SWIR-LED-basierte Straßen- und Schiffszustandserfassung für Automobil-, Schifffahrts- und intelligente Transportsysteme
Zusammenfassung
Autonome Fahrzeuge und unbemannte Oberflächenfahrzeuge (USV) müssen die ersten 0–2 mm Asphalt oder Wasser „sehen“ können – genau dort, wo Eisfilme, Ölfilme oder kondensierter Nebel Reibung und Bremsweg bestimmen. SWIR-LEDs (1000–1900 nm) bieten drei entscheidende Vorteile:
Der Kontrast zwischen H₂O/Eis und Substrat ist 5–7-mal höher als bei NIR-850 nm.
20-mal geringere Mie-Streuung bei Nebel und Nieselregen als VIS-Systeme
Augensichere, elektronische, nach AEC-Q102 und IEC 60945 qualifizierte Emitter sind bereits in Serienproduktion.
Dieser Artikel zeigt, wie Zhuhai Tianhui SWIR-Engines heute für die Reibungskartierung auf Fahrspurebene, die Ölortung in Häfen und die Schätzung der Eisdicke in Polargebieten eingesetzt werden.
Physik & Differenzierer
Bandauswahl (getestet)
1 310 nm – hohe Wasser-/Eisabsorption → Unterscheidung zwischen Eis und Wasser
1550 nm – lokales atmosphärisches Fenster, minimaler solarer Hintergrund, gutes Signal-Rausch-Verhältnis im Nebel
1 650 nm – Schulter der Öl- und Dieselabsorption, ermöglicht die Detektion von 0,1 µm dicken Filmen
1 390 nm (optional) – Referenzkanal zur Kompensation der Gleichtaktdrift.
Polarisations-Zusatz
Der integrierte Drahtgitterpolarisator (0,5 mm dünne Schicht) liefert parallele und senkrechte Kanäle; das Depolarisationsverhältnis ρ = I⊥/I∥ korreliert direkt mit der Oberflächenmikrorauheit → trockener Asphalt ρ≈0,12, Eis ρ≈0,35, Öl ρ≈0,45 (Feldmessungen, –5 °C).
Systemarchitektur
Modulspezifikationen (AEC-Q102 Grad 0)
4-Kanal-SWIR-LED-Pixel (1 310/1 390/1 550/1 650 nm) in 3,5 × 3,5 mm LCC-Keramik, 1 W Gesamtleistung, 45° Abstrahlwinkel, Anstiegszeit
Gemeinsam genutztes lineares InGaAs-Array (320 × 1, 25 µm Rastermaß) oder Einzelpunktdetektor für kostengünstigere Varianten
On-Board NTC + TEC-loser Kompensationsalgorithmus (Drift
MIPI CSI-2 / 100 BASE-T1 Ausgang,
IP69K, –40 °C…105 °C, 1000 h 85 °C/85 % r. F. bestanden, 50 g Vibration
Platzierungsbeispiele
Automobil: 2 Module bündig im vorderen Stoßfänger montiert, 1,2 m Grundfläche, 30° nach unten; Fusions-ECU empfängt SWIR, 77 GHz RADAR, 905 nm LiDAR und Reifen-RF-Tags.
Marine: Masttop-Pod, 25 m Reichweite, synchronisiert mit 24-GHz-Radar und AIS; zweiter Pod am Bug zur Messung der Eisdicke.
Am Straßenrand: Solarbetriebene Edge-Einheit alle 500 m auf Brücken; LoRaWAN-Uplink zur Verkehrsleitzentrale.
Feldergebnisse
Eis und Schnee (Autobahn Heihe–Harbin, –18 °C, 0,3 mm Glatteis)
SWIR-Kontrastindex (CI = (R_dry – R_ice)/R_dry) = 0,42 gegenüber 0,07 bei 850 nm
Der Fusionsalgorithmus (SWIR + Temperatur + Luftfeuchtigkeit) erreichte einen F1-Score von 96 %; die Falsch-Negativ-Rate lag bei 1,1 % (gegenüber 7 % bei reiner Kameramessung).
Ölverschmutzung (Hafen von Zhuhai, 0,2 µm Dieselfilm)
Im 650-nm-Kanal wurde ein Rückgang der Reflektivität um 12 % gegenüber sauberem Meerwasser festgestellt; Nachweisgrenze 50 ppb (0,05 µm), Alarm wurde 3 Minuten nach Beginn des Lecks ausgelöst.
Nebeldurchdringung (Südchinesisches Meer, Sichtweite 350 m)
1 550 nm Rückstreuung 8× niedriger als 650 nm; USV behielt 10 kn Reisegeschwindigkeit bei, als Kamera/LiDAR auf 2 kn herunterregelte.
Mehrwertalgorithmen
Digitale Zwillings-Reibungskarte: Bei jedem Reifendurchgang wird der μ-Spitzenschlupfwert hochgeladen; eine Gaußprozessregression sagt μ 500 m voraus.
Abschätzer der Eisadhäsionsfestigkeit: verwendet Polarisationsverhältnis + Oberflächentemperatur; validiert anhand von Scherversuchen nach ASTM D3528 (R² = 0,81).
Ölmengeninversion: bidirektionales Reflexionsmodell + Windgeschwindigkeitsdaten → Echtzeit-Ölmenge innerhalb von ±15 %.
Roadmap & Herausforderungen
2025 6-Kanal-Chip (plus 1210 nm für Reifen-Gummi-Spur, 1880 nm für Schneedichte) + ASIC-Photonenzähl-ROIC
2026 Kokalibriertes SWIR- und FMCW-LiDAR mit Einzelapertur; Ziel: 5 W, 250 m Reichweite, Größe 50 × 30 × 25 mm
2027 Selbstreinigende Nanobeschichtung (Kontaktwinkel 110°) zur Reduzierung des Wartungsaufwands um 50 %; KI-gestützte, vorausschauende Dosierung von Enteisungssalz (spart 20 % Salz, CO₂ ↓12 kt yr⁻¹ auf einem 1.000 km langen Netz)
Herausforderungen: Sonnenreflexionen bei Dämmerung/Morgendämmerung, Salzkristallbildung, Zertifizierung der Augensicherheit für >1 W 1 550 nm Versionen – gelöst durch synchrone codierte Pulsmodulation und hydrophobe IP69K-Fenster.
Zhuhai Tianhui SWIR-Lichtquellen-Update
In den jüngsten Straßen- und Hafenversuchen wurden die in Automobilqualität gefertigten SWIR-LEDs von Tianhui mit Wellenlängen von 1310 nm und 1550 nm als aktive Beleuchtungselemente eingesetzt. Tier-1-Zulieferer berichten von einem Kontrastgewinn von ca. 15 % bei 0–0,3 mm Glatteis und leichtem Nebel, wodurch die Mindestanforderungen für die autonome Sensorerkennung der Stufe 3 erfüllt werden. Die Module haben einen Alterungstest über 1000 Stunden bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit erfolgreich absolviert und befinden sich derzeit in einem 5000-km-Straßentest. Wellenlängendrift und Wärmemanagement werden anhand der Daten aus dem realen Straßenbetrieb weiter optimiert.