基于微測輻射熱計(jì)的熱成像 AI 相機(jī)

過去幾年，無論是在中國還是在全球，市場對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的需求都在飆升。攝像頭是所謂的“智慧城市”中安全的基本工具，需要在任何區(qū)域進(jìn)行全面監(jiān)控。

海康威視 2016 年開發(fā)的熱像儀引起了 System Plus Consulting 分析師的注意，一個(gè)關(guān)鍵原因是：人工智能。

?？低曂ㄟ^結(jié)合人工智能硬件和軟件，提供了一款嵌入人工智能功能的早期相機(jī)。它促使 Yole Développement 公司 System Plus Consulting 深入了解“了解其背后的技術(shù)選擇”。

對(duì)于 System Plus，?？低曄鄼C(jī)最值得注意的是，它體現(xiàn)了東西方的精華——“中國制造的微測輻射熱計(jì)和相機(jī)處理器”與“非中國 AI/模擬/其他處理組件”相結(jié)合。 ”

?？低曉谠搶I(yè)領(lǐng)域的競爭對(duì)手包括：大華和宇視，均位于中國，博世（德國）和安訊士（瑞典）。

然而，根據(jù) System Plus 的說法，?？低暤牟煌幵谟凇霸摴灸軌蛟O(shè)計(jì)和制造自己的產(chǎn)品”。這家中國公司擁有自己的 MEMS 生產(chǎn)線、MEMS 封裝/測試、眾多表面貼裝技術(shù) （SMT） 生產(chǎn)線和總裝能力。

英特爾、海思（華為的芯片部門）和 Movidius（現(xiàn)為英特爾公司）為?？低暤臄z像頭提供三個(gè)關(guān)鍵部件：

英特爾的可重構(gòu)解決方案負(fù)責(zé)微測輻射熱計(jì)輸出數(shù)字化后的數(shù)字信號(hào)處理，以及與 Maxim Peltier 控制器一起進(jìn)行的熱管理。

海思設(shè)計(jì)了一個(gè)芯片來做圖像信號(hào)處理、視頻編碼和加密、以太網(wǎng)接口。

Movidius 處理器為 AI 應(yīng)用程序啟用視覺處理。

在接下來的幾頁中，我們得到了 System Consulting 的幫助來了解?？低暤臒嵯駜x。

熱像儀

熱像儀能夠檢測人體產(chǎn)生的熱量，并通過復(fù)雜的信號(hào)分析過程將其轉(zhuǎn)化為圖像。通過溫度的檢測和分析再現(xiàn)圖像。在過去的幾年里， 熱成像 依靠微測輻射熱計(jì)進(jìn)入了低成本應(yīng)用領(lǐng)域。

微測輻射熱計(jì)是檢測紅外線的傳感器。它們由由不同層和不同吸收材料（如氧化釩或非晶硅 （α-Si））組成的敏感點(diǎn)網(wǎng)格（稱為“像素”）組成。

在接受 System Plus Consulting 采訪時(shí)，我們檢查了?？低?DS-2TD2166-15/V1 熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的技術(shù)和結(jié)構(gòu)方面。System Plus Consulting 的技術(shù)人員描述了系統(tǒng)的電子和物理硬件結(jié)構(gòu)，突出了構(gòu)成它的不同元素。

?？低?DS-2TD2166-15/V1 熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)配備基于氧化釩非制冷焦平面陣列的圖像傳感器（圖 1）。支持機(jī)場、鐵路等多個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的智能分析算法。該熱像儀基于多個(gè)芯片組，例如 RTD6171MR 微測輻射熱計(jì) 640×512 像素（17μm 間距）；FPGA Cyclone V 550MHz 224I/O （FBGA484）；SDRAM 2Gb （128Mx16） 800MHz 13.75ns （TFBGA96）; 珀?duì)柼K溫度控制器（TQFN48）；用于專業(yè)高清 IP 攝像機(jī)的 SoC；視覺處理器單元 2x32Bit RISC Proc。4Gb LPDDR3；和 DDR4 DRAM 8Gb （512Mx16） 2400Mbps。

其技術(shù)和結(jié)構(gòu)特性使其成為防止火災(zāi)和迅速檢測公司和工業(yè)過程中的過熱和溫度變化的理想選擇。

它的 VCA（視頻內(nèi)容分析）功能支持兩個(gè)完全不同的過程：檢測時(shí)空事件和分析視頻。它有 4 種 VCA 規(guī)則類型（線路交叉、入侵、區(qū)域入口和區(qū)域退出），并且最多支持 8 個(gè) VCA 規(guī)則。

熱像儀采集熱圖像，使用戶能夠在完全黑暗和困難的條件下檢測人員、物體和事故。因?yàn)樗粚?duì)物體發(fā)出的紅外輻射敏感，所以它查看和記錄圖像的能力不受被記錄場景中的光線的影響。

溫度測量功能可以測量被監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)際溫度。當(dāng)溫度超過閾值時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)出警報(bào)。讓我們看看這個(gè)房間的硬件部分的結(jié)構(gòu)

海康威視硬件

熱像儀內(nèi)部由 6 塊板組成，每塊板都用于特定目的。讓我們分析一些部分（圖 2 和圖 3）。Cyclone V SoC FPGA 基于 TSMC 28-nm 低功耗 （28LP） 工藝構(gòu)建；它由一個(gè)雙核 ARM Cortex-A9 MPCore 處理器、一組豐富的外設(shè)和一個(gè)共享的多端口 SDRAM 控制器組成。使用該 FPGA 可降低功耗并支持超過 100 Gbps 的峰值帶寬，并在處理器和 FPGA 之間集成數(shù)據(jù)一致性。

信號(hào)調(diào)理/放大部分由各種 IC 組成， 特別是 AD8605ARTZ-REEL 通用放大器、LT6203IMS8 雙通道放大器 100MHz 和 LT1994IMS8 差分放大器 70MHz。AD8605ARTZ 具有非常低的失調(diào)電壓、低輸入電壓和電流噪聲以及寬信號(hào)帶寬。它使用 Analog Devices， Inc. 獲得專利的 DigiTrim 微調(diào)技術(shù)，該技術(shù)通過對(duì)數(shù)字加權(quán)電流源進(jìn)行編程來調(diào)整電路性能。

LT6202 具有 1.9nV/√Hz 噪聲電壓，每個(gè)放大器僅消耗 2.5mA 的電源電流。該放大器將低噪聲和電源電流與 100MHz 增益帶寬積和 25V/μs 壓擺率相結(jié)合，并針對(duì)低電源信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。諧波失真在 1MHz 時(shí)小于 –80dBc，因此這些放大器適用于低功率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，例如熱像儀。

LT1994 非常適合用于電平轉(zhuǎn)換以地為基準(zhǔn)的信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)差分輸入、單電源 ADC。LT1994 的輸出共模電壓獨(dú)立于輸入共模電壓，并且可通過在 VOCM 引腳上施加電壓來調(diào)節(jié)，如其數(shù)據(jù)表中所述。

ADS1112IDGSR ADC 16 位和 LT3042IDD 支持 用于調(diào)理電路的FPGA 。ADS1112 專為需要高分辨率測量的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其中空間和功耗是需要考慮的主要特征。相反，LT3042IDD 是一款低壓差線性穩(wěn)壓器，專為對(duì)噪聲敏感的 RF 應(yīng)用供電。板載3和1還有其他集成電路來支持相關(guān)集成子系統(tǒng)的電源，例如線性穩(wěn)壓器和降壓轉(zhuǎn)換器。

決定 80% 成本的主要部分是微測輻射熱計(jì)（氧化釩）。它由帶有溫度控制電路的 Peltier 電池支持。

鏡頭

支持微測輻射熱計(jì)的主要模塊由各種透鏡組成，以優(yōu)化傳感器上的紅外光束。從圖 4 和圖 5 中我們可以看到一個(gè)直徑為 19.6 mm 的鍺 （Ge） 透鏡和兩個(gè)不同直徑的三硒化砷 （As2Se3） 透鏡，一個(gè)為 17.6 mm，另一個(gè)為 27.6 mm。

在光學(xué)中，f/數(shù)值（有時(shí)稱為焦比或相對(duì)孔徑）是光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)參數(shù)，它表示光接受的面積。也就是說，焦距除以光圈的直徑。

具有大光圈直徑的鏡頭允許更多的光或紅外輻射通過它。因此，根據(jù)信噪比，更大量的紅外輻射將改善測量。允許識(shí)別測量質(zhì)量的參數(shù)稱為“NETD”或“噪聲等效溫差”。它通常以毫開爾文 （mK） 表示，用于衡量熱圖像檢測器區(qū)分熱輻射圖像中微小差異的能力。微測輻射熱計(jì)探測器的非制冷熱像儀的典型值約為 45 mK。

微測輻射熱計(jì)

電阻器像素網(wǎng)格形成非制冷傳感器。這些類型的傳感器稱為微測輻射熱計(jì)。吸收器元件上的每次入射輻射都會(huì)將其溫度升高到電阻器溫度以上；吸收功率越高，溫升越高。電阻值的變化取決于入射輻射，特別是加熱表面的紅外輻射。每個(gè)像素由 CMOS 輸入單元（讀出集成電路 -ROIC）表示，并通過調(diào)節(jié)電路進(jìn)行處理，以便通過 FPGA 在我們的計(jì)算機(jī)或監(jiān)視器上生成圖像。通常，微測輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，可在 8-14μm 光譜帶中獲得更高的靈敏度。

System Plus 強(qiáng)調(diào)了微測輻射熱計(jì)的物理特性，總結(jié)如下：

模具面積：175.2mm2 （13.6 x 12.8mm）

像素面積：96.4mm2 （10.9 x 8.85 mm）

像素矩陣：641 x 520

有源像素矩陣：640 x 512

墊數(shù)：107

引線鍵合：32

通過內(nèi)部分析，我們可以看到反射器位于吸收材料下方并與基板接觸，該基板將雜散光重定向通過以優(yōu)化信號(hào)。吸收材料“懸浮”在基板上以實(shí)現(xiàn)隔熱，而組成的像素網(wǎng)格采用真空封裝，以提高耐用性和可靠性。熱像儀中使用的大多數(shù)微測輻射熱計(jì)都使用氧化釩作為吸收材料，因?yàn)楦玫臒釋?duì)比度可確保更準(zhǔn)確和更清晰的圖像。

對(duì)于典型的電阻器，氧化釩探測器的阻抗約為 100Kohm，這與通常具有 30Mohm 阻抗的 α-Si 探測器不同。在這些條件下，氧化釩材料具有較低的約翰遜噪聲電壓，因此測量受到的噪聲較小。約翰遜噪聲電壓取決于三個(gè)條件：電阻值、電路帶寬和溫度。

該相機(jī)配備了溫度參考元件和珀?duì)柼麥囟确€(wěn)定器，通過 AD5645RBRUZ 四通道 14 位 DAC 和片上參考和 MAX1978ETM+T 溫度控制器用于珀?duì)柼K。

珀耳帖電池是一種廉價(jià)的熱電設(shè)備，用作發(fā)電機(jī)、冷卻和精確溫度控制的技術(shù)，就像本相機(jī)一樣，將物體的溫度保持在預(yù)定水平。珀耳帖電池基于熱電現(xiàn)象的原理。這些現(xiàn)象是基于在兩種不同金屬材料的 PN 結(jié)中形成的電壓電平差異。

MAX1978 具有片上功率 FET 和熱控制回路電路，以最大限度地減少外部元件，同時(shí)保持高效率。超低漂移斬波放大器保持 ±0.001°C 的溫度穩(wěn)定性。溫度傳感器位于鏡頭模塊上，基于 NTC/PTC 熱敏電阻。一個(gè)額外的數(shù)字溫度傳感器 TMP75AIDRG4 監(jiān)控由 FPGA 直接管理的系統(tǒng)（環(huán)境）溫度。

與其他類型的紅外檢測設(shè)備不同，氧化釩微測輻射熱計(jì)不需要冷卻。氧化釩根據(jù)溫度表現(xiàn)出不同的行為。鍍膜玻璃在某些特定溫度下阻擋紅外輻射（但不是可見光），從而使相機(jī)電子設(shè)備能夠處理來自電磁光譜的圖像并以偽彩色再現(xiàn)。

其他模塊

熱像儀支持工業(yè)接口的RS232傳輸（通過SP3232EEN-L）和以太網(wǎng)傳輸，支持RTL8201FI-VC-CG。如圖 2 所示，板 6 包括帶有瞬態(tài)電壓抑制二極管 （TVS） 的 AC/DC 電源系統(tǒng)，以保護(hù)電子電路免受瞬態(tài)和過壓威脅，例如 EFT（電快速瞬態(tài)）和 ESD（靜電放電） 。

熱像儀具有 PoE（以太網(wǎng)供電）接口，由德州儀器 （TI） 的 TPS2378DDDAR PoE 高功率 PD 接口和 TL2845BDR-8 電流模式 PWM 控制器支持。后者提供了實(shí)現(xiàn)離線或 DC-DC 固定頻率電流模式控制方案所需的所有功能，且外部組件數(shù)量最少。

TPS2378DDAR 的低 0.5Ω 內(nèi)部開關(guān)電阻與 PowerPAD 封裝的增強(qiáng)散熱相結(jié)合，使 PoE 系統(tǒng)能夠持續(xù)處理高達(dá) 0.85A 的電流。以太網(wǎng)供電 （PoE） 是一種通過雙絞線傳輸電力的技術(shù)一對(duì)以太網(wǎng)電纜：提供電源的設(shè)備稱為電源設(shè)備（PSE），而受電設(shè)備稱為受電設(shè)備（PD）。當(dāng) PD 連接到 PSE 時(shí)，PoE 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 PD 的浪涌電流以防止高電流尖峰。此外，PoE 標(biāo)準(zhǔn)在 PSE 和 PD 之間提供模擬握手（分類）來協(xié)商功率。

熱像儀支持專業(yè)高清 IP 攝像機(jī)的 HI3519 V111 SoC 的視頻。它采用 H.265 視頻壓縮編碼器以及先進(jìn)的低功耗技術(shù)和架構(gòu)設(shè)計(jì)。Hi3519 V101支持90°或270°旋轉(zhuǎn)和鏡頭畸變校正，通過硬件、算法設(shè)計(jì)各種型號(hào)的IP攝像機(jī)和音頻編解碼器。該 SoC 由兩對(duì) DDR4 內(nèi)存 4Gb 和 GD5F2GQ4UB9IGR 閃存 NAND 2Gb SPI 支持。

英特爾 Movidius MA2450 VPU 2x32Bit RISC Proc。933 MHz 的 4Gb LPDDR3 位于板 4（圖 2）上，允許系統(tǒng)快速識(shí)別物體和人員、分析公共人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、檢查制成品等等。計(jì)算機(jī)視覺使用深度學(xué)習(xí)來形成指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理和分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

具有冷卻和非冷卻探測器的各種熱像儀型號(hào)在市場上脫穎而出。帶有冷卻傳感器的熱像儀更昂貴?，F(xiàn)代冷卻熱像儀具有帶低溫冷卻器的集成圖像傳感器。

借助微測輻射熱計(jì)，熱像儀可以以低成本提供良好的精度。相機(jī)測量物體散發(fā)的熱量的表面溫度，并將其作為圖像投射到熱成像屏幕上。