直升机飞行员头盔夜视系统视觉及舒适性优化技术分析

李 力，李训牛,2



直升机飞行员头盔夜视系统视觉及舒适性优化技术分析

李 力1，李训牛1,2

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 北京理工大学光电学院，北京 100081）

分析了直升机飞行员头盔夜视系统的视觉特性，分析了视场、重量、像质、眼点距离、出瞳直径等主要影响视觉舒适性的技术指标，提出了使用塑料元件减重、合理增大眼点距离和出瞳直径等指标，以及增大视场的两种方案，可作为相关设计的参考。

头盔夜视系统；头盔夜视镜；视觉特性；直升机

0 引言

飞行员头盔视觉系统如飞行员夜视镜（night vision goggles NVG）、头盔显示系统（helmet-mounted display HMD），是提升作战飞机战斗力和改善安全的重要手段[1-2]。相关技术从20世纪60年代起至今，得到广泛的发展[3]。

由于直升机过载较小，直升机飞行员头盔视觉系统受尺寸重量等因素限制较低，在早期的头盔视觉系统应用研究中多从直升机飞行员试用开始[4-5]。直升机飞行员头盔视觉系统（以下简称头盔视觉系统）包括头帽、头盔显示器和夜视系统等组成，如图1。

由于飞行速度和过载要求，因而对头盔视觉系统人机工程和舒适性设计、可靠性设计有较高要求，其中夜视系统体积较大，重量重，因此，系统的舒适性优化设计是其中的关键技术[5]。文章主要论述头盔视觉系统中的夜视系统舒适性优化设计技术分析。

图1 直升机飞行员头盔视觉系统组成

1 夜视镜系统简介

1.1 夜视镜系统的组成及工作原理

头盔夜视系统由安装组件、双筒观察组件和电源组件构成[1]。安装组件是针对不同形式的飞行员头盔设计，其作用是用于将观察镜与头盔相连接，由固定机构、垂直调节机构、翻转机构和解脱机构组成；双筒观察组件是飞行员头盔夜视系统的核心组件，由左右两只相同的观察系统和调节机构组成。观察系统由物镜组、像增强器和目镜组构成，调节机构由前后调节机构和瞳距调节机构组成；电源组件由电池筒、电源线、电源插头组成。头盔夜视镜组成图如图2。

图2 头盔夜视镜组成图

飞行员头盔夜视观察镜工作原理如下：

被观察的物体通过物镜成像于像增强器的玻璃阴极面，光能量经过增强后的图像在荧光屏上显示，通过目镜进行观察。调节目镜视度调节范围改变视度；调节目距调节机构改变目距；调节高低调节机构改变高低位置；调节翻转机构改变倾斜位置以达到最佳观察位置，不用时可通过解脱机构解下观察镜或是用翻转机构翻起观察镜。如图3，各组件与图2可对应。

图3 头盔夜视镜整机图

1.2 夜视镜系统的性能参数

目前美军飞行员夜视镜主要有AN/AVS-6、AN/AVS-9两款夜视镜，俄罗斯和我国亦有相近指标产品。目前夜视镜系统的主要性能指标如表1[6]。

1.3 当前头盔夜视镜系统存在的问题和优化设计方向

当前头盔夜视镜系统存在重量重、体积大、人机工程差的问题，这些问题解决难度较大。可以在以下几方面进行优化改进设计。

关键器件（像增强器）性能可以优化，如尺寸、重量、信噪比等。重量是当前影响头盔夜视系统舒适性的重要指标，头盔夜视系统性能有待提升，产品结构应进行人机工程优化设计[7]。

表1 典型夜视镜系统主要指标

2 头盔夜视镜系统优化技术分析

2.1 头盔夜视镜系统器件优化

头盔夜视镜系统器件优化主要指所使用的像增强器的优化。采用新型三代或者三代+像增强器，三代（图4）及三代+像增强管的特点是光谱响应从可见光波段向近红外波段延伸，与夜间天光或大气传输窗口相匹配，其灵敏度（图5）、分辨率和信噪比远高于二代管，可以满足更高的军用要求。三代微光像增强器主要特点是将透射式GaAs光阴极和带Al2O3离子壁垒膜的MCP引入近贴微光管中。与第二代微光器件相比，第三代微光器件的灵敏度增加了4～8倍，达到800mA/lm～2600mA/lm，寿命延长了3倍，对夜天光光谱利用率显著提高，在漆黑夜晚（10－4lx）的目标视距延伸了50%～100%。第三代微光器件的工艺基础是超高真空、NEA表面激活，双近贴、双铟封、表面物理、表面化学和长寿命、高增益MCP技术等[8]。

在新型三代像增强器中采用自动门控技术实现全天候应用，这一特性在头盔夜视系统中具有重要意义，它能在机舱实现全波段的灯光兼容，提升观察的舒适性。原理如图6。

自动门控技术改变了传统微光像增强器光阴极的恒压工作模式，采用阴极可控变频脉冲电压供电，调控像增强器光阴极产生光电子的数量，从而达到控制输出图像稳定清晰的目的。采用自动门控技术后像增强器输入动态范围从10－5～1lx扩展到10－5～104lx，实现了全天候工作。使用该项技术还具有抗点强光干扰，有效减小点强光在图像输出端产生的“开花”效应，车灯照射、战场弹药发射或爆炸火光、城市街灯等环境下，都能清晰成像（如图7），提高了像增强器的实战效果。另外使用该项技术可以延长像增强器的使用寿命，避免因在强光下工作而损坏器件和影响观察的舒适性[9]。

图4 三代像增强器图

图5 超二代和三代像增强器阴极灵敏度对比

典型三代微光像增强器的主要性能指标如表2。

图6 像增强器带自动门控原理图

2.2 头盔夜视系统性能指标优化

从人机工程和使用舒适性考虑，有以下几个性能指标是必须加以提升的[10-11]。

目镜系统：出瞳直径从原有的10mm提升至14mm及以上，以满足飞机剧烈晃动和高过载时确保不出瞳即在高过载和飞机剧烈晃动时不调整夜视镜依然可以观察整个视场；同时，增加了观察舒适感。出瞳距离从原有的20mm提升至25mm及以上，增加了观察舒适性和扩大了人眼余光观察仪表的范围。

超大视场：视场性能指标由原有的40°提升至90°以上，以符合人眼的观察习惯[12]。

2.3 头盔夜视系统舒适性优化技术之减重优化

2.3.1 光学系统的减重优化

在头盔夜视系统中，光学元件的质量大致为120g，与光学玻璃相比，塑料元件具有较轻的质量和较强的抗冲击力、以及制作更多面形的可能性。由于可以制作复杂面形，很多带有整体固定架和隔圈等外型支架的光学元件可以被制作，可以制作便于安装的光学元件也是其特点之一。

光学系统的减重优化，用光学塑料非球面甚至自由曲面透镜代替光学玻璃球面透镜，不仅提升了成像质量，更重要的是减轻了产品重量。

图7 普通微光图像与自动门控微光图像对比

K9光学玻璃的密度为2.4g/cm3，常见光学玻璃的密度都大于该值，而常用光学塑料聚甲基丙烯甲酯（PMMA）的密度为1.2g/cm3左右，聚苯乙烯类（PS）的密度在1.05g/cm3左右，两种材料的透过率均可达到90%～95%[13]，对主要观察条件下的系统分辨力影响较小，系统可以减轻光学系统重量30～60g。

图8为采用了光学塑料的头盔夜视系统物镜和目镜系统的系统图。物镜透镜数由常见的7片减至6片，目镜长度有所缩短。

图9为使用光学塑料的头盔夜视系统物镜和目镜系统的传递函数图。40线对处，物镜轴上传函大于0.65，目镜轴上传函大于0.5，像质达到要求。

2.3.2 机械结构的减重优化

在头盔夜视系统中，机械结构的重量占有很大比例，其中镜身机构320g，横向调节机构250g，旋转支架330g。

表2 典型三代微光像增强器的主要性能指标

*注：采用标准靶板，目视观察到的最高分辨力（10－5lx照度条件下仅测试中心分辨力）。

图8 用了光学塑料的头盔夜视镜物镜和目镜光学系统原理图

图9 使用光学塑料的夜视镜物镜和目镜传递函数

若在优化结构的基础上，采用轻质材料进行优化设计，减重效果明显。当前的产品机械结构件大部分采用铝合金材料，在优化产品中镜身机构组件采用增强聚碳酸脂材料，其他机构件在保证可靠性的前提下采用镁合金材料。铝合金材料密度2.7g/cm3，增强聚碳酸脂材料密度1.2g/cm3，镁合金材料密度1.4 g/cm3左右，可减轻最多至一半的重量。

2.4 头盔夜视镜系统人机工程优化设计

头盔夜视镜系统舒适性优化技术的另一个重要方面是优化人机工程设计，也就是优化结构形式使之满足头盔夜视系统观察和配戴的舒适性。包括人眼观察的舒适性以及佩戴和操作的舒适性。参照几款国外产品的结构形式来说明。

2.4.1 人眼观察的舒适性

1）超大视场头盔夜视系统

该产品[14]具有100°～110°的水平方向观察视场，接近人眼裸眼观察视场，大幅提升人眼观察使用的舒适性。宽视场使飞行员仅通过眼睛转动即可扫描外部世界，而不是头部运动，这减少了飞行员观察负担，增加了安全性，提升了作战效率。如图10。

该产品采用4只三代像增强器作水平排列，以达到100°～110°的观察视场。其主要性能指标如表3。

图10 超大视场头盔夜视系统

Fig.10 Wide field of view night vision goggles

表3 超大视场头盔夜视镜主要指标典型值

该类系统中间的双管双目采用与普通夜视镜相同的布置，观察40°～50°圆视场，两侧的两支与中间两支的视场分别具有一定的合像视场，合像视场通常在20°～25°，以保证整个系统达到100°～110°的水平视场，且合像边缘的锯齿效应不明显。视场合像原理图如图11。

2）近贴式头盔夜视系统

近贴式头盔夜视系统（由于该系统贴近面部，国外相关产品名称为全景式头盔夜视系统[15]）是一种基于超大视场头盔夜视系统进行了人机工程优化设计的改进产品，其水平方向视场90°，垂直方向视场40°。它采用3只16mm的三代像增强器进行光路折叠排列，目的是使头盔夜视系统重心更贴近头部重心，使配戴更加舒适，其结构示意图如图12。其视场合像原理与超大视场头盔夜视系统相同，使用示意图如图13。

图11 超大视场头盔夜视镜视场合像原理图

图12 全景式头盔夜视系统结构示意图

由上两例可看出光学结构形式的优化确实可以增大视场，改善飞行员配戴头盔夜视系统观察的视觉舒适度，减少飞行员头部转动频率和范围，提升作战效率。

图13 全景式头盔夜视系统产品使用示意图

2.4.2 佩戴和操作的舒适性

头盔夜视系统结构设计时应首先保证夜视镜性能。在这个前提下，结构设计要充分考虑人机工程性能。如重量、重心位置的控制，重心尽量靠近头部重心等以保证佩戴的舒适性。连接装置（如图14、15）首先应考虑固定于头盔的稳定性，以满足飞行员做机动动作和过载飞行时观察的舒适性；连接装置还应考虑飞行员操作的简易性，如考虑飞行员飞行时可单手安装、微调、翻转、拆卸夜视镜等。

图14 夜视镜与盔体连接装置示意图

图15 夜视镜通过连接装置连接盔体示意图

3 飞行员头盔视觉系统发展方向简述

当前飞行员头盔视觉系统从国外产品的发展过程看，分为两步走：第一步，首先在原有的头盔夜视系统中加入信息显示系统，使飞行员不用频繁看仪表就能对飞机进行操控。图16是传统头盔夜视系统加装信息显示装置的产品图[16]。

图16 加装信息投影显示装置的夜视镜产品图

图17是超大视场头盔夜视系统加装信息显示装置后的产品图。

图17 加装信息显示装置后的超大视场头盔夜视镜

第二步，随着器件技术和平视显示技术的发展，国内外都在大力发展头盔显示器[17]（HMD）技术，HMD实现的是一种综合视觉场景观察能力，提供的图像是由飞机上产生或接收到的4种不同图像信息中的一种或多种复合而成：

■ 以预先存储的数字图像为基础的合成（计算机生成）图像，如电子地图等；

■ 一系列战场态势信息，它们由扫描直升机周围环境的雷达、光电传感器或者其他作战单元提供；

■ 以各种光电传感器输出（DAS、微光电视等）的增强或者融合图像；

■ 提供飞机、导航、目标和瞄准提示信息的数字、符号等。

图18为两种直升机飞行员头盔显示器。

4 结论

虽然低照度探测器件、近红外探测器件在近年得到较大的发展，但短期内低照度及近红外探测器件在很多方面仍然难以达到微光像增强器的水平（如低照度下（照度＜1×10－3lx）的探测能力、视觉舒适度等），微光夜视镜用于飞行员夜视仍将有一定的发展空间。随着低照度及近红外探测器件技术的发展，使用低照度及近红外探测器件实现头盔显示的全天候工作技术将得到发展及应用。

图18 两款直升机飞行员头盔显示器

头盔视觉舒适性优化技术是一门系统性的技术，其主要发展方向是大视场、轻量化、头盔显示与夜视结合的方向发展；它涉及产品设计制造的各个领域，需要进行不懈的技术创新和关键技术攻关。

[1] ZHOU Haixian. Synthesized night vision goggle[C]/, 2000, 4021: 171-178.

[2] 郭晖, 向世明, 田民强. 微光夜视技术发展动态评述[J].红外技术, 2013, 35(2): 63-68. GUO Hui, XIANG Shiming, TIAN Minqiang. A review of the development of low-light night vision technology[J]., 2013, 35(2): 63-68.

[3] 刘红漫. 国外头盔夜视镜系统的发展概况[J]. 电光与控制, 1996, 62(2): 38-43.

LIU Hongman. Development of helmet mounted night vision system abroad [J]., 1996, 62(2): 38-43.

[4] Ronald A Belt, Gary R Knowles, Erik H Lange, et al. Miniature flat panels in rotary wing head mounted displays[C]//, 2010, 7663: 09-1-09-10.

[5] Hans-Ullrich Doehler. Improving visual-conformal displays for helicopter guidance[C]//, 2013: doi: 10.1117/2.1201310.005162.

[6] QIU Yafeng; QIAN Yunsheng; LIU Lei; et al. The design of low-light night seeing helmet[C]//, 2004: 331-333(doi: 10.1109/ IVESC. 2004.1414264).

[7] 许为. 航空夜视镜的人机工效学问题[J]. 国际航空, 1991(12): 52-53.

XU Wei. Ergonomic problems of aerial night vision goggles[J]., 1991(12): 52-53.

[8] 李晓峰. 第三代像增强器研究[D].西安: 中国科学院西安光学精密机械研究所, 2001.

LI Xiaofeng. Research on Third Generation Image Intensifier[D]. Xi’an: Xi'an Institute of Optics and fine mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2001.

[9] Greg Craig; Todd Macuda; Paul Thomas et al. Light source halos in night vision goggles: psychophysical assessments[C]//, 2005, 5800: doi:10.1117/12.602543.

[10] Richard Van Arsdel, J. Bruce Baldwin, Martha A. Hausmann, et al. NVG adjustment methods, eyepiece focus settings, and vision[C]//:, 2006, 6224: 62240J.

[11] Share-Dawn P Angel. NVG eyepiece focus (diopter) study[C]//VI, 2001, 4361: 11.

[12] Gregory Craig, Sion Jennings, David Thorndycraft. Handling qualities comparison of panoramic night vision goggles and 46-deg. night vision goggles[C]//VIII:, 2003, 5079: 127-136.

[13] Marvin J Weber.[M]. CRC Press LLC, 2003.

[14] Wayne Isbell, Joseph P Estrera. Wide-field-of-view(WFOV) night vision goggle[C]//VIII:, 2003, 5079: 208-211.

[15] Timothy W Jackson, Jeffrey L Craig. Design, development, fabrication, and safety-of-flight testing of a panoramic night vision goggle[C]//IV, 1999, 3689: 98-109.

[16] Edward N Bachelder, R John Hansman. Enhanced spatial-state feedback for night-vision goggle displays[C]//II, 1997, 3058: 299-310.

[17] 王永年. 头盔显示器的任务、现状、研究方向[J]. 电光与控制, 1999(2): 1-9.

WANG Yongnian. Overview of helmet-mounted display[J]., 1999(2): 1-9.

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，研究员级高级工程师，从事光学系统设计工作20余年，具有丰富的微光、可见光光学系统设计经验。