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詳細介紹關于不同類型的軍用光學儀器
因為疫情的原因讓世界出現不小的變化,有些人還在幻想是否會發生戰爭,當然,這種想法比較天真,和平發展是現在世界的主題,今天上海光學儀器廠小編就來說說較為常用的軍用光學儀器小常識!
軍用光學儀器主要指可見光波段范圍內的普通光學儀器。它們在軍事上應用最早,技術比較成熟,有擴大和延伸人的視覺、發現人眼看不清或看不見的目標、測定目標的位置和對目標瞄準等功能。
通常可分為觀測儀器和攝影測量儀器兩大類,前者是以人眼作為光信息接收器,后者用感光膠片記錄景物信息。
普通光學儀器主要由光學系統(物鏡、轉像鏡、分劃鏡、目鏡等)、鏡筒和精密機械零部件等組成。觀察測量儀器的光學系統主要是望遠系統,它能放大視角,使人看清遠方的景物,便于測量和瞄準。
攝影儀器的光學系統主要是照相物鏡,為了適應不同的使用要求,發展了大口徑、長焦距、變焦距等多種鏡頭。軍用可見光儀器主要有望遠鏡、炮隊鏡、方向盤、潛望鏡、瞄準鏡、測距儀、光學經緯儀、照相機、判讀儀等。
盡管從20世紀50年代以來,出現了紅外、微光、激光等技術先進的光電子儀器,但普通光學儀器具有圖像清晰、使用方便和成本較低等優點,仍然是武器系統配套裝備的重要組成部分。
望遠鏡
軍用望遠鏡的光學系統各有不同。軍用望遠鏡大多有分劃板,夜間使用的其分劃板還帶燈光照明。
軍用望遠鏡的出瞳距離比較大,以便觀測者佩帶防毒面具。為防止射擊時撞擊頭部,有的瞄準鏡出瞳距離大到七八十毫米,還要備有軟硬適度的眼罩和護額。
從光學性能和結構性能上來說,軍用望遠鏡比較優良,可靠性較高,因為它的設計更加審慎,用材質優、工藝考究,例如像質好、雜散光少,放大倍率與入瞳大小匹配以達到最佳分辨率。
由于質量要求高,軍用望遠鏡在出廠前都要經過環境試驗,一般包括振動試驗、高溫(十55℃)試驗、低溫(一45℃)試驗、淋雨或浸水試驗、氣密試驗。經過這些試驗,產品性能仍能保證在規定范圍內的才能出廠。
有的產品鏡體內還自帶干燥器,出廠前抽出空氣再灌入干燥空氣或氮氣,有效地防止日后內部鏡片長霉生霧。普通民用望遠鏡一般不做環境試驗,或僅做部分試驗。這一點是人們從市場上難以了解到的,僅從產品外貌上也看不出來。
鏡身組:鏡身組為望遠鏡的主體,分左、右鏡身,通過連接軸連接在一起,其作用是支承上、下直角棱鏡,連接物鏡組和目鏡組。
物鏡組:物鏡組由透鏡、物鏡筒等組成。物鏡組與鏡身用螺紋連接在一起,其作用是接收遠處物體(或目標)的光線成像在焦平上。
目鏡組:目鏡組由透鏡、目鏡框、視度手輪等組成。目鏡組與鏡身用螺紋壓圈連接在一起,其作用是把物鏡所成的像放大后供人眼觀察,轉動視度手輪可調節目鏡的視度,以滿足不同視度人眼的使用要求,其范圍是±4屈光度。
連接軸:連接軸是望遠鏡左、右鏡身的連接件,同時也是實現目距在58-74mm范圍內的調節的樞紐,也是雙目合像的核心。
護蓋和背帶:物鏡護蓋和目鏡護蓋是為了保護物鏡和目鏡透鏡而設計的。望遠鏡在不使用時應將護蓋蓋上,以保護鏡片不受損傷。背帶連接在望遠鏡左右鏡身上,使用時可將背帶掛在使用者頸上,以防失手而損壞望遠鏡。
早期的軍用望遠鏡都是伽利略結構的,此種望遠鏡雖然結構簡單,透光率高,但倍數和觀測視場都很小。
在19世紀末20世紀初在軍用望遠鏡已用普羅棱鏡結構成功解決了倍數和視場的問題,從一戰開始到二戰結束這個時期的軍用望遠鏡以方便攜帶的6×24、6×30、8×30為主,這與當時步兵主要是徒步作戰有很大關系,海軍和裝甲部隊則主要裝備7×50、10×50這些觀測穩定性好但尺寸和重量較大的望遠鏡。
這一時期的軍用望遠鏡都采用金屬作為鏡體材料,早期多使用黃銅,后期則更多的使用鋁合金,由于當時人們認為沒有必要在軍用望遠鏡上使用昂貴的鍍膜加工工藝,所以這一時期的望遠鏡多沒有鍍膜。
在冷戰和后冷戰時代,軍用望遠鏡的使用環境發生了巨大的變化,望遠鏡的設計思想也有了較大的改變。
首先是機械化的實現,使用者經常要在顛簸車的上使用望遠鏡,這就對望遠鏡的觀測穩定性有了更高的要求,于是7×40、7×50規格的望遠鏡成為了主流。
其次是核生化戰爭的陰影讓人們設計望遠鏡時不得不考慮配帶防毒面具時的使用,于是可以翻折(升降)的目鏡罩越來越多的出現在軍用望遠鏡中,這種設計也迅速的被民用望遠鏡采用,以方便戴眼鏡的用戶。
而鍍膜技術、穩像技術、鏡體包膠、非金屬材料、激光防護等新技術的廣泛使用也大大提升了軍用望遠鏡的性能。進入信息時代后,各類先進偵測設備在一定程度上弱化了望遠鏡的作用,軍用望遠鏡也沒有出現質的飛躍和變化,但在可以預知的未來,作為一種近距離觀測儀器,軍用望遠鏡仍會繼續發揮著重要作用。
軍鏡用于觀察戰場、研究地形地物和偵察目標,還可用右目鏡中的密位分劃進行簡易測量。望遠鏡的放大倍率一般分三等:中倍率(6-10倍)、大倍率(10-20倍)和變倍率(德式20-40倍,國產25-40倍)。
軍用望遠鏡過去以6倍、8倍居多,現在7倍的軍用望遠鏡頗為流行(理由為人的目視距離約7km)。除美國、德國之外,俄羅斯、中國相繼研制了7倍軍用望遠鏡并裝備部隊。
望遠鏡并非放大倍率越大越好,如果倍率超過10倍,通常應安裝在三腳架上使用,如果僅用胳膊支撐使用,手的顫抖對觀察的影響就很嚴重,觀察效果就會變差。另外在評價選用望遠鏡時,還應考慮幾何光力的大小。
一般地,小光力望遠鏡(出瞳直徑為2-3mm),適于良好照明條件下使用;中光力(出瞳直徑為3-4mm)適于一般照明條件下使用,如我軍62式8倍觀察紅外望遠鏡(出瞳直徑為3.7mm);高光力(出瞳直徑為4-6mm)不僅適合白天使用,而且適合于黎明及黃昏低照度條件下使用,如我軍新式的Y/GG95-7型望遠鏡(出瞳直徑為5.71mm)。中倍率(6-10倍)望遠鏡要達到軍級視覺效果還應要考慮通光率,7倍配物鏡尺寸40mm,8倍配物鏡尺寸50mm,以及10倍配物鏡尺寸60mm,能夠達到很好的穩定性以及最佳成像舒適感。
炮隊鏡
炮隊鏡用于觀察和測角的潛望式雙目光學儀器。舊稱剪形鏡。
炮兵主要用它觀察戰場、搜索目標、偵察地形,觀察射擊效果和測定炸點偏差量,也可用于測定炮陣地、觀察所的坐標。
炮隊鏡由兩個單目鏡筒組成的雙筒潛望鏡、方向測角機構、高低測角機構和三腳架組成 。雙筒潛望鏡的放大倍率8×~16× ,視場4.5°~7°
兩個鏡筒可以繞鉸鏈軸轉動,在0°~180°范圍內任意張開 ,以便在隱蔽條件下工作時增強體視感或增加潛望高度。方向測角范圍為全圓周。高低測角范圍一般為-300~+1000密位 ,測角精度一般均為1密位。三角架用于支撐和固定鏡體其他部件。
19世紀末出現了炮隊鏡。第一次世界大戰以來,炮隊鏡得到廣泛使用,成為炮兵的一種重要觀測器材。
炮隊鏡配置兩個左右分布的有潛望高的望遠鏡。兩鏡合攏后可獲得最大潛望鏡高度,可以測量目標的距離、高度、方位。
分開后即增大兩個入射瞳孔的距離,可以進行測距,提高儀器的體視放大率。它也能俯仰和水平轉動,測量方位角。炮隊鏡和方向盤一起用來布置陣地的炮位,是牽引火炮炮兵中常見的設備。
潛望鏡
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。潛望鏡常用于潛水艇,坑道和坦克內用以觀察敵情。
處于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借助潛望鏡。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。
前者用于發現和瞄準水面目標,而后者主要用于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,以求盡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。
按現有的技術水平,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。
現代的潛望鏡制造商應用微光夜視、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年德國研制的最新一款SERO 400型潛望鏡為例。主要技術性能包括: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傳感器,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。潛望鏡系統的串行接口可供不同的作戰系統控制臺實現遙控操作。
美國海軍開發的全景潛望鏡也值得關注。它是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采用。
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傳感器,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,在原本有限的艇內占據較太空間,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,不利于作戰信息資源的共享。盡管存在上進缺陷,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。
光電桅桿系統
1976年,美國科爾摩根公司正式提出最初的光電桅桿原理供海軍評審。80年代,非穿透光電桅桿的開發計劃正式啟動。
如今,光電桅桿已從概念、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,都將配備光電桅桿。選標志著潛艇光電桅桿技術已經達到相當成熟和可靠的水平。
光電桅桿和常規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、非穿透桅桿和艇內操控臺三部分組成。美國“弗吉尼亞”級潛艇上的光電桅桿系統是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。
光電桅桿與傳統的穿透式潛望鏡相比有諸多優點: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傳感器、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,然后傳輸到艇內,顯示在操控臺監視器及大屏幕上。
光電桅桿正在逐步取代穿透式潛望鏡,成為潛艇作戰信息系統的重要組成部分。
但由于技術復雜、價格昂貴等原因,只有少數潛艇使用了一根光電桅桿,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”光電桅桿。只有美國“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇使用了兩根光電桅桿。
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桿,但它們尚未下水,服役仍需時日。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桿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桿技術,那么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。主要用于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,具體應用多見于英國,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制的。
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臺水下電視攝像機,一臺置于向上觀察的位置,另一臺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,它能在有云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,也不同于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臺上透過水面進行觀察的光學傳感器,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。
虛擬潛望鏡與潛艇傳感器系統構成一體,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。如果潛艇采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,接收來自空間并穿透海面的光線。
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(包括軟件系統)。虛擬潛望鏡不只是一項特殊的成像技術,而且完全適合于潛艇特種作戰部隊的應用。該技術正處于實驗階段。
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,設計并制造從潛艇發射的攝像機浮標系統(BCD)。BCD使用CCD傳感器,并通過光纖和電纜與潛艇保持連接。
CCD傳感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算法軟件進行處理。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。還有人建議研制多傳感器光電浮標系統
無人機系統
潛艇無人機的開發解決了潛望鏡和光電桅桿潛望高度低、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于80年代中期,當時的無人機是從魚雷管發射的,已能從潛艇桅桿內向外發射無人機。
例如,美國科爾摩根公司研制成功的無人機發射裝置裝在潛艇桅桿內,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,并與水下運載器等多種系統構成綜合的信息網絡。
瞄準鏡
瞄準鏡,或稱光學瞄準裝置(optical sight),其起源已經很難考證。據說至少在16世紀的歐洲,就已經有人嘗試過在槍托上固定眼鏡鏡片。
有文字記載,在19世紀以前,火器上已經有了望遠鏡式的瞄準裝置,可用于在弱光條件下的瞄準。瞄準鏡可以分為全息瞄準鏡、內紅綠點瞄準鏡、激光瞄準鏡。
到了19世紀40年代,一些美國槍械技工就開始制造帶光學瞄準裝置的槍械。1848年紐約州的摩根·詹姆斯設計了一種與槍管同樣長度的管形瞄準裝置,該裝置的后半部安裝了玻璃透鏡,并有2條用于瞄準的十字線。
后來,類似的瞄準裝置在美國內戰中得到應用。但真正具 有實用價值的瞄準鏡,則誕生在1904年,由德國的卡爾蔡司研制,并在第一次世界大戰中使用。在第二次世界大戰中,瞄準鏡開始發展成熟。
瞄準鏡主要分為以下三大類:
望遠式瞄準鏡(Telescopic sight)、準直式瞄準鏡(Collimating optical sight)、反射式瞄準鏡(Reflex sight)。其中以望遠式瞄準鏡和反射式瞄準鏡最為流行。
上述兩類瞄準鏡主要在白天使用,因此又被統稱為白光瞄準鏡(day scope/sight),另外還有供夜間瞄準用的夜視瞄準鏡(night scope/sight),是在上述兩類瞄準鏡上加上夜視裝置,而按夜視裝置的種類,又可分為微光瞄準鏡、紅外瞄準鏡(又可細分為主動紅外和熱成像兩類)。
光學經緯儀
光學經緯儀是水平度盤和豎直度盤均用光學玻璃制成的經緯儀。是用于測量學(surveying)中測量地平和垂直角度的一種儀器。
它包括一架望遠鏡,目鏡上的十字線用于對準目標。望遠鏡可沿水平軸和垂直軸轉動。這些軸穿過兩個圓形標尺。
它有一個水平尺,當支在可調整的三角架上時,處于水平狀態,能指示顯示結果。
光學經緯儀的主要功能是測量縱、橫軸線(中心線)、垂直度以及水平角度和豎直角度的控制測量等。
光學經緯儀主要應用于機電工程建(構)筑物建立平面控制網的測量以及廠房(車間)柱安裝鉛垂度的控制測量,用于測量縱向、橫向中心線,建立安裝測量控制網并在安裝全過程進行測量控制。
按物理特性劃分,經緯儀經歷了機械型、光學機械型和集光、機、電及微電子技術于一體的智能型三個發展階段,各階段的標志性產品分別為游標經緯儀、光學經緯儀和電子經緯儀,目前主要使用的是光學經緯儀和電子經緯儀。光學經緯儀利用集合光學的放大、反射、折射等原理進行度盤讀數;電子經緯儀利用的物理光學、電子學和光電轉換等原理顯示度盤讀數,電子經緯儀是現代高科技高度集成的產品。

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