汽车夜视系统的车难点在哪里

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高级辅助驾驶系统的昨天 今天和明天
  从上世纪50年代早期的电动车窗到当今最新的汽车驾驶系统,豪华汽车所具有的高端特性随着时间的推移最终都应用到中端和经济型汽车上,成为必备的电子和电气系统。最近新出现的高级辅助驾驶系统(ADAS)技术也不例外。作为一个例子,欧洲的福特汽车现在具备了自适应巡航控制(ACC)、自动刹车和主动式车道保持等功能―所有这些特性以前都专属于豪华汽车。即使是经济型汽车也安装了后视摄像机。但是,随着ADAS技术应用到价格相对便宜的车辆上,这带来了一个两难的问题:需要以非常低的价格实现大量的计算资源。
  ADAS技术能够不仅仅应用在豪华汽车上,部分原因是出于竞争的考虑,但并不是唯一因素。政府规章制度也是一个重要因素。例如,在,国家高速运输安全管理局正在制定强制安装后视摄像机的政策,据此,预计2018年车载摄像机将达到6千万台。
  安装了ADAS的车辆在上有折扣也是推动ADAS广泛应用的另一因素。这类优惠有一定的统计意义。当驾驶员驾驶车辆开始偏离车道时,系统会发出告警,在夜间,系统也能够增强驾驶员的能见度,从而避免了事故的发生,挽救了生命。
  ADAS得到广泛应用的决定性因素还是成本。虽然ADAS技术越来越复杂,但是,传感器和处理器技术的进步―在很少的元器件中集成多种功能,现在可以支持工程师以中端甚至是经济型汽车能够承受的价格来设计ADAS应用。成本的降低以及通过功能集成来降低复杂度是推动ADAS技术在各类车辆中得以广泛应用的关键因素。
  ADAS功能的多样性
  在其所有预期中,ADAS技术也给汽车行业带来了很多挑战。正如很多技术处于其早期阶段一样,ADAS应用曾涉及到很多发展方向,并不能明确哪一方向最终会推动市场发展。撰写本文时,日立公司关注于采用两台前向摄像机多路传感器方法来探测距离100米以外的物体。这一技术被称为“眼睛视觉”,在2013款和车型上得到了应用。Denso公司最近演示了困倦探测系统,使用红外(IR)摄像机来观察驾驶员的面部,确定驾驶员的眼睛是否张开,如果眼睛闭上,表明驾驶员可能进入了睡眠状态。最后,Aisin正在推出使用后视摄像机的车道探测系统―这是一种监视车辆相对于车道标志线位置的高性价比方法,它结合GPS和道路地图数据,确定车辆相对于前方路况的当前位置。
  下面详细地介绍ADAS技术在汽车领域的具体应用:
  系统:车道偏离报警
  传感器:摄像机
  当车辆离开其车道,或者接近道路边缘时,LDW系统发出声音报警或者动作报警(通过轻微的振动方向盘或者座椅来实现)。当车辆速度超过一定阈值(例如,大于55英里),车辆没有打开转向信号灯时,这些系统会开始发挥作用。当车辆行驶,其相对于车道标志线的位置表明车辆有可能偏离车道时,需要通过摄像机系统来观察车道标志。虽然对于所有车辆制造商而言这些应用需求是相似的,但是每一厂商都采用了不同的方法,使用一台前视摄像机,一台后视摄像机,或者双路/立体前视摄像机。出于这一原因,很难采用一种硬件体系结构来满足各种不同类型的摄像机要求。需要采用灵活的硬件体系结构来提供不同的实现选择。
  系统:自适应巡航控制
  传感器:雷达
  过去十年中,豪华汽车采用了ACC技术,这一技术目前也在更广泛的市场上得到了应用。传统的巡航控制技术设计用于保持车辆以恒定的车速行驶,与此不同,ACC技术使车速与状况相适应,如果与前车距离太近,则会降速,在路况允许时,会加速到上限。这些系统通过使用安装在车辆前部的雷达来实现。但是,由于雷达系统不能识别某一目标的大小和形状,而且其视场也相对较窄,因此,应用时要结合摄像机。难点在于,目前所使用的摄像机和雷达传感器还没有标准配置。因此,还是需要灵活的硬件平台。
  系统:交通标志识别
  正如其名称所示,交通标志识别(TSR)功能使用前向摄像机结合模式识别软件,可以识别常见的交通标志(限速、停车、掉头等)。这一功能会提醒驾驶员注意前面的交通标志,以便驾驶员遵守这些标志。TSR功能降低了驾驶员不遵守停车标志等交通法规的可能,避免了违法左转或者无意的其他交通违法行为,从而提高了安全性。这些系统需要灵活的软件平台来增强探测算法,根据不同地区的交通标志来进行调整。
  系统:夜视
  传感器:IR或者热成像摄像机
  夜视(NV)系统帮助驾驶员在很暗的条件下识别物体。这些物体一般超出了车辆大灯的视场范围,因此,NV系统针对在前方道路上行驶的车辆提前发出报警,帮助驾驶员避免撞车事件的发生。
  NV系统使用各种摄像机传感器和显示器,具体与生产商有关,但一般都属于两种基本类型:主动式和被动式。
  主动系统,也称为近IR系统,带电耦合器件(CCD)摄像机和IR灯源相结合,在显示器上呈现黑白图像。这些系统的分辨率很高,图像质量也非常好。其典型的可视范围是150米。这些系统能够看清楚摄像机视场范围内的所有物体(包括没有热辐射的物体),但是,在雨雪环境下,效率要大打折扣。
  被动系统不使用外部光源,而是依靠热成像摄像机,利用物体自然热辐射来采集图像。这些系统不会受到对面来车大灯的影响,也不会受到恶劣天气状况的影响,其探测范围达到300米至1000米。这些系统的缺点在于图像是颗粒状的,功能受限于较温暖的气候状况。而且,被动式系统只能探测有热辐射的物体。被动式系统结合分析技术,可以清楚的显示车辆前方道路上的物体,例如,行人等。
  在NV系统中,有多种体系结构选择,每一种方法都有其优缺点。为提高竞争力,汽车生产商应支持多种摄像机传感器,在、灵活的硬件平台上实现这些传感器。
  系统:自适应远光控制
  自适应远光控制(AHBC)是一种智能大灯控制系统,使用了摄像机来探测交通状况(对面来车以及同向交通状况),根据这些状况,调亮或者调暗远光灯。AHBC系统支持驾驶员尽可能在最大照亮距离上使用远光,而不必在其他车辆出现时手动调暗大灯,不会分散驾驶员注意力,从而提高了车辆的安全性。在某些系统中,甚至可以分别控制大灯,调暗一个大灯,而同时另一个大灯正常点亮。AHBC与LDW和TSR等前视摄像机系统是相辅相成的。这些系统不需要高分辨率摄像机,某一款车辆如果已经在ADAS应用中采用了前视摄像机,那么这一特性的性价比会非常高。
  系统:行人/障碍物/车辆探测(PD)
  、雷达、IR
  行人(以及障碍物和车辆)探测(PD)系统完全依靠摄像机传感器来深入感知周围环境,例如,采用一台摄像机,或者在更复杂的系统中采用立体摄像机。“类别变量”(衣着、灯光、大小和距离)的差异会很大,背景复杂而且不断变化,以及传感器置于移动平台(车辆)上等因素,导致很难确定移动中行人的视觉特征,因此,采用IR传感器能够增强PD系统。雷达也可以增强车辆探测系统,它提供很好的距离测量功能,在恶劣的天气条件下,性能表现出众,能够测量车辆的行驶速度。这一复杂的系统需要使用同时来自多个传感器的数据。(后面会详细讨论这一被称为传感器融合的过程。)
  系统:驾驶员困倦报警
  传感器:车内IR摄像机
  困倦报警系统监视驾驶员的面部,测量其头部位置、眼睛(张开/闭上)以及其他类似的报警指示。如果确定驾驶员有进入睡眠的迹象,或者看起来意识不清,该系统会发出报警。有些系统还监视心率和呼吸。设想但是还没有实现的功能包括使车辆靠近路边行驶,最终靠边停下来。
  市场需要一个灵活的技术平台
  综合以上功能来看,虽然很难详细预测以上介绍的这些功能以及未来会应用到什么程度,但是从技术角度看,有几点是明确的:
  目前还没有一种单一的体系结构能够满足新出现的各类应用需求;
  需要采用灵活的平台适应市场发展趋势,实现最新的功能,同时满足成本、规划和性能目标;
  要满足ADAS应用的高性能需求,应在软件和硬件上达到均衡;
  系统使用多个不同类型的传感器来完成安全相关任务,这类系统今后的发展会比较强劲。
  信息融合是ADAS的核心技术
  需要特别注意的是,大部分ADAS应用需要对来自多个传感器的多路信号进行处理和分析,包括,视频摄像机、雷达、红外传感器,以及今后可能出现的激光等其他传感器信号。例如,危险探测不仅仅需要对来自多个摄像机的数据流进行集成和分析,而且,如果要用在全天候各种天气条件下,还必须采用雷达数据。传感器融合这一术语用于描述ADAS应用中不同信号的集成。
  处理信号融合这一难题的一种算法解决方案是Kalman滤波,它集合了很多种算法。这是说明ADAS任务有多复杂的一个很好的例子。例如,Kalman滤波能够集成视频和雷达输入信号,使用这些数据来生成当前环境的快照。然后,它在这些快照上应用名为“航位推测”的过程,根据物理条件,计算周围环境“可能”会出现什么状况。例如,它估算周围车辆的新位置,确定路边的树木没有移动等。然后,Kalman滤波功能对比这两类快照,在可信度基础上,估算出应采取哪些措施。例如,如果汽车使用了ACC,车头距离太近,那么,可以减速,或者刹车。
(责任编辑:HA001)
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夜视技术是借助于光电成象器件实现夜间观察的一种光电技术。夜视技术包括微光夜视和红外夜视两方面。微光夜视技术又称像增强技术,是通过带像增强管的夜视镜,对夜天光照亮的微弱目标像进行增强,以供观察的光电成像技术。微光夜视仪,是目前国外生产量和装备量最大和用途最广的夜视器材,可分为直接观察(如夜视观察仪、武器瞄准具、夜间驾驶仪、夜视眼镜)和间接观察(如微光电视)两种。设&&&&备光电成象器件分&&&&类夜视观察仪、武器瞄准具
红外夜视技术分为主动红外夜视技术和被动红外夜视技术。主动红外夜视技术是通过主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施观察的夜视技术,对应装备为主动红外夜视仪。被动红外夜视技术是借助于目标自身发射的红外辐射来实现观察的红外技术,它根据目标与背景或目标各部分之间的温差或热辐射差来发现目标。其装备为热像仪。热成像仪具有不同于其它夜视仪的独特优点,如可在雾、雨、雪的天气下工作,作用距离远,能识别伪装和抗干扰等,已成国外夜视装备的发展重点,并将在一定成度上取代微光夜视仪。目前,微光夜视仪在国外正广泛装备部队。它分为像增强微光夜视技术(直接观察)和微光电视(间接观察)两种。像增强微光夜视技术是通过带增强管的夜视镜,对夜天光照亮的微弱目标像进行增强,以供观察的光电成像技术。其工作原理为:首先将进行光电转换,然后用微通道版(MCP)增强电子信号,最后进行电光转换。
在50-60年代,由于多碱光电阴极、光纤面板、微通道板(MCP)和负电子亲和力(NEA)光电阴极的诞生,该技术迅速发展起来。由于它克服了主动红外夜视的致命弱点,所以,它一出现,便成为夜视领域的发展重点。它逐渐代替了较早应用的主动红外夜视技术,占据着统治地位。迄今为止,已发展到第三代。第一代产品于60年代初期开始发展,它采用光电阴极、光纤面板耦合的级联式像增强管,1966年美军在侵越战场使用,于70年进行批量生产,装备部队。第二代产品于七十年代初期开始发展,采用多碱光电阴极和微通道板(MCP)的像增强管,目前,美、英、法、德、荷兰、以色列等许多技术先进国家都能生产第二代产品,自80年代以后,这些国家基本上用第二代取代了第一代产品。第三代产品于70年代初期开始研究,自80年代末美军开始装备,美国研制的第三代产品目前只限于向北约、韩国、日本、以色列和澳大利亚出售。AN/AVS-6型飞行员夜视镜,研制公司为Bell Hawell,视场40o,美陆军先后通过&奥米尼巴斯&采办计划(OminibusⅠ,OmnibusⅡ,OmnibusⅢ,Omnibus Ⅳ),进行过四次采办,每次采办,性能都有所改进。目前正大量装备陆军航空部队,用于固定翼飞机或直升机。其中,OmniBus Ⅳ计划由ITT承包,负责提供改进的AN/AVS-6,改后的AN/AVS-6的核心部分为ITT研制的MX-10160像增强管,这种第三代像增强管使用最新砷化镓技术,工作于近红外区,代替了早期(Omnibus Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)系统的像增强管,使分辨率提高78%,光灵敏度提高80%,信噪比提高30%,探测距离也大大提高,在星光和更暗的夜光下也能看清物体。
ITT也研制和生产AN/AVS-9型(前身为F4949)夜视镜,安装在固定翼飞机飞行员的头盔上。
美国和以色列联合提供的AN/AVS-7型夜视飞行图像系统/平视显示器(ANVIS/HUD),是对AN/AVS-6型的改进。该系统安装在飞行员护目镜上部两侧,以获取关键飞行信息,并传输至护目镜,和护目镜的图像叠加后,飞行员可看到综合夜景和关键飞行数据符号体系。配备该装置后,飞行员低头看仪表的时间大大减少,而平视挡风玻璃的时间大大增加。美陆军原计划部署1904部这种系统,到目前为止,已得到大约1800部,目前,正在进一步改进这种系统,以和UH-60A/L和CH-47D平台所使用的改进型全球定位系统(GPS)相兼容。计划今年9月份,将有1200部这种系统进一步升级为&高级平视显示器&,以取得现场可编程能力、录像能力和更快的反应速度。该系统也用于美海军陆战队。美陆军地面部队用的新一代在役夜视装置主要为单筒眼镜,如由ITT公司提供的AN/PVS-7D和当前最先进的AN/PVS-14。AN/PVS-14结合了第三代&超级& MX-10160型无源像增强管和航空用夜视镜AN/AVS-6的优点,有助于增强观察、指挥和控制能力,它比AN/PVS-7D分辨率更高(1.3圈/微弧度,而AN/PVS-7D为1.15)、重量更轻(0.4公斤,而AN/PVS-7D为0.68公斤),步兵作战小组指挥员使用起来更加灵活可戴到头上, 观察距离也大大增加。1996年,ITT和Litton两公司跟美国陆军通信-电子司令部研究、发展和工程中心所属的夜视和电子传感器委员会(NVESD)签订了Omnibus(OMNI) Ⅴ共同生产合同,来生产AN/PVS-14装置。迄今为止,AN/PVS-14装置已部署了大约3000部。预期到2000年时,ITT公司将向美陆军交付3万部这种装置。Omnibus Ⅴ还继续为地面战斗应用生产先进的 AN/PVS-7D单管夜视护目镜和Litton公司建议的先进的I2改进型AN/AVS-6飞行员护目镜,这些工作希望在日前完成。据Litton公司的首席执行官称,该项目通过适当的改进延长了数千个野外系统的寿命,同时大大地提高了夜视系统的性能。
第三代像增强管也是AN/PVS-10狙击手夜晚瞄准具和改进型昼/夜火控和观察装置的必要组成部分。该增强管的采办由陆军特种作战司令部负责,以向特种部队提供实时可见的像增强(I2)图像,既可用于中型和重型阻击步枪瞄准,也可用于战略侦察。
第三代像增强(I2)管也用于改进许多现役系统。例如,用于将70年代服役的AN/PVS-4型武器瞄准具改进为当前的AN/PVS-4A型,到目前为止,已改进了1000多个,计划最终要改进5000多个。
覆行全球作战任务的一些美军作战部队不久也将把&目标定位和观察系统(TLOS)& 装配于其M-16系列步枪上。这种系统装有一个第三代门控像增强管、两个视域物镜和一个激光发光器。该系统使用近红外低能激光来直接获取目标光电信息。该装置不具有激光对抗能力,但可获取无源式目标信息、提供夜晚隐蔽发光和直接射击瞄准。
英国精密仪器公司向德国联邦国防军提供的新型G22狙击步枪的夜晚瞄准具使用二代半像增强管(型号为NSV80 Ⅱ),可在漆黑的夜晚清楚地发现目标。该瞄准具安排在标准的光学瞄准镜前面特制的韦弗(Weaver)式导轨上,射手可随意确定眼睛和瞄具的距离,随意调整分划,不改变瞄准点位置,在数秒钟后又可实施射击。目前,国外像增强夜视仪存在两方面的技术局限:(1)当明亮的光照在这种夜视仪上会造成远处或附近的微光图像丢失;(2)像增强管使用平面式成像面( 即位于焦平面上的为平面式微通道板),这样会造成光畸变,使目前为部队所使用的夜视仪的视域最多为400×400,且人眼难以适应。
美国洛斯·阿拉莫斯实验室正采用如下途径来解决上述问题:(1)将微通道板(MCP)分割成不同的电子区域(MCP的5%),对每个电子区域使用各自的自动增益控制(AGC)电路。亮光只通过部分电子区域及其AGC,这样,夜视仪在受到明亮的光照射的情况下仍能看清亮光后面模糊背景中的物体。微通道分割可用激光碾磨或&选择区域&沉积(如平版印刷术)等工艺完成;(2)使用弧形微通道板来代替平面式微通道板,这种弧形微通道板目前用于ALEXIS宇宙飞船的X射线望远镜上,这样开发出来的夜视仪为每只眼提供的视域将至少为600×600,当级联使用时,可提供900(水平)×600(垂直)的视域,为目前水平的3倍多,同时,人眼更容易适应,长期使用时,大大减少眼睛和颈部疲劳。微光电视是像增强管和电视摄像管相结合的微光夜视系统。它诞生于四十年代,七十年才迅速发展起来。它具有成像面积大、直观性强、连续性、远距离多点多人观察等优点,目益广泛地用于监视、侦察、探测、制导、跟踪等方面, 国外已装备30余 种。典型产品有法国的坦克用的 &卡纳斯特 &微光电视系统 、美国的直机用UVR-700 型昼夜两用电视跟踪系统、英国的海军用 V0084型微光电视系统 、瑞士的2704型远距离 ( 观察距离为10公里 ) 微光电视摄像机等 。
目前的微光夜视装置仅能提供单色的图像,而利用彩色图像会有助于目标 识别,使识别速度提高30 %,识别错误减少60%, 因此彩色微光夜视技术已受到关注。
美国Delft传感器系统公司采用光谱响应不同的两只像增强器管观察同一场景,利用它们间的差别,通过滤光和特殊的电子处理技术,来产生彩色图像。
麻省理工学院林肯实验室则将微光图像和红外热像相结合,产生彩色图像。林肯实验室设计的小型彩色夜视系统采用与三代像增强器耦合的电荷耦合器件(CCD)获得微光图像,又用非致冷热成像阵列获得红外热像,然后用二向色分光镜进行匹配和图像处理器处理,在液晶显示器上显示出逼真的彩色图像。
美国伍德监视技术公司研制出全彩色夜视摄像机。该摄像机的每一个原色有一个增强型CCD芯片,并采用了视频增强技术,从而获得了类似于广播级摄像机的彩色图像。
俄罗斯的喀山光学和机械厂正在研制的彩色夜视系统,可将接收的不 同的红外频率转换彩色图像,估计几年后可推入市场。
红外夜视成像技术
红外夜视技术先后经历了早期的主动红外夜视成像技术和现在的被动红外(热成像)技术。红外探测器最早是用单元探测器,后来为了提高灵敏度和分辨率而发展为多元线列探测器,现已向多元面阵红外探测器发展。相应的系统已实现了从点探测到目标热成像的飞跃。这种技术是利用光电图像转换原理来实现夜间观察的。这类仪器包括红外光源和含有变像管的夜视镜两大部分。红外光源照射目标,夜视镜将不可见光红外像转换成可见像。这类技术于三十代末期开始研究,二战中得到发展与应用。装有主动红外夜视仪的步枪瞄准镜广泛地用于太平洋战场上。六十代前后,该技术趋于成熟,观察距离可达3000米,后广泛装备部队,但因其具有灵敏度低、热发射大、耗电多、体大、量重、观察距离有限以及易于暴露的致命弱点,因此,逐渐被以后发展的夜视技术所取代,现在只有少数国家有小数量的装备。红外热像仪是一种最有发展前途的红外探测器,代表着夜视器材的发展方向。它采用一种内光电效应半导体器件作探测器,将景物的辐射图像转换成电荷图像,经信息处理后,由显示器件转换成可见图像。一些典型型号包括:
美国Raytheon系统公司为美陆军研制的ANS/PAS-13 型&热力武器瞄准器(TWS)& 是乞今为止最为先进的被动红外夜视设备 ,这是一种使用第二代前视红外技术的热成像瞄准系统。这种系统使用的技术包括:用于小型望远镜远距离目标获取的高灵敏度碲化镉焦平面技术;以高级塑料作外壳的轻质、高传输率二元光学部件;小体积、低功耗的超大规模集成电路(VLSI)电子部件;无声操作、高可靠性、拇指大小的热电致冷器;夜间和不良天气占全年时间的比例相当大,夜视装备使夜间变得透明,大大延长了有效作战时间。红外夜视器材分辨率高,具有探测掠海飞行目标的优势。舰载跟踪用红外热像仪既可用于为发射导弹提供目标数据,还可用于探测敌方掠海飞行导弹。配备热成像设备在内的光电火控系统,便于识别目标并缩短武器系统的反应时间。西方发达国家随着三军大量装备夜视装备,已将主宰夜晚作战作为制胜策略。夜视技术与武器装备相结合将大大提高武器装备在夜间和不良天气下区获取信息、实施打击、指挥部队、机动兵力和协同作战的效能。通过在飞机上使用配备前视红外摄像机的导航吊仓和让飞行员配戴装有夜视镜的护目镜,可大大减少航空事故。1、 赢得有效夜战时间
夜间和不良天气占全年时间的比例相当大,夜视装备使夜间变得透明,大大延长了有效作战时间。红外夜视器材分辩率高,具有探测掠海飞行目标的优势。舰载跟踪用红外热像仪既可用于为发射导弹提供目标数据,还可用于探测敌方掠海飞行导弹。配备热成像设备在内的光电火控系统,便于识别目标并缩短武器系统的反应时间。
2、 确立了夜战的军事地位
西方发达国家随着三军大量装备夜视装备,已将主宰夜晚作战作为制胜策略。
3、 倍增武器效能
夜视技术与武器装备相结合将大大提高武器装备在夜间和不良天气下区获取信息、实施打击、指挥部队、机动兵力和协同作战的效能。
4、 减少飞行事故
通过在飞机上使用配备前视红外摄像机的导航吊仓和让飞行员配戴装有夜视镜的护目镜,可大大减少航空事故。
新手上路我有疑问投诉建议参考资料 查看红外夜视监控的三大技术八项问题_百度文库
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