8. April 2019
Die Befähigung zur Durchführung von militärischen Operationen zu allen Tageszeiten und unter jeglichen Sichtbedingungen ist eine Kernforderung an moderne und schlagkräftige Streitkräfte. Restlichtverstärkung und Thermografie (Wärmebild) sind die beiden Kerntechnologien, welche entscheidend zur Erlangung der Nachtsicht- und Nachtkampffähigkeit beitragen.
Nachtsichtfähigkeit bedeutet, dass der Soldat seine Umgebung im Dunkeln optisch wahrnehmen kann. Nachtkampffähigkeit geht eine Stufe weiter und verlangt vom Soldaten nicht nur im Dunkeln sehen, sondern auch zielen und seine Waffe bzw. sein Waffensystem zum Einsatz bringen zu können. Klassisch wurde die Fähigkeit mittels Gefechtsfeldbeleuchtung erreicht. Diese hatte aber den Nachteil, dass diese immer nur zeitlich begrenzt zur Verfügung steht und auch der Gegner die künstliche Beleuchtung für seine eigene Operationsführung nutzen kann. Insbesondere gegenüber irregulär operierenden Kräften stellt Zugang zu moderner Nachtsichttechnologie ein Alleinstellungsmerkmal dar.
Restlichtverstärker
Wie viele technologische Errungenschaften hat auch die Nachtsichttechnologie ihren Ursprung in Deutschland. Die 0. Generation (Bildwandler-Prinzip) benötigte noch den Einsatz von IR-Strahlern und wurde erstmals im Zweiten Weltkrieg in begrenztem Umfang auf Seiten der Wehrmacht eingesetzt. Moderne Nachtsichtbrillen (NVG) sind deutlich leichter und leistungsfähiger, sie entsprechen der Generation 2+ bzw. 3.
Unabhängig von der Generation ist das Funktionsprinzip moderner NVG gleich. Die im Objektiv gesammelten und gebündelten Photonen des für das menschliche Auge nicht wahrnehmbaren Nah-IR-Spektrums (ca. 750 bis 950 nm) werden in der Photokathode in Elektronen umgewandelt. Diese Elektronen werden mittels einer Mikrokanalplatte um das Zigtausendfache verstärkt und anschließend auf einem Phosphorbildschirm in ein für das menschliche Auge wahrnehmbares Licht umgewandelt. Gemäß den optischen Gesetzmäßigkeiten würde sich das jetzt sichtbare Bild auf dem Kopf befinden. Dementsprechend muss dieses erst noch durch eine Linse vor dem Okular umgekehrt werden. Die Kombination aus Photokathode, Mikrokanalplatte und Phosphorschirm wird als Röhre bezeichnet.
Generationen der Röhrentechnologie
Wie bereits erwähnt kommen in den modernen militärischen NVG Röhren
der Generation 2+ (Photonis, Niederlande und Frankreich) bzw. Generation 3 (L3 und ITT-Corporation, beides USA) zum Einsatz, deren Funktionsprinzip seit den 1970er bzw. 1980er Jahren genutzt und immer weiter verbessert wird. Die Masse der heute in den USA hergestellten Röhren haben eine Photokathode mit 18 mm, diese bieten aus US-Sicht den besten Kompromiss aus Leistung und Gewicht. Photonis bietet neben den 18-mm-Röhren auch 16-mm-Röhren der Generation 2+ an.
Funktionstechnisch haben sich Restlichtverstärker in den letzten Jahrzehnten (Ausnahme Fusion) nicht sonderlich verändert. Wohl aber sind diese in der Zwischenzeit deutlich kleiner, leichter, robuster und leistungsfähiger geworden. Zudem wurden die Röhren mit der Zeit deutlich günstiger in der Herstellung. Daher sind diese heute querschnittlich in der Nutzung und stehen nicht wie anfänglich nur ausgewählten Einheiten zur Verfügung.
Der technische Unterschied zwischen der Generation 2+ und 3 liegt in der Photokathode. Anstatt einer Multi-Alkali Photokathode kommt bei Röhren der dritten Generation Gallium/Arsenit zum Einsatz. Der Wechsel auf Gallium/Arsenit hat die Vorteile, dass einerseits ein etwas weiteres Spektrum des IR-Lichts zur Bilderzeugung genutzt werden kann und andererseits eine höhere Empfindlichkeit der Photokathode erreicht wird. Schlussendlich lassen sich so mehr Elektronen und damit verbunden auch mehr sichtbares Licht aus dem zur Verfügung stehenden Restlicht erzeugen.
Die höhere Empfindlichkeit der dritten Generation hatte anfänglich zur Folge, dass von der Mikrokanalplatte emittierte Elektronen über die Zeit zur Beschädigung der Photokathode geführt haben. Um dies zu verhindern, wurde anfänglich eine Ionenbarriere zwischen Kathode und Platte geschaltet, um eine akzeptable Lebensdauer der Röhre zu erreichen. Die Lebensdauer der aktuellen Röhren beträgt unabhängig von ihrer Generation 10.000 bis 15.000 Betriebsstunden.
Mittlerweile ist die Industrie in der Lage, Röhren der 3. Generation, ohne Ionenbarrieren bei gleicher Lebensdauer herzustellen. Dadurch wird das Bild klarer und kontrastreicher und spiegelt heute den aktuellsten Stand der Technik. Diese „ungefilmten“ Generation-3-Röhren welche ausschließlich von L3 Warrior Systems hergestellt werden, wurden anfänglich auch fälschlicherweise als Generation 4 bezeichnet.
Leistungsbestimmung
Die Leistungsfähigkeit der Röhre setzt sich unter anderem aus Auflösung, Lichtverstärkung (Gain) und dem Signal-Rausch-Verhältnis (S/R) des erzeugten Bildes zusammen. Unabhängig von Röhrengeneration sind praktisch alle modernen militärischen Röhren in der Lage eine Auflösung von ca. 64 – 72 Linienpaaren pro Millimeter zu erzeugen. Da eine weitere Erhöhung der Auflösung nicht durch das menschliche Auge wahrgenommen werden kann, wird maßgeblich an der Verbesserung des S/R-Wertes und der Erhöhung des Gain-Wertes gearbeitet, um ein besseres Bild, selbst bei dunklerer Umgebung, zu erzeugen. Je höher der S/R-Wert ist, desto weniger wird das Bild durch unangenehmes Hintergrundrauschen negativ beeinflusst. Je höher der Gain, desto mehr Heiligkeit bekommt das Bild und daher einen besseren Kontrast bei schlechten Lichtverhältnissen. Bei modernen Geräten lässt sich der Gain zusätzlich manuell Regeln. Hoher Gain erzeugt ein helleres Bild und führt zu mehr Bildrauschen, weniger Gain bedeutet, dass man ein dunkleres Bild mit weniger Bildrauschen hat.
Als Qualitätsmerkmal lassen sich die Auflösung und das Signal-Rauschverhältnis (lp/mm x S/R) miteinander multiplizieren. Daraus ergibt sich ein Wert der in den USA als FOM (Figure of Merit – Leistungsindikator im Vergleich zur besten zur Verfügung stehenden Alternative) bezeichnet wird und maßgeblich für die Exportfreigabe von US-Röhren ist. Europäische Röhren der Generation 2+ erreichen zum jetzigen Zeitpunkt vereinzelt Werte von ca. 2.300 FOM.
Neben den beschriebenen Werten ist die Auto-Gating-Funktion ein wesentlicher Vorteil von modernen Röhren. Auto-Gating sorgt einerseits dafür, dass der plötzliche Anstieg des für die Nachtsichtbrille zur Verfügung stehenden Lichtes unverzüglich herunterreguliert und automatisch auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Dies wird mittels einer Taktung erreicht, indem nur eine maximal gewünschte Anzahl Photonen pro Zeiteinheit durch die Photokathode in Elektronen gewandelt wird. Automatisch getaktete Röhren (auto-gated) sind in der Lage, auch unter wechselnden Lichtverhältnissen bis hin zum Einsatz unter Tageslichtverhältnissen ein konstantes, scharfes und konturreiches Bild zu erzeugen. In der Praxis lässt sich die Güte der Auto-Gating-Funktion an der Geschwindigkeit der Regelzeit erkennen. Diese Funktion ist heute teilweise so ausgereift, dass sie mit dem Auge, auch bei sehr plötzlichem und sehr starkem Lichteinfall (Explosionen, Mündungsfeuer, etc.) kaum wahrnehmbar ist, und dennoch ein gleichmäßiges und ruhiges Bild bei Dunkelheit liefert.
NVG-Gehäuse
Da eine Nachtsichtbrille nicht nur aus einer Röhre besteht, ist das Gehäuse ein wesentlicher Faktor für die Funktions- und Leistungsfähigkeit der Brille. Unterschiedliche
Da die Brille auch im Einsatz bei absoluter Dunkelheit (z.B. Keller, Tunnel) genutzt werden muss, verfügen viele NVG über integrierte und optional zuschaltbare IR-Lampen, welche bei Bedarf als Ersatz für das natürliche Restlicht fungieren. Teilweise wird aus Gewichtseinsparungsgründen auf die Integration von IR-Lampen in die Nachtsichtbrille verzichtet, da viele Soldaten mit leistungsfähigeren IR-Aufhellern auf Helm und Waffe ausgerüstet werden.
Unterschiedliche militärische Aufträge erfordern auch unterschiedliche Bauweisen der NVG. Neben monokularen Geräten sind die biokularen Brillen (LUCIE Brille der Bundeswehr) am häufigsten im Einsatz. Sie verfügen nur über eine Röhre und sind daher günstig in der Anschaffung. Mittels eines Strahlenteilers wird das erzeugte Bild an zwei Okulare ausgegeben. Dem Träger der Brille wird somit ein natürlicher wirkendes Bild suggeriert. Diese Art von Brillen kann kein stereoskopisches Sehen, insbesondere im Nahbereich, wiedergeben. Träger dieser Brillen müssen daher besonders stark aufpassen, um sich nicht an Hindernissen zu stoßen bzw. in der Bewegung zu stolpern. Daher treten insbesondere bei Müdigkeit und in Stresssituationen, wenn der Soldat sich nicht auf seine eigene Bewegung konzentrieren kann, Verletzungsmuster durchs Umknicken und Anstoßen auf. Auch für Kraftfahrer ist diese Art von Brillen ungeeignet.
Binokulare NVG stellen eine dritte Art von Brillen dar. Die beiden aufeinander justierten Kanäle einer binokularen Brille sind zwar teurer, geben aber ein Bild wieder, welches deutlich näher an die Realität heranreicht, als es mono- bzw. biokulare Brillen vermögen. Distanzen werden korrekt wiedergegeben, daher sind solche NVG auch für Kraftfahrer geeignet. Bedingt durch den Einsatz einer zweiten Röhre sind solche Brillen etwa doppelt so teuer in der Anschaffung, haben aber den Vorteil, dass bei Ausfall einer Röhre der Soldat weiterhin über eine monokulare Nachtsichtfähigkeit der zweiten Röhre verfügt.
Wärmebildgeräte
Wärmebildgeräte (WBG) arbeiten nach dem Prinzip der Thermografie. Sie reagieren auf die Eigenabstrahlung unterschiedlich warmer Quellen im mittleren IR-Spektrum (3.000 bis 5.000 nm) und wandeln auch bei vollkommener Dunkelheit Temperaturunterschiede zu einem Bild um.
Im Vergleich zu den Restlichtverstärkern benötigen Wärmebildgeräte kein Restlicht oder eine künstliche Lichtquelle, sie bieten größere Einsatzreichweiten und sie zeigen sich im Hinblick auf das Erkennen von Personenzielen sowie das Identifizieren von Fahrzeugzielen deutlich überlegen.
Der Einsatz der Technologie erfolgt querschnittlich über alle denkbaren plattformgebundenen und -ungebundenen Systeme. Die Erzeugung des Bildes erfolgt mittels Darstellung der thermalen Unterschiede der beobachteten Umgebung in unterschiedlichen Graustufen oder Falschfarben. Generell können WBG in zwei Kategorien, gekühlte und ungekühlte Geräte, unterschieden werden.
Gekühlte Wärmebildgeräte
Gekühlte WBG haben den Vorteil, dass sie die Temperaturunterschiede der Umgebung viel feiner wahrnehmen und abbilden können. Potenzielle Ziele lassen sich daher in viel größerer Entfernung aufklären und identifizieren als es bei ungekühlten Geräten der Fall ist. Vor der Bilddarstellung müssen die Sensoren des gekühlten WBG auf die jeweilige Betriebstemperatur gebracht werden. Dies erfordert nicht nur Zeit, sondern vor allem Energie. Während bei Geräten der früheren Generation der Kühlvorgang noch mehrere Minuten in Anspruch nahm, sind moderne Geräte bereits nach wenigen Sekunden einsatzbereit. Bedingt durch die zusätzliche Technik sind diese Geräte schwerer, energiehungriger und teurer als ungekühlte Systeme. Nichtsdestotrotz erlaubt der Stand der Technik mittlerweile die Herstellung gekühlter, kompakter WBG mit einem Gesamtgewicht von unter zwei Kilogramm. Dies ermöglicht den Einsatz dieser Technologie auch im infanteristischen Einsatz. Handgehaltene Beobachtungsgeräte bzw. auf Handwaffen adaptierbare Vorsatzgeräte ermöglichen es, Personen auf Entfernung von bis zu 4.000 m zu erkennen bzw. auf Distanzen von bis zu 1.500 m aufzuklären.
Ungekühlte Wärmebildgeräte
Der Verzicht auf die Kühlung erspart nicht nur Anschaffungskosten. Ungekühlte WBG sind deutlich kompakter und leichter als gekühlte Geräte. Das Weglassen des Kühlsystems und der dazugehörigen Stromversorgung ermöglicht die Konstruktion von Geräten mit einem Gesamtgewicht von wenigen hundert Gramm. Einhergehend mit der Gewichtsersparnis sinkt auch die Leistungsfähigkeit. Personen können auf Distanzen von bis zu 1.800 m erkannt bzw. auf bis zu 500 m aufgeklärt werden.
Physikalische Grenzen
Neben Energie benötigt die Wärmebildtechnik für eine optimale Funktion insbesondere Temperaturunterschiede. Je näher die Umgebungstemperatur an die Zieltemperatur heranreicht, desto schlechter sind die Auflösung und dementsprechend auch das dargestellte Bild des WBG. Reflexion der Sonne, Brände auf dem Gefechtsfeld sowie Regen, Nebel und Schneefall stören die Detektionsfähigkeit von Wärmebildgeräten erheblich bzw. können die Funktionsfähigkeit komplett verhindern. Lichtquellen und Lichtkegel können mit WBG nicht erkannt werden. Erkannte Objekte können nur zweidimensional dargestellt werden. Weiterhin ist es nicht möglich, mittels WBG hinter Glasflächen zu blicken. Es ist daher nicht möglich, mittels eines Wärmebildes zu erkennen, ob und wie stark Fahrzeuge bemannt sind.
Nachtkampffähigkeit
Auch wenn mit Zielkreuzen ausgestatte Nachtsicht- und Wärmebildvorsätze den Soldaten bereits zum Kampf bei eingeschränkter Sicht befähigen, bieten sie den Nachteil, dass sie nicht in Kombination mit Nachsichtbrillen genutzt werden können. Der Schütze muss bei jedem Zielvorgang seine Brille hochklappen, bevor er in Anschlag gehen kann. Dieser Umstand ist nicht nur mit einem zusätzlichen motorischen Aufwand, sondern auch mit dem Verlust der Umgebungswahrnehmung verbunden, da dem Schützen nur noch der Tunnelblick durch seine Optik zur Verfügung steht. Was in der zur Verteidigung vorbereiteten Stellung noch praktikabel ist, wird im Raum- und Häuserkampf zum lebensgefährdenden Umstand. In einem solchen Szenario ist der Schütze darauf angewiesen, dauerhaft seine Umgebung wahrzunehmen und plötzlich auftretende Ziele zu bekämpfen. Dies wird mittels Nutzung nachtsichtkompatibler Reflexvisiere oder den Einsatz von IR-Lasermodulen erreicht. Mittels spezieller Streuscheiben kann das gebündelte IR Licht der Lasermodule bis auf ca. 100° Sehfeld ausgeweitet und gleichzeitig das Blenden auch im Häuserkampf verhindert werden.
Fazit
Die Bundeswehr ist auf diesem Gebiet nur unzureichend ausgerüstet, und dies ist ihr auch bewusst. Die eingeführten Geräte sind oftmals veraltet und stehen nicht in ausreichender Anzahl zu Verfügung. Die Berichte des Wehrbeauftragten befassen sich seit Jahren mit dieser Thematik. Mehrere Fähigkeitslücken sind alleine bei Nachtsichtbrillen erkannt und entsprechende Beschaffungsvorhaben initiiert worden. Der Bedarf an Nachtsichtbrillen für den abgesessenen Kampf, einer Brille für den Kraftfahrdienst sowie einer speziellen Nachtsichtbrille für Spezialkräfte sind nur einige Programme, welche seit Längerem verfolgt werden und entweder seit Kurzem der Truppe zulaufen bzw. in Kürze zulaufen werden. Von einer Vollausstattung mit moderner Nachtsichttechnik ist die Truppe auf jeden Fall noch weit entfernt.
Waldemar Geiger
Erschienen in der Europäischen Sicherheit und Technik 08.04.2019
