光电桅杆——非穿透式潜望镜系统.pdf

2 0 0 4年第 7期 国 外 舰 船 工 程 总第 3 0 5期 光电桅杆 非穿透式潜望镜系统 吴团结译 刘文阁校 摘要光电桅杆作为非穿透式潜望镜系统，是一种新型的美国海军潜艇 系统，该系统具有 向操作者提供不断收集信 息的能力以及强大的 图像处理、增强和显示能力，大大提 高了潜艇 的作 战性能。该 系统 由光电传感器、高速 图像 处理 器、对人眼安全 的激光测距仪、电子支援措施和预 警天线构成。操作者通过有专用控制装置的舱 内工作台控制该 系统，其图像和状态信息显示在 工作台上的显示屏上。在“弗吉尼亚”级潜艇上，光 电桅杆 同潜艇其他 系统的接 口通过 电气结构 连接。总结了光 电桅杆 系统的设计经验、系统构造及其作战能力、性 能特征，同时提 出了光 电桅 杆系统近年来的一些海上航行的经验教训，为未来的光电桅杆系统平台升级提供参考。关键词光电桅杆非穿透式潜望镜潜艇 1 引 言 预计到 2 0 2 0年，美 国海军“弗吉尼亚”级潜艇 为担起支持 2 0 2 0联合侦察 和 2 l世纪潜艇合作 战 略思想 的 目标任务，将扮演较重要 的角色；为获得 和保持信息的优先权，联合军事力量需要较大的信 息网络支持，潜艇为此将扮演愈来愈重要的角色；毫无疑问，潜艇在扩大游弋的范围和装备智能、监 视、侦察和目标导向(I S R T)任务中，分布在舷外的 传感器及其装置将承担重要的角色。作为关键的 工作节点，安装在潜艇上的传感器还将不断地为潜 艇收集 I S R T信息，并通过潜艇通信网络传递相关 信息到其所规定的指挥网络中。当前，光电桅杆系统由试制状态 中已得到改进 的潜艇自身的传感器系统演变而来。对于“弗吉尼 亚”级潜艇而言，光电桅杆系统是关键 的作战系统，它为潜艇导航、操艇和联系协调等提供 了必要的潜 望镜功能。而且，该光电系统提供的功能远远超过 现有的潜望镜系统，其提供的附加功能就具有信息 库收集的能力，这 是 2 0 2 0联合 侦察 的 目标所要求 的。例如著名的 A N B V S一1成像 系统，就具有提 供支持 I S R T作战任务和帮助开发及共享战役空 间 信息的能力。总之，光电桅杆系统将逐步主宰联合 军事力量中的战役空间理念。预计到 2 0 2 0年，光 电桅杆 系统 通过开发和共 享信息库，必将提高潜艇的战略视场，直接有助于 大量的潜艇 战 术任务 的实现。此外，到 2 0 2 0年，A N B V S一1 成像系统将具有类似 因战术用途需要 对图像进行实时处理的能力，而且通过应用标准的 成像文件，必将提高系统的可操作性以及较强的适 应性和灵 活性。位于马萨诸塞州北安普顿 的科 尔摩根公司是 美国海军“弗吉尼亚”级潜艇光电桅杆系统主要承 包商。为满足 2 0 2 0适应 性的战略 目标，光 电桅 杆 系统被设计成快速的技术嵌入形式。由于 A N B V S一1成像 系统舷外传感 器具有较 大 的内部容 积，有助于系统升级 和适应能力。在保护可观测的 视力范围和雷达反侦察范围，其独特的秘密特 点允 许舷外传感器具 有较大 的内部容积。A N B V S一1 成像系统的舱内部分要求被设计成“开放式结构”，以便适应商业上其市购品的技术升级。2 系统综述 光电桅杆与传统 的潜望镜之间最重要 的区别 是光电桅杆是一个非穿透式桅杆。传统的美国海 军潜望镜是由长长的穿过耐压壳体的镜管(镜管内 安装在转像透 镜，转像透镜 连接到 舱 内的 目镜壳 体)和可旋转的电气适配器组成。传统潜望镜工作 时可伸出艇外，收起时可缩回到指挥室围壳内并进 入耐压壳体。相比而言，光电非穿透式桅杆传感器 在收起时就能完全收回到指挥室围壳内而勿需穿 一2 7 维普资讯 http:/ 2 0 0 4年第7期 国 外 舰 船 工 程 总第 3 0 5期 透耐压壳体。显然，光电非穿透式桅杆传感器的特 点是不需要 内部耐压壳体 空间为 回收的传感器提 供收藏场所。该特点给指 挥室围壳 的安装和舱内 布置带来更多的设计 自由。而且，光电桅杆 勿需象 传统的潜望镜那样为安装 潜望镜镜管需在耐压壳 体上进行开1：3。这种大开1：3 式穿透大大增加了传 统穿透式潜望镜 的相关拆 卸和安装 的维修费用和 复杂性。图 1说 明了穿透式 和非穿透式潜望镜之 间构造的不同。图 1 非穿透式潜望镜与传统潜望镜结构比较 光电桅杆的舷外传感器是直立安装的，通过通 用模块桅杆收回。通用模块桅杆是一个两级升降 系统，“弗吉尼亚”级潜艇采用液压和导线滑轮系统 提升和降低其光电桅杆上所有的通信、E S M和光电 桅杆传感器。通用模块桅杆提供的机械连接用来 打开桅杆的保护盖，而且通过位于通用模块桅杆夹 头高度处的开关提供桅杆的位置状态和高度指示，此开关还给舱内电子装置提供电气信号。每一艘“弗吉尼亚”级潜艇上共有 8个通用模块桅杆。从舱内光电桅杆系统单元到舷外传感器有大 量 的电气信号传递，这些电气信号传递首先从舱内 单元沿艇上所敷设 的电缆到每个桅杆上的 3个耐 压壳体电气连接器，然后经过结实且能弯 曲的被称 之为“悬挂回线电缆”的舷外电缆组件传送到舷外 传感器单元。该“悬挂回线电缆”通过通用模块桅 杆转轴装置悬绕在指挥室围壳内的构架上，其自由 运动受到约束。当光电桅杆传感器单元在其构架 内提升和降低时，通用模块桅杆转轴装置可对“悬 挂回线电缆”进行导引。舷外光电桅杆传感器单元 由一个天线组件、消 浪羽导流罩组件、雷达吸收结构件 和两个模块 组件(传感器模块和旋转模块)组成。旋转模块的 功能是在保持外部镜管和电气连接器稳定的情况 一28 一 下，转动传感器探头和摄像机。旋转模块由压力补 偿旋转 密封装 置、内部驱动马达、滑环装置和旋转 接头组成。外镜管采用坚固、轻型的金属钛制成。传感器模块包括前端舷外传感器硬件设备以 及与电子设备有关的为其系统提供关键性的图像、预警(E W)和电子支援措施(E S M)等功 能性设备。它由传感器探头、传感器光具座和传感器导轨等装 置构成。传感器探头包含 2个光学窗 口、1个可见光窗 口和一个红外窗 口。传感器探头也 由金属钛制成，包含 E S M 和 E W 放 大器，并在其 专用隔室 和可见 光窗 口中安装 了一个独立“任务危急”摄像机模块。光具座包含 3个 电子摄像机 以及用 于 图像收 集、增强和聚焦的光学 系统。同时，在 光具 座上安 装了一具激光测距仪、双轴稳性陀螺和温度传感器 等设备。传感器 导轨包 含 E S M 控制装 置 和 电子放 大 器、电子控制摄像机、状态及控制的电子装置以及 与舱内设备信息连接的传感器单元处理器等设备。非穿透式光电系统的舱内布置和操纵方式完 全不同于传统的潜望镜。在“弗吉尼亚”级潜艇上，非穿透式光电系统有 3个 4 8 2 6 c m 长的齿条，齿 条上安装有电子设备并且能驱动该系统。与传统 的潜望镜 不 同的是，光 电桅杆 系统 采用 了通用 的 A N U Y Q一 7 0工作站，该工作站能向操作者提供图 像显示、处理、控制和状态。操作员通过使用该工 作站的人机界面软件来控制舷外传感器探测功 能。光电桅杆系统工作站为一坚固的控制台，包含 2 个功能强大的图像处理器卡片组 V M E插件架、1 台不间断电源、1块嵌入式图像控制面板、2台平板 屏面显示器、1 个视频开关、1个光标跟踪球、1个键 盘和 1台双机芯高 8视频录音机。光 电桅杆 系统 工作站也由一个带缆把手组成，该把手由拇指开关 直接控制方位 和俯仰，能快速地在摄 影选择、锁定 摄影方位和捕捉电子图像之间进行切换。在“弗吉尼亚”级潜艇上，作为光电桅杆系统控 制和显示 的还有另外 1台工作站，也就是位于操纵 室 中心的指挥工作站。通过指挥工作站切换到成 维普资讯 http:/ 2 0 0 4年第 7期 国 外 舰 船 工 程 总第 3 0 5期 像模式下以控制2套“弗吉尼亚”光电桅杆其中一 套，然后光电成像被显示在指挥工作站显示屏右侧 以及位于操纵室右舷最前方的垂直大显示屏上。其他舱内与系统有关 的电子设备包括 2个 电 子支援措施连接箱、2 个舱内电子装置、1 个电子支 援措施支持装置、1台专用系统 不间断电源和 1 个 电源控制装置。舱 内装置是水冷的，在万一发生意 外过热的情况下用于超高温安全保护。3 功能和性能 光电桅杆系统的主要性能列入表 1。其部分性 能讨论如下：表 1 光电桅杆系统的主要功能和性能 成像功能 彩色 6 4 O X 4 8 0 黑 白 1 2 8 0 9 6 0 中频带宽红外 6 4 0 4 8 0 图像存储和恢复 自动模式 快速浏览 _3 6 o。扫描 连续搜索 可编程搜索 图像增强 实时处理 叠加 测距 方法 传统遥测仪 电子测距仪 激光(对眼睛安全)秘密特征 天线和 E S M 预警 方位测定 G P S天线 V H F 船用波段传输 接收 意外事故模式 备 份显示 蓄电池电源备份 备份通信连接 生命 力 作战必需的摄像机外壳 抗冲击的导流罩 训练特征 嵌入式图像发生器(I G)设定方案发生器(I c)训练辅助(I C W)电子接口 V A级结构 3 1 成像功能 当然，光 电桅 杆系统 最关键 的功 能是成像 功 能。系统的成像功能通过 3台主摄像机选择获取。1 台索尼 D X C一 9 5 0 3芯片 C C D摄像机，在 3个可 供选择的视场 内提供 6 4 0 4 8 0个像素的彩色能 力；第二台为可见光摄像机，提供高分辨率黑白图 像，该摄像机为索尼 X C H一1 1 2 5 H D T V黑白摄像 机。光电桅杆系统收录来 自 H D T V摄像机的图像，以便对水面状态进行显示，但只在 4个视场 中以 1 2 8 0 9 6 0个像素进行显示。这些视场等同于彩色 摄像机的视场，但另外还增加了一个超窄视场功 能。第三台摄像机在中频带宽范围内有提供前视 红外探测的能力。红外摄像机为 1台 640 5 1 2阵 列摄像机，有 3个视场，其获取的红外 图像与彩色 摄像机所显示的图像保持一致，显示 640 4 8 0个 像素。操作者通过启动工作站操作手柄，可 获取静止 的画面图像，并临时保存在非永久性视频随机存储 寄存器中，操作者可以在工作站显示这些 图像并进 行深入的分析，或者对图像进行筛选并存储到永久 性系统硬 盘或可擦写 的 C DR O M 中。这些 图像 连同所缺省 的数据包括时间、摄像视场、传感 器方 位角和俯仰角一起存储。操作者也可以选择性地 输入附加 的数据来存储这些 图像文件。存储 的图 像文件可传输到外部信息系统，被称作舷外传输。目前，“弗吉尼亚”级潜艇技术工作小组正在研究这 种直接提供电子图像文件到外部信息系统中去的 方法。操作者也可以储存这些视频图像到高 8视 频记录器中，成像标识在所记录的图像底部，操作 者可以进行视频剪辑、编制目录以便后来回放。3 2 自动模式 光 电桅杆系统包括 了可供不 同操作者选择 的 自动模式。自动模式包含了快速浏览能力以及供 其他操作者进行编程的搜索模式。在快速浏览模 式下，操作者可以命令旋转模块在其方位上每隔 3 0。作一个 3 6 0。的回转。在每 3 0。间隔停顿时，系统 从彩色摄像机获取单一静止的图像，并保存在视频 随机存储寄存器中。然后，操作者可以对图像进行 显示并筛选储存，以便进行深入分析。快速浏览模 式在用于需要减轻光电桅杆探测弱点时，常常有利 于潜望观察。操作者也可选择连续浏览的模式。设计该种 模式主要用于潜望深度，在光电桅杆系统工作时可 以延长工作时间。连续浏览模式的特点是保持一 个固定的方位旋转速度，该速度对于给定的俯仰角 来说是陀螺稳定的，而其俯仰角是可控的。操作者 也可选择可编程搜索模式。应用可编程搜索模式 菜单，操作者按照预先编好的命令和规定 的程序进 一2 9 维普资讯 http:/ 2 0 0 4年第7期 国 外 舰 船 工 程 总第 3 0 5期 行搜索处理。例 如，操作者可 以编写好一个扇 区，使传感器单元在方位角和俯仰角上浏览一个 9 O。的 扇 区。等。当天线信号来 自潜艇耐压壳体内部，这些信号 被分发到不同的接收器和处理器，以帮助潜艇进行 情报收集、导航和通信。3 3 图像增强 3 6 训练特征 光电系统结合 了当前技术发展水平，具有实时 的图像处理能力。该系统能实时处理的图像数据 为 6 4 0 4 8 01 2 b i t 3 0 f p s，然后向操作者显示所处 理 的结果。操作者 可利用 图形用户界 面菜单选择 图像增强功能，这些现成的功 能包括边缘增强、直 方图均衡 以及对比度扩展等。图像增强另外 一个有 用 的功能是 图像 重叠。红外成像可以被重叠到彩色 的图像上，通过实时的 图像处理器，红外图像被映成彩色的图像，然后显 示到操作者面前。这种设计用作夜 间探测 辅助手 段。3 4 测距方法 采用常规潜望镜进行测距的传统方法是采用 遥测仪，然后读取刻度，估 算出所 测的距离。光 电 桅杆保留了遥测仪 的功能，遥测仪采用电子仪器，其所测量的数据被覆盖在光电桅杆系统显示的图 像上面。光电桅杆系统还提供 了另外两种测距方 法：手持电子测距仪和对人眼安全的激光测距仪。手持电子测距仪测距功能是通过拉出其周围的 1 个电子箱，估算船只桅杆的高度，来确定船只距离。在输入所估算的桅杆高度后，系统 自动进行计算并 显示 出船只的距离。激光测距仪 由 1台激光发射器构成，激光发射 器工作在某一波长上，并且其能量级在给定的范 围 之内，防止操作员 的眼睛直接看到激光，以确保眼 睛安全。美 国海 军激光安全评 论委员会证实 了该 系统可以安全使用。启动操作手柄发射激光，检测 出反射脉冲，激光处理器就可以推算出飞行时间和 所测的距离。3 5 天线和 E S M 光 电桅杆系统将 电子作 战能力并人 到传感 器 顶端的天线组。天线的作用是向雷达提供探 测及 方向定位信息、无线 电通信和全球定位系统接收 一3 0 一 光电桅杆系统具有机内的训练能力。1台“图 像发生器”给操作者显 示模拟 的 目标。在“弗吉尼 亚”级潜艇上，图像发生器与实时网络界 面耦合，允 许工作小组与其他附属系统一起在其平台上训练。在单机模式 下，系统 还 可 以执行 实艇 训 练。1台“教练控制台”随机给图像发生器下达训练情况命 令，以向操作者显示训练 目标和环境。4 系统工程开发模型系统检测 当前，根据评估要求，在美国海军潜艇上 安装 了 A N B V S一1系统工程开发模型。2 0 0 0年 7月 该系统首次完成 了坞 内检测。为了评估 大量 B V S 一1 系统的必要条件，在大西洋海底检测和评估中 心进行 了海上试验。从 2 0 0 0年 8月 到 2 0 0 1年 2 月，美国海军在一次海外军事部署中，光电桅杆系 统工程开发模型系统成功地应用在一艘潜艇上。在大西洋海底检测和评估 中心，美 国海军进行 了可见光和红外摄像机在特定范围不同的环境条 件下探测范围测量 的试验。结果表 明，红外摄像机 所存在的技术问题 在进行 这些试验 时降低 了红外 性能，但在试验期间该系统在其他方面却完成得很 好。除红外图像试验外，系统满足或超过了所有测 试范 围的必要条件。最后，艇员和上艇参试人员对 系统控制、显 示和 图形 用户界 面等特点 进行 了评 估，取得 了有价值的反馈信息，并为提高后续系统 的质量提供了依据。潜艇执行长官和全体艇员认 为该 系统的海外 部署作战训练结果具有 积极的意义。一则艇上 的 信息表明“潜艇使用 B V S 一1 系统运算符作用域在 增益和跟踪联 系上 比使用传统 的潜望镜更有效”。同时，还提到“潜艇在使用 1 8型潜望镜时不能探测 到的太阳直线，而用“B V S一 1 系统能够探测到其光 线接触面”。最后还有 另外一则信息，潜艇执行长 官指出：“B V S一1系统在 P D上 比(下转第 4 1页)维普资讯 http:/ 2 0 0 4年第 7期 国 外 舰 船 工 程 总第 3 0 5期 策的旋涡中去了。1 3 结论 网络中心战是 先进 的信息技术发展 的 自然结 果，这一点是勿庸置疑的。但是它也不是解决现代 化战争 中诸 多问题的万能药。这样 就有必要尽可 能早地认识 网络 中心战的弱点和潜在 的缺陷，以便 及时地针对 敌方采 取行 动来阻 止其企 图的实现。然而，要想确切了解网络中心战战争模式的潜能，还需要更多实践来证 明。当前 最迫切的需 要也许 是将人 的因素各 方面兼备 的领 导层放在 网络中心战的中心地位。坚持要取得信息上的优先权以及命令传达的 高速度可能是运用新技术带来的最坏的结果之一。信息战狂热者所谓 的“共享信息”看起来更像是一 个借口，一个纵容战争指挥官肆意插足于战略决策 和下级指挥官行动之间的荒谬借 口。计划和执行 的更 加集 中化趋势好象现在正空 前地受到青睐，我们 必须扭转这一趋势。网络 中心 战的支持者可能会非常信任在较低指挥层次的自 我同步及 自我组织。但是，只有当基于任务 的指挥 和控制在各级指挥阶段都实施以后，才能够体现其 价值。因此，在教育和培训方式上，我们需要进行 相 当大的改变。成功地运用基于任务的指挥和控 制 的先决条件是我们必须明 白，战争不是科学，而是 艺术，是战略和可操作性的结合，是合理的策略和 实施路线的组合，是通用词汇，是高素质的专家的 教育和培训，同时也可能是最挑剔、最高级别 的领 导意识。不管反对者怎么说，网络 中心战都不会成为海 上战争 中的决定力量。美 国海军需要改变在战略、操作艺术和策略之间严重不平衡 发展的现状。这 在 网络化的海上部队中是很有可能的，只是和过去 一样，它实现的程度和成功的可能性还是会依赖于 恰 当地、熟练地实施战争的原则。(译自 P r o c e e d i n g s)2 0 0 3 1 收稿 日期2 0 0 4 0 1 0 5)(上接第 3 O页)使用 1 8型或者 8型潜望镜更容易 长时间操作”。4 未来展望 为满足美 国海军 2 0 2 0联合 侦察 的 目标，作 为 一种联合侦察手段，光 电桅杆系统设计应 主动适应 嵌入式技术的发展。当前，一些嵌入式技术正在研 究之 中，其 中包括 自动探测 和跟踪、全数字图像图 形传输以及合并微光摄像能力，并扩大现有的红外 摄像能力等储备技术。对于美国海军来说，光 电桅 杆系统正从试制 系统 向成批生产系统转变。当前 该系统正在进行 严格 的陆地联调和海上试验。通 过试验，获取了大量的技术和操作经验教训，利用 这些经验教训进行 系统改进，并将应用到“弗吉尼 亚”级潜艇上。舰队在航行 中通过增加系统用途还 发现了非穿透方法 的诸 多好 处。为了更深入掌握 非穿透方法的技术进展，美国海军在航行试验中延 长了试验时间，这也促使美国海军需要加强技术和 应用知识基础 的学 习。此外，在未来几年，图像技 术(摄像机、显示、储存 和处理)的快 速进 步必将推 动光电桅杆系统的性能迅速提高。(译 自 U D T)2 0 0 1 收稿日期2 0 0 4一o 2 0 3)信息报道 英国舰艇退役期有变 舰船的退役期没有具体的限定，相反具有很大的 可改变性。最近英国下议院提出的许多问题，集中反映出采 购计划的延迟，包括将削减服役舰只数量。“无上”号核潜艇服役期已延长 1年，“斯巴达人”号为 2年，两艘艇将分别于2 0 0 6年和 2 0 0 8年退役。4 2型驱逐舰“利物浦”号和“约克”号的退役期为 2 0 0 9年和 2 0 1 3年。今年 2月，针对 3艘航母公布的 日期显示，现役“皇家方舟”号的退役期将 比预先公布的提早两年。“无敌”号和“卓越”号分别保留至2 0 1 0年和2 0 1 2年，尽管“无敌”号已经声明将从 2 0 0 6年开始处于“超期 备用”状态。(李鹏摘 自 WW)2 0 0 4 7 8)一41 维普资讯 http:/