訓練用飛行仿真器視景顯示系統(tǒng)研究

1、訓練用飛行仿真器視景顯示系統(tǒng)研究訓練用飛行仿真器視景顯示系統(tǒng)研究2010年08月19日星期四下午01：19李明忠畢長劍張雙建牛敦金(空軍指揮學院作戰(zhàn)模擬中心北京100089摘要：訓練用飛行仿真器視景顯示統(tǒng)是飛行員獲取信息的主要窗口，其性能指標的高低直接影響到飛行仿真器性能和模擬訓練效果。本文圍繞這一關鍵子系統(tǒng)，闡述了其分類、不同類型顯示系統(tǒng)的組成、顯示原理及特點，并通過對現(xiàn)代戰(zhàn)爭背景下飛行任務訓練對視景顯示系統(tǒng)要求的分析，提出了訓練用飛行仿真器視景顯示系統(tǒng)方案選擇方法。飛行仿真器視景顯示系統(tǒng)實像虛像1引言視景顯示系統(tǒng)是飛行仿真器的重要組成部分，其主要功能是將圖像生成設備生成的圖形圖像通過一定的

2、顯示裝置顯示給飛行員，它是飛行員獲取飛行中有用信息的主要窗口。視景顯示系統(tǒng)顯示的真實與否，直接關系到飛行員能否對景象做出正確的判斷，從而能否及時準確地做出相應的反應，并最終影響到模擬訓練的效果。該系統(tǒng)相對于飛行仿真器的其他系統(tǒng)而言，造價高、設備昂貴，在有限的研制經(jīng)費范圍內，權衡不好會直接影響到設備的綜合性能。因此，視景顯示系統(tǒng)的方案選擇問題也是飛行模擬器設計和研制中要重點考慮的問題。2視景顯示系統(tǒng)的分類視景顯示系統(tǒng)的分類方法很多，按投影方式的不同，可分為正投視景顯示系統(tǒng)和背投視景顯示系統(tǒng)；按系統(tǒng)投影屏幕結構形狀的不同，又可分為圓球形視景顯示系統(tǒng)、平面視景顯示系統(tǒng)等。但這些分類方法，難以有效地反

3、映出不同類型視景顯示系統(tǒng)之間最本質區(qū)別。最為有效的分類方法，是根據(jù)顯示成像的特征和原理不同，將其分為實像顯示和虛像顯示兩大類，本文按該分類的方法進行論述。3實像顯示系統(tǒng)的類型及特點根據(jù)物理學定義，實像是由實際光線匯合在一起所成的影像,可以顯現(xiàn)在屏幕上。實像顯示系統(tǒng)一般光路比較簡單，直接通過投影設備將圖像投射到顯示屏上，其最大缺點就是缺乏立體感和縱深感。目前，比較常見的實像顯示方式，有平面窗口式、球形幕顯示、模擬球視景顯示系統(tǒng)三種類型。3.1平面窗口式顯示平面窗口式顯示系統(tǒng)，是實像顯示中最為簡單的一種，直接把圖像投在顯示屏幕上，基本沒有立體感和縱深感。常采用的顯示屏幕有顯示器、電視機、投影屏等。

4、這種類型顯示系統(tǒng)，一般在用于熟悉飛機基本操作的練習器、大型飛行仿真系統(tǒng)的對手席上比較常見。3.2球形幕實像顯示球形幕實像顯示系統(tǒng)是比較常見的一種顯示方式，在我國自行研制的許多大型殲擊機飛行模擬器及飛行指揮訓練模擬器上都采用了這種顯示系統(tǒng)，技術已經(jīng)非常成熟。該類型的顯示系統(tǒng)，使用涂有光學涂料的大直徑球形屏幕作投影屏，可以有效解決實像顯示缺乏立體感和縱深感的問題。而且球形屏幕直徑越大，顯示圖像的立體感和縱深感就越強。一般在實際應用中，球形屏幕的直徑都選在6m以上，并通常利用多通道拼接技術或頭位跟蹤技術來形成大視場，視場角水平可達360°、垂直可達180°。對目標的投影顯示有兩種

5、方式：一種是將目標和背景分別投影；另一種是利用圖像處理技術，將目標圖像融合到背景中后再進行投影顯示。典型的球形幕實像顯示系統(tǒng)結構如圖1所示。由于投影屏幕為曲面，圖像畸變大，需要選用畸變調整功能強的投影器作為投影設備。3.3模擬球視景顯示系統(tǒng)模擬球視景顯示系統(tǒng)，國內有學者稱為多通道平面板塊結構，是近幾年發(fā)展起來的一種新型顯示系統(tǒng)。典型模擬球視景顯示系統(tǒng)結構如圖2所示，它一般由樹脂背投幕、固定支架、投影器及其附屬設備組成，將多塊平面樹脂背投幕拼接構成一個完整的空間立體結構，通過投影設備以背投方式將圖像投射到該立體結構的各面上，它是CAVE系統(tǒng)的變形。根據(jù)視景空間立體結構的形狀不同，模擬球顯示系統(tǒng)分

6、為普通形和足球形兩種。足球形每一屏幕為46個邊，每屏均為平面屏，然后將眾多平面屏(312)拼接成為球形，從外部看上去宛如一個足球。普通形一般為正方體、空間梯形體。背投球是該類型顯示系統(tǒng)下一步的發(fā)展方向。模擬球視景顯示系統(tǒng)，由于其各投影面均為平面，圖像畸變小，分辨率高，圖像清晰，視場寬闊，水平視場角可達360°，垂直視場角可達180°，特別適合戰(zhàn)斗機飛行模擬器選用。若再配以立體視景計算和顯示技術，顯示的圖像也可具有很強的空間立體感、縱深感，能達到虛像顯示的效果。在美國F-15、F-16、JAS-39等噴氣式戰(zhàn)斗機飛行模擬器和我國自行研制的某型第三代戰(zhàn)機全任務飛行模擬器上，均采

7、用了該類型的顯示系統(tǒng)。但由于其拼接面多，該類型的顯示系統(tǒng)調整復雜，需要專用的校準系統(tǒng)。4虛像顯示系統(tǒng)的類型及特點虛像是光的反射延長線會聚而成的像，不能用顯示屏承接，具有縱深感強的特點。采用虛像顯示的系統(tǒng)主要有三種類型：同軸虛像顯示系統(tǒng)、旁軸虛像顯示系統(tǒng)及頭盔顯示。虛像顯示示意圖：4.1同軸虛像顯示同軸虛像顯示系統(tǒng)，由CRT顯示器、分光鏡和球面準直鏡組成，如圖3所示。CRT顯示器顯示各通道圖像，其數(shù)目由通道數(shù)決定，一般為三個。球面準直鏡是一種球面的反射鏡，一般由玻璃磨制或在光滑球面鍍上反射層形成，其特征是位于它焦平面上的物體能夠成正立的無限遠虛像。分光鏡是設計成透射率和反射率均為50%的透鏡，放

8、置在球面準直鏡的焦平面上。這樣一來，CRT顯示器表面發(fā)出的光線經(jīng)分光鏡后，一半反射到球面準直鏡，球面準直鏡再將約90%的光線反射到分光鏡，再一次經(jīng)過分光鏡衰減50%后，只剩下最初光線的22.5%成為最后的有效光線，實際上比22.5%還要低。由此可見，該類型顯示系統(tǒng)光線損失大，致使圖像亮度比較低。由于該系統(tǒng)屬于同軸光學系統(tǒng)，當觀察者偏離光軸較遠時，看到的圖像畸變較大，因此只適用于一個人觀察圖像。另外，從該類型顯示系統(tǒng)成像原理上還可以看出，其受外界雜散光線干擾大。因為分光鏡本身也反射座艙內的光線，會使圖像對比度降低。若座艙光線太亮，飛行員甚至可以看到自己的像。又受其本身結構的限制，該類型顯示系統(tǒng)視

9、場角比較小，水平視場一般很難超過50，垂直視場難以超過35。在前幾年研制的一些運輸機、轟炸機模擬器上，采用了該類型的顯示系統(tǒng)。隨著投影設備價格的降低，它已逐步被旁軸虛像顯示系統(tǒng)所替代。4.2旁軸虛像顯示旁軸虛像顯示系統(tǒng)，又稱為WIDEWide-Angle Infinity Display Equipment，廣角無限顯示設備)系統(tǒng)，主要由投影器、球面準直鏡及后投影屏幕組成，如圖4所示。球面準直鏡，一般是在精密光滑球面框架上用真空負壓一層反射膜來制成。后投影屏幕是曲面硬幕，一般由模具熱壓平板有機玻璃、再經(jīng)特殊的涂層工藝處理得到，要求其透射率高、漫投射效果好，屏幕背面的亮度比投影面一側高，并安放在

10、球面準直鏡的焦平面上，這樣投影幕上的圖像通過球面準直鏡就能成正立無限遠虛像。該類型顯示系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點。由于采用離軸方式，球面準直鏡半徑可以比較大，一般可達33.5M，水平視場角可達150°220°，垂直視場可達40°50°。從其成像原理上可以看出，光線損失小，亮度比較高，產(chǎn)生的圖像可近似于空中的亮度。從其結構上還可以發(fā)現(xiàn)，球面準直鏡傾斜放置在飛行員前，眼點不在其光軸上，座艙附近的雜散光線不會通過鏡面反射到飛行員視場內，而且當觀察者遠離光軸時圖像畸變小。因而，飛行員頭位在座艙內受限制小，并受外界雜散光線影響小，可適用于雙座機模擬器選用。從另一方面看，該

11、系統(tǒng)也存在一些需要解決的技術難點。由于是旁軸型光學系統(tǒng)，即光學系統(tǒng)的物與所產(chǎn)生的像偏離光軸很遠，因而光學系統(tǒng)不滿足近軸光學的公式和規(guī)律，必須合理地選擇后投射屏的位置和面形，以保證圖像的非線性失真最小。另外，由于虛像的放大率高、成像距離遠，對球面準直鏡的精度和表面光潔度要求比較高。4.3頭盔顯示典型的頭盔顯示系統(tǒng)，通過固定裝置將顯示系統(tǒng)固定在觀察者的頭部，在觀察者眼睛前方形成一幅完整圖像而使人產(chǎn)生浸感，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)多采用該種設備。它主要由顯示部件、光學部件和外殼組成(如圖6所示)。其中，受本身體積、空間的限制，顯示部件一般采用高清晰度超薄液晶顯示器，它負責顯示由計算機輸出的圖形圖像，并放置在光學

12、部件(透鏡)一倍焦距以內；外殼的主要作用，是支撐液晶顯示器和光學部件，阻擋佩帶者看到周圍環(huán)境，并使頭盔顯示器牢固的定位在頭上；光學部件為透鏡，用于產(chǎn)生放大虛像，若直接把液晶顯示器放在眼睛前面，圖像不能充滿整個錐形視場，能看到邊界，不能產(chǎn)生沉浸感。由此可見，頭盔顯示系統(tǒng)的基本原理，就是利用凸透鏡在一焦距內可成與物同側的正立放大虛像，再通過人腦對左、右眼的圖像合成產(chǎn)生立體感。其實在實際運用中要更為復雜，為了消除像差還要采用其他的光學部件進行調整。此外，圖像的分辨率和放大倍數(shù)(視場角大小)是一對矛盾，需要根據(jù)具體的應用要求進行綜合權衡。該種顯示方式最大的特點是造價低、沉浸感強，但是技術復雜，還有許多

13、技術難點有待解決，目前還沒有完全達到實用化的水平，它是以后發(fā)展的方向。隨著各種具有高科技含量的傳感器件和光學器件的開發(fā)應用，以頭盔顯示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用將日益廣泛，傳統(tǒng)的各種顯示方式也將會面臨全方位的挑戰(zhàn)。5訓練用飛行仿真器視景顯示方案的選擇5.1訓練任務對視景顯示系統(tǒng)的需求分析訓練用飛行仿真器最終要為飛行訓練服務，因此顯示方案的選擇，要根據(jù)訓練任務的需要綜合權衡?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭背景下的軍事訓練劃分更為細致，一般的飛行訓練任務可分為基本駕駛術、火控武器使用和戰(zhàn)術訓練三大類。其中，基本駕駛術訓練約占30%，主要包括儀表、編隊、特技等科目；火控武器使用訓練，包括導彈、炸彈、航炮對空地投射等，約占40%；

14、戰(zhàn)術訓練包括中/近距空戰(zhàn)、護航、封鎖、支援、偵察及聯(lián)合演習等，約占30%。不同的訓練任務，對視景顯示系統(tǒng)提出了不同的要求，經(jīng)分析、統(tǒng)計得到的結果見表1。表1訓練任務對視景顯示系統(tǒng)的要求5.2各種顯示方案性能比較通過上述對不同類型顯示系統(tǒng)特點的分析，可以看出各種顯示方案都有其自身的優(yōu)缺點，其主要性能綜合對比見表2。5.3選擇結論根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭背景下飛行訓練任務的劃分，對表1和表2進行對比分析，不難得到訓練用飛行真器視景顯示方案的選擇方法：一是對于以基本駕駛術訓練為主的仿真器，如轟、運機型飛行仿真器，對圖像的視場角要求相對較小，但對圖像的景深要求較高，多采用旁軸虛像顯示和同軸虛像顯示。并且在經(jīng)費允許的情況下，采用旁軸虛像顯示系統(tǒng)效果會更好；二是對于以熟悉飛機基本操作訓練和火控、雷達等武器設備訓練為主的簡易練習器，由于其功能相對比較單一，訓練時重點依靠平顯和多功能綜合顯示器畫面獲取有用信息，對外部視景畫面要求不高，多采用造價低的實像平面窗口式顯示。此外，在一些大型綜合全任務飛行仿真系統(tǒng)中，通常設