飞行员头戴装备视野测量与评价

刘何庆，吴明磊，赵彦鹏，卜伟平，张慕哲，姜媛媛，周海亮

(空军特色医学中心,北京 100142)

1 引言

飞行员头戴装备不应限制或伤害正常的视觉功能，而应为飞行员提供良好的视觉保障。目前，飞行员头戴装备正朝着高度集成化发展，功能越来越多，结构越来越复杂。如保护头盔、护目镜、瞄准具、夜视镜、盔装显示器、供氧面罩、防毒(生化)面罩、头部定位装置等，集防护、信息显示和视觉增强于一体[1-2]。高度集成化的头戴装备，结构和轮廓尺寸难以控制，直接影响飞行员视野范围，进而影响飞行操作。

在飞行员头戴装备中，有些装备标准中有视野要求，有些则无。如飞行保护头盔、航空供氧面罩、夜视镜等，对视野或视场已有明确要求[3-5]。这些分散在各个独立装备中的视野要求，以及其它未明确视野要求的装备，在它们集成之后，是否仍能满足飞行员的视觉要求，正是本研究所要回答的问题。

对于高度集成化的飞行员头戴装备，采用医用视野计或类似设备测量视野的方法已不适用。医用视野计用于眼科疾病(青光眼、黄斑病变、视路病变)的检查诊断[6-9]，通常为半球形结构，直径约0.5 m，测量范围<90°，观察窗口小，采用于头不动、眼不动、单目的检查方式。本研究根据飞行员头戴装备视野测量的实际需要，研制了一台大口径视野测量系统，可测量人裸眼视野和各种头戴装备的视野，用于飞行员头戴装备的设计评价。

2 对象和方法

2.1 视野和视场

2.1.1 视野

视野有所谓头不动眼不动、头不动眼动、头动眼动以及单目、双目之分[10]。本研究选择既适合人的用眼习惯又适合评价头戴装备的视野，即双目视野，在头不动、眼动时双眼所能看到的空间范围。头戴装备的视野即佩戴头戴装备后头不动、眼动、双眼所能看到的空间范围。

2.1.2 视场

在头戴装备中，有一类显示设备，如瞄准具、显示器、夜视镜等[11]。除结构形状可能遮挡视野外，其视场也可能是影响因素，这要看显示器的类型，即直视型(Direct-View)和透视型(See-though)。瞄准具、显示器通常是透视型的，通过光路把图像(显示信息)投射到瞄准镜或头盔护目镜上，视场及其图像叠加在外景上，对视野未造成影响。夜视镜也属于透视型，但由于其望远镜式的筒状结构，限制了人的视野，它所提供的视场即视野。

2.2 受试者和头戴装备

受试者：志愿受试者，20人(男性18人，女性2人)，年龄18-56岁，无眼疾，视力1.0以上。

头戴装备：一组新型的飞行员头戴装备，包括某新型飞行员头盔3顶，某新型加压供氧面罩2具，某型双目双管微光夜视镜1件，见图1。

图1 一组新型的飞行员头戴装备

2.3 试验设备

试验设备：大口径视野测量系统(见图2)。该系统由机械结构、测量控制及软件处理三个分系统组成。机械结构部分主要包括球形穹窿、下颌托支架、激光定位器等；测量控制部分为控制电路对发光二极管灯光和反馈应答器进行控制；软件处理系统用于参数设置、结果显示和测量计算。

2.3.1 机械结构

视野测量系统的主体结构为四分之三球形穹窿，内径2 m。球窿内球面划分经纬线，经线间隔15°，纬线间隔10°(第一区、第三区)和5°(第二区)，经纬线交点505个。经纬线交点安装发光二极管。第一区0°-30°为基础区；第二区35°-120°为主测量区；第三区130°-180°辅助测量区。

下颌托支架：下颌托支架是视野测量时保持头部固定的装置。采用独立支架结构(与球窿无交联)，由底座、支撑杆(含高度调节机构)、下颌托组成。

激光定位器：为确定受试者的眼位，沿球体表面法线方向安装两只激光器，一只位于球窿的正前方，为线型激光器；另一只位于球窿的正上方，为十字线型激光器，其射出光线的交汇点为球窿中心。视野测量时，用于确定受试者眼睛位置，使之处在球窿中心位置。

反馈应答器：手持式反馈应答器，单手握持，大拇指按压按键，用于记录受试者对看到的光点作出的反应，直接连接到控制板上，反馈信息呈现在计算机的显示器上。

图2 大口径视野测量系统示意图

2.3.2 测量控制

测量控制系统由计算机、主控板、控制板、驱动板、发光二极管(LED)、反馈应答器组成。控制板接收计算机指令，精确控制发光二极管的随机发光顺序、时长、时间间隔、发光强度、反馈应答信号，并控制驱动板实现上述指令信息。

2.3.3 软件处理

软件处理系统分为五大模块：包括信息显示模块、串口控制模块、应答反馈模块、计算模块以及数据管理模块，分别完成试验基本信息录入、试验参数设置和发送、应答反馈信息记录显示、边界值计算、数据库管理等职能。

2.4 试验设计和方法

2.4.1 试验设计

利用上述试验条件，依次对每一受试者裸眼、佩戴头盔、佩戴头盔+供氧面罩、佩戴头盔+供氧面罩+夜视镜等四种状态的视野进行测量。采用头不动、眼动、双目视野测量。裸眼视野是制定头戴装备视野标准的基础，也是评价头戴装备视野优劣的依据。因此，本研究对全部受试者的裸眼视野进行测量；对保护头盔的视野，根据研制指标要求，由部分受试者进行测试验证。对保护头盔+供氧面罩这种状态，缺乏这两种装备配套使用的详实数据，因此对全部受试者佩戴保护头盔、供氧面罩时的视野进行测量。对佩戴头盔+供氧面罩+夜视镜这种状态，因夜视镜的视场已经明确，也采用由部分受试者进行测试验证。

先进行预试验，通过预试验确定的每一视野测量状态的选区和参数设置。最后确定为：佩戴夜视镜时选一区，其它状态选二区；发光二极管选蓝光，佩戴戴夜视镜时发光强度设置为4档或5档(5档亮度最高)；其它状态发光强度设置为1档或2档(1档亮度最低)；发光持续时间、间隔时间统一均设置为0.8 s。

2.4.2 试验方法

试验前，测量受试者头围，选配合适的头盔、面罩。佩戴夜视镜试验时，向受试者介绍夜视镜的使用方法，调节夜视镜的瞳距、焦距、视度等，通过夜视镜能看到完整清晰的视场。

启动计算机测量系统，进行通讯端口设置，录入受试者、头戴装备等信息，选定测量区域，设置试验参数(见图3)。

试验时，受试者坐在球窿内，调节下颌托的位置和高度、座椅位置和高度，使两眼的中点处于球窿的球心位置(激光定位器的交汇点)。用下颌托支撑头部，头部保持不动。

受试者手持式反馈应答器，单手握持，用大拇指按压按键。当看到光点点亮后，按下反馈应答器的按键；未看见灯亮，不按应答器。

未点亮前，在计算机屏幕上的视野图中，光点标记为■；点亮并作出应答的，■变为+；点亮而未作出应答的，标记为□。

一次灯亮，只响应一次反馈，多按无效。灯不亮按下不响应。灯亮时未及响应(未看到、或按压按键已超时)，标记为□，待下一点灯亮。

图3 头戴装备视野测量界面

3 结果

根据试验设计，对全部20名受试者的裸眼视野进行了测量；对其中5名受试者佩戴保护头盔的视野进行了测试验证；对全部20名受试者佩戴保护头盔+供氧面罩时的视野进行了测量；对其中4名受试者佩戴头盔+供氧面罩+夜视镜进行了测试验证。

通过以上试验，得到了受试者裸眼、佩戴头盔、头盔+供氧面罩、头盔+供氧面罩+夜视镜时四种状态时的视野。将每一测量状态平均视野绘制成图，如图4所示。

图4 视野测量结果

图中经线由24条射线表示，以受试者正左侧为0°，头顶上方为90°，正右侧为180°，头下方为270°。纬线用环线表示。视野的边界由经纬线最外侧交点的可见光点连线所代表。

在视野测量中，上、下视野和左、右水平视野通常认为是最重要的，在制定头戴装备视野标准中经常用到。本研究中的上、下视野和左、右水平视野结果见表1。

如果测得质点的速度和P波的速度，测得煤岩的密度和泊松比，可以计算出动载荷的大小。以潞新矿区为例，根据大量监测数据，产生的煤炮所能监测到的能量为1×104～1×106 J，质点震动的峰值速度为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。由此可计算得σdp= 2.21～15.44 MPa，σds=1.26～8.82 MPa。这个量级的动载荷相对于其原岩最大主应力16.5 MPa和最小主应力9.1 MPa而言，是非常大的。

表1 视野测量结果(°)

4 讨论

4.1 关于测量结果

20名受试者视野测量结果表明，无论个人或群体，视野范围符合正常的认知规律，即裸眼视野最大；佩戴头盔后，上视野受限，左、右水平视野基本未受影响；佩戴头盔+面罩后，下视野受限明显。佩戴头盔+面罩+夜视镜后，视野与夜视镜标称的视场40°一致，此时视野完全受限于夜视镜的视场。由于人眼和头戴装备相对头部中央矢状面呈对称性，视野测量结果基本呈左右对称。

这里需要说明的是，本研究与物理试验不同，属于生理试验，是由志愿受试者进行观察给出结果，试验结果存在个体差异。另外，测量结果直接受试验设备测量精度的影响(在关于试验方法中进行讨论)。

4.2 对头戴装备视野的评价

本研究中飞行员头戴装备包括保护头盔、供氧面罩、夜视镜。其视野标准要求如下：《飞行保护头盔通用规范》(GJB1564A-2012)规定[3]：左右颞侧水平视野不应<90°，上视野不应<45°，下视野不应<65°。《航空供氧面罩生理卫生学要求》(GJB3726-1999)规定[4]：下视野不应<30°，对其它无影响。《微光夜视眼镜通用规范》(GJB5477-2005)规定[5]：夜视眼镜的视场标称值应不低于40°，其下偏差不应超过5%。对照表1的视野测量结果，本次试验所用头戴装备，符合相关标准的要求。

从使用需求上讲，飞行员头戴装备应达到裸眼视野的水平，使裸眼视野不受遮挡或遮挡较少。但长期以来，飞行员头戴装备的视野，受工业技术水平限制，如供氧面罩对下视野的影响较大。另外，视野要求需与防护要求进行协调，如保护头盔的上视野太大，会损失头盔的保护区范围。随着工业技术的进步，低剖面(low profile)设计的供氧面罩得到广泛应用，新型供氧面罩的下视野已达到40°以上[12]。对保护头盔而言，激烈的空战要求提高保护头盔的上视野以增强飞行员的观察能力。为满足新型歼击机的作战使用需求，已将新型保护头盔的上视野提高到60°。本研究所用的新型保护头盔和供氧面罩，上、下视野已基本达到这样的要求。

关于夜视镜，由于其望远镜式的筒状结构，使视野完全限制在其视场范围。目前有一种宽景夜视镜(PNVG)[13-15]，已将夜视镜的视场扩展到40°×100°,可使视野达到上20°、下20°、左50°、右50°的范围。这种宽景夜视镜技术，基本保持了望远镜式的筒状结构，但采用4管式(小型管径)的像增强器，与2管式(标准管径)的夜视镜的40°圆形视场相比，大大地扩展了人的视野。

4.3 关于试验方法

本研究建立的视野测量条件和方法，口径大，测量范围大，适用裸眼和佩戴各种头戴装备的视野测量。从测量结果看，试验设备测量精度即球窿经纬线划分刻度略大，尤其是在视野的边界，纬线间隔5°的设计还不够精细，制约了测量结果的精度。国外文献报道的飞行员头戴装备测量设备，如美空军阿姆斯特朗实验室研制飞行员头戴装备视野测量设备[16-17]，其LED纬线间隔1°。其主体结构为一段半径为1m的圆弧，测量时圆弧需沿经线方向以15°为间隔改变位置。圆弧的转动会吸引受试者的注意力，可能产生动态视野。本研究完全建立在静态视野之下。与之相比，本研究建立的条件方法仍具有一定的先进性。

关于头戴装备视场的测量方法，工业部门通常采用物理的方法，即采用经纬仪或带有刻度的平行光管来进行测量[5,18]。本研究采用生理试验的方法，即由受试者佩戴夜视镜进行观察的视野测量方法，测量结果与夜视镜标称的视场一致。这里需要指出的是，采用经纬仪或带有刻度的平行光管的测量方法，测量范围有限，仅用于显示装置的视场测量，不适用视野测量。

4.4 下一步工作设想

本研究建立了飞行员头戴装备视野测量条件和方法，并对一组新型头戴装备的视野进行测量和评价。下一步的工作设想，包括视野测量系统的改进和推广应用两个方面。

视野测量系统的改进，主要任务是细化视野边界的纬线划分，进一步提高头戴装备视野边界的测量精度。

本研究建立的视野测量系统和方法，可推广应用于飞行员综合瞄准显示头盔的研制评价，还可用于防毒面具、核生化防护装置等头戴装备的研制评价；研究结果还可用于制订或修订飞行员头戴装备视野标准。