直升機飛行員頭盔夜視系統視覺及舒適性優化技術分析

李 力，李訓牛,2

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直升機飛行員頭盔夜視系統視覺及舒適性優化技術分析

李 力1，李訓牛1,2

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

分析了直升機飛行員頭盔夜視系統的視覺特性，分析了視場、重量、像質、眼點距離、出瞳直徑等主要影響視覺舒適性的技術指標，提出了使用塑料元件減重、合理增大眼點距離和出瞳直徑等指標，以及增大視場的兩種方案，可作為相關設計的參考。

頭盔夜視系統；頭盔夜視鏡；視覺特性；直升機

0 引言

飛行員頭盔視覺系統如飛行員夜視鏡（night vision goggles NVG）、頭盔顯示系統（helmet-mounted display HMD），是提升作戰飛機戰斗力和改善安全的重要手段[1-2]。相關技術從20世紀60年代起至今，得到廣泛的發展[3]。

由于直升機過載較小，直升機飛行員頭盔視覺系統受尺寸重量等因素限制較低，在早期的頭盔視覺系統應用研究中多從直升機飛行員試用開始[4-5]。直升機飛行員頭盔視覺系統（以下簡稱頭盔視覺系統）包括頭帽、頭盔顯示器和夜視系統等組成，如圖1。

由于飛行速度和過載要求，因而對頭盔視覺系統人機工程和舒適性設計、可靠性設計有較高要求，其中夜視系統體積較大，重量重，因此，系統的舒適性優化設計是其中的關鍵技術[5]。文章主要論述頭盔視覺系統中的夜視系統舒適性優化設計技術分析。

圖1 直升機飛行員頭盔視覺系統組成

1 夜視鏡系統簡介

1.1 夜視鏡系統的組成及工作原理

頭盔夜視系統由安裝組件、雙筒觀察組件和電源組件構成[1]。安裝組件是針對不同形式的飛行員頭盔設計，其作用是用于將觀察鏡與頭盔相連接，由固定機構、垂直調節機構、翻轉機構和解脫機構組成；雙筒觀察組件是飛行員頭盔夜視系統的核心組件，由左右兩只相同的觀察系統和調節機構組成。觀察系統由物鏡組、像增強器和目鏡組構成，調節機構由前后調節機構和瞳距調節機構組成；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：

被觀察的物體通過物鏡成像于像增強器的玻璃陰極面，光能量經過增強后的圖像在熒光屏上顯示，通過目鏡進行觀察。調節目鏡視度調節范圍改變視度；調節目距調節機構改變目距；調節高低調節機構改變高低位置；調節翻轉機構改變傾斜位置以達到最佳觀察位置，不用時可通過解脫機構解下觀察鏡或是用翻轉機構翻起觀察鏡。如圖3，各組件與圖2可對應。

圖3 頭盔夜視鏡整機圖

1.2 夜視鏡系統的性能參數

目前美軍飛行員夜視鏡主要有AN/AVS-6、AN/AVS-9兩款夜視鏡，俄羅斯和我國亦有相近指標產品。目前夜視鏡系統的主要性能指標如表1[6]。

1.3 當前頭盔夜視鏡系統存在的問題和優化設計方向

當前頭盔夜視鏡系統存在重量重、體積大、人機工程差的問題，這些問題解決難度較大。可以在以下幾方面進行優化改進設計。

關鍵器件（像增強器）性能可以優化，如尺寸、重量、信噪比等。重量是當前影響頭盔夜視系統舒適性的重要指標，頭盔夜視系統性能有待提升，產品結構應進行人機工程優化設計[7]。

表1 典型夜視鏡系統主要指標

2 頭盔夜視鏡系統優化技術分析

2.1 頭盔夜視鏡系統器件優化

頭盔夜視鏡系統器件優化主要指所使用的像增強器的優化。采用新型三代或者三代+像增強器，三代（圖4）及三代+像增強管的特點是光譜響應從可見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）、分辨率和信噪比遠高于二代管，可以滿足更高的軍用要求。三代微光像增強器主要特點是將透射式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，達到800mA/lm～2600mA/lm，壽命延長了3倍，對夜天光光譜利用率顯著提高，在漆黑夜晚（10－4lx）的目標視距延伸了50%～100%。第三代微光器件的工藝基礎是超高真空、NEA表面激活，雙近貼、雙銦封、表面物理、表面化學和長壽命、高增益MCP技術等[8]。

在新型三代像增強器中采用自動門控技術實現全天候應用，這一特性在頭盔夜視系統中具有重要意義，它能在機艙實現全波段的燈光兼容，提升觀察的舒適性。原理如圖6。

自動門控技術改變了傳統微光像增強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，調控像增強器光陰極產生光電子的數量，從而達到控制輸出圖像穩定清晰的目的。采用自動門控技術后像增強器輸入動態范圍從10－5～1lx擴展到10－5～104lx，實現了全天候工作。使用該項技術還具有抗點強光干擾，有效減小點強光在圖像輸出端產生的“開花”效應，車燈照射、戰場彈藥發射或爆炸火光、城市街燈等環境下，都能清晰成像（如圖7），提高了像增強器的實戰效果。另外使用該項技術可以延長像增強器的使用壽命，避免因在強光下工作而損壞器件和影響觀察的舒適性[9]。

圖4 三代像增強器圖

圖5 超二代和三代像增強器陰極靈敏度對比

典型三代微光像增強器的主要性能指標如表2。

圖6 像增強器帶自動門控原理圖

2.2 頭盔夜視系統性能指標優化

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

目鏡系統：出瞳直徑從原有的10mm提升至14mm及以上，以滿足飛機劇烈晃動和高過載時確保不出瞳即在高過載和飛機劇烈晃動時不調整夜視鏡依然可以觀察整個視場；同時，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大了人眼余光觀察儀表的范圍。

超大視場：視場性能指標由原有的40°提升至90°以上，以符合人眼的觀察習慣[12]。

2.3 頭盔夜視系統舒適性優化技術之減重優化

2.3.1 光學系統的減重優化

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

光學系統的減重優化，用光學塑料非球面甚至自由曲面透鏡代替光學玻璃球面透鏡，不僅提升了成像質量，更重要的是減輕了產品重量。

圖7 普通微光圖像與自動門控微光圖像對比

K9光學玻璃的密度為2.4g/cm3，常見光學玻璃的密度都大于該值，而常用光學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，兩種材料的透過率均可達到90%～95%[13]，對主要觀察條件下的系統分辨力影響較小，系統可以減輕光學系統重量30～60g。

圖8為采用了光學塑料的頭盔夜視系統物鏡和目鏡系統的系統圖。物鏡透鏡數由常見的7片減至6片，目鏡長度有所縮短。

圖9為使用光學塑料的頭盔夜視系統物鏡和目鏡系統的傳遞函數圖。40線對處，物鏡軸上傳函大于0.65，目鏡軸上傳函大于0.5，像質達到要求。

2.3.2 機械結構的減重優化

在頭盔夜視系統中，機械結構的重量占有很大比例，其中鏡身機構320g，橫向調節機構250g，旋轉支架330g。

表2 典型三代微光像增強器的主要性能指標

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

圖8 用了光學塑料的頭盔夜視鏡物鏡和目鏡光學系統原理圖

圖9 使用光學塑料的夜視鏡物鏡和目鏡傳遞函數

若在優化結構的基礎上，采用輕質材料進行優化設計，減重效果明顯。當前的產品機械結構件大部分采用鋁合金材料，在優化產品中鏡身機構組件采用增強聚碳酸脂材料，其他機構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 頭盔夜視鏡系統人機工程優化設計

頭盔夜視鏡系統舒適性優化技術的另一個重要方面是優化人機工程設計，也就是優化結構形式使之滿足頭盔夜視系統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。參照幾款國外產品的結構形式來說明。

2.4.1 人眼觀察的舒適性

1）超大視場頭盔夜視系統

該產品[14]具有100°～110°的水平方向觀察視場，接近人眼裸眼觀察視場，大幅提升人眼觀察使用的舒適性。寬視場使飛行員僅通過眼睛轉動即可掃描外部世界，而不是頭部運動，這減少了飛行員觀察負擔，增加了安全性，提升了作戰效率。如圖10。

該產品采用4只三代像增強器作水平排列，以達到100°～110°的觀察視場。其主要性能指標如表3。

圖10 超大視場頭盔夜視系統

Fig.10 Wide field of view night vision goggles

表3 超大視場頭盔夜視鏡主要指標典型值

該類系統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，兩側的兩支與中間兩支的視場分別具有一定的合像視場，合像視場通常在20°～25°，以保證整個系統達到100°～110°的水平視場，且合像邊緣的鋸齒效應不明顯。視場合像原理圖如圖11。

2）近貼式頭盔夜視系統

近貼式頭盔夜視系統（由于該系統貼近面部，國外相關產品名稱為全景式頭盔夜視系統[15]）是一種基于超大視場頭盔夜視系統進行了人機工程優化設計的改進產品，其水平方向視場90°，垂直方向視場40°。它采用3只16mm的三代像增強器進行光路折疊排列，目的是使頭盔夜視系統重心更貼近頭部重心，使配戴更加舒適，其結構示意圖如圖12。其視場合像原理與超大視場頭盔夜視系統相同，使用示意圖如圖13。

圖11 超大視場頭盔夜視鏡視場合像原理圖

圖12 全景式頭盔夜視系統結構示意圖

由上兩例可看出光學結構形式的優化確實可以增大視場，改善飛行員配戴頭盔夜視系統觀察的視覺舒適度，減少飛行員頭部轉動頻率和范圍，提升作戰效率。

圖13 全景式頭盔夜視系統產品使用示意圖

2.4.2 佩戴和操作的舒適性

頭盔夜視系統結構設計時應首先保證夜視鏡性能。在這個前提下，結構設計要充分考慮人機工程性能。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）首先應考慮固定于頭盔的穩定性，以滿足飛行員做機動動作和過載飛行時觀察的舒適性；連接裝置還應考慮飛行員操作的簡易性，如考慮飛行員飛行時可單手安裝、微調、翻轉、拆卸夜視鏡等。

圖14 夜視鏡與盔體連接裝置示意圖

圖15 夜視鏡通過連接裝置連接盔體示意圖

3 飛行員頭盔視覺系統發展方向簡述

當前飛行員頭盔視覺系統從國外產品的發展過程看，分為兩步走：第一步，首先在原有的頭盔夜視系統中加入信息顯示系統，使飛行員不用頻繁看儀表就能對飛機進行操控。圖16是傳統頭盔夜視系統加裝信息顯示裝置的產品圖[16]。

圖16 加裝信息投影顯示裝置的夜視鏡產品圖

圖17是超大視場頭盔夜視系統加裝信息顯示裝置后的產品圖。

圖17 加裝信息顯示裝置后的超大視場頭盔夜視鏡

第二步，隨著器件技術和平視顯示技術的發展，國內外都在大力發展頭盔顯示器[17]（HMD）技術，HMD實現的是一種綜合視覺場景觀察能力，提供的圖像是由飛機上產生或接收到的4種不同圖像信息中的一種或多種復合而成：

■ 以預先存儲的數字圖像為基礎的合成（計算機生成）圖像，如電子地圖等；

■ 一系列戰場態勢信息，它們由掃描直升機周圍環境的雷達、光電傳感器或者其他作戰單元提供；

■ 以各種光電傳感器輸出（DAS、微光電視等）的增強或者融合圖像；

■ 提供飛機、導航、目標和瞄準提示信息的數字、符號等。

圖18為兩種直升機飛行員頭盔顯示器。

4 結論

雖然低照度探測器件、近紅外探測器件在近年得到較大的發展，但短期內低照度及近紅外探測器件在很多方面仍然難以達到微光像增強器的水平（如低照度下（照度＜1×10－3lx）的探測能力、視覺舒適度等），微光夜視鏡用于飛行員夜視仍將有一定的發展空間。隨著低照度及近紅外探測器件技術的發展，使用低照度及近紅外探測器件實現頭盔顯示的全天候工作技術將得到發展及應用。

圖18 兩款直升機飛行員頭盔顯示器

頭盔視覺舒適性優化技術是一門系統性的技術，其主要發展方向是大視場、輕量化、頭盔顯示與夜視結合的方向發展；它涉及產品設計制造的各個領域，需要進行不懈的技術創新和關鍵技術攻關。

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Analysis of Optimization Technology for a Night Vision System for Helicopter Pilots with Special Focus on the Visual Characteristics and Comfort

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，研究員級高級工程師，從事光學系統設計工作20余年，具有豐富的微光、可見光光學系統設計經驗。