舱内监测新纪元：飞行时间传感器与雷达技术引领安全驾驶

随着汽车日益接近完全自动驾驶，驾驶员监测系统 (DMS) 和舱内监测系统 (ICMS) 对乘员安全的重要性愈发凸显。其中，3D飞行时间 (ToF) 成像传感器和60 GHz雷达因其卓越的乘员检测与行为监控能力，正成为变革性技术，并已开始集成至新一代监测平台中。

驾驶员监测系统 (DMS) 已有十多年历史，传统上依赖红外摄像头实时直接观察驾驶员的面部朝向、视线行为和眼球运动来评估注意力状态。如今，全球安全法规正推动更先进的驾驶员分心预警系统 (ADDW) 以及功能更全面的舱内监测系统在车辆中的普及。

欧盟已强制规定，所有新注册车辆到2026年必须能够检测驾驶员疲劳和分心。与此同时，欧洲新车安全评鉴协会 (Euro NCAP) 要求新车必须配备DMS（其功能远超驾驶员状态监测）才能获得五星安全评级。这些功能包括：儿童存在检测 (CPD)、车内乘员数量统计、用于提升安全带使用率的姿态监测、为智能安全气囊提供参数的乘员信息等。

“在Euro NCAP的推动下，行业正朝着直接的驾驶员监测方向发展，这引领我们走向了这些先进的驾驶员分心预警系统 (ADDW)，”英飞凌科技 (Infineon Technologies) ToF业务负责人 Martin Lass 表示，“这些系统能真正检测驾驶员是否注视路面、双手是否在方向盘上，或者是否有物品从车后传递给驾驶员等行为。”

深度感知：超越2D的限制

ADDW系统面临的复杂应用场景，仅靠早期DMS使用的2D摄像头和红外传感器已难以满足。3D飞行时间 (ToF) 传感器是当前考虑的方案之一。这类传感器能精确检测物体并追踪运动，非常适合在车内进行乘员定位和手势监控。

该技术并非全新，德州仪器 (TI)、意法半导体 (STMicroelectronics)、迈来芯 (Melexis) 和英飞凌等公司已生产多年。英飞凌此前与3D ToF软硬件先驱pmdtechnologies（德国锡根）合作开发ToF成像器。目前，全球已有超过2500万个此类系统应用于增强现实 (AR)、智能手机、驾驶员监测及舱内传感等领域。

这些设备通过发射调制的红外光照射目标区域，反射光被成像器接收并与发射光进行比对。通过检测到的相位差计算出每个像素的距离信息，再结合2D灰度图像，最终生成场景的3D信息。在汽车应用中，此类3D数据至关重要。

例如，智能安全气囊需要利用传感器检测驾驶员或乘员的体型和动作，以确定最佳展开时机和力度。“在此场景下，我们真正需要的是身体追踪、乘员体型与体重估算，甚至是乘员在安全气囊前的具体坐姿，”Lass解释道，“2D摄像头能提供部分信息，但我们真正需要的是深度信息——这正是3D和ToF摄像头发挥关键作用的典型场景。”

Lass补充道，与传统摄像头不同，3D ToF传感器能在任何环境光条件下提供可靠数据，不受阴影或阳光过曝的影响。但该技术也存在局限。例如，ToF成像器无法直接测量生命体征（驾驶员状态监测的关键指标）。此外，用于监控全车乘员的广角摄像头所需的高分辨率，ToF传感器也难以满足。而另一种传感器——60 GHz雷达，则能弥补这些不足。

雷达方案：穿透与感知

60 GHz雷达的探测范围约5米，非常适合车内空间。与ToF成像器不同，它可用于监测车辆占用情况、入侵者，甚至驾驶员和乘客的心跳与呼吸频率。英飞凌已为消费电子和医疗保健领域生产60 GHz雷达单片微波集成电路 (MMIC)，目前正开发集成片上天线的更小型器件，预计今年底上市。“单个集成芯片的传感器模块非常小巧，可安装在后视镜下方以覆盖整个车厢，”英飞凌60 GHz雷达技术高级产品营销经理 Stephan Rasch 表示。

面向未来的舱内监测系统，英飞凌正与塞尔维亚贝尔格莱德的Novelic公司合作。Novelic专注于60 GHz雷达及用于人体检测、舱内监测（包括儿童存在检测）的软件开发。60 GHz雷达能区分与心率相关的快慢不同的胸腔运动，并能检测儿童与成人呼吸频率的差异。

“雷达无需直视，因此即使婴儿被毯子覆盖在脚坑里也能被检测到，”Rasch说，“此外，NCAP未来的要求包括事故后评估 (post-crash assessment)。只要雷达在事故后仍能工作，它就可识别乘员的呼吸频率，并将信息提供给紧急救援机构。”

Rasch表示英飞凌的雷达模块将在2026年底前应用于汽车，并指出该半导体制造商已与多家一级供应商 (Tier 1) 和原始设备制造商 (OEM) 签订合同。然而，与Lass类似，他也强调了雷达的劣势，例如分辨率不足以区分男性/女性或体型大小（这在智能安全气囊部署等场景中可能是必需的）。

更复杂的舱内监测正推动先进传感器及传感器融合技术的发展。（来源：英飞凌科技）

融合之道：优势互补

鉴于两种技术各自的局限性，Rasch和Lass都强调，结合ToF传感器与60 GHz雷达的平台对未来舱内监测系统至关重要。“仅靠雷达无法完成所有任务——对于更先进的舱内应用，传感器融合是必然选择，”Rasch指出，“新的NCAP评级将于2026年确立，我们已看到Tier 1和OEM正在开发需要雷达与摄像头的下一代[舱内监测系统]。这些系统将在2028至2029年出现在汽车上。”

多传感器融合的未来

结合ToF和雷达传感器将有力推动下一代舱内监测系统的发展。而从纯粹的安全角度来看，在系统中集成多种传感器是合理的，因为来自更多源的数据能提供更可靠的结果。

基于此，英飞凌一直在将其3D ToF传感器与2D摄像头集成，开发能同时捕获深度信息和RGB数据的RGB-D摄像头，适用于多种应用。“随着行业迈向全乘员监控，将2D传感器和3D传感器（如ToF传感器）集成到一个紧凑的[RGB-D]摄像头中具有显著优势，”Lass说，“我们的RGB-D摄像头尚未应用于汽车领域，但我们正就此进行商讨。”

作为开发的一部分，英飞凌与多家合作伙伴合作，包括中国高科技制造与组装公司欧菲光 (Ofilm)。欧菲光已将2D和ToF摄像头集成到带有手势控制软件的单一模块中。同时，pmdtechnologies正在开发基于人工智能 (AI) 的ToF处理软件，以高效融合来自2D和ToF组合传感器的高分辨率数据。去年底，这三家公司宣布与中国智能家用机器人供应商石头科技 (Roborock) 合作，将结合ToF传感器和先进处理技术的模块集成到石头科技的智能扫地机器人中。

“中国汽车市场对[RGB-D摄像头]的需求也在增长，尽管当前焦点在后座娱乐系统 (rear-seat entertainment) 上，”Lass表示，“但这些摄像头除了提供手势控制，还能监测乘员并对其进行分类，因此[该技术]无疑正朝着安全方向演进。”

展望更远的未来，Lass认为舱内监测系统可能整合更多设备的数据，包括MEMS麦克风和气体传感器。“OEM会希望尽量减少车内摄像头和系统的数量以尽可能降低成本，”他说，“但我认为这些传感器将被组合起来，以提升未来汽车的用户体验，使OEM能够在车载用户体验上实现差异化。”

文章来源：In-Cabin Monitoring: Time-of-Flight and Radar Take the Wheel - EE Times Europe