淺析飛機照明系統(tǒng)夜視兼容改進

唐敏

(上海航旭機載電器有限公司,上海 201101)

淺析飛機照明系統(tǒng)夜視兼容改進

唐敏

(上海航旭機載電器有限公司,上海 201101)

本文主要是通過分析某一型號飛機的照明系統(tǒng),簡單概括了其在夜視兼容條件下的工作原理,并分析了照明系統(tǒng)為何要在夜視條件下彼此兼容的原因,并制定了照明系統(tǒng)滿足夜視鏡兼容條件的改裝方案。

飛機照明系統(tǒng) 夜視兼容 隱蔽

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對飛機的需求越來越高,不僅要確保機載武器的強大,還要有全天候作戰(zhàn)的能力,夜間作戰(zhàn)的水平也必須提高,隨著我國夜視成像技術(shù)的發(fā)展,夜視器材將大量裝備部隊。夜戰(zhàn)能力成為了奪取戰(zhàn)爭勝利的關(guān)鍵因素,所以,各國在飛機夜視兼容系統(tǒng)上的改良花費了很大的精力,以解決在技術(shù)層面上的短板。

1 飛機照明系統(tǒng)夜視兼容綜述

飛機的照明系統(tǒng)加裝夜視兼容的產(chǎn)品是獲得夜戰(zhàn)能力的主要方法。系統(tǒng)的夜視兼容功能通常采用微光夜視鏡來滿足,其工作光譜范圍在630nm～930nm之間;而傳統(tǒng)的照明光源均會發(fā)出該光譜范圍的光,它們在紅外和近紅外區(qū)域?qū)庥休^高光譜能量輻射,這個區(qū)域正是夜視儀的光譜響應(yīng)區(qū)域,所以當飛行員戴上夜視儀后,這些高光譜能量輻射對夜視儀產(chǎn)生強烈干擾,使其無法接收和識別機外景物的微光,令飛行員觀察不到機外目標,導(dǎo)致飛行員視野不清和眩暈,造成飛行危險,無法滿足夜間作戰(zhàn)、訓練任務(wù)的需要。通過飛機照明系統(tǒng)的夜視兼容改進,使光譜能量輻射區(qū)域與夜視儀的光譜響應(yīng)區(qū)不重疊,保證夜視儀在單機和編隊飛行時正常工作,其優(yōu)點很明顯：圖像清晰度高、經(jīng)濟成本較低、重量較輕、操作方便等。加裝夜視兼容后的武裝飛機在夜間作戰(zhàn)上的能力顯著提高,將不再受夜間的環(huán)境所限制。

2 夜視原理及性能

夜視儀是為了讓人眼能夠看到自己本身看不到的區(qū)域,要實現(xiàn)這一目的,就要往人眼不可見的光譜上發(fā)展。

2.1 夜視兼容原理概述

人眼在白天很好用,但是到了晚上,人眼對微弱光的感應(yīng)度很低,看不清周邊暗處的環(huán)境。人眼也無法捕捉到紅外光,無論紅外光的強度,都無法看到。夜視兼容的工作原理就是通過把微光和紅外光轉(zhuǎn)化為人眼可見的光譜。夜視儀主要是由望遠光學系統(tǒng)、像增強管和高壓電這三個部分組成,其工作原理是通過物鏡將物體發(fā)射的微光在像增強管中轉(zhuǎn)化為電子圖像,再通過靜電場將電子圖像呈現(xiàn)在飛機的光學顯示屏上。顯示屏被高速電子撞擊,產(chǎn)生人眼可見的光譜,進而達到夜視效果。

飛機夜視兼容改進中的夜視儀是是由光陰極接收器、微光通道板和綠色顯示屏所組成的。夜視儀主要是為了捕捉環(huán)境給物體帶來的紅外反射,通過接收器接收,將光信號轉(zhuǎn)化為電子信號,再經(jīng)過微通道板將電子信號轉(zhuǎn)化為人類可見的光源信號,實現(xiàn)夜視效果。

2.2 夜視鏡性能分析

夜視儀是飛機在黑暗環(huán)境下的首選視覺輔助設(shè)備。它有很多優(yōu)點值得人們?nèi)ゲ捎?當然也有缺點。優(yōu)點是無需固定安裝,能夠?qū)⒁挂晝x安裝在頭盔之上;正副駕駛員可以有自己獨立的夜視視角,方便飛行員觀察和作戰(zhàn);分辨率很好,視野范圍很大,能夠適應(yīng)戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)要求;呈現(xiàn)的圖像有立體感,便于飛行員判斷距離;有強光保護功能,防止飛行員在遭遇強光時眼睛受損。缺點是對環(huán)境要求能見度要大于1500米;高光度和低光度反復(fù)切換會使駕駛員出現(xiàn)錯亂,難以很好的執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù);在較為平緩,無明顯特征的地形中,夜視的立體畫面效果會受到影響,飛行員無法判斷具體的地形情況;夜視儀的工作需要有最小亮光度,完全無光的情況下,夜視鏡也無法工作;所以駕駛艙的照明系統(tǒng)才需與夜視系統(tǒng)的兼容改進。

3 夜視兼容改進

3.1 問題的出現(xiàn)

原型機駕駛艙是以藍白光照明系統(tǒng)提供主要照明,而這種系統(tǒng)是無法與夜視儀兼容的,所以在原型機安裝夜視儀的時候,就需要改變原照明系統(tǒng),要能夠與夜視系統(tǒng)兼容?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭對飛機的要求越來越高,不僅要機動性好,攻擊性強,還要具有隱身性能,這就要求飛機盡可能的不發(fā)出任何肉眼可見光源。然而原來飛機上都采用白熾燈照明,不僅與夜視儀不兼容,而且目標較為明顯,戰(zhàn)場生存較低。要想解決這一問題,我們要對駕駛艙照明和機外部照明與夜視儀的影響做出詳細的分析。在不兼容的情況下,飛行員在夜間觀察外部環(huán)境時需要用夜視儀,但是駕駛艙內(nèi)部,只能用肉眼觀察各種儀表設(shè)備。原型機座艙是采用白熾燈作為照明主要光源,而白熾燈在近紅外光譜有很好的輻射能量,會嚴重影響到夜視兼容的效果。

機艙照明系統(tǒng)發(fā)出的可見光對于夜視儀的影響是非常大的,會導(dǎo)致夜視功能的失效。機艙內(nèi)部不僅只有照明光源,還有很多信號燈,紅色警告燈、黃色注意燈和綠色提示燈等。這些燈的光譜也會在夜視儀光譜可識別范圍內(nèi)產(chǎn)生很高的輻射能量,影響到夜視鏡的使用。(圖1)

圖1 飛機夜視照明系統(tǒng)光譜響應(yīng)圖

圖2 色度坐標值

圖3 照明系統(tǒng)與夜視成像系統(tǒng)兼容性示意圖

圖4 分辨率檢測卡示意圖

通過圖1我們可以清楚地看到紅色和黃色信號燈在夜視儀光譜上會產(chǎn)生很大的輻射能量,需要對其進行消減。這樣的輻射能量進入夜視儀光譜會干擾夜視儀的夜視使用,降低其工作的靈敏度和分辨率。原型機的藍白光照明系統(tǒng)需要重新進行夜視兼容改進,解決光譜上的能力輻射問題,達到兼容效果。

原型機的機身外部照明采用的是常用白熾燈照明,這些燈的光譜也會對夜視儀產(chǎn)生影響,也會干擾編隊的其他作戰(zhàn)飛機的夜視裝備。根據(jù)飛機隱蔽作戰(zhàn)的需要,機身的照明設(shè)備應(yīng)該盡量避免發(fā)出肉眼可見的光線,最好只能發(fā)出夜視儀可分辨光譜的光線。所以,原型機機身外部的照明系統(tǒng)也要重新進行夜視系統(tǒng)兼容改進。

3.2 夜視兼容改進的確定

夜視儀大致可分為Ⅰ型和Ⅱ型,其中又分為A、B、C三大類。Ⅰ型是第Ⅲ代的增強管直視式夜視儀。Ⅱ型是第Ⅲ代的增強管投影式夜視儀。A類和B類夜視儀分別采用625納米和665納米的負蘭色物理鏡濾光片,而C類夜視儀則采用了成為“漏綠”的物鏡濾光片。Ⅰ型夜視儀可以很便捷的安裝在飛行頭盔之上,拆卸也很方便,鏡頭還可以上下旋轉(zhuǎn),使用時非常方便。該夜視儀的體積較小,重量輕,可以很便捷的在需要夜視的時候翻下來使用,在不用時翻到頭頂上,夜視儀設(shè)計的時候距離眼睛有一定距離,也可通過眼睛的余光觀察機艙內(nèi)部的儀表盤和指示燈。A類夜視儀對環(huán)境的要求很高,不能使用帶有顏色的顯示屏和紅色指示燈,否則會失去夜視功能,而B類和C類則不需要這么高的要求。同時B類夜視儀不能觀察到平視顯示器的發(fā)出的單一波長的光波,C類則可以,綜上所述,原型機應(yīng)該采用Ⅰ型C類夜視儀作為直升機的夜視系統(tǒng),從而達到兼容的效果。

3.3 夜視兼容顏色的確定

能夠與Ⅰ型C類夜視儀相兼容的顏色包括NVIS綠A、B;NVIS黃和NVIS紅。NVIS綠A可以通用于所有類別的夜視系統(tǒng)照明中,作為主要照明或者輔助照明,包括內(nèi)部自帶的光源系統(tǒng)、艙內(nèi)照明和提示燈等。NVIS綠B只能用于需要高飽和度綠色或者高亮度照明來工作的區(qū)域。NIVS黃可用來當作除A類以外的所有型號的照明系統(tǒng)的提示注意燈。NVIS紅則可用來當作除A類以外的系統(tǒng)的警告燈。NVIS白則是用作白天的照明系統(tǒng)。所以在原型機上應(yīng)采用NVIS綠作為主要照明系統(tǒng);NVIS紅作為警告燈;NVIS黃作為注意燈;NVIS綠A作為綠色提示燈;NVIS綠B導(dǎo)彈零位指示燈;NVIS白作為座艙工作燈。

原型機的機身外部照明系統(tǒng)采用的是雙模式系統(tǒng),“友好”模式和“隱蔽”模式。所謂的友好模式就是指飛機機體外部指示燈的近紅外光譜被過濾,但依然保持原有的亮度和顏色特征,這樣既保護了夜視系統(tǒng),又能夠讓肉眼清楚察覺,達到適航的目的。這種模式可以讓飛行員在所有空域中都能夠正常的使用夜視儀來訓練和作戰(zhàn)。

隱蔽模式的機外燈只能被佩戴了夜視儀的飛行員所接收。這種模式非常適合作戰(zhàn),編隊的飛行員之間可以清楚快速的識別隊友的位置和狀態(tài),能夠很清楚的看到友機的外形,方便編隊飛行、集結(jié)和跟蹤。綜上所述的所有內(nèi)容使得飛機機外照明采用了雙模式編隊燈。還有一些特殊的飛行任務(wù)需要飛機的著陸燈與夜視系統(tǒng)也要兼容,可以給飛機加裝隱蔽式著陸燈。在“友好”模式下的編隊燈顏色采用NVIS綠B顏色,航行時采用左紅右綠尾白的方式。防撞燈則是航空紅,著陸燈為航空白。而在“隱蔽”模式下的編隊燈、航行燈、防撞燈、著陸燈都只發(fā)出紅外光。為了檢測照明設(shè)備是否能夠達到設(shè)計要求,可利用公式：,u和v是被測試照明設(shè)備的1976UCS色度坐標;u1和v1為特定顏色中心點的1976UCS色度坐標;r為規(guī)定顏色在1976UCS色度圖上允許圓區(qū)域。圖2是五中顏色的色度坐標值范圍。(圖2)

3.4 夜視兼容照明輻射和亮度控制

要想達到座艙照明系統(tǒng)與夜視鏡兼容的目的,就應(yīng)該控制夜視儀工作光譜內(nèi)的輻射量,盡量減少對夜視儀的影響。NVIS輻射亮度是照明系統(tǒng)對夜視儀干擾的數(shù)據(jù)指標,通過夜視儀可以得到透過夜視儀的各種光源的輻射量。

3.5 夜視兼容改進方案

某一型號的飛機改裝實施分為機內(nèi)照明系統(tǒng)和機外照明系統(tǒng)兩個部分。機內(nèi)照明系統(tǒng)設(shè)備主要包括場致發(fā)光板、導(dǎo)光板、指示燈、信號燈、柱燈、發(fā)光環(huán)、信號器頭等。機外照明設(shè)有航行燈、編隊燈、翼尖燈、防撞燈等。

為了保證改裝質(zhì)量,對座艙內(nèi)導(dǎo)光板、指示燈、信號燈、柱燈等照明設(shè)備利用夜視兼容材料進行設(shè)計制造;對左、右儀表板下方儀表更換儀表內(nèi)的照明發(fā)光體,對國內(nèi)無法更換發(fā)光體的少量儀表,采用外貼膜的方法來保證夜視兼容性;對座艙燈、警告板、按鍵燈進行濾光處理,對現(xiàn)有信號器頭用新的夜視兼容的信號器頭替代。以上述方案來保障機內(nèi)、外照明系統(tǒng)在改裝后也具有正常和隱蔽兩種模式功能。

4 地面和飛行試驗

夜視兼容照明系統(tǒng)通過在地面和飛行試驗來檢驗改裝之后的照明系統(tǒng)是否與夜視兼容改進的要求相符。

4.1 地面試驗

地面試驗需要選擇一個無光的環(huán)境來進行,模擬飛機夜航的外部環(huán)境。需要在兩種不同的亮度環(huán)境下進行照明系統(tǒng)與夜視系統(tǒng)的兼容測試。用PR2304光源在10米和20米這兩個不同距離上進行照射,模擬夜晚的環(huán)境光來進行試驗。如圖3所示。

PR2304光源在A位置時,兩個視力超過1.2的觀察者坐在飛機駕駛艙內(nèi)15分鐘之后,戴上夜視鏡觀察的分辨率如圖4所示。

再打開駕駛艙內(nèi)的所有照明,在此進行檢測。如此操作,更換超過10名不同的觀察者,重復(fù)進行試驗。之后再在B位置,采用相同的方法進行試驗。

4.2 飛行試驗

飛行試驗的環(huán)境要求是在四分之三月到滿月之間。同時駕駛兩架飛機在空中保持5.5千米距離,其中一架按照順序分別打開機身上的編隊燈、航行燈、著陸燈、防撞燈。由另外一架飛機通過夜視鏡觀察指示燈的工作情況。

5 結(jié)語

在未來戰(zhàn)爭中,夜視兼容的配套改裝是必不可少的作戰(zhàn)裝備。它能夠讓作戰(zhàn)人員在夜間和許多肉眼不可見的環(huán)境下作戰(zhàn),實現(xiàn)全天候作戰(zhàn),提高了綜合作戰(zhàn)能力,延長了作戰(zhàn)時間和空間,能夠更加有效的獲取戰(zhàn)場信息,獲得更高的打擊能力。飛機照明系統(tǒng)與夜視系統(tǒng)的兼容,不僅能提升夜視儀的工作能力,還能整體提升飛機的作戰(zhàn)水平,提高整個軍隊的作戰(zhàn)能力。

[1]滿家巨,沈軍.夜視鏡兼容性淺析[J].湖南師范大學自然科學學報,2013(2).

[2]吳元保,張江漢,謝勛碧.直升機照明系統(tǒng)與夜視鏡兼容設(shè)計[J].計算機工程,2013(7).