车载夜视系统的应用综述

贾继红，张晓丽，陈小凡

（军事交通学院 军事物流系，天津 300161）

车载夜视系统的应用综述

贾继红，张晓丽，陈小凡

（军事交通学院 军事物流系，天津 300161）

本文对车载夜视系统的国内外现状和应用背景进行了综述。对民用车载夜视系统和军用车载夜视系统的结构、原理以及应用现状进行了研究。分别在结构与应用上，分析了军用车载与民用车载夜视系统结构之间的差异，对军用车载夜视系统的结构提出了改进方案。

夜视系统；红外；微光；车载

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

引言

据美国国家公路交通安全管理局的统计，夜间行车只占公路交通的四分之一，但发生的死亡事故却占了一半。究其原因，主要是夜间可视距离大大缩短，通过车灯，视距离只达到80m左右。现有汽车照明系统在雨夜、雪天或大雾等能见度较低的情况下视距更近、效果极差。因而，汽车夜视技术应运而生。

夜视技术最早是由于军事需要而得到发展的，1936年，德国武器局试验六科和德国通用公司（AEG）开始对红外夜视装置进行开发和研究。汽车夜视技术发展始于上世纪末，美国通用汽车公司和德州德克萨斯仪表公司从80年代末开始致力于轿车夜视系统的研究。1999年6月在上海举行的国际汽车展中，美国的Cadiliac汽车将汽车夜视仪首先推向中国汽车市场。汽车夜视技术主要包括近红外、远红外夜视技术、微光夜视技术和图像处理技术等。

1、夜视技术的发展现状

1.1 红外夜视技术的发展现状

红外技术的应用始于1940年德国研制硫化铅和几种红外透射材料的成功，但未能在二战中实际应用，而美国研制的主动红外夜视仪却抢先于1945年登陆进攻冲绳岛时应用，初上战场就发挥了重要作用。红外夜视技术分为主动红外成像技术和热成像技术（被动式红外技术）。把目标物体反射或自身辐射的红外辐射图像，转换成人眼可观察的图像的技术称为主动红外成像技术；热成像技术是基于目标与背景的温度及辐射率的差别，利用辐射测温技术对目标逐点测定辐射强度，而形成可见的目标热图像。

主动红外夜视仪具有成像清晰、制作简单的优点，但却存在致命弱点：不具隐蔽性，发出的红外光易被敌人发现。60年代，美国首先研制出被动式红外夜视仪，并相继在1982年马尔维纳斯群岛战争、1991年海湾战争发挥重大作用。至今，红外夜视技术由于具有“全天候”、“全被动”、能揭露伪装、不致盲、隐蔽性好等特点而用来装备飞机、舰艇和车辆等平台，执行探测热源目标，参与攻击、侦察和战损评估，瞄准导航等任务。

1.2 微光夜视技术的发展现状

微光夜视技术始于50年代，到现在已经发展了四代，对于第四代微光夜视技术的定义众说不一，最普遍的看法认为：凡是采用新原理、新技术将原来二代、三代微光像增强器的响应波长进一步延伸扩展到近红外、中红外、远红外，并仍采用微光夜视的光电—电光转换、聚焦和像增强等技术的都称为第四代微光夜视技术。我国目前已能批量生产二代像增强器和微光夜视器材，但总体落后国外15年左右，微光夜视设备大约有一个代间的差距，视距大约相差30%-50%。

微光夜视技术图像清晰、体积小、重量轻、价格低、使用和维修方便、不易被电子侦察和干扰，微光夜视仪的响应速度快，利用光电阴极管可实现高速摄影；但微光图像的对比度差、灰度级有限、瞬间动态范围差、高增益时有闪烁，只敏感于目标场景的反射，与目标场景的热对比无关；红外图像的对比度差、动态范围大、但其只敏感于目标场景的辐射，而对场景的亮度变化不敏感。随着微光与红外成像技术的发展，综合挖掘二者的图像特征信息，使二者图像融合成更全面的图像已发展成为一种有效的技术手段。

2、夜视系统的结构与应用

民用车辆一般行驶在公路上，多数情况下有路灯照明，偶尔会遇到雨、雪、雾等恶劣天气，而军用车辆经常是在夜晚、烟雾、山路或土路的环境下行驶，特别是战术车辆、特种车辆和在战时、战地运送物资的车辆，自身还需要具备隐身防护的功能。因此，民用车载夜视系统的结构与军用车载夜视系统所采用的夜视技术以及系统所要求的精度大不相同，系统所采用的结构更是截然不同。

2.1 民用车载夜视系统的结构与应用

目前，将夜视系统配备在汽车上的国外车企有：本田、通用、宝马、丰田、奔驰和奥迪等，而凯迪拉克是世界上第一款将夜视系统配备在汽车上的品牌。民用车载夜视系统大多采用主动式红外夜视技术，而少数采用被动式红外技术。

主动式汽车红外夜视系统主要由红外照射灯、CCD摄像机、图像处理系统及车载显示器组成。红外照射灯发射出红外光，物体反射后，被车载CCD摄像机所接收，转化为图像信号，经过图像处理系统，就可以在显示器上显示出来。如图2.1.1所示。

本田研究的智能夜视系统，是通过安装两部远距离远红外线照相机，相机能探测前方远至80m的物体发出的热能。在夜视系统中的图像有些像照相底片，白色部分说明物体发出的热量高，黑色部分表示热量低。

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通用的鹰眼(Eagle-eye)夜视系统主要适用于凯迪拉克SLS赛威、SRX及别克君越等车型。该系统拥有夜视、去强光、破雾和航线偏离提示等五大功能，使驾驶者在视线恶劣的情况下，也能清晰地观察前方路况，提前规避安全隐患。

丰田的夜视系统主要适用于以下三种车型，分别为陆地巡洋舰、皇冠及雷克萨斯。Night View夜视系统配备在陆地巡洋舰车型上。该系统由安装于保险杠左右两端的照明灯向车辆前方照射近红外光，然后利用安装在车内镜附近的近红外相机对由目标物体反射的光进行投影，并将其转换成图像信号。最后，将该影像作为单色图像显示在位于风窗玻璃上的抬头显示器上。2008年4月，丰田发布了皇冠量产版车型，该款车配备的NightView夜视系统增加了行人监测功能。

奔驰E级目前装备的夜视系统：大灯外壳内有两个特殊探照灯能以人眼无法观察的红外线照亮路面，因此奔驰的红外夜视系统必须是大灯开启时才能使用。前风窗玻璃内侧的红外线摄像机拍摄路面环境，数据经电子控制器处理之后转换成黑白图像显示在仪表盘显示器上。由于红外线波长大，照射距离远，因此红外夜视仪的照射距离也大于正常车灯照射距离，在夜间能够增加驾驶者视线距离。此外，其智能的行人识别报警功能，能够大幅提高夜间行车安全性。

与以上轿车配备不同，宝马7系装配的是被动夜视系统，在车辆前端一个隐蔽的防撞击盒子中装有热能照相机，利用人和动物本身的辐射特性，以8-12μm的波长范围记录人和动物身体上发出的热辐射，将路边行人和穿行道路的动物以影像中最亮的物体显示在屏幕上。系统的主要作用是提前发现夜间在黑暗道路上和路边的行人、动物、自行车等，可以提前5s警示驾驶者觉察危险情况。宝马夜视系统的探测范围很大：探测距离达300m左右，在车速低于80km/h的情况下，热成像摄像头拥有36°的水平广角；在中等车速下，显示屏上的影像区域能够覆盖车辆前方24°范围的影像，并且影像区域还可以随着道路转弯而进行幅度达到60左右的转动；在较高车速下，驾驶者可以启动数字变焦功能进而使较远距离的物体影像放大1.5倍。其结构如图2.1.2所示。

2.2 军用车载夜视系统的结构与应用

军用车载夜视系统多采用微光技术或红外技术。但是，微光夜视技术与红外夜视技术在应用上仍存在许多严重缺陷,如：微光夜视技术受天气变化影响很大、红外夜视技术对重叠和有高低层次的物体成像不清，以及系统抖动问题等等，这些缺陷严重影响战术车辆与特种车辆作战与保障能力。目前，解决办法是将二者融合，但该技术还不太成熟，尤其图像融合技术急待完善。

2.2.1主动式红外夜视技术

其工作过程是：红外探照灯（通常是氛灯）发出红外线照射物体，物体反射的红外线通过物镜照射到变像管的光电阴极上，光电阴极各部分发射出光电子，在变像管内加速运动的同时聚焦，变像管再对红外图像进行光谱转换、电子成像和亮度增强，最终射击到变像管的荧光屏上，荧光屏在高能电子轰击下，发射出正比于电子密度与动能的可见光图像，从而完成了从近红外辐射到可见光辐射的图像转换过程。再通过目镜，人眼即可看到放大了的目标的可见光图像。主动式红外系统的工作波段在0.76-1.2μm的近红外区域，其核心部件为红外变像管，它起着光电图像转换及增强作用。红外变像管由二部分组成，包括银氧铯光阴极、电子光学系统及荧光屏。

2.2.2 被动式红外夜视技术—热成像系统

任何绝对零度以上的物体都具有热辐射木领，辐射体的温度不同，其辐射的能量及波长成分也不同。热成像系统的作用就是基于目标与背景的温度及辐射发射率的差异，利用辐射测温技术对目标逐点测定辐射强度，而形成可见的目标热图像。图2.2.2为光机扫描型热成像系统工作原理图。

其工作过程是：光学系统先将目标的红外辐射汇集起来，经过光谱滤波和光学扫描聚集到探测器列阵上；探测器接收到了这些红外辐射能，利用探测器的响应率将红外光信号转换成相应的输出电压信号，红外辐射能量的强弱决定了电压信号的强弱；然后电压信号再经过放大器放大，交流/直流转换进行灰度量化处理形成视频信号，在显示器上得到可见的目标热图像，系统中核心部件为红外探测器。

红外热成像技术由于靠目标和背景的辐射对比度产生目标图像，因而能透过伪装探测到隐蔽的军事设施，具有真正的“夜视”木领；红外热成像系统具有“全被动”、“全天候”的优点，能揭露伪装，不受战场上强光、眩光干扰而致盲，能给出目标的状态信息；此外自身隐蔽性好，作用距离远。

3、车载夜视系统结构的改进

车辆如果在恶劣环境中行驶，车体不可避免地出现低频晃动和高频、低幅的抖动，车体的这些扰动直接导致夜视系统成像模糊，这将大大限制夜视系统的应用和发展，特别是军用车载夜视系统，其行驶路况经常是夜路、土路、山路等，甚至还要赶上恶劣的天气。因此，稳像装置必不可少。

目前稳像技术主要有陀螺稳像和电子稳像。电子稳像综合了电子技术、计算机技术、数字信号处理等技术为一体，具有价格低、精度高、功耗小等显著优点，更适合民用车载夜视系统。军用战术车辆如坦克装甲车辆火控系统等，一般采用高精度的陀螺平台作为惯性基准，周视稳定还采用了粗精两级平台稳定的复杂方式。

光电随动稳定装置是陀螺稳像技术的主要实现系统，它可以补偿载体运动、振动对成像系统的扰动，并保持图像稳定，其对象种类很多，例如：前视红外热像仪（属于夜视系统）、TV像机、导弹跟踪装置等，装置所处环境由载体（包括陆地车辆以及飞机、导弹、外太空飞行器等）的运动所决定。其稳定原理如下：

载体坐标系OXcYcZc：OZc轴垂直于载体平面，向上为正；OYc轴与载体纵轴重合，载体前进方向为正；OXc轴在载体平面内与载体横轴重合，且垂直于OYc，载体前进方向右侧为正。

方位坐标系OXαYαZα：OZα与载体坐标系的OZα轴重合，OXαYαZα坐标系绕OZα轴的转角定义为方位角α。

俯仰坐标系OXpYpZp：OXp轴和OXσYσZσ坐标系的OXα轴重合，OXpYpZp坐标系绕OXσ轴的转角定义为俯仰角（高低角）β，被稳定对象安装在俯仰框上OXpYpZp，其视轴和OYp轴平行。视轴OYp在OXcYcZc中的位置由α和β唯一确定。图3.1为一个视轴稳定系统原理。

由于光电随动稳定装置稳定精度高，被广泛应用于战术车辆的目标侦察和监视系统、自行火控系统、以及移动载体防空系统等，若将随动稳定装置应用于车载微光和红外夜视系统，可以有效提高车辆夜视系统在恶劣环境、复杂路况下的成像稳定性和成像质量，进而提高车辆行驶安全性和行驶速度。

4、结语

本文简要阐述了车载夜视系统的应用背景与国内外现状，详细介绍了军用和民用车载夜视系统的结构，综述了车载夜视系统的最新发展。通过研究现有车载夜视系统的结构和夜视系统的潜在使用需求与未来发展趋势，分析了车载夜视系统存在使用局限性的重要原因，并针对此问题，对军用车载夜视系统的现有结构提出了改进方案。

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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

贾继红，讲师，就职于军事交通学院军事物流系。