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潛望鏡所屬現代詞,指的是從海面下伸出海面或從低洼坑道伸出地面,用以窺探海面或地面上活動的裝置。

1 潛望鏡 -潛望鏡

概述

潛望鏡內的光路圖
潛望鏡是指從海面下伸出海面或從低洼坑道伸出地面,用以窺探海面或地面上活動的裝置。其構造與普通地上望遠鏡相同,唯另加兩個反射鏡使物光經兩次反射而折向眼中。潛望鏡常用於潛水艇,坑道和坦克內用以觀察敵情。作用


處於水下航行狀態的潛艇觀察海平面和空中情況的唯一手段便是藉助潛望鏡。而多數潛艇均安裝有兩部潛望鏡――一部攻擊潛望鏡和一部觀察潛望鏡。前者用於發現和瞄準水面目標,而後者主要用於觀察海空情況和導航觀測。潛艇在浮出水面前,艇長都必須指揮潛艇在潛望鏡深度先用潛望鏡對海平面作一次360度的觀察,以求儘早發現可能出現的敵情。只有在確認沒有任何威脅的情況下潛艇才會浮出水面。缺陷


潛望鏡的主要部件是一根長鋼管桅杆,可升至指揮塔外5米高的位置,兩端都安裝有稜鏡和透鏡並可將潛望鏡的視野放大至1X到6X。潛望鏡的使用有兩個很明顯的問題。最主要的就是震動問題。當潛望鏡完全升起時,細長的潛望鏡桅杆會影響潛艇的正常航行,造成橫向的不穩定。當潛艇航速超過6節時,潛望鏡桅杆會帶來巨大的震動而造成完全無法使用的情況。後來潛艇上安裝了附加的桅杆支架,潛望鏡頂端的形狀也重新設計改進以減少水波阻力。儘管未能完全消除震動,但畢竟有了很大改善。另外一個重要問題是潛望鏡鏡片產生的霧氣。由於潛艇內部空氣潮濕,潛望鏡的鏡片多會產生霧氣,所以潛望鏡在設計製造時就必須盡量做到防水和密封。而潛艇在遭受深彈攻擊時很容易使潛望鏡的密封結構受損,從而導致霧氣的產生。
觀察潛望鏡有一個可配合潛望鏡升降桿運動的座位和踏板,主要用於潛艇上浮之前的海空觀察和航向確認。而攻擊潛望鏡沒有,主要用於敵情觀察、目標測距和攻擊方位角度計算。同時,觀察望遠鏡在夜間觀測能力上也更勝一籌。新興技術


但是,像AN/APS-116反潛搜索雷達是專為在高海情下探測暴露時間短促的潛望鏡類目標而設計的,因此,升起潛望鏡就意味著暴露目標。

2 潛望鏡 -製作

準備工作


做潛望鏡只需要兩面一樣大的小方鏡和一塊硬紙板。假如
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你的小鏡子長十厘米,寬七厘米,這樣,你就應該準備一張寬4×7=28厘米的硬紙板。紙板的長度可以根據條件自己決定。紙板長一些,潛望鏡就可以做得高一些。製作過程


在紙板上劃出三條平行線,像上圖(圖1)
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所表示的一樣,每條線之間的距離都是七厘米。把塗黑的部分剪去。用刀子沿著虛線劃一個痕迹(注意不要划透)。然後,利用桌邊折一下,這樣就做成一個長方形的盒子,用牛皮紙把它粘好。
用白膠布把小鏡子像圖中(圖2)那樣粘好(要使小鏡子和長紙盒之間的交角等於45°),兩面小鏡子平行對好。這樣,一個潛望鏡就做成了。如果你手中的小鏡子不足十厘米長,你可以根據勾股定理來算一算紙盒的尺寸,條件是保證鏡面和紙盒之間的夾角為45°。潛水艇在水下航行的時候,也必須利用潛望鏡觀察海面的情況。發明疑團


潛望鏡是誰發明的,現在已經無法查考了。世界上最早記載潛望鏡原理的古書,是公元前二世紀中國的《淮南萬畢術》。書中記載了這樣的一段話:「取大鏡高懸,置水盤於其下,則見四鄰矣。」歷史相似發明


古代,在中國一些深山古廟的屋檐下,常常傾斜地掛著一面青銅大鏡,如果在廟門以內的地上放一盆水,對正鏡子,這就做成了一個最簡單的潛望鏡,在水中就會映出廟門外的羊腸小道及過往行人。
1.先說製作倒立的潛望鏡,倒立的潛望鏡的總體造型時一個怎麼說呢?「匡」這個字,去掉裡面的王字.就是這樣的.在上下兩個拐角處,放兩個成45度的鏡子。你可以畫出草圖看看,假設有一條光線射入到上面拐角的鏡子上部時,其反射光線會在下面的鏡子的下部反射,這樣就倒立了.
2.正立的潛望鏡的形狀是"Z"字形,把連接上面與下面的線 變成垂直的.或者說形狀是"工"形,把上面的橫線的右半邊去掉.下面的橫線的左半邊去掉.在兩個拐角處同樣設置兩個鏡子,這個成的像就是正立的了.
倒立的潛望鏡的兩個鏡子的夾角是90度,而正立的潛望鏡的兩個鏡子是相互平行的.製作方法


買兩塊小鏡子。用硬紙片做兩個直角彎頭圓筒,直徑比小鏡子稍大。在紙筒的兩直角處各開一個45°的斜口,將兩面小鏡子鏡面相對插入斜口內(如圖10.10-3所示),用紙條粘好,把兩個直角圓筒套在一起,即成一個簡單的潛望鏡。
握住底筒不動,轉動上筒,從底筒可以看到遠處景物。

3 潛望鏡 -工作原理


按目前的技術水平,潛艇綜合成像系統基本上由八大類成像系統構成。下面就依照艇上和艇外成像系統的順序,分別描述八種成像系統的技術現狀和特點。潛望鏡成像系統


現代潛艇潛望鏡是在20世紀初發明的。1906年德國海軍建成第一艘潛艇時,已使用了相當完善的光學潛望鏡,由物鏡、轉像系統和目鏡等組成。當時潛望鏡的潛望力在5~7米,觀察距離很近、視場狹窄、圖像質量也很差,而且夜間無法使用。傳統潛望鏡的主要功能包括觀察水面的艦船、對空觀察飛機、估算被攻擊目標的距離、將其方位和距離提供給火控系統、在潛沒狀態下實施地標導航或天文導航等。
現代的潛望鏡製造商應用微光夜視、紅外熱成像、激光測距、計算機、自動控制、隱身等光電技術的最新成果,開發出新一代光電潛望鏡。以2003年德國研製的最新一款SERO 400型潛望鏡為例。主要技術性能包括:俯仰範圍-15度~+60度,1.5倍、6倍和12倍三种放大倍率,高精度的瞄準線雙軸穩定,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和感測器,如數碼攝像機、微光電視攝像機、彩色電視攝像機、熱像儀、人眼安全型激光測距儀等,供潛艇指揮員根據實戰需要選用;還能把視頻信號實時提供給作戰系統監視器,實現同步觀察。潛望鏡系統的串列介面可供不同的作戰系統控制台實現遙控操作。該潛望鏡系統在晝光和夜間條件下部有相當好的觀察效果,能有效監視海面和海空、收集導航數據、搜索和識別各種海上目標,觀察到的圖像可以錄像供回放。
美國海軍最近開發的全景潛望鏡也值得關注。它是早期全景潛望鏡技術在現代技術條件下的重新應用,技術的前景還在驗證中。此外,國外對潛望鏡的模塊化設計相當重視而且已廣泛採用。無需改動潛望鏡的基本結構和功能,就可以方便地根據需要替換陳舊的感測器,提升潛望鏡的性能。
現代光電潛望鏡技術已經相當成熟,不可能再有很大提高。傳統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,鏡管直徑越大對潛艇耐壓性的影響就越大;其二,潛望鏡目鏡頭的轉動直徑一般為0. 6米,在原本有限的艇內佔據較太空間,對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,無法實現多人同時觀察,不利於作戰信息資源的共享。儘管存在上進缺陷,但光電潛望鏡在現在和將來依然是各國海軍潛艇最普遍使用的成像觀察裝置。 光電桅杆系統


1976年,美國科爾摩根公司正式提出最初的光電桅杆原理供海軍評審。80年代,非穿透光電桅杆的開發計劃正式啟動。如今,光電桅杆已從概念、原理樣機發展成為工程型號。美、英、法三國海軍在新型核動力潛艇上淘汰了傳統的穿透武潛望鏡,都將配備光電桅杆。選標誌著潛艇光電桅杆技術已經達到相當成熟和可靠的水平。光電桅杆和常規潛望鏡的最大差別在於,光電桅杆是「非穿透桅杆」。它由光電桅杆觀察頭、非穿透桅杆和艇內操控台三部分組成。美國「弗吉尼亞」級潛艇上的光電桅杆系統是AN/BVS-1成像系統,它除了現有潛望鏡系統的功能外,還能提供電子情報收集、監視和目標打擊等功能。
光電桅杆與傳統的穿透式潛望鏡相比有諸多優點:如光電桅杆不穿透耐壓艇殼,直接布置在指揮艙的合適位置,不但提高了潛艇耐壓強度,也方便了指揮艙的布置;光電桅杆的觀察頭部裝有多種光電探測感測器、電子戰和通訊天線等裝置;艇外情況可通過電視和紅外攝像機攝取,然後傳輸到艇內,顯示在操控台監視器及大屏幕上。光電桅杆正在逐步取代穿透式潛望鏡,成為潛艇作戰信息系統的重要組成部分。
但由於技術複雜、價格昂貴等原因,目前只有少數潛艇使用了一根光電桅杆,例如俄羅斯「德爾塔Ⅲ」和「德爾塔Ⅳ」級導彈核潛艇裝備有一根「磚雨」光電桅杆。只有美國「弗吉尼亞」級攻擊核潛艇使用了兩根光電桅杆。雖然英國「機敏」級和法國「勝利」級攻擊核潛艇也裝備有兩根光電桅杆,但它們尚未下水,服役仍需時日。目前較為普遍的是一根光電桅杆和一根潛望鏡配合使用,如美、英、德、法、俄、日、埃及等國的部分潛艇。通氣管攝像機監視系統


潛艇通氣管技術是德國在二次世界大戰時發明的。60年代開始研究在通氣管狀態下如何使用潛望觀察裝置,使通氣管能夠一管多用。當時的首選方案是在通氣管上加裝潛望鏡,如德國蔡司公司NavS潛望鏡就可以加裝在潛艇通氣管上。近幾年對潛艇通氣管上加裝觀察通訊裝置更為關注。在德國IKL公司2004年9月申請的美國專利「潛艇的通氣管裝置」中,詳細敘述了如何在通氣管上配置潛望鏡、雷達及通訊天線,主要涉及電子成像技術和雷達預警技術。通氣管攝像機監視系統把潛艇光電桅杆技術應用到了通氣管裝置上,使潛艇在通氣管狀態下工作的同時,又能保持警戒觀察、通訊和雷達預警,提高了潛艇的隱蔽性。從技術層面看,如果已經掌握了光電桅杆技術,那麼在通氣管上實現它的技術難度不會很大。該技術已引起了潛艇界人士的重視。
圍殼及殼體部分的攝像機電視系統
這是電視攝像機系統在潛艇上的特殊應用。主要用於對己艇的外部環境和各種發射狀況進行檢查和監視,也可為潛艇在冰層下活動提供光學導航。電視攝像機系統在潛艇殼體上的應用至少有30年的歷史,具體應用多見於英國,俄羅斯及北歐等國海軍潛艇。英國潛艇圍殼上配置的水下電視攝像機系統,是專為潛艇在冰層或水下活動的需要而研製的。它可以提供安全的水下導航,是潛艇上浮時的重要輔助裝置。一般就導航系統而言。在潛艇圍殼上應配置兩台水下電視攝像機,一台置於向上觀察的位置,另一台置於前視位置並與水平方向成40度角。這種布置方式十分有利於潛艇在上浮或前進機動時獲得最好質量的圖像。英國酉姆拉德公司的OE-0285型攝像機已裝備英國的潛艇。它是一種增強的硅靶攝像機,它能在有雲的星光條件下依靠微弱光線觀察各種目標。當潛艇在北冰洋地區活動時,OE-0285攝像機是潛艇通過冰層上浮時的重要輔助設備。虛擬潛望鏡系統


這是美國海軍正在研究的潛艇水下攝像機系統。雖然稱之為「虛擬」潛望鏡,但與計算機技術領域的「虛擬現實」截然不同,也不同於圍殼上的攝像機系統。虛擬潛望鏡就是一種完全從水下潛沒的潛艇平台上透過水麵進行觀察的光學感測器,包括潛艇水下攝像機、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看到的海面上部半球形視場內的不完整圖像重現為一幅完整的圖像。虛擬潛望鏡與潛艇感測器系統構成一體,可減少潛艇指揮員使用常規潛望鏡的次數,提高潛艇的隱身性。
虛擬潛望鏡技術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,必須確認上浮區內沒有行駛的船舶。從潛望深度到水下約150英尺(46米)的「過渡區」,是潛艇水下活動的不安全區。在這個尷尬的區域內,潛艇因為所處位置「太深」而看不見上方是否有正在航行的艦船,又因為距離航行艦船下方「太淺」而不能安全地通過。但是,這個過渡區可能包含了最佳水聲搜索深度,也是最好的規避深度,是潛艇在淺水區安全活動的最理想深度區域。如果潛艇喪失了這個過渡區,其活動能力就會大打折扣。如果潛艇採用虛擬潛望鏡技術觀察周圍情況,就能在這個過渡區內安全地活動了。
虛擬潛望鏡的光學原理與普通潛望鏡不同。普通潛望鏡是在海上某個位置接收光線;虛擬潛望鏡則是利用水下的一個或幾個向上觀察的攝像機,接收來自空間並穿透海面的光線。虛擬潛望鏡項目運用對微弱折射光重構的成像技術,開發一個能探測水面目標的水下攝像機系統(包括軟體系統)。虛擬潛望鏡不只是一項特殊的成像技術,而且完全適合於潛艇特種作戰部隊的應用。該技術正處於實驗階段。光電浮標系統


美國早在80年代初已申請了光電浮標技術的專利。90年代,美國馬薩諸塞州波卡塞特的船舶成像系統公司開始了潛艇用光電浮標的設計與研究。該公司與美國防先期研究計劃局簽訂了100萬美元的研究合同,設計並製造從潛艇發射的攝像機浮標系統(BCD)。BCD使用CCD感測器,並通過光纖和電纜與潛艇保持連接。CCD感測器由潛艇控制其穩定和監視方向,在水面上獲取目標圖像數據,再轉換成光纖信號傳送到潛艇上。獲取的信息用圖像增強演算法軟體進行處理。潛艇用光電浮標可以進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,光電浮標可設計成一次性的。還有人建議研製多感測器光電浮標系統無人機系統


潛艇無人機的開發解決了潛望鏡和光電桅杆潛望高度低、不能遠距離觀察的問題。潛艇可以在潛沒狀態下獲得無人機從空中攝取的圖像,從而提高了隱蔽性。與潛艇有關的無人機技術研究始於80年代中期,當時的無人機是從魚雷管發射的,現在已能從潛艇桅杆內向外發射無人機。例如,美國科爾摩根公司研製成功的無人機發射裝置裝在潛艇桅杆內,一次可裝4架無人機。美國海軍已經把無人機技術應用在「弗吉尼亞」級和「俄亥俄」級攻擊核潛艇上。無人機可以通過軍用衛星把探測到的信息傳輸給發射潛艇,或轉發到其他潛艇、水面艦船以及陸上的作戰指揮中心,並與水下運載器等多種系統構成綜合的信息網路。
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