基于Microbolometer的熱AI相機(jī)

熱像儀內(nèi)部由6個(gè)板組成，每個(gè)板都有特定的用途。讓我們分析一些部分（圖2和3）。Cyclone V SoC FPGA建立在臺(tái)積電28納米低功耗（28LP）工藝上；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，并且處理器與FPGA之間具有集成的數(shù)據(jù)一致性。

圖2：?？低暤哪承┌?。單擊以放大圖像。（來源：System Plus咨詢）

圖3：?？低曤娮影?。單擊以放大圖像。（來源：System Plus咨詢）

該信號調(diào)節(jié)/放大部件包括各種集成電路，尤其是AD8605ARTZ-REEL通用放大器，LT6203IMS8雙放大器的100MHz，并且LT1994IMS8差分放大器為70MHz。AD8605ARTZ具有極低的失調(diào)電壓，低輸入電壓和電流噪聲以及寬信號帶寬。它使用了ADI公司獲得專利的DigiTrim微調(diào)技術(shù)，該技術(shù)通過對數(shù)字加權(quán)電流源進(jìn)行編程來調(diào)節(jié)電路性能。

LT6202具有1.9nV /√Hz的噪聲電壓，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增益帶寬乘積，25V / μs壓擺率結(jié)合在一起，并針對低電源信號調(diào)理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。在1MHz時(shí)，諧波失真小于–80dBc，這使得這些放大器適用于低功率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，例如該熱像儀。

LT1994是用于驅(qū)動(dòng)差分輸入，單電源ADC的電平轉(zhuǎn)換接地參考信號的理想選擇。LT1994的輸出共模電壓與輸入共模電壓無關(guān)，并且可以通過如其數(shù)據(jù)手冊中所述在VOCM引腳上施加電壓來調(diào)節(jié)。

ADS1112IDGSR 16位ADC和LT3042IDD支持FPGA進(jìn)行調(diào)節(jié)電路。ADS1112設(shè)計(jì)用于需要高分辨率測量的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，空間和功耗是主要考慮因素。LT3042IDD而是一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器，用于為噪聲敏感的RF應(yīng)用供電。在板載3和1上，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。

決定成本的80％的主要部分是測微輻射熱計(jì)（氧化釩）。Peltier的電池及其溫度控制電路為它提供了支持。

鏡片

支持測微輻射熱計(jì)的主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5中，我們可以看到直徑為19.6毫米的鍺（Ge）透鏡和兩個(gè)直徑不同的三硒化砷（As2Se3）透鏡，其中一個(gè)直徑為17.6毫米，另一個(gè)直徑為27.6毫米。

圖4：攝像頭模塊。單擊以放大圖像。（來源：System Plus咨詢）

圖5：鏡頭模塊單擊以放大圖像。（來源：System Plus咨詢）

在光學(xué)中，f /數(shù)（有時(shí)稱為焦比或相對光圈）是光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)，表示光的接收面積。即，焦距除以孔徑的直徑。

孔徑較大的透鏡可以讓更多的光或紅外輻射通過。因此，大量的紅外輻射將根據(jù)信噪比改善測量效果。可以識(shí)別測量質(zhì)量的參數(shù)稱為“ NETD”或“噪聲等效溫度差”。它通常以毫開爾文（mK）表示，并測量熱圖像檢測器可以分辨出熱輻射圖像中的細(xì)微差別的程度。微輻射熱檢測器的未冷卻熱成像攝像機(jī)的典型值約為45 mK。

微測輻射熱計(jì)

電阻像素網(wǎng)格形成未冷卻的傳感器。這些類型的傳感器稱為測微輻射熱計(jì)。吸收器元件上的每個(gè)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。電阻的值根據(jù)入射輻射，特別是加熱表面的紅外輻射而變化。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（圖6和7）。通常，微輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，可在8-14μm的光譜帶中獲得更高的靈敏度。

圖6：微輻射熱計(jì)– IRAY RTD6171MR。單擊以放大圖像。（來源：System Plus

圖7：RTD6171MR 17μm微量測輻射熱儀–拆卸。單擊以放大圖像。（來源：System Plus咨詢公司）。吸氣劑可顯著減少除氣并保持包裝腔內(nèi)的低壓。

System Plus著重介紹了微輻射熱計(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

有效像素矩陣：640 x 512

便簽號碼：107

引線鍵合：32

通過對其內(nèi)部進(jìn)行分析，我們可以看到反射器位于吸收材料的下方，并與基材接觸，從而使雜散光重新定向以優(yōu)化信號。吸收材料從基板“懸浮”以實(shí)現(xiàn)隔熱，同時(shí)真空封裝構(gòu)成的像素柵格以提高耐用性和可靠性。熱成像相機(jī)中使用的大多數(shù)測微輻射熱計(jì)都使用氧化釩作為吸收材料，因?yàn)樗哂懈玫臒釋Ρ榷龋纱_保獲得更準(zhǔn)確，更清晰的圖像。

對于典型的電阻器，氧化釩檢測器的阻抗約為100Kohm，與通常具有30Mohm阻抗的α-Si檢測器不同。在這些條件下，氧化釩材料的Johnson噪聲電壓較低，因此測量時(shí)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。

該攝像機(jī)配有溫度基準(zhǔn)元件，并通過帶有片內(nèi)基準(zhǔn)的AD5645RBRUZ四通道14位DAC和用于Peltier模塊的MAX1978ETM + T溫度控制器來穩(wěn)定Peltier的溫度。

珀耳帖電池是廉價(jià)的熱電設(shè)備，像本相機(jī)一樣，用作發(fā)電機(jī)，冷卻和精確溫度控制的技術(shù)，可將物體的溫度保持恒定在預(yù)定水平。珀耳帖電池基于熱電現(xiàn)象原理。這些現(xiàn)象是基于兩種不同金屬材料的PN結(jié)中電壓電平差異的形成。

MAX1978具有片上功率FET和熱控制環(huán)路電路，可在保持高效率的同時(shí)最大程度地減少外部元件。超低漂移斬波放大器可保持±0.001°C的溫度穩(wěn)定性。溫度傳感器位于鏡頭模塊上，并基于NTC / PTC熱敏電阻。另一個(gè)數(shù)字溫度傳感器TMP75AIDRG4監(jiān)視由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，氧化釩微輻射熱測定儀無需冷卻。氧化釩根據(jù)溫度顯示出不同的行為。鍍膜玻璃可以在特定的特定溫度下阻擋紅外輻射（但不阻擋可見光），從而使相機(jī)電子設(shè)備能夠處理電磁光譜中的圖像并將其復(fù)制為偽彩色。

其他模塊

熱像儀支持RS232傳輸（通過SP3232EEN-L）用于工業(yè)接口，并通過RTL8201FI-VC-CG支持以太網(wǎng)傳輸。電路板6，如圖2所示，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)電子電路免受瞬變和過電壓威脅，例如EFT（電快速瞬變）和ESD（靜電放電） 。

圖2：?？低暤哪承┌?。單擊以放大圖像。（來源：System Plus咨詢）

熱像儀具有PoE（以太網(wǎng)供電）接口，Texas Instruments的TPS2378DDDAR PoE高功率PD接口和TL2845BDR-8電流模式PWM控制器支持該接口。后者以最少的外部組件數(shù)量提供了實(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。

TPS2378DDAR的低0.5Ω內(nèi)部開關(guān)電阻，加上PowerPAD封裝增強(qiáng)的散熱性能，使PoE系統(tǒng)能夠連續(xù)處理高達(dá)0.85 A的電流。以太網(wǎng)供電（PoE）是一種通過雙絞線傳輸電能的技術(shù)。一對以太網(wǎng)電纜：提供電源的設(shè)備稱為電源設(shè)備（PSE），而被供電的設(shè)備稱為受電設(shè)備（PD）。將PD連接到PSE時(shí)，PoE標(biāo)準(zhǔn)會(huì)指定流入PD的浪涌電流，以防止出現(xiàn)大電流尖峰。此外，PoE標(biāo)準(zhǔn)在PSE和PD之間提供了模擬握手（分類）以協(xié)商電源。

熱像儀具有用于專業(yè)高清IP攝像機(jī)的HI3519 V111 SoC的視頻支持。它使用H.265視頻壓縮編碼器以及先進(jìn)的低功耗技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Hi3519 V101通過使用硬件，算法設(shè)計(jì)各種型號的IP攝像機(jī)和音頻編解碼器，支持90°或270°旋轉(zhuǎn)和鏡頭畸變校正。該SoC由兩對分別為4Gb的DDR4存儲(chǔ)器和GD5F2GQ4UB9IGR閃存NAND 2Gb SPI支持。

英特爾Movidius MA2450 VPU 2x32Bit RISC Proc。933 MHz處的4Gb LPDDR3位于第4板（圖2）上，使系統(tǒng)可以快速識(shí)別物體和人員，分析公共人口統(tǒng)計(jì)信息，檢查制成品等。計(jì)算機(jī)視覺使用深度學(xué)習(xí)來形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理和分析。

帶有冷卻和不冷卻檢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加昂貴?，F(xiàn)代的冷卻式熱像儀具有集成的圖像傳感器和低溫冷卻器。

得益于測微輻射熱計(jì)，紅外熱像儀可以以較低的成本提供很高的精度。攝像機(jī)對物體散發(fā)的熱量的表面溫度進(jìn)行測量，并將其作為圖像投影到熱像圖屏幕上。

—吉田順子的補(bǔ)充報(bào)道

編輯：hfy