車載夜視系統(tǒng)的應(yīng)用綜述

賈繼紅，張曉麗，陳小凡

（軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津 300161）

車載夜視系統(tǒng)的應(yīng)用綜述

賈繼紅，張曉麗，陳小凡

（軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津 300161）

本文對車載夜視系統(tǒng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀和應(yīng)用背景進行了綜述。對民用車載夜視系統(tǒng)和軍用車載夜視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理以及應(yīng)用現(xiàn)狀進行了研究。分別在結(jié)構(gòu)與應(yīng)用上，分析了軍用車載與民用車載夜視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的差異，對軍用車載夜視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)提出了改進方案。

夜視系統(tǒng)；紅外；微光；車載

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-07-04

引言

據(jù)美國國家公路交通安全管理局的統(tǒng)計，夜間行車只占公路交通的四分之一，但發(fā)生的死亡事故卻占了一半。究其原因，主要是夜間可視距離大大縮短，通過車燈，視距離只達到80m左右。現(xiàn)有汽車照明系統(tǒng)在雨夜、雪天或大霧等能見度較低的情況下視距更近、效果極差。因而，汽車夜視技術(shù)應(yīng)運而生。

夜視技術(shù)最早是由于軍事需要而得到發(fā)展的，1936年，德國武器局試驗六科和德國通用公司（AEG）開始對紅外夜視裝置進行開發(fā)和研究。汽車夜視技術(shù)發(fā)展始于上世紀末，美國通用汽車公司和德州德克薩斯儀表公司從80年代末開始致力于轎車夜視系統(tǒng)的研究。1999年6月在上海舉行的國際汽車展中，美國的Cadiliac汽車將汽車夜視儀首先推向中國汽車市場。汽車夜視技術(shù)主要包括近紅外、遠紅外夜視技術(shù)、微光夜視技術(shù)和圖像處理技術(shù)等。

1、夜視技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 紅外夜視技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

紅外技術(shù)的應(yīng)用始于1940年德國研制硫化鉛和幾種紅外透射材料的成功，但未能在二戰(zhàn)中實際應(yīng)用，而美國研制的主動紅外夜視儀卻搶先于1945年登陸進攻沖繩島時應(yīng)用，初上戰(zhàn)場就發(fā)揮了重要作用。紅外夜視技術(shù)分為主動紅外成像技術(shù)和熱成像技術(shù)（被動式紅外技術(shù)）。把目標物體反射或自身輻射的紅外輻射圖像，轉(zhuǎn)換成人眼可觀察的圖像的技術(shù)稱為主動紅外成像技術(shù)；熱成像技術(shù)是基于目標與背景的溫度及輻射率的差別，利用輻射測溫技術(shù)對目標逐點測定輻射強度，而形成可見的目標熱圖像。

主動紅外夜視儀具有成像清晰、制作簡單的優(yōu)點，但卻存在致命弱點：不具隱蔽性，發(fā)出的紅外光易被敵人發(fā)現(xiàn)。60年代，美國首先研制出被動式紅外夜視儀，并相繼在1982年馬爾維納斯群島戰(zhàn)爭、1991年海灣戰(zhàn)爭發(fā)揮重大作用。至今，紅外夜視技術(shù)由于具有“全天候”、“全被動”、能揭露偽裝、不致盲、隱蔽性好等特點而用來裝備飛機、艦艇和車輛等平臺，執(zhí)行探測熱源目標，參與攻擊、偵察和戰(zhàn)損評估，瞄準導(dǎo)航等任務(wù)。

1.2 微光夜視技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

微光夜視技術(shù)始于50年代，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了四代，對于第四代微光夜視技術(shù)的定義眾說不一，最普遍的看法認為：凡是采用新原理、新技術(shù)將原來二代、三代微光像增強器的響應(yīng)波長進一步延伸擴展到近紅外、中紅外、遠紅外，并仍采用微光夜視的光電—電光轉(zhuǎn)換、聚焦和像增強等技術(shù)的都稱為第四代微光夜視技術(shù)。我國目前已能批量生產(chǎn)二代像增強器和微光夜視器材，但總體落后國外15年左右，微光夜視設(shè)備大約有一個代間的差距，視距大約相差30%-50%。

微光夜視技術(shù)圖像清晰、體積小、重量輕、價格低、使用和維修方便、不易被電子偵察和干擾，微光夜視儀的響應(yīng)速度快，利用光電陰極管可實現(xiàn)高速攝影；但微光圖像的對比度差、灰度級有限、瞬間動態(tài)范圍差、高增益時有閃爍，只敏感于目標場景的反射，與目標場景的熱對比無關(guān)；紅外圖像的對比度差、動態(tài)范圍大、但其只敏感于目標場景的輻射，而對場景的亮度變化不敏感。隨著微光與紅外成像技術(shù)的發(fā)展，綜合挖掘二者的圖像特征信息，使二者圖像融合成更全面的圖像已發(fā)展成為一種有效的技術(shù)手段。

2、夜視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

民用車輛一般行駛在公路上，多數(shù)情況下有路燈照明，偶爾會遇到雨、雪、霧等惡劣天氣，而軍用車輛經(jīng)常是在夜晚、煙霧、山路或土路的環(huán)境下行駛，特別是戰(zhàn)術(shù)車輛、特種車輛和在戰(zhàn)時、戰(zhàn)地運送物資的車輛，自身還需要具備隱身防護的功能。因此，民用車載夜視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與軍用車載夜視系統(tǒng)所采用的夜視技術(shù)以及系統(tǒng)所要求的精度大不相同，系統(tǒng)所采用的結(jié)構(gòu)更是截然不同。

2.1 民用車載夜視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

目前，將夜視系統(tǒng)配備在汽車上的國外車企有：本田、通用、寶馬、豐田、奔馳和奧迪等，而凱迪拉克是世界上第一款將夜視系統(tǒng)配備在汽車上的品牌。民用車載夜視系統(tǒng)大多采用主動式紅外夜視技術(shù)，而少數(shù)采用被動式紅外技術(shù)。

主動式汽車紅外夜視系統(tǒng)主要由紅外照射燈、CCD攝像機、圖像處理系統(tǒng)及車載顯示器組成。紅外照射燈發(fā)射出紅外光，物體反射后，被車載CCD攝像機所接收，轉(zhuǎn)化為圖像信號，經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)，就可以在顯示器上顯示出來。如圖2.1.1所示。

本田研究的智能夜視系統(tǒng)，是通過安裝兩部遠距離遠紅外線照相機，相機能探測前方遠至80m的物體發(fā)出的熱能。在夜視系統(tǒng)中的圖像有些像照相底片，白色部分說明物體發(fā)出的熱量高，黑色部分表示熱量低。

在民族地區(qū)開展大學(xué)生實習(xí)支教工作，高校、地方教育主管部門和實習(xí)支教受援學(xué)校全面要求大學(xué)生自覺接受黨的思想政治教育、形勢政策教育、民族團結(jié)教育和安全紀律教育，主動學(xué)習(xí)黨和國家的民族宗教政策，學(xué)習(xí)掌握一些基本的民族日常用語，了解并尊重少數(shù)民族風(fēng)俗習(xí)慣，夯實他們?yōu)槊褡宓貐^(qū)基礎(chǔ)教育和民族團結(jié)服務(wù)，改變民族地區(qū)基礎(chǔ)教育落后面貌的政治覺悟和思想意識，實現(xiàn)他們思想政治教育的目的，為全面服務(wù)新疆基礎(chǔ)教育和民族團結(jié)教育、促進民族間文化交流與融合、維護新疆社會的健康、和諧、穩(wěn)定做出新時代大學(xué)生應(yīng)有的貢獻。

通用的鷹眼(Eagle-eye)夜視系統(tǒng)主要適用于凱迪拉克SLS賽威、SRX及別克君越等車型。該系統(tǒng)擁有夜視、去強光、破霧和航線偏離提示等五大功能，使駕駛者在視線惡劣的情況下，也能清晰地觀察前方路況，提前規(guī)避安全隱患。

豐田的夜視系統(tǒng)主要適用于以下三種車型，分別為陸地巡洋艦、皇冠及雷克薩斯。Night View夜視系統(tǒng)配備在陸地巡洋艦車型上。該系統(tǒng)由安裝于保險杠左右兩端的照明燈向車輛前方照射近紅外光，然后利用安裝在車內(nèi)鏡附近的近紅外相機對由目標物體反射的光進行投影，并將其轉(zhuǎn)換成圖像信號。最后，將該影像作為單色圖像顯示在位于風(fēng)窗玻璃上的抬頭顯示器上。2008年4月，豐田發(fā)布了皇冠量產(chǎn)版車型，該款車配備的NightView夜視系統(tǒng)增加了行人監(jiān)測功能。

奔馳E級目前裝備的夜視系統(tǒng)：大燈外殼內(nèi)有兩個特殊探照燈能以人眼無法觀察的紅外線照亮路面，因此奔馳的紅外夜視系統(tǒng)必須是大燈開啟時才能使用。前風(fēng)窗玻璃內(nèi)側(cè)的紅外線攝像機拍攝路面環(huán)境，數(shù)據(jù)經(jīng)電子控制器處理之后轉(zhuǎn)換成黑白圖像顯示在儀表盤顯示器上。由于紅外線波長大，照射距離遠，因此紅外夜視儀的照射距離也大于正常車燈照射距離，在夜間能夠增加駕駛者視線距離。此外，其智能的行人識別報警功能，能夠大幅提高夜間行車安全性。

與以上轎車配備不同，寶馬7系裝配的是被動夜視系統(tǒng)，在車輛前端一個隱蔽的防撞擊盒子中裝有熱能照相機，利用人和動物本身的輻射特性，以8-12μm的波長范圍記錄人和動物身體上發(fā)出的熱輻射，將路邊行人和穿行道路的動物以影像中最亮的物體顯示在屏幕上。系統(tǒng)的主要作用是提前發(fā)現(xiàn)夜間在黑暗道路上和路邊的行人、動物、自行車等，可以提前5s警示駕駛者覺察危險情況。寶馬夜視系統(tǒng)的探測范圍很大：探測距離達300m左右，在車速低于80km/h的情況下，熱成像攝像頭擁有36°的水平廣角；在中等車速下，顯示屏上的影像區(qū)域能夠覆蓋車輛前方24°范圍的影像，并且影像區(qū)域還可以隨著道路轉(zhuǎn)彎而進行幅度達到60左右的轉(zhuǎn)動；在較高車速下，駕駛者可以啟動數(shù)字變焦功能進而使較遠距離的物體影像放大1.5倍。其結(jié)構(gòu)如圖2.1.2所示。

2.2 軍用車載夜視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

軍用車載夜視系統(tǒng)多采用微光技術(shù)或紅外技術(shù)。但是，微光夜視技術(shù)與紅外夜視技術(shù)在應(yīng)用上仍存在許多嚴重缺陷,如：微光夜視技術(shù)受天氣變化影響很大、紅外夜視技術(shù)對重疊和有高低層次的物體成像不清，以及系統(tǒng)抖動問題等等，這些缺陷嚴重影響戰(zhàn)術(shù)車輛與特種車輛作戰(zhàn)與保障能力。目前，解決辦法是將二者融合，但該技術(shù)還不太成熟，尤其圖像融合技術(shù)急待完善。

2.2.1主動式紅外夜視技術(shù)

其工作過程是：紅外探照燈（通常是氛燈）發(fā)出紅外線照射物體，物體反射的紅外線通過物鏡照射到變像管的光電陰極上，光電陰極各部分發(fā)射出光電子，在變像管內(nèi)加速運動的同時聚焦，變像管再對紅外圖像進行光譜轉(zhuǎn)換、電子成像和亮度增強，最終射擊到變像管的熒光屏上，熒光屏在高能電子轟擊下，發(fā)射出正比于電子密度與動能的可見光圖像，從而完成了從近紅外輻射到可見光輻射的圖像轉(zhuǎn)換過程。再通過目鏡，人眼即可看到放大了的目標的可見光圖像。主動式紅外系統(tǒng)的工作波段在0.76-1.2μm的近紅外區(qū)域，其核心部件為紅外變像管，它起著光電圖像轉(zhuǎn)換及增強作用。紅外變像管由二部分組成，包括銀氧銫光陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)及熒光屏。

2.2.2 被動式紅外夜視技術(shù)—熱成像系統(tǒng)

任何絕對零度以上的物體都具有熱輻射木領(lǐng)，輻射體的溫度不同，其輻射的能量及波長成分也不同。熱成像系統(tǒng)的作用就是基于目標與背景的溫度及輻射發(fā)射率的差異，利用輻射測溫技術(shù)對目標逐點測定輻射強度，而形成可見的目標熱圖像。圖2.2.2為光機掃描型熱成像系統(tǒng)工作原理圖。

其工作過程是：光學(xué)系統(tǒng)先將目標的紅外輻射匯集起來，經(jīng)過光譜濾波和光學(xué)掃描聚集到探測器列陣上；探測器接收到了這些紅外輻射能，利用探測器的響應(yīng)率將紅外光信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出電壓信號，紅外輻射能量的強弱決定了電壓信號的強弱；然后電壓信號再經(jīng)過放大器放大，交流/直流轉(zhuǎn)換進行灰度量化處理形成視頻信號，在顯示器上得到可見的目標熱圖像，系統(tǒng)中核心部件為紅外探測器。

紅外熱成像技術(shù)由于靠目標和背景的輻射對比度產(chǎn)生目標圖像，因而能透過偽裝探測到隱蔽的軍事設(shè)施，具有真正的“夜視”木領(lǐng)；紅外熱成像系統(tǒng)具有“全被動”、“全天候”的優(yōu)點，能揭露偽裝，不受戰(zhàn)場上強光、眩光干擾而致盲，能給出目標的狀態(tài)信息；此外自身隱蔽性好，作用距離遠。

3、車載夜視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進

車輛如果在惡劣環(huán)境中行駛，車體不可避免地出現(xiàn)低頻晃動和高頻、低幅的抖動，車體的這些擾動直接導(dǎo)致夜視系統(tǒng)成像模糊，這將大大限制夜視系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，特別是軍用車載夜視系統(tǒng)，其行駛路況經(jīng)常是夜路、土路、山路等，甚至還要趕上惡劣的天氣。因此，穩(wěn)像裝置必不可少。

目前穩(wěn)像技術(shù)主要有陀螺穩(wěn)像和電子穩(wěn)像。電子穩(wěn)像綜合了電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)字信號處理等技術(shù)為一體，具有價格低、精度高、功耗小等顯著優(yōu)點，更適合民用車載夜視系統(tǒng)。軍用戰(zhàn)術(shù)車輛如坦克裝甲車輛火控系統(tǒng)等，一般采用高精度的陀螺平臺作為慣性基準，周視穩(wěn)定還采用了粗精兩級平臺穩(wěn)定的復(fù)雜方式。

光電隨動穩(wěn)定裝置是陀螺穩(wěn)像技術(shù)的主要實現(xiàn)系統(tǒng)，它可以補償載體運動、振動對成像系統(tǒng)的擾動，并保持圖像穩(wěn)定，其對象種類很多，例如：前視紅外熱像儀（屬于夜視系統(tǒng)）、TV像機、導(dǎo)彈跟蹤裝置等，裝置所處環(huán)境由載體（包括陸地車輛以及飛機、導(dǎo)彈、外太空飛行器等）的運動所決定。其穩(wěn)定原理如下：

載體坐標系OXcYcZc：OZc軸垂直于載體平面，向上為正；OYc軸與載體縱軸重合，載體前進方向為正；OXc軸在載體平面內(nèi)與載體橫軸重合，且垂直于OYc，載體前進方向右側(cè)為正。

方位坐標系OXαYαZα：OZα與載體坐標系的OZα軸重合，OXαYαZα坐標系繞OZα軸的轉(zhuǎn)角定義為方位角α。

俯仰坐標系OXpYpZp：OXp軸和OXσYσZσ坐標系的OXα軸重合，OXpYpZp坐標系繞OXσ軸的轉(zhuǎn)角定義為俯仰角（高低角）β，被穩(wěn)定對象安裝在俯仰框上OXpYpZp，其視軸和OYp軸平行。視軸OYp在OXcYcZc中的位置由α和β唯一確定。圖3.1為一個視軸穩(wěn)定系統(tǒng)原理。

由于光電隨動穩(wěn)定裝置穩(wěn)定精度高，被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)車輛的目標偵察和監(jiān)視系統(tǒng)、自行火控系統(tǒng)、以及移動載體防空系統(tǒng)等，若將隨動穩(wěn)定裝置應(yīng)用于車載微光和紅外夜視系統(tǒng)，可以有效提高車輛夜視系統(tǒng)在惡劣環(huán)境、復(fù)雜路況下的成像穩(wěn)定性和成像質(zhì)量，進而提高車輛行駛安全性和行駛速度。

4、結(jié)語

本文簡要闡述了車載夜視系統(tǒng)的應(yīng)用背景與國內(nèi)外現(xiàn)狀，詳細介紹了軍用和民用車載夜視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，綜述了車載夜視系統(tǒng)的最新發(fā)展。通過研究現(xiàn)有車載夜視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和夜視系統(tǒng)的潛在使用需求與未來發(fā)展趨勢，分析了車載夜視系統(tǒng)存在使用局限性的重要原因，并針對此問題，對軍用車載夜視系統(tǒng)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)提出了改進方案。

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Summary of Application on Vehicle—borne night vision system

Jia Jihong, Zhang Xiaoli, Chen Xiaofan
（Department of military logistics, Military Transportation University, Tianjin 300161）

Reviewed the situation at home and abroad of Vehicle—borne night vision system and its application background.Researched the structure principle and application statue of borne night vision system in military and civil.Analyzed the difference between them in structure.Studed the developing trends of Vehicle—borne night vision system.proposed the improvement programs of Vehicle—borne night vision system,specifically the syetem in military.

night vision system；infrared technology；low light level technology；Vehicle—borne

U463.9

A

1671-7988(2015)02-07-04

賈繼紅，講師，就職于軍事交通學(xué)院軍事物流系。