非致命激光眩目器眩目效果定量检测评估系统

非致命激光眩目器眩目效果定量检测评估系统 Quantitative detection and evaluation system for dazzling effect of non-lethal laser dazzlers first-author 牛　津（1988-），女，北京人，博士研究生，2011年于长春理工大学获得硕士学位，主要从事光电检测方面的研究。E-mail：niujin0615@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=20932616&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=20932630&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=20932623&type= 22.01332855 32.00402832 牛　津 （1988-），女，北京人，博士研究生，2011年于长春理工大学获得硕士学位，主要从事光电检测方面的研究。E-mail： niujin0615@163.com niujin0615@163.com corresp E-mail： xxp@cust.edu.cn E-mail： xxp@cust.edu.cn 徐熙平（1969-），男，吉林桦甸人，教授，博士生导师，1993年、1999年于长春光学精密机械学院分别获得学士、硕士学位，2004年于长春理工大学获得博士学位，主要从事光电检测方面的研究。E-mail：xxp@cust.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=20932633&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=20932642&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=20932638&type= 22.01333618 32.00361633 徐熙平 （1969-），男，吉林桦甸人，教授，博士生导师，1993年、1999年于长春光学精密机械学院分别获得学士、硕士学位，2004年于长春理工大学获得博士学位，主要从事光电检测方面的研究。E-mail： xxp@cust.edu.cn xxp@cust.edu.cn 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130000 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130000 College of Optoelectronic Engineering， Changchun University of Technology，Changchun 130000， China College of Optoelectronic Engineering， Changchun University of Technology，Changchun 130000， China 针对非致命激光眩目器的眩目效果测量与评估的迫切需求，研制了一套激光眩目器眩目效果定量检测评估系统。该系统采用非生物定量测试手段，设计了由仿真人眼光学系统、视网膜模拟器、仿真眼球支撑装置组成的仿真人眼靶标，通过仿生人眼靶标可捕捉探测到类人眼效果的原始激光眩目图像，结合生物特征的CIE一般失能眩光方程，经过眩目效果测试评估软件处理后可对仿生眩目图像进行综合分析，最终得到激光眩目器的眩目效果的等级判定。系统的光谱分辨率为1 nm，工作波段为380~780 nm，环境光照测试范围为1×10 -4 ~1×10 3 lx，激光眩目器照射至仿真人眼靶标处的可测试最大功率密度阈值为2 mW/cm 2 。最后，开展了大量与志愿者人眼眩目效果的对比试验，并应用于某系列警用激光眩目器的眩目效果测试中，为反恐防暴装备选型工作提供了多次考核评估试验。试验及应用结果表明，该系统解决了采用非生物手段对激光眩目生理效应进行定量测试的难题，并实现了非致命激光眩目器眩目效果的科学评估，为深入开展激光眩目器的眩目效应研究提供了支持。 A set of quantitative detection and evaluation systems were developed to measure and evaluate the dazzling effect of a non-lethal laser dazzler. The developed systems use non-biological quantitative testing methods， designing a target composed of a simulated human eye optical system， a retina simulator， and a simulated eyeball support device. Through it， the detection system can capture the original laser dazzling image using a human-like effect， combined with the CIE general disability glare equation of biological characteristics. After software processing， the bionic dazzling image can be comprehensively analyzed， and the dazzling effect can be obtained. For the level judgment， the spectral resolution of the system is 1 nm， the working band is 380–780 nm， the ambient light test range is 1×10 -4 –1×10 3 lx， and the testable maximum power density threshold is 2 mW/cm 2 . At present， the system has carried out numerous verification tests comparing the dazzling effect for volunteers and has been applied to the dazzling effect test of a series of police laser dazzlers. It has provided support for the selection of anti-terrorism anti-riot equipment， with several evaluation tests conducted. The verification tests and practical applications show that the system further solves the problem of using non-biological means to quantitatively test the physiological effects of laser dazzling and facilitates a scientific evaluation of the dazzling effect of non-lethal laser dazzling devices. The studies on the dazzling effect of the eyepiece provide an adequate experimental research base. 激光眩目 定量检测 非致命 仿生模拟 效果评估 laser glare quantitative detection non-lethal bionic simulation effect evaluation 1 引　言 1 非致命性激光眩目器是一种基于激光特点的非致命性软杀伤武器装备，可利用较小的能量使对方人员暂时瘫痪，不造成大规模人员、装备或环境等的严重破坏，广泛应用于军事和公共安全领域，在军事行动、打击恐怖主义和制止暴力事件中具有特殊的优势和意义 ［ 1 1 ］ 。 激光眩目器眩目效果的测试手段有定性测试和定量测试两类。常见的测试方法有三种：一是国内外最常见的方法——视觉电生理方法，医学单位针对激光眩目器对眼底的损伤效应与损伤阈值进行活体动物实验研究，通过动物视觉诱发电位和视网膜电流图来实现测试 ［ 2 2 - 3 3 2-3 ］ ；活体生物眼球虽在生理组织上与人眼类似，但不能恰当地表达出眩目后视觉感知与心理感受，与人眼眩目感官效果仍存在着量效差距，此外所用激光直径较小、作用距离较近、光源几乎贴近角膜、辐射时间过长，该方法不符合激光眩目器在军事领域的使用情况。二是选择各年龄段志愿者进行人眼主观测试，是一种定性测试方法。人眼评价采用心理物理学技术，以视觉靶标消失后的恢复时间来衡量视觉功能的抑制效果 ［ 4 4 ］ 。出于安全考虑，人眼试验不能重复测试，定性判断结果具有极大的局限性。三是采用光电仿生技术进行非生物定量测试。该方法在目前阶段的研究成果较少，具有代表性 ［ 5 5 ］ 的方法是采用激光功率计模拟视网膜吸收激光光束来实时监测激光光强，以探究模拟视网膜上的激光能量密度的规律，在避免生物局限性的同时实现了定量测试，虽未实现激光眩目可视化的测试效果，但为该领域测试提供了新的思路。 为了进一步探寻如何将非致命性激光眩目效应这种抽象生理感觉量化为可测试的客观物理量，本文采用光电仿生模拟技术，研制了激光眩目效果非生物定量评估检测系统，重点设计了仿真人眼靶标和眩目效果测试评估软件，实现了无需生物体参与即可达到人眼眩目效果的量化测试，为军事领域中非致命激光眩目器的应用提供了有效的试验平台。 2 系统组成及其工作原理 1 2.1　系统组成 2 如 图1 图1 所示，眩目效果定量检测评估系统主要由仿真人眼靶标、环境光照监测器、激光探测器、激光安全告警器、图像采集处理器、计算机、效果显示器和眩目效果测试评估软件等组成。仿真人眼靶标由仿真人眼光学组件、视网膜模拟器和仿真眼球支撑装置构成。眩目效果测试评估软件由眩目测试模块和效果评估模块构成。环境光照监测器可测试的环境光照范围为1×10 -4 ~1×10 3 lx，激光探测器可探测的工作波段为380~780 nm，光谱分辨率为1 nm，最大功率密度阈值为2 mW/cm 2 。 2.2　检测原理 2 激光眩目效应严重压制了人眼的视觉敏锐度和视觉对比度，综合国际公认的失能眩光标准CIE方程 ［ 6 6 ］ ，扩展考虑年龄和色素沉着因子的人眼散射模型 ［ 7 7 ］ 、人眼目标识别的对比度阈值模型分析，即： <math display="block" id="M1"><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">y</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>A</mi><mo>,</mo><mi>p</mi><mo>,</mo><msub><mrow><mi>L</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">b</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mrow><mi>S</mi></mrow><mrow><mn 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<math display="block" id="M5"><msub><mrow><mi>C</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">h</mi><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>L</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">b</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>A</mi></mrow></mfenced><mo>=</mo><mi mathvariant="normal">Ω</mi><mi>A</mi><mi>F</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=20932710&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=20932705&type= 33.35866928 4.82600021 ， <math display="block" id="M6"><mi>Ω</mi><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>L</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">b</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mi>a</mi></mrow></mfenced><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">206</mn><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi>φ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>L</mi></mrow><mrow><mi 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http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=20932737&type= 66.88666534 7.78933382 . 可知，激光眩目效果的关键表征量有：识别目标时人眼的阈值对比度 <math id="M9"><msub><mrow><mi>C</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">h</mi><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=20932750&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=20932745&type= 4.99533367 3.72533321 、人眼接收的眩光曝光量 Φ 、激光眩目遮蔽角范围 θ 、作用环境光照 L b 、目标对人眼的张角 α 和眩目人眼个体差异 AF （与年龄、人眼色素因子相关）等。激光眩目源在视网膜处形成的激光光斑携带着眩目效果的重要参数信息，可作为实现眩目效果量化测试的媒介。 该评估系统可准确测试激光眩目器在特定场景下的人眼视网膜处光斑系列参数，实现该条件下人眼视觉眩目效果等级评估。其中，仿真人眼靶标是根据统计人眼的真实数据和结构模型设计形成贴近人眼观察效果的激光眩目场景的原始视频。环境光照监测器可同步测试当前光照度值并提供给图像采集处理器。激光探测器可同时探测激光眩目源的峰值波长和放置位置的激光功率。为了保护测试人员和测试系统在科研阶段不被激光损伤，激光安全告警器判定激光能量是否超过规定的安全阈值，并控制视网膜模拟器是否启动图像采集。图像采集处理器接收各项数据后处理并输出原始图像，激光眩目测试软件对它进行仿生优化，形成真实人眼感知景象的模拟图像，并在效果显示器上显示。最后，眩目效果测试评估软件可对模拟图像进行理论分析和眩目效果等级评估。该系统无需测试人员去观看激光，可代替人眼实现激光眩目场景可视化定量测试和眩目效果等级判定。 3 仿真人眼靶标设计 1 3.1　仿真人眼光学设计 2 通过收集大量的实测人眼结构参数，取其统计平均值作为人眼光学常数建立人眼仿真光学模型；建立人眼受激光照射时聚焦成像时的光学结构，实现视网膜处的激光眩目光斑的仿真捕获。 3 . 1 . 1　人眼模型的选取 3 目前，公认最权威的Gullstrand Ⅰ号眼模型（G-Ⅰ model）与眼睛的实际屈光状况相近似 ［ 8 8 ］ ，在像质上认为其像差水平代表非调节状态时人眼的正常像差水平。该模型包括6个折射面，即角膜前后表面，晶状体皮质层前后表面和晶状体核前后表面。 图2 图2 给出了Gullstrand Ⅰ号模型眼在非调节状态时的结构和主要光学数据。 3 . 1 . 2　激光眩目眼模型的优化设计 3 结合实际需求，基于Gullstrand Ⅰ号模型眼设计出激光眩目眼（Laser Dazzling Eye， LDE）模型。为保证模型接近真实人眼状态，需要在以下方面进行优化调整： （1）为避免视网膜模拟器接收的光斑图像受到影响，通过更换玻璃材料使得各介质间的相对折射率差不大于1%； （2）通过调整曲率半径、玻璃间距等结构参数，优化近轴区 - 5°~0°的弥散斑半径，控制设计值与Gullstrand Ⅰ号眼模型指标的最大偏差不大于10%； （3）通过设计软件操作数对仿真人眼光学系统的固有像差进行合理保留，使得近轴光的MTF与Gullstrand Ⅰ号模型眼偏差不大于0.1； （4）尽可能保证实际制造加工的可操作性，利用球面镜替代非球面设计，改变光阑与第六面间距得到接近非球面的模型效果；通过平衡调整各片透镜厚度抵消部分因透镜材料与人眼组织特性不一致而造成的成像误差。 优化后的激光眩目眼模型如 图3 图3 所示，其屈光特性符合实际人眼屈光组织。由 图4 图4 和 表1 表1 可知，优化后模型光斑尺寸与Gullstrand Ⅰ号眼模型设计指标的最大偏差不大于10%。由 图5 图5 分析可知，激光眩目眼模型在视场 - 5°处的MTF为0.32@60 lp/mm，以质心为参考点，半径为12 μm范围圈入的能量为85.5%。综上所述，激光眩目眼模型满足设计指标，与Gullstrand Ⅰ号眼模型吻合，符合真实的人眼成像效果。 1,2; 2 Field/（°） 2 Spot size/mm 2 Deviation/% LDE model G-Ⅰmodel -5 9.823 10.006 1.8 -3 7.11 7.604 6.5 -1 5.882 6.119 3.9 0 5.736 5.91 2.9 1,2; 3.2　视网膜模拟器设计 2 在仿人眼光学系统中，图像传感器的作用类似于眼球视网膜，感受镜头传递的光信号并输出到后续的图像处理系统中。人眼视网膜感光细胞的排布随着距视网膜中心距离的增大而稀疏，该特点使得视觉信息的获取具有非均匀特性 ［ 9 9 ］ 。在激光眩目场景中，人眼被突如其来的高能量激光辐射会先下意识地做出注视激光然后迅速躲避光刺激，因此为保证准确分析眩目场景在视网膜上的成像光斑，需选取符合视网膜真实成像的图像传感器。 如 图6 图6 所示，仿视网膜CMOS探测器的像元呈中心旋转对称的环状布局，光敏区分为中心凹区域和周边区域，像元采用7Ｔ对数像素电路结构 ［ 10 10 ］ ，符合人眼对光强的对数响应，数据存储可控性上较之CCD探测器更高，容易与微处理器实现对接，更适用于模拟人眼视网膜信息获取。 3.3　仿真眼球支撑装置设计 2 为了固定和支撑仿真人眼靶标，并保证机械强度和调焦功能的实现，在光学设计结果基础上进行机械结构设计。 如 图7 图7 （a）所示，该机械结构共包含3片小尺寸透镜，透镜1和透镜2构成镜组1，透镜3单独固定。为保证光学系统的准确变焦，镜组1相对于透镜3能够实现2~9 mm的轴向位移，镜筒1和镜筒2同时通过内外圆柱面的配合构成一个圆柱导向面，其配合关系为基孔制间隙配合H7/g6，两者接触位置填充润滑脂，以保证变焦过程平稳进行。装配好的仿人眼靶标实物如 图7 图7 （b）所示。 4 眩目图像仿生处理及分析 1 仿真人眼靶标在结构上极大程度地实现了人眼眼球结构及成像特点的效果模拟，但由于眩目效应涉及环境光学、心理学、神经生理学等多因素的影响，要得到更加贴合人眼眩目的光斑效果，需对仿真人眼靶标得到的原始眩目图像进行仿生处理。激光眩目效应产生的重要因素是人眼内部对激光束的散射，以及受到环境突变的心理影响。本文综合国际公认的失能眩光标准CIE方程和人眼目标识别的对比度阈值模型开展原始眩目图像仿生处理及分析，分为四步进行：眩目场景信息采集、原始目标提取、光斑仿生拟合和目效果判定。 4.1　眩目场景信息采集 2 检测评估系统采集的眩目场景信息包括：激光眩目源的中心波长、激光能量、作用距离、目标人员人眼个体差异参数、环境条件、仿人眼视网膜成像光斑原始图像。激光眩目器的中心波长和激光能量由激光探测器采集并输入测试软件中；作用距离和目标人员人眼个体差异参数由测试者输入，也可以选择默认值；环境条件由环境光照监测器采集并输入测试软件中，激光成像光斑原始图像由仿真人眼靶标进行采集并输入图像处理器。 4.2　原始目标提取 2 检测评估系统要求将采集到的激光光斑图像进行实时处理，即每采集一帧图像，要对去噪后的激光光斑的特征参数——光斑半径和中心位置进行确定，从而指导眩目图像的仿生处理。 对视网膜探测器采集的原始图像进行二值化处理，根据图像灰度值的差异分离目标光斑与环境背景。采用可实现边缘闭环的边缘检测Canny算子 ［ 11 11 ］ 完成对目标光斑的提取过程。 4.3　光斑仿生拟合 2 首先，设定原始光斑域内的最大椭圆区域对原始光斑进行填充，采用幂律（伽马）变换模型来增加截取图像的对比度，并利用最小二乘原理对光斑进行高斯拟合得到光斑中心位置后完成激光光斑的补足。然后，可根据输入的激光能量参数与具体分布仿真出其高斯分布图像在 xy 平面上的截面图像，并引入失能眩光标准CIE方程，通过输入被眩人员差异参数和环境参数而得到仿生光晕，根据确定的光斑半径和中心位置将仿真光晕位置图像与激光光斑进行优化拟合，形成完整的光斑图像。该过程如 图8 图8 所示。 4.4　眩目效果分析与判定 2 眩目等级判定采用最大眩光曝光量（MDE）判定法，系统可测试激光功率值并自动计算仿生光斑的面积，通过计算得到激光眩目器的最大眩光曝光量，并根据 表2 表2 判断眩晕等级 ［ 12 12 ］ 。 Record the applicable light sensitivity value according to the light intensity value（ V λ ）at the time of test shooting. V BLUE （450 nm）=0.064 7， V RED （650 nm）=0.119 3， V GREEN （550 nm）=0.989 0 2 Dazzle level 4 MDE/（μW‧cm -2 ） Night/（0.1 cd‧m -2 ） Dusk/（10 cd‧m -2 ） Day/（1 000 cd‧m -2 ） Extremely low 0.001 0.6 40 4 ÷ V λ Low 0.04 30 2 000 Medium 0.16 120 8 000 High 0.6 450 30 000 5 实验与结果分析 1 实验采用某型高功率警用激光眩目器作为研究对象，其扩束激光波长为532 nm，50 m处的功率密度为0.068 mW/cm 2 ，其剂量 ［ 13 13 ］ 远远低于国家安全标准允许的最大辐照量，可确保实验期间参试人员视网膜的安全。 系统同步采集和测试5次眩目光斑，数据处理后将仿生眩目光斑显示在效果显示器上，使用软件计算出眩晕等级。设置5名志愿者对照主观眩目感受给出仿生眩目光斑效果的匹配性评价和眩晕等级评价，最后，统计定量检测评估系统与志愿者测试结果的眩目效果匹配率和眩晕等级评价的一致性。 经测试，定量检测评估系统的测试结果如下：暗环境照度为0.025 lx，亮环境照度为235 lx，50 m处的激光功率密度为0.068 mW/cm 2 。数据处理后的仿生眩目光斑和眩目等级判定如 图9 图9 所示，判定等级为中等。志愿者的主观感受为突然受到激光照射后，视野中心会产生一个形状与颜色因人而异的光斑阴影，并随时间的延长光斑面积逐渐缩小且颜色变浅，直至完全消失；注视分辨率板图案时，光斑阴影遮盖了目标从而阻碍对目标的识别，当光斑阴影逐渐变小、变浅时，分辨率板逐渐被分辨直至完全分辨，人眼恢复照射前的视觉状态。5名志愿者的评定结果如 表3 表3 所示。 Test environment The system Dazzle level Volunteer Age Match Evaluation 5 235 lx 1 Low NO.1 25 Very Low 2 Low NO.2 33 Very Low 3 Low NO.3 35（myopia） Very Low 4 Low NO.4 42 Very Low 5 Low NO.5 48 Very Medium 5 0.025 lx 1 Medium NO.1 25 Very Medium 2 Medium NO.2 33 Very Medium 3 Medium NO.3 35（myopia） Very Medium 4 Medium NO.4 42 Very Medium 5 Medium NO.5 48 Very High Result Match degree 3 100% match，100%，90% very match Grade Consistency 80% 由上述的测量结果可知，定量检测评估系统与志愿者同时进行激光眩目效果测试与评估，其 眩目效果匹配率达到100%，眩晕等级一致性达到80%，符合激光眩目器眩目效果的定量测试需求。 6 结　论 1 本文针对目前军事和公共安全领域对非致命激光眩目器的眩目效果测量与评估的迫切需求，提出了基于仿真人眼靶标的非生物定量测试手段，研制了一套激光眩目器眩目效果定量检测评估系统。该系统实现了光谱分辨率为1 nm、工作波段为380~780 nm、环境光照为1×10 -4 ~1×10 3 lx、可接收最大功率密度阈值为2 mW/cm 2 的激光眩目场景的人眼眩目效果测试。相比视觉电生理法、人眼主观测试法，它不借助生物体试验即可开展客观定量测试，促进了光电仿生测试技术在激光眩目效应定量测试领域的发展。实验结果表明：该系统与真实人眼的激光眩目效果的匹配率达到100%，眩晕等级一致性达到80%，符合激光眩目器眩目效果的定量测试需求，为非致命激光眩目器的安全性和有效性研究提供了有效有段。 参考文献 郭劲 . 战术激光武器系统若干关键技术分析及发展研究 ［J］. 光学 精密工程 ， 1996 ， 4 （ 1 ）： 7 - 14 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.1996.01.002 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.1996.01.002 战术激光武器系统若干关键技术分析及发展研究 GUO J . 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