按現(xiàn)有的技術(shù)水平,潛艇綜合成像系統(tǒng)基本上由八大類(lèi)成像系統(tǒng)構(gòu)成。下面就依照艇上和艇外成像系統(tǒng)的順序,分別描述八種成像系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和特點(diǎn)。
潛望鏡成像系統(tǒng)
現(xiàn)代潛艇潛望鏡是在20世紀(jì)初發(fā)明的。1906年德國(guó)海軍建成第一艘潛艇時(shí),已使用了相當(dāng)完善的光學(xué)潛望鏡,由物鏡、轉(zhuǎn)像系統(tǒng)和目鏡等組成。當(dāng)時(shí)潛望鏡的潛望力在5~7米,觀察距離很近、視場(chǎng)狹窄、圖像質(zhì)量也很差,而且夜間無(wú)法使用。傳統(tǒng)潛望鏡的主要功能包括觀察水面的艦船、對(duì)空觀察飛機(jī)、估算被攻擊目標(biāo)的距離、將其方位和距離提供給火控系統(tǒng)、在潛沒(méi)狀態(tài)下實(shí)施地標(biāo)導(dǎo)航或天文導(dǎo)航等。 現(xiàn)代的潛望鏡制造商應(yīng)用微光夜視、紅外熱成像、激光測(cè)距、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、隱身等光電技術(shù)的最新成果,開(kāi)發(fā)出新一代光電潛望鏡。以2003年德國(guó)研制的最新一款SERO 400型潛望鏡為例。主要技術(shù)性能包括:俯仰范圍-15度~+60度,1.5倍、6倍和12倍三種放大倍率,高精度的瞄準(zhǔn)線雙軸穩(wěn)定,潛望鏡入瞳直徑>21毫米,潛望力約12米。它能配置多種攝像機(jī)和傳感器,如數(shù)碼攝像機(jī)、微光電視攝像機(jī)、彩色電視攝像機(jī)、熱像儀、人眼安全型激光測(cè)距儀等,供潛艇指揮員根據(jù)實(shí)戰(zhàn)需要選用;還能把視頻信號(hào)實(shí)時(shí)提供給作戰(zhàn)系統(tǒng)監(jiān)視器,實(shí)現(xiàn)同步觀察。潛望鏡系統(tǒng)的串行接口可供不同的作戰(zhàn)系統(tǒng)控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)遙控操作。該潛望鏡系統(tǒng)在晝光和夜間條件下部有相當(dāng)好的觀察效果,能有效監(jiān)視海面和???、收集導(dǎo)航數(shù)據(jù)、搜索和識(shí)別各種海上目標(biāo),觀察到的圖像可以錄像供回放。 美國(guó)海軍開(kāi)發(fā)的全景潛望鏡也值得關(guān)注。它是全景潛望鏡技術(shù)在現(xiàn)代技術(shù)條件下的重新應(yīng)用,技術(shù)的前景還在驗(yàn)證中。此外,國(guó)外對(duì)潛望鏡的模塊化設(shè)計(jì)相當(dāng)重視而且已廣泛采用。無(wú)需改動(dòng)潛望鏡的基本結(jié)構(gòu)和功能,就可以方便地根據(jù)需要替換陳舊的傳感器,提升潛望鏡的性能。
現(xiàn)代光電潛望鏡技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,不可能再有很大提高。傳統(tǒng)的穿透式潛望鏡的固有弊端已十分明顯:最主要的缺陷是潛望鏡必須穿透潛艇殼體,鏡管直徑越大對(duì)潛艇耐壓性的影響就越大;其二,潛望鏡目鏡頭的轉(zhuǎn)動(dòng)直徑一般為0. 6米,在原本有限的艇內(nèi)占據(jù)較太空間,對(duì)潛艇指揮艙的布置十分不利,其三,潛望鏡只適合一人操作觀察,無(wú)法實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)觀察,不利于作戰(zhàn)信息資源的共享。盡管存在上進(jìn)缺陷,但光電潛望鏡在現(xiàn)在和將來(lái)依然是各國(guó)海軍潛艇最普遍使用的成像觀察裝置。 光電桅桿系統(tǒng)
1976年,美國(guó)科爾摩根公司正式提出最初的光電桅桿原理供海軍評(píng)審。80年代,非穿透光電桅桿的開(kāi)發(fā)計(jì)劃正式啟動(dòng)。如今,光電桅桿已從概念、原理樣機(jī)發(fā)展成為工程型號(hào)。美、英、法三國(guó)海軍在新型核動(dòng)力潛艇上淘汰了傳統(tǒng)的穿透武潛望鏡,都將配備光電桅桿。選標(biāo)志著潛艇光電桅桿技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)成熟和可靠的水平。光電桅桿和常規(guī)潛望鏡的最大差別在于,光電桅桿是“非穿透桅桿”。它由光電桅桿觀察頭、非穿透桅桿和艇內(nèi)操控臺(tái)三部分組成。美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)潛艇上的光電桅桿系統(tǒng)是AN/BVS-1成像系統(tǒng),它除了現(xiàn)有潛望鏡系統(tǒng)的功能外,還能提供電子情報(bào)收集、監(jiān)視和目標(biāo)打擊等功能。
光電桅桿與傳統(tǒng)的穿透式潛望鏡相比有諸多優(yōu)點(diǎn):如光電桅桿不穿透耐壓艇殼,直接布置在指揮艙的合適位置,不但提高了潛艇耐壓強(qiáng)度,也方便了指揮艙的布置;光電桅桿的觀察頭部裝有多種光電探測(cè)傳感器、電子戰(zhàn)和通訊天線等裝置;艇外情況可通過(guò)電視和紅外攝像機(jī)攝取,然后傳輸?shù)酵?nèi),顯示在操控臺(tái)監(jiān)視器及大屏幕上。光電桅桿正在逐步取代穿透式潛望鏡,成為潛艇作戰(zhàn)信息系統(tǒng)的重要組成部分。 但由于技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等原因,只有少數(shù)潛艇使用了一根光電桅桿,例如俄羅斯“德?tīng)査蟆焙汀暗聽(tīng)査簟奔?jí)導(dǎo)彈核潛艇裝備有一根“磚雨”光電桅桿。只有美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)攻擊核潛艇使用了兩根光電桅桿。雖然英國(guó)“機(jī)敏”級(jí)和法國(guó)“勝利”級(jí)攻擊核潛艇也裝備有兩根光電桅桿,但它們尚未下水,服役仍需時(shí)日。較為普遍的是用一根光電桅桿和一根潛望鏡配合使用,如美、英、德、法、俄、日、埃及等國(guó)的部分潛艇。 通氣管攝像機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)
潛艇通氣管技術(shù)是德國(guó)在二次世界大戰(zhàn)時(shí)發(fā)明的。60年代開(kāi)始研究在通氣管狀態(tài)下如何使用潛望觀察裝置,使通氣管能夠一管多用。當(dāng)時(shí)的首選方案是在通氣管上加裝潛望鏡,如德國(guó)蔡司公司NavS潛望鏡就可以加裝在潛艇通氣管上。近幾年對(duì)潛艇通氣管上加裝觀察通訊裝置更為關(guān)注。在德國(guó)IKL公司2004年9月申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利“潛艇的通氣管裝置”中,詳細(xì)敘述了如何在通氣管上配置潛望鏡、雷達(dá)及通訊天線,主要涉及電子成像技術(shù)和雷達(dá)預(yù)警技術(shù)。通氣管攝像機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)把潛艇光電桅桿技術(shù)應(yīng)用到了通氣管裝置上,使?jié)撏г谕夤軤顟B(tài)下工作的同時(shí),又能保持警戒觀察、通訊和雷達(dá)預(yù)警,提高了潛艇的隱蔽性。從技術(shù)層面看,如果已經(jīng)掌握了光電桅桿技術(shù),那么在通氣管上實(shí)現(xiàn)它的技術(shù)難度不會(huì)很大。該技術(shù)已引起了潛艇界人士的重視。 圍殼及殼體部分的攝像機(jī)電視系統(tǒng)
這是電視攝像機(jī)系統(tǒng)在潛艇上的特殊應(yīng)用。主要用于對(duì)己艇的外部環(huán)境和各種發(fā)射狀況進(jìn)行檢查和監(jiān)視,也可為潛艇在冰層下活動(dòng)提供光學(xué)導(dǎo)航。電視攝像機(jī)系統(tǒng)在潛艇殼體上的應(yīng)用至少有30年的歷史,具體應(yīng)用多見(jiàn)于英國(guó),俄羅斯及北歐等國(guó)海軍潛艇。英國(guó)潛艇圍殼上配置的水下電視攝像機(jī)系統(tǒng),是專(zhuān)為潛艇在冰層或水下活動(dòng)的需要而研制的。它可以提供安全的水下導(dǎo)航,是潛艇上浮時(shí)的重要輔助裝置。一般就導(dǎo)航系統(tǒng)而言。在潛艇圍殼上應(yīng)配置兩臺(tái)水下電視攝像機(jī),一臺(tái)置于向上觀察的位置,另一臺(tái)置于前視位置并與水平方向成40度角。這種布置方式十分有利于潛艇在上浮或前進(jìn)機(jī)動(dòng)時(shí)獲得最好質(zhì)量的圖像。英國(guó)酉姆拉德公司的OE-0285型攝像機(jī)已裝備英國(guó)的潛艇。它是一種增強(qiáng)的硅靶攝像機(jī),它能在有云的星光條件下依靠微弱光線觀察各種目標(biāo)。當(dāng)潛艇在北冰洋地區(qū)活動(dòng)時(shí),OE-0285攝像機(jī)是潛艇通過(guò)冰層上浮時(shí)的重要輔助設(shè)備。 虛擬潛望鏡系統(tǒng)
這是美國(guó)海軍正在研究的潛艇水下攝像機(jī)系統(tǒng)。雖然稱(chēng)之為“虛擬”潛望鏡,但與計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的“虛擬現(xiàn)實(shí)”截然不同,也不同于圍殼上的攝像機(jī)系統(tǒng)。虛擬潛望鏡就是一種完全從水下潛沒(méi)的潛艇平臺(tái)上透過(guò)水面進(jìn)行觀察的光學(xué)傳感器,包括潛艇水下攝像機(jī)、處理器和圖像顯示器。所謂“虛擬”,是指圖像顯示器能把攝像機(jī)看到的海面上部半球形視場(chǎng)內(nèi)的不完整圖像重現(xiàn)為一幅完整的圖像。虛擬潛望鏡與潛艇傳感器系統(tǒng)構(gòu)成一體,可減少潛艇指揮員使用常規(guī)潛望鏡的次數(shù),提高潛艇的隱身性。 虛擬潛望鏡技術(shù)還可以在最大程度上減少潛艇與水面艦船碰撞的概率。潛艇上浮到潛望深度前,必須確認(rèn)上浮區(qū)內(nèi)沒(méi)有行駛的船舶。從潛望深度到水下約150英尺(46米)的“過(guò)渡區(qū)”,是潛艇水下活動(dòng)的不安全區(qū)。在這個(gè)尷尬的區(qū)域內(nèi),潛艇因?yàn)樗幬恢谩疤睢倍床灰?jiàn)上方是否有正在航行的艦船,又因?yàn)榫嚯x航行艦船下方“太淺”而不能安全地通過(guò)。但是,這個(gè)過(guò)渡區(qū)可能包含了最佳水聲搜索深度,也是最好的規(guī)避深度,是潛艇在淺水區(qū)安全活動(dòng)的最理想深度區(qū)域。如果潛艇喪失了這個(gè)過(guò)渡區(qū),其活動(dòng)能力就會(huì)大打折扣。如果潛艇采用虛擬潛望鏡技術(shù)觀察周?chē)闆r,就能在這個(gè)過(guò)渡區(qū)內(nèi)安全地活動(dòng)了。 虛擬潛望鏡的光學(xué)原理與普通潛望鏡不同。普通潛望鏡是在海上某個(gè)位置接收光線;虛擬潛望鏡則是利用水下的一個(gè)或幾個(gè)向上觀察的攝像機(jī),接收來(lái)自空間并穿透海面的光線。虛擬潛望鏡項(xiàng)目運(yùn)用對(duì)微弱折射光重構(gòu)的成像技術(shù),開(kāi)發(fā)一個(gè)能探測(cè)水面目標(biāo)的水下攝像機(jī)系統(tǒng)(包括軟件系統(tǒng))。虛擬潛望鏡不只是一項(xiàng)特殊的成像技術(shù),而且完全適合于潛艇特種作戰(zhàn)部隊(duì)的應(yīng)用。該技術(shù)正處于實(shí)驗(yàn)階段。 光電浮標(biāo)系統(tǒng)
美國(guó)早在80年代初已申請(qǐng)了光電浮標(biāo)技術(shù)的專(zhuān)利。90年代,美國(guó)馬薩諸塞州波卡塞特的船舶成像系統(tǒng)公司開(kāi)始了潛艇用光電浮標(biāo)的設(shè)計(jì)與研究。該公司與美國(guó)防先期研究計(jì)劃局簽訂了100萬(wàn)美元的研究合同,設(shè)計(jì)并制造從潛艇發(fā)射的攝像機(jī)浮標(biāo)系統(tǒng)(BCD)。BCD使用CCD傳感器,并通過(guò)光纖和電纜與潛艇保持連接。CCD傳感器由潛艇控制其穩(wěn)定和監(jiān)視方向,在水面上獲取目標(biāo)圖像數(shù)據(jù),再轉(zhuǎn)換成光纖信號(hào)傳送到潛艇上。獲取的信息用圖像增強(qiáng)算法軟件進(jìn)行處理。潛艇用光電浮標(biāo)可以進(jìn)行隱身處理以提高隱蔽性,如偽裝成冰塊或海上漂浮物。如果能降低成本,光電浮標(biāo)可設(shè)計(jì)成一次性的。還有人建議研制多傳感器光電浮標(biāo)系統(tǒng)
潛艇無(wú)人機(jī)的開(kāi)發(fā)解決了潛望鏡和光電桅桿潛望高度低、不能遠(yuǎn)距離觀察的問(wèn)題。潛艇可以在潛沒(méi)狀態(tài)下獲得無(wú)人機(jī)從空中攝取的圖像,從而提高了隱蔽性。與潛艇有關(guān)的無(wú)人機(jī)技術(shù)研究始于80年代中期,當(dāng)時(shí)的無(wú)人機(jī)是從魚(yú)雷管發(fā)射的,已能從潛艇桅桿內(nèi)向外發(fā)射無(wú)人機(jī)。例如,美國(guó)科爾摩根公司研制成功的無(wú)人機(jī)發(fā)射裝置裝在潛艇桅桿內(nèi),一次可裝4架無(wú)人機(jī)。美國(guó)海軍已經(jīng)把無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用在“弗吉尼亞”級(jí)和“俄亥俄”級(jí)攻擊核潛艇上。無(wú)人機(jī)可以通過(guò)軍用衛(wèi)星把探測(cè)到的信息傳輸給發(fā)射潛艇,或轉(zhuǎn)發(fā)到其他潛艇、水面艦船以及陸上的作戰(zhàn)指揮中心,并與水下運(yùn)載器等多種系統(tǒng)構(gòu)成綜合的信息網(wǎng)絡(luò)。潛望鏡