基于微测辐射热计的热成像 AI 相机

中国公司海康威视是监控摄像头的领先供应商之一。

过去几年，无论是在中国还是在全球，市场对监控系统的需求都在飙升。摄像头是所谓的“智慧城市”中安全的基本工具，需要在任何区域进行全面监控。

海康威视 2016 年开发的热像仪引起了 System Plus Consulting 分析师的注意，一个关键原因是：人工智能。

海康威视通过结合人工智能硬件和软件，提供了一款嵌入人工智能功能的早期相机。它促使 Yole Développement 公司 System Plus Consulting 深入了解“了解其背后的技术选择”。

对于 System Plus，海康威视相机最值得注意的是，它体现了东西方的精华——“中国制造的微测辐射热计和相机处理器”与“非中国 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：大华和宇视，均位于中国，博世（德国）和安讯士（瑞典）。

然而，根据 System Plus 的说法，海康威视的不同之处在于“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） 生产线和总装能力。

英特尔、海思（华为的芯片部门）和 Movidius（现为英特尔公司）为海康威视的摄像头提供三个关键部件：

英特尔的可重构解决方案负责微测辐射热计输出数字化后的数字信号处理，以及与 Maxim Peltier 控制器一起进行的热管理。

海思设计了一个芯片来做图像信号处理、视频编码和加密、以太网接口。

Movidius 处理器为 AI 应用程序启用视觉处理。

在接下来的几页中，我们得到了 System Consulting 的帮助来了解海康威视的热像仪。

热像仪

热像仪能够检测人体产生的热量，并通过复杂的信号分析过程将其转化为图像。通过温度的检测和分析再现图像。在过去的几年里， 热成像 依靠微测辐射热计进入了低成本应用领域。

微测辐射热计是检测红外线的传感器。它们由由不同层和不同吸收材料（如氧化钒或非晶硅 （α-Si））组成的敏感点网格（称为“像素”）组成。

在接受 System Plus Consulting 采访时，我们检查了海康威视 DS-2TD2166-15/V1 热成像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，突出了构成它的不同元素。

海康威视 DS-2TD2166-15/V1 热成像网络摄像机配备基于氧化钒非制冷焦平面阵列的图像传感器（图 1）。支持机场、铁路等多个关键基础设施的智能分析算法。该热像仪基于多个芯片组，例如 RTD6171MR 微测辐射热计 640×512 像素（17µm 间距）；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）；用于专业高清 IP 摄像机的 SoC；视觉处理器单元 2x32Bit RISC Proc。4Gb LPDDR3；和 DDR4 DRAM 8Gb （512Mx16） 2400Mbps。

其技术和结构特性使其成为防止火灾和迅速检测公司和工业过程中的过热和温度变化的理想选择。

它的 VCA（视频内容分析）功能支持两个完全不同的过程：检测时空事件和分析视频。它有 4 种 VCA 规则类型（线路交叉、入侵、区域入口和区域退出），并且最多支持 8 个 VCA 规则。

热像仪采集热图像，使用户能够在完全黑暗和困难的条件下检测人员、物体和事故。因为它只对物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被记录场景中的光线的影响。

温度测量功能可以测量被监控点的实际温度。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

海康威视硬件

热像仪内部由 6 块板组成，每块板都用于特定目的。让我们分析一些部分（图 2 和图 3）。Cyclone V SoC FPGA 基于 TSMC 28-nm 低功耗 （28LP） 工艺构建；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，并在处理器和 FPGA 之间集成数据一致性。

信号调理/放大部分由各种 IC 组成， 特别是 AD8605ARTZ-REEL 通用放大器、LT6203IMS8 双通道放大器 100MHz 和 LT1994IMS8 差分放大器 70MHz。AD8605ARTZ 具有非常低的失调电压、低输入电压和电流噪声以及宽信号带宽。它使用 Analog Devices， Inc. 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整电路性能。

LT6202 具有 1.9nV/√Hz 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 增益带宽积和 25V/µs 压摆率相结合，并针对低电源信号调理系统进行了优化。谐波失真在 1MHz 时小于 –80dBc，因此这些放大器适用于低功率数据采集系统，例如热像仪。

LT1994 非常适合用于电平转换以地为基准的信号，以驱动差分输入、单电源 ADC。LT1994 的输出共模电压独立于输入共模电压，并且可通过在 VOCM 引脚上施加电压来调节，如其数据表中所述。

ADS1112IDGSR ADC 16 位和 LT3042IDD 支持 用于调理电路的FPGA 。ADS1112 专为需要高分辨率测量的应用而设计，其中空间和功耗是需要考虑的主要特征。相反，LT3042IDD 是一款低压差线性稳压器，专为对噪声敏感的 RF 应用供电。板载3和1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 80% 成本的主要部分是微测辐射热计（氧化钒）。它由带有温度控制电路的 Peltier 电池支持。

镜头

支持微测辐射热计的主要模块由各种透镜组成，以优化传感器上的红外光束。从图 4 和图 5 中我们可以看到一个直径为 19.6 mm 的锗 （Ge） 透镜和两个不同直径的三硒化砷 （As2Se3） 透镜，一个为 17.6 mm，另一个为 27.6 mm。

在光学中，f/数值（有时称为焦比或相对孔径）是光学系统的一个参数，它表示光接受的面积。也就是说，焦距除以光圈的直径。

具有大光圈直径的镜头允许更多的光或红外辐射通过它。因此，根据信噪比，更大量的红外辐射将改善测量。允许识别测量质量的参数称为“NETD”或“噪声等效温差”。它通常以毫开尔文 （mK） 表示，用于衡量热图像检测器区分热辐射图像中微小差异的能力。微测辐射热计探测器的非制冷热像仪的典型值约为 45 mK。

微测辐射热计

电阻器像素网格形成非制冷传感器。这些类型的传感器称为微测辐射热计。吸收器元件上的每次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。电阻值的变化取决于入射辐射，特别是加热表面的红外辐射。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。通常，微测辐射热计的结构经过优化，可在 8-14µm 光谱带中获得更高的灵敏度。

System Plus 强调了微测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

有源像素矩阵：640 x 512

垫数：107

引线键合：32

通过内部分析，我们可以看到反射器位于吸收材料下方并与基板接触，该基板将杂散光重定向通过以优化信号。吸收材料“悬浮”在基板上以实现隔热，而组成的像素网格采用真空封装，以提高耐用性和可靠性。热像仪中使用的大多数微测辐射热计都使用氧化钒作为吸收材料，因为更好的热对比度可确保更准确和更清晰的图像。

对于典型的电阻器，氧化钒探测器的阻抗约为 100Kohm，这与通常具有 30Mohm 阻抗的 α-Si 探测器不同。在这些条件下，氧化钒材料具有较低的约翰逊噪声电压，因此测量受到的噪声较小。约翰逊噪声电压取决于三个条件：电阻值、电路带宽和温度。

该相机配备了温度参考元件和珀尔帖温度稳定器，通过 AD5645RBRUZ 四通道 14 位 DAC 和片上参考和 MAX1978ETM+T 温度控制器用于珀尔帖模块。

珀耳帖电池是一种廉价的热电设备，用作发电机、冷却和精确温度控制的技术，就像本相机一样，将物体的温度保持在预定水平。珀耳帖电池基于热电现象的原理。这些现象是基于在两种不同金属材料的 PN 结中形成的电压电平差异。

MAX1978 具有片上功率 FET 和热控制回路电路，以最大限度地减少外部元件，同时保持高效率。超低漂移斩波放大器保持 ±0.001°C 的温度稳定性。温度传感器位于镜头模块上，基于 NTC/PTC 热敏电阻。一个额外的数字温度传感器 TMP75AIDRG4 监控由 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，氧化钒微测辐射热计不需要冷却。氧化钒根据温度表现出不同的行为。镀膜玻璃在某些特定温度下阻挡红外辐射（但不是可见光），从而使相机电子设备能够处理来自电磁光谱的图像并以伪彩色再现。

其他模块

热像仪支持工业接口的RS232传输（通过SP3232EEN-L）和以太网传输，支持RTL8201FI-VC-CG。如图 2 所示，板 6 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态和过压威胁，例如 EFT（电快速瞬态）和 ESD（静电放电） 。

热像仪具有 PoE（以太网供电）接口，由德州仪器 （TI） 的 TPS2378DDDAR PoE 高功率 PD 接口和 TL2845BDR-8 电流模式 PWM 控制器支持。后者提供了实现离线或 DC-DC 固定频率电流模式控制方案所需的所有功能，且外部组件数量最少。

TPS2378DDAR 的低 0.5Ω 内部开关电阻与 PowerPAD 封装的增强散热相结合，使 PoE 系统能够持续处理高达 0.85A 的电流。以太网供电 （PoE） 是一种通过双绞线传输电力的技术一对以太网电缆：提供电源的设备称为电源设备（PSE），而受电设备称为受电设备（PD）。当 PD 连接到 PSE 时，PoE 标准规定了 PD 的浪涌电流以防止高电流尖峰。此外，PoE 标准在 PSE 和 PD 之间提供模拟握手（分类）来协商功率。

热像仪支持专业高清 IP 摄像机的 HI3519 V111 SoC 的视频。它采用 H.265 视频压缩编码器以及先进的低功耗技术和架构设计。Hi3519 V101支持90°或270°旋转和镜头畸变校正，通过硬件、算法设计各种型号的IP摄像机和音频编解码器。该 SoC 由两对 DDR4 内存 4Gb 和 GD5F2GQ4UB9IGR 闪存 NAND 2Gb SPI 支持。

英特尔 Movidius MA2450 VPU 2x32Bit RISC Proc。933 MHz 的 4Gb LPDDR3 位于板 4（图 2）上，允许系统快速识别物体和人员、分析公共人口统计数据、检查制成品等等。计算机视觉使用深度学习来形成指导系统进行图像处理和分析的神经网络。

具有冷却和非冷却探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昂贵。现代冷却热像仪具有带低温冷却器的集成图像传感器。

借助微测辐射热计，热像仪可以以低成本提供良好的精度。相机测量物体散发的热量的表面温度，并将其作为图像投射到热成像屏幕上。

审核编辑：彭静