世界上最先进的头盔式显示器

2018年 11月 14日

话题:

作者:

Anne Corning

F-35第三代头盔是目前世界上最先进的头盔式显示器（HDM）。它是Rockwell Collins公司与Lockheed Martin公司（总承包商，负责制造与这款先进的头盔搭配使用的F-35闪电II联合攻击战斗机）合作开发的。

F-35闪电II战斗机开始降落.

在近期举行的表面贴装技术协会（SMTA）国际会议（Surface Mount Technology Association (SMTA) International Conference）上，我有机会听取Rockwell Collins公司生产计划经理Ron Heberlein和Lockheed Martin公司F-35实验测试飞行员Scott “Shark” McLaren（他是开发过程中第一个试戴该头盔的人）发表的Keynote演讲。

HMD技术的开发

在航空领域，“态势感知”是关键。飞行员必须持续监控和评估多种信息线索，包括视觉、仪表读数和声音，以确保精确且安全地驾驶飞机、导航以及对各种飞行条件作出响应。对于军事飞行员来说，与任务相关的战术信息也必须考虑在内。瞬间作出的决策可能意味着生死。

平视显示器（HUD）将信息整合在紧凑的屏幕上，这使飞行员能够快速掌握他们所需的数据，而无需俯视仪表板（把目光从外部环境移开）。首款军用HUD于1961年投入使用，用于向飞行员提供有关飞机和攻击目标的关键信息。最早的HMD系统采用阴极射线管（CRT）屏幕技术；由于相对较低的成本和较长的使用寿命，CRT屏幕目前仍在一些飞机中使用。然而，一些最新的HMD屏幕则使用有机发光二极管（OLED）显示器技术。

随着导弹技术的出现，战斗机飞行员需要能够“看到”并非近在眼前的目标。首款军用HMD于20世纪70年代（1970s）出现，用于协助瞄准装有热跟踪装置的导弹。21世纪00年代（2000s），工程师们将HUD技术集成到HMD中，自那以后，他们开始共同开发这两种技术。

美国海军特战队“超级蝮蛇（Super Viper）”直升机飞行员，佩戴2010年代头盔，其安装有HUD显示器.

现代化头盔设计

先进的头盔式显示器系统（HMDS）的关键组件包括头盔本身（用于保护飞行员头部）、有源降噪耳机、夜视摄像头、显示器面罩、显示器单元和用于将图像和符号投影到显示器面罩的电子装配件以及显示器管理计算机（DMC）。飞行员军用头盔提出了一组独特的功能和设计要求：

它必须能够承受可形成高达9G力量的空中机动动作
显示器面罩必须绝对清晰（透视），同时还必须经过涂层处理，以确保投影能够从屏幕内表面反射出去，以便飞行员能够读取信息
显示器性能要求包括：
- 双目、高亮度、宽视场（FOV）显示器
- 在各种方向下均可实现高精度
- 低延时
- 360°夜视能力
尤其是，它必须确保飞行员的舒适性和安全性，这意味着:
- 重量轻，确保最大限度地减少疲劳感
- 在高达550节（约633英里/小时）的弹射速度下提供保护
- 弹道保护

F-35第三代头盔

为了打造最先进的F-35头盔，Rockwell公司的设计人员不得不应对许多挑战。首先，他们需要将两个相当于30磅重的HUD安装到头盔上，其中，系统总重量必须小于5磅。为了做到这一点，他们将光学元件和电子产品微型化，并且设计师广泛利用新型塑料和复合材料，这些材料能够以最小的厚度和重量提供高强度和耐久性。

如今的一般性（非头盔式）飞机HUD系统提供出色的精度；F-35设计师需要在头盔和面罩的有限显示区域内复制它们的功能。为了做到这一点，他们开发了一种复杂的多传感器头部追踪系统，使用尖端光学元件，并将制造公差设定为远小于一缕头发的宽度。

由于弹射安全性也是一项关键性能要求，因此F-35设计团队必须满足所有的头盔性能和重量要求，同时不影响550节弹射速度下所需的保护。据Heberlein先生透露，除了使用最先进的材料外，解决这一挑战的“秘诀”就是进行大量测试！

为了支持头盔及其所有零部件的设计和制造，Rockwell Collins公司开发了一个全球专业供应商网络，并使用复杂的测试设备来验证质量和性能。

HMD并不是一个独立的设备，而只是复杂的F-35战斗机系统的一部分。HMD与头盔追踪器/发射器装置（HTU）集成在一起，用于追踪飞行员的头部运动，以确保所显示的相机图像和其他数据逐秒反映飞行员的视线（LOS）。一些图像是使用固定式相机组件（FCAM）装置创建的。显示器管理计算机（DCM）控制所有头盔元件，并与多个飞机系统连接。

显示器上的航空基本符号示例.

量身定制

在制造过程中，每个头盔必须量身定制，以确保飞行员能够佩戴合适。头盔的基准设计必须适合任何飞行员（从第5百分位到第95百分位）的头部几何形状。这需要多种头盔尺寸，并且显示器装置必须是可调节的，以适合多个光学安装位置，确保能够与飞行员的眼睛对位。

量身定制过程本身为期两天，涉及一系列测量和调整，包括对飞行员的头部进行激光扫描，以确定瞳孔位置，并确定头盔尺寸。然后对定制衬垫进行铣削，以安装到头盔内部，确保与飞行员的头骨紧密贴合。接着对显示器装置的位置进行调整，确保与飞行员的瞳孔位置相匹配，并对面罩进行修剪。

最后，将所有单个组件装配在一起，并对HMD进行多种功能测试，以进一步改进显示器与飞行员眼睛的对位。举例来说，关键符号必须在相对于飞行员LOS的最佳位置投影到显示器上。F-35 HMD的面罩投影显示器具有以下功能：

30° ´ 40°宽视场，100%重叠
在夜间条件下，HMD直接投影图像，无需使用单独的夜视镜
将飞机和任务符号结合在一起
LOS追踪，这使飞行员能够通过查看和指定目标来瞄准武器

头盔追踪系统对应于飞行员的LOS，利用磁力追踪和惯性追踪以及基于自动协调和自动对位算法的复杂输入和输出。最后，头盔系统包括用于视频汇报的记录功能。

F-35闪电II HMD在2010年开发阶段的插图（近期的SMTA演讲指出F-35第三代头盔具有550节弹射安全要求，而非图中所示的600节）.

飞行员视野

一旦飞行员戴上头盔，坐进F-35战斗机驾驶舱内并系好安全带，所有的精心规划、测试、开发和改进都将整合到一起。从飞行员的有利位置来看，世界将变成围绕他的视野中心点运行，垂直落在飞机机头上。这称为“视觉中心”。当飞行员将头转向任意一侧时，这称为“离轴”视野。

飞机的相机系统在头盔式显示器上呈现一系列视觉输入，超出了驾驶舱窗户外的视野范围。举例来说，来自放置在飞机侧面和下方的相机的实时视频输入可以捕捉360°全景，这使飞行员能够实时查看战斗机下方和周围的情况。

同时，红外（IR）相机还可以捕捉夜视和其他低能见度情况下的补充外部图像。除了标准符号外，所有这些视觉数据都可以显示在头盔面罩的显示屏上，供飞行员即时参考。

延时问题（显示器图像对飞行员头部运动的响应略微延迟）可能会导致晕动症，并妨碍飞行员的态势感知，因此确保头盔式显示器具有低延迟性至关重要。然而，McLaren先生（美国空军前少校）指出，在夜间飞行时，延时并不是问题，因为飞行员几乎完全依赖HMD的夜视显示器，几乎没有外观视觉参考点与所显示的图像相竞争。

符号系统的设计和显示也是飞行员关注的关键问题，飞行员必须看到并快速解读飞机的正常符号系统以及其他任务符号系统，比如打击目标的坐标数据。McLaren先生赞扬了F-35战斗机的任务符号系统，其可以支持飞行员的整体态势感知。举例来说，三角形符号表示目标，红色三角形表示另一架飞机。这些符号在执行任务期间可以清晰地突显出来，以便飞行员即时识别。

此视频展示了飞机和HMD模拟，集成了夜视相机、传感器和战术任务数据的图像和符号.

在上面的视频中，请注意2分30秒时，显示器如何“填充”图像的各个部分，否则，当飞行员将头部向右转时，飞机的挡风玻璃框架将会挡住飞行员的视野。这是HMD实时集成多个图像信息源以提供连续360°视觉信息馈送的示例。这是一项模拟，但如果您想看到部署在USS尼米兹号（Nimitz）航空母舰上的F-35C战斗机（“C”代表航空母舰）和F-35 HMD的现场行动，请观看院线电影：“航空母舰：海洋守护者”。

此电影现在正在您附近的IMAX影院上映.

确保HMD的质量和性能

F-35 HMD的功能和性能在一定程度上取决于头盔面罩上的显示屏本身。如果显示屏在各种环境照明情形和操作条件下未清楚地显示信息，那么它将不会有帮助，甚至可能会危及飞行员的安全和任务的执行。要确保HUD/HMD显示屏无缺陷且功能最佳，需要在生产阶段仔细进行测试。Radiant提供特殊的测试系统来评估在靠近人眼位置观看的近眼显示器（NED）的质量，比如HUD、HMD和AR/VR等设备。

如需了解更多有关Radiant专为汽车和航空航天显示器应用开发的HUD测量解决方案的信息，请阅读白皮书：“满足SAE平视显示器（HUD）测量标准的自动化解决方案”。