Op SWIR-LED gebaseerde detectie van weg- en maritieme omstandigheden voor auto-, scheepvaart- en intelligente transportsystemen
Samenvatting voor het management
Autonome auto's en onbemande oppervlakteschepen (USV's) moeten de eerste 0-2 mm asfalt of water kunnen "zien"—precies waar ijsfilms, olievlekken of condensatie de wrijving en remweg bepalen. SWIR-leds (1000-1900 nm) bieden drie doorslaggevende voordelen:
5–7 keer hoger contrast tussen H₂O/ijs en substraat dan bij NIR-850 nm
20 keer minder Mie-verstrooiing in mist en lichte regen dan VIS-systemen
Oogveilige, solid-state emitters die voldoen aan de AEC-Q102- en IEC 60945-normen worden reeds in grote aantallen geproduceerd.
Dit artikel laat zien hoe de SWIR-motoren van Zhuhai Tianhui tegenwoordig worden ingezet voor het in kaart brengen van wrijving op vaarwegen, het detecteren van olievlekken in havens en het schatten van de dikte van poolijs.
Natuurkunde en differentiatoren
Bandselectie (getest)
1 310 nm – hoge absorptie van water/ijs → onderscheid tussen ijs en water
1 550 nm – lokaal atmosferisch venster, minimale zonneachtergrond, goede signaal-ruisverhouding in mist
1650 nm – absorptieschouder voor olie en diesel, maakt detectie van films van 0,1 µm mogelijk.
1 390 nm (optioneel) – referentiekanaal voor onderdrukking van common-mode drift
Polarisatie-add-on
Geïntegreerde draadgaaspolarisator (0,5 mm dunne film) geeft parallelle en loodrechte kanalen; de depolarisatieverhouding ρ = I⊥/I∥ correleert direct met de microruwheid van het oppervlak → droog asfalt ρ≈0,12, ijs ρ≈0,35, olie ρ≈0,45 (veldgegevens, –5 °C).
Systeemarchitectuur
Modulespecificaties (AEC-Q102 Klasse 0)
4-kanaals SWIR LED-pixel (1 310/1 390/1 550/1 650 nm) in 3,5 × 3,5 mm LCC-keramiek, 1 W totaal, 45° bundel, stijgtijd
Gedeelde lineaire InGaAs-array (320 × 1, 25 µm pitch) of enkelpuntsdetector voor kostenbesparende varianten.
Aan boord NTC + TEC-loos compensatiealgoritme (drift
MIPI CSI-2 / 100 BASE-T1-uitgang, gemiddeld vermogen
IP69K, –40 °C…105 °C, 1000 uur 85 °C/85 % RH geslaagd, trilling van 50 g
Plaatsingsvoorbeelden
Automotive: 2 modules vlak ingebouwd in de voorbumper, basislijn 1,2 m, 30° naar beneden; fusion ECU ontvangt SWIR, 77 GHz RADAR, 905 nm LiDAR en RF-tags op de banden.
Maritiem: masttoppod, bereik van 25 m, gesynchroniseerd met 24 GHz-radar en AIS; tweede pod op de boeg voor het meten van de ijsdikte.
Langs de weg: op bruggen om de 500 meter een op zonne-energie werkende edge-unit; LoRaWAN-verbinding met de verkeersleidingscentrale.
Veldresultaten
IJs en sneeuw (snelweg Heihe-Harbin, –18 °C, 0,3 mm glad ijs)
SWIR-contrastindex (CI = (R_dry – R_ice)/R_dry) = 0,42 versus 0,07 bij 850 nm
Het fusiealgoritme (SWIR + temperatuur + luchtvochtigheid) behaalde een F1-score van 96%; het percentage vals-negatieve resultaten bedroeg 1,1% (versus 7% voor alleen camerametingen).
Olielozing (haven van Zhuhai, dieselfilm van 0,2 µm)
1. Het 650 nm-kanaal vertoonde een daling van 12% in reflectie ten opzichte van schoon zeewater; detectielimiet 50 ppb (0,05 µm), alarm ging af 3 minuten nadat het lek was begonnen.
Mistpenetratie (Zuid-Chinese Zee, zichtbaarheid 350 m)
1. Terugverstrooiing bij 550 nm 8× lager dan bij 650 nm; USV behield een kruissnelheid van 10 kn toen de camera/LiDAR terugschakelde naar 2 kn.
Algoritmen voor toegevoegde waarde
Digitale tweeling-wrijvingskaart: elke bandenpassage registreert de μ-piekslipwaarde; Gaussiaanse regressie voorspelt μ 500 m verderop.
Schatter voor ijshechtsterkte: maakt gebruik van polarisatieverhouding + oppervlaktetemperatuur; gevalideerd aan de hand van ASTM D3528 schuifproeven (R² = 0,81).
Inversie van het olievolume: bidirectioneel reflectiemodel + windsnelheidsgegevens → realtime olielekvolume met een nauwkeurigheid van ±15%.
Routekaart en uitdagingen
2025 6-kanaals chip (voeg 1 210 nm toe voor bandenrubbersporen, 1 880 nm voor sneeuwdichtheid) + ASIC fotontellende ROIC
2026 Co-gekalibreerde SWIR + FMCW LiDAR met enkele opening; doel: 5 W, bereik van 250 m, afmetingen 50 × 30 × 25 mm
2027 Zelfreinigende nanocoating (contacthoek 110°) om het onderhoud met 50% te verminderen; AI-gestuurde voorspellende dosering van ontdooizout (bespaart 20% zout, CO₂ ↓12 kt jr⁻¹ op een netwerk van 1000 km)
Uitdagingen: reflectie van zonlicht bij zonsopgang/zonsondergang, vorming van zoutkristallen, oogveiligheidscertificering voor versies met een vermogen van meer dan 1 W en een golflengte van 550 nm – aangepakt door synchrone gecodeerde-pulsmodulatie en hydrofobe IP69K-vensters.
Update over de SWIR-lichtbron in Zhuhai Tianhui
Tijdens recente wegproeven en tests op testplatforms in havens werden Tianhui's SWIR-LED's van automobielkwaliteit met golflengtes van 1310 nm en 1550 nm gebruikt als actieve verlichting. Leveranciers van niveau 1 melden een contrastwinst van ongeveer 15% voor situaties met 0-0,3 mm zwart ijs en lichte mist, waarmee wordt voldaan aan de minimale L3-vereisten voor autonome sensorherkenning. De modules hebben een verouderingstest van 1000 uur bij 85 °C en 85% relatieve vochtigheid doorstaan en worden nu onderworpen aan een accumulatietest van 5000 km op de openbare weg; golflengtedrift en specificaties voor thermisch beheer zullen verder worden geoptimaliseerd met behulp van gegevens uit de praktijk.