航空平视显示器(HUD)的质量考虑因素

话题:
作者:
Anne Corning

在电影中,我们都看到过充满戏剧性的空战片段,其中,飞行员在发射武器之前会利用导引线对准目标。屏幕上的那些导引装置称为“平视显示器(HUD)”,这样命名的原因在于飞行员不必低头查看仪表盘。 

 

2013年空战演习期间,另一架飞机上所安装HUD屏幕上十字光标内的美国海军格鲁曼F-14A雄猫战机(Grumman F-14A Tomcat)图片。图片拍摄:美国海军[公共领域],来源:维基百科共享资源(Wikimedia Commons)

平视显示器是指任何能够为飞行员提供关键飞行信息无缝视图的透明显示器。这些信息直接投射在飞行员的视线范围内(例如,飞机挡风玻璃前面),让他们能够将视觉注意力保持集中在飞机外面。航空HUD经过专门设计,能够使信息出现在与飞行员外部视野相同的视觉平面上。因此,当飞行员在屏幕上的投影与外部环境之间来回查看时,他们将无需使自己的眼睛重新聚焦。

初期的HUD最早是为二战期间的军用飞机开发的,并在20世纪60年代被广泛应用于军事领域。1993年,该技术首次应用于民用飞机领域1。如今,这些系统在军用飞机和大型商用飞机上都很常见。由于重量和复杂性的原因,常规HUD系统在小型飞机上不太常见。波音787是首架将HUD作为标准设备配置的大型商用飞机,使用的是Rockwell Collins公司的平视引导双系统。

 

庞巴迪(Bombardier)CRJ-200飞机上配置的HUD在1000英尺高处显示地平线以及其他关键飞行信息,以协助飞行员将飞机平稳着陆。图片拍摄:来自加拿大艾尔德里(Airdrie)的Shawn(CRJ HUD)[CC BY-SA 2.0  (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)],来源:维基百科共享资源

常规HUD用于显示关键信息和数据(包括数字和字母以及天气、导航和其他符号,统称为“符号体系”)。符号体系可以包含飞机位置信息(如高度)、地平线、航向和飞行路线、转向/倾斜转弯与滑行/滑移指示器、雷达数据和气流速度以及来自飞机航空电子设备和仪表的其他数据(军用飞机上的HUD还可以显示有关攻击目标、武器状态等方面的信息)。

飞行员会发现HUD在起飞和着陆期间特别有用,尤其是在能见度较差的情况下。事实上,现在只要飞机上安装了“增强飞行视觉系统”(EFVS),比如飞机HUD系统或者飞行员用的头盔显示器(也称为“头戴式显示器”,简称“HMD”),美国联邦航空管理局(FAA)则允许飞行员在“无自然视觉”(能见度为零)的情况下进行飞机着陆2

 

美国空军高级飞行员Dieri Dieujuste正在对Scorpion HMD系统进行测试。该系统可实时提供目标定位和追踪信息。图片拍摄:SSgt David Dobrydney [公共领域],来源:维基百科共享资源

HUD系统组件

为了确保有效运行,HUD系统通常包含以下设备和组件:

  • 计算机,用于接收数据(包括来自飞机系统传感器、航空电子设备和仪表以及卫星数据的实时指标)。
  • 透明显示屏,称为“合成器”。 合成器通常由玻璃或塑料制成,其可以向飞行员的眼睛反射信息,且不会妨碍挡风玻璃外面的外部视野,也不会阻挡环境光线通过。
  • 控制面板,允许飞行员选择各种显示选项和需要显示的数据。
  • 头顶装置,用于将组合图像投射到显示器屏幕上。现代HUD系统已经消除了投影装置的需要,能够直接在显示器屏幕上生成图像。

第一代HUD系统使用阴极射线管(CRT)显示器在荧光屏上生成图像。许多HUD系统目前仍在使用CRT显示器,这种显示器的缺点在于,荧光屏涂层的质量会随着时间的推移而下降。新一代HUD系统引入了固态光源,比如发光二极管(LED),由液晶显示器(LCD)屏幕进行调制以显示图像。许多商用飞机使用这种类型的HUD系统。

 

驾驶舱常规HUD原理示意图.

第三代航空HUD系统使用光学波导装置,其能够直接在合成器中生成图像,无需使用投影系统。一些最新的HUD系统使用扫描激光器,其可以在清晰透明的介质(比如挡风玻璃)上显示图像和视频。HUD制造商现在也开始使用硅基液晶(LCoS)、数字微镜(DMD)和有机发光二极管(OLED)等成像技术,以减小HUD系统的尺寸、重量和复杂性。新一代HUD技术增加了合成地形或红外视频信息,以进一步提升显示器的功能,作为更广泛类别的增强飞行视觉系统(EFVS)的一部分,包括常规HUD系统在内。

 

航空公司可以安装BAE Systems公司的全新小型LightHUD®数字显示器,对配备较旧CRT显示器的飞机进行升级.

航空HUD系统涉及的人为因素

人为因素的研究涉及对人类行为和表现的了解。在航空航天行业,人为因素的讨论通常侧重于事故和系统故障涉及的人为错误因素。在这里,它指的是人类能力和表现的特定方面,比如视觉感知。对人类先天特性和反应的考虑将有助于设计出供人类使用的最佳系统(以人为中心的设计原则)。精心设计的设备及高质量的系统和组件将有助于减少可能导致性能不佳和事故的人为因素。

对于人类而言,眼睛(以及相关的光学系统和我们大脑的视觉处理中心)是我们用于评估和理解周围世界的最重要信息来源。人类视觉推动了驾驶舱技术的许多发展。“相比过去基于测量仪器的复杂系统,现代客机如今采用的电子飞行显示器充分证明了人因工程学的进步。”3一些最重要的人因考虑因素包括:

  • 焦距和视觉调节。 为了使眼睛能够“记录清晰聚焦的图像,我们需要作出一些结构性改变,具体取决于焦距或眼睛与关注物体之间的距离。当从远处物体转到近点位置时,人眼调节焦距的过程称为视觉调节,涉及三种独立但相互协调的功能:晶状体调节、瞳孔调节和会聚。视觉调节发生的速度因人及人的年龄而异,但通常都是一瞬间的事。”3因此,如果显示器配置需要飞行员将焦点从近处(显示器屏幕)切换到远处(外部景观),则可能会潜在影响飞行员的操作,达不到通过显示器提升飞行员操作的目的。
  • 视觉注意力。 我们的大脑只能同时处理有限的视觉信息量。我们拥有视觉工作记忆,其可帮助处理和缓冲我们所接收的信息,有效地“计量”同时出现的各种视觉刺激源。然而,当人眼专注于特定的项目时,其他项目则会被挡住,这可能会引起“注意力盲区”。当驾驶飞机时,这种选择性对人类在复杂“并且存在潜在危险的环境中的操作能力至关重要…为了高效地关注各种信息来源,并在重点关注与分散关注之间合理地平衡时间,飞行员会采用一种称为‘扫描’的过程,或者以系统化方式按顺序简略关注各种信息来源。”3通过将视觉信息叠加在外部环境上,HUD显示器减少了复杂性,这使其更容易同时接收两种类型的视觉输入。

 

所有这些对我们的视觉注意力来说只是“信息太多”的问题吗?

  • 色度和对比度。HUD显示器能否提供正确的色度和对比度值对所有操作条件下的可用性和安全性至关重要。人眼对色度和亮度(照度)非常敏感。相比绝对亮度,我们对于对比度更加敏感,这使我们能够在各种照明条件下清晰地看见一切。高对比度(例如,白色页面上的黑色文本)比灰色色调更容易感知。当我们的眼睛在一个或多个物体或视野之间连续切换时,连续对比度将会影响我们在动态情境下的感知。举例来说, 当我们首先看着驾驶舱内明亮的灯光,然后将注意力转移到外面黑暗的天空时,这会导致我们的感知能力下降,因为我们的眼睛需要更长的时间来适应更暗的视野。制造商通常将绿光用于HUD系统的显示符号体系,因为人眼对这种波长最敏感。

设计因素

构建有效的HUD系统在很大程度上依赖于显示器本身的设计。制造商必须仔细评估尺寸、外观、照明以及更多其他方面的考虑因素。设计因素包括:

  • 视场(FOV) —FOV是显示器采集并传输回飞行员的角度范围(垂直、水平和对角线)。具有较窄FOV的合成器可能仅显示跑道;而较宽的FOV则可以包含整个跑道周边的更多信息,使飞行员能够看到外围物体,比如从侧面接近的另一架飞机。
  • 视差—由于人的两只眼睛之间相隔一点距离,因此每只眼睛所接收到的图像将会略有不同,这些图像在我们的大脑中组合在一起,形成我们的双眼视觉。当HUD上呈现的图像与飞行员的双眼没有一致对位时,将会出现视差错误。HUD图像必须对于飞行员的一只或两只眼睛清晰可见。此问题通常可以通过视准校正来解决。
  • 视准—人眼每次仅可专注于一个点,因此HUD图像必须进行视准校正,即:所投射的光线必须平行抵达无限平面,而不是看上去会聚在物理显示器屏幕上的某个点上。通过进行视准校正,飞行员将无需再重新调节眼睛的焦距以查看投影符号和外部环境,因为两者看起来将显示在相同的“无限平面”上。在对时间敏感且对安全关键的操作情境下,比如着陆时,消除飞行员从数字投影切换到外部视野时重新调节眼睛焦距所需的短暂时间也可能是至关重要的。准直仪是高质量HUD系统的一个关键组件。
  • 视窗 – 为了确保显示器的视准和清晰度,用户的眼睛不能处于最佳观看位置之外太远,这定义为HUD系统的头动范围或“眼动范围”区域。如果人眼移动到太靠左边/右边或上边/下边的位置,图像可能无法清晰或完整显示,或者可能会失真。现代HUD系统允许人眼在眼眶区域内拥有一定的移动自由,约为横向5英寸,纵向3英寸,经向(从前到后)6英寸。对于高质量的HUD,只要一只眼睛位于眼眶区域内,飞行员就能够观看到整个屏幕。
  • 亮度/对比度—HUD必须根据环境光线条件(日光、夜间、天气状况等)调节亮度和对比度,以确保在所有条件下的可读性。
  • 视轴—航空HUD组件必须与飞机的三个轴精确对位,以确保显示器屏幕上的数据与飞机在空中的实际位置(也就是说,相对于人工地平仪)保持一致。此对位过程称为“轴线校准”。这通常可以达到±7.0毫弧度(±24弧分)的精确度,可能会因HUD系统的FOV而异。
  • 缩放—HUD上显示的图像必须进行缩放,在飞行路线、(俯仰和偏航缩放、景观细节等)方面,按照1:1的关系与外部视野进行叠加。“例如,从驾驶舱观看的地平线下3度的物体(比如跑道入口)必须显示在HUD显示器上−3°指针的位置。”4

质量监管标准

由于HUD系统应用于实时飞行情境,它们的性能至关重要。FAA已发布多份有关HUD显示器和电子飞行显示器相关主题的咨询通告。在众多操作考虑因素中,该机构对与显示器尺寸、分辨率、线宽、亮度(在所有光线条件下)、对比度、色度、灰度、响应性、刷新速度和更新速度、缺陷(比如元件缺陷和冲程尾部缺陷)、反射性/眩光以及“驾驶舱视线包络线”尺寸有关的参数作出了规定。

如需了解更详细的规范信息,请参阅FAA咨询通告:

  • AC-25-11B – 电子飞行显示器
  • AC 90-106A – 增强飞行视觉系统
  • AC-25_1329-1C –飞行引导系统的批准
  • AC-20-167A – 增强视觉系统、合成视觉系统、综合视觉系统和增强飞行视觉系统设备的适航批准。
     

平视显示器质量的测试

航空航天行业的制造商如何能够确保有效地设计HUD设备和系统以减轻人为因素的影响、解决设计和功能考虑因素并符合FAA准则?制造商必须采用严苛的显示器测试方案并将其实施到位。全面的设计和质量控制检测可确保HUD投影正确对位并保持清晰,以保证焦距内的双目视野,并且亮度和色度足够鲜明,能够在任何光线条件下将其与周围环境清晰地区别开来。如果操作员无法解读显示器观看区域中投影质量不佳的物体,低质量的投影将会使飞机面临风险。这可能会导致错误解读、关键环境数据缺失(比如导航、物体接近度以及其他警报)和飞行员注意力分散。

为了精确地评估这些元件,制造商需要使用光学测量装置在眼动范围的多个测量点测试HUD投影(以考虑潜在的视角范围)。Radiant Vision Systems已经为消费类电子产品行业的近眼显示器(NED)测试和汽车行业的HUD测试提供了行业领先的解决方案,它们在测试速度和简单性方面具有显著的优势。这些应用与航空航天行业的HUD应用具有许多相似之处。相比使用点式亮度计或传统人工检测的测试方法,Radiant提供一体式自动化亮度测量型HUD检测解决方案,能够在两分钟内对整个显示器进行评估,确保其符合所有亮度和尺寸要求。Radiant ProMetric® 系统一直应用于各种测试环境,能够对使用各种投影方法的透视显示技术进行测量,包括OLED、波导显示技术等。

 

Radiant的ProMetric成像色度计和亮度计是配备专门设计的光学组件的先进成像系统,能够模拟人类对亮度和色度的视觉感知。许多系统包含对自动化HUD测量有用的特色,比如电子镜头、动态关注点创建和多步测试定序软件。

通过采用专门设计的能够模拟人眼对亮度和色度反应的光学组件,Radiant系统可以测量亮度、对比度、色度、均匀性以及精确评估HUD性能所需的其他因素。Radiant相机配备具有Smart Control™功能的电子控制镜头,能够对焦距和光圈设置进行精确的自适应调整。这些技术结合在一起,能够最快速、最精确地定位投射到无限平面上的发光物体,比如HUD符号。只需进行最小的调整,Radiant成像色度计便可将关注点映射到投影符号,并提供亮度和色度测量,同时在任何工作距离下记录物体距离、尺寸和比例,以确保精确投影。

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附注:

  1. "Head-Up Display" on SkyBrary, https://www.skybrary.aero/index.php/Head_Up_Display, accessed 8/2/18
  2. Refer to FAA Advisory Circular 90-106A, issued 3/2/17
  3. Nichol, Ryan J., “Airline Head-up Display Systems: Human Factors Considerations”. International Journal of Economics and Management Sciences, 4:248, May 3, 2015. https://www.omicsonline.org/open-access/airline-headup-display-systems-human-factors-considerations-2162-6359-1000248.php?aid=54170
  4. "Head-Up Display" on Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Head-up_display, accessed 8/2/18

所使用的其他参考资料:

Wood, R.B. and Howells, P.J., “Head-Up Displays”. Chapter 4 in The Avionics Handbook, CRC Press LLC: 2001. http://www.davi.ws/avionics/TheAvionicsHandbook_ Cap_4.pdf

Howells, P.J., “Head-up dispaly: not as easy as it seems!” SPIE Newsroom on www.SPIE.org, September 30, 2007. http://www.spie.org/newsroom/0859-head-up-display- not-as-easy-as-it-seems?SSO=1

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