飛行員夜視鏡的人機工效分析及效能提升方法

袁有志，宋建華，董保根，侯志剛，王詩薇，楊默遠，張 丹

飛行員夜視鏡的人機工效分析及效能提升方法

袁有志1，宋建華2，董保根1，侯志剛1，王詩薇2，楊默遠2，張 丹2

（1. 北京航空工程技術研究中心，北京 100076；2. 云南北方光電儀器有限公司，云南 昆明 650114）

飛行員夜視鏡在未來夜間空戰中將會發揮越來越重要的作用，但是佩戴夜視鏡飛行也帶來諸多安全問題和人機工效問題。為保證飛行員佩戴夜視鏡的飛行安全，同時提高夜視作戰效能，改善和提升飛行員夜視鏡的人機工效是重要途徑之一。本文分析了飛行員使用夜視鏡時的存在的典型人機工效問題，從夜視鏡設備性能改進、人員訓練以及使用環境與時機3個方面給出了效能提升建議，為提高飛行員佩戴夜視鏡飛行安全性、高效性和舒適性提供適用性的解決方案。

飛行員夜視鏡；夜視兼容；人機工效

0 引言

近幾十年來，歷次局部戰爭表明，戰爭往往都是從夜間空中作戰開始，并且夜戰貫穿戰爭全過程，所占比重已超過晝間。空中行動不間斷進行，頻繁地運用夜間作戰，實現對敵方的持續壓制與突擊，已成為現代空軍作戰的一個基本特征。美國國防預算報告（2008FY，Aviation Life Support Procurement Program Section，航空生命支持采辦程序部分）可知，美國空、海軍70%以上的空中行動都在夜間進行。可以說，夜戰能力已成為對現代空軍的基本要求，一旦失去夜戰能力，就基本喪失了制空權。在缺乏夜視能力時，空中作戰任務將會有極大的制約，例如：無法觀察地形地貌和高大建筑等障礙，不具備低空/超低空飛行能力；多機之間只能通過錯高度層、增大距離等方式確保安全；占用大量精力關注飛行安全參數，影響任務執行；允許機動過載比白天大幅降低，空中作戰行動的任務規模、靈活性、突防能力、生存力都將顯著下降。

隨著夜視技術的飛速發展，飛行員夜視鏡成為夜間飛行及作戰任務的必備工具之一[1-2]，通過夜視鏡可以獲取周圍地形與障礙、關鍵目標場景特征、空中他機位置/航跡及識別點等信息，能提高空軍夜間作戰能力，但受到各種因素的限制，夜視鏡存在顯示畫面視場小、圖像質量不佳等問題[3]，導致了飛行員獲取外圍信息能力降低、情景意識下降、容易出現視覺疲勞等，妨礙了飛行員安全執行任務[4-6]，如1987-1993年，美國海軍和海軍陸戰隊共發生13起與佩戴夜視鏡相關的飛行事故[7]，1980-2000年的美國軍事直升機事故調查顯示在3179起飛行事故中與佩戴夜視鏡有關的事故有382起，占所有飛行事故的12%[8]。

為了減少佩戴夜視鏡對夜間飛行帶來的影響，提高飛行員夜間飛行及執行任務的安全性，可以通過開展飛行員夜視訓練，有效提高飛行員對夜航環境危險的辨識能力和夜間空中作戰能力。國外已經有針對性地建立了夜視訓練體系，例如北約組織于2007年已建立起夜視訓練體系和相關評判標準，并且通過實踐應用已獲得顯著成效[9-10]；美國空軍研究實驗室的作戰人員訓練研究部開發了夜視訓練系統（night vision training system，NVTS），該系統提供高保真的夜視鏡圖像、夜視鏡模擬器訓練和訓練結果評估[11]；美國馬薩諸塞大學搭建了增加雨、云、雪、灰塵、煙霧等天氣模擬技術的夜視鏡模擬器訓練系統[12]，用于開展飛行員夜視輔助訓練。

國內從1984年開始為飛行員開展了包含地面錯覺模擬訓練在內的航空生理訓練[13]，研究飛行錯覺模擬訓練系統[14]，但一直缺乏基于夜間飛行的夜視訓練系統。本文根據夜視鏡工效學相關資料以及飛行員佩戴夜視鏡試飛后的反饋情況等，整理佩戴夜視鏡在夜間飛行過程中存在的人機工效問題，進一步從設備性能提升、夜間飛行訓練、夜視鏡使用環境和時機3個方面提出夜視鏡效能提升的方法。

1 夜視鏡在飛行中的人機工效分析

飛行員在飛行任務中使用夜視鏡時，由于自身生理心理因素、夜視鏡的技術條件，以及作戰環境的影響，會產生一系列的人機工效問題[15]。

1）駕駛艙照明與夜視鏡的夜視兼容性

由于黑底綠字的辨識度高，可降低飛行員的視覺搜索時間，因此駕駛艙顯示屏大都是黑底綠字，如圖1[16]所示。在飛機上使用夜視鏡時，由于座艙外的夜空微弱照明與座艙內的燈光照明會同時進入夜視鏡參與成像，因此必須考慮裸眼從夜視鏡和座艙照明接收到的能量平衡和兼容，也就是要做到夜視兼容，否則會嚴重影響夜視鏡觀察效果[17]。

夜視兼容的目的是使裸眼能夠正常觀察艙內儀表信息，且座艙照明不干擾使用夜視鏡對外觀察。夜視兼容在技術上可以通過波段分離法實現。其中，座艙照明系統僅使用665nm波長以下的對于人眼敏感的可見光，不使用對于夜視鏡敏感的665nm波長以上的紅光、近紅外輻射；而夜視鏡本身增加反藍濾光膜，阻止665nm波長以下可見光入射參與成像[9,18-19]。

圖1 夜視兼容的座艙照明[16]

2）視野狹窄

標準型夜視鏡視場為圓形的40°，視野受限，距離及深度感降低。周邊視野的喪失，妨礙飛行員觀察儀表、估計飛機速度、高度以及判斷障礙物等，如圖2所示的典型場景的夜視鏡觀察圖像。

圖2 典型場景的夜視鏡觀察圖像

3）視力下降

夜視鏡的光學分辨力較低，視場內亮度較高，會引起人眼不適或視覺功能下降，佩戴夜視鏡后視力僅達0.6～1.0，觀察效果不如晝視。

4）視性疲勞

夜視鏡增加了飛行員頭部的重量，易引起頸部肌肉的疲勞[20-21]。此外，因視野受限，飛行員還需要頻繁轉動頭部，容易產生視性疲勞。

5）操作不當造成飛行員受傷

夜視鏡的佩戴需要緊貼與于飛行員面部，在事故中容易造成面部損傷[1]。此外，在飛機遭遇緊急狀況，飛行員需要彈射跳傘，此時如果手動摘除夜視鏡時機把握不當，彈射時容易造成頭部、頸部受傷。

6）焦距轉換帶來的不便

飛行員佩戴夜視鏡執行夜航任務時，其關注點將會在艙外景物和艙內儀表之間來回切換[21-24]，在看艙外景物需要通過夜視鏡觀察，在看艙內儀表時則需要用裸眼觀察，這樣會造成睫狀肌調節過頻，產生頭暈、目澀和眼花等視覺癥狀，人眼屈光狀態轉換的時間在佩戴夜視鏡后明顯變長。

7）虛假天地線錯覺

夜間飛行時，由于光線昏暗，造成目視觀察天地線變得困難，自然天地線變得模糊不清或者不明顯時，飛行員容易將虛假的天地線當成自然的天地線，產生虛假天地線錯覺[25-27]。當飛行員產生這種錯覺后按照虛假天地線去定位操縱飛機，就可能使飛機進入危險狀態。

8）深徑覺改變

夜視鏡的成像原理導致了立體視覺轉變為平面視覺，造成空間位置感差異，引起高度和距離判斷困難。

9）佩戴夜視鏡導致的空間定向障礙

夜視鏡的橫向及縱向視野縮小，導致立體視銳度減退，妨礙觀察儀表、估計速度、高度及判斷障礙物，增加判斷誤差，造成空間定向障礙[22,28-29]。

10）佩戴夜視鏡引起的色覺改變

夜視鏡顯示的是綠色影像，沒有受過訓練的人可能會認為地面全是植被。此外，不同亮度或不同光譜特性的物體在夜視鏡中呈現的視景為不同亮度的綠色，成像缺乏層次感[30]，而且人們白天往往通過色彩、明暗度判斷物體距離及高度，佩戴夜視鏡后使用相同的習慣會導致高度及距離的判斷出現誤差。

11）佩戴夜視鏡飛行的光譜敏感差異

夜視鏡對紅光的敏感性最大，而藍紫光敏感性差，所以紅光在夜視鏡下觀察時非常明亮，而藍紫光較暗[31]。紅光成像會更明亮，光暈更大，會誤導飛行員認為紅色物體或發光物體更大、距離更近，而藍色物體或發光物更小、距離更遠，甚至不能發現藍紫色物體。

12）佩戴夜視鏡飛行陰影中細節消失

夜視鏡在照度越低的條件下圖像質量越差，景物的陰影處照度會更低。因此，陰影下的細節部分不易被看清。例如，山谷等較低地形在夜間會有明顯陰影，其中如果有高壓電線、建筑物或其他較高物體，佩戴夜視鏡后不易看清，會影響正常判斷地形及目標。

13）夜視鏡光軸偏斜導致目標距離誤判

長期使用夜視鏡可能會發生光軸偏斜現象，如果兩條光軸均向內偏，形成光線會聚，視網膜感受到的影像位置會比實際距離近，造成對目標距離或大小的過低判斷[29]。

2 夜視鏡使用效能提升方法

針對上述人機工效問題，可以從設備、訓練、使用環境3個維度來考慮使用效能提升方法。

1）設備性能提升

目前國際上微光夜視鏡采用的主流技術是微光像增強器技術。由于飛行員夜視鏡在座艙內的特殊使用環境，夜視鏡需要采用夜視兼容處理，增加了反藍濾光膜，665nm波長以下的光譜被截止掉了（藍、綠光波段用于座艙顯示和照明，夜視鏡對藍綠光波段不響應）。圖3[32]所示為微光像增強器的光譜響應曲線，在無月星光條件下等低照度環境下（10－4～10－3lx）增強器在700～900nm探測效率出色，可以發揮地面性能的70%～80%，具有較好的夜視效果。

此外，根據美國空軍調查，運輸機飛行員廣泛認為傳統微光夜視鏡的視場（40°）小于人眼正常觀察視場，導致飛行員需頻繁旋轉頭部掃描進行觀察，增加了飛行員的疲勞感。針對該需求，美國ITT公司展開了大視場夜視鏡的研制工作，將原有雙筒結構更改為四筒結構，將視場增加至100°×40°的環形視場，保證飛行員不需轉動頭部便可觀察較大范圍內的景物[3,9]，圖4[33]所示為美國ITT公司研制的大視場夜視鏡示意圖。

圖4 大視場夜視鏡[33]

2）人員訓練

飛行員夜視鏡訓練分為地面訓練和飛行訓練。

飛行員佩戴夜視鏡進行飛行前，需要先進行夜視鏡地面培訓。夜視鏡地面培訓主要包括夜視理論培訓、夜視鏡操作培訓、沙盤模擬訓練、動態場景模擬訓練等。

夜視理論培訓通過夜視理論及夜視鏡知識教學，使飛行員從理論到實踐對夜視成像、夜視兼容原理，夜視鏡使用、使用安全等有深刻理解。夜視理論培訓主要內容包括：夜視鏡的功能和原理、夜視鏡及附件安裝調試方法、夜視鏡地面調校設備使用方法、人體視覺生理、夜視環境中的視覺限制[28]、夜視鏡在應用中的視覺限制、佩戴夜視鏡時對錯覺/空間定向障礙的感受、飛行中使用夜視鏡危險因素對人的影響、夜間視覺保護方法、艙內外視景夜視鏡觀察方法、夜視鏡觀察注意力分配、佩戴夜視鏡時機組成員工作分配及疲勞管理、佩戴夜視鏡時對典型環境/目標識別及認知等。

夜視鏡操作培訓是訓練飛行員的夜視鏡實際使用操作、安裝解脫、夜視鏡調校檢測設備使用、體視感等技能，使飛行員熟練掌握夜視鏡操作技能和限制條件、綜合性能評價、電池電量檢測等裝備使用、緊急突發事件應急處置技能。

沙盤模擬訓練是讓飛行員佩戴夜視鏡觀察不同地貌環境（荒漠、水面、草原、山地、丘陵、峽谷、城市、機場、高壓電塔、風力發電機等）在不同光照條件（滿月、半月、無月、城市燈光、爆炸物閃光等）、不同角度下的夜視鏡成像特點，感受距離變化、速度變化時的夜視效果，使飛行員掌握夜視圖像特征、光效影響、夜視環境下危險規避方法，累積夜視感知和危險規避經驗。

動態場景模擬訓練是讓飛行員在相對運動的動態模擬夜視場景感知訓練中，體驗夜間飛行動態場景的模擬（如超低空飛行、編隊飛行、攻擊地面目標、起降過程、威脅感知等）[22]，以及對佩戴夜視鏡產生的視野狹窄、視力減低、色覺變化、深度覺變化、運動錯覺等人機工效問題進行適應性訓練[34]。

對于飛行訓練，北約《STANAG7147夜視裝備訓練的航空醫學問題》中要求飛行員在接受夜視地面訓練后3個月內立刻開展夜視飛行訓練。飛行訓練先從雙座機后艙訓練開始，在教官指導下最少飛行2h，熟練之后可以過渡到單座機飛行，而且在飛行訓練中要根據飛機和飛行員的實際情況動態調整訓練內容[9]。佩戴夜視鏡飛行訓練內容包括：飛機調整、盲座艙、離機、基本和高級飛行動作，機組人員工作管理、夜視鏡情況處置以及編隊飛行等。因為佩戴夜視鏡對判斷距離和高度存在較大的偏差，所以在飛行訓練中，要求起飛、著陸或空中加油訓練時，不能佩戴夜視鏡[9]。

3）使用環境與時機

在執行夜間飛行任務時，月相以及月亮的相對位置是需要重點考慮的因素。

在夜間有月條件下，月光為最重要的夜天光組成部分。不同的月相對應不同的照度，照度值越高，夜視鏡成像細節越清晰、立體感和層次感越好。反之，若照度值較低，夜視鏡成像會較模糊，細節信息丟失，只能看清物體的大致輪廓。表1為不同月相的照度對應表。為了保證良好的視覺效果，應盡可能選擇在月相較好的條件下執行飛行任務，以保證佩戴夜視鏡后的視覺效果和作戰方式與晝間盡量一致。

表1 月相和照度對照

此外，還應考慮攻擊航線與月亮的夾角，盡量使攻擊航線順著月光。例如，當月亮從東方升起時，作戰的計劃航向應朝向北、南或西方向，應該避開從東北或東南方向發起攻擊，因為這樣會逆向月光，從而導致夜視鏡分辨目標的效果受到影響。

3 結束語

夜視夜戰能力是未來戰爭中大國空軍必不可少的基本能力，夜視夜戰能力的形成和提升不僅僅依賴于夜視鏡本身的性能，也需要從人機結合的角度出發，充分考慮飛行員在使用夜視鏡時的人機工效問題，摸清限制條件，揚長避短，在有利的作戰環境中充分發揮人和裝備的優勢，提升綜合作戰效能。

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Ergonomic Analysis of Pilot's Night Vision Goggles in Operational Use and Performance Improvement

YUAN Youzhi1，SONG Jianhua2，DONG Baogen1，HOU Zhigang1，WANG Shiwei2，YANG Moyuan2，ZHANG Dan2

(1.,100076,;2.,650114,)

Pilots' night vision goggles will play an increasingly important role in future night air combats. However, wearing night vision goggles will also lead to many safety and ergonomic problems. To ensure the flight safety of pilots wearing night vision goggles and to improve night vision combat effectiveness, it is important to enhance the ergonomics of pilots' night vision goggles. This study analyzes the typical ergonomic problems of pilots when they use night vision goggles and provides suggestions for efficiency improvement from three viewpoints: performance enhancement of night vision goggles, personnel training, and use of environment and opportunity. We provide a feasible solution to improve the safety, efficiency, and comfort of pilots wearing night vision goggles.

pilot’s night vision goggles, night vision compatibility, ergonomics

R857.13

A

1001-8891(2022)12-1287-06

2021-03-30；

2021-10-26.

袁有志（1982-），男，工程師，主要研究方向為航空人機工效。E-mail: yuanyouzhi@163.com。

王詩薇（1991-），女，博士，主要研究方向為人工智能及夜視成像技術。E-mail:wangshiwei_124@163.com。