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头盔显示器

會顯示飛機數據的飛行頭盔
关于非航空用设备，请见“头戴式显示器”。

头盔显示器（Helmet-mounted display，缩写：HMD）是安装于航空器飞行员头盔上的头戴显示设备。其显示的内容于平视显示器类似。[1][2][3]头盔显示器被认为是第四代战斗机的标准配备，[4]能大幅度提高飞行员的态势感知，增强感知周围环境和战斗状态的能力。某些型号的头盔显示器具有辅助武器瞄准的功能，称作头盔瞄准器（HMS, helmet-mounted sights），使飞行员能用过简单的转头动作，向导弹等武器提示目标位置或引导发射导弹来攻击目标。

IHADSS头盔显示器

作用

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AH-64阿帕契直升机的飞行员正以头盔瞄准器指示M230链炮转向至目标方位。

头盔显示器一般设计有一下一些功能：

  • 通过飞行员转头的动作，快速引导弹头追踪飞行或者地面目标，并通过控制杆上的按钮发射导弹。相较于传统的平视显示器，飞行员需要通过机头瞄准目标，极大的提高了攻击效率。
  • 在头盔显示器上显示空速、飞行高度、目标距离等重要信息，让飞行员在转头观察的时候，不需要不时回头查看仪表显示。
  • 传送图像：
    • 确保弹头锁定的目标是需要攻击的对象，而不需要查看仪表显示。
    • 在视线不良的情况下，向飞行员传送地形图象。

结合先进的锁定系统，头盔显示器理论上可以攻击任何飞行员视线内的目标。使飞行员不需要操纵飞机做明显的机动，就能锁定目标发射武器，极大地提高的攻击效率以及战场的生存率。

历史

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1962年，休斯飞机公司推出了一款名为电眼（Electrocular）的一种小型阴极射线管头戴式单眼显示器，可将电视讯号投射到透明镜片上。[5][6]第一批配备实验性简易头盔显示器的飞机于20世纪60年代中期出现，主要用于辅助瞄准红外线导引导弹。1970年代初，美国将霍尼韦尔生产的“视觉化目标识别系统”（VTAS, Visual Target Acquisition System）使用于F-4J幽灵II战斗机，以及1974至1978年间举行的空战联合测试与评估（英语：ACEVAL/AIMVAL）中的F-14雄猫式战斗机和F-15鹰式战斗机上。视觉化目标识别系统因其在辅助导弹瞄准高离轴角度目标的优秀能力而受到赞扬，[7]但美国后续并没有进一步部署此系统，而仅将其整合到1969年配备AIM-9响尾蛇导弹的新型F-4幽灵II战斗机。[8]

在此期间，头盔显示器亦被应用于直升机上，如1985年展示的1架与IHADSS整合的AH-64阿帕契直升机。[9]1975年，南非空军的幻象3CZ型战斗机和幻象F1AZ型战斗机使用了南非国产的头盔瞄准器，可辅助瞄准阿姆斯科（英语：Armscor (South Africa)）的V3A（德语：Kentron V3）红外线导引导弹。[10][11][12]

技术

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头盔显示器的概念虽然很简单，但实际运用的技术及面临的困难却相当复杂，有许多变数：[13]

  • 精确度：飞行员视线和实际产生之提示讯号间的角度误差。飞行员的眼睛和面罩上的十字线之间的线称为飞机和预定目标之间的视线，头盔的位置将决定武器瞄准的方位，因此使用者必须精确校准头盔显示器，使眼睛与视线保持一致，并将头盔牢固地配戴在飞行员头上。一篇研究显示即便新式头盔显示器的硬件非常轻，但在9g的重力负载环境下，重心和相对重量的增加往往会导致飞行员的头盔偏移，严重时甚至会使瞄准功能失效。[14]
  • 延迟或转换速率：头盔和提示讯号间有多少时间延迟。
  • 视野：视线能精准测量目标的角度范围。
  • 重量和平衡：头盔总重量及其重心，这在飞行员进行高负载机动时尤其重要。重量可说是战斗机头盔显示器的设计师面临的最大问题。但高负载机动对于直升机来说较为罕见，因此设计复杂的直升机头盔显示器较多。
  • 安全性和驾驶舱相容性：包括与弹射椅的相容性。
  • 光学特性：校准、清晰度、准直技术（英语：Collimated beam）、单眼与双眼视觉的差异等。
  • 耐用性和处理日常损耗的能力。
  • 成本：包括整合系统和培训人员花费。
  • 飞行员头部的适配性：飞行员的头部形状使得客制化头盔设计成为飞行员是否能有效使用头盔显示器的关键因素。未校准或移位可能将导致影像不准确。

头部追踪

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头盔显示器必须能以足够的精度感应方向的变化，如仰角、方位角和转动等，并且在某些情况下感应飞行员头部相对于飞机机身的位置，尤其是在空战时常面临的高速、高负载环境中。目前的头盔显示器基本使用5种方法追踪飞行员头部的运动：惯性、光学感测、电磁感测、声波感测和复合式。[13]复合式追踪系统使用惯性和光学感测等组合来提高追踪精度、更新率和降低延迟。[15]

惯性/光学复合式追踪
复合式追踪系统使用灵敏的惯性测量单元和光学感测器为飞机提供参考点资讯，虽然较先进的惯性测量单元会采用微机电系统技术而获得高达1,000赫兹的更新率，但系统仍会逐渐受到进动和漂移的影响而累积误差，因此不能单独使用。复合式追踪系统的光学感测器可用于限制惯性测量单元的漂移现象，因此使复合式追踪器具有低延迟和高精度的特性。达利斯集团的蝎式头盔显示器[16]由该集团旗下的交感（InterSense）科技公司开发，称为“混合光学惯性追踪器”（HObIT, Hybrid Optical-based Inertial Tracker）。[17]
光学感测
光学感测系统通过在头盔和驾驶舱内设置红外线发射器和感测器，来测量飞行员头部于驾驶舱内的位置，缺点是视野有限以及容易被阳光或其他热源干扰。米格-29战斗机就采用了这项技术辅助使用R-73导弹。[13]台风战斗机和JAS 39狮鹫战斗机[18]上使用的Cobra都采用丹尼尔光电公司（现为蔡司公司的一部分[19]）开发的光学追踪系统。
电磁感测
电磁感测系统利用电磁感应原理，在驾驶舱中设置交变的磁场，并在头盔中设置电磁线圈（英语：Electromagnetic coil），然后头盔在多个三维空间轴上的运动便会产生交流电，并可根据电压变化算出头盔的运动情形。该技术需要对驾驶舱进行精确的磁场测绘，并分析座椅、驾驶舱和座舱盖中的导电材料，以减少测量中的角度误差。[20]
声波感测
声波感测系统使用超声波感测器来监测飞行员的头部位置，同时透过电脑软件从多个座标轴实时更新定位。此系统的典型工作频率在5万至10万赫兹范围内。[20]

光学影像

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较旧的头盔显示器通常采用嵌入头盔中的小型阴极射线管和光学器件，以将符号影像投射到飞行员的面罩或标线上。现代的头盔显示器已转而采用硅基液晶或液晶显示器等微型显示器以及LED光源来产生显示影像。更先进的头盔显示器还可以投射前视红外线系统（英语：Forward-looking infrared）或夜视镜所观测到的影像。最近的一项改进是显示多种颜色符号和播放影片于显示器上的功能。

型号

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IHADSS头盔显示器

以下头盔显示器型号根据其获得初始作战能力的时间先后排序。

集成头盔和显示瞄准系统（IHADSS）
集成头盔和显示瞄准系统（Integrated Helmet And Display Sight System）是美国陆军于1985年部署在AH-64阿帕契直升机的系统，其采用了多种新技术，使头盔显示器的功能大幅扩展，可在头盔和显示瞄准系统之间产生视觉耦合界面。霍尼韦尔生产的M142 IHADSS具有40°×30°的视野范围及单眼显示器。头盔上安装的红外线发射器可用于操控安装在机头的可旋式热成像仪，同时此显示器也具备夜间导航功能。IHADSS也可用于意大利的奥古斯塔A129野马直升机。[21]
谢尔-3UM/ZSh-5（Shchel-3UM/ZSh-5）
谢尔-3UM（俄语：Щель-3УМ）是俄罗斯设计的ZSh-5系列头盔（以及后来的ZSh-7头盔），主要用于苏恺-27战斗机及米格-29战斗机，并用于辅助R-73导弹瞄准，从而显著提高了这两款战斗机的缠斗能力。[22][23]
头盔显示瞄准器（DASH）
头盔显示瞄准器（Display and sight helmet）是以色列埃尔比特系统于20世纪80年代中期开始开发的型号，当时以色列空军正协商采购F-15鹰式战斗机和F-16战隼战斗机。第一代型号于1986年左右投入生产，而第三代头盔则在20世纪90年代初期至中期投入生产，另外第三代型号也是第一款正式实现量产装备的现代化西方头盔显示器，主要部署在以色列军F-15和F-16战机上。此外，DASH也用于F-5战斗机和F/A-18黄蜂式战斗攻击机，并成为美国JHMCS的技术基础。[24][25]
第三代DASH采用全嵌入式设计，头盔内装有完整的光学和位置感测线圈，并使用球形护目镜为飞行员提供准直（英语：Collimated beam）处理后的图像。显示器由一条可快速断开电线供电，并将视讯驱动讯号传送到头盔的阴极射线管。DASH透过MIL-STD-1553B总线与飞机的武器系统紧密整合。最新型号的第四代DASH目前整合在印度的光辉战斗机上。
联合头盔提示系统（JHMCS）
 
JHMCS头盔显示器
联合头盔提示系统（Joint Helmet-Mounted Cueing System）是美国为了AIM-9X响尾蛇导弹而生产列装的系统，于2003年11月首先装备给阿拉斯加埃尔门多夫空军基地（英语：Elmendorf Air Force Base）的第12和第19战斗机中队。美国海军首先研究将JHMCS与F/A-18C黄蜂式战斗攻击机整合，但最后则是F/A-18E/F超级大黄蜂式打击战斗机首先装备此系统。美国空军也将此系统装备于F-15C鹰式战斗机、F-15E打击鹰式战斗轰炸机和F-16C战隼战斗机上。
JHMCS是第三代DASH和凯萨灵眼头盔显示器（Kaiser Agile Eye HMD）的衍生产品，由罗克韦尔柯林斯和埃尔比特系统组成的国际视觉系统（Vision Systems International，现归罗克韦尔柯林斯所有）合资公司开发。波音公司将此系统整合到F/A-18黄蜂式战斗攻击机中，并于财政年度2002年开始生产交付。JHMCS可用于F/A-18A++/C/D/E/F战斗攻击机、F-15C/D/E/S/K/SA/QA/EX战斗机，以及F-16 Block 40/50战斗机，且对于所有使用此系统的平台皆有95%的通用性。[26]
与内嵌到头盔内的DASH不同，JHMCS的装置部件可安装在改装后的HGU-55/P、HGU-56/P或HGU-68/P飞行头盔。JHMCS采用更新、更快的数位处理包，但保留了与DASH相同类型的电磁感测定位系统。其使用之阴极射线管的功能更强大，但仍只能呈现单色手写体的符号。JHMCS支援光栅扫描影像以显示夜间操作的前视红外线系统及红外线搜寻追踪系统的图像，并向飞行员提供准直符号。
当与AIM-9X响尾蛇导弹结合使用时，JHMCS可以向导弹指定攻击飞机机头两侧80°范围内的目标。2009年3月，澳洲皇家空军的F/A-18黄蜂式战斗机使用JHMCS示范其对位于发射飞机后方的目标进行发射后锁定攻击并取得成功。[27]
塔戈Ⅱ型（TARGO-Ⅱ）
塔戈Ⅱ型头盔显示器是以色列埃尔比特系统为阵风战斗机开发的系统。[28][29]
整合头盔瞄准器/蝎式（HMIT/Scorpion）
 
装备蝎式头盔显示器的飞行员
整合头盔瞄准器（Helmet Mounted Integrated Targeting）是2010年美国为了让美国空军、空军国民兵和空军预备役装备头盔显示器而提出的采购项目。2008年，达利斯集团推出了蝎式头盔显示器，并赢得了该起采购案。[30]HMIT系统于2012年完成测试并装备于A-10雷霆二式攻击机[31]及F-16战斗机。[32]2018年起，HMIT开始经历一次装备升级，原本用于追踪头部运动的交流电线圈感测器被改成惯性/光学复合式追踪系统，[33][34]该复合式追踪系统由达利斯集团的交感科技公司开发[35]并于2014年完成测试。[36]
蝎式头盔显示器的独特之处在于它是实际被部署列装的第一款可显示全彩共形符号系统的头盔显示器，[37]可以与飞机任务系统同时使用，并用于指定瞄准吊舱（英语：Targeting pod）、各式机载感测器及导弹等武器系统的攻击目标。另外如果指定的目标脱离视线或被遮挡，蝎式也能在萤幕上显示目标的视觉化位置图标。[38]与大部分需客制化设计头盔的系统不同，蝎式头盔显示器可直接安装于标准HGU-55/P、HGU-68/P飞行头盔，且与美国的标准航空装备完全相容，无需额外的适配工作。蝎式头盔显示器也与AN/AVS-9全景夜视镜完全相容，使飞行员能在显示器符号界面中使用夜视功能。[39][40]
蝎式头盔显示器的光学系统使用新型导光技术光学元件（LOE, light-guide optical element），可为飞行员提供彩色准直影像。飞行员可自行调整显示器于头盔上的位置，从而无需客制化头盔设计或是将头盔牢牢固定于头部，且内建的软件可校正适应影像的显示位置，以为飞行员提供准确的影像。当飞行员弹射出座机时，头盔显示器可拉下一面防护面罩以保护飞行员面部及显示器。除了A-10攻击机和F-16战斗机外，蝎式头盔显示器也装备于美国AC-130W螫刺II式空中炮艇、[41]F-22猛禽战斗机、[42]战术空中支援公司（英语：Tactical Air Support）的F-5AT战斗机、[43]法国空军的阵风F4型战斗机[44]和西班牙空军的EF-18黄蜂式战斗攻击机（西班牙语：McDonnell Douglas EF-18 Hornet）。[45]
AVCI HICS
AVCI头盔整合提示系统（Helmet Integrated Cueing System）是土耳其的阿瑟尔桑国防工业开发的一种与法国TopOwl类似的装备。AVCI预计将用于T-129攻击直升机（英语：TAI/AgustaWestland T129 ATAK）。[46]
天顶鸮-F（TopOwl-F）
TopOwl是法国为阵风战斗机和幻象2000战斗机装备以辅助使用云母导弹的头盔显示器。早期的Topsight型号由达利斯集团旗下的六分仪航电公司（Sextant Avionique）开发，采用电磁感测模式侦测头部运动，可为飞行员的右眼提供20°视角的显示器界面，并根据目标和飞机的参数产生手写体的符号。此型号采用全嵌入式设计，其设计外型尽可能为飞行员提供完全无障碍的视野。TopNight是Topsight的衍生型号，专为恶劣天气和夜间空对地作战而设计，采用更复杂的光学元件来投射覆盖符号系统的红外线影像。目前Topsight的最新版本为TopOwl-F，与幻象2000-5 Mk2战斗机和米格-29K战斗机的航电系统相容。[47]
 
HMSS头盔显示器
头盔符号系统（HMSS）
头盔符号系统（Helmet-Mounted Symbology System）是贝宜系统和皮尔金顿集团股份为欧洲战机公司的台风战斗机开发的头盔显示器，能够显示光栅准直图像和手写体符号系统，并具有内嵌式夜视镜。HMSS采用红外线光学感测来定位头部，确保代表外部世界实体的符号的移动与飞行员的头部运动一致。[48]
头盔显示系统（HMDS）
 
HMDS头盔显示器
头盔显示系统（Helmet-Mounted Display System）是国际视觉系统与头盔整合系统有限公司（Helmet Integrated Systems Ltd.）为F-35闪电II战斗机开发的头盔显示器，初始及后续型号被称为前锋（Striker）及前锋Ⅱ型头盔显示器。除了头盔显示器的标准功能外，HMDS还可借助F-35战斗机先进的航电系统，在白天或夜间条件下为飞行员提供清晰的外界影像及座机参数。因此，F-35战斗机是50年来第一架无需装备抬头显示器的战斗机。[49][50]头盔显示系统于2014年7月测试完成并开始投入使用。[51]
杰德耶（Jedeye）
杰德耶是埃尔比特系统为AH-64阿帕契直升机等旋翼机开发的头盔显示器，具有夜视功能及提高飞行员于沙盲环境下飞行的能力。杰德耶具有70°×40°的广角视野及2250×1200像素的分辨率。[52]
眼镜蛇（Cobra）
眼镜蛇头盔显示器是瑞典装备于JAS 39C/D狮鹫战斗机的系统，是贝宜系统与丹尼尔·奇姆路斯（Denel Cumulus）合作为HMDS作进一步研发和改进后的产品。[53][54]

参见

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参考资料

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引文

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书目

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