基于沙盤的飛行員夜視訓(xùn)練系統(tǒng)研制

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(xué)中心，北京100142）

0 引言

隨著夜視技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，夜間飛行任務(wù)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(guān)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(xùn)練在提高作戰(zhàn)效能和保障飛行安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。美軍針對夜視裝備的訓(xùn)練開始于20 世紀70 年代，1999 年相關(guān)鑒定訓(xùn)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(xùn)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(xué)訓(xùn)練，將訓(xùn)練分為地面初訓(xùn)、地面復(fù)訓(xùn)及飛行訓(xùn)練[8]。其中，地面初訓(xùn)包括理論學(xué)習(xí)、夜視鏡設(shè)置訓(xùn)練和檢查、沙盤訓(xùn)練及模擬器訓(xùn)練。目前，奧地利AMST 和美國ETC[9]設(shè)計研發(fā)的夜視鏡訓(xùn)練系統(tǒng)均涵蓋了除模擬器訓(xùn)練以外的地面初訓(xùn)內(nèi)容，其沙盤訓(xùn)練主要結(jié)合理論學(xué)習(xí)內(nèi)容，在具備光效環(huán)境的沙盤上感受視覺影響。沙盤訓(xùn)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(shè)計一種基于沙盤的飛行員夜視訓(xùn)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(xùn)練，學(xué)習(xí)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(shè)計

飛行員夜視訓(xùn)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(fù)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(xué)暗室條件下，建立夜視微光仿真環(huán)境，設(shè)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)系統(tǒng)由導(dǎo)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(xué)系統(tǒng)利用導(dǎo)光棒將光源導(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(shè)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(shè)備的配置和性能要求》，按基本型機場燈光跑道燈的布局設(shè)置燈光，具體設(shè)置見表2。

表2 機場燈光設(shè)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(shè)計標準》設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計

設(shè)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(dǎo)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I(lǐng)2C 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(dǎo)光光纖連接；導(dǎo)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(shè)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(guān)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(dǎo)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(guān)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(guān)、分開關(guān)、擋位組成，如圖6 所示。總開關(guān)可以控制所有燈光的開關(guān)，實現(xiàn)一鍵全開以及一鍵全關(guān)功能；分開關(guān)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(guān)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(xùn)練效果

2.1 訓(xùn)練方法

夜視訓(xùn)練按照理論培訓(xùn)、裸眼體驗和佩戴夜視鏡體驗的步驟展開。參訓(xùn)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(xùn)

訓(xùn)練前對參訓(xùn)人員進行理論培訓(xùn)，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(xué)問題及使用安全等內(nèi)容，并讓參訓(xùn)人員學(xué)習(xí)并練習(xí)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(shè)計夜盲現(xiàn)象、暗適應(yīng)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(xùn)人員實際體會夜盲現(xiàn)象，并對參訓(xùn)人員進行低照度（1×10-1lx）遠視力檢查，強化參訓(xùn)人員對該現(xiàn)象的認識。

（2）暗適應(yīng)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(yīng)[13]。訓(xùn)練開始前對參訓(xùn)人員進行快速暗適應(yīng)檢查，記錄暗適應(yīng)時間。參訓(xùn)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(yīng)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(xùn)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(shè)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(xùn)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(xùn)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(xùn)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(xùn)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(yīng)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(dǎo)參訓(xùn)人員體驗在一定觀察角度下由于陰影導(dǎo)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(dǎo)參訓(xùn)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(xùn)練效果評價

參訓(xùn)人員完成訓(xùn)練后，通過評價量表對訓(xùn)練效果進行評價，評價內(nèi)容包括：訓(xùn)練對了解視覺功能和夜間視覺特點的幫助、訓(xùn)練方法設(shè)計的合理性以及通過訓(xùn)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(xùn)練結(jié)果

21 名參訓(xùn)人員均順利完成了訓(xùn)練，并對訓(xùn)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(shè)計要求，能夠很好地模擬夜間特殊視覺現(xiàn)象，通過訓(xùn)練可以使參訓(xùn)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(xùn)練需求。夜視訓(xùn)練評價內(nèi)容及統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 夜視訓(xùn)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(yīng)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(xùn)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(xùn)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(dǎo)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(xùn)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(xùn)練應(yīng)遵循改裝訓(xùn)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(xùn)練裝備、訓(xùn)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(xùn)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(xùn)練，解決了我軍頭盔夜視鏡訓(xùn)練器材和方法缺乏的實際問題，在飛行員夜視訓(xùn)練方面邁出了重要一步。但是典型的夜視訓(xùn)練體系由理論學(xué)習(xí)、沙盤訓(xùn)練、夜視鏡設(shè)置訓(xùn)練、模擬器訓(xùn)練及飛行訓(xùn)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(xùn)練平臺，與本系統(tǒng)搭配使用，達到飛行員地面夜視訓(xùn)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(xùn)練效果。