通過先進(jìn)的紅外傳感器技術(shù)提高汽車的安全性

　　在當(dāng)代汽車中，占用分類系統(tǒng)（OCS）的實(shí)施已成為安全功能中一個(gè)越來越標(biāo)準(zhǔn)的配置。在碰撞發(fā)生時(shí)，OCS可確保安全氣囊以最有效的方式打開，以保護(hù)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(jìn)展如何在更大程度上保護(hù)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(rèn)是否有乘客占用座位，并對(duì)乘客的物理特性進(jìn)行評(píng)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(yīng)，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(jī)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(cè)量乘員的體重并由此推導(dǎo)出一個(gè)粗略的身高數(shù)據(jù)。與通過安全帶的張力來進(jìn)行估算等其他方法類似，這種方法也有不準(zhǔn)確之處。首先，體重和身高之間的相關(guān)性并不是可以準(zhǔn)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?yàn)檫@種技術(shù)不能確認(rèn)在座位上是一個(gè)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(shí)更是如此。

　　隨著兒童加高車座（booster car seats）和面向后方嬰幼兒座椅（rear-facing baby/infant car seat）開始在市場(chǎng)上出現(xiàn)，進(jìn)一步凸顯了對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)變革的必要性，這些也引起人們對(duì)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(gè)趨勢(shì)是采用更為復(fù)雜的分類系統(tǒng)，而往往利用最多的是光電技術(shù)。

　　對(duì)于任何使用光電檢測(cè)技術(shù)的OCS解決方案，基本標(biāo)準(zhǔn)是：

　　• 它必須能夠觀測(cè)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(chǎng)（FoV）的要求都相對(duì)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(biāo)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(xì)的層次認(rèn)真研究系統(tǒng)時(shí)，困難開始浮出水面。采用光電技術(shù)實(shí)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(gè)顯著的缺點(diǎn)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(yīng)機(jī)理時(shí)，當(dāng)然有晝/夜光照水平的變化，這就要求系統(tǒng)應(yīng)包括車內(nèi)主動(dòng)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(zhǎng)發(fā)、胡須、顏色鮮艷的物品、衣物等也可以對(duì)光學(xué)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(duì)于不規(guī)則暴露的判斷準(zhǔn)確性是一個(gè)主要問題?？梢姽鈧鞲邢到y(tǒng)需要相當(dāng)高的處理能力，要配備相當(dāng)昂貴的微控制器單元（MCU）。

　　使用工作波長(zhǎng)范圍從5µm到15µm的遠(yuǎn)紅外（FIR）技術(shù)，正在成為汽車載客分類應(yīng)用中越來越感興趣的話題。遠(yuǎn)紅外成像系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢(shì)之一是，由于它以人體散發(fā)熱量的頻率來檢測(cè)熱輻射，能夠更好地區(qū)分無生命的物體和一個(gè)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(dòng)照明。此外，它需要的處理能力也相當(dāng)小。最后這兩點(diǎn)使整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本大幅度降低。

　　FIR性能注意事項(xiàng)

　　基于FIR機(jī)制的OCS不需要很寬的動(dòng)態(tài)范圍，傳感器陣列需要能夠在-40℃至85℃ 之間工作。對(duì)于光學(xué)分辨率的要求也不是太苛刻，因?yàn)槌丝偷奈恢脮?huì)是在一個(gè)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(jìn)入車內(nèi)的太陽光的熱效應(yīng)，要達(dá)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(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理已經(jīng)比可見光傳感器簡(jiǎn)單一些，但仍然需要降低整體復(fù)雜性，以便確保運(yùn)行速度和信噪比都比較高，同時(shí)使系統(tǒng)成本降低和易于實(shí)施。

　　邁來芯公司通過與Heimann Sensor GmbH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(shí)具有高性價(jià)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(jiǎn)的信號(hào)處理等功能/性能結(jié)合在一起，每個(gè)FIR檢測(cè)器件具有多個(gè)溫差電堆傳感器單元，可以針對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)崟r(shí)地建立一個(gè)簡(jiǎn)單的熱值圖。陣列內(nèi)的每一個(gè)溫差電堆單元都有其電信號(hào)放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這樣可以避免對(duì)溫差電堆信號(hào)進(jìn)行時(shí)間復(fù)用，大大降低了信號(hào)噪聲，同時(shí)它也提供了必要的性能，而不需要特意去采用一個(gè)更昂貴的微測(cè)輻射熱設(shè)備（microbolometer）。

　　該FIR傳感器陣列大大簡(jiǎn)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(gè)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(shí)，可維持±1.5°K的精度水平。對(duì)于每個(gè)組成的傳感元件，都有其自身的信號(hào)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(shí)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(dú)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(guó)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(duì)于減少死亡人數(shù)起了很大的作用，但仍然有必要進(jìn)一步降低。被動(dòng)占用識(shí)別機(jī)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(jìn)一步改善安全氣囊展開的有效性，這樣可把危害風(fēng)險(xiǎn)最小化。通過實(shí)施更先進(jìn)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(jìn)步。但有一點(diǎn)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(huì)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。