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IAEE8 — Instrumentos e Aviônica

Aviônica Militar I

Requisitos e HUD (Head-Up Displays)
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO · Campus São Carlos
Curso de Engenharia Aeronáutica

Bibliografia: COLLINSON, R. P. G. Introduction to Avionics Systems. 3. ed. Boston: Springer, 2011.
Cap. 7: Displays and Man-Machine Interaction · Seção 7.2: Head-Up Displays

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Prof. Fabriciu Alarcão Veiga Benini
Professor de Ensino Básico, Técnico e Tecnológico · Área Aeronáutica
Engenheiro Eletricista · Mestre em Sistemas Dinâmicos · Doutor em Telecomunicações

Roteiro da apresentação

Bloco A — Abertura

O que é o HUD e por que ele existe

Bloco B — Fundamentos

Óptica e configuração do HUD refrativo

Bloco C — Desenvolvimento

FOV, brilho e restrições de instalação

Bloco D — Tipos e variações

HUDs holográficos de amplo FOV

Bloco E — Integração

Eletrônica e arquitetura de dados do HUD

Bloco F — Aplicação

Projeto numérico e geração de display

Bloco G — Fechamento

Síntese, fórmulas-chave e guia de estudo

FOV — Campo de Visão

FOV (Field of View, ou Campo de Visão) é o ângulo — ou região angular — dentro do qual o piloto enxerga a imagem colimada do HUD sobreposta à cena externa. Divide-se em TFOV (campo total) e IFOV (campo instantâneo, o que se vê em um instante). Quanto maior o FOV, maior a área útil exibida ao piloto.

BLOCO A — ABERTURA / CONTEXTO

Aviônica Militar: o que é o HUD e por que ele existe

Seção 7.2.1 — Introdução · Da definição ao problema que o HUD resolve em voo e em combate

O que é o HUD: definição, importância e colimação

  • HUD = display colimado projetado na linha de visão frontal do piloto
  • Colimado = raios de luz paralelos; a imagem parece estar a uma distância infinita (princípio detalhado no Bloco B)
  • O avanço mais importante na apresentação visual ao piloto dos últimos 30 anos ou mais
  • Permite visualizar e assimilar os dados essenciais de voo sem desviar o olhar da cena externa (cabeça erguida) — melhoria da interação homem-máquina (MMI)
  • Imagem focada no infinito: sobrepõe-se à cena do mundo exterior sem exigir refocalização
HUD sobre a cena externa na cabine — simbologia colimada sobreposta ao mundo
Simbologia colimada sobreposta à cena externa (Fig. 7.1)

Marco histórico: 1962 · Buccaneer

Eliminação da paralaxe e tempo de transição dos olhos

Requisitos militares: sobrevivência e mira de armas

  • Sobrevivência em combate: cabeça erguida para escanear ameaças em qualquer direção
  • Mira computadorizada de armas: alta precisão mantendo a cabeça erguida tornou o HUD essencial nas aeronaves de combate modernas
Retícula de mira de armas (CCIP) sobre a cena externa
Retícula de mira e varredura de ameaças (Fig. 7.2)

FLIR em modo raster e aplicações civis

  • FLIR + modo raster: imagem eletro-óptica projetada no HUD em escala 1:1 com o mundo → voo noturno em baixa altitude e ataque noturno realista
  • 1:1 = alinhamento angular (registro) com a cena externa: o que está à frente na imagem corresponde exatamente ao que está à frente no mundo, sem deslocamento

Cisalhamento de vento (wind shear)

O que é: mudança brusca de intensidade e/ou de direção do vento entre dois pontos próximos da trajetória. Na final, ao cruzar uma corrente descendente, a aeronave passa de vento de proa para vento de cauda: perde sustentação e velocidade e afunda sem aviso ao piloto. O HUD projeta a trajetória prevista contra o solo e comanda a correção (arfagem + potência).

Nevoeiro

Orientação de pouso automático em baixa visibilidade

Visão aprimorada

FLIR ou radar milimétrico em aeródromos sem ILS/MLS

Imagem FLIR em modo raster projetada no HUD em escala 1:1
FLIR raster 1:1 sobre a cena (Fig. 7.3)
FLIR = Forward Looking Infrared — sensor de imagem térmica (infravermelha): enxerga o calor da cena, de dia ou de noite.
ILS = Instrument Landing System · MLS = Microwave Landing System — guias eletrônicos de pouso: radiofaróis (ILS) e micro-ondas (MLS).

O que o piloto precisa ver: base comum e camada militar

Base comum — civil ou militar

Informação primária de voo

Informação de navegação

Dados de motor · dados de célula

Avisos (warnings)

O que sustenta o voo seguro e o cumprimento da missão

Camada adicional do piloto militar

Sensores de imagem infravermelha

Radar

Dados táticos da missão

Mira de armas · alertas de ameaça

Regra de projeto: a informação deve ser assimilável de imediato — e o supérfluo é eliminado para aliviar a carga de trabalho

Duas missões, duas prioridades: navegação × alvo

Primazia da navegação — operação civil

Manter a trajetória e conduzir a aproximação

Diretor de cisalhamento de vento no pouso

Orientação de pouso em nevoeiro · visão aprimorada

O dado de voo é protagonista: a decisão é sempre manter a rota

Primazia do alvo — operação militar

Cabeça erguida para escanear ameaças

Mira computadorizada de armas

Localizar, designar e engajar

O dado de voo passa a pano de fundo: sustenta a pontaria sem disputar o foco

BLOCO B — FUNDAMENTOS

Óptica e configuração do HUD refrativo

Seção 7.2.2 — Princípios Básicos (primeira parte) · Vocabulário óptico e o diagrama de blocos do HUD refrativo

A cadeia óptica do HUD refrativo

  • O piloto vê o mundo através do vidro combinador (e do para-brisa); a simbologia parte do CRT
  • Fluxo óptico: CRT → lentes de relé → espelho dobrável → lente colimadora → combinador
  • O combinador é o "espelho transparente" que combina a simbologia colimada com a cena externa
Cadeia óptica do HUD refrativo: CRT, lentes de relé, espelho dobrável, lente colimadora e combinador
Cadeia óptica do HUD refrativo (Fig. 7.4)

Papel de cada elemento da cadeia óptica

CRT

Fonte da imagem: simbologia gerada pelos sensores/sistemas (ex.: INS e dados aéreos)

Lentes de relé

Ampliam a imagem e corrigem parte dos erros ópticos

Espelho dobrável

Reflete ~90°, permitindo configuração compacta na cabine

Lente colimadora

Colima a imagem (raios paralelos)

Vidro combinador

Combina a simbologia colimada com a cena externa

O colimador e o raio não desviado

  • Colimador: sistema óptico de distância focal finita, com a imagem-fonte no plano focal
  • Raios de um ponto do plano focal saem paralelos entre si
  • Raio não desviado: raio que passa pelo centro da lente sem ser refratado; os demais raios saem paralelos a ele
Colimador: raios do plano focal saem paralelos após a lente; raio central não desviado
Colimação: raios paralelos e raio não desviado (Fig. 7.5)

Independência da posição do olho

  • O ângulo de olhar para cada ponto do display é independente da translação do olho
  • Consequência direta da colimação: elimina o erro de paralaxe
  • Posições A/B/C do olho veem o mesmo ponto na mesma direção angular
Olho transladando entre posições A, B e C mantendo o mesmo ângulo de olhar para os pontos D, O e E do display
Posições do olho A/B/C e pontos D, O, E (Fig. 7.6)

De-colimação: o defeito da colimação

BLOCO C — DESENVOLVIMENTO

FOV, brilho e restrições de instalação

Seção 7.2.2 — Princípios Básicos (segunda parte) · Quantificando o desempenho do HUD refrativo

IFOV × TFOV: dois campos de visão

  • IFOV (instantâneo): cobertura angular da imagem vista em um instante (sem mover a cabeça)
  • TFOV (total): cobertura angular total ao mover os olhos/cabeça
  • O IFOV é o "recorte" instantâneo dentro do TFOV maior
Cones de visão IFOV e TFOV com os pontos D, L e F marcados
IFOV (instantâneo) dentro do TFOV (total), pontos D, L, F (Fig. 7.7)

Fórmulas de IFOV e TFOV, e a relação 2/3

IFOV = 2·tan⁻¹(Dlente/2L) — determinado pelo diâmetro da lente colimadora (Dlente) e distância olho–lente (L)

TFOV = 2·tan⁻¹(DCRT/2F) — determinado pelo diâmetro do CRT (DCRT) e distância focal efetiva (F) — atenção: o D é diferente em cada fórmula!

No refrativo, IFOV ≈ 2/3 do TFOV (não são iguais): decorre dos diâmetros (lente × CRT) e distâncias (L × F) típicos — confere com os valores do próximo slide (13°–18° ≈ 2/3 de 20°–25°)

Efeito "buraco de nó" e como aumentar o IFOV

  • Ver o display como se olhasse por um buraco na cerca (assistir à partida): mover a cabeça revela partes diferentes do TFOV
  • Como aumentar o IFOV: reduzir L (aproximar o olho da lente); se L for suficientemente pequeno, IFOV = TFOV (impraticável no refrativo: o olho teria de ficar praticamente colado na lente)
Metáfora do buraco na cerca: mover a cabeça revela partes diferentes do campo de visão
Buraco de nó: o recorte revela o campo ao mover a cabeça (Fig. 7.8)

Valores típicos de FOV e restrições de instalação

  • Valores típicos (refrativo): IFOV ≈ 13°–18°; TFOV ≈ 20°–25°; combinador duplo (veneziana: lâminas sobrepostas refletem a simbologia de alturas diferentes, ampliando o campo vertical) eleva o FOV vertical para ~18°
  • Restrições de instalação: geometria da cabine, posição do olho de projeto (design eye), folga de ejeção (não "joelhar" o piloto), combinador no topo do escudo antirreflexo
  • O HUD é feito sob medida para cada aeronave

Valores de referência

ParâmetroValor típico
IFOV (refrativo)13° – 18°
TFOV (refrativo)20° – 25°
FOV vertical (veneziana)~18°

Combinador refrativo 70/30: um sistema com perdas

  • Transmite ~70% do mundo exterior e reflete ~30% do brilho do CRT
  • Sistema com perdas (lossy): ~30% do mundo é perdido (equivale a óculos escuros) e ~70% do brilho do CRT é desperdiçado
  • Justifica o requisito de alto brilho do CRT
Combinador refrativo 70/30: 70% do mundo transmitido e 30% do brilho do CRT refletido
Divisão 70/30 do combinador refrativo (Fig. 7.9)

Requisito de brilho e revestimento Rugate

  • Brilho: ~30.000 cd/m² (10.000 fL) para contraste contra céu/nuvens iluminadas
  • Faixa total 10⁵:1 (de 30.000 até 0,3 cd/m²) para operação diurna/noturna
  • Revestimento Rugate: índice de refração variando senoidalmente com a espessura → refletor de banda estreita; alta reflexão/transmissão, mas sem potência óptica
  • Potência óptica = capacidade de curvar/convergir raios, dada pela curvatura da superfície (1/f); sem ela, a colimação depende da lente e o IFOV fica limitado a ~20°

Requisitos de luminância

CenárioLuminância
Diurno (céu iluminado)~30.000 cd/m² (10.000 fL)
Noturno (mínimo)~0,3 cd/m²
Faixa total10⁵ : 1
Potência óptica ≠ energia elétrica. Em óptica, "potência" é o poder de desviar (refratar/refletir curvando) a luz — medida em dioptrias (D = 1/f, onde f é a distância focal). Um elemento passivo (lente, superfície esférica, holograma) não consome nem cria energia: apenas modela a frente de onda, transformando um feixe divergente em colimado (plano) ou vice-versa.
No combinador: "com potência óptica" significa que o próprio revestimento curvado faz a colimação — por isso dispensa a lente externa e o IFOV pode ser amplo. O Rugate, sendo plano, é "sem potência óptica": reflete seletivamente mas não colima, e o campo fica limitado pela lente.
BLOCO D — TIPOS / VARIAÇÕES

HUDs holográficos de amplo FOV

Seção 7.2.3 — HUDs holográficos · A evolução do refrativo: colimação no combinador com potência óptica

Motivação: FOV amplo para o FLIR noturno

  • Exibir a imagem de TV colimada do FLIR em manobras noturnas de baixo nível
  • FLIR também penetra neblina/nuvens (visão aprimorada)
  • Analogia: dirigir por uma praça complexa com um buraco no para-brisa
Comparação de vigias: HUD refrativo pequeno versus HUD holográfico de amplo FOV sobre a cena noturna
Vigia refrativa pequena × vigia holográfica ampla (Fig. 7.10)

Arquitetura: a colimação passa para o combinador

  • No HUD holográfico, a colimação é feita pelo próprio combinador, que recebe potência óptica (curvatura)
  • O combinador é um sanduíche de placas plano-convexas e plano-côncavas com o revestimento holográfico na interface esférica e selo hermético entre as placas (protege a gelatina da umidade)
  • Ponte: o revestimento holográfico = holograma de reflexão (rede de difração) — o que é um holograma é explicado nos próximos slides
  • O revestimento holográfico sintonizado cobre a superfície esférica do combinador
  • A potência óptica dentro do revestimento corrige as grandes aberrações fora do eixo
Combinador holográfico em sanduíche de placas com revestimento na interface esférica
Sanduíche de placas do combinador (Fig. 7.11)
Colimação feita pelo combinador esférico com o olho no foco
Colimação no combinador esférico (Fig. 7.12)

Ganho de FOV e o HUD de "vigia projetada"

Holografia: história e o holograma de reflexão

  • Inventada por Denis Gabor (1947); aplicação prática com Leith & Upatnieks (anos 1960, laser)
  • Holograma de reflexão (rede de difração): gelatina dicromatada (DCG — gelatina sensibilizada com dicromato, usada em holografia) exposta a 2 feixes coerentes → franjas de interferência → planos de alto/baixo índice (variação senoidal)
Gabor 1947 Leith & Upatnieks — anos 1960
Dois feixes laser coerentes formando franjas de interferência na gelatina dicromatada (DCG)
Feixes coerentes → franjas de interferência (Fig. 7.13)

Seletividade espectral e angular do revestimento

  • Reflete >90% da luz verde sintonizada (≈545 nm) e transmite ~90% de TODO o restante do espectro (faixas espectrais diferentes: só o verde é refletido — por isso não soma mais que 100%)
  • O mundo exterior aparece levemente rosa; fósforo P53 (verde de banda estreita, emissão ~545 nm, casada com o pico do holograma)
  • Seletividade angular: reflete só em uma pequena faixa de ângulos de incidência; fora dela a refletividade cai rapidamente
Reflete >90% @ ~545 nm Ângulo θ de projeto Fósforo P53
Raios 1 e 3 transmitidos e raio 2 refletido no ângulo de projeto θ
Raios transmitidos e refletido em θ (Fig. 7.14a)
Curva de refletividade com pico maior que 90% em 545 nm
Curva de refletividade espectral (Fig. 7.14b)

Fabricação: ressintonização, CGH e holograma construtor

Ressintonização

A gelatina incha na revelação; o cozimento reduz a espessura e ressintoniza o comprimento de onda

CGH

Holograma gerado por computador: gera as frentes de onda arbitrárias

Holograma construtor

Produz o padrão de interferência como "modelo mestre" reutilizável

Completude da fonte: largura de banda angular determinada pela modulação de holograma; design óptico intensivo em computação

Configurações concorrentes: fora do eixo × quase-axial

Fora do eixo (combinador único)

  • Adotada nos caças mais recentes (EUA/Europa)
  • Combinador com holograma dotado de potência óptica
com potência óptica

Quase-axial (multielementos)

  • Hologramas de reflexão simples (sem potência óptica)
  • Evita grandes aberrações; ~30° de azimute
  • Estrutura volumosa e leve perda de transmissão
sem potência óptica
Comparativo entre configuração fora do eixo com combinador único e configuração quase-axial multielementos
Fora do eixo × quase-axial (Fig. 7.15)
Azimute = ângulo medido no plano horizontal a partir de uma direção de referência. Em óptica de combinador, indica o ângulo de incidência/reflexão do feixe em relação à normal da superfície.
~30° de azimute = os feixes são refletidos num ângulo raso (próximo de 30°) em relação à normal — típico da configuração quase-axial, o que evita grandes aberrações e dispensa hologramas com potência óptica.
BLOCO E — INTEGRAÇÃO

Eletrônica e arquitetura de dados do HUD

Seção 7.2.4 — Eletrônica do HUD · Fluxo de dados, modos de escrita e criticalidade de segurança

Empacotamento, barramento e processador de exibição

  • Empacotamento: "HUD inteligente" (SMART HUD — sistema completo em unidade única, ideal para sistema crítico); duas unidades (display + eletrônica); módulos em rack (aviônicos modulares integrados)
  • Interface do barramento: decodifica dados seriais — MIL STD 1553B (barramento padrão de dados militares) — ADC/INS (altura, velocidade, atitude, rumo, vetor de trajetória), MLS/ILS, armamento/mira, discretos (sinais liga/desliga)
  • Processador de exibição: conversão de eixos (transformação de coordenadas) e de parâmetros, gerenciamento de formato; controla autoteste, brilho, sequenciamento de modo, calibração e fonte
Fluxo de dados do HUD: barramento MIL STD 1553B, processador de exibição, gerador de símbolos e acionamento do CRT
Fluxo de dados do HUD (Fig. 7.16)

Gerador de símbolos, bright-up e escrita cursiva (dia/noite)

Criticalidade de segurança e monitoramento forward/backward

P < 1×10⁻⁹ forward (comando → display) backward (display → comando)
BLOCO F — APLICAÇÃO / EXEMPLO

Projeto numérico e geração de display

Seção 7.2.5 — Exemplo prático de design de HUD e geração de exibição · Aplicando as fórmulas em um projeto refrativo realista (Q1→Q8 em cadeia)

Dados do problema (fixar no quadro)

  • Diâmetro do CRT = 50 mm; TFOV exigido = 20°; diâmetro da lente colimadora = 125 mm
  • Lente → combinador = 100 mm; olho de projeto → combinador = 400 mm (logo L = 500 mm)
  • Deflexão de escala total do ponto = ±100 unidades
  • A sequência Q1→Q8 é resolvida em cadeia: cada resultado alimenta o passo seguinte

Tabela de dados

ParâmetroValor
DCRT50 mm
TFOV exigido20°
Dlente125 mm
Lente → combinador100 mm
Olho → combinador400 mm
L (olho → lente)500 mm
Escala do ponto±100 unidades

Fórmulas do bloco F (catálogo simbólico)

Campos e distância focal

IFOV = 2·tan⁻¹(D/2L)

Campo instantâneo — lente colimadora (D) e distância olho–lente (L). [Q2]

TFOV = 2·tan⁻¹(D/2F)

Campo total — CRT (D) e distância focal (F). [Q1]

F = D / (2·tan(TFOV/2))

Distância focal do CRT (rearranjo de TFOV). [Q1]

IFOV ≈ (2/3)·TFOV

Verificação rápida da relação entre os campos.

Cabeça e atitude

deslocamento ≈ L·tan((TFOV−IFOV)/2)

Curso de cabeça para varrer o TFOV. [Q3]

D_lente / (2(L−i)) = tan(TFOV/2)

Aproximação i do olho para IFOV = TFOV. [Q4]

x₁ = −a·cosφ ; y₁ = −(ψ+θ+a·senφ)

x₂ = a·cosφ ; y₂ = −(ψ+θ−a·senφ)

Mapeamento atitude (θ,φ,ψ) → coordenadas de rampa. [Q5–Q7]

coord_rampa = escala·ângulo

Escala do ponto (escala = 10 un/grau; faixa ±100 un). [Q8]

Legenda de variáveis

D = diâmetro · L = olho–lente · F = distância focal · i = olho→lente · θ = arfagem · φ = inclinação lateral · ψ = depressão do vetor velocidade · a = meia-extensão da linha do horizonte.

Q1–Q2: distância focal e IFOV

Q1 — distância focal F

TFOV = 2·tan⁻¹(D/2F)

F = 50 / (2·tan 10°) = 141,5 mm

Q2 — IFOV

IFOV = 2·tan⁻¹(125 / (2×500)) = 14,25°

⚠ Nota de arredondamento 50/(2·tan 10°) = 141,78 mm, adotado como 141,5 mm (padrão do Collinson)

Q3–Q4: movimento de cabeça e aproximação do olho

Q3 — deslocamento de cabeça

Deslocamento para varrer o TFOV de 20°: ~25 mm (≈1 pol)

deslocamento ≈ L·tan((TFOV−IFOV)/2) = 500·tan(2,9°) ≈ 25 mm

O olho "varre" o campo como no buraco de nó

Q4 — aproximação do olho

Aproximação para ver o TFOV total: i = 145 mm (≈5,7 pol)

125 / [2(500−i)] = tan 10° → i = 145 mm

Q5–Q7: a linha do horizonte e suas coordenadas

Q5 — equações (convenção de sinais)

ψ = depressão do vetor velocidade (4° abaixo da horizontal); θ = arfagem (negativa = nariz abaixo do horizonte); φ = inclinação lateral; a = metade do comprimento da linha (2a = 10° de azimute)

x₁ = −a·cosφ ; y₁ = −(ψ+θ+a·senφ)

x₂ = a·cosφ ; y₂ = −(ψ+θ−a·senφ)

Q6–Q7 — coordenadas (θ = −3°, φ = +10°, ψ = 4°, a = 5)

x₁ = −5·cos 10° = −4,92 ; y₁ = −[4+(−3)+5·sen 10°] = −1,87

x₂ = 4,92 ; y₂ = −[4+(−3)−5·sen 10°] = −0,13

Q8: rampas de deflexão X e Y

  • Fator de escala: ±100 unidades de deflexão correspondem a ±10° (metade do TFOV de 20°) → 100/10 = 10 unidades/grau → coordenadas × 10
  • Eixo X: de −49,2 a +49,2 unidades
  • Eixo Y: de −18,7 a −1,3 unidades (não "−18,3")
X: −49,2 → +49,2 Y: −18,7 → −1,3 10 unidades/grau
Rampas de deflexão dos eixos X e Y do display: X de −49,2 a +49,2 e Y de −18,7 a −1,3 unidades
Rampas de deflexão X e Y (Fig. 7.19)

Síntese: linha do tempo e refrativo × holográfico

Refrativo

Colimaçãona lente colimadora
IFOV × TFOVIFOV ≈ 2/3 TFOV
FOV13° – 18°
Transmissão70/30 com perdas

Holográfico

Colimaçãono combinador
IFOV × TFOVIFOV = TFOV
FOVfator 2 ou mais
Transmissão>90% seletivo
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