車載夜視系統的應用綜述

賈繼紅，張曉麗，陳小凡

（軍事交通學院 軍事物流系，天津 300161）

車載夜視系統的應用綜述

賈繼紅，張曉麗，陳小凡

（軍事交通學院 軍事物流系，天津 300161）

本文對車載夜視系統的國內外現狀和應用背景進行了綜述。對民用車載夜視系統和軍用車載夜視系統的結構、原理以及應用現狀進行了研究。分別在結構與應用上，分析了軍用車載與民用車載夜視系統結構之間的差異，對軍用車載夜視系統的結構提出了改進方案。

夜視系統；紅外；微光；車載

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

引言

據美國國家公路交通安全管理局的統計，夜間行車只占公路交通的四分之一，但發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。現有汽車照明系統在雨夜、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，汽車夜視技術應運而生。

夜視技術最早是由于軍事需要而得到發展的，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和研究。汽車夜視技術發展始于上世紀末，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。汽車夜視技術主要包括近紅外、遠紅外夜視技術、微光夜視技術和圖像處理技術等。

1、夜視技術的發展現狀

1.1 紅外夜視技術的發展現狀

紅外技術的應用始于1940年德國研制硫化鉛和幾種紅外透射材料的成功，但未能在二戰中實際應用，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用，初上戰場就發揮了重要作用。紅外夜視技術分為主動紅外成像技術和熱成像技術（被動式紅外技術）。把目標物體反射或自身輻射的紅外輻射圖像，轉換成人眼可觀察的圖像的技術稱為主動紅外成像技術；熱成像技術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、制作簡單的優點，但卻存在致命弱點：不具隱蔽性，發出的紅外光易被敵人發現。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爭、1991年海灣戰爭發揮重大作用。至今，紅外夜視技術由于具有“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，執行探測熱源目標，參與攻擊、偵察和戰損評估，瞄準導航等任務。

1.2 微光夜視技術的發展現狀

微光夜視技術始于50年代，到現在已經發展了四代，對于第四代微光夜視技術的定義眾說不一，最普遍的看法認為：凡是采用新原理、新技術將原來二代、三代微光像增強器的響應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—電光轉換、聚焦和像增強等技術的都稱為第四代微光夜視技術。我國目前已能批量生產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，微光夜視儀的響應速度快，利用光電陰極管可實現高速攝影；但微光圖像的對比度差、灰度級有限、瞬間動態范圍差、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；紅外圖像的對比度差、動態范圍大、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的發展，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展成為一種有效的技術手段。

2、夜視系統的結構與應用

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

2.1 民用車載夜視系統的結構與應用

目前，將夜視系統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配備在汽車上的品牌。民用車載夜視系統大多采用主動式紅外夜視技術，而少數采用被動式紅外技術。

主動式汽車紅外夜視系統主要由紅外照射燈、CCD攝像機、圖像處理系統及車載顯示器組成。紅外照射燈發射出紅外光，物體反射后，被車載CCD攝像機所接收，轉化為圖像信號，經過圖像處理系統，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，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的物體發出的熱能。在夜視系統中的圖像有些像照相底片，白色部分說明物體發出的熱量高，黑色部分表示熱量低。

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通用的鷹眼(Eagle-eye)夜視系統主要適用于凱迪拉克SLS賽威、SRX及別克君越等車型。該系統擁有夜視、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，提前規避安全隱患。

豐田的夜視系統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夜視系統配備在陸地巡洋艦車型上。該系統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，并將其轉換成圖像信號。最后，將該影像作為單色圖像顯示在位于風窗玻璃上的抬頭顯示器上。2008年4月，豐田發布了皇冠量產版車型，該款車配備的NightView夜視系統增加了行人監測功能。

奔馳E級目前裝備的夜視系統：大燈外殼內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必須是大燈開啟時才能使用。前風窗玻璃內側的紅外線攝像機拍攝路面環境，數據經電子控制器處理之后轉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，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。系統的主要作用是提前發現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，顯示屏上的影像區域能夠覆蓋車輛前方24°范圍的影像，并且影像區域還可以隨著道路轉彎而進行幅度達到60左右的轉動；在較高車速下，駕駛者可以啟動數字變焦功能進而使較遠距離的物體影像放大1.5倍。其結構如圖2.1.2所示。

2.2 軍用車載夜視系統的結構與應用

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

2.2.1主動式紅外夜視技術

其工作過程是：紅外探照燈（通常是氛燈）發出紅外線照射物體，物體反射的紅外線通過物鏡照射到變像管的光電陰極上，光電陰極各部分發射出光電子，在變像管內加速運動的同時聚焦，變像管再對紅外圖像進行光譜轉換、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。主動式紅外系統的工作波段在0.76-1.2μm的近紅外區域，其核心部件為紅外變像管，它起著光電圖像轉換及增強作用。紅外變像管由二部分組成，包括銀氧銫光陰極、電子光學系統及熒光屏。

2.2.2 被動式紅外夜視技術—熱成像系統

任何絕對零度以上的物體都具有熱輻射木領，輻射體的溫度不同，其輻射的能量及波長成分也不同。熱成像系統的作用就是基于目標與背景的溫度及輻射發射率的差異，利用輻射測溫技術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工作原理圖。

其工作過程是：光學系統先將目標的紅外輻射匯集起來，經過光譜濾波和光學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，利用探測器的響應率將紅外光信號轉換成相應的輸出電壓信號，紅外輻射能量的強弱決定了電壓信號的強弱；然后電壓信號再經過放大器放大，交流/直流轉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，系統中核心部件為紅外探測器。

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

3、車載夜視系統結構的改進

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

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

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

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軸在載體平面內與載體橫軸重合，且垂直于OYc，載體前進方向右側為正。

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軸的轉角定義為俯仰角（高低角）β，被穩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為一個視軸穩定系統原理。

由于光電隨動穩定裝置穩定精度高，被廣泛應用于戰術車輛的目標偵察和監視系統、自行火控系統、以及移動載體防空系統等，若將隨動穩定裝置應用于車載微光和紅外夜視系統，可以有效提高車輛夜視系統在惡劣環境、復雜路況下的成像穩定性和成像質量，進而提高車輛行駛安全性和行駛速度。

4、結語

本文簡要闡述了車載夜視系統的應用背景與國內外現狀，詳細介紹了軍用和民用車載夜視系統的結構，綜述了車載夜視系統的最新發展。通過研究現有車載夜視系統的結構和夜視系統的潛在使用需求與未來發展趨勢，分析了車載夜視系統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的現有結構提出了改進方案。

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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，就職于軍事交通學院軍事物流系。