平视显示器

定义

平视显示器是把飞行数据或行车数据经处理、投射到驾驶员视线正前方透明显示组件上的系统,驾驶员保持平视姿态即可读到信息,而不必低头查看座舱或仪表台上的仪表^[1]。显示内容会以符号、字符、图形的形式叠印在驾驶员透过风挡看到的外部视景之上,两者同时进入视野^[2]。港台地区常称之为抬头显示器,军用领域又简称平显^[3][4]。

典型的一套设备由显示组件、控制组件、传感器、计算机和电源等部分构成,可接收机载导航系统或飞行指引系统的信息^[1]。也有资料把整机结构划分为资料处理与影像显示两大单元,前者把各分系统数据换算成规定的符号,后者负责投射并配有调节面板^[3]。

原理

平视显示器利用光学反射原理工作:图像源产生的光线经反射镜或透镜组整形后,投射到座舱前端的一片玻璃即组合玻璃(combiner)上,再由镀膜镜片反射进人眼^[3]。这块玻璃大致与飞行员眼睛等高,外界景物可以透过它看到,因而显示符号与真实视景发生叠加^[2]。

关键在于成像距离。投射影像的焦距被设置在大致无穷远处,人眼从舱外景物转向符号时几乎不需要重新调焦,可视度也不易受日光照射影响^[2]。民用与军用 HUD 采用正形投影方式,让飞行航迹、人工地平仪等符号与外部视景的对应特征保持方向一致,符号随飞机姿态改变而贴合实景。

显示内容随飞行阶段切换,常规项目包括高度、速度、航向、垂直速率和倾斜角;作战状态下还会叠加目标信息、武器与发射参数以及预计命中点^[2]。着陆阶段可叠加飞行指引与拉平引导,把常规仪表的姿态指引改为轨迹指引^[5]。

发展历程

平视显示器的前身是战斗机上的光学瞄准具,它把环形瞄准圈经反射投向座舱前端的玻璃或座舱罩,焦距同样设在无限远。这类瞄准具在第一次世界大战期间出现,到第二次世界大战时被广泛使用^[2]。

真正的 HUD 依赖机载计算机对数据的处理与转换,传统仪表的信号无法直接用于显示。首款装备 HUD 的飞机为美国海军的 A-5 舰载机,时间在 20 世纪 60 年代^[3][6]。

民用方面,1975 年法国达梭公司在水星(Mercure)客机上率先使用 HUD,1970 年代晚期麦克唐纳·道格拉斯公司将 HUD 装上 MD-80 系列^[3]。1980 年代起 HUD 进入民用干线飞机驾驶舱,凭借提升情景意识和减轻工作负荷的特点逐步推广,后来成为波音 787 的标准配置、空客 A380 的选装配置^[5][1]。

车载方向的起点是 1988 年通用汽车在奥兹莫比尔车型上应用 HUD;此后显示由单色走向彩色,2020 年梅赛德斯-奔驰 S 级引入增强现实型 HUD,把导航信息与实景路面结合^[6]。中国方面,航空工业光电所在 20 世纪 80 年代初自筹资金研制机载平显,完成了国内首台样机^[4]。

应用

航空是最主要的应用领域。军机用 HUD 呈现飞行与火控信息,使飞行员在近距格斗和低空突防时眼不离外景;新一代战机如 F-35 则改用头盔显示器替代 HUD^[3][4]。民用航线运输中,HUD 与平视指引系统配合,把起飞、进近、着陆和滑行阶段的指引符号叠在外部视景上,为低能见度运行提供支持。

监管层面,借助 HUD 与仪表着陆系统的组合,经民航管理部门特殊批准,航空运营人可在 I 类仪表着陆设施上实施特殊批准的 I 类、II 类乃至 III 类运行,从而降低起飞和着陆的最低天气标准^[1]。这类运行需要配套的评估批准程序和飞行员培训,并非装上设备即自动获得资格^[1]。

汽车领域按显示介质分为三类:组合型 C-HUD 用仪表台上方的半透明树脂板成像;风挡型 W-HUD 直接投射到前挡风玻璃;增强现实型 AR-HUD 进一步扩大画幅并与实景融合,可叠加导航箭头、前车距离和车道偏离提示^[7]。W-HUD 是当前装车的主流形态,AR-HUD 已进入量产阶段^[7]。

此外,合成视景系统与增强视景系统可把地形数据库生成的图像或红外传感器图像送入 HUD,提高夜间和低能见度条件下的情景意识^[1]。模拟训练、工程机械等场景也采用类似显示方案。

局限

HUD 需占用座舱前方空间,而这一区域与座舱罩、风挡设计关系密切,体积较大的 HUD 可能难以安装到位,后续座舱设计不得不预留相应空间^[3]。它本质上仍是补充显示,只呈现基本飞行信息,不能替代座舱主仪表。

车载场景的难点集中在光学质量上。风挡由内外两层玻璃与中间夹层构成,光线在两层界面分别反射会形成一实一虚两个像即重影,通常需改用楔形夹层玻璃或加镀膜来消除,并靠自由曲面反射镜校正风挡曲面带来的畸变^[8][9]。

虚像距离仍然偏短。图像焦点到眼睛的距离有限,而驾驶员行车时关注的是前方数十米的路面,视线在虚像与道路之间切换仍需反复调焦,长时间使用可能引起视觉疲劳^[10]。AR-HUD 要求更大的视场角与更远的成像距离,会带来光学元件孔径和整机体积的增加,散热与强光下的可读性也随之成为设计约束^[11]。

显示内容过多同样构成风险。叠加的标注与虚拟图像若过于密集,会遮挡道路可见性,沉浸程度需要适度控制^[12]。此外,显示器件的亮度、对比度、畸变、重影和眼盒范围都是评价成像质量的指标,任一环节不达标都会削弱可用性^[13]。

参见

• 玻璃驾驶舱 —— 以电子显示器取代传统指针仪表的驾驶舱布局,HUD 是其显示体系的组成部分。

• 头盔显示器 —— 把显示符号呈现在飞行员护目镜上的装置,在部分新机型上替代 HUD。

• 仪表着陆系统 —— 为飞机提供进近引导的地面设施,HUD 可与之配合降低运行最低标准。

• 增强现实 —— AR-HUD 将虚拟符号与真实路面叠加所依托的技术基础。

• 合成视景系统 —— 由地形数据库生成前方地形图像并送入 HUD 显示的系统。

• 光波导 —— 用于缩小 AR-HUD 光机体积、扩大视场角的导光技术。