如今，熱成像技術(shù)在監(jiān)視（國防和邊境控制）、醫(yī)療診斷和遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測（發(fā)燒檢測），以及夜間駕駛領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。而在如今發(fā)展得如火如荼的自動(dòng)駕駛中，熱成像技術(shù)也受到了廣泛關(guān)注，并被一些專家認(rèn)為是一種優(yōu)良的補(bǔ)盲傳感器。

熱成像儀的原理

熱成像技術(shù)通過將每個(gè)解析點(diǎn)成像到相機(jī)傳感器中，來測量場景中的溫度差異。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）。

它對(duì)7.5-14微米波長范圍內(nèi)的熱輻射敏感，這部分光譜是人眼和可見光相機(jī)（依靠入射光或光子）所看不到的。

動(dòng)物和人類的體溫通常與單一場景中其他自然或人工物體的體溫不同。通過測量這些溫度差異，可以在各種照明和模糊條件下提供較好的感知能力，這在汽車應(yīng)用中非常重要，因?yàn)檫h(yuǎn)距離檢測行人和動(dòng)物對(duì)安全和自主性至關(guān)重要。

熱成像儀在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用

在21世紀(jì)（參數(shù)丨圖片）初，幾家汽車公司（通用汽車、寶馬、本田等）率先部署了無源熱像儀，主要用于在照明不足或大霧地區(qū)，防止動(dòng)物碰撞或行人受傷。由于提高了夜間駕駛的安全性，這些都是嚴(yán)格意義上的輔助駕駛。

隨著美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）挑戰(zhàn)賽啟動(dòng)了更高水平的自動(dòng)駕駛，各種傳感技術(shù)得到了重視，其中激光雷達(dá)（光探測和測距）吸引了大量關(guān)注和資金投入。

與雷達(dá)和可視攝像頭一起，這套傳感器被廣泛宣傳為是理想的感知堆棧，可實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛——L3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，以及在特定運(yùn)行設(shè)計(jì)域（ODD）下的完全自動(dòng)駕駛。

事實(shí)證明，實(shí)現(xiàn)L4自動(dòng)駕駛比最初預(yù)期的要難，因?yàn)楦鞣N彎道案例都涉及到特定路況。一些公司正在將熱像儀加入其中，因?yàn)樗�是一種傳感器儀器，可以彌補(bǔ)LiDAR、雷達(dá)和視覺攝像頭的差距，包括在環(huán)境不佳時(shí)（霧、煙、蒸汽）探測動(dòng)物和人類。

Waymo和Plus嘗試在傳感器中添加熱成像儀，幫助卡車在高速上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。Nuro、Cruise和Zoox也在專用車輛上搭載了熱成像儀，用于在人口稠密的城市提供后一英里的食品、雜貨配送和叫車服務(wù)。

美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)是交通部(DOT)的下轄機(jī)構(gòu)，在這一領(lǐng)域也很活躍，它近期為新車評(píng)估計(jì)劃(NCAP)發(fā)布了征求意見稿（RFC）。

作為RFC的一部分，NHTSA提議增加四種新的駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)技術(shù)。這些技術(shù)包括盲點(diǎn)檢測、盲點(diǎn)干預(yù)、車道保持和行人自動(dòng)緊急制動(dòng)(PAEB)。特別是對(duì)于PAEB，RFC將熱成像技術(shù)列為一種潛在的傳感技術(shù)。

通用汽車公司對(duì)該RFC作出了回應(yīng)，表示將遠(yuǎn)紅外攝像頭列為一種可以防止動(dòng)物和行人碰撞事故的傳感技術(shù)。有趣的是，提倡僅使用「可見光攝像頭」實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的特斯拉，也建議在夜間條件下評(píng)估紅外攝像機(jī)的PAEB。

Zoox也是支持使用熱成像技術(shù)的其中一家公司，它在雙向?qū)Ｓ贸擞密嚿鲜褂昧怂膫�(gè)熱像儀堆棧作為傳感器套件的一部分。Jesse Levinson（Zoox技術(shù)官）對(duì)增加這一功能作了如下說明：

推進(jìn)L4自動(dòng)駕駛解決糟糕情況，是為機(jī)器學(xué)習(xí)堆棧提供安全駕駛的信息。

熱像儀通過感知熱量，可以在光線和遮蔽條件下識(shí)別人類和動(dòng)物。

這種傳感方式可避免其他傳感器（如LiDAR、雷達(dá)和可見光攝像頭）無法應(yīng)對(duì)糟糕情況，例如弱光、煙霧、霧和蒸汽。熱像儀的使用有助于堆疊感知，以減少誤報(bào)。

高速公路并不要求有熱成像儀。對(duì)城市駕駛來說使用較寬的視野（FoV）和較低的成像范圍即可。

傳感器堆棧的成本始終是一個(gè)問題。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)間推移和收入增加而攤銷。

熱成像儀的光學(xué)器件

光學(xué)器件是熱成像的一個(gè)基本考慮因素。鑒于8-12微米的波長范圍，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上具有很好的光學(xué)特性。

然而，對(duì)于大批量的汽車應(yīng)用，應(yīng)該探索其他選擇。原因之一是，全球90%以上的鍺儲(chǔ)量來自中國和俄羅斯，供應(yīng)鏈可能存在問題。

總部設(shè)在比利時(shí)的優(yōu)美科（Umicore）是一家鍺光學(xué)和半導(dǎo)體供應(yīng)商，用于透鏡、太陽能電池和紅外VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器）。據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Bendix De Moulmeister稱，鑒于當(dāng)今行人死亡率升高，且因駕駛員分心而加劇，PAEB是一個(gè)重要的問題。

因此，世界各地的監(jiān)管和安全評(píng)級(jí)機(jī)構(gòu)都要求載人乘用車具備夜間和惡劣天氣下的行人檢測和AEB功能，熱像儀在這方面至關(guān)重要。高水平自動(dòng)駕駛（L3和L4）也將要求高速和城市駕駛配備這種功能。

De Moulmeister表示，與安裝在L3和L4車輛上的熱像儀相比，普通乘用汽車所需的熱像儀將對(duì)成本更為敏感（<100美元/臺(tái)）。普通乘用汽車需要低范圍和更寬的FoV性能，并可能使用單個(gè)QVGA成像儀。

對(duì)于L3和L4的自動(dòng)駕駛，VGA格式的成像儀將使用更昂貴的光學(xué)器件，以支持更遠(yuǎn)的范圍和更窄的FoV，并在每輛車上部署多個(gè)攝像頭，用于高速公路駕駛。

然而，所有的汽車應(yīng)用都需要有鍺光學(xué)器件的替代品。在材料制造和鏡頭制造方面，優(yōu)美科生產(chǎn)的硫系玻璃具有以下優(yōu)勢：

體積可擴(kuò)展性：玻璃透鏡可以大批量成型，而不像鍺透鏡那樣須經(jīng)過加工處理。批量生產(chǎn)促進(jìn)了批量可擴(kuò)展性、高生產(chǎn)率和低資金投入和勞動(dòng)力成本。

操作溫度范圍：廣泛用于汽車應(yīng)用的溫度通常為-40°C至+85°C。由于鍺的特性，如傳輸損耗在這樣的溫度范圍內(nèi)變化很大，須使用其他材料來加熱制造，確保均勻的光學(xué)性能。硫系玻璃的特性可實(shí)現(xiàn)成本效益高的熱化，在廣泛的溫度范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定的性能。

尺寸和重量：鍺的密度比玻璃大，因此更重。需要加熱的設(shè)計(jì)也增加了尺寸和重量。

成本：上述因素導(dǎo)致玻璃透鏡相對(duì)于鍺的成本更低。由于攝像頭的成本隨著體積的減少而減少，光學(xué)器件成為材料清單（BOM）中的一個(gè)重要成本項(xiàng)。成本效益變得很重要，特別是如果要進(jìn)行大規(guī)模的汽車部署。

鍺的供應(yīng)鏈問題：如前所述，90%以上的鍺都來自中國和俄羅斯。

其他公司，如美國的LightPath Technologies以及德國和中國的一些供應(yīng)商都在積極開發(fā)和生產(chǎn)用于熱成像的硫系玻璃光學(xué)器件。美國國防部門在情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）中使用LWIR攝像頭，其某些應(yīng)用也正從鍺過渡到這種材料。

要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛異常困難，特別是在公共交通領(lǐng)域，而安全是第一要?jiǎng)?wù)。如果目標(biāo)是取代人類駕駛員，那么增加傳感器以應(yīng)對(duì)糟糕情況很重要。否則，正放緩步伐的自動(dòng)駕駛將永遠(yuǎn)無法向前推進(jìn)。

雖然人類是好司機(jī)，但有時(shí)受到天氣和環(huán)境的影響，所以，提供性價(jià)比高的輔助駕駛也重要。熱像儀就是對(duì)傳感器系統(tǒng)的不錯(cuò)補(bǔ)充，那么，是否還需要更多的傳感器模式呢？