Введение

Введение
Введение

Актуальность темы
В настоящее время в связи с достижениями в областях телевидения, тепловидения, лазерной техники и электроники существенно изменились принципы функционального построения перископных систем подводных лодок (ПЛ). Для наблюдения за обстановкой на море, в воздухе и в береговой зоне появились возможности использовать надежные системы, работающие в дневных и ночных всепогодных условиях. Помимо традиционных визуальных оптических систем, используются современные малогабаритные черно-белые и цветные телевизионные системы, дающие информацию в спектре излучения, воспринимаемом человеком-оператором, а также тепловизоры, дающие информацию об излучении объектов в дальнем инфракрасном диапазоне спектра.
Такая насыщенность каналами приема информации резко расширяет тактические возможности ПЛ.
Поэтому в настоящее время уже достаточно широко проводятся разработки по созданию многофункциональных перископных комплексов ПЛ, максимально расширяющих спектр принимаемой оптической информации при нахождении в перископном положении. Такие работы проводятся в Германии, Франции, Англии, США, и уже имеются реальные системы, устанавливаемые на последние образцы ПЛ.
Как правило, современные ПЛ оборудуются многофункциональным комплексом, состоящим из двух перископов, что обеспечивает более широкие функциональные возможности такого комплекса и более высокую его надежность. За рубежом такие перископы классифицируются как перископы атаки (командирские перископы) и перископы поиска (универсальные перископы).
Введение
Перископ атаки используется для оперативной оценки надводной и воздушной обстановки. Основным каналом такого перископа является визуально-оптический канал окулярного наблюдения оператором, что определяет основную его конструктивную особенность - «проникающую» через основной корпус ПЛ трубу перископа с оптической системой, передающей изображение в окуляры наблюдения.
Пульт управления совмещается с окулярной частью, что обеспечивает возможность для оператора не только вести наблюдение в перископ, но и управлять им в целом. Изображения от телевизионных и тепловизионного приемников информации передаются на экран монитора. Для того чтобы создать оператору условия для выполнения одинаковых действий при управлении прибором, монитор устанавливается в окулярной части. Этот монитор можно использовать также и для отображения символов сопутствующей информации.
Таким образом, оператору, работающему с перископом, приходится обрабатывать большой объем визуальной информации. Наиболее сложные вопросы при проектировании перископных комплексов, до настоящего времени не решенные, возникают при организации предъявления визуальной информации оператору с учетом его психофизиологических характеристик.
Поэтому изучение физиологических характеристик зрительного анализатора человека-оператора, сравнение различных вариантов схем реализации окулярной части и выбор оптимальной схемы на основе физиологических особенностей зрительного анализатора, а также согласование параметров конструктивных элементов оптической системы перископа с характеристиками зрительного анализатора, является актуальной задачей при построении перископных систем.
Введение
Цели и задачи диссертационной работы
Целью работы является разработка принципов построения окулярной части современного перископа, обеспечивающей оптимальные условия для работы оператора, ведущего наблюдение как через визуальный, так и через оптико-электронный канал.
Для достижения этих целей необходимо решить следующие задачи:
1. По имеющимся источникам изучить физиологические и эргономические характеристики зрительной системы человека с точки зрения ее пространственной разрешающей способности, способности к обнаружению и распознаванию при различных способах наблюдения (монокулярном, бинокулярном и псевдобинокулярном), на основе которых определить критерии для принятия решения о принципах построения окулярной части.
2. Обосновать выбор схемы построения окулярной части перископа на основе физиологических характеристик зрительного анализатора человека.
3. Разработать макет окулярной системы с учетом возможности реализации экспериментальных исследований для всех трех способов наблюдения.
4. Разработать методики экспериментальных исследований и методы обработки полученных результатов.
5. Разработать и произвести настройку окулярной части применительно к многофункциональному перископному комплексу разрабатываемой ПЛ.
Методы исследования
В работе использованы методы объективного анализа физиологических и эргономических характеристик зрительной системы человека-оператора применительно к особенностям бинокулярного и монокулярного наблюдения,
Введение
методы программного моделирования с использованием пакетов программ PC Opal и AutoCAD LT 2002, а также экспериментальные методы исследования
Научная новизна
1. Определены критерии построения окулярной части перископных систем с учетом физиологических и эргономических характеристик зрительной системы человека.
2. Обоснован с точки зрения физиологических особенностей наблюдателя вариант построения окулярной части перископа по бинокулярной схеме.
3. Разработана методика, обеспечивающая согласование параметров конструктивных элементов оптической системы перископа и зрительного анализатора человека-оператора.
4. Решена задача согласования технических параметров каналов наблюдения с характеристиками зрительного анализатора оператора при разработке окулярной части многофункционального перископа и обоснована перспективность построения окулярной части по бинокулярной схеме.
Практическая ценность работы
На основании теоретических и экспериментальных исследований спроектирована и изготовлена окулярная часть многофункциональной перископной системы, существенно повышающая оперативно-тактические возможности ПЛ при обнаружении и опознавании объектов. Полученные результаты могут быть использованы и в дальнейшем при создании современных перископных систем.
Введение
Положения, выносимые на защиту
1. Оптимальность построения окулярной части перископа по бинокулярной схеме с точки зрения физиологических особенностей зрительного анализатора человека.
2. Эффективность работы оператора в режиме обнаружения и опознавания объектов при применении бинокулярной схемы построение окулярной части перископа.
3. Согласованность параметров системы отображения информации с характеристиками зрительной системы человека, обеспечивающая оптимальные условия для работы оператора.
Апробация работы
Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации были доложены на I, II, III, IV, VI конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор» 1999, 2000, 2001, 2002, 2004 г.г.), на XXIV межотраслевой научно-технической конференции памяти Н.Н.Острякова (Санкт-Петербург, 2004 г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 13 работ автора.
Личный вклад автора
Все основные результаты, выносимые на защиту, получены лично автором.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованных и опубликованных автором работ, в которых имеется информация, полезная для выполнения диссертационных
Введение
исследований. Объем диссертации - 99 страниц, количество рисунков - 30, количество таблиц -10.
Глава 1 Обзор и анализ современных многоспектральных перископных систем Ю
Глава 1 Обзор и анализ современных многоспектральных перископных систем
1.1 Состояние и перспективы современного
перископостроения
Исторически сложилось так, что с первых шагов появления ПЛ, они в первую очередь стали применяться в составе военно-морских флотов для решения боевых задач. Уже в первую мировую войну они широко применялись для непосредственного участия в боевых действиях. На первом этапе их применяли для постановки минных полей вблизи морских баз и портов, где базировались корабли военно-морских флотов, а также на наиболее широко используемых фарватерах. С появлением самодвижущихся торпед с системами, позволяющими целенаправленно управлять их движением на выбранные цели, в состав бортового оборудования ПЛ стали включаться оптические приборы, дающие возможность производить оценку обстановки, обнаружения интересующих целей и прицеливания. С самого начала развития подводного флота было установлено, что для скрытности и собственной безопасности все перечисленные операции должны осуществляться в погруженном состоянии, когда ПЛ находится полностью под водой, а наблюдение ведется через оптический прибор, который выступает над поверхностью воды.
Такие оптико-механические системы, выдвигаемые над поверхностью воды, получили название перископ. Уже с первых шагов развития боевого подводного флота на такие перископические системы помимо наблюдения и оценки обстановки стали возлагать функции определения параметров прицеливания. Сначала это касалось определения пеленга на цель, относительно системы координат, связанной со строительными осями ПЛ и осей торпедных аппаратов, встраиваемых в корпус подводного корабля. Затем появились оптические базовые дальномеры, а когда появились радиолокаторы и
Глава 1 Обзор и анализ современных многоспектральных перископных систем 11
лазерные дальномеры, функции прицеливания и управления движением торпедами стали возлагаться на них.
Уже к концу второй мировой войны достижения в области оптоэлектроники достигли того уровня, когда телевизионные системы могли достаточно четко обнаруживать и наблюдать объекты на море, на суше и в воздухе при любом уровне внешней освещенности. Эти же достижения позволили пеленговать и измерять относительно лодочной навигационной системы положение слабых астроориентиров (звезд, планет) не только в ночных, но и в сумеречных условиях, что дало возможность создавать системы астрокоррекции бортовых навигационных комплексов [25].
После войны были созданы и поставлены на ПЛ малогабаритные системы, допускающие установку антенн на перископ для пеленгации направления на геометрический центр Солнца с целью определения курса и коррекции курсовой системы [25, 74].
В 60-е — 90-е г.г. оптоэлектроника и вычислительная техника достигла таких уровней развития, которые позволяют автоматизировано, находясь в перископном положении, решать в реальном масштабе времени все задачи наблюдения, обнаружения и опознавания объектов.
К таким системам относятся телевизионные системы, способные выполнять свои функции в дневных и ночных условиях наблюдения на различных участках спектра излучения. Появились и успешно работают тепловизионные системы, обладающие высокой обнаружительной способностью в сложных погодных условиях, лазерные локационные системы, позволяющие обнаруживать и определять с высокой точностью местоположение наблюдаемых объектов и способствующие успешному поражению целей. В перископы устанавливаются системы, способные фиксировать сигналы, создаваемые разведывательными объектами противной стороны для раннего обнаружения ПЛ, кратковременно всплывающих в
Глава 1 Обзор и анализ современных многоспектральных перископных систем 12
перископное положение, а также сигналы от спутниковых навигационных систем.
Для управления работой всей этой аппаратуры в состав экипажа ПЛ должна входить достаточно большая группа квалифицированных операторов. Кроме того, в силу специфики управления действиями в боевых условиях, вся получаемая информация должна поступать непосредственно командиру, управляющему этими действиями, причем в форме, удобной для принятия быстрого и правильного решения.
За рубежом (США, Англия, Германия, Франция, Италия) [25, 38, 68, 69, 74, 75] создаются многофункциональные перископы, оснащенные как традиционным визуальным оптическим каналом наблюдения, так и телевизионными камерами дневного и ночного наблюдения, тепловизионными системами, лазерными дальномерами, радиоприемными устройствами спутниковых навигационных систем и радиотехническими системами обнаружения радиолокационного облучения. В новых перископах широко используются гироскопические системы наведения и стабилизации. Получили распространение гидродинамические обтекатели труб перископов, которые уменьшают вибрации и заливаемость головных частей, радиолокационную и визуальную заметность, а также обеспечивают увеличение скорости подводной лодки, при которой возможно использование перископа.
Как было отмечено во введении, современные ПЛ оборудуются двумя многофункциональными перископными системами, что обеспечивает более широкие функциональные возможности такого комплекса и более высокую его надежность.
Перископ атаки используется для оперативной оценки надводной и воздушной обстановки при всплытии ПЛ на перископную глубину, а также для уточнения данных о параметрах движения цели при непосредственной близости ПЛ к объекту атаки. Основным каналом такого перископа является визуально-оптический канал окулярного наблюдения. Визуальный канал
Глава 1 Обзор и анализ современных многоспектральных перископных систем 13
дополняется телевизионной системой ночного наблюдения, а также в отдельных случаях малогабаритной радиоэлектронной системой обнаружения излучения внешних радиотехнических средств и антенной спутниковой навигационной системы.
Перископ поиска предназначен для сбора возможно большего объема информации об обстановке в районе нахождения ПЛ и поэтому включает значительно больший комплект датчиков первичной информации. При отсутствии возможности наблюдения традиционным визуальным каналом он обеспечивает наблюдение за счет использования главным образом тепловизионной и телевизионной систем [38, 68, 69].
Прогресс в области электронных средств наблюдения потребовал перехода перископов поиска на новую конструктивную схему построения, обеспечивающую размещение выдвигаемого прибора полностью в рубке лодки, находящуюся над прочным корпусом. Передача информации на пульт управления в перископе поиска обеспечивается с помощью электрических линий связи от оптоэлектронных датчиков, размещаемых в выдвижном приборе.
За рубежом в такой высокотехнологичной и узкоспециализированной области, как разработка и изготовление перископов для ПЛ, действуют всего лишь несколько крупных фирм, основными из которых являются Kollmorgen (США), Pilkington (Великобритания), SAGEM(Франция), Zeiss (Германия) [38].
Ниже приведены основные характеристики базовых моделей отечественных и зарубежных перископов, находящихся в эксплуатации.
Глава 1 Обзор и анализ современных многоспектральных перископных систем 14
Таблица 1.1
КОМАНДИРСКИЕ ПЕРИСКОПЫ
Каналы 76 Kollmorgen США СНО 88 Pilkington Великобритания APS SAGEM Франция SERO15 Zeiss Германия
Визуальный + + + +
Телевизионный ночной + + + +
Тепловизионный - - - +
Лазерный дальномер - - - +
Радиообнаружение + - + -
Спутниковая навигация - - + -
ОПТРОННЫЕ МАЧТЫ
Каналы 86 Kollmorgen США СМОЮ Pilkington Великобритания SMS SAGEM Франция OMS100 Zeiss Германия
Телевизионный дневной + + + +
Телевизионный ночной + + + -
Тепловизионный + + + +
Лазерный дальномер - - - -
Радиообнаружение + + + +
Спутниковая навигация - + + +
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ПЕРИСКОПЫ
ЦКБ «Фотон» ломо
МТ-70 1968 пзнэ 1980 мтк-121 1984 пзн-А,Г 1960 пзн-с 1965 Лебедь-11 1983 Лебедь -21 1984 Сигнал -3 1984
Визуальный + + + + + + + +
ТВ ночной + + + + +
ТВ дневной
Тепловизионный
Радиообнаружение
Лазерный дальномерный
Спутниковая навигация
Глава 1 Обзор и анализ современных многоспектральных перископных систем 15
Такая организация современных перископов, огромный объем информации, которую оператор должен воспринять, осмыслить, переработать и принять решение на ее основе, предъявляет очень высокие требования к психофизиологическим характеристикам зрительной системы человека-оператора, а также к решению ряда научно-технических проблем по рациональному построению всего комплекса современных перископных систем.
Как показал обзор рекламных публикаций [38] в зарубежных аналогах окулярная часть выполняется по бинокулярной схеме с возможность переключения на монокулярное наблюдение. Кроме того, в окулярной части устанавливается монитор, с экрана которого ведется наблюдение изображения, передаваемого дневным или ночным телевизионным каналом. Таким образом, оператор имеет возможность вести непрерывное наблюдение в окуляр.
С точки зрения упрощения головной части перископа и удобства доступа при ремонте фототелевизионные преобразователи ночного и дневного наблюдения и соответствующую электронику целесообразно размещать в окулярной части. Но при этом происходят большие потери света, вызываемые наличием оборачивающей оптической системы передачи изображения, что ухудшает характеристики телевизионного изображения. Эти соображения принципиально важны для ночного наблюдения, поэтому низкоуровневая телекамера устанавливается в головной части перископа.
Пульт управления и индикации также устанавливается в окулярной части.
Дополнительно (по желанию заказчика изделия) перископ может быть укомплектован фотокамерой, которая устанавливается в окулярной части.
Общий вид окулярных частей различных модификаций фирмы «SAGEM» представлены на рисунках 1.1-1.4.
Глава 1 Обзор и анализ современных многоспектральных перископных систем 16
Рисунок 1.1 Окулярная часть фирмы «SAGEM» модель СЖ)43/СЯ093
Рисунок 1.2 Окулярная часть фирмы «SAGEM» модель АРС
Глава 1 Обзор и анализ современных многоспектральных перископных систем 17
Рисунок 1.3 Окулярная часть фирмы «SAGEM» модель С#038
Рисунок 1.4 Окулярная часть фирмы «SAGEM» модель СК032

Список литературы