李 力，李訓(xùn)牛,2

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直升機(jī)飛行員頭盔夜視系統(tǒng)視覺(jué)及舒適性優(yōu)化技術(shù)分析

李 力1，李訓(xùn)牛1,2

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京 100081）

分析了直升機(jī)飛行員頭盔夜視系統(tǒng)的視覺(jué)特性，分析了視場(chǎng)、重量、像質(zhì)、眼點(diǎn)距離、出瞳直徑等主要影響視覺(jué)舒適性的技術(shù)指標(biāo)，提出了使用塑料元件減重、合理增大眼點(diǎn)距離和出瞳直徑等指標(biāo)，以及增大視場(chǎng)的兩種方案，可作為相關(guān)設(shè)計(jì)的參考。

頭盔夜視系統(tǒng)；頭盔夜視鏡；視覺(jué)特性；直升機(jī)

0 引言

飛行員頭盔視覺(jué)系統(tǒng)如飛行員夜視鏡（night vision goggles NVG）、頭盔顯示系統(tǒng)（helmet-mounted display HMD），是提升作戰(zhàn)飛機(jī)戰(zhàn)斗力和改善安全的重要手段[1-2]。相關(guān)技術(shù)從20世紀(jì)60年代起至今，得到廣泛的發(fā)展[3]。

由于直升機(jī)過(guò)載較小，直升機(jī)飛行員頭盔視覺(jué)系統(tǒng)受尺寸重量等因素限制較低，在早期的頭盔視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用研究中多從直升機(jī)飛行員試用開(kāi)始[4-5]。直升機(jī)飛行員頭盔視覺(jué)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱頭盔視覺(jué)系統(tǒng)）包括頭帽、頭盔顯示器和夜視系統(tǒng)等組成，如圖1。

由于飛行速度和過(guò)載要求，因而對(duì)頭盔視覺(jué)系統(tǒng)人機(jī)工程和舒適性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)有較高要求，其中夜視系統(tǒng)體積較大，重量重，因此，系統(tǒng)的舒適性優(yōu)化設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵技術(shù)[5]。文章主要論述頭盔視覺(jué)系統(tǒng)中的夜視系統(tǒng)舒適性優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)分析。

圖1 直升機(jī)飛行員頭盔視覺(jué)系統(tǒng)組成

1 夜視鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 夜視鏡系統(tǒng)的組成及工作原理

頭盔夜視系統(tǒng)由安裝組件、雙筒觀察組件和電源組件構(gòu)成[1]。安裝組件是針對(duì)不同形式的飛行員頭盔設(shè)計(jì)，其作用是用于將觀察鏡與頭盔相連接，由固定機(jī)構(gòu)、垂直調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和解脫機(jī)構(gòu)組成；雙筒觀察組件是飛行員頭盔夜視系統(tǒng)的核心組件，由左右兩只相同的觀察系統(tǒng)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。觀察系統(tǒng)由物鏡組、像增強(qiáng)器和目鏡組構(gòu)成，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由前后調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和瞳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成；電源組件由電池筒、電源線、電源插頭組成。頭盔夜視鏡組成圖如圖2。

圖2 頭盔夜視鏡組成圖

飛行員頭盔夜視觀察鏡工作原理如下：

被觀察的物體通過(guò)物鏡成像于像增強(qiáng)器的玻璃陰極面，光能量經(jīng)過(guò)增強(qiáng)后的圖像在熒光屏上顯示，通過(guò)目鏡進(jìn)行觀察。調(diào)節(jié)目鏡視度調(diào)節(jié)范圍改變視度；調(diào)節(jié)目距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變目距；調(diào)節(jié)高低調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變高低位置；調(diào)節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)改變傾斜位置以達(dá)到最佳觀察位置，不用時(shí)可通過(guò)解脫機(jī)構(gòu)解下觀察鏡或是用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻起觀察鏡。如圖3，各組件與圖2可對(duì)應(yīng)。

圖3 頭盔夜視鏡整機(jī)圖

1.2 夜視鏡系統(tǒng)的性能參數(shù)

目前美軍飛行員夜視鏡主要有AN/AVS-6、AN/AVS-9兩款夜視鏡，俄羅斯和我國(guó)亦有相近指標(biāo)產(chǎn)品。目前夜視鏡系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如表1[6]。

1.3 當(dāng)前頭盔夜視鏡系統(tǒng)存在的問(wèn)題和優(yōu)化設(shè)計(jì)方向

當(dāng)前頭盔夜視鏡系統(tǒng)存在重量重、體積大、人機(jī)工程差的問(wèn)題，這些問(wèn)題解決難度較大。可以在以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵器件（像增強(qiáng)器）性能可以優(yōu)化，如尺寸、重量、信噪比等。重量是當(dāng)前影響頭盔夜視系統(tǒng)舒適性的重要指標(biāo)，頭盔夜視系統(tǒng)性能有待提升，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行人機(jī)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]。

表1 典型夜視鏡系統(tǒng)主要指標(biāo)

2 頭盔夜視鏡系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)分析

2.1 頭盔夜視鏡系統(tǒng)器件優(yōu)化

頭盔夜視鏡系統(tǒng)器件優(yōu)化主要指所使用的像增強(qiáng)器的優(yōu)化。采用新型三代或者三代+像增強(qiáng)器，三代（圖4）及三代+像增強(qiáng)管的特點(diǎn)是光譜響應(yīng)從可見(jiàn)光波段向近紅外波段延伸，與夜間天光或大氣傳輸窗口相匹配，其靈敏度（圖5）、分辨率和信噪比遠(yuǎn)高于二代管，可以滿足更高的軍用要求。三代微光像增強(qiáng)器主要特點(diǎn)是將透射式GaAs光陰極和帶Al2O3離子壁壘膜的MCP引入近貼微光管中。與第二代微光器件相比，第三代微光器件的靈敏度增加了4～8倍，達(dá)到800mA/lm～2600mA/lm，壽命延長(zhǎng)了3倍，對(duì)夜天光光譜利用率顯著提高，在漆黑夜晚（10－4lx）的目標(biāo)視距延伸了50%～100%。第三代微光器件的工藝基礎(chǔ)是超高真空、NEA表面激活，雙近貼、雙銦封、表面物理、表面化學(xué)和長(zhǎng)壽命、高增益MCP技術(shù)等[8]。

在新型三代像增強(qiáng)器中采用自動(dòng)門控技術(shù)實(shí)現(xiàn)全天候應(yīng)用，這一特性在頭盔夜視系統(tǒng)中具有重要意義，它能在機(jī)艙實(shí)現(xiàn)全波段的燈光兼容，提升觀察的舒適性。原理如圖6。

自動(dòng)門控技術(shù)改變了傳統(tǒng)微光像增強(qiáng)器光陰極的恒壓工作模式，采用陰極可控變頻脈沖電壓供電，調(diào)控像增強(qiáng)器光陰極產(chǎn)生光電子的數(shù)量，從而達(dá)到控制輸出圖像穩(wěn)定清晰的目的。采用自動(dòng)門控技術(shù)后像增強(qiáng)器輸入動(dòng)態(tài)范圍從10－5～1lx擴(kuò)展到10－5～104lx，實(shí)現(xiàn)了全天候工作。使用該項(xiàng)技術(shù)還具有抗點(diǎn)強(qiáng)光干擾，有效減小點(diǎn)強(qiáng)光在圖像輸出端產(chǎn)生的“開(kāi)花”效應(yīng)，車燈照射、戰(zhàn)場(chǎng)彈藥發(fā)射或爆炸火光、城市街燈等環(huán)境下，都能清晰成像（如圖7），提高了像增強(qiáng)器的實(shí)戰(zhàn)效果。另外使用該項(xiàng)技術(shù)可以延長(zhǎng)像增強(qiáng)器的使用壽命，避免因在強(qiáng)光下工作而損壞器件和影響觀察的舒適性[9]。

圖4 三代像增強(qiáng)器圖

圖5 超二代和三代像增強(qiáng)器陰極靈敏度對(duì)比

典型三代微光像增強(qiáng)器的主要性能指標(biāo)如表2。

圖6 像增強(qiáng)器帶自動(dòng)門控原理圖

2.2 頭盔夜視系統(tǒng)性能指標(biāo)優(yōu)化

從人機(jī)工程和使用舒適性考慮，有以下幾個(gè)性能指標(biāo)是必須加以提升的[10-11]。

目鏡系統(tǒng)：出瞳直徑從原有的10mm提升至14mm及以上，以滿足飛機(jī)劇烈晃動(dòng)和高過(guò)載時(shí)確保不出瞳即在高過(guò)載和飛機(jī)劇烈晃動(dòng)時(shí)不調(diào)整夜視鏡依然可以觀察整個(gè)視場(chǎng)；同時(shí)，增加了觀察舒適感。出瞳距離從原有的20mm提升至25mm及以上，增加了觀察舒適性和擴(kuò)大了人眼余光觀察儀表的范圍。

超大視場(chǎng)：視場(chǎng)性能指標(biāo)由原有的40°提升至90°以上，以符合人眼的觀察習(xí)慣[12]。

2.3 頭盔夜視系統(tǒng)舒適性優(yōu)化技術(shù)之減重優(yōu)化

2.3.1 光學(xué)系統(tǒng)的減重優(yōu)化

在頭盔夜視系統(tǒng)中，光學(xué)元件的質(zhì)量大致為120g，與光學(xué)玻璃相比，塑料元件具有較輕的質(zhì)量和較強(qiáng)的抗沖擊力、以及制作更多面形的可能性。由于可以制作復(fù)雜面形，很多帶有整體固定架和隔圈等外型支架的光學(xué)元件可以被制作，可以制作便于安裝的光學(xué)元件也是其特點(diǎn)之一。

光學(xué)系統(tǒng)的減重優(yōu)化，用光學(xué)塑料非球面甚至自由曲面透鏡代替光學(xué)玻璃球面透鏡，不僅提升了成像質(zhì)量，更重要的是減輕了產(chǎn)品重量。

圖7 普通微光圖像與自動(dòng)門控微光圖像對(duì)比

K9光學(xué)玻璃的密度為2.4g/cm3，常見(jiàn)光學(xué)玻璃的密度都大于該值，而常用光學(xué)塑料聚甲基丙烯甲酯（PMMA）的密度為1.2g/cm3左右，聚苯乙烯類（PS）的密度在1.05g/cm3左右，兩種材料的透過(guò)率均可達(dá)到90%～95%[13]，對(duì)主要觀察條件下的系統(tǒng)分辨力影響較小，系統(tǒng)可以減輕光學(xué)系統(tǒng)重量30～60g。

圖8為采用了光學(xué)塑料的頭盔夜視系統(tǒng)物鏡和目鏡系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。物鏡透鏡數(shù)由常見(jiàn)的7片減至6片，目鏡長(zhǎng)度有所縮短。

圖9為使用光學(xué)塑料的頭盔夜視系統(tǒng)物鏡和目鏡系統(tǒng)的傳遞函數(shù)圖。40線對(duì)處，物鏡軸上傳函大于0.65，目鏡軸上傳函大于0.5，像質(zhì)達(dá)到要求。

2.3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的減重優(yōu)化

在頭盔夜視系統(tǒng)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量占有很大比例，其中鏡身機(jī)構(gòu)320g，橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)250g，旋轉(zhuǎn)支架330g。

表2 典型三代微光像增強(qiáng)器的主要性能指標(biāo)

*注：采用標(biāo)準(zhǔn)靶板，目視觀察到的最高分辨力（10－5lx照度條件下僅測(cè)試中心分辨力）。

圖8 用了光學(xué)塑料的頭盔夜視鏡物鏡和目鏡光學(xué)系統(tǒng)原理圖

圖9 使用光學(xué)塑料的夜視鏡物鏡和目鏡傳遞函數(shù)

若在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用輕質(zhì)材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減重效果明顯。當(dāng)前的產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)件大部分采用鋁合金材料，在優(yōu)化產(chǎn)品中鏡身機(jī)構(gòu)組件采用增強(qiáng)聚碳酸脂材料，其他機(jī)構(gòu)件在保證可靠性的前提下采用鎂合金材料。鋁合金材料密度2.7g/cm3，增強(qiáng)聚碳酸脂材料密度1.2g/cm3，鎂合金材料密度1.4 g/cm3左右，可減輕最多至一半的重量。

2.4 頭盔夜視鏡系統(tǒng)人機(jī)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

頭盔夜視鏡系統(tǒng)舒適性優(yōu)化技術(shù)的另一個(gè)重要方面是優(yōu)化人機(jī)工程設(shè)計(jì)，也就是優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式使之滿足頭盔夜視系統(tǒng)觀察和配戴的舒適性。包括人眼觀察的舒適性以及佩戴和操作的舒適性。參照幾款國(guó)外產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式來(lái)說(shuō)明。

2.4.1 人眼觀察的舒適性

1）超大視場(chǎng)頭盔夜視系統(tǒng)

該產(chǎn)品[14]具有100°～110°的水平方向觀察視場(chǎng)，接近人眼裸眼觀察視場(chǎng)，大幅提升人眼觀察使用的舒適性。寬視場(chǎng)使飛行員僅通過(guò)眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)即可掃描外部世界，而不是頭部運(yùn)動(dòng)，這減少了飛行員觀察負(fù)擔(dān)，增加了安全性，提升了作戰(zhàn)效率。如圖10。

該產(chǎn)品采用4只三代像增強(qiáng)器作水平排列，以達(dá)到100°～110°的觀察視場(chǎng)。其主要性能指標(biāo)如表3。

圖10 超大視場(chǎng)頭盔夜視系統(tǒng)

Fig.10 Wide field of view night vision goggles

表3 超大視場(chǎng)頭盔夜視鏡主要指標(biāo)典型值

該類系統(tǒng)中間的雙管雙目采用與普通夜視鏡相同的布置，觀察40°～50°圓視場(chǎng)，兩側(cè)的兩支與中間兩支的視場(chǎng)分別具有一定的合像視場(chǎng)，合像視場(chǎng)通常在20°～25°，以保證整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到100°～110°的水平視場(chǎng)，且合像邊緣的鋸齒效應(yīng)不明顯。視場(chǎng)合像原理圖如圖11。

2）近貼式頭盔夜視系統(tǒng)

近貼式頭盔夜視系統(tǒng)（由于該系統(tǒng)貼近面部，國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品名稱為全景式頭盔夜視系統(tǒng)[15]）是一種基于超大視場(chǎng)頭盔夜視系統(tǒng)進(jìn)行了人機(jī)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的改進(jìn)產(chǎn)品，其水平方向視場(chǎng)90°，垂直方向視場(chǎng)40°。它采用3只16mm的三代像增強(qiáng)器進(jìn)行光路折疊排列，目的是使頭盔夜視系統(tǒng)重心更貼近頭部重心，使配戴更加舒適，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖12。其視場(chǎng)合像原理與超大視場(chǎng)頭盔夜視系統(tǒng)相同，使用示意圖如圖13。

圖11 超大視場(chǎng)頭盔夜視鏡視場(chǎng)合像原理圖

圖12 全景式頭盔夜視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由上兩例可看出光學(xué)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化確實(shí)可以增大視場(chǎng)，改善飛行員配戴頭盔夜視系統(tǒng)觀察的視覺(jué)舒適度，減少飛行員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和范圍，提升作戰(zhàn)效率。

圖13 全景式頭盔夜視系統(tǒng)產(chǎn)品使用示意圖

2.4.2 佩戴和操作的舒適性

頭盔夜視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保證夜視鏡性能。在這個(gè)前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮人機(jī)工程性能。如重量、重心位置的控制，重心盡量靠近頭部重心等以保證佩戴的舒適性。連接裝置（如圖14、15）首先應(yīng)考慮固定于頭盔的穩(wěn)定性，以滿足飛行員做機(jī)動(dòng)動(dòng)作和過(guò)載飛行時(shí)觀察的舒適性；連接裝置還應(yīng)考慮飛行員操作的簡(jiǎn)易性，如考慮飛行員飛行時(shí)可單手安裝、微調(diào)、翻轉(zhuǎn)、拆卸夜視鏡等。

圖14 夜視鏡與盔體連接裝置示意圖

圖15 夜視鏡通過(guò)連接裝置連接盔體示意圖

3 飛行員頭盔視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)展方向簡(jiǎn)述

當(dāng)前飛行員頭盔視覺(jué)系統(tǒng)從國(guó)外產(chǎn)品的發(fā)展過(guò)程看，分為兩步走：第一步，首先在原有的頭盔夜視系統(tǒng)中加入信息顯示系統(tǒng)，使飛行員不用頻繁看儀表就能對(duì)飛機(jī)進(jìn)行操控。圖16是傳統(tǒng)頭盔夜視系統(tǒng)加裝信息顯示裝置的產(chǎn)品圖[16]。

圖16 加裝信息投影顯示裝置的夜視鏡產(chǎn)品圖

圖17是超大視場(chǎng)頭盔夜視系統(tǒng)加裝信息顯示裝置后的產(chǎn)品圖。

圖17 加裝信息顯示裝置后的超大視場(chǎng)頭盔夜視鏡

第二步，隨著器件技術(shù)和平視顯示技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都在大力發(fā)展頭盔顯示器[17]（HMD）技術(shù)，HMD實(shí)現(xiàn)的是一種綜合視覺(jué)場(chǎng)景觀察能力，提供的圖像是由飛機(jī)上產(chǎn)生或接收到的4種不同圖像信息中的一種或多種復(fù)合而成：

■ 以預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)字圖像為基礎(chǔ)的合成（計(jì)算機(jī)生成）圖像，如電子地圖等；

■ 一系列戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，它們由掃描直升機(jī)周圍環(huán)境的雷達(dá)、光電傳感器或者其他作戰(zhàn)單元提供；

■ 以各種光電傳感器輸出（DAS、微光電視等）的增強(qiáng)或者融合圖像；

■ 提供飛機(jī)、導(dǎo)航、目標(biāo)和瞄準(zhǔn)提示信息的數(shù)字、符號(hào)等。

圖18為兩種直升機(jī)飛行員頭盔顯示器。

4 結(jié)論

雖然低照度探測(cè)器件、近紅外探測(cè)器件在近年得到較大的發(fā)展，但短期內(nèi)低照度及近紅外探測(cè)器件在很多方面仍然難以達(dá)到微光像增強(qiáng)器的水平（如低照度下（照度＜1×10－3lx）的探測(cè)能力、視覺(jué)舒適度等），微光夜視鏡用于飛行員夜視仍將有一定的發(fā)展空間。隨著低照度及近紅外探測(cè)器件技術(shù)的發(fā)展，使用低照度及近紅外探測(cè)器件實(shí)現(xiàn)頭盔顯示的全天候工作技術(shù)將得到發(fā)展及應(yīng)用。

圖18 兩款直升機(jī)飛行員頭盔顯示器

頭盔視覺(jué)舒適性優(yōu)化技術(shù)是一門系統(tǒng)性的技術(shù)，其主要發(fā)展方向是大視場(chǎng)、輕量化、頭盔顯示與夜視結(jié)合的方向發(fā)展；它涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的各個(gè)領(lǐng)域，需要進(jìn)行不懈的技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

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LI Li1，LI Xunniu1,2

(1.,650223,; 2.,,100081,)

In this work, we have analyzed the visual characteristics of the helmet-mounted night vision system for helicopter pilots, with special focus on the field of view, weight, image quality, eye relief, exit pupil diameter, and other technical indicators that mainly affect visual comfort. We propose the use of plastic components to reduce the weight, a reasonable increase of the eye distance, pupil diameter, and other indicators to improve comfort, and suggest two ways to increase the field of view. This study can be used as a reference for the design of related materials.

helmet mounted night vision system，helmet mounted night vision goggles，visual characteristics，helicopter

TN216

A

1001-8891(2017)10-0890-07

2016-08-04；

2016-12-01.

李力，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作20余年，具有豐富的微光、可見(jiàn)光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。