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1、训练用飞行仿真器视景显示系统研究训练用飞行仿真器视景显示系统研究2010年08月19日星期四下午01：19李明忠毕长剑张双建牛敦金(空军指挥学院作战模拟中心北京100089摘要：训练用飞行仿真器视景显示统是飞行员获取信息的主要窗口，其性能指标的高低直接影响到飞行仿真器性能和模拟训练效果。本文围绕这一关键子系统，阐述了其分类、不同类型显示系统的组成、显示原理及特点，并通过对现代战争背景下飞行任务训练对视景显示系统要求的分析，提出了训练用飞行仿真器视景显示系统方案选择方法。飞行仿真器视景显示系统实像虚像1引言视景显示系统是飞行仿真器的重要组成部分，其主要功能是将图像生成设备生成的图形图像通过一定的
2、显示装置显示给飞行员，它是飞行员获取飞行中有用信息的主要窗口。视景显示系统显示的真实与否，直接关系到飞行员能否对景象做出正确的判断，从而能否及时准确地做出相应的反应，并最终影响到模拟训练的效果。该系统相对于飞行仿真器的其他系统而言，造价高、设备昂贵，在有限的研制经费范围内，权衡不好会直接影响到设备的综合性能。因此，视景显示系统的方案选择问题也是飞行模拟器设计和研制中要重点考虑的问题。2视景显示系统的分类视景显示系统的分类方法很多，按投影方式的不同，可分为正投视景显示系统和背投视景显示系统；按系统投影屏幕结构形状的不同，又可分为圆球形视景显示系统、平面视景显示系统等。但这些分类方法，难以有效地反
3、映出不同类型视景显示系统之间最本质区别。最为有效的分类方法，是根据显示成像的特征和原理不同，将其分为实像显示和虚像显示两大类，本文按该分类的方法进行论述。3实像显示系统的类型及特点根据物理学定义，实像是由实际光线汇合在一起所成的影像,可以显现在屏幕上。实像显示系统一般光路比较简单，直接通过投影设备将图像投射到显示屏上，其最大缺点就是缺乏立体感和纵深感。目前，比较常见的实像显示方式，有平面窗口式、球形幕显示、模拟球视景显示系统三种类型。3.1平面窗口式显示平面窗口式显示系统，是实像显示中最为简单的一种，直接把图像投在显示屏幕上，基本没有立体感和纵深感。常采用的显示屏幕有显示器、电视机、投影屏等。
4、这种类型显示系统，一般在用于熟悉飞机基本操作的练习器、大型飞行仿真系统的对手席上比较常见。3.2球形幕实像显示球形幕实像显示系统是比较常见的一种显示方式，在我国自行研制的许多大型歼击机飞行模拟器及飞行指挥训练模拟器上都采用了这种显示系统，技术已经非常成熟。该类型的显示系统，使用涂有光学涂料的大直径球形屏幕作投影屏，可以有效解决实像显示缺乏立体感和纵深感的问题。而且球形屏幕直径越大，显示图像的立体感和纵深感就越强。一般在实际应用中，球形屏幕的直径都选在6m以上，并通常利用多通道拼接技术或头位跟踪技术来形成大视场，视场角水平可达360、垂直可达180。对目标的投影显示有两种方式：一种是将目标和背景
5、分别投影；另一种是利用图像处理技术，将目标图像融合到背景中后再进行投影显示。典型的球形幕实像显示系统结构如图1所示。由于投影屏幕为曲面，图像畸变大，需要选用畸变调整功能强的投影器作为投影设备。3.3模拟球视景显示系统模拟球视景显示系统，国内有学者称为多通道平面板块结构，是近几年发展起来的一种新型显示系统。典型模拟球视景显示系统结构如图2所示，它一般由树脂背投幕、固定支架、投影器及其附属设备组成，将多块平面树脂背投幕拼接构成一个完整的空间立体结构，通过投影设备以背投方式将图像投射到该立体结构的各面上，它是CAVE系统的变形。根据视景空间立体结构的形状不同，模拟球显示系统分为普通形和足球形两种。足
6、球形每一屏幕为46个边，每屏均为平面屏，然后将众多平面屏(312)拼接成为球形，从外部看上去宛如一个足球。普通形一般为正方体、空间梯形体。背投球是该类型显示系统下一步的发展方向。模拟球视景显示系统，由于其各投影面均为平面，图像畸变小，分辨率高，图像清晰，视场宽阔，水平视场角可达360，垂直视场角可达180，特别适合战斗机飞行模拟器选用。若再配以立体视景计算和显示技术，显示的图像也可具有很强的空间立体感、纵深感，能达到虚像显示的效果。在美国F-15、F-16、JAS-39等喷气式战斗机飞行模拟器和我国自行研制的某型第三代战机全任务飞行模拟器上，均采用了该类型的显示系统。但由于其拼接面多，该类型的
7、显示系统调整复杂，需要专用的校准系统。4虚像显示系统的类型及特点虚像是光的反射延长线会聚而成的像，不能用显示屏承接，具有纵深感强的特点。采用虚像显示的系统主要有三种类型：同轴虚像显示系统、旁轴虚像显示系统及头盔显示。虚像显示示意图：4.1同轴虚像显示同轴虚像显示系统，由CRT显示器、分光镜和球面准直镜组成，如图3所示。CRT显示器显示各通道图像，其数目由通道数决定，一般为三个。球面准直镜是一种球面的反射镜，一般由玻璃磨制或在光滑球面镀上反射层形成，其特征是位于它焦平面上的物体能够成正立的无限远虚像。分光镜是设计成透射率和反射率均为50%的透镜，放置在球面准直镜的焦平面上。这样一来，CRT显示器
8、表面发出的光线经分光镜后，一半反射到球面准直镜，球面准直镜再将约90%的光线反射到分光镜，再一次经过分光镜衰减50%后，只剩下最初光线的22.5%成为最后的有效光线，实际上比22.5%还要低。由此可见，该类型显示系统光线损失大，致使图像亮度比较低。由于该系统属于同轴光学系统，当观察者偏离光轴较远时，看到的图像畸变较大，因此只适用于一个人观察图像。另外，从该类型显示系统成像原理上还可以看出，其受外界杂散光线干扰大。因为分光镜本身也反射座舱内的光线，会使图像对比度降低。若座舱光线太亮，飞行员甚至可以看到自己的像。又受其本身结构的限制，该类型显示系统视场角比较小，水平视场一般很难超过50，垂直视场难
9、以超过35。在前几年研制的一些运输机、轰炸机模拟器上，采用了该类型的显示系统。随着投影设备价格的降低，它已逐步被旁轴虚像显示系统所替代。4.2旁轴虚像显示旁轴虚像显示系统，又称为WIDEWide-Angle Infinity Display Equipment，广角无限显示设备)系统，主要由投影器、球面准直镜及后投影屏幕组成，如图4所示。球面准直镜，一般是在精密光滑球面框架上用真空负压一层反射膜来制成。后投影屏幕是曲面硬幕，一般由模具热压平板有机玻璃、再经特殊的涂层工艺处理得到，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侧高，并安放在球面准直镜的焦平面上，这样投影幕上的图像通过球面
10、准直镜就能成正立无限远虚像。该类型显示系统具有明显的优点。由于采用离轴方式，球面准直镜半径可以比较大，一般可达33.5M，水平视场角可达150220，垂直视场可达4050。从其成像原理上可以看出，光线损失小，亮度比较高，产生的图像可近似于空中的亮度。从其结构上还可以发现，球面准直镜倾斜放置在飞行员前，眼点不在其光轴上，座舱附近的杂散光线不会通过镜面反射到飞行员视场内，而且当观察者远离光轴时图像畸变小。因而，飞行员头位在座舱内受限制小，并受外界杂散光线影响小，可适用于双座机模拟器选用。从另一方面看，该系统也存在一些需要解决的技术难点。由于是旁轴型光学系统，即光学系统的物与所产生的像偏离光轴很远，
11、因而光学系统不满足近轴光学的公式和规律，必须合理地选择后投射屏的位置和面形，以保证图像的非线性失真最小。另外，由于虚像的放大率高、成像距离远，对球面准直镜的精度和表面光洁度要求比较高。4.3头盔显示典型的头盔显示系统，通过固定装置将显示系统固定在观察者的头部，在观察者眼睛前方形成一幅完整图像而使人产生浸感，虚拟现实系统多采用该种设备。它主要由显示部件、光学部件和外壳组成(如图6所示)。其中，受本身体积、空间的限制，显示部件一般采用高清晰度超薄液晶显示器，它负责显示由计算机输出的图形图像，并放置在光学部件(透镜)一倍焦距以内；外壳的主要作用，是支撑液晶显示器和光学部件，阻挡佩带者看到周围环境，并
12、使头盔显示器牢固的定位在头上；光学部件为透镜，用于产生放大虚像，若直接把液晶显示器放在眼睛前面，图像不能充满整个锥形视场，能看到边界，不能产生沉浸感。由此可见，头盔显示系统的基本原理，就是利用凸透镜在一焦距内可成与物同侧的正立放大虚像，再通过人脑对左、右眼的图像合成产生立体感。其实在实际运用中要更为复杂，为了消除像差还要采用其他的光学部件进行调整。此外，图像的分辨率和放大倍数(视场角大小)是一对矛盾，需要根据具体的应用要求进行综合权衡。该种显示方式最大的特点是造价低、沉浸感强，但是技术复杂，还有许多技术难点有待解决，目前还没有完全达到实用化的水平，它是以后发展的方向。随着各种具有高科技含量的传
13、感器件和光学器件的开发应用，以头盔显示的虚拟现实系统应用将日益广泛，传统的各种显示方式也将会面临全方位的挑战。5训练用飞行仿真器视景显示方案的选择5.1训练任务对视景显示系统的需求分析训练用飞行仿真器最终要为飞行训练服务，因此显示方案的选择，要根据训练任务的需要综合权衡。现代战争背景下的军事训练划分更为细致，一般的飞行训练任务可分为基本驾驶术、火控武器使用和战术训练三大类。其中，基本驾驶术训练约占30%，主要包括仪表、编队、特技等科目；火控武器使用训练，包括导弹、炸弹、航炮对空地投射等，约占40%；战术训练包括中/近距空战、护航、封锁、支援、侦察及联合演习等，约占30%。不同的训练任务，对视景
14、显示系统提出了不同的要求，经分析、统计得到的结果见表1。表1训练任务对视景显示系统的要求5.2各种显示方案性能比较通过上述对不同类型显示系统特点的分析，可以看出各种显示方案都有其自身的优缺点，其主要性能综合对比见表2。5.3选择结论根据现代战争背景下飞行训练任务的划分，对表1和表2进行对比分析，不难得到训练用飞行真器视景显示方案的选择方法：一是对于以基本驾驶术训练为主的仿真器，如轰、运机型飞行仿真器，对图像的视场角要求相对较小，但对图像的景深要求较高，多采用旁轴虚像显示和同轴虚像显示。并且在经费允许的情况下，采用旁轴虚像显示系统效果会更好；二是对于以熟悉飞机基本操作训练和火控、雷达等武器设备训
15、练为主的简易练习器，由于其功能相对比较单一，训练时重点依靠平显和多功能综合显示器画面获取有用信息，对外部视景画面要求不高，多采用造价低的实像平面窗口式显示。此外，在一些大型综合全任务飞行仿真系统中，通常设置有用于对抗格斗训练的对手台，这些对手台也适合采用该显示方案；三是对于现代战斗机全任务飞行仿真器，既要完成基本驾驶术训练，又要完成战术和空战对抗训练，对视场角等指标要求高，球形幕显示和模拟球显示是比较理想的显示方案。6结束语本文的论述和研究是建立在现有技术水平基础之上，随着科学技术的发展及新技术在视景显示领域的应用，视景显示系统的发展现状也将会随之改变。届时，要对各种显示方案进行重新分析，以便合理地选择显示方案，使研制的设备能更大地满足模拟训练的需要。
