汽車(chē)夜視系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

1、汽車(chē)夜視系統(tǒng)的原理與應(yīng)用    夜色蒼茫，當(dāng)你驅(qū)車(chē)趕路，在遠(yuǎn)光燈為你照亮車(chē)前的有限距離內(nèi)，景物尚依稀可辯，但在前面的黑暗中時(shí)刻潛伏著危險(xiǎn)。特別是在下大雨、下雪、有霧的天氣，或者在塵土飛揚(yáng)、能見(jiàn)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(lái)汽車(chē)照明技術(shù)取得了不小的進(jìn)步，如具有自動(dòng)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(chē)的風(fēng)險(xiǎn)仍比白天大得多。據(jù)美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局統(tǒng)計(jì)，雖然夜間行車(chē)在整個(gè)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(chē)載夜視系統(tǒng)的應(yīng)用主要是防患于未然。可以這樣說(shuō)：車(chē)載夜視系統(tǒng)

2、將是繼安全氣囊和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)之后，具有更高使用價(jià)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(yáng)光是由多種彩色光混合而成的，通常在物理學(xué)上將這個(gè)彩色光帶叫做“太陽(yáng)光譜”。各種彩色光，除了色彩不同外，各色光還有沒(méi)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(yàn)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(jiàn)光”，它與各種彩色光是同一類(lèi)東西，物理性能也相同，只是人眼感覺(jué)不到它，才一直不知道它的存在。 光具有波動(dòng)性，我們觀察到光的強(qiáng)弱就是這種波動(dòng)的能量大小。光的強(qiáng)度與光波的振幅平方成正比

3、。試驗(yàn)證明，光波是電磁場(chǎng)的波動(dòng)，稱之為電磁波。從圖2可以看出，紅外輻射是其波長(zhǎng)介于可見(jiàn)光與微波之間的電磁波。它的波長(zhǎng)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(shí)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(yùn)動(dòng)，都有一定的能量。如有外來(lái)的刺激和干擾，改變了物質(zhì)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能量也發(fā)生了變化，這就是物理學(xué)上的“躍遷”過(guò)程，即能量的釋放。釋放能量的方式最常見(jiàn)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(lái)，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(dòng)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(dòng)式紅外成像。被動(dòng)式紅外成像習(xí)慣上叫做熱像，它是紅外探測(cè)技術(shù)研究的重要方向。 1 主動(dòng)紅外成像 在二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事上的需要，各國(guó)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(shí)多使用較強(qiáng)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(lái)的紅外像會(huì)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(jiàn)像。這樣可在屏上直接

5、觀察、或通過(guò)目鏡觀察到景物。這就是主動(dòng)式夜視儀。 2 被動(dòng)式紅外成像 主動(dòng)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(cè)，需要照明源的功率較大，難以實(shí)現(xiàn)，所以探測(cè)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(dòng)式裝置還有易于暴露自己的嚴(yán)重缺點(diǎn)，這就促使人們開(kāi)始研究被動(dòng)紅光成像技術(shù)和裝置。所謂被動(dòng)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(lái)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(dòng)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(dòng)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(jī)械掃描方式為主。光機(jī)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(guò)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(gè)或線列型的紅外探測(cè)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(cè)器順序掃視整個(gè)被攝景物空間，接受的按空間變化的紅外輻射由紅外探測(cè)器轉(zhuǎn)換成按時(shí)間順序變化的電信號(hào)，經(jīng)放大處理后，再在陰極射線管上轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)的圖像。 二、紅外成像技術(shù)在汽車(chē)夜視系統(tǒng)中的應(yīng)用 通過(guò)前面的分析我們知道，自然界一切景物的溫度都高于絕對(duì)零

7、度，因此，凡是絕對(duì)溫度大于零度的物體都會(huì)產(chǎn)生熱輻射，并且溫度越高，紅外線波長(zhǎng)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?chē)奈矬w。 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(zhēng)中，美國(guó)的坦克和飛機(jī)也大量成功地運(yùn)用了這種技術(shù)。最近美國(guó)通用汽車(chē)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(chē)司機(jī)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(lái)區(qū)分它們。物體可以是汽車(chē)、人、動(dòng)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(gè)被動(dòng)

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(chē)輛，從而避免相撞。 凱迪拉克2000型的帝威牌轎車(chē)也把紅外成像技術(shù)用到了汽車(chē)上。紅外成像系統(tǒng)是由雷希恩公司制造的。在汽車(chē)前格柵的后面安裝有一個(gè)起攝影像機(jī)作用的傳感器，實(shí)際上是用來(lái)探測(cè)前面物體熱量的。熱能被集中到一個(gè)可以通過(guò)各種紅外線波長(zhǎng)的探測(cè)器，由探測(cè)器的眾多紅外線敏感元件所吸收。每一個(gè)敏感元件都是一個(gè)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(guò)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(gè)德?tīng)柨乒旧a(chǎn)的顯示器將圖像投影到司機(jī)一側(cè)的風(fēng)擋玻

9、璃的底部。安裝在儀表板上的手動(dòng)開(kāi)關(guān)可以控制夜視系統(tǒng)的開(kāi)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(jī)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(hào)燈顏色，可像電影似的給出模擬的連續(xù)清晰顯示。 汽車(chē)安裝了夜視系統(tǒng)是想把司機(jī)的視野擴(kuò)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(chē)燈打開(kāi)，否則它將不起作用。夜視系統(tǒng)是不能代替用眼睛透過(guò)風(fēng)擋玻璃所獲取的視覺(jué)信息的，它只是在天黑時(shí)為你提供輔助信息。 據(jù)通用公司試驗(yàn)，夜間道路上有一個(gè)穿深色衣服的成年人，一個(gè)視力好的司機(jī)，用近光燈可以在88.4米處看見(jiàn)他，用遠(yuǎn)光這個(gè)距離為164.6米；一個(gè)視力差的司機(jī)用近光燈的