汽車夜視系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

1、汽車夜視系統(tǒng)的原理與應(yīng)用    夜色蒼茫，當(dāng)你驅(qū)車趕路，在遠(yuǎn)光燈為你照亮車前的有限距離內(nèi)，景物尚依稀可辯，但在前面的黑暗中時刻潛伏著危險。特別是在下大雨、下雪、有霧的天氣，或者在塵土飛揚、能見度底的夜間行駛，更是造成交通事故頻發(fā)的主要原因。盡管這些年來汽車照明技術(shù)取得了不小的進(jìn)步，如具有自動調(diào)整光軸的前照燈系統(tǒng)和三光柱前照燈系統(tǒng)，雖增加了照射距離和照準(zhǔn)誤差，但夜間行車的風(fēng)險仍比白天大得多。據(jù)美國國家公路交通安全管理局統(tǒng)計，雖然夜間行車在整個公路交通中只占四分之一，但發(fā)生的死亡事故卻占了一半。因此車載夜視系統(tǒng)的應(yīng)用主要是防患于未然?？梢赃@樣說：車載夜視系統(tǒng)

2、將是繼安全氣囊和防抱死制動系統(tǒng)之后，具有更高使用價值的安全系統(tǒng)。 一、 紅外輻射與紅外成像 紅外輻射又稱紅外光，也稱紅外線。我們知道，白色的太陽光是由多種彩色光混合而成的，通常在物理學(xué)上將這個彩色光帶叫做“太陽光譜”。各種彩色光，除了色彩不同外，各色光還有沒有其它不同的特性?比如，熱效應(yīng)是不是都一樣? 科學(xué)試驗證明，光的熱效應(yīng)是由紫光到紅光逐漸增大的，而且熱效應(yīng)最大的位于紅光的外面，科學(xué)家稱之為“紅外光”，或“不可見光”，它與各種彩色光是同一類東西，物理性能也相同，只是人眼感覺不到它，才一直不知道它的存在。 光具有波動性，我們觀察到光的強弱就是這種波動的能量大小。光的強度與光波的振幅平方成正比

3、。試驗證明，光波是電磁場的波動，稱之為電磁波。從圖2可以看出，紅外輻射是其波長介于可見光與微波之間的電磁波。它的波長范圍在0.75微米到1000微米之間，頻率從4×1014赫茲到3×1011赫茲之間。 在紅外技術(shù)中，實際利用的主要是紅外輻射與物質(zhì)的交互作用。物質(zhì)內(nèi)部的原子和分子在不停地運動，都有一定的能量。如有外來的刺激和干擾，改變了物質(zhì)內(nèi)部的運動狀態(tài)，能量也發(fā)生了變化，這就是物理學(xué)上的“躍遷”過程，即能量的釋放。釋放能量的方式最常見的是發(fā)射電磁波，把多余的能量以光子的形式帶走。輻射就是這樣從物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)射出來，輻射也可以被物質(zhì)吸收，這就是輻射與物質(zhì)的交互作用。 紅外成像

4、把景物反射的或自身輻射的紅外輻射圖樣，轉(zhuǎn)換成人眼可觀察圖象的技術(shù)稱為紅外成像技術(shù)。利用物體自身發(fā)射的紅外輻射攝照物體的像，稱為被動式紅外成像；而以紅外輻射源照射物體，利用被反射的紅外輻射攝照物體的像，稱為主動式紅外成像。被動式紅外成像習(xí)慣上叫做熱像，它是紅外探測技術(shù)研究的重要方向。 1 主動紅外成像 在二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事上的需要，各國大力發(fā)展了多種用變像管裝成的夜視儀。工作原理如圖3所示。由于單極變像管的增益不夠高，工作時多使用較強的紅外輻射源照射目標(biāo)，裝在變像管前面的聚光物鏡把從景物反射回來的紅外像會聚到紅外變像管的光陰極上，紅外變像管把紅外像轉(zhuǎn)換成熒光屏上的可見像。這樣可在屏上直接

5、觀察、或通過目鏡觀察到景物。這就是主動式夜視儀。 2 被動式紅外成像 主動式紅外成像都需要紅外輻射源，這在使用上很不方便，特別是用做遠(yuǎn)距離探測，需要照明源的功率較大，難以實現(xiàn)，所以探測距離不可能達(dá)到很遠(yuǎn)，一般在幾百米到幾公里左右。在軍事應(yīng)用中，主動式裝置還有易于暴露自己的嚴(yán)重缺點，這就促使人們開始研究被動紅光成像技術(shù)和裝置。所謂被動式就是不用人工照明源，只依靠目標(biāo)和背景的不同輻射來成像。它反映了被攝景物中溫度與輻射率的差別，包含了被射景物的溫度信息。為此常把被動式紅外成像叫熱像儀。 由于自然界中大多數(shù)物體通常處于常溫狀態(tài)下，它們自身的紅外輻射能量多處于3微米以上的光譜范圍內(nèi)，所以被動式紅外成像

6、也大多使用3微米以上的光譜區(qū)。目前熱像技術(shù)是以光學(xué)機械掃描方式為主。光機掃描熱成像儀工作原理如圖4所示。 熱像儀所攝景物包括目標(biāo)及背景，兩者輻射的差別是構(gòu)成熱圖像的基礎(chǔ)，目標(biāo)及背景的輻射通過大氣被吸收或散射之后再入射到熱像儀。一般，熱像儀的接收元件采用單個或線列型的紅外探測器，只攝取景物一部分的輻射，為了獲得被射景物全體的圖像，必須用光學(xué)掃描方法使紅外探測器順序掃視整個被攝景物空間，接受的按空間變化的紅外輻射由紅外探測器轉(zhuǎn)換成按時間順序變化的電信號，經(jīng)放大處理后，再在陰極射線管上轉(zhuǎn)換成可見的圖像。 二、紅外成像技術(shù)在汽車夜視系統(tǒng)中的應(yīng)用 通過前面的分析我們知道，自然界一切景物的溫度都高于絕對零

7、度，因此，凡是絕對溫度大于零度的物體都會產(chǎn)生熱輻射，并且溫度越高，紅外線波長越短。紅外線是一種電磁波，它的傳播不受黑暗、風(fēng)、沙、雨、雪、霧的阻擋。因此，如果能接收并處理紅外輻射，就能"看"清周圍的物體。 紅外成像的最初應(yīng)用是在第二次世界大戰(zhàn)。在海灣戰(zhàn)爭中，美國的坦克和飛機也大量成功地運用了這種技術(shù)。最近美國通用汽車公司和美洲虎公司也應(yīng)用紅外技術(shù)相繼制成了供汽車司機在夜間行駛用的夜視系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的紅外傳感器依靠感知記錄物體間溫度不同來區(qū)分它們。物體可以是汽車、人、動物、道路，甚至可以是遠(yuǎn)處的山和云團(tuán)。它的成像系統(tǒng)非常敏感，可以區(qū)分前方物體間十分之一的攝氏度溫差。這是一個被動

8、紅外系統(tǒng)，屏幕上顯示出深暗不同的非常清晰的圖像，這樣就可以及早發(fā)現(xiàn)前方車輛，從而避免相撞。 凱迪拉克2000型的帝威牌轎車也把紅外成像技術(shù)用到了汽車上。紅外成像系統(tǒng)是由雷希恩公司制造的。在汽車前格柵的后面安裝有一個起攝影像機作用的傳感器，實際上是用來探測前面物體熱量的。熱能被集中到一個可以通過各種紅外線波長的探測器，由探測器的眾多紅外線敏感元件所吸收。每一個敏感元件都是一個與溫度有關(guān)的電容器，其電容大小隨所接收的紅外線的多少而變化。這種電容的變化通過微處理，就形成了由16種深淺不同的灰色調(diào)組成的黑白圖像：較熱的物體顏色淺，較涼的物體顏色深。一個德爾科公司生產(chǎn)的顯示器將圖像投影到司機一側(cè)的風(fēng)擋玻

9、璃的底部。安裝在儀表板上的手動開關(guān)可以控制夜視系統(tǒng)的開啟，調(diào)整圖像的亮度以適合你的眼睛，還可以把屏幕上下調(diào)整到適合不同司機的最佳位置。 目前，夜視系統(tǒng)有黑白顯示屏和彩色顯示屏兩種。黑白顯示屏是以黑白深淺灰度色成像；彩色夜視系統(tǒng)則可顯示前方物體的顏色，包括前方路口的交通信號燈顏色，可像電影似的給出模擬的連續(xù)清晰顯示。 汽車安裝了夜視系統(tǒng)是想把司機的視野擴大到前燈光照的范圍以外。因此，在使用夜視系統(tǒng)之前，必須先把前大燈或剎車燈打開，否則它將不起作用。夜視系統(tǒng)是不能代替用眼睛透過風(fēng)擋玻璃所獲取的視覺信息的，它只是在天黑時為你提供輔助信息。 據(jù)通用公司試驗，夜間道路上有一個穿深色衣服的成年人，一個視力好的司機，用近光燈可以在88.4米處看見他，用遠(yuǎn)光這個距離為164.6米；一個視力差的司機用近光燈的