针对头盔显示系统高像质、全彩显示、结构简单紧凑的应用需求，提出双自由曲面棱镜结构，利用离轴折/反射的原理，设计了一款双通道头盔显示光学系统。通过自定义约束函数，构建了双棱镜模型，运用矩形阵列光瞳采样算法结合矢量像差理论，迭代优化了离轴非旋转对称系统。所设计的投影和透射双通道系统工作波段为400~700 nm，出瞳直径为8.5 mm，出瞳距离为21 mm，体积为41.5 mm×31.5 mm×14.1 mm。投影通道视场为45°，全视场调制传递函数值在61 lp/mm处大于0.3，透射通道视场为52°，全视场调制传递函数值在30 cycle/（°）处大于0.4。对双通道系统进行了眼球动态像质分析，结果表明，在出瞳直径范围内，人眼所接收到的像质基本不受眼球姿态的影响。该双棱镜结构为下一代双通道头盔显示系统提供了可参考的设计方向。

增强现实头盔显示器(HMD)需要两个或更多焦平面,用以显示不同焦距上的画面,既能增强景深效果又能减少单焦面带来的视觉辐辏冲突及不适感。较为传统的解决办法是使用两块分离的图像生成单元(PGU)分别显示两个焦面的内容,增加了成本,降低了可靠性并且体积庞大。使用单个图像生成单元和单个自由曲面棱镜设计了一个新的结构,在图像生成单元上设置两个分开的区域,并通过平面反射镜将其中一个图像区域中继到新的较远位置以实现双焦面显示,最终得到一个视场角为18°×16°,出瞳直径为8 mm,波长为540~640 nm,出瞳距大于15 mm,焦距为95.2 mm和35.2 mm的双焦面头盔显示光学系统。

针对视觉式头部姿态测量系统存在编码特征点安装空间需求大的问题, 设计一种结构简单、需求空间小的瞄准线测量方法。使用定位摄像机拍摄头盔上的编码特征点图像, 计算机对图像进行解析和计算, 结合正交迭代(OI)算法解算头部姿态。根据编码特征点随意布局特点进行了多组多次的仿真分析, 仿真数据表明此方法是合理、有效的, 利用小空间布局的编码特征点可以解算出高精度瞄准线。

针对头盔显示器(HMD)的头部姿态检测系统中单一传感器进行头部姿态解算准确度低、精度粗略的问题, 提出了一种基于MARG传感器的头部姿态解算方法。将互补滤波与PI算法相结合估算陀螺仪的漂移误差, 再通过扩展卡尔曼滤波(EKF)实现姿态数据融合。设计了由CC1310、陀螺仪、加速度计和磁强计组成的头部姿态检测单元进行测试实验。与单独的EKF对比, 结果表明, 这种算法对陀螺仪自身的漂移和加速度计噪声有抑制作用, 提高了头部姿态解算的精度和稳定性。

自动测量头盔显示器的视差时, 用CCD相机取代人眼的主观读取, 由于机器视觉不如人眼灵活, CCD相机在人眼观察点才能确保移动时采集的图像是完整的, 从而保证全视场的视差测量。该文提出采用模式搜索法在头盔显示器光学平面内实现CCD相机自动对准人眼观察点(眼位点), 从而实现头盔显示器全视场视差的自动测量。对该自动测量系统的测量原理, 以及CCD相机自动对准眼位点的实现过程进行了详细论述与说明, 对测量精度与效率, 对准精度与重复定位精度进行了实验分析。实验结果表明, 该方法能够快速、准确、自动地对准眼位点, 定位精度为±0.071°, 与摆头法测量视差系统进行对比实验, 全视场视差测量效率高, 重复精度高。

针对运动平台上头部姿态测量问题, 提出一种可以获得更快测量速度、更高测量精度的综合测量方法。通过卡尔曼滤波将分别由视觉测量和微惯性测量得到的头部姿态数据进行数据融合。利用视觉测量对微惯性测量进行校正, 综合了视觉测量方法误差不随时间变化与微惯性测量方法测量速度快、测量范围大的优点, 抑制了惯性测量随时间累积产生的无约束发散误差, 克服了视觉测量方法范围受限、容易受到干扰的缺点, 并经过试验分析与仿真, 得到了验证。

针对头盔显示器质量小、尺寸合适及结构紧凑方面的需求, 利用离轴折/反射式原理设计一款头盔显示器光学系统, 采用单片式自由曲面棱镜解决出瞳直径小的问题。设计的系统参数如下：出瞳直径8 mm, 视场角20°(H)×15°(V),出瞳距离20 mm, 配合0.47 in的OLED-XLTM显示屏, 显示区域9.6 mm×7.2 mm, 像素数640 pixel×480 pixel, 像元尺寸15 μm×15 μm。采用单个元件设计, 体积小于13 mm×25 mm×17 mm, 所用材料为K26R, 在30 lp/mm时全视场调制传递函数大于0.25。该系统采用单个元件设计, 兼顾成像质量的同时, 使光学系统的体积和质量更小。

为解决目前头盔显示器中存在佩戴舒适性差等问题，提出采用无线通信技术来代替有线电缆。以机载狭小座舱环境为研究对象，通过分析无线信号在机载座舱空间内的传输特性，以Jakes模型为基础，结合飞行员头部运动规律，提出了一种新的多普勒频移表达式，并通过Matlab对改进的Jakes模型进行仿真分析，从仿真结果看出，改进Jakes模型的自相关函数曲线和互相关函数曲线与理论值更加接近，具有更好的二阶统计特性，可以应用于机内无线信道建模研究。

头盔瞄准数字显示界面的设计关系到飞行员的认知绩效。由于头盔瞄准界面透视显示的特殊性, 其实时变化的背景对于前景色的选取提出了新的要求。通过实验手段, 以游标敏锐度为测量方法, 通过反应时间和正确率的数值, 在典型天空背景样本中对比了前景字符在明度和饱和度两个维度上的相对较优值。实验发现, 头盔瞄准界面在白天和全天候使用状况下, 字符色彩HSB值(120° 33% 33%)和(120° 99% 33%)的色彩识别性较好; 在夜间使用情况下, 字符色彩HSB值(120° 33% 66%)的色彩被识别性较好, 为头盔瞄准界面色彩设计提供了科学的依据。