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    基于Microbolometer的熱AI相機

    電子設計 ? 2021-04-23 11:32 ? 次閱讀

    中國公司??低?/u>監控攝像機的領先供應商之一。

    在過去的幾年中,無論是在中國還是在全球,對監視系統的市場需求都在激增。在所謂的“智慧城市”中,攝像機是實現安全的基本工具,在任何地方都需要全面監控。

    ??低暎℉ikvision)于2016年開發的熱像儀吸引了System Plus Consulting分析師的眼球,原因之一是:人工智能。

    ??低曂ㄟ^結合AI硬件和軟件,提供了一種具有AI功能的嵌入式早期相機。它促使YoleDéveloppement公司System Plus Consulting深入研究,“了解背后的技術選擇”。

    對于??低曄鄼C而言,對于System Plus而言,最值得注意的是它體現了東西方的精華-“中國制造的微輻射熱計和相機處理器”與“非中文AI /模擬/其他處理組件”相結合。 ”

    ??低曉谠搶I領域的競爭對手包括:大華和Uniview(均基于中國),博世(德國)和安訊士(瑞典)。

    不過,根據System Plus的說法,使??低暸c眾不同的是“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)生產線和最終組裝能力。

    英特爾,海思半導體(華為的芯片部門)和莫維迪烏斯(現在是英特爾公司)提供了??低曄鄼C獨有的三個關鍵組件:

    英特爾的可重配置解決方案負責對Microbolometer輸出進行數字化之后的數字信號處理,以及Maxim Peltier控制器的熱管理。

    海思半導體設計了一種芯片來進行圖像信號處理,視頻編碼和加密,以太網接口。

    Movidius處理器支持AI應用程序的視覺處理。

    在接下來的頁面中,我們獲得了系統咨詢的幫助,可以在??低暤臒嵯駜x內部進行查看。

    熱像儀

    熱像儀能夠檢測到人體產生的熱量,并通過復雜的信號分析過程將其轉化為圖像。通過檢測和分析溫度來再現圖像。在過去的幾年中,熱成像依靠微測輻射熱計已進入低成本應用。

    測微輻射熱計是檢測紅外線的傳感器。它們由敏感點的網格(稱為“像素”)組成,該敏感點由不同的層和不同的吸收性材料(例如氧化釩或非晶硅(α-Si))組成。

    在接受System Plus Consulting采訪時,我們檢查了??低旸S-2TD2166-15 / V1熱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,重點介紹了組成系統的不同元素。

    ??低旸S-2TD2166-15 / V1熱網絡攝像機配備了基于氧化釩非冷卻焦平面陣列的圖像傳感器(圖1)。它具有針對多個關鍵基礎設施(例如機場,鐵路等)的智能分析算法的支持。該熱像儀基于多個芯片組,例如640×512像素(17μm間距)的RTD6171MR Microbolometer。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);專業高清IP攝像機的SoC;視覺處理器單元2x32Bit RISC Proc。4Gb LPDDR3;DDR4 DRAM 8Gb(512Mx16)2400Mbps。

    它的技術和結構特性使其非常適用于防止火災并及時檢測公司和工業過程中的過熱和溫度變化。

    它的VCA(視頻內容分析)功能支持兩個完全不同的過程:檢測時間和空間中的事件以及分析視頻。它具有4種VCA規則類型(“線交叉”,“侵入”,“區域入口”和“區域出口”),并且最多支持8個VCA規則。

    攝像機獲取熱圖像,使用戶能夠在完全黑暗的環境中和困難的條件下檢測人,物體和事故。因為它僅對人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所記錄場景中光線的影響。

    溫度測量功能可以測量被監視點的實際溫度。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

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    1:??低旸S-2TD2166-15 / V1熱網絡攝像機。單擊以放大圖像。(來源:System Plus咨詢)

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    熱像儀內部由6個板組成,每個板都有特定的用途。讓我們分析一些部分(圖2和3)。Cyclone V SoC FPGA建立在臺積電28納米低功耗(28LP)工藝上;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,并且處理器與FPGA之間具有集成的數據一致性。

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

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

    該信號調節/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微調技術,該技術通過對數字加權電流源進行編程來調節電路性能。

    LT6202具有1.9nV /√Hz的噪聲電壓,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增益帶寬乘積,25V / μs壓擺率結合在一起,并針對低電源信號調理系統進行了優化。在1MHz時,諧波失真小于–80dBc,這使得這些放大器適用于低功率數據采集系統,例如該熱像儀。

    LT1994是用于驅動差分輸入,單電源ADC的電平轉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,并且可以通過如其數據手冊中所述在VOCM引腳上施加電壓來調節。

    ADS1112IDGSR 16位ADC和LT3042IDD支持FPGA進行調節電路。ADS1112設計用于需要高分辨率測量的應用,在這些應用中,空間和功耗是主要考慮因素。LT3042IDD而是一個低壓差線性穩壓器,用于為噪聲敏感的RF應用供電。在板載3和1上,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。

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

    鏡片

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

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    圖4:攝像頭模塊。單擊以放大圖像。(來源:System Plus咨詢)

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    圖5:鏡頭模塊單擊以放大圖像。(來源:System Plus咨詢)

    光學中,f /數(有時稱為焦比或相對光圈)是光學系統的參數,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信噪比改善測量效果??梢宰R別測量質量的參數稱為“ 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微差別的程度。微輻射熱檢測器的未冷卻熱成像攝像機的典型值約為45 mK。

    微測輻射熱計

    電阻像素網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。吸收器元件上的每個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。電阻的值根據入射輻射,特別是加熱表面的紅外輻射而變化。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(圖6和7)。通常,微輻射熱計的結構經過優化,可在8-14μm的光譜帶中獲得更高的靈敏度。

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

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    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的低壓。

    System Plus著重介紹了微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

    有效像素矩陣:640 x 512

    便簽號碼:107

    引線鍵合:32

    通過對其內部進行分析,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化信號。吸收材料從基板“懸浮”以實現隔熱,同時真空封裝構成的像素柵格以提高耐用性和可靠性。熱成像相機中使用的大多數測微輻射熱計都使用氧化釩作為吸收材料,因為它具有更好的熱對比度,可確保獲得更準確,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。

    該攝像機配有溫度基準元件,并通過帶有片內基準的AD5645RBRUZ四通道14位DAC和用于Peltier模塊的MAX1978ETM + T溫度控制器來穩定Peltier的溫度。

    珀耳帖電池是廉價的熱電設備,像本相機一樣,用作發電機,冷卻和精確溫度控制的技術,可將物體的溫度保持恒定在預定水平。珀耳帖電池基于熱電現象原理。這些現象是基于兩種不同金屬材料的PN結中電壓電平差異的形成。

    MAX1978具有片上功率FET和熱控制環路電路,可在保持高效率的同時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。另一個數字溫度傳感器TMP75AIDRG4監視由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,氧化釩微輻射熱測定儀無需冷卻。氧化釩根據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),從而使相機電子設備能夠處理電磁光譜中的圖像并將其復制為偽彩色。

    其他模塊

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

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    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量提供了實現離線或DC-DC固定頻率電流模式控制方案所需的所有功能。

    TPS2378DDAR的低0.5Ω內部開關電阻,加上PowerPAD封裝增強的散熱性能,使PoE系統能夠連續處理高達0.85 A的電流。以太網供電(PoE)是一種通過雙絞線傳輸電能的技術。一對以太網電纜:提供電源的設備稱為電源設備(PSE),而被供電的設備稱為受電設備(PD)。將PD連接到PSE時,PoE標準會指定流入PD的浪涌電流,以防止出現大電流尖峰。此外,PoE標準在PSE和PD之間提供了模擬握手(分類)以協商電源。

    熱像儀具有用于專業高清IP攝像機的HI3519 V111 SoC的視頻支持。它使用H.265視頻壓縮編碼器以及先進的低功耗技術和體系結構設計。Hi3519 V101通過使用硬件,算法設計各種型號的IP攝像機和音頻編解碼器,支持90°或270°旋轉和鏡頭畸變校正。該SoC由兩對分別為4Gb的DDR4存儲器和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,使系統可以快速識別物體和人員,分析公共人口統計信息,檢查制成品等。計算機視覺使用深度學習來形成神經網絡,以指導系統進行圖像處理和分析。

    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,紅外熱像儀可以以較低的成本提供很高的精度。攝像機對物體散發的熱量的表面溫度進行測量,并將其作為圖像投影到熱像圖屏幕上。

    —吉田順子的補充報道

    編輯:hfy