通過紅外傳感器技術(shù)保護乘客的安全

　　在當代汽車中，占用分類系統(tǒng)(OCS)的實施已成為安全功能中一個越來越標準的配置。在碰撞發(fā)生時，OCS可確保安全氣囊以最有效的方式打開，以保護乘客并避免受到傷害。它是通過使用某種形式的傳感器技術(shù)來確定乘員的身高和體型。本文將討論下一代OCS技術(shù)的進展如何在更大程度上保護乘客的安全。

　　這里先介紹一下OCS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。傳感器系統(tǒng)將首先確認是否有乘客占用座位，并對乘客的物理特性進行評估。隨后，此信息被傳送到電子控制單元(ECU)以便決定做出何種反應，從而使氣囊以全速或以較慢的速度觸發(fā)。早期的OCS系統(tǒng)往往采用合理的基本傳感機制，包括嵌入在座位框架內(nèi)部的壓力傳感器，它可以用于測量乘員的體重并由此推導出一個粗略的身高數(shù)據(jù)。與通過安全帶的張力來進行估算等其他方法類似，這種方法也有不準確之處。首先，體重和身高之間的相關(guān)性并不是可以準確地確定。上述方法也沒有考慮到一些其他可能性，例如座位上放的是裝物品的盒子，而不是占用座椅的乘客，因為這種技術(shù)不能確認在座位上是一個乘客還是其他沒有生命的物品。此外，在座位框架內(nèi)部集成傳感器也非常昂貴，特別是如果需要維修或更換時更是如此。

　　隨著兒童加高車座(boostercarseats)和面向后方嬰幼兒座椅(rear-facingbaby/infantcarseat)開始在市場上出現(xiàn)，進一步凸顯了對傳統(tǒng)技術(shù)變革的必要性，這些也引起人們對于如何部署安全氣囊的關(guān)注。因此，汽車產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在有一個趨勢是采用更為復雜的分類系統(tǒng)，而往往利用最多的是光電技術(shù)。

　　對于任何使用光電檢測技術(shù)的OCS解決方案，基本標準是：

　　·它必須能夠觀測到所感興趣的區(qū)域(即不可以有任何阻礙從所安裝的地方去觀察乘客)。

　　·視場(FoV)的要求都相對受限，通常為40o×10o已經(jīng)綽綽有余。

　　·合理的4赫茲到8赫茲較低幀率。

　　·由于目標的距離很近，可以采用作用范圍小于1米的傳感器。

　　這些并不真正構(gòu)成重大的技術(shù)困難，但在更詳細的層次認真研究系統(tǒng)時，困難開始浮出水面。采用光電技術(shù)實現(xiàn)的OCS系統(tǒng)如果使用可見光譜的一部分作為其傳感媒介，有幾個顯著的缺點都與采用這種方案有關(guān)。

　　利用可見光的OCS的問題

　　在采用可見光作為OCS感應機理時，當然有晝/夜光照水平的變化，這就要求系統(tǒng)應包括車內(nèi)主動照明(這通常是放置在汽車內(nèi)部車頂或前方支架上)。帽子、長發(fā)、胡須、顏色鮮艷的物品、衣物等也可以對光學分類過程產(chǎn)生不利的影響。因此，這種傳感器技術(shù)及其對于不規(guī)則暴露的判斷準確性是一個主要問題?？梢姽鈧鞲邢到y(tǒng)需要相當高的處理能力，要配備相當昂貴的微控制器單元(MCU)。

　　使用工作波長范圍從5μm到15μm的遠紅外(FIR)技術(shù)，正在成為汽車載客分類應用中越來越感興趣的話題。遠紅外成像系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢之一是，由于它以人體散發(fā)熱量的頻率來檢測熱輻射，能夠更好地區(qū)分無生命的物體和一個真正的乘客。這種方法不依靠環(huán)境光，在白天或夜晚工作之間有沒有性能差別，因此也就不需要在車內(nèi)主動照明。此外，它需要的處理能力也相當小。最后這兩點使整個系統(tǒng)的復雜性和成本大幅度降低。

　　FIR性能注意事項

　　基于FIR機制的OCS不需要很寬的動態(tài)范圍，傳感器陣列需要能夠在-40℃至85℃之間工作。對于光學分辨率的要求也不是太苛刻，因為乘客的位置會是在一個已知區(qū)域。但熱分辨率卻是非常重要，需要在±0.25oK范圍。重要的是需要考慮進入車內(nèi)的太陽光的熱效應，要達到該目的需要使用濾光片過濾掉可見光光譜和近紅外(NIR)光譜，從而使這些不以任何方式干擾傳感器。雖然這種類型感測系統(tǒng)的信號處理已經(jīng)比可見光傳感器簡單一些，但仍然需要降低整體復雜性，以便確保運行速度和信噪比都比較高，同時使系統(tǒng)成本降低和易于實施。

　　邁來芯公司通過與HeimannSensorGmbH之間的技術(shù)合作，現(xiàn)在已經(jīng)能夠開發(fā)結(jié)構(gòu)緊湊、同時具有高性價比的FIR傳感器陣列，它們把高靈敏度溫差電堆(thermopiles，熱電堆)技術(shù)與尖端且精簡的信號處理等功能/性能結(jié)合在一起，每個FIR檢測器件具有多個溫差電堆傳感器單元，可以針對目標區(qū)域?qū)崟r地建立一個簡單的熱值圖。陣列內(nèi)的每一個溫差電堆單元都有其電信號放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這樣可以避免對溫差電堆信號進行時間復用，大大降低了信號噪聲，同時它也提供了必要的性能，而不需要特意去采用一個更昂貴的微測輻射熱設備(microbolometer)。

　　該FIR傳感器陣列大大簡化了熱成像系統(tǒng)，它一旦被集成即可立即從64像素捕獲數(shù)據(jù)。它有一個可調(diào)節(jié)的幀速率，足以支持即使是最高端的OCS系統(tǒng)所需要的性能。在0℃到50℃范圍內(nèi)工作時，可維持±1.5°K的精度水平。對于每個組成的傳感元件，都有其自身的信號處理能力，可見光OCS系統(tǒng)中出現(xiàn)的噪聲問題在這里可以得到有效地規(guī)避。此外，其接口也更容易實現(xiàn)。使用高速I2C兼容的數(shù)字串行接口以及與控制單元同步的觸發(fā)模式意味著這些器件不僅僅可單獨使用，而且在需要的情況下也可以結(jié)合在一起形成具有更高成像分辨率的陣列。

　　結(jié)論

　　每年歐盟成員國的道路上約有35,000人死亡，開發(fā)更有效的汽車安全系統(tǒng)的重要性不能被低估。安全氣囊的利用對于減少死亡人數(shù)起了很大的作用，但仍然有必要進一步降低。被動占用識別機制正在被智能系統(tǒng)所取代，這樣能夠更好地確定是誰或什么物品在乘客座位上，以便進一步改善安全氣囊展開的有效性，這樣可把危害風險最小化。通過實施更先進的基于光電子技術(shù)的OCS的系統(tǒng)，可在乘客的安全方面取得更大的進步。但有一點很明確，由于光照水平的變化以及其他不規(guī)則行為，工作在可見光譜的傳感器往往性能會降低。而FIR傳感技術(shù)則能夠以比可見光方案低很多的數(shù)據(jù)處理成本提供同等或更好的性能，因此可以得到汽車制造商更多地采用。