基于Microbolometer的热AI相机

中国公司海康威视是监控摄像机的领先供应商之一。

在过去的几年中，无论是在中国还是在全球，对监视系统的市场需求都在激增。在所谓的“智慧城市”中，摄像机是实现安全的基本工具，在任何地方都需要全面监控。

海康威视（Hikvision）于2016年开发的热像仪吸引了System Plus Consulting分析师的眼球，原因之一是：人工智能。

海康威视通过结合AI硬件和软件，提供了一种具有AI功能的嵌入式早期相机。它促使YoleDéveloppement公司System Plus Consulting深入研究，“了解背后的技术选择”。

对于海康威视相机而言，对于System Plus而言，最值得注意的是它体现了东西方的精华-“中国制造的微辐射热计和相机处理器”与“非中文AI /模拟/其他处理组件”相结合。 ”

海康威视在该专业领域的竞争对手包括：大华和Uniview（均基于中国），博世（德国）和安讯士（瑞典）。

不过，根据System Plus的说法，使海康威视与众不同的是“该公司能够设计和制造自己的产品”。这家中国公司拥有自己的MEMS生产线，MEMS封装/测试，众多表面贴装技术（SMT）生产线和最终组装能力。

英特尔，海思半导体（华为的芯片部门）和莫维迪乌斯（现在是英特尔公司）提供了海康威视相机独有的三个关键组件：

英特尔的可重配置解决方案负责对Microbolometer输出进行数字化之后的数字信号处理，以及Maxim Peltier控制器的热管理。

海思半导体设计了一种芯片来进行图像信号处理，视频编码和加密，以太网接口。

Movidius处理器支持AI应用程序的视觉处理。

在接下来的页面中，我们获得了系统咨询的帮助，可以在海康威视的热像仪内部进行查看。

热像仪

热像仪能够检测到人体产生的热量，并通过复杂的信号分析过程将其转化为图像。通过检测和分析温度来再现图像。在过去的几年中，热成像依靠微测辐射热计已进入低成本应用。

测微辐射热计是检测红外线的传感器。它们由敏感点的网格（称为“像素”）组成，该敏感点由不同的层和不同的吸收性材料（例如氧化钒或非晶硅（α-Si））组成。

在接受System Plus Consulting采访时，我们检查了海康威视DS-2TD2166-15 / V1热网络摄像机的技术和结构方面。System Plus Consulting的技术人员描述了系统的电子和物理硬件结构，重点介绍了组成系统的不同元素。

海康威视DS-2TD2166-15 / V1热网络摄像机配备了基于氧化钒非冷却焦平面阵列的图像传感器（图1）。它具有针对多个关键基础设施（例如机场，铁路等）的智能分析算法的支持。该热像仪基于多个芯片组，例如640×512像素（17μm间距）的RTD6171MR Microbolometer。FPGA Cyclone V 550MHz 224I / O（FBGA484）;SDRAM 2Gb（128Mx16）800MHz 13.75ns（TFBGA96）;珀尔帖模块温度控制器（TQFN48）;专业高清IP摄像机的SoC;视觉处理器单元2x32Bit RISC Proc。4Gb LPDDR3;DDR4 DRAM 8Gb（512Mx16）2400Mbps。

它的技术和结构特性使其非常适用于防止火灾并及时检测公司和工业过程中的过热和温度变化。

它的VCA（视频内容分析）功能支持两个完全不同的过程：检测时间和空间中的事件以及分析视频。它具有4种VCA规则类型（“线交叉”，“侵入”，“区域入口”和“区域出口”），并且最多支持8个VCA规则。

摄像机获取热图像，使用户能够在完全黑暗的环境中和困难的条件下检测人，物体和事故。因为它仅对人体发出的红外辐射敏感，所以它查看和记录图像的能力不受所记录场景中光线的影响。

温度测量功能可以测量被监视点的实际温度。当温度超过阈值时，设备会发出警报。让我们看看这个房间的硬件部分的结构

1：海康威视DS-2TD2166-15 / V1热网络摄像机。单击以放大图像。（来源：System Plus咨询）

海康威视硬件

热像仪内部由6个板组成，每个板都有特定的用途。让我们分析一些部分（图2和3）。Cyclone V SoC FPGA建立在台积电28纳米低功耗（28LP）工艺上；它由一个双核ARM Cortex-A9 MPCore处理器，一组丰富的外设和一个共享的多端口SDRAM控制器组成。使用该FPGA可降低功耗，并支持超过100 Gbps的峰值带宽，并且处理器与FPGA之间具有集成的数据一致性。

图2：海康威视的某些板。单击以放大图像。（来源：System Plus咨询）

图3：海康威视电子板2。单击以放大图像。（来源：System Plus咨询）

该信号调节/放大部件包括各种集成电路，尤其是AD8605ARTZ-REEL通用放大器，LT6203IMS8双放大器的100MHz，并且LT1994IMS8差分放大器为70MHz。AD8605ARTZ具有极低的失调电压，低输入电压和电流噪声以及宽信号带宽。它使用了ADI公司获得专利的DigiTrim微调技术，该技术通过对数字加权电流源进行编程来调节电路性能。

LT6202具有1.9nV /√Hz的噪声电压，每个放大器仅消耗2.5mA的电源电流。该放大器将低噪声和电源电流与100MHz增益带宽乘积，25V / µs压摆率结合在一起，并针对低电源信号调理系统进行了优化。在1MHz时，谐波失真小于–80dBc，这使得这些放大器适用于低功率数据采集系统，例如该热像仪。

LT1994是用于驱动差分输入，单电源ADC的电平转换接地参考信号的理想选择。LT1994的输出共模电压与输入共模电压无关，并且可以通过如其数据手册中所述在VOCM引脚上施加电压来调节。

ADS1112IDGSR 16位ADC和LT3042IDD支持FPGA进行调节电路。ADS1112设计用于需要高分辨率测量的应用，在这些应用中，空间和功耗是主要考虑因素。LT3042IDD而是一个低压差线性稳压器，用于为噪声敏感的RF应用供电。在板载3和1上，还有其他集成电路来支持相关集成子系统的电源，例如线性稳压器和降压转换器。

决定成本的80％的主要部分是测微辐射热计（氧化钒）。Peltier的电池及其温度控制电路为它提供了支持。

镜片

支持测微辐射热计的主模块由各种透镜组成，以优化传感器上的红外光束。从图4和5中，我们可以看到直径为19.6毫米的锗（Ge）透镜和两个直径不同的三硒化砷（As2Se3）透镜，其中一个直径为17.6毫米，另一个直径为27.6毫米。

图4：摄像头模块。单击以放大图像。（来源：System Plus咨询）

图5：镜头模块单击以放大图像。（来源：System Plus咨询）

在光学中，f /数（有时称为焦比或相对光圈）是光学系统的参数，表示光的接收面积。即，焦距除以孔径的直径。

孔径较大的透镜可以让更多的光或红外辐射通过。因此，大量的红外辐射将根据信噪比改善测量效果。可以识别测量质量的参数称为“ NETD”或“噪声等效温度差”。它通常以毫开尔文（mK）表示，并测量热图像检测器可以分辨出热辐射图像中的细微差别的程度。微辐射热检测器的未冷却热成像摄像机的典型值约为45 mK。

微测辐射热计

电阻像素网格形成未冷却的传感器。这些类型的传感器称为测微辐射热计。吸收器元件上的每个入射辐射都会将其温度升高到电阻器温度以上；吸收功率越高，温升越高。电阻的值根据入射辐射，特别是加热表面的红外辐射而变化。每个像素由CMOS输入单元（读出集成电路-ROIC）表示，并通过调节电路进行处理，以便通过FPGA在我们的计算机或监视器上生成图像（图6和7）。通常，微辐射热计的结构经过优化，可在8-14µm的光谱带中获得更高的灵敏度。

图6：微辐射热计– IRAY RTD6171MR。单击以放大图像。（来源：System Plus

图7：RTD6171MR 17µm微量测辐射热仪–拆卸。单击以放大图像。（来源：System Plus咨询公司）。吸气剂可显着减少除气并保持包装腔内的低压。

System Plus着重介绍了微辐射热计的物理特性，总结如下：

模具面积：175.2mm²（13.6 x 12.8mm）

像素面积：96.4mm²（10.9 x 8.85 mm）

像素矩阵：641 x 520

有效像素矩阵：640 x 512

便签号码：107

引线键合：32

通过对其内部进行分析，我们可以看到反射器位于吸收材料的下方，并与基材接触，从而使杂散光重新定向以优化信号。吸收材料从基板“悬浮”以实现隔热，同时真空封装构成的像素栅格以提高耐用性和可靠性。热成像相机中使用的大多数测微辐射热计都使用氧化钒作为吸收材料，因为它具有更好的热对比度，可确保获得更准确，更清晰的图像。

对于典型的电阻器，氧化钒检测器的阻抗约为100Kohm，与通常具有30Mohm阻抗的α-Si检测器不同。在这些条件下，氧化钒材料的Johnson噪声电压较低，因此测量时的噪声较小。约翰逊噪声电压取决于三个条件：电阻值，电路带宽和温度。

该摄像机配有温度基准元件，并通过带有片内基准的AD5645RBRUZ四通道14位DAC和用于Peltier模块的MAX1978ETM + T温度控制器来稳定Peltier的温度。

珀耳帖电池是廉价的热电设备，像本相机一样，用作发电机，冷却和精确温度控制的技术，可将物体的温度保持恒定在预定水平。珀耳帖电池基于热电现象原理。这些现象是基于两种不同金属材料的PN结中电压电平差异的形成。

MAX1978具有片上功率FET和热控制环路电路，可在保持高效率的同时最大程度地减少外部元件。超低漂移斩波放大器可保持±0.001°C的温度稳定性。温度传感器位于镜头模块上，并基于NTC / PTC热敏电阻。另一个数字温度传感器TMP75AIDRG4监视由FPGA直接管理的系统（环境）温度。

与其他类型的红外检测设备不同，氧化钒微辐射热测定仪无需冷却。氧化钒根据温度显示出不同的行为。镀膜玻璃可以在特定的特定温度下阻挡红外辐射（但不阻挡可见光），从而使相机电子设备能够处理电磁光谱中的图像并将其复制为伪彩色。

其他模块

热像仪支持RS232传输（通过SP3232EEN-L）用于工业接口，并通过RTL8201FI-VC-CG支持以太网传输。电路板6，如图2所示，包括带有瞬态电压抑制二极管（TVS）的AC / DC电源系统，以保护电子电路免受瞬变和过电压威胁，例如EFT（电快速瞬变）和ESD（静电放电） 。

图2：海康威视的某些板。单击以放大图像。（来源：System Plus咨询）

热像仪具有PoE（以太网供电）接口，Texas Instruments的TPS2378DDDAR PoE高功率PD接口和TL2845BDR-8电流模式PWM控制器支持该接口。后者以最少的外部组件数量提供了实现离线或DC-DC固定频率电流模式控制方案所需的所有功能。

TPS2378DDAR的低0.5Ω内部开关电阻，加上PowerPAD封装增强的散热性能，使PoE系统能够连续处理高达0.85 A的电流。以太网供电（PoE）是一种通过双绞线传输电能的技术。一对以太网电缆：提供电源的设备称为电源设备（PSE），而被供电的设备称为受电设备（PD）。将PD连接到PSE时，PoE标准会指定流入PD的浪涌电流，以防止出现大电流尖峰。此外，PoE标准在PSE和PD之间提供了模拟握手（分类）以协商电源。

热像仪具有用于专业高清IP摄像机的HI3519 V111 SoC的视频支持。它使用H.265视频压缩编码器以及先进的低功耗技术和体系结构设计。Hi3519 V101通过使用硬件，算法设计各种型号的IP摄像机和音频编解码器，支持90°或270°旋转和镜头畸变校正。该SoC由两对分别为4Gb的DDR4存储器和GD5F2GQ4UB9IGR闪存NAND 2Gb SPI支持。

英特尔Movidius MA2450 VPU 2x32Bit RISC Proc。933 MHz处的4Gb LPDDR3位于第4板（图2）上，使系统可以快速识别物体和人员，分析公共人口统计信息，检查制成品等。计算机视觉使用深度学习来形成神经网络，以指导系统进行图像处理和分析。

带有冷却和不冷却检测器的各种热像仪型号在市场上脱颖而出。带有冷却传感器的热像仪更加昂贵。现代的冷却式热像仪具有集成的图像传感器和低温冷却器。

得益于测微辐射热计，红外热像仪可以以较低的成本提供很高的精度。摄像机对物体散发的热量的表面温度进行测量，并将其作为图像投影到热像图屏幕上。

—吉田顺子的补充报道

编辑：hfy