汽车夜视系统的原理与应用
夜色苍茫，当你驱车赶路，在远光灯为你照亮车前的有限距离内，景物尚依稀可辩，但在前面的黑暗中时刻潜伏着危险。特别是在下大雨、下雪、有雾的天气，或者在尘土飞扬、能见度底的夜间行驶，更是造成交通事故频发的主要原因。尽管这些年来汽车照明技术取得了不小的进步，如具有自动调整光轴的前照灯系统和三光柱前照灯系统，虽增加了照射距离和照准误差，但夜间行车的风险仍比白天大得多。据美国国家公路交通安全管理局统计，虽然夜间行车在整个公路交通中只占四分之一，但发生的死亡事故却占了一半。因此车载夜视系统的应用主要是防患于未然。可以这样说：车载夜视系统将是继安全气囊和防抱死制动系统之后，具有更高使用价值的安全系统。
一、 红外辐射与红外成像
红外辐射又称红外光，也称红外线。我们知道，白色的太阳光是由多种彩色光混合而成的，通常在物理学上将这个彩色光带叫做“太阳光谱”。各种彩色光，除了色彩不同外，各色光还有没有其它不同的特性?比如，热效应是不是都一样? 科学试验证明，光的热效应是由紫光到红光逐渐增大的，而且热效应最大的位于红光的外面，科学家称之为“红外光”，或“不可见光”，它与各种彩色光是同一类东西，物理性能也相同，只是人眼感觉不到它，才一直不知道它的存在。
光具有波动性，我们观察到光的强弱就是这种波动的能量大小。光的强度与光波的振幅平方成正比。试验证明，光波是电磁场的波动，称之为电磁波。从图2可以看出，红外辐射是其波长介于可见光与微波之间的电磁波。它的波长范围在0.75微米到1000微米之间，频率从4×1014赫兹到3×1011赫兹之间。
在红外技术中，实际利用的主要是红外辐射与物质的交互作用。物质内部的原子和分子在不停地运动，都有一定的能量。如有外来的刺激和干扰，改变了物质内部的运动状态，能量也发生了变化，这就是物理学上的“跃迁”过程，即能量的释放。释放能量的方式最常见的是发射电磁波，把多余的能量以光子的形式带走。辐射就是这样从物质的内部发射出来，辐射也可以被物质吸收，这就是辐射与物质的交互作用。
红外成像
把景物反射的或自身辐射的红外辐射图样，转换成人眼可观察图象的技术称为红外成像技术。利用物体自身发射的红外辐射摄照物体的像，称为被动式红外成像；而以红外辐射源照射物体，利用被反射的红外辐射摄照物体的像，称为主动式红外成像。被动式红外成像习惯上叫做热像，它是红外探测技术研究的重要方向。
1． 主动红外成像
在二次世界大战期间，由于军事上的需要，各国大力发展了多种用变像管装成的夜视仪。工作原理如图3所示。由于单极变像管的增益不够高，工作时多使用较强的红外辐射源照射目标，装在变像管前面的聚光物镜把从景物反射回来的红外像会聚到红外变像管的光阴极上，红外变像管把红外像转换成荧光屏上的可见像。这样可在屏上直接观察、或通过目镜观察到景物。这就是主动式夜视仪。
2． 被动式红外成像
主动式红外成像都需要红外辐射源，这在使用上很不方便，特别是用做远距离探测，需要照明源的功率较大，难以实现，所以探测距离不可能达到很远，一般在几百米到几公里左右。在军事应用中，主动式装置还有易于暴露自己的严重缺点，这就促使人们开始研究被动红光成像技术和装置。所谓被动式就是不用人工照明源，只依靠目标和背景的不同辐射来成像。它反映了被摄景物中温度与辐射率的差别，包含了被射景物的温度信息。为此常把被动式红外成像叫热像仪。
由于自然界中大多数物体通常处于常温状态下，它们自身的红外辐射能量多处于3微米以上的光谱范围内，所以被动式红外成像也大多使用3微米以上的光谱区。目前热像技术是以光学机械扫描方式为主。光机扫描热成像仪工作原理如图4所示。
热像仪所摄景物包括目标及背景，两者辐射的差别是构成热图像的基础，目标及背景的辐射通过大气被吸收或散射之后再入射到热像仪。一般，热像仪的接收元件采用单个或线列型的红外探测器，只摄取景物一部分的辐射，为了获得被射景物全体的图像，必须用光学扫描方法使红外探测器顺序扫视整个被摄景物空间，接受的按空间变化的红外辐射由红外探测器转换成按时间顺序变化的电信号，经放大处理后，再在阴极射线管上转换成可见的图像。
二、红外成像技术在汽车夜视系统中的应用
通过前面的分析我们知道，自然界一切景物的温度都高于绝对零度，因此，凡是绝对温度大于零度的物体都会产生热辐射，并且温度越高，红外线波长越短。红外线是一种电磁波，它的传播不受黑暗、风、沙、雨、雪、雾的阻挡。因此，如果能接收并处理红外辐射，就能"看"清周围的物体。
红外成像的最初应用是在第二次世界大战。在海湾战争中，美国的坦克和飞机也大量成功地运用了这种技术。最近美国通用汽车公司和美洲虎公司也应用红外技术相继制成了供汽车司机在夜间行驶用的夜视系统。该系统中的红外传感器依靠感知记录物体间温度不同来区分它们。物体可以是汽车、人、动物、道路，甚至可以是远处的山和云团。它的成像系统非常敏感，可以区分前方物体间十分之一的摄氏度温差。这是一个被动红外系统，屏幕上显示出深暗不同的非常清晰的图像，这样就可以及早发现前方车辆，从而避免相撞。
凯迪拉克2000型的帝威牌轿车也把红外成像技术用到了汽车上。红外成像系统是由雷希恩公司制造的。在汽车前格栅的后面安装有一个起摄影像机作用的传感器，实际上是用来探测前面物体热量的。热能被集中到一个可以通过各种红外线波长的探测器，由探测器的众多红外线敏感元件所吸收。每一个敏感元件都是一个与温度有关的电容器，其电容大小随所接收的红外线的多少而变化。这种电容的变化通过微处理，就形成了由16种深浅不同的灰色调组成的黑白图像：较热的物体颜色浅，较凉的物体颜色深。一个德尔科公司生产的显示器将图像投影到司机一侧的风挡玻璃的底部。安装在仪表板上的手动开关可以控制夜视系统的开启，调整图像的亮度以适合你的眼睛，还可以把屏幕上下调整到适合不同司机的最佳位置。
目前，夜视系统有黑白显示屏和彩色显示屏两种。黑白显示屏是以黑白深浅灰度色成像；彩色夜视系统则可显示前方物体的颜色，包括前方路口的交通信号灯颜色，可像电影似的给出模拟的连续清晰显示。
汽车安装了夜视系统是想把司机的视野扩大到前灯光照的范围以外。因此，在使用夜视系统之前，必须先把前大灯或刹车灯打开，否则它将不起作用。夜视系统是不能代替用眼睛透过风挡玻璃所获取的视觉信息的，它只是在天黑时为你提供辅助信息。
据通用公司试验，夜间道路上有一个穿深色衣服的成年人，一个视力好的司机，用近光灯可以在88.4米处看见他，用远光这个距离为164.6米；一个视力差的司机用近光灯的距离为64米，用远光灯的距离为118.9米。但是用汽车夜视系统却能在457.2米外发现他，尽管在屏幕上这个人只是道路中的一个点。
由于汽车夜视系统赋予了穿透夜幕的犀利目光，远方的景物都可以在你眼前的屏幕上一览无余，因此专家们预测，汽车夜视系统的推广将会非常迅速，到2005年将会全面普及。
