在此前的一份報(bào)告中，AAA（美國汽車協(xié)會(huì)）測試結(jié)果顯示，目前車輛配備的 AEB 系統(tǒng)（不包括熱成像傳感器）在檢測和避讓行人方面存在缺陷，而且 " 在夜間條件下無法發(fā)揮作用 "。對(duì)此情況，熱成像儀逐漸被加入自動(dòng)駕駛傳感器組合，以有效彌補(bǔ)其他傳感器不足，提升駕駛安全性。
圖片來源：Teledyne FLIR
熱成像儀是什么？
熱成像是一種通過將每個(gè)分辨點(diǎn)成像到攝像頭傳感器的相應(yīng)像素，以測量場景溫差的技術(shù)。每個(gè)像素都對(duì)輻射熱能敏感，因此可以改變電阻并測量場景溫度。這些傳感器通常采用硅 CMOS 技術(shù)制造，被稱為微測輻射熱計(jì)（micro-bolometers）。
測輻射熱計(jì)于一個(gè)多世紀(jì)前發(fā)明。隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷興起，像素陣列（微輻射熱計(jì)）得以實(shí)現(xiàn)，并用于提供場景的熱對(duì)比圖像。20 世紀(jì) 70 年代，美國霍尼韋爾公司與美國國防部（U.S. Department of Defense）簽署機(jī)密合同，發(fā)明微輻射熱計(jì)，進(jìn)而成功開發(fā)出用于 ISR（情報(bào)、監(jiān)控、偵察）的長波紅外攝像機(jī)（LWIR）。而其中的部分技術(shù)在 20 世紀(jì) 90 年代初被解密并轉(zhuǎn)讓給多個(gè)商業(yè)實(shí)體。如今，熱成像服務(wù)的應(yīng)用范圍已拓展至監(jiān)控（國防和邊境控制）、醫(yī)療診斷、遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測（發(fā)燒檢測）以及夜間駕駛。
微輻射熱計(jì)的熱輻射波長范圍為 7.5 - 14 μ m。這部分光譜對(duì)人眼不可見，但對(duì)攝像頭（依賴于入射光或光子）可見。動(dòng)物和人類的體溫通常與場景中的其他自然或人造物體不同，因此測量這些溫差可以在各種照明和遮蔽條件下提供獨(dú)特的感知能力。而在汽車應(yīng)用中，能夠在遠(yuǎn)距離檢測到行人和動(dòng)物對(duì)于提高安全性和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛非常重要。
熱成像儀的應(yīng)用
21 世紀(jì)初，多家汽車公司率先部署了被動(dòng)熱成像儀，如通用汽車、寶馬、本田等，以提高在光線不足或大霧地區(qū)夜間駕駛的安全性，避免與動(dòng)物碰撞或造成行人受傷。但嚴(yán)格來講，此類技術(shù)主要是為了輔助駕駛員。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）挑戰(zhàn)賽推動(dòng)了更高自動(dòng)駕駛水平的發(fā)展，各種傳感技術(shù)逐漸變得突出，其中激光雷達(dá)（LiDAR）最受關(guān)注，吸引了大量資金投入。與雷達(dá)和可見光攝像頭一起，LiDAR 被認(rèn)為是最理想的感知堆棧，可實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛（L3 級(jí)或有條件的自動(dòng)駕駛，即人類駕駛員可以隨時(shí)接管并在 10 秒警報(bào)后完全控制，以及 L4 級(jí)或特定運(yùn)行設(shè)計(jì)域（Operational Design Domain，ODD）下的完全自動(dòng)駕駛）。
由于典型道路條件存在各種極端情況，實(shí)現(xiàn) L4 級(jí)自動(dòng)駕駛比最初預(yù)計(jì)要困難得多。一些公司正在將熱成像儀添加到傳感器組合中，以進(jìn)一步補(bǔ)充激光雷達(dá)、雷達(dá)和可見光攝像頭，從而在光線不足或模糊的環(huán)境（霧、煙、蒸汽）中識(shí)別動(dòng)物和人類。Alphabet 旗下自動(dòng)駕駛部門 Waymo Via 和自動(dòng)駕駛卡車技術(shù)初創(chuàng)公司 Plus.ai 嘗試在傳感器組合中添加熱成像儀，以在高速公路上實(shí)現(xiàn)卡車自動(dòng)駕駛。Nuro、Cruise 和 Zoox 也在專用車輛中搭載了熱成像儀，以用于人口稠密城市的最后一英里食品、雜貨配送和打車服務(wù)。
熱成像儀的優(yōu)勢
美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）也非常關(guān)注熱成像技術(shù)，并于近期為新車評(píng)估計(jì)劃（NCAP）發(fā)布了 RFC（征求意見）。作為該 RFC 的一部分，NHTSA 提議添加四種新的 ADAS（高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)）技術(shù)。其中包括盲點(diǎn)檢測、盲點(diǎn)干預(yù)、車道保持支持和行人自動(dòng)緊急制動(dòng)（PAEB）。對(duì)于 PAEB 領(lǐng)域，RFC 特別將熱成像儀視為一種潛在的傳感技術(shù)。隨后，通用汽車將遠(yuǎn)紅外攝像機(jī)列為可以避免與動(dòng)物和行人發(fā)生碰撞事故的傳感技術(shù)。有趣的是，提倡僅使用 " 可見攝像頭 " 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的特斯拉也建議在夜間條件使用可實(shí)現(xiàn) PAEB 的紅外攝像頭。
圖片來源：Zoox
Zoox 公司也是其中之一。該公司將四個(gè)熱成像儀用作一組，作為其傳感器套件的一部分，以用于其雙向、專用的打車服務(wù)。Zoox 首席技術(shù)官 Jesse Levinson 對(duì)添加此功能提出以下幾點(diǎn)：
推進(jìn) L4 級(jí)自動(dòng)駕駛解決極端情況，關(guān)鍵是為機(jī)器學(xué)習(xí)堆棧提供安全駕駛的最佳信息；
熱成像儀感應(yīng)熱量，允許在不受光照和遮蔽條件的情況下識(shí)別人和動(dòng)物；
這種傳感模式可補(bǔ)充其他傳感器（如 LiDAR、雷達(dá)和可見光攝像頭），以應(yīng)用于獨(dú)特極端情況，如低照明度、有煙霧、霧氣和蒸汽的環(huán)境。使用熱成像儀有助于感知堆棧減少誤報(bào)；
高速公路無需熱成像儀。城市環(huán)境使用寬 FoV（視野）和較低的成像范圍即可；
傳感器堆棧的成本問題始終存在。但 Zoox 從事的是服務(wù)業(yè)務(wù)，而不是汽車銷售業(yè)務(wù)。較高的傳感器堆棧成本會(huì)隨著時(shí)間和乘車收入而逐漸降低。
熱成像儀的主要供應(yīng)商
美國、歐洲、韓國、日本和中國在熱成像儀技術(shù)領(lǐng)域都很發(fā)達(dá)。美國智能傳感技術(shù)公司 Teledyne FLIR 在傳感器方面尤為領(lǐng)先。這是因?yàn)樵摴镜那吧頌槊绹永Ｄ醽喼菔グ桶屠?FLIR 公司，而該公司在 2004 年 1 月收購了紅外成像產(chǎn)品開發(fā)商和供應(yīng)商 Indigo Systems，于是 FLIR 開始提供初始傳感器功能，供寶馬等 OEM 開發(fā)人類駕駛員輔助系統(tǒng)。
圖片來源：Teledyne-FLIR
如今，Teledyne-FLIR 是長波紅外熱成像儀的主要供應(yīng)商，其應(yīng)用范圍十分廣泛，從消防安全到無人機(jī)和汽車。Teledyne-FLIR 汽車業(yè)務(wù)發(fā)展主管 John Eggert 表示，Boson 系列熱成像儀現(xiàn)已進(jìn)入第 4 代，可提供 640x512 像素的 VGA（視頻圖形陣列）格式或 320x256 像素的 QVGA 格式。兩種格式的像素間距均為 12 μ m。就可見光（0.4-0.7 μ m）、SWIR（短波紅外，0.9-1.6 μ m）、MWIR（中波紅外，2-3.5 μ m）和 LWIR（8- 12 μ m）成像儀，以及 LiDAR 數(shù)據(jù)（0.9 μ m），Teledyne-FLIR 提供了大霧中行人檢測性能的詳細(xì)比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在各種范圍和霧密度中，LWIR 表現(xiàn)最好。
成本問題與解決方案
光學(xué)是熱成像中必不可少的考慮因素。鑒于 8-12 μ m 波長范圍，鍺是軍用 LWIR 成像儀的傳統(tǒng)選擇。這種元素材料在這些波長下具有出色的光學(xué)特性；但對(duì)于大批量汽車應(yīng)用而言，市場需要開發(fā)出其他替代方案。這是因?yàn)槿?90% 以上的鍺儲(chǔ)量來自中國和俄羅斯，供應(yīng)鏈?zhǔn)謫我弧?/p>
比利時(shí)材料公司優(yōu)美科（Umicore）是領(lǐng)先的鍺光學(xué)和半導(dǎo)體供應(yīng)商，可提供透鏡、太陽能電池和紅外 VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）。優(yōu)美科業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Bendix De Meulemeester 稱，由于行人死亡率不斷升高，且因駕駛員分心而不斷加劇，PAEB 非常重要。因此，全球監(jiān)管和安全評(píng)級(jí)機(jī)構(gòu)對(duì)非自動(dòng)駕駛乘用車的夜間和惡劣天氣行人檢測和 AEB 功能的要求越來越高。熱成像儀在這方面至關(guān)重要。更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛（L3 級(jí)和 L4 級(jí)）也將需要這種用于高速公路和城市駕駛的能力。
De Meulemeester 表示，與部署在 L3 級(jí)和 L4 級(jí)車輛上的熱成像儀相比，非自動(dòng)駕駛汽車所需的熱成像儀對(duì)成本更為敏感（
體積可擴(kuò)展性：玻璃鏡片可以大批量成型，無需像鍺鏡片必須機(jī)加工。批量生產(chǎn)促進(jìn)了批量可擴(kuò)展性、更高的生產(chǎn)率以及更低的資本和勞動(dòng)力成本。
工作溫度范圍：適用于汽車應(yīng)用，通常為 -40 ° C 至 + 85 ° C。鍺的傳輸損耗該工作溫度范圍內(nèi)變化很大，并且必須使用其他材料來使結(jié)構(gòu)無熱化并確保均勻的光學(xué)性能。硫?qū)倩锊Ａ匦钥蓪?shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的無熱化，從而在更寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能。
尺寸和重量：鍺比玻璃的密度更高，因此更重。而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行非熱化的要求也增加了尺寸和重量。
成本：上述因素使得玻璃鏡頭比鍺的成本更低，因?yàn)槌上駜x的成本會(huì)隨著體積的減小而降低。光學(xué)也是物料清單（BOM）中的重要成本因素。成本效率變得至關(guān)重要，尤其是在要進(jìn)行大規(guī)模汽車部署的情況下。
鍺的供應(yīng)鏈問題：如前所述，90% 以上的鍺來自中國和俄羅斯。
美國（LightPath Technologies 公司）、德國和中國的很多供應(yīng)商都在積極開發(fā)和生產(chǎn)用于熱成像的硫?qū)倩锊ＡЧ鈱W(xué)器件。不僅如此，使用 LWIR 攝像頭進(jìn)行 ISR 的美國國防主要人員也正在使用該材料作為鍺的替代解決方案，以用于某些應(yīng)用。
小結(jié)
實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛非常困難，尤其是公共交通，但安全永遠(yuǎn)是最重要的。如果自動(dòng)駕駛旨在取代人類駕駛員，那添加傳感器以覆蓋所有盲區(qū)就非常必要，否則自動(dòng)駕駛永遠(yuǎn)不會(huì)取得進(jìn)展。不得不說，熱成像儀對(duì)于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛非常關(guān)鍵，其成本低且可對(duì)其他傳感器系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充，尤其是在一些惡劣駕駛環(huán)境下，可以使駕駛員實(shí)現(xiàn)更安全的出行。
