Термооптические датчики RedShift

Компания RedShift Systems, Corp. (www.redshiftsystems.com) предлагает еще одно решение по созданию тепловых формирователей изображений для различных рынков, включая автомобильный — тепловые модули на основе технологии Thermal Light Valve (TLV) (рис. 42).

Длинноволновая ИК-камера — машина RedShift 1160 (Infrared Camera Engine) — разработана для OEM-производителей, заинтересованных в быстром вводе в их линейки продукции тепловых камер с высокими рабочими характеристиками, доступных по цене. Цена модулей в настоящее время ниже $1000, что на порядок меньше в сравнении с ценой около $10 тыс. многих других коммерчески доступных тепловых систем сканирования.

RedShift 1160 — это конфигурируемая камера на технологии RedShift Thermal Light Valve (TLV), в основу которой заложен термооптический эффект. Массив FPA состоит из мембранных пикселей с термически согласованными тонкопленочными фильтрами. Каждый тепловой пиксель функционирует как волновой транслятор, преобразующий far-IR-сигналы в near-IR-сигналы, которые определяются CCD- или CMOS-камерами.

Настраиваемый оптический RedShift-фильтр — это структура Fabry-Perot. Два зеркальных слоя из нитрида кремния/аморфного кремния (SiNx/a-Si) размещены вокруг кремниевой полости (Si). Это обеспечивает высокий термооптический коэффициент 2,3×104/K при температуре в 300 K и допускает передачу спектра, который настраивается на различных температурах от 22 до 82 °C.

CMOS-совместимая тонкопленочная технология, разработанная RedShift Systems, основана на исследованиях, проведенных в Принстонском Университете по применению тонкопленочных проводников к резонансной оптике. Тонкопленочный процесс, используемый RedShift — стандартный процесс, обычно применяемый в дисплеях FPD, приводящий к достижению высоких объемов и низкой цены. Оптические фильтры и MEMS-технологии позволяют получать недорогие пассивные длинноволновые IR FPA без электрических проводов или активного охлаждения. Источник сигнала пробы может быть настраиваемым источником с той же термостабильностью, что и для FPA-фильтров.

Отсутствие потребности в термоэлектрическом охладителе и совместимость со стандартными КМОП-процессами, разъединение сенсорной части и ROIC — важнейшие преимущества технологии.

Модули RedShift TLV характеризуются пиксельным разрешением 160×120, выбором выходного формата из NTSC и PAL, прочной конструкцией, уплотнением для защиты от окружающих условий, гибким кабелированием и малым размером. Модули включают интегрированную тепловую оптику. Настройки, такие как параметры обработки изображений, конфигурируются при производстве. Устройства обеспечивают законченную обработку изображений для получения высокой чувствительности и низких шумов.

Прототип IR FPA RedShift с разрешением 160×120 пикселей, продемонстрированный в 2005 году, характеризовался способностью пикселей к взаимодействию (pixel interoperability) более чем в 99,9% (с NETD < 1,5 среднего NETD). С фактором заполнения более 92% этот прототип показал температурный коэффициент около 6%/K и среднее поглощение примерно 42% в диапазоне длин волн 8–15мкм. Значения NETD составили 0,28 K при частоте смены кадров 22 Гц, причем были достигнуты без необходимости температурного контроля.

Температурная чувствительность серийно выпускаемой камеры RedShift 1160 в 150 мК и частота кадров 30 fps сравнимы с показателями других камер, имеющихся на рынке. Автомобильные применения включают защиту пешеходов и автоматическое затемнение лучей дальнего света встречной машины, причем, как упоминалось выше, RedShift 1160 позволяет разработку новых систем по ценам, допускающим проникновение на массовый автомобильный рынок.

За последние несколько лет цена тепловых камер значительно снизилась — до $10 000 и даже до $1000. Один из основных факторов, допускающих это снижение цен, — использование матриц FPA размерами 160×120 вместо решеток 320×240. Другим важнейшим фактором является повсеместное увеличение спроса на ИК-детекторы, ведь, как известно: чем выше объемы, тем ниже цена. Вероятно, и в дальнейшем стоимость ИК-детекторов будет непрерывно уменьшаться, так как они востребованы автомобильными системами ночного видения, а также робототехникой (машинное зрение), термографией, охранной безопасностью, юридическими службами и пожарной безопасностью, военной и специальной техникой.

Для пожарных систем, например, камеры выпускают компании ISG, Bullard, MSA.

Поскольку на данном этапе для технологии ИК-считывания основными управляющими факторами являются цена и характеристики тепловых камер, производители камер продолжают изучать и оценивать новые подходы для создания следующего поколения тепловых формирователей изображения.

В ближайшие 10 лет ожидается появление значительного числа новых тепловых камер специального автомобильного назначения, которые станут для водителей столь же привычными, как и обычные видеокамеры или зеркала заднего вида.

Лекция16

Системы обнаружения препятствий,основанные на радарах.

1. Теория радаров

2. Импульсные радары

3. FMCW-радары

4. Практическая реализация FMCW-радаров на примере разработок Bosch

5. Радары с частотной манипуляцией FSK

6. О методах определения угла азимута цели

7. MMIC

8. 24-гигагерцовые радары

9. UWB

10. 5,8-гигагерцовая радарная система от Cambridge Consultants

11. Обзор некоторых других современных радарных систем

12. Заключение

Для повышения безопасности автомобилей все шире применяются системы обнаружения препятствий, например, основанные на радарах. Системы активной безопасности уже достаточно широко распространены в автомобилях класса high-end, но их цена должна снижаться, достигая уровней, приемлемых для автомобилей классов low-end и mid-end, причем некоторые технологии дешевеют быстрее других. Так как автомобильный рынок стремится использовать для обнаружения препятствий преимущества различных методов, в настоящий момент сравнительный анализ технологий активной безопасности весьма актуален.

Системы, основанные на видеокамерах, в автомобильных системах активной безопасности являются, пожалуй, доминирующей сенсорной технологией. Недавний отчет ABI Research предрекает в течение следующих 6 лет средний мировой темп прироста 50% в год для систем, основанных на камерах. Согласно этому расчету, к 2012 году будет продано приблизительно 15 млн единиц устройств. В 2006–2007 годах продажи устройств этого типа оцениваются приблизительно в 1 млн единиц.

Видеокамеры позволяют выполнять многие функции систем помощи водителю (СПВ), оценивать скорость и расстояние до впереди идущего автомобиля, осуществлять мониторинг полосы и так далее, но их надежность ограничивается погодными условиями и условиями освещения.

Радары, или радарные системы (radio detection and ranging, radar systems) позволяют обнаруживать, отслеживать объекты и обрабатывать изображения.

Уровень развития технологии и снижение себестоимости радаров, а также стандартизация Федеральной комиссией связи США (Federal Communications Commission, FCC) радиочастот для коммерческих применений (71–76 ГГц, 81–86 ГГц, 92–95 ГГц) обеспечили массовое проникновение радарной технологии на различные рынки, включая автомобильный, хотя пока только в автомобили класса high-end. Основные области автомобильных применений радаров сконцентрированы в системах адаптивного круиз-контроля (АКК, ACC), где они выполняют функции обнаружения объектов и слежения — для избежания и предупреждения фронтальных аварий. Радарные системы миллиметрового диапазона, работающие в диапазоне 76–77 ГГц, с радарами дальнего диапазона (РДД), или Long-range radar (LRR), позволяют детектировать (обнаруживать и распознавать) объекты и определять расстояния в диапазоне 1–150 м с разрешением в 1 м, причем при оптимальном дизайне могут быть определены расстояние, относительная скорость и угол азимута.

Современные АСС основываются главным образом на радарных системах миллиметрового волнового диапазона (включающего диапазон 40–300 ГГц, 1–7,5 мм), подразделяющихся на импульсные и непрерывного действия с незатухающей гармонической волной (continuous wave, CW), а последние, в свою очередь, также включают две основные группы: частотно модулированные (frequency modulated continuous wave, FMCW) и системы с рассеянным спектром [105–140].

Большинство радаров работает в микроволновом частотном диапазоне (200 МГц — 95 ГГц, длины волн 0,67 м— 3,16 мм). Миллиметровая полоса раскладывается на подполосы 36–46 ГГц (Q), 46–56 ГГц (V) и 56–100 ГГц (W) [107].

Снижение цены производства миллиметровых радаров и разработка монолитных микроволновых ИС (МИС), или monolithic microwave IC (MMIC), в ближайшем будущем будет приводить к значительным продвижениям радарной технологии 77 ГГц на автомобильный рынок.

АКК на основе радаров устанавливается в автомобили BMW серии 3, Volkswagen Passat, некоторые модели Mitsubishi, Mercedes-Benz, Toyota и др.

Радары 77 ГГц имеют апертурный угол порядка 10°. Следующее поколение полноскоростных АКК (с функциональностью Stop-and-Go—автоматической остановки и старта) требует расширения угла наблюдения для повышения возможности обзора препятствий на различных расстояниях. С дополнительными датчиками на 24 ГГц АКК более пригодны для реализации функций S&G (Stop-and-Go), предупреждения при непреднамеренном уходе с полосы (ПНУП, LDW), ассистирования в удержании на полосе (АУП, LKA), помощи при смене полосы (ПСП, LCA), мониторинга «мертвых зон» (BSD). Среди возможных частотных диапазонов для датчиков диапазона ISM выбрана частотная полоса от 24,00 до 24,25 ГГц.

Окончательная цель автомобильных систем активной безопасности, включая развитие радарных функций, — расширить обзор до 360°.

В феврале 2002 года FCC одобрила частоту 24 ГГц для автомобильных радаров короткого диапазона (РКД), или SRR (Short-Range Radar). В Европе распространение данной частоты поддерживает группа SARA (Shortrange Automotive Radar frequency Allocation) и такие организации, как CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) и ETSI (European Telecommunications Standards Institute).

Не только частоты, но и уровни передаваемых мощностей также стандартизируются. Максимальная (пиковая) передаваемая мощность, вычисляемая как так называемая EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) или мощность, переданная ненаправленным изотропным излучателем, определяется как 100 мВт максимум (или +20 дБм для частот свыше 10 ГГц) и максимум 25 мВт (+14 дБм для частот ниже 10 ГГц) [108].

Радары 24 ГГц, работающие на коротких расстояниях (обычно до 20 м), могут быть использованы для систем предотвращения или смягчения аварий. Исследовательская организация Frost & Sullivan предсказывает, что возможность избежания аварий будет важнейшей функцией электронных систем новых машин. Так, Mercedes-Benz S-класса оборудуются радаром 24 ГГц для жесткого торможения при неизбежной аварии.

Радары все шире применяются и в качестве боковых и задних датчиков систем АУП/LKA, ПНУП/LDW, ПСП/LCA, для обнаружения объектов в «мертвых зонах», а также для помощи водителю при парковке. Другие применения радарных датчиков относятся к автоматическому распознаванию (классификации) объектов в «мертвых зонах» и к системам ночного видения.

Важнейшим преимуществом радаров является их значительная нечувствительность к погодным условиям, в отличие от лидаров и ультразвуковых датчиков, а также камер видимого и ИК-спектра. Хотя эти датчики отличаются высокой ценой и технической сложностью, знакомство с их основными рабочими принципами, изложенными в данной статье, будет полезно разработчикам, готовым к созданию новых технических решений.

Использование лазерных радаров (лидаров) представляет собой недорогую альтернативу стандартным микроволновым и миллиметровым радарным АКК. Например, лидары Hella KGaA Hueck & Co предлагают снижение стоимости системы АКК на 50%. Лидары устанавливают на свои автомобили, например, DaimlerChrysler, Toyota и Nissan.

Но, в отличие от лидаров, радары, как говорилось ранее, почти не чувствительны к погодным условиям и действуют скрыто. В радарах 77 ГГц можно использовать антенны малых размеров, что позволяет устанавливать эти устройства в любом месте автомобиля. Радары 24 ГГц отличаются низкой стоимостью.

Таким образом, преимущества радаров перед ультразвуковыми, оптическими, лазерными и тепловыми методами базируются на следующих особенностях:

невидимый монтаж за непроводящими материалами;

работа в любых погодных условиях;

возможность работы в жестких автомобильных условиях;

быстродействие, возможность параллелизации измерений;

малая интерференция с другими системами;

практически полное отсутствие старения;

высокая точность и надежность предоставляемой информации.

Тем временем японская компания Honda Motor видит в качестве альтернативы радарам, стереовидению и другим сенсорным технологиям 3-мерную технологию Electronic Perception Technology, разработанную Silicon Valley и внедренную Canesta Inc., и планирует применять ее во всех классах своих автомобилей. Согласно последнему объявлению Canesta, Honda за последние три года инвестировала значительные средства в разработку новых систем автомобильной безопасности на основе технологии EPT. Применения EPT включают обнаружение пассажиров, помощь при парковке, обнаружение пешеходов, избежание аварий.

При поддержке Toyota Motor и корпорации Denso известный поставщик полупроводниковых ИС — компания NEC Electronics — разработала процессор изображений для автомобилей, предназначенный для обнаружения в реальном времени соседних объектов, таких как автомобили, пешеходы, маркеры полос, что позволяет автопроизводителям создавать механизмы безопасности и системы предупреждения аварий. Процессор, названный IMAPCAR, будет доступен в системе безопасности и предупреждения аварий нового Lexus LS460.

Таким образом, сравнительный анализ возможностей, преимуществ и недостатков различных технологий активной безопасности несомненно, актуальная тема, в продолжение которой в данной статье мы рассмотрим радары.

Дата добавления: 2014-01-14