通過(guò)紅外傳感器技術(shù)保護乘客的安全

　　在當代汽車(chē)中，占用分類(lèi)系統(OCS)的實(shí)施已成為安全功能中一個(gè)越來(lái)越標準的配置。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(kāi)，以保護乘客并避免受到傷害。它是通過(guò)使用某種形式的傳感器技術(shù)來(lái)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乘客的安全。

　　這里先介紹一下OCS系統的基本結構。傳感器系統將首先確認是否有乘客占用座位，并對乘客的物理特性進(jìn)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系統往往采用合理的基本傳感機制，包括嵌入在座位框架內部的壓力傳感器，它可以用于測量乘員的體重并由此推導出一個(gè)粗略的身高數據。與通過(guò)安全帶的張力來(lái)進(jìn)行估算等其他方法類(lèi)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(méi)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(gè)乘客還是其他沒(méi)有生命的物品。此外，在座位框架內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(zhù)兒童加高車(chē)座(boostercarseats)和面向后方嬰幼兒座椅(rear-facingbaby/infantcarseat)開(kāi)始在市場(chǎng)上出現，進(jìn)一步凸顯了對傳統技術(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(chē)產(chǎn)業(yè)現在有一個(gè)趨勢是采用更為復雜的分類(lèi)系統，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(guān)測到所感興趣的區域(即不可以有任何阻礙從所安裝的地方去觀(guān)察乘客)。

　　·視場(chǎng)(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。

　　這些并不真正構成重大的技術(shù)困難，但在更詳細的層次認真研究系統時(shí)，困難開(kāi)始浮出水面。采用光電技術(shù)實(shí)現的OCS系統如果使用可見(jiàn)光譜的一部分作為其傳感媒介，有幾個(gè)顯著(zhù)的缺點(diǎn)都與采用這種方案有關(guān)。

　　利用可見(jiàn)光的OCS的問(wèn)題

　　在采用可見(jiàn)光作為OCS感應機理時(shí)，當然有晝/夜光照水平的變化，這就要求系統應包括車(chē)內主動(dòng)照明(這通常是放置在汽車(chē)內部車(chē)頂或前方支架上)。帽子、長(cháng)發(fā)、胡須、顏色鮮艷的物品、衣物等也可以對光學(xué)分類(lèi)過(guò)程產(chǎn)生不利的影響。因此，這種傳感器技術(shù)及其對于不規則暴露的判斷準確性是一個(gè)主要問(wèn)題?？梢?jiàn)光傳感系統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(cháng)范圍從5μm到15μm的遠紅外(FIR)技術(shù)，正在成為汽車(chē)載客分類(lèi)應用中越來(lái)越感興趣的話(huà)題。遠紅外成像系統的巨大優(yōu)勢之一是，由于它以人體散發(fā)熱量的頻率來(lái)檢測熱輻射，能夠更好地區分無(wú)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(méi)有性能差別，因此也就不需要在車(chē)內主動(dòng)照明。此外，它需要的處理能力也相當小。最后這兩點(diǎn)使整個(gè)系統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(dòng)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(xué)分辨率的要求也不是太苛刻，因為乘客的位置會(huì )是在一個(gè)已知區域。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(chē)內的太陽(yáng)光的熱效應，要達到該目的需要使用濾光片過(guò)濾掉可見(jiàn)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(lèi)型感測系統的信號處理已經(jīng)比可見(jiàn)光傳感器簡(jiǎn)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(shí)使系統成本降低和易于實(shí)施。

　　邁來(lái)芯公司通過(guò)與HeimannSensorGmbH之間的技術(shù)合作，現在已經(jīng)能夠開(kāi)發(fā)結構緊湊、同時(shí)具有高性?xún)r(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)的信號處理等功能/性能結合在一起，每個(gè)FIR檢測器件具有多個(gè)溫差電堆傳感器單元，可以針對目標區域實(shí)時(shí)地建立一個(gè)簡(jiǎn)單的熱值圖。陣列內的每一個(gè)溫差電堆單元都有其電信號放大器和數據轉換器，這樣可以避免對溫差電堆信號進(jìn)行時(shí)間復用，大大降低了信號噪聲，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)更昂貴的微測輻射熱設備(microbolometer)。

　　該FIR傳感器陣列大大簡(jiǎn)化了熱成像系統，它一旦被集成即可立即從64像素捕獲數據。它有一個(gè)可調節的幀速率，足以支持即使是最高端的OCS系統所需要的性能。在0℃到50℃范圍內工作時(shí)，可維持±1.5°K的精度水平。對于每個(gè)組成的傳感元件，都有其自身的信號處理能力，可見(jiàn)光OCS系統中出現的噪聲問(wèn)題在這里可以得到有效地規避。此外，其接口也更容易實(shí)現。使用高速I(mǎi)2C兼容的數字串行接口以及與控制單元同步的觸發(fā)模式意味著(zhù)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合在一起形成具有更高成像分辨率的陣列。

　　結論

　　每年歐盟成員國的道路上約有35,000人死亡，開(kāi)發(fā)更有效的汽車(chē)安全系統的重要性不能被低估。安全氣囊的利用對于減少死亡人數起了很大的作用，但仍然有必要進(jìn)一步降低。被動(dòng)占用識別機制正在被智能系統所取代，這樣能夠更好地確定是誰(shuí)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(kāi)的有效性，這樣可把危害風(fēng)險最小化。通過(guò)實(shí)施更先進(jìn)的基于光電子技術(shù)的OCS的系統，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則行為，工作在可見(jiàn)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(jiàn)光方案低很多的數據處理成本提供同等或更好的性能，因此可以得到汽車(chē)制造商更多地采用。