车载远红外夜视系统的设计及测试方法

王大兴

（北京汽车集团越野车有限公司， 北京 101300）

1 车载远红外夜视系统的开发背景

随着汽车车速的不断提高，汽车交通事故经常发生，特别是在夜间、下雨、下雪、雾霭等低能见度的天气下行驶，更是造成交通事故频发的主要原因。据统计，虽然夜间行车在整个公路交通中只占1／4，但有55%的交通事故却是在夜间发生的。当汽车以时速100km行驶时，如遇到突发事件需要紧急制动，汽车大约需要滑行110m才能完全停下来。然而夜间汽车远光灯的照射范围只有50m，以这样速度，驾驶员无法对此做出及时的反应。因此引用红外夜视技术到汽车驾驶上就成为必然，夜视系统采用红外线传感器可以使驾驶员视野扩大3~4倍，能帮助他们迅速辨别出这一范围内的事物。

由于红外具有昼夜无差别、可透烟／雾的特点，并且能够与其他视觉技术一样提供可视化信息进行事前告知、过程记录和事后重现，因此国际上越来越多的汽车安全研究计划和方案中开始涉及红外。

此外，红外技术还可用于车辆辅助引导、事故处理等由汽车、交通、运输等行业引申出的配套服务行业中。

目前随着红外产品性能不断提高，已经具备了在民用汽车上使用的条件。目前，在宝马、凯迪拉克、奥迪等部分高端车型上已有实际应用。随着价格的不断下降，在车辆上安装红外辅助驾驶系统即将成为普遍现象。

2 车载红外夜视系统的介绍

2.1 车载红外夜视工作原理

一般所说的红外线光谱波段，波长范围为0.75~1000μm。红外线波段通常可以进一步划分为4个更小的波段，这4个波段是：近红外线波段 （0.75~3μm）、中红外线波段 （3~6μm）、远红外线波段 （6~15μm） 和极远红外线波段 （15~1000μm）。自然界中一切温度高于绝对零度（即零下273℃）的物体均可向外辐射红外线。通常温度越高的物体其红外辐射越强，典型的红外辐射源包括人体、含有发动机的汽车、飞机等。红外辐射不受昼夜的影响，同时由于红外波长较可见光波长长，因此穿透烟、雾的能力远远强于可见光。图1为红外波段。

图1 红外波段

2.2 远红外夜视的优势

在汽车上应用远红外技术，由于其原理的特性，远红外夜视的优势明显，在相同情况下，远红外夜视系统更够更清晰地观察到车辆前方的情况。远红外夜视观察效果对比如图2所示。

图2 远红外夜视观察效果对比

3 车载远红外夜视系统的设计

3.1 系统构架图（图3）

远红外夜视摄像头内包含光学系统、探测器、处理电路、电源管理模块与软件系统，利用热成像的工作原理将目标场景呈现在显示系统上。当系统被应用在汽车上时，显示系统一般为汽车仪表的液晶显示屏或音响系统的显示屏。当系统附加了一些报警功能时，例如行人保护，当检测到车前有行人并可能发生碰撞时，系统会发出警告，提示驾驶员注意采取制动或者避让等措施，警告的声音可以使用汽车仪表内的蜂鸣器，也可以使用音响系统的扬声器。另外，系统通常在外部会设置一个夜视系统开关，驾驶员可以根据使用需要进行系统的开启与关闭。

图3 系统构架图

3.2 远红外夜视系统附加功能设计

3.2.1 行人保护功能

远红外夜视系统可以附加行人保护功能，包括行人和骑自行车识别的行人检测和防撞警示。此系统功能主要是检测车辆前面是否有行人的通过，系统会根据距离行人的远近而给予驾驶员提示，辅助驾驶员驾驶。此功能能够在驾驶员疲劳驾驶或者注意力不集中的情况下，对车辆前方的行人注意不到的情况下，辅助驾驶员，确保车辆和行人的安全，避免造成不必要的人身事故。

根据所探测到行人的远近不同，分别用绿色、黄色、红色将行人加方框标识，并在显示屏幕上方用相同颜色的警示号提示驾驶员。图4为行人保护报警界面示意图。

图4 行人保护报警界面示意图

3.2.2 前车碰撞预警功能

远红外夜视系统可以附加前车碰撞预警功能，包括汽车和摩托车识别的前方防撞警示。此系统主要是检查前方车辆对驾驶车辆之间的距离进行报警提示的一项功能，系统会检查出安全、警示、危险距离并做出报警提示，提醒驾驶员安全驾驶，确保车辆的行车安全。

当探测到前方车辆距离较近时，屏幕上会出现红色方框预警提示，如图5所示。

图5 前车碰撞预警界面示意图

3.3 远红外夜视系统的个性化设置设计

远红外夜视系统可设计几个可以进行个性化设置的选项，用于适应不同驾驶员的观察习惯，给使用者带来更好的使用体验。当然这种个性化设置是可选的，在设计时可以任意进行排列组合。

1） 手动校正功能选项

在驾驶过程中，红外图像可能会出现模糊不清、雪花等，影响观看体验，驾驶员可进行手动校正，使图像更加清晰。

2） 亮度调节选项

亮度调节可增加或者降低图像的亮度，驾驶员可根据个人的观看习惯和当前环境选择合适的亮度。

亮度可以设计1~9挡亮度可选，亮度1挡最暗，9挡最亮。初次开机默认状态下亮度可以设置为“5挡”，显示屏上设置可以进行操作的实体按钮或触摸按键，通过手动操作进行调节。

3） 对比度调节选项

对比度调节可增加或者降低图像的对比度，驾驶员可根据个人的观看习惯和当前环境选择合适的对比度。

对比度可以设计1~9挡对比度可选，对比度1挡最弱，9挡最强。初次开机默认状态下对比度可以设置为“5挡”，显示屏上设置可以进行操作的实体按钮或触摸按键，通过手动操作进行调节。

4） 图像极性选择选项

极性调节可使红外图像显示成不同的色彩，方便驾驶员观察识别目标。

白热：场景中温度相对较高的物体显示为白色或浅灰色。

黑热：场景中温度相对较高的物体显示为黑色或深灰色。

显示屏上设置可以进行操作的实体按钮或触摸按键，通过手动操作进行调节。

5） 行车辅助线显示与隐藏选项

系统可自带行车辅助线，能够给予驾驶员直观的距离感。系统中设置能够显示与隐藏其的选项，并可以通过按键调节辅助线的位置。

4 远红外夜视系统的测试方法

4.1 测试工具

水平尺、标志线、对讲机2部、照度计、激光测距仪、温度计、可调温热源2个、移动电源、粉笔、自行车、摄像机、逆变器、便携式热源、电脑、图像采集卡。

4.2 测试场地

平坦干燥的沥青路面；随机路试路段。

4.3 测试项目

测试项目详见表1。

4.4 测试方法

4.4.1 静态测试

1） 水平视角测试

利用水平尺及标志线对远红外夜视系统的水平视角进行测试，可以测试出实际的水平视角与其描述的技术参数表中是否一致，测试现场图如图6所示。

2） 分辨率测试

分辨率的测试采用相同的人与车辆作为参考物，在不同的距离观察显示器上呈现的视频影像效果，例如30m、40m、50m、60m、70m、80m，6种不同距离时系统所呈现出的显示效果。这是针对分辨率较好的系统，而相对较差的系统，其显示效果图像模糊不清，对比差异如图7所示。

表1 测试项目

图6 水平视角测试现场图

图7 图像清晰度对比差异示意

4.4.2 动态测试

1） 本车静止+行人移动

在本车静止的情况下，在远红外夜视摄像头不同的距离上，行人进行移动，测试系统是否可以很好地对行人进行识别。图8为行人移动时显示效果对比差异示意图。

2） 本车静止+自行车移动+行人移动

在本车静止的情况下在距离远红外夜视摄像头不同的距离上，行人与自动车进行移动，测试系统是否可以很好地对行人和自行车进行识别。图9为行人与自行车移动时显示效果对比差异示意。

图8 行人移动时显示效果对比差异示意

图9 行人与自行车移动时显示效果对比差异示意

3） 本车直行+自行车移动

安装远红外夜视系统的车辆以不同的速度直行，速度可以选取10km／h、20km／h、30km／h、40km／h这4种，自行车可以相对车辆进行不同的移动，例如：左侧同向移动、右侧同向移动、左侧反向移动、右侧反向移动、左向右垂直移动、右向左垂直移动，此项测试可以对远红外夜视系统在移动过程中对运动物体的显示是否清晰。图10为本车直行自行车移动时显示效果对比差异示意。

图10 本车直行自行车移动时显示效果对比差异示意

4） 本车调头+行人移动安装远红外夜视系统的车辆以10km／h的速度调头行驶，行人可以相对车辆进行不同的移动，例如：左侧同向移动、左侧反向移动、右侧反向移动、左向右垂直移动、右向左垂直移动，此项测试可以对远红外夜视系统在调头过程中对行人的显示是否清晰。图11为本车调头时行人移动时显示效果对比差异示意。

图11 本车调头时行人移动时显示效果对比差异示意

4.4.3 综合路况测试

综合路况测试中可以选取不同的路况进行测试，以模拟系统在实际使用中的真实表现，路况可以选取市中心道路、商业区道路、居住区／小市场道路、高速公路、坡道等。

通过此项测试，可以模拟驾驶员在行车过程中可能遇到的绝大多数路况，不同的路况下出现的物体目标在夜视系统视频上所呈现的效果。另外，多种路况的测试还可以测试不同的环境是否会对视频显示效果产生影响，例如有高压线附近的道路上，对系统的抗扰能力进行试验，如果系统的抗扰能力低，所呈现的视频可能会出现闪烁、波纹等现象。图12为远红外夜视系统受干扰时的画面示意效果图。

图12 远红外夜视系统受干扰时的画面示意效果图

5 总结

车载远红外夜视系统是一种可以提高驾驶员行车安全性的配置，特别是在雾、霾等天气恶劣的情况下，可以成为驾驶员在黑夜中的另一双眼睛。随着车载配置率的提升，此套系统的价格随之下降，同时随着国内厂家技术与生产能力的提升，系统的关键元器件已经能够国产，不依赖于国外进口，使其系统的价格进一步下降，更提高了其在车载上批量应用的可能性。