頭盔顯示瞄準系統(tǒng)現(xiàn)狀與展望

諸葛卉

2020年3月，美國防部正研究改進F-35閃電II上有機發(fā)光二極管（OLED）頭盔顯示器（HMD），包括綠色輝光問題、漏光問題以及使HMD的壽命超過預(yù)期4年以上，以降低維護成本。第一批滿足聯(lián)合合同規(guī)范要求、重新設(shè)計的OLED頭盔顯示器已交付美海軍和美海軍陸戰(zhàn)隊。2021年11月，美國Kopin公司獲得了F-35頭盔液晶顯示器的后續(xù)訂單，繼續(xù)為該機提供高亮度液晶顯示器。迄今為止，該公司已為F-35飛行員的頭盔提供了數(shù)千個微型顯示器。此外，2022年1月，美空軍正在尋求一系列F-22戰(zhàn)斗機升級改造計劃，探索14種潛在的F-22升級計劃，包括集成泰雷茲集團蝎子頭盔顯示/武器提示系統(tǒng)等。

2022年3月，歐洲裝備采購局（OCCAR）授予空客直升機公司合同，為法國、西班牙和德國升級虎Mk III攻擊直升機，其標準配置包括泰雷茲集團頂點貓頭鷹DD頭盔瞄準顯示系統(tǒng)、FlytX航電系統(tǒng)，集成化賽峰集團Strix NG瞄準具等。2021年10月，美陸軍授予埃爾比特系統(tǒng)公司一份最大7600萬美元AH-64阿帕奇直升機綜合頭盔和顯示瞄準系統(tǒng)（IHADSS）合同，以提升美陸軍武裝直升機態(tài)勢感知能力和飛行安全性。

VSI公司的聯(lián)合頭盔目標提示系統(tǒng)

F-35戰(zhàn)斗機上的頭盔顯示系統(tǒng)

戰(zhàn)斗機座艙的顯示是非常重要的人機界面：該昂貴（每副頭盔價格為40～80萬美元）、能夠“看穿”戰(zhàn)斗機無舷窗部分的高技術(shù)頭盔遠不只是一個頭盔，而是一個“作業(yè)區(qū)”——既提供戰(zhàn)場的顯示，又提供態(tài)勢的感知。自20世紀80年代中期以來，平板顯示器及頭盔顯示器的研制取得了很大進展，并在F-22、陣風(fēng)等先進戰(zhàn)斗機上得到應(yīng)用，標志著座艙顯示進入第六代——頭盔顯示、平板顯示時代，為現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機的座艙顯示提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。

頭盔顯示/瞄準系統(tǒng)的人機工效要求

對頭盔顯示/瞄準系統(tǒng)（HDSS）顯示的人機工效要求包括：①應(yīng)采用形象、直觀并與人的認知特點相匹配的顯示格式顯示所需信息，使傳遞信息的格式能直接表達信息的內(nèi)容，以減少譯碼的錯誤，迅速、準確地獲取信息；②明確信息顯示的目的；③使用利于識讀的格式，增強顯示格式與所表示意義之間的邏輯關(guān)系。

頭盔顯示/瞄準系統(tǒng)的演變

軍用頭盔顯示/瞄準系統(tǒng)是隨著固定翼和旋轉(zhuǎn)翼飛機飛行員頭盔上安裝夜視成像，和充分發(fā)揮人類作用的頭戴式瞄準具需求的增長而發(fā)展起來的。夜視護目鏡（或夜視鏡，NVG）是夜戰(zhàn)能力演化發(fā)展的結(jié)果，通過使現(xiàn)有的視場（FOV）擴大1倍多，從而提高飛行員的整體態(tài)勢感知能力和安全性，促成飛行員在夜間實現(xiàn)近白晝的戰(zhàn)術(shù)，縮短了處于威脅空域的時間，并提高了瞄準和跟蹤能力。

軍用航空領(lǐng)域基于像增強管（I2T）技術(shù)、飛行員直視的夜間觀察設(shè)備/夜視鏡（NOD/NVG）已使用了近30年。20世紀80年代美軍開展了綜合夜視系統(tǒng)頭盔開發(fā)的競賽，目標是降低佩戴外置、可夾置式NVG的重心補償作用。第三代I2T NVG已能夠在僅有星光的晴朗夜間提供達到20/25視覺效果（斯納侖氏圖表測得的視敏度，即在環(huán)境照度為25時，顯示的亮度是20）的性能；FOV從最初的30°提高至45°。當(dāng)前軍用航空領(lǐng)域的主力NVG采用40°FOV（AN/AVS-6和AN/AVS-9），其主要設(shè)計特征是于昂貴的高分辨率下?lián)碛凶顝V的FOV。

F-35戰(zhàn)斗機頭盔顯示系統(tǒng)刊登于《大眾科學(xué)》雜志封面上

由于作戰(zhàn)人員希望找到一種觀看敵機而非平視顯示器（HUD），即可發(fā)射AIM-9X導(dǎo)彈的方法，20世紀90年代開始了第二輪HMD研制高潮。最終洞察技術(shù)公司開發(fā)出了裝備F-15、F-16和F/A-18戰(zhàn)斗機、支持夜視的聯(lián)合頭盔目標提示系統(tǒng)（JHMCS），由機載計算機為飛行員的目視視線提供地理坐標參考。

F-35 的三種改型都配備了羅克韋爾·柯林斯ESA視景系統(tǒng)公司生產(chǎn)的第三代頭盔顯示系統(tǒng)（HMDS），這種頭盔內(nèi)置兩個液晶顯示器，能同時為雙眼提供彩色圖像。

頭盔顯示/瞄準關(guān)鍵技術(shù)

HMDS旨在能夠在夜間實施近白晝的戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)，并顯示HUD的數(shù)據(jù)以及攝錄飛行員視角方向的視頻信息，為飛行員的右眼提供20°窄視場（或40°寬視場），在促成飛行員于頭盔顯示器上看到雷達和導(dǎo)航字符的同時，獲得近距空-空導(dǎo)彈的提示信息，輔助飛行員在夜間鑒別地形、探測目標和提示武器，減輕了飛行員駕駛飛機，探測、跟蹤和打擊目標，應(yīng)對緊急情況的工作負荷，最早于以色列空軍中使用。美空軍和海軍則采用與美陸軍虛擬座艙優(yōu)化項目（VCOP）類似的底線方式，為駕駛員提供平視的3D視覺、聽覺和觸覺能力。本質(zhì)上，投影到HMD取景器上的信息與投影到飛機HUD上的信息相同，但由于組合頭盔提示/瞄準系統(tǒng)中還包含一個電磁頭位跟蹤裝置，佩戴HMD系統(tǒng)的飛行員能夠在監(jiān)控飛行參數(shù)的同時，瞄準并選擇他的目標和武器。

HMDS 的關(guān)鍵組件包括HUD、HMD和頭盔提示/瞄準系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)是跟蹤（瞄準線測量）技術(shù)和瞄準線顯示技術(shù)。此外，組合頭盔提示/瞄準字符系統(tǒng)與夜視功能的HMD已在應(yīng)用中取得巨大的成功。

Q-Sight頭盔光學(xué)瞄準具

目前，頭盔顯示器采用微顯示器作為信息輸出元件，其一般的有效顯示屏對角線尺寸為5.6～17.5mm；像素數(shù)為320×240～1280×1024；像素尺寸為10～50μm，分辨率約為直讀式LCD像素尺寸（0.28mm）的10倍。

F-35飛機上的聯(lián)合頭盔目標提示系統(tǒng)（JHMCS）是一個置于輕型HGU 55/P頭盔殼上的模塊化頭盔瞄準具，是一個單目、基于CRT的系統(tǒng)，包含白晝模塊和黑夜模塊。白晝模塊是一個于取景器上顯示畫面的單目、20°FOV投影顯示器；供選的黑夜模塊包括飛行員夜視成像系統(tǒng)（ANVIS）的40°FOV夜視提示顯示器（NVCD）或于取景器上直接投射畫面的“四眼”（Four-Eyes）全景NVG的NVCD（100°×40°FOV，海軍型）。該系統(tǒng)還包含一套可插入夜視屏的字符系統(tǒng)或視頻系統(tǒng)、一個高精度電磁頭位跟蹤系統(tǒng)，于遍及座艙罩的關(guān)注域內(nèi)為飛行員提供完全的態(tài)勢感知能力。

NVCD使用了一套飛機和武器字符系統(tǒng)，向飛行員頭盔取景器上直接投射字符和圖像，促成飛行員于HMD上看到雷達和導(dǎo)航字符的同時，還獲得近距空-空導(dǎo)彈的提示信息——飛行員或射擊員能夠目視標記、識別導(dǎo)彈的目標；還可觀察地面目標，頭盔引導(dǎo)系統(tǒng)可使飛行員簡單地保持凝視一會兒就鎖定目標——自動指揮瞄準吊艙中的前視紅外（FLIR）攝像機鎖定目標；由高置信度、可變焦FLIR生成的視頻隨即顯示在下視顯示器上，供機組人員分析可能的目標和確定行動的路線。該信息僅為右眼顯示，歸屬于單目型；夜間作戰(zhàn)時，操作員需取下取景器，將NVCD扣緊傳統(tǒng)的護目鏡。

2016年4月，Elbit系統(tǒng)公司推出了JHMCS II，它是全球最高分辨率、彩色、智能和視頻取景器投影系統(tǒng)，適用于晝和夜環(huán)境，擁有唯一于傍晚或黎明飛行時促成飛行員方便轉(zhuǎn)換工作模式的能力。JHMCS II獨創(chuàng)的頭位跟蹤技術(shù)促成飛行員對準處于任何方向的傳感器和武器，同時接收增量的態(tài)勢感知信息，在駕駛艙內(nèi)生成智能化視景；飛行員與機組人員之間的顯示也相互融合；威脅和未知目標投影顯示于一個全方位、直覺化顯示的取景器上，已應(yīng)用于F-16、C-130等飛機上。

頭盔顯示/瞄準系統(tǒng)

在頭盔顯示/瞄準系統(tǒng)領(lǐng)域中，兩大制造商的兩大項目分別是RCEVS公司F-35上的頭盔顯示系統(tǒng)，以及AE系統(tǒng)公司“歐洲戰(zhàn)斗機”上的Q-Sight射擊員遠距瞄準系統(tǒng)。

F-35 Gen III“輕”（Light）HMDS是一款具有先進特點、完全晝/夜集成度的解決方案，旨在提高飛行員作戰(zhàn)的精度、效率和安全性。利用該系統(tǒng)，佩戴該產(chǎn)品的飛行員能夠保持其對周邊環(huán)境的空間定向和持續(xù)監(jiān)視關(guān)鍵飛行信息，通過使武器瞄準某個目標而監(jiān)視這個目標，并于其HMDS視場內(nèi)高品質(zhì)地控制所顯示的字符系統(tǒng)和信息。

該Gen III HMDS 集成了HMD、HUD和直接于取景器上投影顯示的夜視技術(shù)三大先進技術(shù)。相對于Gen II HMDS，主要升級包括改進型夜視攝像機、改進型液晶顯示器、自動對準技術(shù)以及改進的軟件。

佩戴一副顯示于雙眼的雙目HMDS和免去HUD是F-35飛機的關(guān)鍵特征之一。該HMDS使用2個對角線0.7in、1280×1024像素的AMLCD投影儀，置于頭盔的兩側(cè)，顯示覆蓋的圖像和字符系統(tǒng)；夜視成像通過光學(xué)系統(tǒng)中繼至一個40°×30°（水平×垂直）雙目視場上。飛行員看到的是一個離軸、虛擬的HUD，30°FOV，顯示飛機的具體性能、威脅信息和目標提示，免去了姿態(tài)指示器；采用JHMCS的字符系統(tǒng)；引入一臺置于頭盔上方的前視夜視探測器和諾格公司分布式孔徑系統(tǒng)（DAS）中圍繞飛機安裝的6臺3～5微米波長紅外攝像機生成的實時成像；在觸敏式下視平板顯示器上有一個HMD頁。作為虛擬HUD，F(xiàn)-35成為近50年來首款免去傳統(tǒng)HUD的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機。

集成化夜視能力是其為F-35飛行員提供的另一大主要優(yōu)點。從飛行員角度看，該HMDS的最大改變是在頭盔內(nèi)引入了一臺黑夜攝像機，約是上一代HMDS性能的2倍。如果飛行員想要觀看紅外成像，則啟用DAS；如果飛行員想要觀看增強的圖像，則啟用頭盔攝像機。

攻擊者II下一代頭盔顯示系統(tǒng)

顯示的畫面還能夠簡化。可移走相關(guān)的信息層，這樣顯示畫面就降至領(lǐng)悟任何高密度戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢剛好所需的最低顯示信息；可定制顯示的畫面。此外，羅柯公司在駕駛桿上留有多個HMDS控制開關(guān)，促成佩戴該系統(tǒng)的飛行員在DAS和像增強攝像機之間的轉(zhuǎn)換；頭盔前方和后方的弧度調(diào)整也大大簡化。

Gen III HMDS 于2007年4月首飛。2016年3月，F(xiàn)-35飛機成功完成了首次組合全部3項降低飛行員彈射過程中頸部受傷風(fēng)險方案的臺車試驗；聯(lián)合項目辦公室（JPO）又組合輕型、中型和重型假人、開展了約10次試驗，2016年底，推出了更輕的頭盔，與其彈射座椅的推出時間段保持一致。

2016年1月，F(xiàn)-35頭盔顯示系統(tǒng)入選美國《大眾科學(xué)》雜志2016年1/2月號封面，并附文《最新的戰(zhàn)斗機駕駛員》一文。JPO空軍中校稱F-35的頭盔好似“在頭上佩戴了一臺便攜式電腦”。

BAE系統(tǒng)公司利用其特有的光學(xué)系統(tǒng)制成了戰(zhàn)斗機飛行員用輕型Q-Sight射擊員遠距瞄準系統(tǒng)（GRSS）頭盔光學(xué)瞄準系統(tǒng)。2010年11月，向英國皇家海軍交付了首套Q-Sight，應(yīng)用于歐洲戰(zhàn)斗機上。其先進任務(wù)能力滿足經(jīng)濟可承受性、兼容現(xiàn)役頭盔的設(shè)置和夜視鏡的要求，還大大增強了精確性和目標識別能力。

該輕型Q-Sight HMD源于用戶定制光學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)：把航炮上熱武器瞄準具（TWS）獲得的成像遠距顯示在航炮手頭盔的“透視”顯示器上；可與TWS互連，在護目鏡與TWS之間無縫地轉(zhuǎn)換、截獲、跟蹤和擊中目標，提高航炮手打擊目標的有效性和精度。它是一種夾置于頭盔上的小型裝置，重量不足4盎司，利用了該公司專利的全息波導(dǎo)制導(dǎo)光線成像技術(shù)（BAE公司稱量子技術(shù)），將LCD的輸出直接耦合至一個帶有組合透鏡的智能磁卡，在一塊信用卡厚的透明顯示屏上顯示飛行和任務(wù)信息及視頻圖像，提供晝/夜“平視、眼朝機外”能力，免去了中間的龐大、復(fù)雜投影機和透鏡。

Q-Sight的低成本、輕質(zhì)顯示器可依據(jù)用眼習(xí)慣安裝至頭盔的右側(cè)或左側(cè)，即插即用于任何標準的頭盔上，不修改平臺而替換已有的顯示；其光學(xué)技術(shù)具有與標準夜視鏡的高兼容性和可互操作性，實現(xiàn)了晝/夜連續(xù)作戰(zhàn)之間的無縫過渡。

Q-Sight系統(tǒng)的輕型化、高清晰度特點緩解了眼睛和頸部的緊張和常見問題，滿足了飛行員執(zhí)行長期任務(wù)、日益增長約定規(guī)則復(fù)雜性的需要，提高了人機工效。頭盔的輕重量提高了飛行員的舒適性，寬視場允許飛行員在執(zhí)行任務(wù)的同時抬頭和查看機外世界。

在2014年范堡羅航展上BAE系統(tǒng)公司展示了攻擊者II下一代頭盔顯示/瞄準系統(tǒng)，該HMD的特點是于一套取景器上投影顯示的系統(tǒng)內(nèi)引入夜視和目標跟蹤技術(shù)。

攻擊者II頭盔又被稱為頭部設(shè)備組件（HEA）或頭盔瞄準系統(tǒng)（HMSS），夜視傳感器位于飛行員雙眼眉心上方，采用有源像素夜視傳感器技術(shù)，無需外掛夜視鏡，所拍攝的夜視圖像直接由頭盔內(nèi)置處理器進行處理，避免延遲；跟蹤系統(tǒng)引入全新的LED頭位跟蹤技術(shù)，確保飛行員頭部位置與機載計算機系統(tǒng)“連續(xù)地同步”，圖像通過40°×32°視場的液晶顯示屏投射到遮光鏡上；引入組合光電-慣性技術(shù)，提高了顯示器上導(dǎo)航字符的刷新率。

攻擊者II升級為1920×1080像素、完全重疊的彩色雙目的全高清彩色顯示器，日光下清晰可讀，適用于云層上方的明亮日光環(huán)境；數(shù)字圖像處理技術(shù)擁有一個完全兼容模擬接口，使傳統(tǒng)戰(zhàn)斗機同樣能使用這種數(shù)字化頭盔；頭盔的視場、舒適度和沉浸感夜視效果都遠超傳統(tǒng)夜視鏡。

在2011年巴黎航展上，泰萊斯公司首次展示了其高性能頂點貓頭鷹頭盔瞄準具顯示器，可為直升機飛行員呈現(xiàn)一幅周邊的虛擬畫面；引入了于苛刻目視條件下增強直升機駕駛員態(tài)勢感知的增強現(xiàn)實能力，已被16個國家的武裝部隊選用，如美海軍陸戰(zhàn)隊的UH-1Y和AH-1Z。

蝎子頭盔提示系統(tǒng)具有彩色符號顯示能力

埃爾比特系統(tǒng)公司直升機綜合頭盔和顯示瞄準系統(tǒng)

作為首個工業(yè)級產(chǎn)品，頂點貓頭鷹頭盔瞄準具顯示器增強現(xiàn)實性HMSD，將人工合成的周邊環(huán)境視景等畫面正好投射在遮光鏡上的雙目、完全重疊的40°視場上，顯示飛行數(shù)據(jù)和符號系統(tǒng)，可用于控制機炮、火箭和導(dǎo)彈；合成視景實時生成，并添加到實際的地形視景上，畫面中的數(shù)據(jù)源于集成化數(shù)據(jù)庫、GPS定位和航向數(shù)據(jù)以及TopOwl上精確的飛行員瞄準線測量數(shù)據(jù)。

頭盔兩側(cè)外掛著夜視鏡，單擊一下頂點貓頭鷹頭盔瞄準具顯示器系統(tǒng)，就能夠在像增強投影與高分辨率紅外成像投影之間轉(zhuǎn)換，在降級目視環(huán)境（DVE）條件下提高能見度和飛行安全性，如夜間飛行、燈火管制或因刺目白色反光造成的乳白天空情況下。

頂點貓頭鷹頭盔瞄準具顯示器擁有保持手動駕駛性能的字符系統(tǒng)、漆黑夜視性能以及舒適和低疲勞感的精確目標瞄準性能，軍用夜視性能達到了5級（于無月亮、無周邊光源、無星光的多云夜晚的能見度水平），這帶來了實實在在的作戰(zhàn)優(yōu)勢。

蝎子頭盔提示系統(tǒng)（HMCS）現(xiàn)已裝備美國空軍的F-16 Block 30和A-10C，成為這兩種飛機的標準裝備。該頭盔采用位于飛行員眼睛和夜視鏡之間的超薄彩色單片式右眼顯示器，視場26°×20°，可顯示武器瞄準和關(guān)鍵飛行數(shù)據(jù)；更重要的是兼容夜視鏡，始終可以顯示彩色的符號系統(tǒng)，客戶能根據(jù)作戰(zhàn)需要和航空慣例選擇顯示紅色、橙色或綠色符號。

該頭盔是作戰(zhàn)的“力量倍增器”，除了在可能的降級目視環(huán)境（DVE）下提供目標提示外，還以全色字符顯示出來，方便目標照射，并協(xié)同機載探測器分派感興趣的目標。蝎子HMCS直接加裝于標準頭盔上，可在頭盔顯示器/制導(dǎo)顯示器之間無縫轉(zhuǎn)換，提供了飛行機隊全部必需的裝備，有利于產(chǎn)品的維護，同時降低了飛機的全壽命周期成本。

AH-64阿帕奇武裝直升機采用的綜合頭盔和顯示瞄準系統(tǒng)能把瞄準信息和紅外圖像直接投射到單片顯示器上，頭盔也能直接控制30mm M230鏈炮和機鼻傳感器。目前正在研制具有更強能力的阿帕奇飛行員綜合頭盔（AAIH）。

頭盔顯示/瞄準系統(tǒng)的發(fā)展展望

HMDS可以認為是能隨頭部轉(zhuǎn)動的HUD，它的瞄準系統(tǒng)能跟蹤飛行員頭部位置，并讓其他目標傳感器和武器位標器跟蹤頭盔瞄準線，然后把作戰(zhàn)飛行信息顯示在頭盔護目鏡上，這不但可以克服HUD視界固定、視線受限的缺點，還能確實做到減輕飛行員負擔(dān)。現(xiàn)階段，由于HMD顯示的信息容量有限，還難以完全取代HUD；穩(wěn)妥的方法是先以HUD為主、HMD為輔；進一步地以HMD為主、低矮型HUD為輔；隨著HMD技術(shù)的成熟和性能提高，最終取代HUD。

從某種程度上講，HMDS作為一種“力量倍增器”系統(tǒng)，為當(dāng)今普遍存在的座艙顯示問題提供了一種比較理想的解決途徑，如在美國JSF戰(zhàn)斗機上就已經(jīng)以先進的HMD取代了HUD。