato NVG/HUD head-up display (display montato in testa).

In questo modo, le immagini viste attraverso gli occhiali vengono integrate con la grafica generata dal computer e con la simbologia digitale, solitamente visualizzate sul display montato in testa.Ricevendo informazioni quali la quota orizzontale e verticale, i dati aerei, le informazioni relative alla navigazione aerea e al puntamento di armi, il pilota puo' effettuare un'intera missione senza dover guardare il pannello della strumentazione di volo.

Gli NVG/HUD della Elbit Cimputers possono anche costituire parte del sistema di visione notturna per navigazione/attacco che include misurazioni di linea ottica per il pilota e un contenitore FLIR (forward-looking infrared).

Il display HUD mostrera' altresi' le informazioni relative al motore.In seguito all'esperienza vissuta dall'esercito statunitense durante la Guerra del Golfo, si e' deciso di integrare un NVG/HUD con gli occhiali ANVIS indossati dall'equipaggio di un elicottero.