蘇 芳，賈宏博，姚 欽，蔣 科，于 飛，吳明磊，陳 珊，王 聰，楊明浩

（空軍特色醫(yī)學中心，北京100142）

0 引言

隨著夜視技術(shù)在軍事領域中的廣泛應用，夜間飛行任務更為頻繁。頭戴式微光夜視儀是飛行員常用的夜視裝備，有利于夜間編隊飛行、視距內(nèi)的目標獲取以及瞄準或者友軍協(xié)同[1]。夜視儀的諸多優(yōu)勢往往會使飛行員對夜視圖像的辨識能力過分自信[2]。然而，夜視裝備在增強飛行員黑暗和微光條件下操作能力的同時，對其視覺和認知也產(chǎn)生了一定影響，例如視野縮小、周邊視野喪失、視力下降以及立體視覺和距離判斷改變，隨之而來的是夜視裝備或夜視鏡相關的飛行事故，如空間定向障礙事故因飛行人員色覺和視野受到限制而明顯增加[3-5]。因此夜視訓練在提高作戰(zhàn)效能和保障飛行安全方面發(fā)揮著關鍵作用。美軍針對夜視裝備的訓練開始于20 世紀70 年代，1999 年相關鑒定訓練已由最初的4.5 h 增加到20 h[6]。1991 年，英國皇家空軍即開始“夜間作戰(zhàn)認知課程”夜視鏡訓練[7]。北約于2007 年頒布標準化協(xié)議STANAG 7147—2007，規(guī)范夜視/夜視裝備航空醫(yī)學訓練，將訓練分為地面初訓、地面復訓及飛行訓練[8]。其中，地面初訓包括理論學習、夜視鏡設置訓練和檢查、沙盤訓練及模擬器訓練。目前，奧地利AMST 和美國ETC[9]設計研發(fā)的夜視鏡訓練系統(tǒng)均涵蓋了除模擬器訓練以外的地面初訓內(nèi)容，其沙盤訓練主要結(jié)合理論學習內(nèi)容，在具備光效環(huán)境的沙盤上感受視覺影響。沙盤訓練具有體驗直觀和照明條件可控的特點，但是沙盤占地較大且制作和維護費用較高[10]。而目前國內(nèi)尚無該類裝備。鑒于此，本文設計一種基于沙盤的飛行員夜視訓練系統(tǒng)，建立夜視微光仿真環(huán)境，模擬典型地貌特征，用于飛行員地面夜視訓練，學習不同地貌特征夜視鏡圖像判讀、體驗月光照射角度和亮度以及人工照明對夜視鏡圖像的影響。

1 系統(tǒng)設計

飛行員夜視訓練系統(tǒng)由夜天光模擬模塊、地貌仿真沙盤模型、沙盤燈光及控制模塊組成。

1.1 夜天光模擬模塊

由于夜天光受環(huán)境條件、大氣散射和吸收的影響很大，光譜分布瞬息萬變，非常復雜，無法對各種條件下的夜天光進行精確模擬，可采用模擬晴朗星光與滿月光的光譜分布，作為對夜天光的近似模擬[11]。本研究在光學暗室條件下，建立夜視微光仿真環(huán)境，設計并實現(xiàn)夜天光模擬模塊，能夠模擬從陰天星光到滿月的全方位夜空照明。

夜天光模擬模塊由穩(wěn)定光源和光學系統(tǒng)構(gòu)成。穩(wěn)定光源主要由色溫2 856 K 的鹵素燈模塊和電源、橢球面聚光鏡、光纖傳光束、光學積分器、機箱、可變光闌、整形光闌和遮光罩等組成。工作時利用橢球面聚光鏡將鹵素燈發(fā)出的光匯集到光學積分器上，從而形成均勻照射光，可變光闌將其分為7 擋，再由整形光闌控制照射區(qū)域的長寬比例，采用遮光罩遮避縫隙形成的雜散光，最終將光輻射到目標照射區(qū)。

光學系統(tǒng)由導光棒、調(diào)光器、積分球和成像透鏡構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。光學系統(tǒng)利用導光棒將光源導出，經(jīng)過調(diào)光器的光闌后進入積分球并在其出射口形成均勻亮度面，最后經(jīng)成像透鏡成像，在遠方呈現(xiàn)出均勻的照明面。安裝在導光棒與積分球之間的調(diào)光器可以連續(xù)調(diào)節(jié)均勻照射面的照度；成像透鏡置于積分球出射口前方，將出射口呈現(xiàn)的均勻亮度面成像為均勻照射面。

圖1 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 地貌仿真沙盤模型

研究表明，地形的對比度和紋理是影響夜視鏡圖像的主要因素[12]。為表現(xiàn)更多地形地貌特征，豐富觀察體驗，本系統(tǒng)模擬了一處濱海臨山機場，模擬元素包含山脈、海面、小水系（水庫、溪流）、機場（機場指揮塔、航站樓、跑道燈、營房）、鐵路（含隧道）、公路、農(nóng)田、高壓線塔（含高壓線）、村莊（平房）、建筑（酒店、別墅、高層住宅、板樓、公寓）等。地貌仿真沙盤模型外形尺寸為3 m×3 m×0.6 m（長×寬×高），水平比例1∶4 000，垂直比例1∶400，可模擬4 km 空中觀察效果。沙盤模型如圖2 所示，沙盤模型地貌及制作工藝見表1。

表1 沙盤模型制作工藝

圖2 地貌仿真沙盤模型示意圖

1.3 沙盤燈光及控制模塊

1.3.1 燈光設計

沙盤上的燈光主要分為機場燈光、城市燈光、村莊燈光、路燈以及高壓線塔燈等。暗室條件下裸眼觀察沙盤燈光效果如圖3 所示。

圖3 沙盤燈光效果

機場跑道燈由跑道入口燈、跑道邊燈、跑道末端燈組成。依據(jù)GJBz 20272—1995《機場燈光設備的配置和性能要求》，按基本型機場燈光跑道燈的布局設置燈光，具體設置見表2。

表2 機場燈光設置

城市和村莊的房屋燈光源的規(guī)格按照GB 50034—2003《建筑照明設計標準》設計，燈光類型按照住宅區(qū)的起居室進行統(tǒng)一，色溫不高于4 000 K，與目前室內(nèi)照明常用光源一致。在4 km 高空看去，單個起居室的輻照度為3.5～9.5 lx。采用功率為0.12×10-4～0.19×10-2W 的暖黃色LED 燈珠進行模擬。

路燈按照主干道和快速路普遍采用的截光型燈具來設計，依據(jù)國際照明委員會建議，路面亮度取2 cd/m2，縱向均勻度取0.7，單盞燈的照度為30 lx，在4 km 的高空其輻照度為0.92～4.50 lx。本設計采用功率為0.31×10-4～0.15×10-2W 的白色LED 燈珠進行模擬。

高壓線塔燈采用功率為0.69×10-6×6.9×10-5W 的紅色LED 燈珠進行模擬，光纖伸出的部分固定在高壓線塔上，用不透光的膠帶固定，只露出光源發(fā)光的頂部。

1.3.2 光源設計

設計一種光源筒作為光源，由LED 驅(qū)動板、毛玻璃以及光闌等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示，采用導光光纖作為燈光傳輸?shù)慕橘|(zhì)。LED 驅(qū)動板選用TLC59116-Q1 LED 驅(qū)動芯片，該芯片是一款I2C 總線控制的16 通道LED 驅(qū)動器，分16 路控制著16 個LED 燈珠。

圖4 光源筒結(jié)構(gòu)示意圖

光源筒前面與控制電路連接，后面與導光光纖連接；導光光纖分布在沙盤中不同的位置，由此將光源筒內(nèi)模擬的光源送至沙盤所需要的位置。根據(jù)沙盤燈光的構(gòu)成，設置10 個光源筒。

1.3.3 燈光控制模塊

燈光控制模塊由電氣控制箱、LED 燈組、遙控盒3 個部分構(gòu)成，電路原理圖如圖5 所示。

圖5 燈光控制模塊電路原理圖

電氣控制箱通過Wi-Fi 與遙控盒通信，遙控盒按鍵輸入的擋位由單片機控制電路輸出電流驅(qū)動LED 燈組實現(xiàn)。電氣控制箱前面板上僅保留必要的電源開關及指示燈，后面板上布置電源插座、通信插座和光源插座。

LED 燈組分散在沙盤上，由導光光纖組成，通過電纜連接到電氣控制箱后面板上的光源插座。

遙控盒為獨立的結(jié)構(gòu)，通過Wi-Fi 與電氣控制箱連接，實現(xiàn)與電氣控制箱的雙向通信，通過其面板上的開關按鍵、亮度調(diào)節(jié)旋鈕、液晶顯示屏等人工操作控制LED 燈組工作?？刂泼姘逵煽傞_關、分開關、擋位組成，如圖6 所示?？傞_關可以控制所有燈光的開關，實現(xiàn)一鍵全開以及一鍵全關功能；分開關控制5 個獨立部分的燈光，在沙盤燈光工作狀態(tài)下，可以通過分開關來控制各個獨立部分的燈光，使其中的某一部分亮滅，方便觀察測試；燈光的擋位分為5 擋，代表5 種不同亮度。

圖6 燈光控制模塊遙控盒控制面板

2 夜視訓練效果

2.1 訓練方法

夜視訓練按照理論培訓、裸眼體驗和佩戴夜視鏡體驗的步驟展開。參訓人員均為健康男性，年齡為29～53 歲，矯正視力1.0 以上，色覺正常。

2.1.1 理論培訓

訓練前對參訓人員進行理論培訓，包括視覺生理及夜間視覺生理特點、夜視鏡原理構(gòu)造及成像特點、夜視鏡調(diào)校方法、夜視鏡帶來的醫(yī)學問題及使用安全等內(nèi)容，并讓參訓人員學習并練習夜視鏡調(diào)校方法。

2.1.2 裸眼體驗

該步驟主要圍繞視覺功能特點設計夜盲現(xiàn)象、暗適應現(xiàn)象、色覺喪失等體驗內(nèi)容。

（1）夜盲現(xiàn)象：調(diào)低夜天光照度，使室內(nèi)一片漆黑，讓參訓人員實際體會夜盲現(xiàn)象，并對參訓人員進行低照度（1×10-1lx）遠視力檢查，強化參訓人員對該現(xiàn)象的認識。

（2）暗適應現(xiàn)象：當人從強光下進入暗處時，起初對周圍物體無法辨認，隨后逐漸能看清暗處的物體，這種對光的敏感度逐漸增加，最終達到最佳狀態(tài)的過程稱為暗適應[13]。訓練開始前對參訓人員進行快速暗適應檢查，記錄暗適應時間。參訓人員由明室進入暗室，隨著時間延長，可以逐步看到沙盤部分內(nèi)容，體驗暗適應現(xiàn)象。

（3）色覺喪失：使用標準色板，通過逐步調(diào)低光源照度，使參訓者逐漸不能正常分辨顏色，體驗色覺丟失現(xiàn)象。

2.1.3 佩戴夜視鏡體驗

該步驟主要圍繞微光夜視鏡成像特點結(jié)合本系統(tǒng)特性設計視野變化、顏色變化、光暈現(xiàn)象、陰影、目標識別等體驗內(nèi)容。

（1）視野變化：雙目夜視鏡的視野限定在30°～40°之間，相較于正常人150°的視野范圍，是比較狹窄的視覺效果[14]。參訓人員佩戴夜視鏡觀察地貌仿真沙盤，體驗視野受限現(xiàn)象。

（2）顏色變化：佩戴夜視鏡后，讓參訓人員體驗所有物體的顏色均顯示為夜視鏡目鏡的顏色，物體的實際顏色丟失。

（3）光暈現(xiàn)象：佩戴夜視鏡后，打開沙盤燈光，讓參訓人員體驗不同顏色的燈光在夜視鏡下出現(xiàn)光暈，其中紅燈光暈更大。將沙盤燈光調(diào)至低擋，讓參訓人員體驗光線變暗、光暈變小。

（4）體驗佩戴夜視鏡后的觀察方法：佩戴夜視鏡后，由于視野受限，同時為了觀察座艙儀表和座艙外視景，飛行員應該不停掃視座艙外視景，同時用眼睛余光觀察儀表。

（5）體驗陰影下觀察：調(diào)整夜天光照射角度，使地貌仿真沙盤上的山脈形成陰影，引導參訓人員體驗在一定觀察角度下由于陰影導致目標觀察困難。

（6）目標識別：分別調(diào)整夜天光照度及沙盤燈光亮度，引導參訓人員識別地貌仿真沙盤上的山脈、水面、機場、鐵路、公路、農(nóng)田、高壓線塔、村莊及城市建筑等目標，掌握不同反射特性目標的夜視圖像特點。

2.2 訓練效果評價

參訓人員完成訓練后，通過評價量表對訓練效果進行評價，評價內(nèi)容包括：訓練對了解視覺功能和夜間視覺特點的幫助、訓練方法設計的合理性以及通過訓練對夜間視力特點和佩戴夜視鏡視覺特點的掌握情況。各項評分采用10 分制，分為3 檔：1～4 分為“一般”，5～7 分為“較好”，8～10 分為“很好”。

2.3 訓練結(jié)果

21 名參訓人員均順利完成了訓練，并對訓練效果進行了評價。經(jīng)統(tǒng)計，各項目總體評價和分項評價平均分均高于8 分，表明本系統(tǒng)達到了設計要求，能夠很好地模擬夜間特殊視覺現(xiàn)象，通過訓練可以使參訓人員掌握夜間飛行視覺功能變化特點、夜視鏡成像特點以及正確的觀察方法，滿足夜視訓練需求。夜視訓練評價內(nèi)容及統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 夜視訓練評價內(nèi)容及統(tǒng)計結(jié)果

在各分項評價中，平均分較高的分項為夜盲現(xiàn)象（9.29 分）和暗適應現(xiàn)象（9.24 分），主要原因為在感受和體驗這2 項內(nèi)容的過程中，夜天光模擬模塊能夠快速準確地控制光照條件，環(huán)境照度可以從明亮光照條件迅速轉(zhuǎn)換至陰天星光條件，使參訓人員能夠直觀體驗到視物由清晰變模糊以及在暗環(huán)境下逐漸看到部分沙盤地貌的過程。平均分最低的分項為顏色變化（8.57 分），主要原因為在體驗顏色變化現(xiàn)象時，參訓人員直接進行了暗室環(huán)境下的觀察，前后均無正常光照條件的對比觀察，導致顏色變化現(xiàn)象感受不夠深刻；平均分較低的另一個分項為視野變化（8.76 分），主要原因為在佩戴夜視鏡體驗的過程中，3 名參訓人員由于飛行頭盔的適配問題，采取手持夜視鏡方式代替了頭盔加裝夜視鏡的方式，因而對該項內(nèi)容體驗一般，給出了低于8 分的評價。

3 結(jié)語

夜視飛行訓練應遵循改裝訓練的基本流程和規(guī)律，先理論后實踐，先地面后空中[15]，同時，對訓練裝備、訓練方式、飛行績效和飛行安全提出了新的要求[16]。飛行員夜視訓練系統(tǒng)可以仿真模擬夜天光譜和夜間照明，實現(xiàn)飛行員裸眼和佩戴夜視鏡的夜間特殊視覺現(xiàn)象地面模擬訓練，解決了我軍頭盔夜視鏡訓練器材和方法缺乏的實際問題，在飛行員夜視訓練方面邁出了重要一步。但是典型的夜視訓練體系由理論學習、沙盤訓練、夜視鏡設置訓練、模擬器訓練及飛行訓練組成[3]，下一步要繼續(xù)研發(fā)基于飛行模擬器的夜視訓練平臺，與本系統(tǒng)搭配使用，達到飛行員地面夜視訓練的要求。同時，本系統(tǒng)主要以感受和體驗特殊視覺現(xiàn)象為主，仍需進一步研究可以量化的指標內(nèi)容，以便更好地評估訓練效果。