EP0414866A1 - Unterwasserfahrzeug mit einem passiven optischen beobachtungssystem - Google Patents

Unterwasserfahrzeug mit einem passiven optischen beobachtungssystem

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Publication number
EP0414866A1
EP0414866A1 EP90904231A EP90904231A EP0414866A1 EP 0414866 A1 EP0414866 A1 EP 0414866A1 EP 90904231 A EP90904231 A EP 90904231A EP 90904231 A EP90904231 A EP 90904231A EP 0414866 A1 EP0414866 A1 EP 0414866A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
underwater vehicle
vehicle according
observation window
observation
diameter
Prior art date
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Ceased
Application number
EP90904231A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günther LAUKIEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0414866A1 publication Critical patent/EP0414866A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/38—Arrangement of visual or electronic watch equipment, e.g. of periscopes, of radar
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B19/00—Arrangements or adaptations of ports, doors, windows, port-holes, or other openings or covers
    • B63B19/02—Clear-view screens; Windshields

Definitions

  • the invention relates to an underwater vehicle with a passive optical observation system, with an observation window, which has a diameter in the range from 0.3 to 3.0 m and a curved surface.
  • Underwater vehicles of the aforementioned type are known, for example as so-called work submarines. Such a thing
  • Working submarine is manufactured under the type designation "SEAHORSE” by Bruker Meerestechnik GmbH.
  • the invention also relates to other underwater vehicles, e.g. Diving bells, towed vehicles or even stationary facilities.
  • the diameter of the observation window is small in relation to the possible diving depth, for example less than 20 cm for a diving depth of
  • planar glass plates of corresponding thickness are generally used for the observation windows.
  • small observation windows are too small for a wide variety of observation tasks and for maneuvering work submarines. It is therefore also known to provide large-area panoramic observation windows made of acrylic glass, which have the shape of a spherical shell section. at
  • Center opening angle is over 300 ° and are dimensioned so large that they can accommodate the head of an observer who has a 180 ° all-round view with an azimuth of more than 90 °.
  • observation windows mentioned above They are designed with a constant wall thickness in order to avoid optical observation errors.
  • the known observation systems are passive optical Observation systems used, in the simplest case that
  • active optical re-observation systems are therefore also known, in which headlights are usually used, which are attached to the outer shell of the submarine and illuminate the area to be observed with visible light.
  • the invention is therefore based on the object of developing a submarine of the type mentioned at the outset in such a way that a passive optical observation system is made available which is larger, particularly in military applications
  • Observation window is part of the passive optical observation system, the entrance pupil of which has a diameter of more than 0.1 m.
  • the object underlying the invention is based on this
  • observation window at least over a significant part of its surface, not only serves as an optically transparent separation between the surrounding water and the interior of the submarine, but rather the observation window itself becomes part of the optical system, which can consequently be given an entrance panel which in extreme cases the
  • Submarine does not emit any radiation emitted by
  • twilight number Z is defined as the root of the product of the telescope enlargement and the diameter of the entrance pupil, it becomes clear that an enlargement of the entrance pupil of, for example, 0.05 m in conventional display devices, for example to 2.0 m, ie by a factor of 40, the twilight factor increases by a factor of 6 and more.
  • This measure has the advantage that an extreme increase in the number of twilights is possible because the entrance pupil can have a diameter of up to 3 m.
  • a lens system with an entrance pupil is used, the diameter of which is smaller than the diameter of the observation window, the lens system being movable along an inner surface of the observation window.
  • This measure has the advantage that the effective opening angle of the passive optical observation system is considerably increased, because the lens system, which can be pivoted into two coordinates, for example, covers practically the same solid angle as in an observation with unarmed. Eye is possible. On the other hand, the observation window of a conventional type is otherwise retained.
  • the lens system is gimbaled on a pressure body of the
  • This measure has the advantage that, particularly in the case of small opening angles of the lens system, a disturbance due to the submarine's own movements is avoided.
  • the observation window can be designed differently, in particular convex-concave, plane-convex or biconvex.
  • a plurality of individual lenses can also be introduced in an otherwise uniformly thick glass dome, in order to enable different angles of attack of the observation system.
  • a movable lens system is used on the inside of the observation window, this is preferably formed with a constant thickness.
  • the observation window can also be used in this case, for example
  • Another group of exemplary embodiments is distinguished by the fact that the optical observation system is set afocal and that an image receiver is arranged in a plane running through a focal point and perpendicular to an optical axis.
  • This measure has the advantage that separate focusing devices are not necessary because, as is known, in the case of afocal optical systems, the imaging plane lies in a focal plane.
  • the image receiver is designed either as an eyepiece or as a CCD image converter or as a photocell array.
  • Training as an eyepiece has the advantage that direct observation by an observer is possible and that additional equipment is not required.
  • CCD image converter has the advantage that a video-compatible, inexpensive component can be used, as is used in modern video cameras.
  • additional light-amplifying elements can be used.
  • Such elements are known from night vision devices in the military field and have switching means to amplify light in the visible or in the invisible, in particular infrared, area beyond the sensitivity of the human eye.
  • the image receiver generates an electronic signal, preferably for rastered images, and the signal is processed in an evaluation unit.
  • This measure has the advantage that known or novel image recognition methods can be used in order to work out a significant pattern from a background which cannot be seen with the naked eye. In this way, the detection threshold can be further reduced.
  • Another preferred embodiment of this embodiment is one in which the evaluation unit is connected to a sensor for multidimensional detection of accelerations acting on the observation system or of movements of the observation system.
  • This measure has the advantage that disturbances can be reduced, as can occur especially with very small opening angles of the observation system when the system as a whole is subjected to movement. If the accelerations acting on the submarine or its movements in the three spatial coordinate directions are known, an appropriately programmed evaluation system can calculate out the disturbances which are caused by the effective acceleration on the submarine or its movement. Further advantages result from the description and the attached drawing.
  • Fig. 1 is a side view of a submarine according to the invention
  • Fig. 2 is a sectional view through an observation window of the submarine shown in Fig. 1;
  • Fig. 6 is a sectional view, in a further enlarged.
  • Fig. 1 denotes a side view of a submarine.
  • Pressure body 11 is of lying-cylindrical shape and at its ends with hemispherical bottoms or with bobbin bottoms completed.
  • a stern drive screw 12 and sideways maneuvering screws 13 and 14 are provided on the stern or bow.
  • Rudder / elevator 15 are used for dynamic maneuvering
  • a first observation window 17 is embedded in the bow of the pressure body 11.
  • the first observation window 17 is located behind an acrylic glass cladding 18, which itself has no pressure-separating function.
  • the first observation window 17 has the shape of a spherical shell section and can be designed as a lens or with a uniform thickness, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 6.
  • a second observation window 19 is arranged in the tower 20.
  • the second observation window 19 essentially has the.
  • Shape of a transparent hollow sphere and is so large that it can accommodate the head of an observer.
  • the optically effective entrance pupil is designated by a circumferential bracket 30 of the observation window
  • the entrance pupil 29 has a diameter D, which is preferably between 0.3 and 3.0 m.
  • 31 denotes an axis of symmetry which is at the same time the optical axis of the observation window 17 shaped as a lens.
  • the observation window 17 is namely provided with an outer, convex surface 32 and with an inner, concave surface 33, the radius of curvature of the convex surface 32 being smaller than that of
  • the observation window 17 thus acts as a converging lens, the focal point 34 of which lies at a distance of the focal length f from the observation window 17 on the optical axis 31.
  • the focal length f is of the same order of magnitude as the diameter D of the entrance pupil 29. It goes without saying that the refractive index of the water must be taken into account when calculating the lens.
  • An image receiver 35 which preferably contains electronic image-converting elements, is arranged on a plane running through the focal point 34 and perpendicular to the optical axis 31.
  • the image receiver 35 can e.g. can be a charge-shifting element (CCD element), but the image receiver 35 can also be a high-sensitivity photocell array, and finally a conventional eyepiece can also be used as the image receiver 35, which allows direct visual observation.
  • CCD element charge-shifting element
  • a conventional eyepiece can also be used as the image receiver 35, which allows direct visual observation.
  • the image receiver 35 is an optical-electrical converter, it is preferably connected to an electronic evaluation unit 36, which in turn controls a monitor 37.
  • a three-coordinate acceleration or speed sensor 38 is preferably connected to the electronic evaluation unit 36, on which accelerations gx and gy or speeds Vx and vy in the drawing plane of FIG. 2 act.
  • Observation window 17 is shown, be set afocal. This means that those things which are at infinite distances from the observation window 17, in practice at distances of several focal lengths from the convex surface 32, are sharply imaged on the image receiver 35.
  • Edge points 40 and 40 'of the image receiver 35 are shown, and it can be seen that the optical system has an aperture angle u which is equal to the arctan of the ratio of half the width a of the image receiver 35 to the focal length f. With the orders of magnitude of focal lengths in the
  • the submarine approaches creeping unknown objects, such as sea mines that are floating in the water.
  • the submarine can identify the object from a sufficient distance without having to travel into dangerous proximity to the object, which would possibly lead to the proximity sensors responding.
  • the accelerations acting on the submarine or its speed or position can be detected in several coordinates by the sensor 38.
  • the sensor signals are then converted into corresponding ones in the evaluation unit 36 Correction values converted to calculate the influences of the movement of the submarine from the received images.
  • 3 to 5 show some variants of observation windows as they can be used in the context of the present invention.
  • Fig. 3 shows an observation window 17a with its outer, convex surface 50 and an inner, flat surface 51, so that the observation window 17a takes on the shape of a plane-convex lens in this way.
  • 17a 'and 17a' 'it is indicated that the lens can consist of a window part 17a' 'of constant thickness for conventional all-round observation and of a removable lens part 17a', which is only used when it is used.
  • FIG. 4 shows an observation window 17b with an outer, convex surface 52 and an inner, also convex surface 53, so that a biconvex lens is created in this way.
  • an observation window 17c is provided, into which a plurality of individual lenses 60, 61, 62 of the same or different type are introduced.
  • Fig. 5 illustrated example are the. Individual lenses 60 to 62 constructed essentially the same and each concave-convex. A central individual lens 60 lies in the optical axis 31c, while the two other individual lenses 61 and 62 lie on optical axes 31c 'and 31c''inclined toward it. It goes without saying that further individual lenses can be arranged in a direction perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 5, so that overall a facet-like eye is created, the individual facets (individual lenses) of which can either be provided with separate image receivers or with a common one Image receiver that can be switched to the various individual lenses 60 to 62 mechanically or by light guides.
  • observation window 17d which has an outer, convex surface 70 and an inner, concave surface 71 such that the thickness d of the observation window 17d is constant.
  • a lens 73 is arranged in a pivotable first frame 72, the outer, convex surface 74 of which in its
  • Radius of curvature is preferably matched to the radius of curvature of the inner, concave surface 71 of the observation window 17d.
  • the inner, also convex surface 75 of the lens 73 makes it a biconvex lens.
  • the first frame 72 is pivotable about an axis which runs through the focal point 34d of the lens 73 perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 6.
  • a counterweight 76 is arranged in order to keep the first frame 72 in an indifferent balance.
  • a part of the counterweight 76 is a gyro 77, which is only indicated schematically and whose axis of rotation coincides with the optical axis 31d 'of the lens 73.
  • the optical axis 31d ' can be set by pivoting the first frame 72 over a wide range by an angle u' with respect to the axis of symmetry 31d of the observation window 17d.
  • the opening angle of the optical system u formed by the lens 73 is, as was explained further above in relation to FIG. 2, this results in an optical system, the self-opening u of which can be considerably increased by pivoting the first frame 72.
  • the alignment of the optical axis 31d 'of the lens 73 is determined by means of the
  • Gyro 77 stabilizes, which rotates in the direction of arrow 78 about the optical axis 31d '.
  • the lens 73 is gimbal-suspended, that the first frame 72 is in turn supported in a second frame 80 which extends perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 6.
  • the first frame 72 is pivotally held in the second frame 80 with an axis that runs through the focal point 34d perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 6.
  • the pivoting movement of the first frame 72 is indicated in FIG. 6 by arrows 81.
  • the second frame 80 is in turn rotatable about a vertical axis 84, as indicated by arrows 82.
  • the axis 84 in turn runs through bearing points which are rigidly connected to the pressure element lld.
  • a twisting unit 83 is also provided, which is also rigidly connected to the pressure element lld and rotates the second frame 80 about the axis 84 in via active connections shown in dashed lines in FIG. 6
  • Pressure body lld should move in the spatial coordinates. Target tracking when the target object is moving is also possible by deliberately moving the lens 73.
  • the entrance pupil 29d of the lens 73 is smaller than the entrance pupil of the observation window 17d as a whole, the field of view in FIG. 6 is enlarged by several orders of magnitude, because in the plane of the drawing in FIG. 6 the aperture angle u is of the order of several Degree is, while the pivoting angle u 'can be, for example, 40 °.
  • Method for influencing a sound source in particular a submerged submarine and submarine

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
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  • Telescopes (AREA)

Description

Unterwasserfahrzeug mit einem passiven optischen Beobachtungssystem
Die Erfindung betrifft ein Unterwasserfahrzeug mit einem passiven optischen Beobachtungssystem, mit einem Beobachtungsfenster, das einen Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 3,0 m und eine gekrümmte Oberfläche aufweist. Unterwasserfahrzeuge der vorstehend genannten Art sind bekannt, z.B. als sogenannte Arbeits-Unterseeboote. Ein derartiges
Arbeits-Unterseeboot wird unter der Typenbezeichnung "SEAHORSE" von der Bruker Meerestechnik GmbH hergestellt. Die Erfindung betrifft aber auch andere Unterwasserfahrzeuge, z.B. Taucherglocken, geschleppte Fahrzeuge oder auch stationäre Einrichtungen.
Es ist bekannt, Unterseeboote verschiedenster Art mit Beobachtungsfenstern zu versehen. Wenn der Durchmesser des Beobachtungsfensters in Relation zur möglichen Tauchtiefe klein ist, beispielsweise weniger als 20 cm bei einer Tauchtiefe von
300 m beträgt, so verwendet man für die Beobachtungsfrenster in der Regel ebene Glasplatten entsprechender Dicke. Derartige kleine Beobachtungsfenster sind jedoch für Beobachtungsaufgaben verschiedenster Art sowie beim Manövrieren von Arbeits-Unterseebooten zu klein. Es ist daher ebenfalls bekannt, großflächige Panorama-Beobachtungsfenster aus Acrylglas vorzusehen, die die Gestalt eines Kugelschalen-Abschnittes aufweisen. Bei
Arbeits-Unterseebooten mit einer Nenn-Tauchtiefe von ca. 300 m sind derartige Beobachtungsfenster mit einem Durchmesser von 1 bis 2 m bekannt, wobei der durch das Fenster gebildete
Kugelschalen- Abschnitt einem Zentrums-Öffnungswinkel von
beispielsweise 120° entspricht. Im genannten Tauchtiefenbereich sind auch kleinere Glas-Beobachtungskuppeln bekannt, deren
Zentrums-Öffnungswinkel über 300° beträgt und die so groß bemessen sind, daß sie den Köpf eines Beobachters aufnehmen können, der auf diese Weise eine 180°-Rundumsicht mit einem Azimut von mehr als 90° zur Verfügung hat.
Bei den vorstehend genannten Beobachtungsfenstern legt man großen Wert darauf, daß sie mit konstanter Wanddicke ausgeführt sind, um optische Beobachtungsfehler zu vermeiden. Bei den bekannten Beobachtungssystemen werden nämlich passive optische Beobachtungssysteme eingesetzt, im einfachsten Falle das
unbewaffnete Auge des Beobachters. Es ist aber auch bekannt, durch die erläuterten Beobachtungsfenster hindurch mit Hilfe technischer optischer Systeme zu beobachten, beispielsweise mittels einer Videokamera.
Bei den bekannten Anordnungen läßt das Beobachtungsvermögen sehr schnell nach, und zwar vor allem dann, wenn Trübungen im umgebenden Wasser vorhanden sind, aber auch bei klarem Wasser und hereinbrechender Dunkelheit oder großer Tauchtiefe.
Bei Unterseebooten mit zivilem oder militärischem Einsatzbereich sind daher auch aktive optische Reobachtuπgssysteme bekannt, bei denen üblicherweise Scheinwerfer verwendet werden, die an der Außenhülle des Unterseebootes befestigt sind und die den zu beobachtenden Bereich mit sichtbarem Licht ausleuchten.
Bei zivilen Einsätzen ergeben sich daraus mitunter Schwierigkeiten infolge von Rückstreuungen und damit einer Blendung bei trübem Wasser, es werden jedoch derartige aktive optische Beobachtungssysteme in großen Tauchtiefen, bei trübem Wasser oder bei nachlassendem Tageslicht in großem Umfange eingesetzt, obwohl die Verwendung von Lichtquellen zu der Ruckstreuung an Schwebeteilchen im Wasser führt.
Bei militärischen Anwendungen hingegen haben aktive
optische Beσbachtungssysteme, ebenso wie alle anderen
aktiven Beobachtungs- und Ortungssysteme den Nachteil,
daß die aussendende Strahlungsquelle (Scheinwerfer)
wiederum eine Ortung des beobachtenden Unterseebootes
zuläßt. Gerade bei Unterseebooten, deren praktischer Vorteil in ihrer schlechten Ortbarkeit liegt, aber auch bei stationären
Einrichtungen, z.B. zur Überwachung von Küstenbereichen, ist man jedoch bestrebt, die Möglichkeiten einer Ortung durch feindliche Fahrzeuge oder stationäre Einrichtungen, beispielsweise Fregatten, herabzusetzen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Unterseeboot der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß ein passives optisches Beobachtungssystem zur Verfügung gestellt wird, das vor allem bei militärischen Anwendungen eine größeres
Detektionsvermögen auch bei ungünstigen Sichtverhältnissen zuläßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
Beobachtungsfenster Teil des passiven optischen Beobachtungssystems ist, dessen Eintrittspupille einen Durchmesser von mehr als 0,1 m aufweist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese
Weise vollkommen gelöst. Im Gegensatz zu herkömmlichen Anordnungen dient nämlich das Beobachtungsfenster, zumindest über einen nennenswerten Teil seiner Oberfläche, nicht nur einer optisch transparenten Trennung zwischen dem umgebenden Wasser und dem Innenraum des Unterseebootes, das Beobachtungsfenster wird vielmehr selbst Teil des optischen Systems, das folglich eine Eintrittsblende erhalten kann, die im Extremfall der
Gesamtöffnung des Beobachtungsfensters entspricht.
Auf diese Weise können extrem, lichtstarke passive Beobachtungen, insbesondere im Fernbereich des Unterseebootes, in ausschließlich passiver Beobachtung durchgeführt werden, so daß das
Unterseeboot keinerlei Eigenstrahlung aussendet, die von
feindlichen Fahrzeugen oder stationären Einrichtungen erkannt und zur Ortung des Unterseebootes verwendet werden könnten. Bedenkt man, daß bei Fernrohren die sogenannte "Dämmerungszahl" Z gemäß DIN 58 386 T.1 als die Wurzel aus dem Produkt der Fernrohrvergrößerung und des Durchmessers der Eintrittspupille definiert ist, so wird deutlich, daß eine Vergrößerung der Eintrittspupille von z.B. 0,05 m bei herkömmlichen Sichtgeräten auf z.B. 2,0 m, d.h. um den Faktor 40 zu einer Erhöhung der Dämmerungszahl um einen Faktor 6 und mehr führt.
Es wurde bereits erwähnt, daß bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Eintrittspupille den
Durchmesser des Beobachtungsfensters aufweist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine extreme Vergrößerung der Dämmerungszahl möglich wird, weil die Eintrittspupille einen Durchmesser von bis zu 3 m annehmen kann.
Andererseits führen technisch herstellbare Linsen eines solch großen Durchmessers auch zu entsprechend großen Brennweiten und damit bei Austrittspupillen im Zentimeterbereich zu sehr kleinen Öffnungswinkeln.
Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird daher ein Linsensystem mit einer Eintrittspupille verwendet, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Beobachtungsfensters ist, wobei das Linsensystem an einer Innenoberflache des Beobachtungsfensters entlang bewegbar ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der effektive Öffnungswinkel des passiven optischen Beobachtungssystems erheblich vergrößert wird, weil das in z.B. zwei Koordinaten schwenkbare Linsensystem praktisch denselben Raumwinkel überstreicht, wie dies bei einer Beobachtung mit unbewaffnetem. Auge möglich ist. Andererseits bleibt das Beobachtungsfenster herkömmlicher Art im übrigen erhalten.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels ist das Linsensystem kardanisch an einem Druckkörper des
Unterseebootes aufgehängt.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß insbesondere bei kleinen Öffnungswinkeln des Linsensystems eine Störung durch Eigenbewegungen des Unterseebootes vermieden wird.
Dies gilt in noch größerem Maße dann, wenn das Linsensystem mittels eines Kreisels achsstabilisiert ist.
Auf diese Weise entsteht nämlich ein Beobachtungssystem, dessen optische Achse stabil ausgerichtet ist, unabhängig davon, welche Eigenbewegungen das Unterseeboot ausführt.
Das Beobachtungsfenster kann bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei denen es selbst als Linse des passiven optischen Beobachtungssystems eingesetzt wird, unterschiedlich ausgestaltet sein, insbesondere konvex-konkav, plan-konvex oder bikonvex. Auch kann in einer ansonsten gleichmäßig dicken Glaskuppel eine Mehrzahl von Einzellinsen eingebracht sein, um unterschiedliche Anstellwinkel des Beobachtungssystems zu ermöglichen.
In den Fällen, in denen nach dem weiter oben erläuterten
Ausführungsbeispiel der Erfindung ein bewegbares Linsensystem an der Innenseite des Beobachtungsfensters eingesetzt wird, ist dieses vorzugsweise mit konstanter Dicke ausgebildet. Es kann aber auch in diesem Falle das Beobachtungsfenster z.B.
konvex-konkav ausgebildet sein, um auf diese Weise zusammen mit dem bewegbaren Linsensystem ein mehrlinsiges Gesamtsystem darzustellen, bei dem der Brechungsindex des Wassers berücksichtigt ist.
Eine weitere Gruppe von Ausführungsbeispielen zeichnet sich dadurch aus, daß das optische Beobachtungssystem afokal eingestellt ist und daß in einer durch einen Brennpunkt und senkrecht zu einer optischen Achse verlaufenden Ebene ein Bild-Empfänger angeordnet ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß gesonderte Scharfstelleinrichtungen nicht erforderlich sind, weil bekanntlich bei afokal eingestellten optischen Systemen die Abbϊldungsebene in einer Brennebene liegt.
Bei bevorzugten Weiterbildungen dieses Ausführungsbeispiels ist der Bild-Empfänger entweder als Okular oder als CCD-Bildwandler oder als Fotozellen-Array ausgebildet.
Die Ausbildung als Okular hat den Vorteil, daß eine unmittelbare Beobachtung durch eine Beobachtungsperson, möglich ist und daß zusätzlicher apparativer Aufwand nicht erforderlich ist.
Die Verwendung eines CCD-Bildwandlers hat den Vorteil, daß ein video-kompatibles, preiswertes Bauelement eingesetzt werden kann, wie es in modernen Video-Kameras Verwendung findet.
Die Verwendung eines Fotozellen-Arrays hat schließlich den
Vorteil, daß zusätzlich lichtverstärkende Elemente eingesetzt werden können. Derartige Elemente sind von Nachtsichtgeräten aus dem militärischen Einsatzbereich bekannt und weisen Schaltmittel auf, um Licht im sichtbaren oder im nicht-sichtbaren, insbesondere infraroten Bereich über die Empfindlichkeit des menschlichen Auges hinaus zu verstärken.
Besonders bevorzugt ist weiterhin, wenn in diesen Fällen der Bild-Empfänger ein elektronisches Signal, vorzugsweise für gerasterte Bilder, erzeugt und das Signal in einer Auswerteinheit aufgearbeitet wird.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß bekannte oder neuartige Bilderkennungsverfahren eingesetzt werden können, um aus einem mit dem bloßen Auge nicht-erkennbaren Hintergrund ein signifikantes Muster herauszuarbeiten. Auf diese Weise läßt sich also die Detektionsschwelle noch weiter herabsetzen.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausbildung dieses Ausführungsbeispiels, bei der die Auswerteinheit an einen Sensor zum mehrdimensionalen Erfassen von auf das Beobachtungssystem einwirkenden Beschleunigungen oder von Bewegungen des Beobachtungssystems angeschlossen ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß Störungen vermindert werden können, wie sie vor allem bei sehr kleinen öffnungswinkaln des Beobachtungssystems dann auftreten können, wenn das System insgesamt einer Bewegung unterworfen wird. Sind nämlich die auf das Unterseeboot einwirkenden Beschleunigungen oder dessen Bewegungen in den drei Raum-Koordinatenrichtungen bekannt, kann ein entsprechend programmiertes Auswertsystem diejenigen Störungen herausrechnen, die durch die effektive Beschleunigung auf das Unterseeboot bzw. dessen Bewegung hervorgerufen werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Unterseebootes;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch ein Beobachtungsfenster des in Fig. 1 dargestellten Unterseebootes;
Fig. 3 bis 5
Darstellungen, ähnlich Fig. 2, jedoch für andere Ausbildungsarten eines Beobachtungsfensters;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung, in weiter vergrößertem.
Maßstabe, zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit bewegbarem optischem System.
In 1 bezeichnet 10 ein Unterseeboot in Seitenansicht. Ein
Druckkörper 11 ist von liegend-zylindrischer Gestalt und an seinen Enden mit halbkugelförmigen Böden oder mit Klöpperböden abgeschlossen. Zum Antrieb des Unterseebootes 10 sind eine heckseitige Antriebsschraube 12 sowie seitwärts gerichtete Manövrierschrauben 13 und 14 am Heck bzw. Bug vorgesehen. Zum dynamischen Manövrieren dienen Seiten-/Höhenruder 15. Das
Unterseeboot 10 ist teilweise mit einer Kunststoff-Verkleidung
16 versehen, um eine hydrodynamisch optimale Außenkontur zu erzielen.
Ein erstes Beobachtungsfenster 17 ist in den Bug des Druckkörpers 11 eingelassen. Das erste Beobachtungsfenster 17 befindet sich hinter einer Acrylglas-Verkleidung 18, die selbst keine drucktrennende Funktion ausübt.
Das erste Beobachtungsfenster 17 hat die Gestalt eines Kugelschalen-Ausschnitts und kann als Linse oder mit gleichmäßiger Dicke ausgeformt sein, wie dies weiter unten anhand der Fig. 2 bis 6 noch näher erläutert werden wird.
Ein zweites Beobachtungsfenster 19 ist im Turm 20 angeordnet. Das zweite Beobachtungsfenster 19 hat im wesentlichen die.
Gestalt einer transparenten Hohlkugel und ist so groß bemessen, daß es den Kopf eines Beobachters aufzunehmen vermag.
Fig. 2 zeigt das frontseitige erste Beobachtungsfenster 17 in weiteren Einzelheiten.
Mit 29 ist die optisch wirksame EintrittspupiIIe bezeichnet, die durch eine umlaufende Halterung 30 des Beobachtungsfensters
17 gebildet wird. Die Eintrittspupille 29 hat einen Durchmesser D, der vorzugsweise zwischen 0,3 und 3,0 m liegt. Mit 31 ist eine Symmetrieachse bezeichnet, die gleichzeitig die optische Achse des als Linse ausgeformten Beobachtungsfensters 17 ist. Das Beobachtungsfenster 17 ist nämlich mit einer äußeren, konvexen Oberfläche 32 und mit einer inneren, konkaven Oberfläche 33 versehen, wobei der Krümmungsradius der konvexen Oberfläche 32 kleiner ist als derjenige der
konkaven Oberfläche 33. Das Beobachtungsfenster 17 wirkt somit als Sammellinse, deren Brennpunkt 34 im Abstand der Brennweite f von dem Beobachtungsfenster 17 auf der optischen Achse 31 liegt. Die Brennweite f ist von derselben Größenordnung wie der Durchmesser D der Eintrittspupille 29. Es versteht sich, daß bei der Berechnung der Linse der Brechungsindex des Wassers berücksichtigt werden muß.
In einer Brennebene, d.h. einer durch den Brennpunkt 34 laufenden und senkrecht auf der optischen Achse 31 stehenden Ebene ist ein Bild-Empfänger 35 angeordnet, der vorzugsweise elektronische bildwandelnde Elemente enthält. Der Bild-Empfänger 35 kann z.B. ein ladungsverschiebendes Element (CCD-Element) sein, der Bild-Empfänger 35 kann aber auch ein Fotozellen-Array hoher Empfindlichkeit sein, und man kann schließlich als Bild-Empfänger 35 auch ein übliches Okular einsetzen, das eine unmittelbare visuelle Beobachtung gestattet.
Wenn der Bild-Empfänger 35 ein optisch-elektrischer Wandler ist, so ist er bevorzugt an eine elektronische Auswerteinheit 36 angeschlossen, die ihrerseits einen Monitor 37 steuert. An die elektronische Auswerteinheit 36 ist bevorzugt ein Drei- Koordinaten-Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssensor 38 angeschlossen, auf den Beschleunigungen gx und gy oder Geschwindigkeiten Vx und vy in der Zeichenebene der Fig. 2 einwirken. Das optische System, das durch das als Linse ausgebildete
Beobachtungsfenster 17 dargestellt wird, sei afokal eingestellt. Dies bedeutet, daß auf dem Bild-Empfänger 35 diejenigen Dinge scharf abgebildet werden, die sich im unendlichen Abstände vom Beobachtungsfenster 17 befinden, in der Praxis im Abstände mehrerer Brennweiten von der konvexen Oberfläche 32.
In Fig. 2 ist in der bekannten Weise der Strahlengang für
Randpunkte 40 und 40' des Bild-Empfängers 35 dargestellt, und man erkennt, daß das optische System einen Öffnungswinkel u aufweist, der gleich dem arctan des Verhältnisses der halben Breite a des Bild-Empfängers 35 zur Brennweite f ist. Bei den hier interessierenden Größenordnungen von Brennweiten im
Meterbereich und Abmessungen des Bild-Empfängers 35 im Millimeter- oder Zentimeterbereich bedeutet dies, daß der öffnungswinkel u des optischen Systems im Bereich von Winkelgraden oder Bruchteilen davon liegt. Entsprechend groß ist jedoch die optische Verstärkung des Systems, und auch die sogenannte Dämmerungszahl Z, die der Wurzel aus dem Produkt von optischer Verstärkung und Durchmesser der Eintrittspupille in Millimetern entspricht, ist entsprechend hoch. In einem praktischen Falle können z.B. betragen:
D = 100 cm
f = 100 cm
a = 1 cm
Dann ergibt sich für die übrigen Größen:
U = 0,57°
V = 50
Z = 224 Es versteht sich, daß diese Werte nur beispielhaft zu verstehen sind und daß selbstverständlich auch andere Wertekombinationen, mehrlinsige Systeme u. dgl. verwendet werden können, um den Erfordernissen des jeweiligen Einzelfalles gerecht zu werden.
Angesichts der sehr kleinen Öffnungswinkel u der hier interessierenden optischen Systeme ist erforderlich, daß sich das
System mechanisch möglichst in Ruhe befindet.
Bei einem militärischen Einsatz kann dies beispielsweise dadurc geschehen, daß das Unterseeboot 10 in einer geeigneten Beobachtungsposition auf den Grund setzt und von dieser Beobachtungsposition aus die Umgebung beobachtet. Es können nun die im
Abstand vorbeifahrenden Objekte mit ausschließlich passiven Mitteln beobachtet werden, ohne daß das Unterseeboot selbst durch Eigenstrahlung geortet werden kann.
Entsprechendes gilt, wenn das Unterseeboot sich in Schleichfahrt unbekannten Objekten nähert, beispielsweise Seeminen, die schwebend im Wasser angeordnet sind. In diesem Falle kann das Unterseeboot aus hinreichendem Abstand das Objekt identifizieren, ohne in eine gefährliche Nähe zu dem Objekt fahren zu müssen, die ggf. zum Ansprechen von Näherungssensoren führen würde.
Wenn in diesem oder in anderen Einzelfällen eine optische
Beobachtung während der Fahrt des Unterseebootes erforderlich ist, können die auf das Unterseeboot einwirkenden Beschleunigungen bzw. dessen Geschwindigkeit oder Position in mehreren Koordinaten durch den Sensor 38 erfaßt werden. In der Auswerteinheit 36 werden die Sensorsignale dann in entsprechende Korrekturwerte umgerechnet, um die Einflüsse der Bewegung des Unterseebootes aus den empfangenen Bildern herauszurechnen.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen einige Varianten von Beobachtungsfenstern, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Fig. 3 zeigt ein Beobachtungsfenster 17a mit seiner äußeren, konvexen Oberfläche 50 und einer inneren, planen Oberfläche 51, so daß das Beobachtungsfenster 17a auf diese Weise die Gestalt einer plan-konvexen Linse annimmt. Mit 17a' und 17a'' ist dabei angedeutet, daß die Linse aus einem Fensterteil 17a'' konstanter Dicke für herkömmliche Rundum-Beobachtung sowie aus einem herausnehmbaren Linsenteil 17a' bestehen kann, das erst im Einsatzfall eingesetzt wird.
Fig. 4 zeigt hingegen ein Beobachtungsfenster 17b mit einer äußeren, konvexen Oberfläche 52 und einer inneren, ebenfalls konvexen Oberfläche 53, so daß auf diese Weise eine bikonvexe Linse entsteht.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist ein Beobachtungsfenster 17c vorgesehen, in das mehrere Einzellinsen 60, 61, 62 gleicher oder unterschiedlicher Bauart eingebracht sind. In dem in
Fig. 5 dargestellten Beispielsfall sind die. Einzellinsen 60 bis 62 im wesentlichen gleich aufgebaut und jeweils konkavkonvex ausgebildet. Eine zentrale Einzellinse 60 liegt in der optischen Achse 31c, während die beiden änderen Einzellinsen 61 und 62 auf dazu geneigten optischen Achsen 31c' und 31c'' liegen. Es versteht sich, daß in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 5 noch weitere Einzellinsen angeordnet sein können, so daß insgesamt ein facettenartiges Auge entsteht, dessen einzelne Facetten (Einzellinsen) entweder mit jeweils getrennten Bild-Empfängern versehen sein können oder mit einem gemeinsamen Bild-Empfänger, der auf die verschiedenen Einzellinsen 60 bis 62 mechanisch oder durch Lichtleiter umschaltbar ist.
Fig. 6 zeigt schließlich noch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Beobachtungsfenster 17d, das eine äußere, konvexe Oberfläche 70 sowie eine innere, konkave Oberfläche 71 derart aufweist, daß die Dicke d des Beobachtungsfensters 17d konstant ist.
In einem schwenkbaren ersten Rahmen 72 ist eine Linse 73 angeordnet, deren äußere, konvexe Oberfläche 74 in ihrem
Krümmungsradius bevorzugt an den Krümmungsradius der inneren, konkaven Oberfläche 71 des Beobachtungsfensters 17d angeglichen ist. Die innere, ebenfalls konvexe Oberfläche 75 der Linse 73 macht diese zu einer bikonvexen Linse.
Der erste Rahmen 72 ist um eine Achse schwenkbar, die durch den Brennpunkt 34d der Linse 73 senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 6 verläuft. Auf der Rückseite, dies ersten Rahmens 72, in der linken Hälfte der Fig. 6, ist ein Gegengewicht 76 angeordnet, um den ersten Rahmen 72 im indifferenten Gleichgewicht zu halten. Als Teil des Gegengewichtes 76 wird ein nur schematisch angedeuteter Kreisel 77, dessen Rotationsachse mit der optischen Achse 31d' der Linse 73 zusammenfällt. Die optische Achse 31d' kann durch Verschwenken des ersten Rahmens 72 in weiten Bereichen um einen Winkel u' gegenüber der Symmetrieachse 31d des Beobachtungsfensters 17d angestellt werden. Beträgt der Öffnungswinkel des durch die Linse 73 gebildeten optischen Systems u, so wie dies weiter oben zu Fig. 2 erläutert wurde, ergibt sich damit ein optisches System, dessen Eigenöffnung u durch Verschwenken des ersten Rahmens 72 erheblich vergrößert werden kann. Die Ausrichtung der optischen Achse 31d' der Linse 73 wird dabei mittels des
Kreisels 77 stabilisiert, der sich in Richtung des Pfeiles 78 um die optische Achse 31d' dreht.
Die Linse 73 ist dadurch kardanisch aufgehängt,, daß der erste Rahmen 72 wiederum in einem zweiten Rahmen 80 gelagert ist, der sich senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 6 erstreckt. Der erste Rahmen 72 ist dabei mit einer Achse im zweiten Rahmen 80 schwenkbar gehalten, die durch den Brennpunkt 34d senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 6 verläuft. Die Schwenkbewegung des ersten Rahmens 72 ist in Fig. 6 durch Pfeile 81 angedeutet.
Der zweite Rahmen 80 ist wiederum um eine Hochachse 84 drehbar, wie mit Pfeilen 82 angedeutet.
Die Achse 84 verläuft wiederum durch Lagerpunkte, die starr mit dem Druckkörper lld verbunden sind.
Schließlich ist noch eine Verdreheinheit 83 vorgesehen, die ebenfalls starr mit dem Druckkörper lld verbunden ist und über in Fig. 6 gestrichelt eingezeichnete Wirkverbindungen eine Verdrehung des zweiten Rahmens 80 um die Achse 84 in
Richtung der Pfeile 82 und andererseits eine Verdrehung des ersten Rahmens 72 um die durch den Brennpunkt 34d verlaufende Achse in Richtung der Pfeile 81 gestattet.
Im Ergebnis bedeutet dies, daß die Linse 73 in eine beliebige Position an der Innenoberfläche 71 des Beobachtungsfensters 17d gefahren werden kann und dort infolge der Trägheit des Kreisels 77 stehen bleibt, auch wenn das Unterseeboot sich im Raum bewegt. Die optische Achse 31d' bleibt in diesem Falle stabil auf einen Zielpunkt gerichtet, auch wenn sich der
Druckkörper lld in den Raumkoordinaten bewegen sollte. Eine Zielverfolgung bei sich bewegendem Zielobjekt ist durch gezieltes Bewegen der Linse 73 ebenfalls möglich.
Die Eintrittspupille 29d der Linse 73 ist zwar kleiner als die Eintrittspupille des Beobachtungsfensters 17d insgesamt, man gewinnt jedoch mit der Anordnung gemäß Fig. 6 ein um mehrer Größenordnungen vergrößertes Sichtfeld, weil in der Zeicheneben der Fig. 6 der Öffnungswinkel u in der Größenordnung von mehreren Grad liegt, während der Verschwenkwinkel u' z.B. 40° betragen kann.
Die vorliegende Anmeldung hängt zusammen mit den folgenden Anmeldungen desselben Anmelders vom selben Tage und der Offenbarungsgehalt jener Anmeldungen wird durch diesen Verweis auch zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gemacht:
Patentanmeldung P 39 08 578.3
"Verfahren zum Beeinflussen einer Schallquelle, insbesondere eines getauchten Unterseebootes und Unterseeboot"
Patentanmeldung P 39 08 577.5
"Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Schallemission getauchter Unterseeboote"
Patentanmeldung P 39 08 576.7
"Verfahren und Vorrichtung zum Lokalisieren von in wasserhaltiger Umgebung befindlichen protonenarmen Gegenständen, insbesondere zum Orten von Unterseebooten oder Seeminen in einem Meer oder einem Binnengewässer"
Patentanmeldung P 39 08 574.0
"Verfahren zum Betreiben getauchter Unterseeboote und
Unterseeboot"
Patentanmeldung P 39 08 572.4
"Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Schallemission getauchter Unterseeboote"
Patentanmeldung P39 08 573.2
"Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben getauchter
Unterseeboote"

Claims

Patentansprüche
Unterwasserfahrzeug mit einem passiven optischen Beobachtungssystem, mit einem Beobachtungsfenster (17, 19), das einen Durchmesser (D) im Bereich von 0,3 bis 3,0 m und eine gekrümmte Oberfläche (32; 50; 52, 70) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsfenster
(17, 19) Teil des passiven optischen Beobachtungssystems ist, dessen. Eintrittspupille (29) einen Durchmesser von mehr als 0,1 m aufweist.
Unterwasserfahrzeug nach. Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittspupille (29) den Durchmesser (D) des Beobachtungsfensters (17, 19) aufweist.
Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linsensystem (73) mit einer Eintrittspupille (29d), deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser (D) des Beobachtungsfensters (17d) ist, an einer Innenoberfläche (71) des Beobachtungsfensters (17d) entlang bewegbar ist.
Unterwasserfahrzeug nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (73) kardanisch an einem Druckkörper (11d) des Unterwasserfahrzeuges (10) aufgehängt ist.
5. Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (73) mittels eines Kreisels
(77) achsstabilisiert ist.
6. Unterwasserfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsfenster (17) konvex-konkav ausgebildet ist.
7. Unterwasserfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsfenster (17a) plan-konvex ausgebildet ist.
8. Unterwasserfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsfenster (17b) bikonvex ausgebildet ist.
9. Unterwasserfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsfenster (17c) mit einer Mehrzahl von Einzellinsen (60 bis 62) versehen ist.
10. Unterwasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsfenster (17d) mit konstanter Dicke (d) ausgebildet ist.
11. Unterwasserfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Beobachtungssystem afokal eingestellt ist und daß in einer durch einen Brennpunkt (34) und senkrecht zu einer optischen Achse (31) verlaufenden Ebene ein Bild-Empfänger (35) angeordnet ist.
12. Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bild-Empfänger (35) ein Okular ist.
13. Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bild-Empfänger (35) ein CCD-Bildwandler ist.
14. Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bild-Empfänger (35) ein Fotozeilen- Array ist.
15. Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bild-Empfänger (35) ein. elektronisches Signal, vorzugsweise für gerasterte Bilder, erzeugt, und daß das Signal in einer Auswerteinheit (36) aufgearbeitet wird.
16. Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinheit (36) an einen Sensor (38) zum mehrdimensionalen Erfassen von auf das Beobachtungssystem einwirkenden Beschleunigungen (gx, gy ) bzw. Bewegungen angeschlossen ist.
17. Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinheit. (36) an einen Sensor (38) zur mehrdimensionalen Erfassung von Bewegungen des Beobachtungssystems (vx , vy ) angeschlossen ist.
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