飛行員頭戴裝備視野測(cè)量與評(píng)價(jià)

劉何慶，吳明磊，趙彥鵬，卜偉平，張慕哲，姜媛媛，周海亮

(空軍特色醫(yī)學(xué)中心,北京 100142)

1 引言

飛行員頭戴裝備不應(yīng)限制或傷害正常的視覺功能，而應(yīng)為飛行員提供良好的視覺保障。目前，飛行員頭戴裝備正朝著高度集成化發(fā)展，功能越來越多，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。如保護(hù)頭盔、護(hù)目鏡、瞄準(zhǔn)具、夜視鏡、盔裝顯示器、供氧面罩、防毒(生化)面罩、頭部定位裝置等，集防護(hù)、信息顯示和視覺增強(qiáng)于一體[1-2]。高度集成化的頭戴裝備，結(jié)構(gòu)和輪廓尺寸難以控制，直接影響飛行員視野范圍，進(jìn)而影響飛行操作。

在飛行員頭戴裝備中，有些裝備標(biāo)準(zhǔn)中有視野要求，有些則無。如飛行保護(hù)頭盔、航空供氧面罩、夜視鏡等，對(duì)視野或視場(chǎng)已有明確要求[3-5]。這些分散在各個(gè)獨(dú)立裝備中的視野要求，以及其它未明確視野要求的裝備，在它們集成之后，是否仍能滿足飛行員的視覺要求，正是本研究所要回答的問題。

對(duì)于高度集成化的飛行員頭戴裝備，采用醫(yī)用視野計(jì)或類似設(shè)備測(cè)量視野的方法已不適用。醫(yī)用視野計(jì)用于眼科疾病(青光眼、黃斑病變、視路病變)的檢查診斷[6-9]，通常為半球形結(jié)構(gòu)，直徑約0.5 m，測(cè)量范圍<90°，觀察窗口小，采用于頭不動(dòng)、眼不動(dòng)、單目的檢查方式。本研究根據(jù)飛行員頭戴裝備視野測(cè)量的實(shí)際需要，研制了一臺(tái)大口徑視野測(cè)量系統(tǒng)，可測(cè)量人裸眼視野和各種頭戴裝備的視野，用于飛行員頭戴裝備的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。

2 對(duì)象和方法

2.1 視野和視場(chǎng)

2.1.1 視野

視野有所謂頭不動(dòng)眼不動(dòng)、頭不動(dòng)眼動(dòng)、頭動(dòng)眼動(dòng)以及單目、雙目之分[10]。本研究選擇既適合人的用眼習(xí)慣又適合評(píng)價(jià)頭戴裝備的視野，即雙目視野，在頭不動(dòng)、眼動(dòng)時(shí)雙眼所能看到的空間范圍。頭戴裝備的視野即佩戴頭戴裝備后頭不動(dòng)、眼動(dòng)、雙眼所能看到的空間范圍。

2.1.2 視場(chǎng)

在頭戴裝備中，有一類顯示設(shè)備，如瞄準(zhǔn)具、顯示器、夜視鏡等[11]。除結(jié)構(gòu)形狀可能遮擋視野外，其視場(chǎng)也可能是影響因素，這要看顯示器的類型，即直視型(Direct-View)和透視型(See-though)。瞄準(zhǔn)具、顯示器通常是透視型的，通過光路把圖像(顯示信息)投射到瞄準(zhǔn)鏡或頭盔護(hù)目鏡上，視場(chǎng)及其圖像疊加在外景上，對(duì)視野未造成影響。夜視鏡也屬于透視型，但由于其望遠(yuǎn)鏡式的筒狀結(jié)構(gòu)，限制了人的視野，它所提供的視場(chǎng)即視野。

2.2 受試者和頭戴裝備

受試者：志愿受試者，20人(男性18人，女性2人)，年齡18-56歲，無眼疾，視力1.0以上。

頭戴裝備：一組新型的飛行員頭戴裝備，包括某新型飛行員頭盔3頂，某新型加壓供氧面罩2具，某型雙目雙管微光夜視鏡1件，見圖1。

圖1 一組新型的飛行員頭戴裝備

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備：大口徑視野測(cè)量系統(tǒng)(見圖2)。該系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、測(cè)量控制及軟件處理三個(gè)分系統(tǒng)組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要包括球形穹窿、下頜托支架、激光定位器等；測(cè)量控制部分為控制電路對(duì)發(fā)光二極管燈光和反饋應(yīng)答器進(jìn)行控制；軟件處理系統(tǒng)用于參數(shù)設(shè)置、結(jié)果顯示和測(cè)量計(jì)算。

2.3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

視野測(cè)量系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)為四分之三球形穹窿，內(nèi)徑2 m。球窿內(nèi)球面劃分經(jīng)緯線，經(jīng)線間隔15°，緯線間隔10°(第一區(qū)、第三區(qū))和5°(第二區(qū))，經(jīng)緯線交點(diǎn)505個(gè)。經(jīng)緯線交點(diǎn)安裝發(fā)光二極管。第一區(qū)0°-30°為基礎(chǔ)區(qū)；第二區(qū)35°-120°為主測(cè)量區(qū)；第三區(qū)130°-180°輔助測(cè)量區(qū)。

下頜托支架：下頜托支架是視野測(cè)量時(shí)保持頭部固定的裝置。采用獨(dú)立支架結(jié)構(gòu)(與球窿無交聯(lián))，由底座、支撐桿(含高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu))、下頜托組成。

激光定位器：為確定受試者的眼位，沿球體表面法線方向安裝兩只激光器，一只位于球窿的正前方，為線型激光器；另一只位于球窿的正上方，為十字線型激光器，其射出光線的交匯點(diǎn)為球窿中心。視野測(cè)量時(shí)，用于確定受試者眼睛位置，使之處在球窿中心位置。

反饋應(yīng)答器：手持式反饋應(yīng)答器，單手握持，大拇指按壓按鍵，用于記錄受試者對(duì)看到的光點(diǎn)作出的反應(yīng)，直接連接到控制板上，反饋信息呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的顯示器上。

圖2 大口徑視野測(cè)量系統(tǒng)示意圖

2.3.2 測(cè)量控制

測(cè)量控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、主控板、控制板、驅(qū)動(dòng)板、發(fā)光二極管(LED)、反饋應(yīng)答器組成?？刂瓢褰邮沼?jì)算機(jī)指令，精確控制發(fā)光二極管的隨機(jī)發(fā)光順序、時(shí)長(zhǎng)、時(shí)間間隔、發(fā)光強(qiáng)度、反饋應(yīng)答信號(hào)，并控制驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)上述指令信息。

2.3.3 軟件處理

軟件處理系統(tǒng)分為五大模塊：包括信息顯示模塊、串口控制模塊、應(yīng)答反饋模塊、計(jì)算模塊以及數(shù)據(jù)管理模塊，分別完成試驗(yàn)基本信息錄入、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置和發(fā)送、應(yīng)答反饋信息記錄顯示、邊界值計(jì)算、數(shù)據(jù)庫管理等職能。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

2.4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用上述試驗(yàn)條件，依次對(duì)每一受試者裸眼、佩戴頭盔、佩戴頭盔+供氧面罩、佩戴頭盔+供氧面罩+夜視鏡等四種狀態(tài)的視野進(jìn)行測(cè)量。采用頭不動(dòng)、眼動(dòng)、雙目視野測(cè)量。裸眼視野是制定頭戴裝備視野標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)頭戴裝備視野優(yōu)劣的依據(jù)。因此，本研究對(duì)全部受試者的裸眼視野進(jìn)行測(cè)量；對(duì)保護(hù)頭盔的視野，根據(jù)研制指標(biāo)要求，由部分受試者進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。對(duì)保護(hù)頭盔+供氧面罩這種狀態(tài)，缺乏這兩種裝備配套使用的詳實(shí)數(shù)據(jù)，因此對(duì)全部受試者佩戴保護(hù)頭盔、供氧面罩時(shí)的視野進(jìn)行測(cè)量。對(duì)佩戴頭盔+供氧面罩+夜視鏡這種狀態(tài)，因夜視鏡的視場(chǎng)已經(jīng)明確，也采用由部分受試者進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

先進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，通過預(yù)試驗(yàn)確定的每一視野測(cè)量狀態(tài)的選區(qū)和參數(shù)設(shè)置。最后確定為：佩戴夜視鏡時(shí)選一區(qū)，其它狀態(tài)選二區(qū)；發(fā)光二極管選藍(lán)光，佩戴戴夜視鏡時(shí)發(fā)光強(qiáng)度設(shè)置為4檔或5檔(5檔亮度最高)；其它狀態(tài)發(fā)光強(qiáng)度設(shè)置為1檔或2檔(1檔亮度最低)；發(fā)光持續(xù)時(shí)間、間隔時(shí)間統(tǒng)一均設(shè)置為0.8 s。

2.4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，測(cè)量受試者頭圍，選配合適的頭盔、面罩。佩戴夜視鏡試驗(yàn)時(shí)，向受試者介紹夜視鏡的使用方法，調(diào)節(jié)夜視鏡的瞳距、焦距、視度等，通過夜視鏡能看到完整清晰的視場(chǎng)。

啟動(dòng)計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行通訊端口設(shè)置，錄入受試者、頭戴裝備等信息，選定測(cè)量區(qū)域，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)(見圖3)。

試驗(yàn)時(shí)，受試者坐在球窿內(nèi)，調(diào)節(jié)下頜托的位置和高度、座椅位置和高度，使兩眼的中點(diǎn)處于球窿的球心位置(激光定位器的交匯點(diǎn))。用下頜托支撐頭部，頭部保持不動(dòng)。

受試者手持式反饋應(yīng)答器，單手握持，用大拇指按壓按鍵。當(dāng)看到光點(diǎn)點(diǎn)亮后，按下反饋應(yīng)答器的按鍵；未看見燈亮，不按應(yīng)答器。

未點(diǎn)亮前，在計(jì)算機(jī)屏幕上的視野圖中，光點(diǎn)標(biāo)記為■；點(diǎn)亮并作出應(yīng)答的，■變?yōu)?；點(diǎn)亮而未作出應(yīng)答的，標(biāo)記為□。

一次燈亮，只響應(yīng)一次反饋，多按無效。燈不亮按下不響應(yīng)。燈亮?xí)r未及響應(yīng)(未看到、或按壓按鍵已超時(shí))，標(biāo)記為□，待下一點(diǎn)燈亮。

圖3 頭戴裝備視野測(cè)量界面

3 結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)全部20名受試者的裸眼視野進(jìn)行了測(cè)量；對(duì)其中5名受試者佩戴保護(hù)頭盔的視野進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證；對(duì)全部20名受試者佩戴保護(hù)頭盔+供氧面罩時(shí)的視野進(jìn)行了測(cè)量；對(duì)其中4名受試者佩戴頭盔+供氧面罩+夜視鏡進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

通過以上試驗(yàn)，得到了受試者裸眼、佩戴頭盔、頭盔+供氧面罩、頭盔+供氧面罩+夜視鏡時(shí)四種狀態(tài)時(shí)的視野。將每一測(cè)量狀態(tài)平均視野繪制成圖，如圖4所示。

圖4 視野測(cè)量結(jié)果

圖中經(jīng)線由24條射線表示，以受試者正左側(cè)為0°，頭頂上方為90°，正右側(cè)為180°，頭下方為270°。緯線用環(huán)線表示。視野的邊界由經(jīng)緯線最外側(cè)交點(diǎn)的可見光點(diǎn)連線所代表。

在視野測(cè)量中，上、下視野和左、右水平視野通常認(rèn)為是最重要的，在制定頭戴裝備視野標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)常用到。本研究中的上、下視野和左、右水平視野結(jié)果見表1。

如果測(cè)得質(zhì)點(diǎn)的速度和P波的速度，測(cè)得煤巖的密度和泊松比，可以計(jì)算出動(dòng)載荷的大小。以潞新礦區(qū)為例，根據(jù)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的煤炮所能監(jiān)測(cè)到的能量為1×104～1×106 J，質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)的峰值速度為0.5～3.5 m/s，煤的泊松比取0.2，密度取1 400 kg/m3，P波的波速取3 500 m/s，S波的波速取1 800 m/s。由此可計(jì)算得σdp= 2.21～15.44 MPa，σds=1.26～8.82 MPa。這個(gè)量級(jí)的動(dòng)載荷相對(duì)于其原巖最大主應(yīng)力16.5 MPa和最小主應(yīng)力9.1 MPa而言，是非常大的。

表1 視野測(cè)量結(jié)果(°)

4 討論

4.1 關(guān)于測(cè)量結(jié)果

20名受試者視野測(cè)量結(jié)果表明，無論個(gè)人或群體，視野范圍符合正常的認(rèn)知規(guī)律，即裸眼視野最大；佩戴頭盔后，上視野受限，左、右水平視野基本未受影響；佩戴頭盔+面罩后，下視野受限明顯。佩戴頭盔+面罩+夜視鏡后，視野與夜視鏡標(biāo)稱的視場(chǎng)40°一致，此時(shí)視野完全受限于夜視鏡的視場(chǎng)。由于人眼和頭戴裝備相對(duì)頭部中央矢狀面呈對(duì)稱性，視野測(cè)量結(jié)果基本呈左右對(duì)稱。

這里需要說明的是，本研究與物理試驗(yàn)不同，屬于生理試驗(yàn)，是由志愿受試者進(jìn)行觀察給出結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果存在個(gè)體差異。另外，測(cè)量結(jié)果直接受試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量精度的影響(在關(guān)于試驗(yàn)方法中進(jìn)行討論)。

4.2 對(duì)頭戴裝備視野的評(píng)價(jià)

本研究中飛行員頭戴裝備包括保護(hù)頭盔、供氧面罩、夜視鏡。其視野標(biāo)準(zhǔn)要求如下：《飛行保護(hù)頭盔通用規(guī)范》(GJB1564A-2012)規(guī)定[3]：左右顳側(cè)水平視野不應(yīng)<90°，上視野不應(yīng)<45°，下視野不應(yīng)<65°?！逗娇展┭趺嬲稚硇l(wèi)生學(xué)要求》(GJB3726-1999)規(guī)定[4]：下視野不應(yīng)<30°，對(duì)其它無影響。《微光夜視眼鏡通用規(guī)范》(GJB5477-2005)規(guī)定[5]：夜視眼鏡的視場(chǎng)標(biāo)稱值應(yīng)不低于40°，其下偏差不應(yīng)超過5%。對(duì)照表1的視野測(cè)量結(jié)果，本次試驗(yàn)所用頭戴裝備，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

從使用需求上講，飛行員頭戴裝備應(yīng)達(dá)到裸眼視野的水平，使裸眼視野不受遮擋或遮擋較少。但長(zhǎng)期以來，飛行員頭戴裝備的視野，受工業(yè)技術(shù)水平限制，如供氧面罩對(duì)下視野的影響較大。另外，視野要求需與防護(hù)要求進(jìn)行協(xié)調(diào)，如保護(hù)頭盔的上視野太大，會(huì)損失頭盔的保護(hù)區(qū)范圍。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，低剖面(low profile)設(shè)計(jì)的供氧面罩得到廣泛應(yīng)用，新型供氧面罩的下視野已達(dá)到40°以上[12]。對(duì)保護(hù)頭盔而言，激烈的空戰(zhàn)要求提高保護(hù)頭盔的上視野以增強(qiáng)飛行員的觀察能力。為滿足新型殲擊機(jī)的作戰(zhàn)使用需求，已將新型保護(hù)頭盔的上視野提高到60°。本研究所用的新型保護(hù)頭盔和供氧面罩，上、下視野已基本達(dá)到這樣的要求。

關(guān)于夜視鏡，由于其望遠(yuǎn)鏡式的筒狀結(jié)構(gòu)，使視野完全限制在其視場(chǎng)范圍。目前有一種寬景夜視鏡(PNVG)[13-15]，已將夜視鏡的視場(chǎng)擴(kuò)展到40°×100°,可使視野達(dá)到上20°、下20°、左50°、右50°的范圍。這種寬景夜視鏡技術(shù)，基本保持了望遠(yuǎn)鏡式的筒狀結(jié)構(gòu)，但采用4管式(小型管徑)的像增強(qiáng)器，與2管式(標(biāo)準(zhǔn)管徑)的夜視鏡的40°圓形視場(chǎng)相比，大大地?cái)U(kuò)展了人的視野。

4.3 關(guān)于試驗(yàn)方法

本研究建立的視野測(cè)量條件和方法，口徑大，測(cè)量范圍大，適用裸眼和佩戴各種頭戴裝備的視野測(cè)量。從測(cè)量結(jié)果看，試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量精度即球窿經(jīng)緯線劃分刻度略大，尤其是在視野的邊界，緯線間隔5°的設(shè)計(jì)還不夠精細(xì)，制約了測(cè)量結(jié)果的精度。國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道的飛行員頭戴裝備測(cè)量設(shè)備，如美空軍阿姆斯特朗實(shí)驗(yàn)室研制飛行員頭戴裝備視野測(cè)量設(shè)備[16-17]，其LED緯線間隔1°。其主體結(jié)構(gòu)為一段半徑為1m的圓弧，測(cè)量時(shí)圓弧需沿經(jīng)線方向以15°為間隔改變位置。圓弧的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)吸引受試者的注意力，可能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)視野。本研究完全建立在靜態(tài)視野之下。與之相比，本研究建立的條件方法仍具有一定的先進(jìn)性。

關(guān)于頭戴裝備視場(chǎng)的測(cè)量方法，工業(yè)部門通常采用物理的方法，即采用經(jīng)緯儀或帶有刻度的平行光管來進(jìn)行測(cè)量[5,18]。本研究采用生理試驗(yàn)的方法，即由受試者佩戴夜視鏡進(jìn)行觀察的視野測(cè)量方法，測(cè)量結(jié)果與夜視鏡標(biāo)稱的視場(chǎng)一致。這里需要指出的是，采用經(jīng)緯儀或帶有刻度的平行光管的測(cè)量方法，測(cè)量范圍有限，僅用于顯示裝置的視場(chǎng)測(cè)量，不適用視野測(cè)量。

4.4 下一步工作設(shè)想

本研究建立了飛行員頭戴裝備視野測(cè)量條件和方法，并對(duì)一組新型頭戴裝備的視野進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)。下一步的工作設(shè)想，包括視野測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)和推廣應(yīng)用兩個(gè)方面。

視野測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)，主要任務(wù)是細(xì)化視野邊界的緯線劃分，進(jìn)一步提高頭戴裝備視野邊界的測(cè)量精度。

本研究建立的視野測(cè)量系統(tǒng)和方法，可推廣應(yīng)用于飛行員綜合瞄準(zhǔn)顯示頭盔的研制評(píng)價(jià)，還可用于防毒面具、核生化防護(hù)裝置等頭戴裝備的研制評(píng)價(jià)；研究結(jié)果還可用于制訂或修訂飛行員頭戴裝備視野標(biāo)準(zhǔn)。