国外新型光电桅杆的潜艇应用与装备现状*

2022-03-17朱耘

舰船电子工程 2022年12期

朱耘

（华中光电技术研究所-武汉光电国家实验室武汉 430223）

1 引言

潜艇成像在所有的潜艇任务中占重要地位，然而，当潜艇潜入水下后，长达数十年的一个漫长时期潜艇指挥员都是完全依靠光学潜望镜观察水面态势，潜望镜需要大面积穿透耐压壳体，并且还需要在指挥台围壳内增加结构复杂的沉重的升降装置的支撑系统，同时技术上还要求达到成熟的工程化程度，满足围壳的水密完整性。而且，为了满足潜艇指挥员或值守人员的观察要求，搜索与跟踪潜望镜的旋转目镜盒分别都位于控制舱的中心位置，占据了极大的可用空间，直观式光学潜望镜的控制舱还必须位于潜艇围壳的下方，传统的潜望镜在构造形式越来越不能适应现代潜艇技术的要求。光电桅杆不再需要穿透耐压壳体，只需要通过一根电缆将这些传感器与潜艇内部连接起来。自20世纪80年代开始研制，潜用非穿透光电桅杆系统在传感器的性能方面已有了长足的进步，目前光电桅杆的的优点已经得到广泛的认识，如相对于穿透式潜望镜隐身性更高、对艇体的改装要求更低以及适装性和安全性更高等。因此，目前几个主要的大国海军潜艇都装备这种光电桅杆，其艇员可完全依靠这种非耐压壳体穿透式的观察设备来代替传统的穿透式目力观察潜望镜［1］。

2 英国

在英国，目前光电桅杆的生产商是泰勒斯集团Thales UK，其前身是Barr&Stroud公司，后来又改为Pilkington Optronics公司。1917年公司首次为英国皇家海军的（RN）的H级潜艇提供了CH01光学潜望镜，Barr Stroud公司及其继任者一直是皇家海军唯一的潜艇潜望镜和光电桅杆的供应商［2］。

2.1 CM010系列光电桅杆

Barr&Stroud公司于20世纪80年代开始研究光电桅杆技术，并于1992年做出决策投资研制CM010光电桅杆系统，1993年完成了产品设计，随后生产出样机进行了海上验证性试验和可靠性试验。该系统于1998年5月开始至2000年安装到“特拉法尔加”（Trafaflgar）级“锐利”号（HMSTrenchant）核动力攻击潜艇（SSN）上临时替代CH084潜望镜进行了海试。CM010系统的单窗口传感器头部装有光电传感器、环境传感器和稳定机构。传感器头部内的光电传感器包括热像仪、像增强摄像机、高清彩色电视传感器，支持高灵敏度高宽带电子支援措施（ESM）、通信和GPS传感器。利用先进的图像处理技术对系统获取的图像进行处理，达到进一步增强系统作战能力的目的。方位驱动模块支撑和转动传感器头部，桅杆升降装置可以升降传感器头部和方位驱动装置。在甲板下面，光电处理装置接收光电传感器传输过来的数据，然后传感器控制装置对这些数据进行增强并显示出来。CM010系统的一个关键特性是具有三轴稳定系统，在恶劣的海况下，潜艇航行时在潜望镜深度可以为指挥员提供亚像素级精度的稳定图像。

根据传感器头部配置的不同，CM010系列不同的型号有 CM010、CM011、CM012、CM013 和CM014，所有型号的图像都是通过光纤传输到控制舱内的显控台。

英国皇家海军选择在首批新建的三艘“机敏”级核潜艇（被称为第一批机敏级潜艇）装备一对光电桅杆CM010/CM011，CM010内的传感器头部组件配置的是彩色高清电视摄像机和L-3 Night Conqueror 3μm～5μm红外热像仪（640×512 InSb探测器），而CM011桅杆的传感器头部安装的是彩色高清电视摄像机和像增强摄像机，像增强器具有水下观察能力，而热像仪却没有这种能力。

图1 LPV样机的传感器头部和操控台

第四艘“机敏”级核潜艇，即“大胆”号HMS Audacious以及后续的三艘“机敏”级核潜艇（被称为第二批机敏级潜艇）安装的是增强型的CM010桅杆，采用了新一代的传感器系统，包括高清电视、性能更高的红外成像探测器和百万像素级的像增强能力（清晰度更高，微光性能更好）［3］。

2.2 新一代隐身型LPV和ULPV光电桅杆

Thales UK公司研制的第二代隐身型光电桅杆，充分利用第一代产品的研制和使用经验以及先进的传感器和图像处理技术，使光电桅杆的尺寸更小，重量更轻，成本更低，同时受益于红外传感器、可见光和微光电视的技术进步，继承了CM010在三轴稳定、单窗口设计以及低特征信号等方面的积极表现。两种新一代隐身型光电桅杆分别是：直径190mm的LPV隐身型桅杆，适于装备所有型号的潜艇；直径80mm的ULPV超隐身型桅杆。

隐身型（LPV）桅杆是2015年9月在伦敦的国际防务安全与装备展会（DSEI）上推出的。LPV的基本功能和配置与CM010类似，但体积更小，成本更低，模块化程度更高，在一个更小的空间内能承载多个传感器，标称的传感器配置是Thales公司的Catherine MP长波红外传感器、高分辨率电视摄像机（可覆盖微光近红外波段）和激光测距仪（可能是公司的新型Micro-MELT）。

ULPV在传感器头部配置了两种传感器（高清彩色电视摄像机+像增强器或热像仪），其视觉外形与攻击潜望镜类似。不过Thales公司也承认这种型号的稳定精度有所下降，并且传感器的目标探测、识别中和认清距离等性能也有降低。

2.3 装潜现状

英国海军七艘“机敏”级核动力攻击潜艇都装备CM010/CM011两根光电桅杆，CM010还出口装备到日本海上自卫队的十艘“苍龙”级（Sörÿu）常规潜艇，该级潜艇上采用的是一根传统的潜望镜加一根光电桅杆的配置方式。

3 法国

法国目前代表性的光电桅杆是由Safran Electronics&Defense公司研制的30系列搜索桅杆系统（SOM）、攻击光电桅杆（AOM）和雷达光电桅杆［4］。

为使实证分析结果更加准确，对数据进行以下筛选：删除已注销或失信的企业信息；删除从业人员数低于10人的微型企业信息；删掉ST和∗ST等企业信息，防止财务困境对结论的影响和干扰；删掉证监会2012版行业代码为J66、J67、J68、J69的金融类企业；删掉重要财务指标缺失严重的企业信息。

3.1 S30系列搜索光电桅杆

法国Safran Electronics&Defense公司（前身为Sagem）研制的30系列搜索桅杆系统是一种双轴稳定非耐压壳体穿透光电搜索桅杆，在一个轻型传感器头部能够配置四种光电任务载荷，即第三代高清热像仪、高清彩色电视摄像机、微光摄像机（抗模糊）、人眼安全激光测距仪（ESLRF）以及电子战和GPS天线。所有的四个光电通道可同时工作，其工作模式包括快速周视（QLR）、远程搜索（多个全分辨率窗口形成的全景显示）、光电对空警戒和定向以及数字录像和拍照。传感器头部可安装GPS、电子战或通讯或AIS天线。轻型传感器头部腔体内部并没有气冷或水冷的要求，信号处理是在甲板下的一个紧凑舱室进行的，具有数字视频显示、拍照和录像功能，带机内故障测试，另外还配置一台备用的指挥与控制笔记本电脑。

3.2 S30系列攻击光电桅杆

基于30系列搜索桅杆的设计，Safran Electronics&Defense公司还研制出低特征信号的30系列攻击光电桅杆（AOM），2014年10月在巴黎的Euronaval展会上亮相，该桅杆也能够配置四种传感器模块和一个预警ESM、定向ESM、GPS和通信天线，除第三代中波红外高清传感器和高清电视摄像机以外，可选配人眼安全激光测距仪、短波红外摄像机和昼夜后备摄像机，适装所有类型的潜艇，具有很高的隐身性能，传感器头部直径约120mm～130mm，与S30 SOM性能互补，两种型号光电桅杆在机械、电子和软件接口完全兼容，使用相同的处理机柜和人机界面。由于伸出水面的体积极小，其特征信号很低，还采用高度数字化技术大大提高了光电传感器性能，具有快速周视（QLR）工作模式，在水面快速周速过程中所有的光电通道同时工作，全数字式双屏显示具有直观的图像显示界面。

图2 S30系列SOM搜索（左）和攻击（右）光电桅杆的传感器头部

图3 SOM光电桅杆显控台上的人机接口界面

3.3 光电-雷达桅杆系统（ORMS）

光电-雷达桅杆系统（ORMS）将光电桅杆与导航雷达的性能进行了组合，可为潜艇减少一根桅杆配置，增强了潜艇在潜望镜深度时的隐身安全性能。单根桅杆可完成观察和雷达搜索功能，降低了被敌方探测到的概率。桅杆系统具有直接观察能力、全景监视、周视能力，采用被动视距测距方法获取距离信息，头部涂覆雷达波吸收材料降低雷达特征，桅杆顶部的天线模块组合了射频通信、电子支援措施和GPS能力。桅杆头部直径360mm，雷达工作在X波段，红外传感器双视场，高清电视摄像机2倍放大倍率，可同时处理五个目标。不过，由于越来越多的光电桅杆都关注于隐身性设计和改进，这型光电-雷达桅杆的装艇应用似乎并没有吸引到很多的眼球，目前这型桅杆已是停产的状态。

图4 核潜艇上的ORMS光电-雷达桅杆

3.4 装艇现状

S30系列光电桅杆除装备法国海军潜艇，还出口到亚洲、欧洲和南美等国家海军。

2019年，Safran电子与防御公司澳大利分部获得价值3677万美元的合同，提供S30型光电搜索与攻击桅杆，导航雷达以及导航数据分配设备，用于澳大利亚未来潜艇计划中组装到到潜艇主战系统中。

4 德国

Hensoldt Optronics（前身被称为Airbus DS Optronics）目前是德国的光电桅杆供应商，其前辈Carl Zeiss Optronics GmbH在潜艇观察系统领域的研制历史可以追溯到1903年，在光电桅杆系统的工程化研制则始于1992年，其首套光电桅杆样机于1995年装艇海试，也就是于1999年投入批量生产的OMS 100光电桅杆系统。

表1 法国光电桅杆的装艇应用现状

4.1 OMS 100和OMS 110光电桅杆

基本型的OMS 100采用两轴瞄准线稳定技术，装有第三代热像仪（3μm～5μm或8μm～12μm）、彩色高清晰度电视摄像机和可选配的人眼安全激光测距仪。高清晰度电视摄像机采用了1920×1080 探测元和8×变焦镜头，视场在23.6°×13.4°和3.0°×1.7°之间连续可变。红外通道最初采用的是蔡司公司的ATTICA第三代凝视阵列热像仪，基于320×240 CMT探测器，工作波段3μm～5μm，不过服役于希腊海军的系统选用的是8μm～12μm工作波段。OMS 100中采用的数字摄像机具有一个独特的接口，可以组装不同的供应商提供的探测器，包括AIM、雷声、SCD以及Sofradia公司等。具有两级视场变化，即12.4°×9.3°宽视场和4.1°×3.1°窄视场，使用了1.543μm的人眼安全激光测距仪。陀螺稳定传感器头部的瞄准线俯仰范围为-15°～+60°，头部还装有Colebrand雷达，涂覆热特征衰减膜层，窗口可加热，具有与被动电子战接收器和定向天线以及GPS接收器连接的接口。

OMS 100桅杆具有快速周视功能，3s时间内可完成360°扫描，能够将工作于不同波段的传感器输出的高质量图像进行融合处理，另外还具有电子变焦能力和目标跟踪性能，其隐身性更强，使潜艇能以更高的速度在水下航行。

图5 OMS 100光电桅杆传感器头部

4.2 OMS 200和OMS150

2016年推出OMS系列新成员OMS150光电桅杆，这种新型搜索桅杆采用了新的传感器、电子线路和图像处理技术，其关键特点是装有短波红外摄像机，传感器组件中可以承装五台摄像机，对滑环进行了改进，以便实现全数字式光纤数据传输，具备ESM/测向（DF）、GPS和 VHF/UHF通讯天线接口。

除了改进桅杆本体，OMS 150还升级了人机接口界面，采用了更先进的图像处理技术，显示器可以同时显示三台摄像机的图像，叠加文字信息（也叫做叠加图像），并且利用传感器融合技术大大提高态势告警能力。

图6 OMS 150传感器头部（左）、OMS 200 IR传感器头部（中）OMS 200传感器头部（右）

表2 德国光电桅杆的装艇应用现状

Hensoldt Optronics公司还推出了更紧凑更隐身的OMS 200多传感器桅杆，该型光电桅杆用于执行原先一直由攻击潜望镜完成的任务，可与OMS 100（或OMS 110）配套，也可独立配置。这种低特征信号的OMS 200光电桅杆采用的是直径更小的单窗口传感器头部，装有高清电视摄像机、短波红外摄像机和人眼安全激光测距仪，短波红外摄像机具有图像质量高和分辨率高的特点，与中波红外摄像机性能互补，尤其是在多雾和多霾的低能见度环境下可提高光电桅杆的搜索能力。

4.3 装艇现状

德国光电桅杆装备到不同国家海军的潜艇平台，大多采用SERO 400+OMS 100/OMS 110这种一根传统潜望镜加一根光电桅杆的配置。2014年OMS 200光电桅杆曾经安装到美国“弗吉尼亚”级核潜艇上进行过海试，不过最终并没有采购订单［5］。

5 美国

5.1 AN/BVS-1光电桅杆计划（PMP）

美国海军既是非耐压壳体穿透式光电桅杆的积极倡导者，又是最早的用户。早在20世纪80年代美国国防部高级研究计划局（DARPA）就启动了非耐压壳体穿透潜望镜（NPP）项目计划开始潜艇光电桅杆的研制，当时的科尔摩根光电公司（现在的L-3 KEO）研制非穿透式潜望镜桅杆的样机，在SSN-688“洛杉机”和“孟菲斯”号进行演示试验。后来NPP升级成为改进型非耐压壳体穿透潜望镜（INPP），采用新型传感器（主要是3μm～5μm热像仪替换8μm～12μm Micro-FLIR装置）、新的电子线路和遥控显控台，安装到美国海军的“菲尼克斯”潜艇上进行海试。在NPP/INPP项目计划的进行过程中，美国海军又制订了光电桅杆计划（PMP），基于INPP设计的基础方案，配置了高分辨率彩色和黑白电视摄像机、640×512探测器阵列的3μm～5μm热像仪（或8μm～12μm）以及人眼安全激光测距仪，共享一个多光谱传感器头部窗口。研制和试验成功后PMP以AN/BVS-1光电桅杆系统的命名装备到美国海军的“弗吉尼亚”级核动力潜艇，每艘潜艇上配置两根光电桅杆。这种隐身性多光谱AN/BVS-1具备的能力包括红外成像、可见光成像、数字图像处理、激光测距以及能够单脉冲测向的ESM天线组件。采用双轴瞄准线稳定，电视摄像机的俯仰-10°～+70°，具有24°× 32°、9°× 12°、3°× 4°和1.5°× 2°四种视场，红外摄像机俯仰-10°～+55°（可达到+60°，但降指标）。

为进一步提升潜艇作战成像能力，研制出AN/BVS-1（V）光电桅杆改型（PMV），装备到美国海军的“俄亥俄”级核动力巡航导弹潜艇（SSGN），配置了高清彩色电视摄像机、增强性黑白电视摄像机和热像仪以及人眼安全激光测距仪，PMV替代了传统的15L型潜望镜，同时也升级了ESM/DF装置和显控台。

5.2 ISIS综合成像系统

为提高美国海军的潜艇成像要求，当时的Lockheed Martin公司早在2004年开始研制并交付了AN/BVY-1（V）综合潜艇成像系统（ISIS），实现了艇内的电子设备与艇外工作的传感器（光电桅杆或潜望镜）获取的数字视频和照片信息的融合，并将实时图像和分析结果显示在控制舱现有的战术显示屏上。ISIS还可以为艇员提供一些其它的图像增强和图像分析工具、主动和被动测距控制、图像和相关数据的录取、存贮和回放。

ISIS系统交付后装备到美国海军的“洛杉机”级潜艇（保留其传统的18型搜索和2型攻击潜望镜）、三艘“海狼”级核潜艇、四艘“俄亥俄”级核动力巡航导弹潜艇以及“弗吉尼亚”级核动力潜艇。

图7 AN/BVS-1光电桅杆系统的传感器头部、人机接口界面和操控台

5.3 隐身型LPPM和AMPPM新一代光电桅杆

尽管AN/BVS-1系统已经达到较高的性能，但相对而言体积较大，传感器头部特征明显。为了解决这个问题，L-3 KEO于2015年4月通过竞争取胜与海军海上系统司令部签订4870万美元合同研制并交付特征信号更低的光电桅杆。这部分工作也成为隐身光电桅杆（LPPM）计划的一部分，装备到“弗吉尼亚”级潜艇。瘦身后的LPPM的形状和特征信号减小到与传统的18型潜望镜相当，降低了被探测概率，LPPM还配置了短波红外通道。

除LPPM以外，美国海军研究局还通过低成本模块化全景光电桅杆（AMPPM—Affordable Modular Panoramic Photonics Mast）计划发展下一代光电桅杆，旨在提升可靠性、可维护性和成像能力，同时时降低成本，据称全寿命周期成本降低50%。利用包括光学设计、通讯协议、散热方式、稳定算法以及密封和耐压桅杆本体结构等方面的专利技术，AMPPM样机配置了可见光、微光短波红外和红外热像仪，实现水平方向360°全景搜索，垂直视场为65°。采用通用型的机电接口方便了根据任务要求进行配置，并且能够使用当前和以后的射频天线。采用新型的尖晶石窗口材料，对0.35μm～5.00μm的透过率增强，同时硬度和耐磨性也更高。高清格式的短波红外传感器（由Raytheon公司提供）可工作于微光条件，并能穿透海面上的雾气，还使用了短波红外超光谱传感器提高对特定光谱特征的目标和探测能力。采用了开放式体系结构的设计理念，便于部件迅速升级，并通过模块化部件设计实现了更高效更安全的系统能力。从作战性能角度来看，AMPPM可以缩短对可见光和红外波段目标的搜索时间，降低了桅杆暴露的可能性，由于具有自动目标探测能力，因此在杂波环境和沿海环境下的工作性能更高。可以看出，美国海军AMPPM（也被称为战术型即插即用式光电桅杆，TOTIM—Tactically Oriented Technology Insertion Mast）将成为未来的标准桅杆，与AN/BVY-1综合潜艇成像系统组合装备到“弗吉尼亚”级核动力攻击潜艇和“哥伦比亚级”核动力弹道导弹潜艇。

表3 美国出口型光电桅杆的装艇应用现状

5.4 装艇现状

美国光电桅杆除装备到“洛杉矶”级和“弗吉尼亚”级潜艇，还将经过改装的出口型光电桅杆命名为86型光电桅杆出售给国外海军，主要包括意大利、荷兰、埃及以及西班牙等国家［6］。

6 新型非转动式全景光电桅杆

Tobon Imaging公司推出了新型的Varuna非转动式全景光电桅杆，是一种多光谱、多孔径、全帧频360°成像的非壳体穿透式光电桅杆，根据潜艇使命任务需求配置昼光电视摄像机/短波红外摄像机和非致冷长波红外摄像机/致冷中波红外摄像机。使用非致冷红外摄像机可以降低使用成本，传感器的寿命相对更长。使用多个凝视传感器阵列系统，不需要电动或机械扫描，数倍增强目标搜索能力，无活动部件，大大提高了系统的可靠性。

当前装艇的光电桅杆为了缩短桅杆暴露时间多具有快速周速能力，暴露时间为3s，全景观察时间大多在10s以内。包括桅杆的暴露时间在内，而这种新型非转动式“固态”光电桅杆能在2s内完成全景观察。采用实时图像处理技术，具有自动多目标跟踪、电子水天线校正、EO/IR双光谱传感器融合成像、录像功能，抗模糊等功能，利用基于人工智能技术的目标识别和自动威胁分析，大大提高了潜艇在潜望镜深度的态势告警能力。能接收远程桅杆的指示信号并随动，也可为常规的潜望镜提供目标指示，并引导潜望镜自动或手动对准目标。据称Varuna对人的探测、识别和认清距离为1.2km、400m和200m，对巡逻艇和战舰的探测、识别和认清距离为4km、3km和1.5km。

目前Varuna光电桅杆已完成研制，但还未进入生产阶段。

图8 海试中的Varuna光电桅杆

7 潜艇光电桅杆发展趋势

尽管由于各国海军面临的风险特性和完全可以理解的潜艇界的保守思想，光电桅杆的概念得到海军作战装备实践者的认可还是花费了一些时日，从许多国家的海军都趋向于在新造潜艇上装备一根光电搜索桅杆和一根常规的攻击潜望镜可以证明这一点，这个所谓的“1+1”方案可以在一台设备出现故障时提供一定的冗余度，但潜望镜仍旧需要穿透围壳的设计难度仍然没有消除。因此，目前的现状是：尽管有些国家的海军仍旧坚持采用“1+1”的光电搜索桅杆和攻击潜望镜的装备方案，但越来越多的新造潜艇都装备了一对光电桅杆作为标准配置的方案，不再安装直接观察式的传统潜望镜，这样就使得潜艇设计者在确定控制舱的位置和布局时有更大的灵活性。

随着光电桅杆技术的优势得到深刻的认识，随之带来的目标鉴别力、可靠性和可维护性潜艇围壳的整体性或安全性相对于围壳穿透式潜望镜的优势日益凸显。进入21世纪以后，光电桅杆有完全取代潜望镜的趋势，美、英、法三国海军在其新型核动力潜艇上都已只装备了光电桅杆。同时，对于二流、三流海军国家而言，把穿透式潜望镜与非穿透式光电桅杆组合配置，也会是目前和今后潜艇观察手段的主流选择。

目前安装了先进传感器的光电桅杆可在伸出水面的数秒钟内就捕获到的完整的水面图像，还能与其它多个传感器协同工作、组网工作，战术信息可来源于各种传感器、数据库和监视平台，战术信息通过显示器提供给艇员使用。包括各种常规和微光电视摄像机在内的传感器，可基本实现即插即用式安装。除此之外，还能与其它多个传感器协同工作，组网工作。这就意味着，战术信息可来源于各种传感器、数据库和监视平台，其中大多数信息可通过显示器提供给操作人员［9］。

在发展光电桅杆技术的同时，会依据不同类型潜艇平台的功能要求，通过模块化设计、通用接口兼容和非转动式结构设计，可使现役潜艇有更直接的升级通道，大幅降低制造成本，使光电桅杆传感器的维护和升级成本更低，并可根据具体的使命任务定制或升级特定的传感器系统。据英国Thales UK公司称，基于模块化设计的新一代的隐身光电桅杆LPV和ULPV由于与现有的光电桅杆的接口兼容，并且与前一代光电桅杆使用相同的显控台，不仅可直接更换传感器头部，也可更换方位驱动组件等其它部件，这些更换工作可在两小时内完成，大大降低了升级和维修的成本。