超级军网[转帖]头盔显示器：阴极射线管与平板显示器的比较
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/26 00:35:58
RAH—66“科曼奇”的头盔显示系统(HMD)必须达到各种设计和系统指标，如：光学性能、重量、重心、军用设备兼容性以及人类生理心理因素限制。目前AH-64“阿帕奇”上使用的是一根单筒微型阴极射线管，通过它飞行员能看见图像与符号。“科曼奇”的头盔显示器设计规定为双筒显示器，最小视场为52°(水平)×30°(垂直)，并且双筒最少达到30°的重叠。目镜的对准和图像重合必须精确以降低飞行员视觉疲劳和避免其它感觉问题。“科曼奇”的技术要求规定眼球与目镜的间距至少为25毫米，以便容纳生化保护面罩；瞳孔距(IPD)是可调的，范围为58到74毫米；屈光度为0到-1；双筒显示器的上下可调范围为±5毫米，前后可调范围分别为+8毫米和-4毫米。并且这种复杂的光学系统必须安装在经过飞行鉴定的头盔上，以达到规定的重量、重心、抗坠生存性和降低噪音的要求，并满足现有的军用标准。另外，“科曼奇”的头盔系统除了能用于95%的男性飞行员之外，必须还能适用于5%的女性飞行员。目前的设计准则是将头盔与光学系统分离。头盔系统被认为是飞行员瞄准定位装置(PRU)，而光学各显示设备是飞行器瞄准定位装置(ARU)。上述设备只是整套系统的一部分，其性能指标必须达到“科曼奇”头盔综合显示瞄准系统(HIDSS)的规定要求。技术和市场要求研究人员考虑用平板显示器取代微型阴极射线管，在小型平板显示器领域的长足进展也使得它们取代笨重的、需高电压的单筒微型阴极射线管成为可能，并且其在光电性能方面技术已成熟。但平板显示器在亮度、灰度测试范围、开关速度、分辨率、持久性、功率、费用及安全性等方面还处于萌芽阶段。正是因为平板显示器取得的重大进展才使研究者们决定在RAH—66“科曼奇”上使用HMD技术，无论选择哪种显示技术都是用作飞行员与飞行器及传感器之间的主要信息界面。决策者们必须在现有的CRT显示器和刚萌芽的平板显示器中作抉择，一个错误决定意味着浪费大量财力和物力。
背 景
RAH—66“科曼奇”是于1985年批准开始研制的，原定于1994年首飞，后来由于项目计划调整和延迟，“科曼奇”1996年1月4日才首飞。研制计划的目标是研制一种灵活的能在现代电子战场中生存的直升机。“科曼奇”的主要任务是能在白天、晚上和恶劣气象条件下探测、识别、按优先排序和攻击目标。因此“科曼奇”必须能通过一个数字通讯网络与其它飞行器及作战单位交换“数据”。飞行员能够及时操纵飞机和控制各个系统，包括有危险性的系统都是通过仪表板的平板显示器和头盔显示器提供的信息显示的。自1985年来，美国陆军的AH—64“阿帕奇”的飞行员已经采用了单筒头盔阴极射线管。“阿帕奇”的综合头盔显示瞄准系统(IHADSS)是与两个前视红外传感器一起工作的。这种显示系统为飞行员的右眼提供了一个30×40的视场。“科曼奇”的系统技术条件要求必须为双筒显示，并且最少达到30×52的视场，双筒重叠至少要达到30。 “科曼奇”的头盔显示系统还必须满足光学性能、重量、重心、飞行员人体学的其它各种指标要求，并与驾驶员生命保障设备、气候适用性以及驾驶舱环境兼容。目前的“科曼奇”的头盔综合显示瞄准系统由两根阴极射线管和光学装置组成，为驾驶员提供所需的目视显示。平板显示器的技术进展为研究人员提供了取代阴极射线管的可能。这种可能的图像源具有比技术已成熟的阴极射线管更好的性能，并且重量更轻。目前最新的图像源也存在一系列问题与限制。在试验室及“科曼奇”这两者中进行的原型机试验都表明这种可能的图像源还需进一步评估。
系统要求
“科曼奇”的综合头盔显示瞄准系统(HIDSS)的指标/建议如表1所列。
表1 “科曼奇的系统指标”
参 数 要 求 *
视场 30(垂直)×52(水平)
双筒重叠 30
眼球与目镜的间距 25毫米
双眼与目镜的间距 22毫米
出射光瞳 轴线上为15毫米，轴线外为13毫米
瞳孔距可调范围 58—74毫米
双筒上下可调范围 ±5毫米
双筒前后可调范围 前：8毫米；后：-5毫米
屈光度 0— -1
反差比(CR)**/灰度梯度(SOG)
日 间
10000焦距 W/2级护目镜 CR/SOG 1.6/2.0
3000焦距 W/2级护目镜 CR/SOG 5.6/6.0
(推荐值)
夜 间
100焦距 CR **/SOG 11.2/8.0
校准精度
水平 ±1.98mr ***
垂直 ±1.79mr
图像重合误差 ±2.78mr
设备兼容性 NBC **** 装备
M-15 面罩
MBU-12/P
氧气面罩
* 为最小推荐值
** CR=反差比(两个灰度梯度的平方根)
*** mr=毫弧度
**** NBC=核，生物，化学
上述值只是整个光学和光学系统性能指标的一部分，其它系统性能指标对驾驶员头部承受的重量限制为2.5公斤(驾驶舱没有气囊时)，或3.0公斤(驾驶舱有气囊时)。
试验范围
美国陆军飞行员综合系统(PM-ACIS)项目负责人资助了一项研究和试验计划以评估在现有军用标准飞行头盔(HG-U-56/P)上综合平板头盔显示器的可行性。该计划是将目前生产的飞行头盔与最新的头盔显示器系统(平板式)综合在一起。这种综合将提高现有的“科曼奇”独特的头盔和采用了CRT的HIDSS的性能。两个光学系统研究人员对几种备选平板图像源技术进行了比较评估，所评估的部分技术内容如表2所列。
表2 备选图像源
技 术 说 明
有源矩阵电致发光管(AMEL) 发射式显示，亮度高，反差大，响应时间短，不受温度影响，低功率
有源矩阵液晶显示器(AMLLD) 反差大，非发射式显示(需背后照明)，响应时间短，热敏感，低功率
阴极射线管(CRT) 微型阴极射线管， 1.27到2.54毫米，极佳的响应性和对比度，技术成熟，但电压高，重量重
场致发射显示器(FED) 发射式显示，亮度高，目前还不能提供小尺寸产品，还处于技术开发阶段
激光网膜扫描仪(扫描的LED) 反差大，亮度高，但不伤眼，小出射孔，高保真，还处于早期研究阶段，光学性能研究尚未进行
其 它 无源矩阵电致发光和液晶显示，铁电液晶显示
每个系统研究人员都被供以一套HGU-56/P头盔和显示系统以进行评估。把头盔和显示系统组成的这些系统叫做飞行员综合头盔系统(AIHS)。在试验室采用原型机进行了与光学性能、以及重量和重心验证有关的试验。提供了另一些(固定的显示器)有代表性的系统，以便进行驾驶员生命保障设备兼容性试验以及在科曼奇直升机中进行心理和生理因素评价，试验系统如图1、图2所示。
美国陆军夜视镜和电子传感器管理局图像技术分部评估了光学和显示系统的性能。美国陆军航空医疗研究试验室生物力学研究分部进行了重量与重心测试。美国陆军航空技术试验中心负责进行了心理和生理因素的评估，并由“科曼奇”驾驶员(陆军和合同商)在西科斯基飞行试验中心的“科曼奇”中进行了佩戴和功能试验。
测 试
经过评估的两套系统的光学和显示器系统性能未完全达到静态系统测试参数。系统性能中某些性能不达标的原因是研究人员没能在要求的试验时限内从厂家获得高质量(1280×1024)显示器。所需要的高分辨率、耐损晶片还处在技术前沿。不过随着技术的飞速发展，这种晶片也即将提供使用。两套系统都可能达到规定的重量与重心的要求。心理和生理因素测试、飞行员站评估以及ALSE兼容性评估也都有不同结果。
与这两套系统有密切联系的驾驶员将这两套系统与目前“科曼奇”上以CRT为基础的系统作了比较之后，其中的一些驾驶员认为这两套系统的坚固程度，还不足以应付野外环境中的使用。 “科曼奇”飞行员舱只能提供很小的空间，来容纳光学设备(飞行器瞄准定位装置(ARU))。ARU组件的安装及校准也是飞行员关心的问题。飞行员注意到两套系统都提供充足的“向下看”能力，以便观察仪表板多功能显示器(MFD)。飞行员们还说两套系统既没有明确划分外部视线包线，也不会妨碍头部运动。兼容性问题出现在M—45生化保护面罩上，主要是系统镜片与面罩间隙的问题。利用两个飞行员舱进行了入口和出口试验。试验中其它系统未出现大的问题。飞行员在通过光学系统观察彩色多功能显示器时也没发现彩色偏移。日间组合器反射也不成问题(未在晚上进行试验)。评判头盔的合适佩戴和稳定性以及飞行员的系紧装置是很重要的(每名试验飞行员在试验前都由专业人员帮他们佩戴头盔)。最后，由试验飞行员提供的评估结果与系统试验结果基本一致。
结 论
1. 目前头盔平板显示器技术尚未成熟，还不足以取代阴极射线管；
2. 阴极射线管的技术已成熟，没有什么潜力继续发展；
3. 与其它航空救生设备的兼容性是必要的；
4. 头盔显示系统的重量和重心对飞行员的舒适度/可接受性及坠毁生存性都很重要，它可通过采用平板显示获得；
5. 几种先进图像源技术不断成熟，即将成型；
6. 座舱兼容性和心理和生理因素问题对于座舱显示器的设计及综合非常重要；
7. 需更新双筒—重叠显示系统的校准公差以达到规定的系统指标；
8. 光学显示系统与已经论证的头盔的综合降低了研制及生存周期费用；
9. 早期的原型机试验给研究人员提供了成本效益数据和设计知识，并在早期研制阶段中综合了研究人员和用户的信息。
[em04][em04][em04]RAH—66“科曼奇”的头盔显示系统(HMD)必须达到各种设计和系统指标，如：光学性能、重量、重心、军用设备兼容性以及人类生理心理因素限制。目前AH-64“阿帕奇”上使用的是一根单筒微型阴极射线管，通过它飞行员能看见图像与符号。“科曼奇”的头盔显示器设计规定为双筒显示器，最小视场为52°(水平)×30°(垂直)，并且双筒最少达到30°的重叠。目镜的对准和图像重合必须精确以降低飞行员视觉疲劳和避免其它感觉问题。“科曼奇”的技术要求规定眼球与目镜的间距至少为25毫米，以便容纳生化保护面罩；瞳孔距(IPD)是可调的，范围为58到74毫米；屈光度为0到-1；双筒显示器的上下可调范围为±5毫米，前后可调范围分别为+8毫米和-4毫米。并且这种复杂的光学系统必须安装在经过飞行鉴定的头盔上，以达到规定的重量、重心、抗坠生存性和降低噪音的要求，并满足现有的军用标准。另外，“科曼奇”的头盔系统除了能用于95%的男性飞行员之外，必须还能适用于5%的女性飞行员。目前的设计准则是将头盔与光学系统分离。头盔系统被认为是飞行员瞄准定位装置(PRU)，而光学各显示设备是飞行器瞄准定位装置(ARU)。上述设备只是整套系统的一部分，其性能指标必须达到“科曼奇”头盔综合显示瞄准系统(HIDSS)的规定要求。技术和市场要求研究人员考虑用平板显示器取代微型阴极射线管，在小型平板显示器领域的长足进展也使得它们取代笨重的、需高电压的单筒微型阴极射线管成为可能，并且其在光电性能方面技术已成熟。但平板显示器在亮度、灰度测试范围、开关速度、分辨率、持久性、功率、费用及安全性等方面还处于萌芽阶段。正是因为平板显示器取得的重大进展才使研究者们决定在RAH—66“科曼奇”上使用HMD技术，无论选择哪种显示技术都是用作飞行员与飞行器及传感器之间的主要信息界面。决策者们必须在现有的CRT显示器和刚萌芽的平板显示器中作抉择，一个错误决定意味着浪费大量财力和物力。
背 景
RAH—66“科曼奇”是于1985年批准开始研制的，原定于1994年首飞，后来由于项目计划调整和延迟，“科曼奇”1996年1月4日才首飞。研制计划的目标是研制一种灵活的能在现代电子战场中生存的直升机。“科曼奇”的主要任务是能在白天、晚上和恶劣气象条件下探测、识别、按优先排序和攻击目标。因此“科曼奇”必须能通过一个数字通讯网络与其它飞行器及作战单位交换“数据”。飞行员能够及时操纵飞机和控制各个系统，包括有危险性的系统都是通过仪表板的平板显示器和头盔显示器提供的信息显示的。自1985年来，美国陆军的AH—64“阿帕奇”的飞行员已经采用了单筒头盔阴极射线管。“阿帕奇”的综合头盔显示瞄准系统(IHADSS)是与两个前视红外传感器一起工作的。这种显示系统为飞行员的右眼提供了一个30×40的视场。“科曼奇”的系统技术条件要求必须为双筒显示，并且最少达到30×52的视场，双筒重叠至少要达到30。 “科曼奇”的头盔显示系统还必须满足光学性能、重量、重心、飞行员人体学的其它各种指标要求，并与驾驶员生命保障设备、气候适用性以及驾驶舱环境兼容。目前的“科曼奇”的头盔综合显示瞄准系统由两根阴极射线管和光学装置组成，为驾驶员提供所需的目视显示。平板显示器的技术进展为研究人员提供了取代阴极射线管的可能。这种可能的图像源具有比技术已成熟的阴极射线管更好的性能，并且重量更轻。目前最新的图像源也存在一系列问题与限制。在试验室及“科曼奇”这两者中进行的原型机试验都表明这种可能的图像源还需进一步评估。
系统要求
“科曼奇”的综合头盔显示瞄准系统(HIDSS)的指标/建议如表1所列。
表1 “科曼奇的系统指标”
参 数 要 求 *
视场 30(垂直)×52(水平)
双筒重叠 30
眼球与目镜的间距 25毫米
双眼与目镜的间距 22毫米
出射光瞳 轴线上为15毫米，轴线外为13毫米
瞳孔距可调范围 58—74毫米
双筒上下可调范围 ±5毫米
双筒前后可调范围 前：8毫米；后：-5毫米
屈光度 0— -1
反差比(CR)**/灰度梯度(SOG)
日 间
10000焦距 W/2级护目镜 CR/SOG 1.6/2.0
3000焦距 W/2级护目镜 CR/SOG 5.6/6.0
(推荐值)
夜 间
100焦距 CR **/SOG 11.2/8.0
校准精度
水平 ±1.98mr ***
垂直 ±1.79mr
图像重合误差 ±2.78mr
设备兼容性 NBC **** 装备
M-15 面罩
MBU-12/P
氧气面罩
* 为最小推荐值
** CR=反差比(两个灰度梯度的平方根)
*** mr=毫弧度
**** NBC=核，生物，化学
上述值只是整个光学和光学系统性能指标的一部分，其它系统性能指标对驾驶员头部承受的重量限制为2.5公斤(驾驶舱没有气囊时)，或3.0公斤(驾驶舱有气囊时)。
试验范围
美国陆军飞行员综合系统(PM-ACIS)项目负责人资助了一项研究和试验计划以评估在现有军用标准飞行头盔(HG-U-56/P)上综合平板头盔显示器的可行性。该计划是将目前生产的飞行头盔与最新的头盔显示器系统(平板式)综合在一起。这种综合将提高现有的“科曼奇”独特的头盔和采用了CRT的HIDSS的性能。两个光学系统研究人员对几种备选平板图像源技术进行了比较评估，所评估的部分技术内容如表2所列。
表2 备选图像源
技 术 说 明
有源矩阵电致发光管(AMEL) 发射式显示，亮度高，反差大，响应时间短，不受温度影响，低功率
有源矩阵液晶显示器(AMLLD) 反差大，非发射式显示(需背后照明)，响应时间短，热敏感，低功率
阴极射线管(CRT) 微型阴极射线管， 1.27到2.54毫米，极佳的响应性和对比度，技术成熟，但电压高，重量重
场致发射显示器(FED) 发射式显示，亮度高，目前还不能提供小尺寸产品，还处于技术开发阶段
激光网膜扫描仪(扫描的LED) 反差大，亮度高，但不伤眼，小出射孔，高保真，还处于早期研究阶段，光学性能研究尚未进行
其 它 无源矩阵电致发光和液晶显示，铁电液晶显示
每个系统研究人员都被供以一套HGU-56/P头盔和显示系统以进行评估。把头盔和显示系统组成的这些系统叫做飞行员综合头盔系统(AIHS)。在试验室采用原型机进行了与光学性能、以及重量和重心验证有关的试验。提供了另一些(固定的显示器)有代表性的系统，以便进行驾驶员生命保障设备兼容性试验以及在科曼奇直升机中进行心理和生理因素评价，试验系统如图1、图2所示。
美国陆军夜视镜和电子传感器管理局图像技术分部评估了光学和显示系统的性能。美国陆军航空医疗研究试验室生物力学研究分部进行了重量与重心测试。美国陆军航空技术试验中心负责进行了心理和生理因素的评估，并由“科曼奇”驾驶员(陆军和合同商)在西科斯基飞行试验中心的“科曼奇”中进行了佩戴和功能试验。
测 试
经过评估的两套系统的光学和显示器系统性能未完全达到静态系统测试参数。系统性能中某些性能不达标的原因是研究人员没能在要求的试验时限内从厂家获得高质量(1280×1024)显示器。所需要的高分辨率、耐损晶片还处在技术前沿。不过随着技术的飞速发展，这种晶片也即将提供使用。两套系统都可能达到规定的重量与重心的要求。心理和生理因素测试、飞行员站评估以及ALSE兼容性评估也都有不同结果。
与这两套系统有密切联系的驾驶员将这两套系统与目前“科曼奇”上以CRT为基础的系统作了比较之后，其中的一些驾驶员认为这两套系统的坚固程度，还不足以应付野外环境中的使用。 “科曼奇”飞行员舱只能提供很小的空间，来容纳光学设备(飞行器瞄准定位装置(ARU))。ARU组件的安装及校准也是飞行员关心的问题。飞行员注意到两套系统都提供充足的“向下看”能力，以便观察仪表板多功能显示器(MFD)。飞行员们还说两套系统既没有明确划分外部视线包线，也不会妨碍头部运动。兼容性问题出现在M—45生化保护面罩上，主要是系统镜片与面罩间隙的问题。利用两个飞行员舱进行了入口和出口试验。试验中其它系统未出现大的问题。飞行员在通过光学系统观察彩色多功能显示器时也没发现彩色偏移。日间组合器反射也不成问题(未在晚上进行试验)。评判头盔的合适佩戴和稳定性以及飞行员的系紧装置是很重要的(每名试验飞行员在试验前都由专业人员帮他们佩戴头盔)。最后，由试验飞行员提供的评估结果与系统试验结果基本一致。
结 论
1. 目前头盔平板显示器技术尚未成熟，还不足以取代阴极射线管；
2. 阴极射线管的技术已成熟，没有什么潜力继续发展；
3. 与其它航空救生设备的兼容性是必要的；
4. 头盔显示系统的重量和重心对飞行员的舒适度/可接受性及坠毁生存性都很重要，它可通过采用平板显示获得；
5. 几种先进图像源技术不断成熟，即将成型；
6. 座舱兼容性和心理和生理因素问题对于座舱显示器的设计及综合非常重要；
7. 需更新双筒—重叠显示系统的校准公差以达到规定的系统指标；
8. 光学显示系统与已经论证的头盔的综合降低了研制及生存周期费用；
9. 早期的原型机试验给研究人员提供了成本效益数据和设计知识，并在早期研制阶段中综合了研究人员和用户的信息。
[em04][em04][em04]
背 景
RAH—66“科曼奇”是于1985年批准开始研制的，原定于1994年首飞，后来由于项目计划调整和延迟，“科曼奇”1996年1月4日才首飞。研制计划的目标是研制一种灵活的能在现代电子战场中生存的直升机。“科曼奇”的主要任务是能在白天、晚上和恶劣气象条件下探测、识别、按优先排序和攻击目标。因此“科曼奇”必须能通过一个数字通讯网络与其它飞行器及作战单位交换“数据”。飞行员能够及时操纵飞机和控制各个系统，包括有危险性的系统都是通过仪表板的平板显示器和头盔显示器提供的信息显示的。自1985年来，美国陆军的AH—64“阿帕奇”的飞行员已经采用了单筒头盔阴极射线管。“阿帕奇”的综合头盔显示瞄准系统(IHADSS)是与两个前视红外传感器一起工作的。这种显示系统为飞行员的右眼提供了一个30×40的视场。“科曼奇”的系统技术条件要求必须为双筒显示，并且最少达到30×52的视场，双筒重叠至少要达到30。 “科曼奇”的头盔显示系统还必须满足光学性能、重量、重心、飞行员人体学的其它各种指标要求，并与驾驶员生命保障设备、气候适用性以及驾驶舱环境兼容。目前的“科曼奇”的头盔综合显示瞄准系统由两根阴极射线管和光学装置组成，为驾驶员提供所需的目视显示。平板显示器的技术进展为研究人员提供了取代阴极射线管的可能。这种可能的图像源具有比技术已成熟的阴极射线管更好的性能，并且重量更轻。目前最新的图像源也存在一系列问题与限制。在试验室及“科曼奇”这两者中进行的原型机试验都表明这种可能的图像源还需进一步评估。
系统要求
“科曼奇”的综合头盔显示瞄准系统(HIDSS)的指标/建议如表1所列。
表1 “科曼奇的系统指标”
参 数 要 求 *
视场 30(垂直)×52(水平)
双筒重叠 30
眼球与目镜的间距 25毫米
双眼与目镜的间距 22毫米
出射光瞳 轴线上为15毫米，轴线外为13毫米
瞳孔距可调范围 58—74毫米
双筒上下可调范围 ±5毫米
双筒前后可调范围 前：8毫米；后：-5毫米
屈光度 0— -1
反差比(CR)**/灰度梯度(SOG)
日 间
10000焦距 W/2级护目镜 CR/SOG 1.6/2.0
3000焦距 W/2级护目镜 CR/SOG 5.6/6.0
(推荐值)
夜 间
100焦距 CR **/SOG 11.2/8.0
校准精度
水平 ±1.98mr ***
垂直 ±1.79mr
图像重合误差 ±2.78mr
设备兼容性 NBC **** 装备
M-15 面罩
MBU-12/P
氧气面罩
* 为最小推荐值
** CR=反差比(两个灰度梯度的平方根)
*** mr=毫弧度
**** NBC=核，生物，化学
上述值只是整个光学和光学系统性能指标的一部分，其它系统性能指标对驾驶员头部承受的重量限制为2.5公斤(驾驶舱没有气囊时)，或3.0公斤(驾驶舱有气囊时)。
试验范围
美国陆军飞行员综合系统(PM-ACIS)项目负责人资助了一项研究和试验计划以评估在现有军用标准飞行头盔(HG-U-56/P)上综合平板头盔显示器的可行性。该计划是将目前生产的飞行头盔与最新的头盔显示器系统(平板式)综合在一起。这种综合将提高现有的“科曼奇”独特的头盔和采用了CRT的HIDSS的性能。两个光学系统研究人员对几种备选平板图像源技术进行了比较评估，所评估的部分技术内容如表2所列。
表2 备选图像源
技 术 说 明
有源矩阵电致发光管(AMEL) 发射式显示，亮度高，反差大，响应时间短，不受温度影响，低功率
有源矩阵液晶显示器(AMLLD) 反差大，非发射式显示(需背后照明)，响应时间短，热敏感，低功率
阴极射线管(CRT) 微型阴极射线管， 1.27到2.54毫米，极佳的响应性和对比度，技术成熟，但电压高，重量重
场致发射显示器(FED) 发射式显示，亮度高，目前还不能提供小尺寸产品，还处于技术开发阶段
激光网膜扫描仪(扫描的LED) 反差大，亮度高，但不伤眼，小出射孔，高保真，还处于早期研究阶段，光学性能研究尚未进行
其 它 无源矩阵电致发光和液晶显示，铁电液晶显示
每个系统研究人员都被供以一套HGU-56/P头盔和显示系统以进行评估。把头盔和显示系统组成的这些系统叫做飞行员综合头盔系统(AIHS)。在试验室采用原型机进行了与光学性能、以及重量和重心验证有关的试验。提供了另一些(固定的显示器)有代表性的系统，以便进行驾驶员生命保障设备兼容性试验以及在科曼奇直升机中进行心理和生理因素评价，试验系统如图1、图2所示。
美国陆军夜视镜和电子传感器管理局图像技术分部评估了光学和显示系统的性能。美国陆军航空医疗研究试验室生物力学研究分部进行了重量与重心测试。美国陆军航空技术试验中心负责进行了心理和生理因素的评估，并由“科曼奇”驾驶员(陆军和合同商)在西科斯基飞行试验中心的“科曼奇”中进行了佩戴和功能试验。
测 试
经过评估的两套系统的光学和显示器系统性能未完全达到静态系统测试参数。系统性能中某些性能不达标的原因是研究人员没能在要求的试验时限内从厂家获得高质量(1280×1024)显示器。所需要的高分辨率、耐损晶片还处在技术前沿。不过随着技术的飞速发展，这种晶片也即将提供使用。两套系统都可能达到规定的重量与重心的要求。心理和生理因素测试、飞行员站评估以及ALSE兼容性评估也都有不同结果。
与这两套系统有密切联系的驾驶员将这两套系统与目前“科曼奇”上以CRT为基础的系统作了比较之后，其中的一些驾驶员认为这两套系统的坚固程度，还不足以应付野外环境中的使用。 “科曼奇”飞行员舱只能提供很小的空间，来容纳光学设备(飞行器瞄准定位装置(ARU))。ARU组件的安装及校准也是飞行员关心的问题。飞行员注意到两套系统都提供充足的“向下看”能力，以便观察仪表板多功能显示器(MFD)。飞行员们还说两套系统既没有明确划分外部视线包线，也不会妨碍头部运动。兼容性问题出现在M—45生化保护面罩上，主要是系统镜片与面罩间隙的问题。利用两个飞行员舱进行了入口和出口试验。试验中其它系统未出现大的问题。飞行员在通过光学系统观察彩色多功能显示器时也没发现彩色偏移。日间组合器反射也不成问题(未在晚上进行试验)。评判头盔的合适佩戴和稳定性以及飞行员的系紧装置是很重要的(每名试验飞行员在试验前都由专业人员帮他们佩戴头盔)。最后，由试验飞行员提供的评估结果与系统试验结果基本一致。
结 论
1. 目前头盔平板显示器技术尚未成熟，还不足以取代阴极射线管；
2. 阴极射线管的技术已成熟，没有什么潜力继续发展；
3. 与其它航空救生设备的兼容性是必要的；
4. 头盔显示系统的重量和重心对飞行员的舒适度/可接受性及坠毁生存性都很重要，它可通过采用平板显示获得；
5. 几种先进图像源技术不断成熟，即将成型；
6. 座舱兼容性和心理和生理因素问题对于座舱显示器的设计及综合非常重要；
7. 需更新双筒—重叠显示系统的校准公差以达到规定的系统指标；
8. 光学显示系统与已经论证的头盔的综合降低了研制及生存周期费用；
9. 早期的原型机试验给研究人员提供了成本效益数据和设计知识，并在早期研制阶段中综合了研究人员和用户的信息。
[em04][em04][em04]RAH—66“科曼奇”的头盔显示系统(HMD)必须达到各种设计和系统指标，如：光学性能、重量、重心、军用设备兼容性以及人类生理心理因素限制。目前AH-64“阿帕奇”上使用的是一根单筒微型阴极射线管，通过它飞行员能看见图像与符号。“科曼奇”的头盔显示器设计规定为双筒显示器，最小视场为52°(水平)×30°(垂直)，并且双筒最少达到30°的重叠。目镜的对准和图像重合必须精确以降低飞行员视觉疲劳和避免其它感觉问题。“科曼奇”的技术要求规定眼球与目镜的间距至少为25毫米，以便容纳生化保护面罩；瞳孔距(IPD)是可调的，范围为58到74毫米；屈光度为0到-1；双筒显示器的上下可调范围为±5毫米，前后可调范围分别为+8毫米和-4毫米。并且这种复杂的光学系统必须安装在经过飞行鉴定的头盔上，以达到规定的重量、重心、抗坠生存性和降低噪音的要求，并满足现有的军用标准。另外，“科曼奇”的头盔系统除了能用于95%的男性飞行员之外，必须还能适用于5%的女性飞行员。目前的设计准则是将头盔与光学系统分离。头盔系统被认为是飞行员瞄准定位装置(PRU)，而光学各显示设备是飞行器瞄准定位装置(ARU)。上述设备只是整套系统的一部分，其性能指标必须达到“科曼奇”头盔综合显示瞄准系统(HIDSS)的规定要求。技术和市场要求研究人员考虑用平板显示器取代微型阴极射线管，在小型平板显示器领域的长足进展也使得它们取代笨重的、需高电压的单筒微型阴极射线管成为可能，并且其在光电性能方面技术已成熟。但平板显示器在亮度、灰度测试范围、开关速度、分辨率、持久性、功率、费用及安全性等方面还处于萌芽阶段。正是因为平板显示器取得的重大进展才使研究者们决定在RAH—66“科曼奇”上使用HMD技术，无论选择哪种显示技术都是用作飞行员与飞行器及传感器之间的主要信息界面。决策者们必须在现有的CRT显示器和刚萌芽的平板显示器中作抉择，一个错误决定意味着浪费大量财力和物力。
背 景
RAH—66“科曼奇”是于1985年批准开始研制的，原定于1994年首飞，后来由于项目计划调整和延迟，“科曼奇”1996年1月4日才首飞。研制计划的目标是研制一种灵活的能在现代电子战场中生存的直升机。“科曼奇”的主要任务是能在白天、晚上和恶劣气象条件下探测、识别、按优先排序和攻击目标。因此“科曼奇”必须能通过一个数字通讯网络与其它飞行器及作战单位交换“数据”。飞行员能够及时操纵飞机和控制各个系统，包括有危险性的系统都是通过仪表板的平板显示器和头盔显示器提供的信息显示的。自1985年来，美国陆军的AH—64“阿帕奇”的飞行员已经采用了单筒头盔阴极射线管。“阿帕奇”的综合头盔显示瞄准系统(IHADSS)是与两个前视红外传感器一起工作的。这种显示系统为飞行员的右眼提供了一个30×40的视场。“科曼奇”的系统技术条件要求必须为双筒显示，并且最少达到30×52的视场，双筒重叠至少要达到30。 “科曼奇”的头盔显示系统还必须满足光学性能、重量、重心、飞行员人体学的其它各种指标要求，并与驾驶员生命保障设备、气候适用性以及驾驶舱环境兼容。目前的“科曼奇”的头盔综合显示瞄准系统由两根阴极射线管和光学装置组成，为驾驶员提供所需的目视显示。平板显示器的技术进展为研究人员提供了取代阴极射线管的可能。这种可能的图像源具有比技术已成熟的阴极射线管更好的性能，并且重量更轻。目前最新的图像源也存在一系列问题与限制。在试验室及“科曼奇”这两者中进行的原型机试验都表明这种可能的图像源还需进一步评估。
系统要求
“科曼奇”的综合头盔显示瞄准系统(HIDSS)的指标/建议如表1所列。
表1 “科曼奇的系统指标”
参 数 要 求 *
视场 30(垂直)×52(水平)
双筒重叠 30
眼球与目镜的间距 25毫米
双眼与目镜的间距 22毫米
出射光瞳 轴线上为15毫米，轴线外为13毫米
瞳孔距可调范围 58—74毫米
双筒上下可调范围 ±5毫米
双筒前后可调范围 前：8毫米；后：-5毫米
屈光度 0— -1
反差比(CR)**/灰度梯度(SOG)
日 间
10000焦距 W/2级护目镜 CR/SOG 1.6/2.0
3000焦距 W/2级护目镜 CR/SOG 5.6/6.0
(推荐值)
夜 间
100焦距 CR **/SOG 11.2/8.0
校准精度
水平 ±1.98mr ***
垂直 ±1.79mr
图像重合误差 ±2.78mr
设备兼容性 NBC **** 装备
M-15 面罩
MBU-12/P
氧气面罩
* 为最小推荐值
** CR=反差比(两个灰度梯度的平方根)
*** mr=毫弧度
**** NBC=核，生物，化学
上述值只是整个光学和光学系统性能指标的一部分，其它系统性能指标对驾驶员头部承受的重量限制为2.5公斤(驾驶舱没有气囊时)，或3.0公斤(驾驶舱有气囊时)。
试验范围
美国陆军飞行员综合系统(PM-ACIS)项目负责人资助了一项研究和试验计划以评估在现有军用标准飞行头盔(HG-U-56/P)上综合平板头盔显示器的可行性。该计划是将目前生产的飞行头盔与最新的头盔显示器系统(平板式)综合在一起。这种综合将提高现有的“科曼奇”独特的头盔和采用了CRT的HIDSS的性能。两个光学系统研究人员对几种备选平板图像源技术进行了比较评估，所评估的部分技术内容如表2所列。
表2 备选图像源
技 术 说 明
有源矩阵电致发光管(AMEL) 发射式显示，亮度高，反差大，响应时间短，不受温度影响，低功率
有源矩阵液晶显示器(AMLLD) 反差大，非发射式显示(需背后照明)，响应时间短，热敏感，低功率
阴极射线管(CRT) 微型阴极射线管， 1.27到2.54毫米，极佳的响应性和对比度，技术成熟，但电压高，重量重
场致发射显示器(FED) 发射式显示，亮度高，目前还不能提供小尺寸产品，还处于技术开发阶段
激光网膜扫描仪(扫描的LED) 反差大，亮度高，但不伤眼，小出射孔，高保真，还处于早期研究阶段，光学性能研究尚未进行
其 它 无源矩阵电致发光和液晶显示，铁电液晶显示
每个系统研究人员都被供以一套HGU-56/P头盔和显示系统以进行评估。把头盔和显示系统组成的这些系统叫做飞行员综合头盔系统(AIHS)。在试验室采用原型机进行了与光学性能、以及重量和重心验证有关的试验。提供了另一些(固定的显示器)有代表性的系统，以便进行驾驶员生命保障设备兼容性试验以及在科曼奇直升机中进行心理和生理因素评价，试验系统如图1、图2所示。
美国陆军夜视镜和电子传感器管理局图像技术分部评估了光学和显示系统的性能。美国陆军航空医疗研究试验室生物力学研究分部进行了重量与重心测试。美国陆军航空技术试验中心负责进行了心理和生理因素的评估，并由“科曼奇”驾驶员(陆军和合同商)在西科斯基飞行试验中心的“科曼奇”中进行了佩戴和功能试验。
测 试
经过评估的两套系统的光学和显示器系统性能未完全达到静态系统测试参数。系统性能中某些性能不达标的原因是研究人员没能在要求的试验时限内从厂家获得高质量(1280×1024)显示器。所需要的高分辨率、耐损晶片还处在技术前沿。不过随着技术的飞速发展，这种晶片也即将提供使用。两套系统都可能达到规定的重量与重心的要求。心理和生理因素测试、飞行员站评估以及ALSE兼容性评估也都有不同结果。
与这两套系统有密切联系的驾驶员将这两套系统与目前“科曼奇”上以CRT为基础的系统作了比较之后，其中的一些驾驶员认为这两套系统的坚固程度，还不足以应付野外环境中的使用。 “科曼奇”飞行员舱只能提供很小的空间，来容纳光学设备(飞行器瞄准定位装置(ARU))。ARU组件的安装及校准也是飞行员关心的问题。飞行员注意到两套系统都提供充足的“向下看”能力，以便观察仪表板多功能显示器(MFD)。飞行员们还说两套系统既没有明确划分外部视线包线，也不会妨碍头部运动。兼容性问题出现在M—45生化保护面罩上，主要是系统镜片与面罩间隙的问题。利用两个飞行员舱进行了入口和出口试验。试验中其它系统未出现大的问题。飞行员在通过光学系统观察彩色多功能显示器时也没发现彩色偏移。日间组合器反射也不成问题(未在晚上进行试验)。评判头盔的合适佩戴和稳定性以及飞行员的系紧装置是很重要的(每名试验飞行员在试验前都由专业人员帮他们佩戴头盔)。最后，由试验飞行员提供的评估结果与系统试验结果基本一致。
结 论
1. 目前头盔平板显示器技术尚未成熟，还不足以取代阴极射线管；
2. 阴极射线管的技术已成熟，没有什么潜力继续发展；
3. 与其它航空救生设备的兼容性是必要的；
4. 头盔显示系统的重量和重心对飞行员的舒适度/可接受性及坠毁生存性都很重要，它可通过采用平板显示获得；
5. 几种先进图像源技术不断成熟，即将成型；
6. 座舱兼容性和心理和生理因素问题对于座舱显示器的设计及综合非常重要；
7. 需更新双筒—重叠显示系统的校准公差以达到规定的系统指标；
8. 光学显示系统与已经论证的头盔的综合降低了研制及生存周期费用；
9. 早期的原型机试验给研究人员提供了成本效益数据和设计知识，并在早期研制阶段中综合了研究人员和用户的信息。
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