中國公司海康威視是監控攝像頭的領先供應商之一。

過去幾年，無論是在中國還是在全球，市場對監控系統的需求都在飆升。攝像頭是所謂的“智慧城市”中安全的基本工具，需要在任何區域進行全面監控。

海康威視 2016 年開發的熱像儀引起了 System Plus Consulting 分析師的注意，一個關鍵原因是：人工智能。

海康威視通過結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。它促使 Yole Développement 公司 System Plus Consulting 深入了解“了解其背后的技術選擇”。

對于 System Plus，海康威視相機最值得注意的是，它體現了東西方的精華——“中國制造的微測輻射熱計和相機處理器”與“非中國 AI/模擬/其他處理組件”相結合。 ”

海康威視在該專業領域的競爭對手包括：大華和宇視，均位于中國，博世（德國）和安訊士（瑞典）。

然而，根據 System Plus 的說法，海康威視的不同之處在于“該公司能夠設計和制造自己的產品”。這家中國公司擁有自己的 MEMS 生產線、MEMS 封裝/測試、眾多表面貼裝技術 （SMT） 生產線和總裝能力。

英特爾、海思（華為的芯片部門）和 Movidius（現為英特爾公司）為海康威視的攝像頭提供三個關鍵部件：

英特爾的可重構解決方案負責微測輻射熱計輸出數字化后的數字信號處理，以及與 Maxim Peltier 控制器一起進行的熱管理。

海思設計了一個芯片來做圖像信號處理、視頻編碼和加密、以太網接口。

Movidius 處理器為 AI 應用程序啟用視覺處理。

在接下來的幾頁中，我們得到了 System Consulting 的幫助來了解海康威視的熱像儀。

熱像儀

熱像儀能夠檢測人體產生的熱量，并通過復雜的信號分析過程將其轉化為圖像。通過溫度的檢測和分析再現圖像。在過去的幾年里， 熱成像 依靠微測輻射熱計進入了低成本應用領域。

微測輻射熱計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））組成的敏感點網格（稱為“像素”）組成。

在接受 System Plus Consulting 采訪時，我們檢查了海康威視 DS-2TD2166-15/V1 熱成像網絡攝像機的技術和結構方面。System Plus Consulting 的技術人員描述了系統的電子和物理硬件結構，突出了構成它的不同元素。

海康威視 DS-2TD2166-15/V1 熱成像網絡攝像機配備基于氧化釩非制冷焦平面陣列的圖像傳感器（圖 1）。支持機場、鐵路等多個關鍵基礎設施的智能分析算法。該熱像儀基于多個芯片組，例如 RTD6171MR 微測輻射熱計 640×512 像素（17μm 間距）；FPGA Cyclone V 550MHz 224I/O （FBGA484）；SDRAM 2Gb （128Mx16） 800MHz 13.75ns （TFBGA96）; 珀爾帖模塊溫度控制器（TQFN48）；用于專業高清 IP 攝像機的 SoC；視覺處理器單元 2x32Bit RISC Proc。4Gb LPDDR3；和 DDR4 DRAM 8Gb （512Mx16） 2400Mbps。

其技術和結構特性使其成為防止火災和迅速檢測公司和工業過程中的過熱和溫度變化的理想選擇。

它的 VCA（視頻內容分析）功能支持兩個完全不同的過程：檢測時空事件和分析視頻。它有 4 種 VCA 規則類型（線路交叉、入侵、區域入口和區域退出），并且最多支持 8 個 VCA 規則。

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。因為它只對物體發出的紅外輻射敏感，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控點的實際溫度。當溫度超過閾值時，設備會發出警報。讓我們看看這個房間的硬件部分的結構

海康威視硬件

熱像儀內部由 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） 工藝構建；它由一個雙核 ARM Cortex-A9 MPCore 處理器、一組豐富的外設和一個共享的多端口 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 之間集成數據一致性。

信號調理/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 具有非常低的失調電壓、低輸入電壓和電流噪聲以及寬信號帶寬。它使用 Analog Devices， Inc. 獲得專利的 DigiTrim 微調技術，該技術通過對數字加權電流源進行編程來調整電路性能。

LT6202 具有 1.9nV/√Hz 噪聲電壓，每個放大器僅消耗 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 壓擺率相結合，并針對低電源信號調理系統進行了優化。諧波失真在 1MHz 時小于 –80dBc，因此這些放大器適用于低功率數據采集系統，例如熱像儀。

LT1994 非常適合用于電平轉換以地為基準的信號，以驅動差分輸入、單電源 ADC。LT1994 的輸出共模電壓獨立于輸入共模電壓，并且可通過在 VOCM 引腳上施加電壓來調節，如其數據表中所述。

ADS1112IDGSR ADC 16 位和 LT3042IDD 支持 用于調理電路的FPGA 。ADS1112 專為需要高分辨率測量的應用而設計，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壓器，專為對噪聲敏感的 RF 應用供電。板載3和1還有其他集成電路來支持相關集成子系統的電源，例如線性穩壓器和降壓轉換器。

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

鏡頭

支持微測輻射熱計的主要模塊由各種透鏡組成，以優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直徑為 19.6 mm 的鍺 （Ge） 透鏡和兩個不同直徑的三硒化砷 （As2Se3） 透鏡，一個為 17.6 mm，另一個為 27.6 mm。

在光學中，f/數值（有時稱為焦比或相對孔徑）是光學系統的一個參數，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，根據信噪比，更大量的紅外輻射將改善測量。允許識別測量質量的參數稱為“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分熱輻射圖像中微小差異的能力。微測輻射熱計探測器的非制冷熱像儀的典型值約為 45 mK。

微測輻射熱計

電阻器像素網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。吸收器元件上的每次入射輻射都會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。每個像素由 CMOS 輸入單元（讀出集成電路 -ROIC）表示，并通過調節電路進行處理，以便通過 FPGA 在我們的計算機或監視器上生成圖像。通常，微測輻射熱計的結構經過優化，可在 8-14μm 光譜帶中獲得更高的靈敏度。

System Plus 強調了微測輻射熱計的物理特性，總結如下：

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：107

引線鍵合：32

通過內部分析，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化信號。吸收材料“懸浮”在基板上以實現隔熱，而組成的像素網格采用真空封裝，以提高耐用性和可靠性。熱像儀中使用的大多數微測輻射熱計都使用氧化釩作為吸收材料，因為更好的熱對比度可確保更準確和更清晰的圖像。

對于典型的電阻器，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條件：電阻值、電路帶寬和溫度。

該相機配備了溫度參考元件和珀爾帖溫度穩定器，通過 AD5645RBRUZ 四通道 14 位 DAC 和片上參考和 MAX1978ETM+T 溫度控制器用于珀爾帖模塊。

珀耳帖電池是一種廉價的熱電設備，用作發電機、冷卻和精確溫度控制的技術，就像本相機一樣，將物體的溫度保持在預定水平。珀耳帖電池基于熱電現象的原理。這些現象是基于在兩種不同金屬材料的 PN 結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，同時保持高效率。超低漂移斬波放大器保持 ±0.001°C 的溫度穩定性。溫度傳感器位于鏡頭模塊上，基于 NTC/PTC 熱敏電阻。一個額外的數字溫度傳感器 TMP75AIDRG4 監控由 FPGA 直接管理的系統（環境）溫度。

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

其他模塊

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

熱像儀具有 PoE（以太網供電）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。后者提供了實現離線或 DC-DC 固定頻率電流模式控制方案所需的所有功能，且外部組件數量最少。

TPS2378DDAR 的低 0.5Ω 內部開關電阻與 PowerPAD 封裝的增強散熱相結合，使 PoE 系統能夠持續處理高達 0.85A 的電流。以太網供電 （PoE） 是一種通過雙絞線傳輸電力的技術一對以太網電纜：提供電源的設備稱為電源設備（PSE），而受電設備稱為受電設備（PD）。當 PD 連接到 PSE 時，PoE 標準規定了 PD 的浪涌電流以防止高電流尖峰。此外，PoE 標準在 PSE 和 PD 之間提供模擬握手（分類）來協商功率。

熱像儀支持專業高清 IP 攝像機的 HI3519 V111 SoC 的視頻。它采用 H.265 視頻壓縮編碼器以及先進的低功耗技術和架構設計。Hi3519 V101支持90°或270°旋轉和鏡頭畸變校正，通過硬件、算法設計各種型號的IP攝像機和音頻編解碼器。該 SoC 由兩對 DDR4 內存 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，允許系統快速識別物體和人員、分析公共人口統計數據、檢查制成品等等。計算機視覺使用深度學習來形成指導系統進行圖像處理和分析的神經網絡。

具有冷卻和非冷卻探測器的各種熱像儀型號在市場上脫穎而出。帶有冷卻傳感器的熱像儀更昂貴。現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，熱像儀可以以低成本提供良好的精度。相機測量物體散發的熱量的表面溫度，并將其作為圖像投射到熱成像屏幕上。