潜望镜的原理是什么？
潜望镜成像系统
现代潜艇潜望镜是在20世纪初发明的。德国海军在1906年建造第一艘潜艇时，就已经使用了相当完善的光学潜望镜，由物镜、图像转换系统和目镜组成。当时的潜望镜潜望镜功率5~7米，观测距离近，视场窄，成像质量差，夜间无法使用。传统潜望镜的主要功能包括观察水面上的舰船，观察空中的飞机，估计被攻击目标的距离，向火控系统提供其位置和距离，在淹没状态下实施地标导航或天文导航。
现代潜望镜制造商应用微光夜视、红外热成像、激光测距、计算机、自动控制、隐身等光电技术的最新成果，研制出新一代光电潜望镜。以2003年德国最新研制的SERO 400潜望镜为例。主要技术性能包括:俯仰范围-15 ~+60度，1.5倍，6倍，12倍，高精度瞄准线双轴稳定，潜望镜入瞳直径>:21mm，下潜力约12m。它可以配备多种相机和传感器，如数码相机、微光电视摄像机、彩色电视摄像机、热感相机、人眼安全激光测距仪等。，供潜艇指挥员根据实际需要选择；还可以将视频信号实时提供给作战系统的监视器，实现同步观察。潜望镜系统的串行接口可用于不同作战系统控制台的远程控制。潜望镜系统在白天和夜间条件下都有很好的观测效果，可以有效地监视海面和空中，采集导航数据，搜索和识别各种海上目标，观测到的图像可以记录回放。
美国海军最近研发的全景潜望镜也值得关注。它是早期全景潜望镜技术在现代技术条件下的再应用，该技术的前景仍在验证中。此外，国外非常重视潜望镜的模块化设计，并已广泛采用。在不改变潜望镜基本结构和功能的情况下，可以根据需要方便地更换旧的传感器，提高潜望镜的性能。
现代光电潜望镜技术已经相当成熟，不可能再有大的提升。传统的穿透式潜望镜的固有缺点非常明显:主要缺陷是潜望镜必须穿透潜艇壳体，镜筒直径越大，对潜艇耐压的影响越大；其次，潜望镜镜头的旋转直径一般为0.6米，在原本有限的艇内占据了太多的空间，对潜艇指挥舱的布置非常不利。再次，潜望镜只适合一个人操作观察，不可能多人同时观察，不利于作战信息资源的享受。虽然有进步的缺陷，但光电潜望镜仍是目前和未来各国海军潜艇最常用的成像观测设备。
图4:
光电桅杆系统
1976年，科尔摩根公司正式为海军检阅提出了独创的光电桅杆原理。上世纪80年代，非穿透式光电桅杆的研制计划正式启动。如今，光电桅杆已经从概念和原理样机发展到工程模型。美、英、法三国海军在新型核动力潜艇上淘汰了传统的穿透式潜望镜，它们都将装备光电桅杆。这一选择标志着潜艇光电桅杆技术已经达到相当成熟和可靠的水平。光电桅杆与常规潜望镜最大的区别在于，光电桅杆是一种“非穿透桅杆”。它由光电桅杆观察头、非穿透桅杆和船内控制台三部分组成。安/BVS-1成像系统是美国弗吉尼亚级潜艇上的光电桅杆系统。除了现有潜望镜系统的功能外，还可以提供电子情报收集、监视和目标攻击等功能。
与传统的穿透式潜望镜相比，光电桅杆有很多优点:比如光电桅杆不穿透耐压船体，而是直接布置在指令舱的适当位置，既提高了潜艇的耐压强度，又方便了指令舱的布置；光电桅杆的观测头上装有各种光电探测传感器、电子战和通信天线。艇外的情况可以通过电视和红外摄像机拍摄下来，然后传输到艇上，显示在控制台的监视器和大屏幕上。光电桅杆正逐渐取代穿透式潜望镜，成为潜艇作战信息系统的重要组成部分。
但由于技术复杂，价格昂贵，目前只有少数潜艇使用了光电桅杆。例如，俄罗斯的“德尔塔ⅲ”和“德尔塔ⅳ”级导弹核潜艇都装有“砖雨”光电桅杆。只有美国“弗吉尼亚”级攻击核潜艇使用了两个光电桅杆。英国的“机敏”号和法国的“胜利”号攻击核潜艇虽然也装备了两个光电桅杆，但尚未下水，服役尚需时日。目前比较常见的是用光电桅杆配潜望镜，如美国、英国、德国、法国、俄罗斯、日本、埃及的一些潜艇。
呼吸管摄像监控系统
潜艇通气管技术是德国在二战期间发明的。20世纪60年代，我们开始研究如何在通气管的条件下使用潜望镜观测装置，使通气管一物多用。当时的首选是在通气管上安装潜望镜，比如德国蔡司公司的NavS潜望镜就可以安装在潜艇的通气管上。近年来，在潜艇通气管上安装观察和通信装置越来越受到重视。德国IKL公司2004年9月申请的美国专利“潜艇的通气管装置”中，详细描述了通气管上如何配置潜望镜、雷达和通信天线，主要涉及电子成像技术和雷达预警技术。通气管摄像监控系统将潜艇光电桅杆技术应用于通气管装置，使潜艇在通气管状态下工作的同时保持警戒观察、通信和雷达预警，提高了潜艇的隐蔽性。从技术角度来说，如果你掌握了光电桅杆技术，在浮潜上实现也不会很难。这项技术引起了潜艇行业人士的关注。
图5:
外壳部分的摄像电视系统
这是电视摄像系统在潜艇上的特殊应用。主要用于检查和监视潜艇的外部环境和各种下水情况，也可以为冰下潜艇活动提供光学导航。电视摄像系统在潜艇艇体上的应用至少有30年的历史，具体应用在英国、俄罗斯和北欧海军潜艇上较为普遍。英国潜艇外壳上安装的水下电视摄像系统是专门为潜艇在冰上或水下活动的需要而研制的。它能提供安全的水下航行，是潜艇上浮的重要辅助装置。一般来说，就导航系统而言。应在潜艇外壳上布置两台水下电视摄像机，其中一台置于向上观察位置，另一台置于与水平方向成40度角的前视位置。这种布置非常有利于潜艇在漂浮或向前机动时获得最佳质量的图像。英国Unitary Mlad公司的OE-0285相机已装备英国潜艇。它是一种增强型硅靶相机，可以在星光多云的情况下，通过微弱的光线观察各种目标。OE-0285相机是潜艇在北冰洋活动时的重要辅助设备。
图6:
虚拟潜望镜系统
这是美国海军正在研究的潜艇水下摄像系统。虽然它被称为“虚拟”潜望镜，但它与计算机技术领域的“虚拟现实”和外壳上的摄像头系统完全不同。虚拟潜望镜是一种从潜艇平台上完全透视水面的光学传感器，包括潜艇水下摄像机、处理器和图像显示器。所谓“虚”，是指图像显示器能够将海的上部半球视场中的不完整图像再现为完整图像。虚拟潜望镜与潜艇传感器系统集成，可以减少潜艇指挥员使用常规潜望镜的次数，提高潜艇隐身性。
虚拟潜望镜技术还可以将潜艇与水面舰艇相撞的概率降到最低。潜艇上浮到潜深之前，必须确认上浮区域没有船只。从潜水深度到水下约150英尺(46米)的“过渡区”是潜艇水下活动的不安全区域。在这个尴尬的区域，潜艇因为“太深”看不到上方是否有帆船，因为帆船下方“太浅”无法安全通过。但这个过渡带可能包含了最佳的水声搜索深度和最佳的规避深度，是潜艇在浅水中安全作业的最理想的深度区域。如果潜艇失去了这个过渡带，它的机动性就会大大降低。如果潜艇使用虚拟潜望镜技术观察周围情况，就可以在这个过渡区安全移动。
虚拟潜望镜的光学原理不同于普通潜望镜。普通潜望镜在海面某个位置接收光线；虚拟潜望镜是在水下使用一个或几个仰视相机，接收来自太空的光线，穿透海洋。虚拟潜望镜项目利用重建弱折射光的成像技术，开发一种可以探测水上目标的水下摄像系统(包括软件系统)。虚拟潜望镜不仅是一种特殊的成像技术，而且完全适合潜艇特种作战部队的应用。这项技术正处于实验阶段。
图7:
光电浮标系统
美国早在20世纪80年代初就申请了光电浮标技术专利。20世纪90年代，美国马萨诸塞州波卡洪塔斯的船舶成像系统公司开始了潜艇用光电浮标的设计和研究。该公司与美国国防高级研究计划局签署了一份价值6.5438亿美元的研究合同，以设计和制造从潜艇发射的相机浮标系统(BCD)。BCD采用CCD传感器，通过光纤和电缆与潜艇保持连接。CCD传感器的稳定性和监测方向由潜艇控制，在水面上获取目标图像数据，然后转换成光纤信号传输给潜艇。获得的信息通过图像增强算法软件进行处理。潜艇用光电浮标可以隐形，以提高其隐蔽性，如伪装成冰或海上漂浮物。如果能降低成本，光电浮标可以设计成一次性的。还建议发展多传感器光电浮标系统。
图8:
无人机系统
潜艇无人机的发展，解决了潜望镜和光电桅杆潜望镜高度低，无法远距离观测的问题。潜艇可以得到无人机在潜入水下状态下拍摄的图像，从而提高隐蔽性。潜艇相关无人机技术的研究始于20世纪80年代中期。当时无人机是从鱼雷发射管发射，现在可以从潜艇桅杆上发射。比如美国科尔摩根公司研发的无人机发射装置，安装在潜艇桅杆里，一次可以装4架无人机。美国海军已经将无人机技术应用于弗吉尼亚级和俄亥俄级攻击核潜艇。无人机可以通过军用卫星将探测到的信息传送给发射潜艇，或者转发给陆地上的其他潜艇、水面舰艇和作战指挥中心，与水下航行器等各种系统形成一体化的信息网络。