ToB企服应用市场:ToB评测及商务社交产业平台

标题: 万字初探红外摄像头（下）：自动驾驶感知“响尾蛇”——长波红外热成像系统 [打印本页]
作者: 干翻全岛蛙蛙    时间: 2024-6-10 10:25
标题: 万字初探红外摄像头（下）：自动驾驶感知“响尾蛇”——长波红外热成像系统

图片来源：FLIR

有些蛇（例如蝮蛇、眼镜蛇、响尾蛇等）具备特殊的温度感受器，能够感知波长在5到30μm之间的红外线辐射热。在黑夜里，该温度感受器可以接收外部目标发出的红外线，起着如同双眼视觉的作用。感受器敏感度非常高，能辨别0.002℃的温差。


图片来源：https://www.zhihu.com/question/67377797
响尾蛇的感受器分布在颜面两侧的颊窝下，颊窝内有一层1/40mm的薄膜，薄膜上分布着五对神经细胞的神经末梢，对温热变化非常敏感，可进行“热定位”。以是，科学家又将颊窝称为其“热眼”或“红外感受器”。
因此，纵然在没有光线的情况下，响尾蛇也能在几米外探测到猎物的热量，并精确发动攻击。


（上述相干图片和介绍参考来源：https://pro.biomart.cn/lab-web/news/article/3687jn2go4fds.html，https://wikipredia.net/zh/Infrared_sensing_in_snakes#References，https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_11228337）
正是使用蛇类颊窝的热探测原理，响尾蛇导弹配备有红外线自动跟踪制导系统，对热极为敏感，发射后能追踪目标喷射的热气流，继而精确无误地击中目标。


图片来源：David Monniaux/Wikimedia

上述蛇类和响尾蛇导弹正是采用红外线热辐射进行目标检测，而采用相同原理的，非制冷长波红外热成像也是自动驾驶系统中，极具应用潜力的一种红外感知技能。
本文重点介绍非制冷长波红外热成像摄像头，包括其基本原理、关键器件、焦点技能、重要挑衅、发展趋势和国内重要玩家。
本篇为下篇，上篇请参考：《雪岭 · 万字初探红外摄像头（上）：基本原理、特点、应用和国外重要玩家》。

01 非制冷长波红外摄像头原理

1. 整体架构

非制冷长波红外热成像摄像头的整体布局如下，此中，焦点器件重要包括：红外镜头，红外探测器，图像处理等。


2. 红外探测器

红外探测器是长波红外摄像头的最焦点器件，重要采用微电子工艺集成电路技能制成。
红外探测器和读出电路，构成红外焦平面阵列，如下所示：


此中，探测器集成了多个探测像元（从几万到数百万不等），这些像元同时完成光电转换和信号处理。

1）探测器的分类
按照成像的应用方式划分，红外探测器可以分为扫描式和凝视式两种。
如今市面主流产物都是凝视型焦平面，扫描型焦平面在一些特殊应用方面仍有市场需求。


图片来源：张建奇《红外探测器》
另外，根据工作原理的差别，非制冷红外焦平面探测器还可分为热释电、热电堆、热敏二极管以及微测辐射热计等范例。此中，微测辐射热计应用最为广泛，这是一种热敏电阻型传感器，在红外辐射照射到传感器后，传感器温度升高，热敏薄膜的阻值改变。

2）微测辐射热计型探测器
微测辐射热计型探测器是如今技能最成熟、市场占有率最高的主流非制冷红外焦平面探测器。它是基于 MEMS 技能制造加工的微型传感器，由底部反射镜、互联电极、绝热桥腿、热敏电阻和红外吸收桥面构成。
布局示意图：


图片来源：万方数据
在硅衬底上通过MEMS技能生长出与桥面布局非常相似的像元，故而也称之为微桥。桥面通常由多层质料构成，包括用于吸收红外辐射能量的吸收层，和将温度变化转换成电压（或电流）变化的热敏层。桥臂和桥墩起到支持桥面，并实现电毗连的作用。


红外吸收层吸收外来的红外辐射，引起热敏电阻温度变化，从而导致其阻值变化，读出电路将电阻变化转化为电信号，输出红外热像。
因此，从上述原理来看，热成像红外摄像头没有类似于可见光摄像头的“曝光时间”，大概说，热成像红外摄像头其实“不绝在曝光”（和人眼更类似），电信号及时反映所担当的热辐射的能量。
几个差别厂家的像元设计（放大1000倍左右）：


图片来源：中信建投研究发展部
探测器作为一种MEMS器件，由于面积较大，以及器件特殊性和非标的生产步调，导致其设计和流片本钱都远高于正常的图像传感器。
另外，由于是依赖电阻的变化读出信号，如今重要使用FPGA作为图像处理芯片，少部分头部厂家开发了专门的ASIC芯片。

3）探测器的重要指标
红外探测器的参数指标如下，此中比力重要的是阵列规模、像元尺寸、NETD、热响应时间等。


数据来源：《8 Things Engineers Should Know About Thermal Imaging》（FLIR，2016），广发证券

4）热敏质料
热敏质料的选取对于微测辐射热计的敏捷度（NETD）有非常大的影响，权衡热敏电阻质料的一个重要性子是电阻温度系数(TCR)，定义为电阻随温度的相对变化率。
如今最为常用的热敏质料是氧化钒（VOx）和非晶硅（a-Si）两类。


资料来源：AIoT 星图研究院
氧化钒（VOx）
20世纪80年代初，美国的Honeywell公司接军方课题开始研究氧化钒薄膜，并于20世纪80年代末研制出非制冷氧化钒微测辐射热计。氧化钒也有多种复合形态，如VO2、V2O5、V2O3等。氧化钒质料具有较高的TCR（在室温情况下约为2%/K～3%/K），其制备技能颠末多年的发展已很成熟，在微测辐射热计高端产物中得到了广泛的应用。此中，V2O3的制备技能较其他复合形态更为简单且成像效果更好，现已成为重要研究和生产方向。

非晶硅（α-Si）
非晶硅技能起步大约晚了十年，法国原子能委员会从1992年开始研究非晶硅质料的探测器，如今技能上已很成熟。非晶硅的TCR与VOx相当，也是一种得到较多应用的微测辐射热计质料，其优点是与尺度硅工艺完全兼容，制备过程相对简单。但由于非晶硅是无定形布局，呈现的1/f噪声比VOx要高，以是NETD通常不如VOx质料。

两种质料的对比：


氧化钒综合性能更为出色，是如今非制冷红外焦平面探测器的主流技能方案。
3. 读出电路

读出电路（ROIC）是红外探测器和信号处理电路之间的接口电路，读出电路将每个像元的微小电阻变化，以电信号的方式输出。
由于微测辐射热计对于其衬底温度的变化非常敏感，以是一开始必须使用热电温控器（TEC）来保持探测器的焦平面温度稳定。近年来随着读出电路设计程度的提高，一些抑制像元输出信号随温度漂移的赔偿电路也逐渐加入读出电路设计中，从而可以实现无TEC应用，使得非制冷红外焦平面探测器在功耗、体积、本钱等方面更具备优势。
常见的读出电路有4种：电荷注入器件(CID)、电荷成像矩阵(CIM)、电荷耦合器件(CCD)、互补的金属-氧化物-半导体器件(CMOS)。
此中，CMOS和CCD可以采用硅基质料工艺制备，早期的ROIC采用的是CCD，随着CMOS工艺的改进，CMOS成为了读出电路的主流方案。
CCD ROIC和CMOS ROIC相比，两者的重要区别在于：



4. 封装技能

探测器接收目标红外辐射后的温度变化很微弱，为了使其上面的热量能够维持住，避免与氛围分子进行热交换，必须将其置于真空情况下工作。
如今的封装技能可分为金属管壳、陶瓷管壳、晶圆级、像元级等。


图片参考：高德红外
优劣势对比：


资料来源：AIoT 星图研究院
金属管壳封装：是最早开始采用的封装技能，技能已非常成熟。但由于采用了金属管壳、TEC和吸气剂等本钱较高的部件，导致其本钱不绝居高不下，使其在低本钱器件上的应用受到限制。
陶瓷管壳封装：得益于无TEC技能的发展，可明显减小封装后探测器的体积和重量，且从原质料本钱和制造本钱上都比金属管壳封装大为降低，得当大批量生产。
晶圆级封装（Wafer Level Packaging，WLP）：晶圆级封装是刚刚进入实用阶段的封装技能。该技能须要制造与探测器晶圆相对应的另一片硅窗晶圆，将红外探测器芯片与硅窗精确对准，在真空腔体内将两片晶圆焊接在一起，最后再裂片成为一个个晶圆级红外探测器。晶圆级封装技能的集成度更高，工艺步调更简单，更得当大批量和低本钱生产。


图片来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/28109727
像元级封装技能：如今还处于研究阶段，离产物化还有相当间隔。该技能相当于在如今的MEMS工艺过程中增加了一个封装步调，在真空腔体内为每个像元微桥布局制造一个倒扣的微盖，将各个像元独立密封起来。像元级封装技能把封装整合进MEMS工艺过程中，简化了非制冷红外焦平面探测器的制造过程，使封装本钱险些降低到极致。


图片来源：https://blog.csdn.net/maopig/article/details/80854844
5. 镜头

短波红外摄像头可以使用一般玻璃作为镜片质料，但是对于中波和长波红外热成像摄像头，只能使用硫系玻璃大概锗玻璃用作镜片质料。


图片来源：网络
差别波长对于差别材质玻璃的通过率如下：


图片来源：光电读书
正因为此原因，长波红外摄像头无法穿透一般的玻璃，以是不能安装在挡风玻璃的背面。
面临同样一块玻璃，长波红外摄像头和短波红外摄像头的效果对比：


图片参考：https://www.zhihu.com/question/264497610/answer/1359874409
不过，有一些特殊材质的车窗玻璃，会让极少的高于3μm波长的红外线穿透，形成一个非常弱的红外热成像。


图片参考：https://www.zhihu.com/question/264497610/answer/1359874409
02 重要挑衅和发展趋势

1. 重要挑衅

1）本钱较高

相对于制冷型红外摄像头，非制冷长波红外摄像头代价已经很低，但是在量产汽车上，相对于可见光摄像头，非制冷长波红外摄像头代价还是比力高。
据相识，一个640*512分辨率（32万像素）的长波红外摄像头一般要2000元以上，而一个3200*2400分辨率（800万像素）的可见光摄像头代价大概为500元左右。
代价高的重要原因是：

2）成像质量不高


3）算法本领较弱

由于成像质量没有可见光相机高，并且成像质量还会随着情况发生一定变化，使得辨认算法开发难度较大。
深度学习技能是如今图像辨认算法的主流算法，由于热成像摄像头的数据集短缺，并且采集难度较大，因此使得算法的开发难度也较大。
4）人才储备不敷

红外热像仪（包括芯片探测器）研发、生产的技能综合性要求生产商须要有多范畴的人才储备，国内相干技能起步较晚，相对于激光雷达、可见光摄像头等其他传感器，相干的研发人员总体数量偏少，也一定程度制约了产物的推广进度。


2. 发展趋势

长波热成像红外系统的技能发展有以下几个趋势：



03 国内重要玩家

国内非制冷红外焦平面探测器技能比国外起步晚了近二十年，颠末本土厂商的不懈积极，技能差距正逐渐缩小。
近几年来，中国在非制冷红外焦平面探测器的市场份额逐年提拔，此中代表厂商有高德红外、海康微影、艾睿光电、大立科技、北方广微等。
此中，部分探测器指标对比如下：


图片来源：浙商证券
1. 高德红外（高芯科技、轩辕智驾）

武汉高德红外建立1999年，2010年在厚交所中小板上市。
高德红外从事红外探测器芯片、红外热成像产物、综合光电系统及完整武器系统的科研生产。其旗下的高芯科技、智感科技、轩辕智驾三个全资子公司分别专注于探测器、整机及应用等范畴。
1）高芯科技
高芯科技成立于2013年，是高德红外旗下致力于提供红外探测器、机芯模组以及办理方案的全资子公司。公司红外探测器正在向阵列规模更大、像元尺寸更小、敏捷度更高、热响应时间更短方向延伸，封装技能从芯片级（金属、陶瓷）向晶圆级、像元级发展，由单色向双色/多色升级。就非制冷探测器而言，高芯科技建立了8英寸0.11μm氧化钒非制冷红外探测器批产线，自主完成原质料的提纯、生长，到芯片的流片、制造、封装与测试等全套工艺。
高芯科技部分非制冷探测器和机芯：


资料来源：高芯科技官网，AIoT 星图研究院
氧化钒(VOx)非制冷红外探测的发展历程如下：


图片来源：轩辕智驾
面向车载的重要是iDAS384系列产物，重要性能指标如下：


图片来源：高芯科技
2）轩辕智驾
轩辕智驾成立于2016年7月，依托于团体的军工技能储备，专攻智能安全驾驶与聪明座舱范畴，致力于儿童防遗落安全系统、舱内红外小模组和舱外远红外产物线的优化和市场开拓。
当前，轩辕智驾持续推进其他商用车和乘用车的定点开发工作，已与国内知名的无人驾驶商用车企业完成了关于某款无人驾驶干线物流车的前装定点工作，将远红外摄像头集成到客户的无人驾驶方案中。
量产车型：东风猛士、广汽埃安昊铂、百度、陕汽重卡等。
面向车载的重要产物是N-Driver系列车规级红外摄像头：


图片来源：轩辕智驾
性能指标如下：


可见光和红外光的双光像素级融合摄像头：


图片来源：轩辕智驾
AI算法盒可以基于AI深度学习算法，配合专用车载红外摄像头，实现行人、车辆等障碍物分类检测，碰撞预警等功能。据官网信息，AI算法盒行人检测率≥95%，车辆检测率≥98%，虚警率≤1%。


图片来源：轩辕智驾

2. 海康威视（海康微影）

海康威视子公司海康微影于2016年9月成立，公司以MEMS技能为焦点，重要生产基于氧化钒的非制冷型长波红外探测器。
2020年9月10日，海康微影发布晶圆级封装1280*1024阵列非制冷红外焦平面探测器：


图片来源：https://tech.sina.com.cn/roll/2020-09-11/doc-iivhvpwy6152414.shtml
该探测器重要指标是：NETD：≤50mK，60Hz，F/1.0；≤40mK，@30Hz，F/1.0，成像效果图如下：


图片来源：https://tech.sina.com.cn/roll/2020-09-11/doc-iivhvpwy6152414.shtml

3. 睿创微纳（艾睿光电）

睿创微纳成立于2009年底，公司发展历程如下：


数据来源：广发证券发展研究中央
睿创微纳把握全球首款8μm 1920×1080红外热成像芯片技能，车载感知产物如今涵盖单红外、双光融合、双红外等范例，分辨率做到256、384、640、1280及1920全覆盖。结合覆盖多地域、多季候、多场景的大量红外数据集，自研红外感知AI算法，将广泛满意汽车智能驾驶、自动驾驶、智能座舱等范畴的应用需求。
艾睿光电是睿创微纳子公司，成立于2010年，专注于红外热成像产物的研发、制造。艾睿光电部分型号非制冷 Vox 探测器芯片：


资料来源：艾睿光电官网，AIoT 星图研究院
2020年8月，公司领先发布自主研发的“猎鹰”ASIC处理器芯片，取代了传统红外成像模组的FPGA方案。搭载公司AISC芯片的红外成像模组集成度大幅提拔，明显减小了成像模组尺寸，降低了成像模组功耗，降低了量产本钱。
量产车型有：比亚迪仰望U8、吉利汽车、远航汽车、踏歌智行、中科慧拓、大运远航系列、滴滴双子星、图森、智加科技、出息汽车、广汽埃安等等。
部分探测器性能指标：


图片来源：国元证券
面向车载的产物类别：


图片来源：国元证券
此中，IR-Pilot系列是艾睿光电是针对汽车市场专门设计研发的小型化、车规级红外热成像摄像头（长波红外8~14um），可以满意多种分辨率、多种视场角、多种探测间隔的应用需求。


图片来源：艾睿光电
IR-Pilot 1920X拍摄的红外热成像图片：


图片来源：艾睿光电

4. 大立科技

大立科技前身为1984年成立的浙江省测试技能研究所，于2006年启动非制冷红外焦平面探测器开发。是国内唯一实现量产双技能路线（非晶硅与氧化钒）非制冷焦平面红外探测器的红外企业。
大立科技面向车载的是EX系列产物，在东风猛士、一汽解放等车型上量产。


图片来源：大立科技
EX系列产物重要参数：


5. 北方广微

北方广微成立于2006年7月，隶属于北方夜视科技团体有限公司。发展历程如下：


图片来源：国元证券
公司从事非制冷型红外焦平面探测器及机芯组件研制与生产，重要采用VOx半导体质料。公司于2017年研制出一款高性能640×512@17μm的非制冷VOx红外焦平面探测器。


图片来源：北方广微
部分探测器和机芯指标如下：


图片来源：国元证券

6. 飒特红外

广州飒特红外自主研发红外热像产物，开发了国内第一台民用红外热电视产物。
在AWE2023 家电与消费电子展上，飒特红外展出了“NV628车载夜视辅助系统”。NV628基于长波红外镜头及DSP微处理器，搭配红外数据图像细节加强技能（DDE）、AI行人辨认算法，可辨认500米间隔的车辆，120米间隔的行人。


图片来源：飒特红外

7. 久之洋

湖北久之洋成立于2001年，重要开发制冷/非制冷红外热像仪、激光测距/测照仪、星体跟踪器、特种光学元件等，开发了国内首台一连变焦反扫红外热成像仪。
面向车载的红外产物重要是JIR-3031A/B摄像头：


图片来源：久之洋
性能参数如下表：


数据来源：久之洋
04

结语

自动驾驶行业AEB相干法规正在不绝加严，自动驾驶系统品级也在不绝提拔：

随着AEB法规的不绝加严，以及自动驾驶系统品级的逐渐提拔，自动驾驶系统对于全场景感知本领的要求逐渐提高，对于传感器异构冗余、预期功能安全的要求也越来越高。
长波红外热成像系统是和可见光摄像头、毫米波雷达和激光雷达原理差别的异构传感器，具备黑暗情况下精良的目标检测本领，以及精良的恶劣天气顺应性。
长波红外热成像系统如今本钱还较高，因此大概会先在较高级别自动驾驶，以及高端汽车上进行应用，随着降本和性能的逐渐提拔，相信在汽车上的应用会越来越广泛，为自动驾驶安全性和可用性的提拔，发挥独特的作用。
非常期待能够在自动驾驶汽车上，越来越多能够看到这颗来自外星人的“黑科技”。


图片来源：施瓦辛格影戏作品《铁血兵士》(1987年)


本篇为下篇，上篇请参考：《雪岭 · 万字初探红外摄像头（上）：基本原理、特点、应用和国外重要玩家》。
本文内容仅代表个人观点，和真实情况有大概有毛病，仅供参考。如须要相干内容更详细的技能信息，欢迎添加“雪岭飞花”微信（maxhnnl）进一步交流，感谢。
参考资料


免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！更多信息从访问主页：qidao123.com:ToB企服之家，中国第一个企服评测及商务社交产业平台。



欢迎光临 ToB企服应用市场:ToB评测及商务社交产业平台 (https://dis.qidao123.com/) Powered by Discuz! X3.4