作者：敦濤、王兵
機載顯示系統是飛行員與周?chē)h(huán)境之間重要的人機接口之一，是飛行員準確高效獲取作戰信息的重要保障。海陸空天網(wǎng)電一體化信息作戰體系以及先進(jìn)武器系統的發(fā)展，使得戰斗機的作戰范圍不斷擴大、作戰任務(wù)更加復雜，機載顯示系統需要以更靈活的方式向飛行員提供合適、及時(shí)和準確的數據，確保飛行員的安全和提供必要的作戰信息。發(fā)展機載顯示系統，運用人機工程學(xué)設計研制新型的機載顯示系統，對于提高飛機作戰能力具有重要意義。
戰斗機座艙顯示器
01
戰斗機座艙顯示系統的發(fā)展
隨著(zhù)航空電子領(lǐng)域新技術(shù)、新工藝的飛速發(fā)展和新型顯示器件的不斷涌現，飛機座艙顯示系統的布局和信息顯示方式日新月異，顯示器數量急劇減少，主顯示器尺寸不斷加大，分辨率不斷提高，并日益朝著(zhù)大屏幕化、綜合化、信息化和智能化方向發(fā)展。
20世紀40年代，第一代噴氣式戰斗機座艙內只有簡(jiǎn)單、耐用、廉價(jià)的航電設備，飛行員只能依靠這些設備提供的飛行和導航信息來(lái)執行低空高速任務(wù)。50年代第二代噴氣式戰斗機問(wèn)世后，隨著(zhù)機載系統和儀表的日益復雜，飛行員不得不花費較多的時(shí)間低頭查看，同時(shí)也對飛行員獲取態(tài)勢信息能力提出更高的要求，甚至會(huì )危及低空飛行的安全性。
第二代噴氣式戰斗機F-86的座艙機載系統
這一時(shí)期出現了最早的下視陰極射線(xiàn)顯示器和平視顯示器，但是因技術(shù)水平的限制，可提供的空中戰場(chǎng)信息較少，第三代噴氣式戰斗機的機載顯示系統沿用第二代噴氣式戰斗機下視顯示器、平視顯示器和“T”形儀表板布局，但機載顯示系統相比第二代噴氣式戰斗機有了本質(zhì)上的飛躍，已經(jīng)逐漸進(jìn)入到“玻璃化”時(shí)代——面積更大的下視液晶單色/多色顯示器開(kāi)始取代傳統的機電儀表，成為儀表板上的“主角”，而后者主要是作為前者的備份，一平兩下以及一平三下開(kāi)始成為主流。此外，平視顯示器也從最早期的型號發(fā)展為更先進(jìn)的多功能常光平顯和衍射平顯。
F/A-18戰機座艙
F-22“猛禽”（Raptor）的先進(jìn)玻璃座艙顯示系統沒(méi)有任何傳統儀表，由六部可在陽(yáng)光直射下也能清晰閱讀的彩色液晶顯示器組成，提供飛機上下前后左右的環(huán)境全覽，讓飛行員獲得更完備的態(tài)勢信息。F-35戰斗機的機載顯示系統，首次采用整塊大尺寸多功能觸摸式彩色液晶顯示屏，不再保留備份的機電儀表。
F-22的玻璃座艙顯示系統
F-35的座艙顯示系統比F-22又有所發(fā)展，甚至取消了平顯
為解決平顯涵蓋角度狹窄的問(wèn)題，出現了早期的頭盔顯示器，但早期頭盔顯示器制造成本極高，而且性能不佳：影像模糊、分辨率差、亮度黯淡、對比度低劣、重量不輕。隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，頭盔顯示器已成為現代機載顯示系統重要組成部分。新型頭盔顯示系統主要包含三大部分：頭盔顯示器、記憶卡和頭盔跟蹤系統。新型頭盔顯示系統能夠從戰斗機機體外部的攝像頭獲取圖像，并根據飛行員頭部轉動(dòng)進(jìn)行計算，實(shí)現精準跟蹤。飛行員可以從頭盔顯示器上獲取戰機各個(gè)角度的圖像，對于瞬息萬(wàn)變的戰場(chǎng)態(tài)勢的感知能力將大幅度提高。同時(shí)，飛行員還可以通過(guò)頭盔顯示器對目標進(jìn)行跟蹤、鎖定，然后向目標發(fā)射導彈進(jìn)行攻擊。
新型頭盔顯示系統被率先應用于美國研發(fā)的F-35戰斗機上，頭盔顯示系統為飛行員提供了可以“透視”飛機的獨特能力。頭盔顯示器可于被稱(chēng)為分布式孔徑系統的一組攝像機交聯(lián)，后者安裝在飛機的表面四周，可提供周?chē)?nbsp;360 度范圍的恒定圖像。飛行員朝下看時(shí)，飛機下方的圖像就會(huì )顯示在頭盔顯示器中。這個(gè)功能不僅在戰斗非常有用，也利于海軍和海軍陸戰隊的 F-35型號在航母上或在夜間進(jìn)行垂直降落。
新型頭盔顯示系統
頭盔顯示系統畫(huà)面
在借鑒國外成功經(jīng)驗，堅持自主創(chuàng )新的基礎上，國內飛機機載顯示系統已全面進(jìn)入彩色液晶綜合電子顯示系統時(shí)代，實(shí)現了由空分制到時(shí)分制顯示、由專(zhuān)用到多功能顯示、由分立到系統發(fā)展的跨越。座艙顯示系統布局和信息顯示方式發(fā)生了明顯變化，系統綜合化、電子化、信息化程度得到大幅度提高。多年來(lái)的裝機應用表明，座艙液晶顯示器工程化研制所涉及的一系列關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)已經(jīng)全部得到解決，而且實(shí)現了產(chǎn)品品種和功能的多樣化、規格的系列化和接口的靈活性。特別是，自主開(kāi)發(fā)的小型化高速圖形產(chǎn)生技術(shù)的應用，顯著(zhù)提高了畫(huà)面顯示質(zhì)量，大大縮小了我國在機載座艙顯示技術(shù)領(lǐng)域與發(fā)達國家之間的差距。機載液晶顯示器產(chǎn)品已經(jīng)得到廣泛應用，并正朝著(zhù)大屏幕化、綜合化和智能化方向發(fā)展。
02
戰斗機座艙顯示器的性能要求
總體來(lái)說(shuō)，現階段對飛機座艙顯示器的要求主要包含以下方面：
透明座艙顯示器要求飛行員可在強陽(yáng)光照射環(huán)境中能夠輕松獲取屏幕上的顯示內容，且無(wú)需機載光源照明輔助。這就要求顯示器具有較強亮度，并能在合理范圍內隨意調節，以保證飛行員在不同的陽(yáng)光照射條件下均可獲得清晰的顯示信息，同時(shí)不影響飛行員的視力。
在全日光條件下，若要使飛行員可以清楚地看到顯示內容，就要求顯示器具有較高的對比度和灰度比。在最高亮度條件下，顯示器的灰度等級至少超過(guò)5級，同時(shí)灰度比達到10：1，才能使飛行員清晰有效地分辨屏幕上細小的顯示內容。
為使座艙顯示器能在外界從0.1Lx至108000Lx的亮度變化內進(jìn)行清晰地顯示，為飛行員提供有效的飛行信息，機載座艙顯示器的亮度應具有持續可調節性。通過(guò)調節顯示內容的亮度，以滿(mǎn)足不同作戰環(huán)境和天氣下的顯示要求。
在60°×60°視場(chǎng)（FieldOf View簡(jiǎn)稱(chēng)為FOV）中至少保證每1′40''的范圍具有一個(gè)彩色象素點(diǎn)，或者說(shuō)在FOV視場(chǎng)內，顯示器具有4.6M以上的象素值。而全景座艙顯示要求在保證高分辨率條件下將FOV增大至120°×120°的范圍。
利用不同的顯示技術(shù)制造的顯示器具有不同的最佳顯示尺寸，與液晶顯示器相比，QLED和PDP顯示技術(shù)就難以實(shí)現超大屏顯示。選擇合適的顯示技術(shù)，并將其應用于具有不同尺寸要求顯示器，實(shí)現飛行信息的高效顯示，以成為現代航空領(lǐng)域研究者探索的重點(diǎn)。
03
各類(lèi)新型顯示技術(shù)概述
機載顯示器的最大要求是增加飛行員的態(tài)勢感知能力。隨著(zhù)全新軍事理念的提出和發(fā)展，未來(lái)戰斗機將會(huì )面臨更為復雜甚至極端惡劣的戰場(chǎng)環(huán)境，需要在多維立體環(huán)境下執行多平臺、多任務(wù)的高度信息化作戰樣式。環(huán)境因素和作戰任務(wù)的變化，給飛機座艙顯示技術(shù)帶來(lái)了嚴峻的挑戰。
顯示技術(shù)發(fā)展至今不斷的適應并滿(mǎn)足當今航空領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，戰機顯示系統對于高亮度、高清晰度、高對比度、抗極端環(huán)境的顯示器件的需求越來(lái)越高。新一代戰機對顯示器件的要求無(wú)論從器件的尺寸、像素、色度、圖像質(zhì)量、成本等因素考慮都對顯示器件是極大的挑戰?，F階段，世界上主流顯示技術(shù)主要包含以下幾類(lèi)：
量子點(diǎn)顯示器原理示意圖
量子點(diǎn)顯示器（QLED）作為顯示器領(lǐng)域的新興力量，被研究人員逐步應用至機載顯示系統中。量子點(diǎn)（Quantum Dots）是一些晶粒直徑在2~10nm的半導體納米晶體，當量子點(diǎn)受到光或電的刺激，便會(huì )發(fā)出不同顏色的可見(jiàn)光，并且光線(xiàn)的顏色由其組成材料和粒徑尺寸決定，這一特性使得量子點(diǎn)能夠改變光源發(fā)出更多更純的光線(xiàn)顏色。由于技術(shù)的簡(jiǎn)化，并采用了穩定可靠的無(wú)機半導體材料，使得QLED顯示屏在顏色純度和發(fā)光效率方面都會(huì )有大大的提升。QLED顯示技術(shù)是將量子點(diǎn)的光學(xué)材料置于背光燈與液晶面板之間，用量子點(diǎn)替代傳統的熒光粉，使得液晶顯示背光更加純正。通過(guò)藍光背光源照射在粒徑不同量子點(diǎn)發(fā)出紅色和綠色，加上透射的藍光形成RGB三原色。相比其他類(lèi)型顯示設備，量子點(diǎn)技術(shù)使得綠色和紅色更加閃亮，因其不是通過(guò)濾色片濾掉光線(xiàn)，而是直接將光線(xiàn)轉變成不同的顏色，表現為更為明亮，色彩更亮麗的同時(shí)可以消耗較少的能量?；谝陨蟽?yōu)勢，QLED顯示技術(shù)可以降低機載顯示系統的功耗，同時(shí)使飛行員能更加清晰的接收圖像信息。
液晶顯示器原理示意圖
液晶顯示器自誕生以來(lái)就被廣泛應用于各類(lèi)航空顯示系統中?，F階段，世界上主流的機載顯示系統都以液晶顯示器作為其主要顯示器件。液晶顯示器是一種采用特殊材料——液晶的平面超薄顯示設備，根據液晶分子的排布方式分為：扭曲向列型、超扭曲向列型、雙層超扭曲向列型以及目前廣泛應用的薄膜晶體管矩陣型。在電場(chǎng)作用下，液晶分子會(huì )發(fā)生排列上的變化，這種現象稱(chēng)之為電光效應，液晶分子結構的變化從而影響通過(guò)其的光線(xiàn)變化，繼而通過(guò)偏光片的作用可以表現為明暗的變化，再配合彩色濾光片，人們就可以實(shí)現通過(guò)對電場(chǎng)的控制最終控制了光線(xiàn)的灰度和亮度變化，從而達到顯示圖像的目的。
液晶顯示器因其工藝簡(jiǎn)單，性能穩定等特點(diǎn)，被廣泛應用于航空顯示領(lǐng)域。但由于液晶本身的性質(zhì)，導致其難以克服高溫、低溫、強干擾等惡劣環(huán)境，所以其作為航空主流顯示器件，還有很多的技術(shù)問(wèn)題亟待解決。
等離子體顯示器原理示意圖
本世紀初等離子體顯示器因其生產(chǎn)鏈過(guò)短等因素逐漸淡出民用顯示領(lǐng)域，但其在航空顯示領(lǐng)域依舊得以應用。等離子顯示器又稱(chēng)為電漿顯示器，在兩張薄玻璃基板之間整齊排列著(zhù)密封的等離子管發(fā)光元件構成屏幕，并充填氙氖的混合惰性氣體。在等離子管電極間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體會(huì )產(chǎn)生等離子效應從而產(chǎn)生紫外光，同時(shí)激發(fā)到前面板上的紅綠藍熒光粉發(fā)出肉眼能看到的可見(jiàn)光，以此成像。由這些像素的明暗和顏色變化組合使之產(chǎn)生各種灰度和色彩的圖像，類(lèi)似顯像管發(fā)光。早期等離子顯示器器件的三種熒光粉用寬度一致的小低壓氣體室相間，由于紅、綠、藍三種熒光粉的發(fā)光效率以及壽命各不相同，導致三種色光混色產(chǎn)生的色域及亮度與CRT相比較差，而隨后發(fā)明的“非對稱(chēng)單元結構”使得在彩色還原和亮度方面都比以前的產(chǎn)品有很大提高。相比于液晶顯示器，等離子體顯示器更能適應高溫、強干擾等惡劣環(huán)境，因此將其作為新一代機載顯示器件的方案依舊可行。
有機電致發(fā)光顯示器原理示意圖
OLED顯示技術(shù)作為近幾年剛剛誕生、成型的顯示技術(shù)，在航空領(lǐng)域和民用領(lǐng)域均得到了廣泛的重視。OLED 顯示技術(shù)是一種利用有機半導體材料制成的，用直流電壓驅動(dòng)的薄膜發(fā)光器件，其發(fā)光原理和LED大致相同。OLED 的基本結構是采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板。由一薄而透明具半導體特性的銦錫氧化物，與正極和陰極相連形如三明治的結構。整個(gè)結構層中還包括了：空穴傳輸層、發(fā)光層與電子傳輸層。當有電流通過(guò)時(shí)，正極空穴與陰極電荷就會(huì )在發(fā)光層中結合，產(chǎn)生光亮，依有機發(fā)光材料不同產(chǎn)生RGB 三原色，構成基本色彩。根據使用的有機材料不同，OLED又分為以共軛性高分子為材料的高分子PLED和以染料及顏料為材料的小分子OLED，其器件制備工藝上分別為：小分子器件主要采用真空熱蒸發(fā)工藝，高分子器件采用旋轉涂覆或噴涂印刷工藝。根據驅動(dòng)方式不同，OLED也分為應用于小尺寸的無(wú)源矩陣和應用于中大尺寸的有源矩陣。OLED以其自主發(fā)光、高效率、輕、薄、柔以及優(yōu)異的顯示效果等優(yōu)點(diǎn)，被視為21世紀最具前途的產(chǎn)品之一。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，OLED顯示技術(shù)有機會(huì )也有能力取代傳統的液晶顯示技術(shù)，成為機載顯示領(lǐng)域的一顆新星。
04
未來(lái)座艙顯示器件的發(fā)展展望
就顯示形式而言，未來(lái)體系作戰下的信息數據流將使得座艙顯示“信息爆炸”，機載顯示器會(huì )向高清晰、高亮度、低功耗、抗惡劣環(huán)境、曲面顯示、柔性顯示等諸多方向發(fā)展。單個(gè)如F-35的大屏幕顯示器將遠不能滿(mǎn)足飛行員獲取信息數據流的顯示需求，而隱身設計的需求也會(huì )限制座艙空間的增大。隨著(zhù)新興的OLED顯示技術(shù)和QLED顯示技術(shù)的成熟,曲面顯示器、柔性顯示器的應用將使得利用艙蓋透明件作為顯示器成為可能，從而建立超級全景座艙。艙蓋顯示器功能上可以替代當前平視顯示器，又可以直觀(guān)顯示整個(gè)作戰空域的態(tài)勢感知，三維顯示附近的作戰體系環(huán)境，同時(shí)結合虛擬成像技術(shù)，還可以提供夜間、潮濕結冰天氣、濃霧等不利環(huán)境條件下的飛行能力。座艙內部的大屏幕顯示器將增加時(shí)間維度的顯示，使置身于座艙內部的飛行員不但能直觀(guān)地得到飛機三維真實(shí)飛行的信息，還可以得到飛機的預見(jiàn)軌跡和飛機在未來(lái)一段時(shí)間內的預測輸出狀態(tài)，便于飛行員對目標進(jìn)行無(wú)延遲地跟蹤，降低飛行員腦力負荷，提高作戰能力。
來(lái)源：智勝空天
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