汽车夜视系统研究

严永利 巢一鸣 康迎新 贾智军 刘军

摘要：在汽车辅助驾驶系统中，车辆要识别外部道路环境，就需要由环境感知系统来采集环境信息，而在夜晚或者光线较暗环境下，夜视系统成为研究应用的焦点。在汽车夜视系统中，红外线感知成像系统是最有效的方法。红外感知系统有两种，一种是利用物体自身发出的远红外线来成像，称为远红外;另一种是利用特殊光线照射物体并反光成像，称为近红外。本文从夜视系统原理、视频传感器、图显示方案等方面入手，对夜视系统的两种红外系统进行了介绍。

关键词：夜视系统;汽车;远红外;近红外

概述

改善夜间视线的系统能为道路安全作出重大贡献，虽夜间车流量仅占全天的20%，但高于40%的死亡性车祸都发生在夜间。其原因主要是恶劣的天气以及对面车辆发出的眩光。为解决此问题，大家做过很多努力。几十年前，人们就尝试通过使用偏振光来降低眩光效应，但由于偏振器的转换损耗太大，不得不做出调整。近年来，以红外线为工作基础的夜视系统开始被使用。

1.远红外系统（FIR）

1.1 原理

以远红外为基础的夜视系统多年前已被用于军事方面。2000年在美国被首次用于机动车。它检测周围物体发出的波长在7-12μm的热辐射线。因此这是一个被动系统，它无需另外的光源来照亮物体。热图像通过显示屏展示。

1.2视频传感器

带热电传感器的热图像相机或者微型的辐射热测量计仅在给出的波长范围内工作。由于这些波长无法穿过挡风玻璃，这个相机需要被安装在车外，一般情况下它会被装在一扇硅玻璃的窗户后面。热图像相机使用锗透镜。锗含量很高的、能让相应波长穿透的TEX玻璃已经被开发出来。目前，可用的照相机有QVGA，分辨率为320×240像素。相机的信号通过控制器（ECU）处理。处理后形成的图形展示在显示屏上。

1.3 图像

发热的物体在图像中显示为黑底上的白影，它和空气的温差越大，图像的对比度就越好。观看者很不习惯这种图像，因为它和正常的反射图像不符。

2.近红外系统（NIR）

2.1原理

夜视系统的另一个可能性基于800-1000nm波段间的红外线，也就是说接近可视光谱的红外线。因为物体不会发出这个波段的光线，所以它需要被特殊的光源照射。反射的光线被摄像机接收。这就是主动的系统。基于NIR的系统最早于2003年应用在日本，它展示的图像较为简单，应用了常规的CCD摄像技术。

2.2 摄像传感器

较新的NIR系统用的是CMOS成像芯片，它也越来越多地应用于高品质的数码相机。由锗制成的CMOS成像器能感知大致1000nm的波长范围。除了能够在可见光波长范围内成像，它还可以很好地应用于夜视系统。通过与汽车领域之外的其他以摄像机为基础的系统合作，可以拍摄出VGA分辨率或更高品质的照片。

2.3照明

卤素灯有很高比例的紅外辐射，它通常用于汽车前大灯。它涵盖了从可见光谱（380nm-780nm）的极限值到超过2000nm的波长范围，最大为900-1000nm。使用摄像机的波长上限是1100nm，也就是硅的灵敏度极限。在实践中，为实现NIR系统，会在前大灯上集成NIR模块。它由卤素灯和光学滤波器组成，这个滤波器可过滤掉发出的可见光。有关滤镜的过滤特性需要注意，法律严格规定车辆前端不得安装红色的光源。

2.4 工作方式

NIR系统的原理：改装后的前大灯会在近光中发射出带有远光性质的近红外线。它能够照射到行人并反射回IR射线。安装在挡风玻璃上的摄像机接收到这一场景，然后这个场景被展示到车内的显示屏上。它可以是平视显示器，也可以是中控台或组合仪表上的显示屏。为了获得高质量、高对比度的图像，需要用图像处理器对摄像机的数据进行加工。对面车辆的光被图像的非线性大大削弱，因此不会有强烈的光线反应到显示屏上去。

2.5 NIR和FIR的性能特点比较

通过不同的物理检测原理可以得出结论：这两个系统的图像有很大差别。因为NIR光谱接近于可见光普，物体反射的NIR光也类似于可见光，也就是说，它的照片比较自然。NIR图像中人和物体的图像比较真实，路线清晰可见。FIR系统拍出的人和物体的图像比较奇怪（身体较热的区域和车轮在FIR图像中较亮）。路线几乎不可见。路标的对比度通常也很小，因为它和周围环境几乎没温差。因此，相比于FIR系统，NIR系统具有很大优势：高质量的图像能让人很快识别出物体，能看清的路线也可以减轻视觉压力。

3. 夜视系统的HMI方案

3.1指示装置

目前，夜视系统的信息（不管是NIR还是FIR）通过图像直接展示。此外，现在系统采用平视显示器，通过它，单色的信息被投影到挡风玻璃上。安装驾驶员信息系统的设计准则：图像应显示在玻璃较下部的区域。理想的显示方式是通过HUD显示器使影像与司机通过挡风玻璃看到的自然景象正好重合，这个方案需要很大的技术投入，如识别头部位置，从而使HUD位于驾驶员的视线上，或需要很大的投影系统。除了HUD之外，图像还可以显示在车内的显示屏上。需要注意的是，显示屏应当尽量靠近挡风玻璃并且离驾驶员的正常视线不远，以免视线离开路面太久。将显示屏集成在组合仪表上能很有效地缩短读取信息的时间。

3.2未来展望

未来夜视系统可能会有识别物体和物体分类的功能，这样就不再需要图像，而只需要在路途中或附近出现障碍时警告驾驶员。基于夜视系统使用的硬件可以扩展其他的以视频为基础的辅助和安全性系统。基本上只有NIR相机可以实现这些功能，而这些功能也有益于提高夜视功能的质量。

结论

本文从汽车夜视系统的原理入手、深入分析了远红外、近红外两种夜视系统应用于辅助驾驶系统的原理和方法，对于汽车夜视系统的应用前景和现状进行了介绍，为夜视系统在汽车辅助驾驶中的应用提供了思路和方法，对于汽车辅助驾驶从业者具有参考意义。

参考文献

[1] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2017.

[2] Konrad Reif.车辆稳定系统和驾驶员辅助系统[M].北京：北京理工大学出版社，2015.

作者简介：

严永利，男，硕士，高级工程师;江苏大学研究生兼职导师。研究方向：新能源汽车;2019年至今被华晨新日新能源汽车有限公司、江苏新日电动车股份有限公司聘为研究院副院长;在新能源汽车领域工作15年以上，在电子电器、电动力、智能网联领域能力比较突出，成功的主导了吉利熊猫、X1电动版、领途331CL1、330EV等车型，开发的所有车型市场总量20万辆以上。