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技术文章 | 不利天气条件下的照明:技术难题的新解决方案

原文标题:Adverse Weather Light: New Chances for a technically unsolved problem

作者:Yang Zhiwen, Nanjing R&D Center of HELLA Jiaxing.C. Schmidt, HELLA KGaA Germany

编译:李奕帆 井硕

指导老师:林燕丹



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一、前言


在晴朗的夜间行车时,自适应前大灯能提供良好的照明,司机有最佳的能见度,并且迎面而来的车辆也不会造成眩光。但在不利的天气情况中,将无法满足要求。主要是由于在雨、雪或雾天气中,较高的灯具亮度,会对本车内驾驶员造成反向眩光,并且这种情况比传统卤素灯更严重。此外,迎面而来的汽车的强光照射,也会对司机视觉造成影响(图1,右)。因此,需要针对不利天气制定特殊的照明方案。

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图1左:大雾天气引起的眩光,右:潮湿路面引起的眩光

HELLA现有两款汽车将配备高分辨率照明系统。该系统不仅采用了LCD技术,还采用了DLPTM技术。其实每种技术都有各自的优缺点,我们目的不仅仅是为了评估不利天气的照明功能,更重要的是回答实现每种功能应该采用哪种技术。



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二、不利天气现状

通过调查结果显示,对不利天气照明贡献较显著地三个属性为:

1.近光灯光分布允许的最大照度

2.将截止线增加到H-5水平

3.附近区域照度的降低

其中属性1、属性2主要是通过减少反向散射光线,以防止对本车内驾驶员造成反向眩光。与此相反,属性3解决的是由于潮湿路面对迎面而来的车辆灯光的反射而造成的眩光,这是通过降低附近区域的亮度水平来实现的。

前照灯系统在不同的天气情况下面临不同的问题,所以这种不利天气照明功能存在的一个普遍问题是:需要适应所有不利天气情况(如雾、雨、雪)。“W级模式”的引入是应对不利天气的第一步,但由于数字照明新技术的出现,需要针对几种天气情况开发新的功能。

Vario Xenon概念中首次介绍了一种投影模块,该投影模块可以实现AFS功能,无需前照灯调平装置。灯具的光型是通过旋转的自由形状的孔产生的。为了减小附近区域照度,设计了一个附加的机械孔径。

作为一种折衷方案,将变频氙气灯与旋转执行器相结合,降低了附近区域照度。这种新的配置,使前照灯在更高的照度水平下,依然可以使迎面而来的车辆所造成的眩光保持在较低的水平。与传统的前照灯系统相比,该功能可以改善不利天气下的能见度,但仍然有很大的潜力得到进一步发展。



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三、数字照明为不利天气照明提供新机会


随着高分辨率前照灯技术的发展,一种自适应照明功能可以对多种天气条件做出动态响应。除了前面提到的建议,许多其他的解决方案可能由于高分辨率前照灯的出现而成为现实。

2014年梅赛德斯HD Matrix 84模块上市,引入了一个系统,可以通过控制单个光源的开关来动态改变光分布。此外,本系列前照灯还可以对远近光灯进行校正,以实现各种不同天气条件下的照明功能。

在2010年推出的防眩光远光灯中,是通过高分辨率前照灯与摄像系统相结合,来实现一种自适应的不利天气照明。但该技术仍在发展过程中,应进一步降低分辨角度,使分辨角度降为0.02°。

这种分辨角度较小的照明功能,可以通过不同的照明技术实现。该技术除了需要考虑迎面而来车辆的位置,还需要考虑路面的不同反射率水平。在可能造成驾驶员眼位眩光的主要区域,通过光散射降低该区域的光通量。与此相反,在非眩光区域的照明可以增大光通量,以获得更好的视野。

另一点需要研究的是道路照明的对比度优化。由于高分辨率前照灯的出现,利用摄像系统收集的数据,可以优化道路照明的对比度。



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四、基于高分辨率照明系统的不利天气照明


第一个方案是减小附近区域(近光灯光分布)的光通量,如图2所示。与原始的光分布(图1,左)相比,道路的照射距离并没有减少。在雪或雾的天气情况下,这种方案可以减少对本车司机的反向眩光,还可以减少在潮湿路面上迎面而来的车辆造成的眩光。


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图2雪、雾、雨天气情况下减小附近区域光通量

第二个方案是减小较远区域(近光灯光分布)的光通量,如图3所示。在不利的天气条件下,这些地区的照明是不必要的。这种方法可以减少对本车司机的反向眩光,尤其是在雪和雾的天气情况下。该方案的实现需要一种自适应前照灯,同时该方案不需要高分辨率模块。


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图3雪雾条件下减小较远区域光通量

第三种方案是关闭迎面而来车辆方向的灯光,尤其是在潮湿的道路上可以使用,该方案与防眩光远光灯的概念类似,如图4所示。该方案需要合适的传感器和制动器,根据道路宽度和迎面而来的车辆来控制灯光分布。HD 84矩阵模块每像素的水平分辨率为1.2°,是目前市场上分辨率最高的照明灯,它也是第一个实现近光灯自适应照明的系统。LCD技术为每个前照灯提供大约30000像素,增加了水平和垂直方向分辨率。


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图4自适应动态道路照明

此外,符号投影在不利天气照明功能中起着重要的作用。在黑暗的环境中,可以通过投影机将不同的图案投射到路面上,例如图5所示的雪花图案。还可以通过投射动态符号,来提高司机的注意力。数字微镜器件(DMD)可以提供100多万个像素,可以通过DMD来实现高分辨率的投影功能。对于附近区域的符号投影,不需要采用类似于LCD技术这种具有较大立体角的照明技术。


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图5汽车附近区域符号投影

第四种方案是路面光线辅助,最简单的方法是通过一个可以旋转的静态投影模块实现。该方案中,整个光分布区域需要较高的分辨率。在大雾天气或有积雪的道路上,该功能可以为驾驶员起到定位的作用,从而提高驾驶员的驾驶体验,如图6所示。


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图6与路况相吻合的辅助光线

显然,路面光线辅助功能需要详细的地图资料。如图7所示,动态箭头可以向驾驶员传达行驶信息,帮助驾驶员完成驾驶任务。


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图7动态箭头辅助驾驶员的驾驶任务



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五、总结与展望


高分辨率前照灯和摄像系统是实现不利天气照明功能的技术基础。下一步是找到合适的操作方式来实现自适应不利天气照明,并为这些前照灯模块提供足够的分辨率。道路照明对比度优化是一项特殊的任务。

近年来,新型前照灯系统的开发极大地提高了驾驶员在夜间正常天气条件下的能见度。由于防眩光远光灯技术的使用,即使是迎面而来的车辆也会受到任何远光灯的影响。但不幸的是,不利的天气很常见(尤其是在欧洲北部)。目前的前照灯还没有针对这些天气条件进行优化。当天气变化时,有利于正常天气条件(如高光通量)的特性可能会影响驾驶员的视觉。

前照灯可以通过减少附近区域的光线来减少对本车内驾驶员的反向眩光(如雪或雾天气情况种)。现代前照灯技术分辨率较高,可以实现更复杂的功能。

应用于不利天气的新型自适应照明系统的引入,有助于提高驾驶员的能见度,使驾驶环境在不同天气条件下更加舒适,而新功能的实现必将促进终端客户的使用。





文章转载自IFAL公众号


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