Система обнаружения дорожных и морских условий на основе SWIR-светодиодов для автомобильных, морских и интеллектуальных транспортных систем.
Управляющее резюме
Автономные автомобили и беспилотные надводные суда (БНС) должны «видеть» первые 0–2 мм асфальта или воды — именно там, где ледяные пленки, масляные пятна или сконденсированный туман определяют трение и тормозной путь. Светодиоды ближнего инфракрасного диапазона (1000–1900 нм) обеспечивают три решающих преимущества:
Контрастность между H₂O/льдом и подложкой в 5–7 раз выше, чем в ближнем инфракрасном диапазоне 850 нм.
В 20 раз меньше рассеяния Ми в тумане и моросящем дожде, чем в системах VIS.
Безопасные для глаз твердотельные излучатели, соответствующие стандартам AEC-Q102 и IEC 60945, уже запущены в серийное производство.
В данной статье показано, как двигатели Zhuhai Tianhui SWIR сегодня используются для картирования трения на уровне полос движения, выявления нефтяных пятен в портах и оценки толщины льда в полярных регионах.
Физика и дифференциаторы
Выбор полосы частот (проверено)
1310 нм – высокое поглощение воды/льда → различение льда и воды
1550 нм – локальное атмосферное окно, минимальный солнечный фон, хорошее соотношение сигнал/шум в тумане.
1650 нм – полоса поглощения масла и дизельного топлива, позволяет обнаруживать пленку толщиной 0,1 мкм.
1390 нм (опционально) – опорный канал для подавления дрейфа синфазного сигнала.
Дополнение «Поляризация»
Встроенный проволочно-сетчатый поляризатор (тонкая пленка 0,5 мм) обеспечивает параллельные и перпендикулярные каналы; коэффициент деполяризации ρ = I⊥/I∥ напрямую коррелирует с микрошероховатостью поверхности → сухой асфальт ρ≈0,12, лед ρ≈0,35, масло ρ≈0,45 (полевые данные, –5 °C).
Архитектура системы
Технические характеристики модуля (AEC-Q102 Grade 0)
4-канальный SWIR-светодиодный пиксель (1 310/1 390/1 550/1 650 нм) в керамической подложке LCC размером 3,5 × 3,5 мм, суммарная мощность 1 Вт, угол рассеивания 45°, время нарастания
Линейная матрица из InGaAs (320 × 1, шаг 25 мкм) или одноточечный детектор для снижения стоимости.
Встроенный алгоритм компенсации без NTC и TEC (дрейф
Выход MIPI CSI-2 / 100 BASE-T1, средняя мощность
IP69K, –40 °C…105 °C, 1000 ч, 85 °C/85 % относительной влажности, вибрация 50 g
Примеры трудоустройства
Автомобильная версия: 2 модуля, встроенные в передний бампер, базовая линия 1,2 м, угол наклона 30° вниз; блок управления Fusion ECU принимает сигналы SWIR, 77 ГГц RADAR, 905 нм LiDAR и радиочастотные метки шин.
Морской: мачтовая подвесная консоль, дальность действия 25 м, синхронизирована с радаром 24 ГГц и AIS; вторая консоль на носу для измерения толщины льда.
Придорожные устройства: солнечные батареи на мостах через каждые 500 м; канал связи LoRaWAN с центром управления дорожным движением.
Результаты полевых исследований
Лед и снег (шоссе Хэйхэ–Харбин, –18 °C, толщина черного льда 0,3 мм)
Индекс контрастности в ближнем инфракрасном диапазоне (CI = (R_dry – R_ice)/R_dry) = 0,42 против 0,07 при 850 нм.
Алгоритм слияния данных (SWIR + температура + влажность) достиг показателя F1-меры в 96 %; частота ложноотрицательных результатов составила 1,1 % (против 7 % для данных только с камеры).
Разлив нефти (порт Чжухай, пленка дизельного топлива толщиной 0,2 мкм)
В канале 1650 нм наблюдалось снижение отражательной способности на 12 % по сравнению с чистой морской водой; предел обнаружения 50 ppb (0,05 мкм), сигнал тревоги сработал через 3 минуты после начала утечки.
Проникновение тумана (Южно-Китайское море, видимость 350 м)
Обратное рассеяние на длине волны 550 нм в 8 раз ниже, чем на длине волны 650 нм; беспилотный надводный аппарат сохранил крейсерскую скорость 10 узлов, когда скорость камеры/лидара снизилась до 2 узлов.
Алгоритмы, повышающие ценность
Карта трения цифрового двойника: при каждом проезде шины загружается пиковое значение проскальзывания μ; регрессия на основе гауссовых процессов прогнозирует μ на расстоянии 500 м впереди.
Оценка прочности сцепления льда: использует коэффициент поляризации + температуру поверхности; подтверждено испытаниями на сдвиг по стандарту ASTM D3528 (R² = 0,81).
Инверсия объема нефти: двунаправленная модель отражения + данные о скорости ветра → объем разлива в реальном времени с точностью до ±15 %.
План действий и задачи
2025 6-канальный чип (добавьте 1210 нм для трассировки резиновых шин, 1880 нм для плотности снега) + ASIC-чип для подсчета фотонов
2026 Совместно откалиброванный SWIR + FMCW LiDAR с одной апертурой; цель: 5 Вт, дальность действия 250 м, размер 50 × 30 × 25 мм
2027 Самоочищающееся нанопокрытие (угол смачивания 110°) сократит затраты на техническое обслуживание на 50 %; прогнозируемая дозировка противообледенительной соли на основе ИИ (экономия соли на 20 %, снижение выбросов CO₂ на 12 тыс. тонн в год на сети протяженностью 1000 км)
Проблемы: солнечные блики на рассвете/закате, образование кристаллов соли, сертификация безопасности для глаз для версий с мощностью >1 Вт и длиной волны 1550 нм — решаются с помощью синхронной модуляции кодированными импульсами и гидрофобных окон IP69K.
Обновление информации об источнике излучения SWIR от Чжухая Тяньхуэя
В ходе недавних дорожных испытаний и испытаний на палубе порта в качестве активных источников света использовались автомобильные светодиоды Tianhui с длинами волн 1310 нм и 1550 нм в ближнем инфракрасном диапазоне. Поставщики первого уровня сообщают об увеличении контрастности примерно на 15 % для сцен с черным льдом и легким туманом толщиной 0–0,3 мм, что соответствует минимальным требованиям L3 к автономному распознаванию датчиков. Модули прошли испытания на старение в течение 1000 часов при температуре 85 °C и относительной влажности 85 % и в настоящее время проходят испытания на накопление заряда в течение 5000 км на дорогах общего пользования; дрейф длины волны и характеристики терморегулирования будут дополнительно оптимизированы с использованием данных, полученных на открытых дорогах.