基于头盔显示的装甲透视外军发展

徐文静，王铁虎

（解放军63963 部队，北京 100072）

0 引言

21 世纪以来，战场的广域性和多维化特征愈发明显，威胁对象多样化、火力打击多元化特征显著，只有不断提高武器装备的态势感知与目标探测能力，先敌发现、先敌瞄准、先敌打击，才能取得陆战场非对称作战优势。头盔显示系统作为一种智能敏捷态势感知设备，已经广泛应用于航空战斗机、直升机的观察瞄准与显示操控，通过实战运用证实能够大幅增强战斗员对外界战场的态势感知能力，提高装备作战能力［1］。

通过借鉴航空领域头盔显示技术的应用成果，以美国为首的各军事强国正在针对地面装甲装备开展装甲“透视”技术研究，已取得初步研究成果，该项技术旨在提升装甲装备的多维战场态势感知能力、多目标快速智能探测识别与威胁判定，进而提高装甲装备的战场生存力及智能化水平。随着技术演进，未来有望实现装甲车辆的闭舱驾驶，变革装甲装备设计与驾驶操控方式，创新装甲装备作战样式，提升装甲装备信息化、智能化作战能力。

1 头盔显示系统概述

1.1 头盔显示系统概念与分类

头盔显示系统利用光学镜头将显示器输出的图形图像显示在人眼观察舒适的视野范围内，是一种能在不占用使用者双手的同时，为使用者提供可视化图形图像的可穿戴近眼显示设备［2］。头盔显示系统具有模块化、自定义显示、灵巧轻便和无需手持的特点，既可作为独立的显示设备，也可与雷达、陀螺仪、夜视仪等外围设备配合使用，被广泛应用于航空航天领域［3］。目前，航空飞行员的头盔显示系统能够将瞄准标记、航电数据和战场态势等信息直接投影到头盔显示器上，使飞行员可随时掌握各种态势信息［4］。

综合分析目前各类头盔显示系统的结构组成，其主要由图像信息显示源、光学成像系统、头部位置检测装置、传感定位系统、计算机处理系统、头盔与配重辅助装置等几部分组成［5-7］。各部分之间紧密耦合，每一部分的性能直接关系到头盔显示系统的作战效能。

头盔显示系统按照技术路线、工作原理、显示方式及使用环境不同，有多种分类方法［8］：1）按照技术路线分为虚拟现实型（直视型）、增强现实型（透视型）和混合现实型；2）按工作原理分为光电式、电磁式、机电式、超声波式及其他形式［9-10］；3）按显示方式分为单色显示、彩色显示、平板显示和其他显示；4）按使用环境分为昼视型和昼夜可视型；5）按使用场合分为陆用和机载头盔显示系统。

1.2 头盔显示系统在军事领域的发展沿革

从第1 代头盔显示器踏上历史舞台到今天美国四代战机F-35 的头盔显示系统步入实战运用，历经50 余年发展历程，按照性能和技术特点，机载型头盔显示系统大体经历了3 个代际的发展［11］，从有限视场扩展到全景大视野，从少量信息显示发展到多功能智能显示，从单一目标识别进阶到多目标精准识别，目前以增强现实型显示系统为重点发展方向。头盔显示技术在军事航空领域的应用，为提高战机作战效能和减轻飞行员任务负担发挥了重要作用。

随着需求推动与技术发展演进，第4 代头盔显示系统已经初见端倪。以美军F-35 战斗机头盔显示瞄准器为代表的新一代智能头盔显示系统［12］，通过飞机上的分布式合成孔径系统（EODAS）摄像机和传感器能够为飞行员提供360°观察视角，使飞行员视野能够穿透战机底部不受遮挡，提升夜间航行以及航母起降安全性。当飞行员注视某个方向，头盔显示系统便可精准定位角度，实时显示机外画面。对于观察视场外的威胁目标，头盔显示器将自动告警，从而减轻飞行员的目标识别与判断强度。在F-35 战斗机上已经取消了驾驶舱平视显示器，所有飞行信息以及目标信息全部集中到头盔显示系统中［13］。

2 军事领域陆用头盔显示系统的技术方法

2.1 陆用头盔显示系统的关键技术

与机载头盔显示系统一样，其共性关键技术主要集中于头部跟踪器技术、头盔和显示器模块化技术以及微显示器技术［14］。陆用头盔显示器有其明确的军事需求：1）大视场高亮度；2）跟踪快速响应；3）高分辨率图像显示；4）外形紧凑质量轻巧。围绕此需求国内开展了广泛的研究开发工作。

2.2 国内陆用头盔显示系统的技术路线

2.2.1 车载视频观察系统

2015 年，王永杰［15］提出了一种坦克车载视频观察系统，将安装有摄像头的云台置于车体外壁，舱内乘员通过控制云台转动，采集不同角度视频数据，并将数据呈现于舱内显示器上。这种结构设计在实战应用中不利于坦克隐蔽，会降低装甲车辆战场生存力。且视频图像未经全景拼接，画面独立、视角有限，不利于车内乘员全面掌控战场态势。同时，由于该系统需要手动操控云台和持续观察显示器，增加乘员操作强度、降低观察效率。

2.2.2 视频图像拼接系统

沈峘［16］提出了一种基于拼接视频图像的汽车行驶记录系统，将多个摄像机置于车身外壁，将摄像机拍摄的多路视频通过拼接处理模块进行图像整合，获得360°全景图像。该系统通过自动采集与全景拼接获取360°图像，但却带来了图像信息过剩冗余问题，使视频处理模块的数据处理负担加重，影响场景信息的高效实时显示。

2.2.3 基于现场可编程门阵列（FPGA）的大视场图像实时拼接

杨磊等［17］提出了一种以现场可编程门阵列（FPGA）技术为核心的大视场图像实时拼接技术。该技术对图像进行亮度调整，主要利用相位相关法完成相对平移量检测、配准，采用线性加权融合算法对配准图像进行融合处理。该系统简单可靠，增大视场，同时具有较高清晰度，实时性强。但是，该系统采取的配准方法易受到摄像头拍摄质量影响，当各个摄像头处于光照情况不同或者拍摄参数不一致的情况时，配准精度明显降低。

2.2.4 光电分布式合成孔径系统（EODAS）

光电分布式合成孔径系统（EODAS）结合了光电系统的被动探测和分布式结构的全向功能特点，在当前越来越复杂的作战环境下能够有效提升平台的环境态势感知能力［18］；该系统通过多图像采集设备协同的工作方式，调用多个子孔径对目标进行全息探测，然后将探测信息综合起来，得到较大的数值孔径，使得观察人员可以感知更加开阔的视野。光电分布式孔径系统（EODAS）依托其先进性，成为未来光电系统的重要发展方向。

2018 年，南京理工大学的蒋晓东［19］提出了一种基于头盔显示的装甲车辆舱外观察系统方案及新型视频处理方法。该方案属于EODAS 应用，通过舱外摄像头组拍摄多路视频，利用位置敏感探测器（PSD）光学定位与惯性传感单元姿态传感电路模块协同处理，获取当前驾驶员的视角信息。新型视频处理方法为：1）根据视角信息提取所对应的视频图像，进行视频图像的校正、稳像、特征匹配与图像融合处理过程的硬件电路实现；2）充分利用硬件并行结构对图像特征匹配尺度不变特征变换（SIFT）算法进行加速，形成一幅大视场的舱外场景图像；3）借助头盔显示器以透视叠加形式直接呈现在驾驶员眼前，实现基于头盔显示的装甲车辆大视场观察。该方案可以有效克服传统潜望镜观察视角有限、操作强度大等缺陷，有效避免了360°全景图像拼接的信息过剩与图像融合效果差等问题。

3 外军基于头盔显示的装甲透视成果应用

目前各国在役的装甲装备，乘员基本通过潜望镜、瞄准镜、车长周视镜等观瞄设备观察战场、识别目标，目视视场小、观察手段单一，导致大范围多目标的探测识别能力弱，并且人员需要长时间紧贴观瞄装置目镜操作，持续作战能力不足，目标自动跟踪识别等智能化程度低。但近几年来，世界各军事强国将航空领域较为成熟的头盔显示系统引入地面坦克装甲车辆，带来了基于头盔显示的装甲透视技术革命。

3.1 装甲透视实现途径

“装甲透视”是借助车载分布式传感器获取全息外界影像，通过智能头盔显示系统实现乘员对信息的感知与运用，概念形式如图1 所示。通过利用多源信息融合、增强现实、虚拟现实、数字绘图等技术，将战场环境、目标位置等信息投影在头盔显示器上，使装甲车辆乘员能够在封闭甚至无窗的驾驶、乘员舱内“透过”车辆装甲实时感知车外环境，完成车辆驾驶、作战指挥以及武器操控等多样化任务［20］。

图1 装甲透视概念图

3.2 外军研发成果

2016 年～2018 年，世界各军事强国针对基于头盔显示的装甲透视技术研究迅猛发展，成果丰硕。

3.2.1 美国研发头盔式立体视觉系统

2018 年7 月，美国陆军坦克车研发工程中心与霍尼韦尔航空航天公司合作研发了新型头盔式立体视觉系统。该头盔显示系统综合运用高分辨率360°情境感知传感器、先进通信、无人空中载具等前沿技术改进车辆平台，利用头盔式显示器取代车窗，通过固定在车辆上的相机和传感器将数据提供给车载计算机，拼接成连贯图像显示在头盔显示器上，并利用增强现实技术叠加来自各信息源的关键信息，增强驾驶员视觉［20］。

3.2.2 英国研发“战场视图360”系统

2017 年，英国航太系统（BAE System）公司研发“战场视图360”头盔显示系统［21］。该系统由安装在车辆外部的摄像机、传感器和智能头盔组成，能够将车外实景地图数据与其他战场信息融合，如图2所示，显示在智能头盔的透明单片眼镜显示器上。

图2 英国“战场视图360”系统视觉画面

该系统作为一种敏捷态势感知工具，不仅能为车内乘员提供360°实时视图，还可以将外接平板显示器联入系统进行功能扩展［22］，将战场上的各类数据信息进行汇总整理、分类标记，进而实现态势追踪，亦可将数据信息传递给作战网络中的其他作战单元。

该系统通过开放式架构设计，能够与任意车型或操作系统进行集成［23］。目前，该系统已经完成与CV90 装甲车、布拉德利步兵战车的演示测试，此项设计可以大幅增加新研装备的军事经济效益。

3.2.3 以色列研发“铁视”头盔瞄准系统

2017 年，以色列埃尔比特系统（Elbit Systems）公司借鉴其航空领域传感器及系统架构设计，研发出“铁视”头盔瞄准系统［24］。该头盔瞄准系统运用分布式合成孔径系统概念，利用坦克外围部署的多部传感器，以零延时高清模式显示外部画面信息，实现人员对外界的360°全向感知，如图3 所示，为坦克乘员营造真实的外界环境视角，实现“透视”装甲。以色列“梅卡瓦”MK4 主战坦克即将升级该项装甲透视技术，预计在未来3～4 年内投入使用［25］。

图3 “铁视”头盔系统显示的装甲车外部“透视”画面

3.2.4 乌克兰研发“环绕观察”系统

2017 年10 月，乌克兰基辅安防展上展出了透明装甲公司研发的“环绕观察”系统，该系统由集成全息透镜的头盔、安装在装甲车侧面的昼夜摄像机和透明装甲软件组成，可为车辆乘员实时提供战场360°高清视图，使用户能够观察、锁定并攻击目标，并可接收来自无人机系统等其他信息源的目标标识与视频信号。

3.2.5 挪威将智能穿戴设备Oculus Rift 头盔引入军事领域

2018 年5 月，挪威陆军开展实验，将Oculus Rift头盔用于坦克驾驶系统。通过安装在坦克外侧的摄像头，驾驶员穿戴此设备获取车辆外界信息，实现驾驶坦克。同时设计可集成于“战场管理系统”的增强现实软件，使驾驶员通过头盔面罩即可观察到武器、战场雷区、敌军等多类别目标，增强车内乘员的战场态势感知能力［26］。

4 基于头盔显示的装甲透视功能分析与前景展望

4.1 功能特征分析

4.1.1 全方位精确态势感知

通过采用与人眼视网膜分辨率相当的外部摄像机，能够带给装甲车辆乘员逼真的全方位车外视野，使乘员位于车内良好防护前提下，提供连续无缝的360°全景视图，增强态势感知能力。

4.1.2 全天时全天候信息获取

通过配备高分辨率日光摄像头、红外、热成像模块等传感器设备，实现变焦观察、昼夜观察，且具备发现识别隐藏目标的能力。从而增强驾驶员在低光照、低能见度环境中获取周围态势以抵御局部威胁的能力。

4.1.3 与任务规划系统、战斗管理系统集成

该系统可以与任务规划系统、战斗管理系统集成，实现信息共享。不仅可以向操作人员提供外部实时图像，还可以利用人机界面显示车辆架构信息以及战斗管理系统提供的数据信息。

4.1.4 模块化设计满足自定义及功能扩展

安装在装甲车外部的传感器部件采取模块化设计，允许军方根据不同作战层级、不同作战环境需求进行自定义选装，并可加装额外的传感器以增强对特殊目标的感知与识别能力。

4.2 军事应用中需关注的技术难点

1）图像数据处理及计算速度

近年来，计算机高速运算能力飞速增长，但对于高分辨率图像的数据处理与计算依然具有挑战性。计算机处理视网膜级别细节图像数据的速度仍有待提高。

2）人机界面及显示集成设计

当前，装甲车内乘员观察、驾驶、操控、指挥等各类任务日趋饱和，工作强度较大。在有限的物理空间、能力空间引入新技术时应充分考虑人机工效问题，通过研发高效简洁的人机界面、开展集成化设计，减轻乘员操作使用负担，提高工作效率。

3）网络安全与物理安全设计

一方面，基于头盔显示的态势感知系统在接入网络后即面临着网络威胁，应采取技术手段避免信息数据的错传、失传以及大范围延时。另一方面，各类传感器在物理域也会面临遭受破坏的风险，应考虑传感器模块的集成设计与优化，以减少物理损坏或失效的发生概率。

4）车内抗电磁干扰设计

装甲车驾驶室内的电磁环境较为复杂，需要通过硬件设计、软件算法等方式实现抗电磁干扰，确保乘员观察到的信息实时准确。否则电磁干扰引发的视觉变形与晕动将大幅影响车辆的环境感知与驾驶操控能力。

4.3 未来集成应用前景

1）支撑装甲车辆闭舱驾驶概念实现。装甲透视技术是闭舱驾驶概念实现的重要手段支撑，尤其针对复杂城市作战环境，在顶部舱门始终关闭情况下实现操控车辆与武器平台，使乘员在装甲防护座舱内实现智能感知、车辆驾驶与武器操控。该项技术的发展应用将改变未来装甲车辆的设计与操控方式，变革地面突击装备作战样式，大幅提升车内乘员的战场生存能力以及装甲车辆智能化水平。

2）与遥控武器站集成。将头盔显示系统与装甲车辆遥控武器站的观测、瞄准功能进行整合，武器操作手即可获得增强型的战场态势与目标信息，快速实现对打击目标的发现、识别与锁定，自动匹配打击武器自动装弹，操作手确认后即可发射，实现快速打击，从而大幅提高武器操作手工作效率，实现“观察-锁定-发射”全链条辅助功能。

3）与联合作战体系内侦查情报系统的战场数据交联互通，实现与无人机、无人车、单兵战场信息数据交互、融合。为装甲车辆的战场全域感知、广域打击提供手段，提升装甲装备的信息力与打击力。

5 结论

目前，世界各军事强国针对基于头盔显示的装甲透视已经取得技术突破，形成领先优势［27］。该技术为装甲装备的智能化感知操控提供手段，增强装甲车辆的态势感知能力与战场生存力。随着人工智能、混合现实、融合感知等技术不断发展，基于头盔显示的装甲透视技术运用必将为未来复杂环境作战带来信息非对称优势，为装甲装备智能化作战发挥重要作用。