头盔显示瞄准系统现状与展望

2020年3月，美国防部正研究改进F-35闪电II上有机发光二极管（OLED）头盔显示器（HMD），包括绿色辉光问题、漏光问题以及使HMD的寿命超过预期4年以上，以降低维护成本。第一批满足联合合同规范要求、重新设计的OLED头盔显示器已交付美海军和美海军陆战队。2021年11月，美国Kopin公司获得了F-35头盔液晶显示器的后续订单，继续为该机提供高亮度液晶显示器。迄今为止，该公司已为F-35飞行员的头盔提供了数千个微型显示器。此外，2022年1月，美空军正在寻求一系列F-22战斗机升级改造计划，探索14种潜在的F-22升级计划，包括集成泰雷兹集团蝎子头盔显示/武器提示系统等。

2022年3月，欧洲装备采购局（OCCAR）授予空客直升机公司合同，为法国、西班牙和德国升级虎Mk III攻击直升机，其标准配置包括泰雷兹集团顶点猫头鹰DD头盔瞄准显示系统、FlytX航电系统，集成化赛峰集团Strix NG瞄准具等。2021年10月，美陆军授予埃尔比特系统公司一份最大7600万美元AH-64阿帕奇直升机综合头盔和显示瞄准系统（IHADSS）合同，以提升美陆军武装直升机态势感知能力和飞行安全性。

战斗机座舱的显示是非常重要的人机界面：该昂贵（每副头盔价格为40～80万美元）、能够“看穿”战斗机无舷窗部分的高技术头盔远不只是一个头盔，而是一个“作业区”——既提供战场的显示，又提供态势的感知。自20世纪80年代中期以来，平板显示器及头盔显示器的研制取得了很大进展，并在F-22、阵风等先进战斗机上得到应用，标志着座舱显示进入第六代——头盔显示、平板显示时代，为现代作战飞机的座舱显示提供了坚实的物质基础。

头盔显示/瞄准系统的人机工效要求

对头盔显示/瞄准系统（HDSS）显示的人机工效要求包括：①应采用形象、直观并与人的认知特点相匹配的显示格式显示所需信息，使传递信息的格式能直接表达信息的内容，以减少译码的错误，迅速、准确地获取信息;②明确信息显示的目的;③使用利于识读的格式，增强显示格式与所表示意义之间的逻辑关系。

头盔显示/瞄准系统的演变

军用头盔显示/瞄准系统是随着固定翼和旋转翼飞机飞行员头盔上安装夜视成像，和充分发挥人类作用的头戴式瞄准具需求的增长而发展起来的。夜视护目镜（或夜视镜，NVG）是夜战能力演化发展的结果，通过使现有的视场（FOV）扩大1倍多，从而提高飞行员的整体态势感知能力和安全性，促成飞行员在夜间实现近白昼的战术，缩短了处于威胁空域的时间，并提高了瞄准和跟踪能力。

军用航空领域基于像增强管（I2T）技术、飞行员直视的夜间观察设备/夜视镜（NOD/NVG）已使用了近30年。20世纪80年代美军开展了综合夜视系统头盔开发的竞赛，目标是降低佩戴外置、可夹置式NVG的重心补偿作用。第三代I2T NVG已能够在仅有星光的晴朗夜间提供达到20/25视觉效果（斯纳仑氏图表测得的视敏度，即在环境照度为25时，显示的亮度是20）的性能;FOV从最初的30º提高至45º。当前军用航空领域的主力NVG采用40ºFOV（AN/AVS-6和AN/AVS-9），其主要设计特征是于昂贵的高分辨率下拥有最广的FOV。

由于作战人员希望找到一种观看敌机而非平视显示器（HUD），即可发射AIM-9X导弹的方法，20世纪90年代开始了第二轮HMD研制高潮。最终洞察技术公司开发出了装备F-15、F-16和F/A-18战斗机、支持夜视的联合头盔目标提示系统（JHMCS），由机载计算机为飞行员的目视视线提供地理坐标参考。

F-35的三种改型都配备了罗克韦尔·柯林斯ESA视景系统公司生产的第三代头盔显示系统（HMDS），这种头盔内置两个液晶显示器，能同时为双眼提供彩色图像。

头盔显示/瞄准关键技术

HMDS旨在能够在夜间实施近白昼的战术作战，并显示HUD的数据以及摄录飞行员视角方向的视频信息，为飞行员的右眼提供20º窄视场（或40º宽视场），在促成飞行员于头盔显示器上看到雷达和导航字符的同时，获得近距空-空导弹的提示信息，辅助飞行员在夜间鉴别地形、探测目标和提示武器，减轻了飞行员驾驶飞机，探测、跟踪和打击目标，应对紧急情况的工作负荷，最早于以色列空军中使用。美空军和海军则采用与美陆军虚拟座舱优化项目（VCOP）类似的底线方式，为驾驶员提供平视的3D视觉、听觉和触觉能力。本质上，投影到HMD取景器上的信息与投影到飞机HUD上的信息相同，但由于组合头盔提示/瞄准系统中还包含一个电磁头位跟踪装置，佩戴HMD系统的飞行员能够在监控飞行参数的同时，瞄准并选择他的目标和武器。

HMDS的关键组件包括HUD、HMD和头盔提示/瞄准系统，其关键技术是跟踪（瞄准线测量）技术和瞄准线显示技术。此外，组合头盔提示/瞄准字符系统与夜视功能的HMD已在应用中取得巨大的成功。

目前，头盔显示器采用微显示器作为信息输出元件，其一般的有效显示屏对角线尺寸为5.6～17.5mm;像素数为320×240～1280×1024;像素尺寸为10～50µm，分辨率约为直读式LCD像素尺寸（0.28mm）的10倍。

F-35飞机上的联合头盔目标提示系统（JHMCS）是一个置于轻型HGU 55/P头盔壳上的模块化头盔瞄准具，是一个单目、基于CRT的系统，包含白昼模块和黑夜模块。白昼模块是一个于取景器上显示画面的单目、20ºFOV投影显示器;供选的黑夜模块包括飞行员夜视成像系统（ANVIS）的40ºFOV夜视提示显示器（NVCD）或于取景器上直接投射画面的“四眼”（Four-Eyes）全景NVG的NVCD（100º×40ºFOV，海军型）。该系统还包含一套可插入夜视屏的字符系统或视频系统、一个高精度电磁头位跟踪系统，于遍及座舱罩的关注域内为飞行员提供完全的态势感知能力。

NVCD使用了一套飞机和武器字符系统，向飞行员头盔取景器上直接投射字符和图像，促成飞行员于HMD上看到雷达和导航字符的同时，还获得近距空-空导弹的提示信息——飞行员或射击员能够目视标记、识别导弹的目标;还可观察地面目标，头盔引导系统可使飞行员简单地保持凝视一会儿就锁定目标——自动指挥瞄准吊舱中的前视红外（FLIR）摄像机锁定目标;由高置信度、可变焦FLIR生成的视频随即显示在下视显示器上，供机组人员分析可能的目标和确定行动的路线。该信息仅为右眼显示，归属于单目型;夜间作战时，操作员需取下取景器，将NVCD扣紧传统的护目镜。

2016年4月，Elbit系统公司推出了JHMCS II，它是全球最高分辨率、彩色、智能和视频取景器投影系统，适用于昼和夜环境，拥有唯一于傍晚或黎明飞行时促成飞行员方便转换工作模式的能力。JHMCS II独创的头位跟踪技术促成飞行员对准处于任何方向的传感器和武器，同时接收增量的态势感知信息，在驾驶舱内生成智能化视景;飞行员与机组人员之间的显示也相互融合;威胁和未知目标投影显示于一个全方位、直觉化显示的取景器上，已应用于F-16、C-130等飞机上。

头盔显示/瞄准系统

在头盔显示/瞄准系统领域中，两大制造商的两大项目分别是RCEVS公司F-35上的头盔显示系统，以及AE系统公司“欧洲战斗机”上的Q-Sight射击员远距瞄准系统。

RCEVS公司的F-35战斗机头盔显示系统。F-35 Gen III“轻”（Light）HMDS是一款具有先进特点、完全昼/夜集成度的解决方案，旨在提高飞行员作战的精度、效率和安全性。利用该系统，佩戴该产品的飞行员能够保持其对周边环境的空间定向和持续监视关键飞行信息，通过使武器瞄准某个目标而监视这个目标，并于其HMDS视场内高品质地控制所显示的字符系统和信息。

该Gen III HMDS集成了HMD、HUD和直接于取景器上投影显示的夜视技术三大先进技术。相对于Gen II HMDS，主要升级包括改进型夜视摄像机、改进型液晶显示器、自动对准技术以及改进的软件。

佩戴一副显示于双眼的双目HMDS和免去HUD是F-35飞机的关键特征之一。该HMDS使用2个对角线0.7in、1280×1024像素的AMLCD投影仪，置于头盔的两侧，显示覆盖的图像和字符系统;夜视成像通过光学系统中继至一个40º×30º（水平×垂直）双目视场上。飞行员看到的是一个离轴、虚拟的HUD，30ºFOV，显示飞机的具体性能、威胁信息和目标提示，免去了姿态指示器;采用JHMCS的字符系统;引入一台置于头盔上方的前视夜视探测器和诺格公司分布式孔径系统（DAS）中围绕飞机安装的6台3～5微米波长红外摄像机生成的实时成像;在触敏式下视平板显示器上有一个HMD页。作为虚拟HUD，F-35成为近50年来首款免去传统HUD的战术战斗机。

集成化夜视能力是其为F-35飞行员提供的另一大主要优点。从飞行员角度看，该HMDS的最大改变是在头盔内引入了一台黑夜摄像机，约是上一代HMDS性能的2倍。如果飞行员想要观看红外成像，则启用DAS;如果飞行员想要观看增强的图像，则启用头盔摄像机。

显示的画面还能够简化。可移走相关的信息层，这样显示画面就降至领悟任何高密度战术态势刚好所需的最低显示信息;可定制显示的画面。此外，罗柯公司在驾驶杆上留有多个HMDS控制开关，促成佩戴该系统的飞行员在DAS和像增强摄像机之间的转换;头盔前方和后方的弧度调整也大大简化。

Gen III HMDS 于2007年4月首飞。2016年3月，F-35飞机成功完成了首次组合全部3项降低飞行员弹射过程中颈部受伤风险方案的台车试验;联合项目办公室（JPO）又组合轻型、中型和重型假人、开展了约10次试验，2016年底，推出了更轻的头盔，与其弹射座椅的推出时间段保持一致。

2016年1月，F-35头盔显示系统入选美国《大众科学》杂志2016年1/2月号封面，并附文《最新的战斗机驾驶员》一文。JPO空军中校称F-35的头盔好似“在头上佩戴了一台便携式电脑”。

BAE系统公司的Q-Sight头盔光学瞄准具。BAE系统公司利用其特有的光学系统制成了战斗机飞行员用轻型Q-Sight射击员远距瞄准系统（GRSS）头盔光学瞄准系统。2010年11月，向英国皇家海军交付了首套Q-Sight，应用于欧洲战斗机上。其先进任务能力满足经济可承受性、兼容现役头盔的设置和夜视镜的要求，还大大增强了精确性和目标识别能力。