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拆解海康威视智能热成像摄像机,关键器件来自华为海思和英特尔

时间:2021-04-23 05:19:13 作者:Maurizio Di Paolo Emilio, Junko Yoshida 阅读:
海康威视(Hikvision)开发的热成像摄像机之所以吸引System Plus Consulting的原因在于其人工智能(AI)功能。在System Plus Consulting看来,该热成像摄像机的亮点在于结合了东西方设计的精华——中国制造的微测辐射热计和摄影机处理器,以及非中国的AI/模拟等处理组件…
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监控摄像机全球市场规模在2019年已达200亿美元,中国的海康威视(Hikvision)是其中最大的供应商之一。

无论是在中国还是世界其他地区,过去几年对监控系统的需求都迅速增长。许多政府机构和公司发现,在建设所谓的“智慧城市”时,摄像机必不可少,以实现无处不在的监控功能。

海康威视2016年开发的热成像摄像机之所以吸引了System Plus Consulting分析师的眼球,一个主要的原因是AI。海康威视将AI硬件和软件相结合,开发出首款具有AI功能的摄像机。Yole Développement公司旗下分析机构System Plus Consulting对这一摄像机进行了深入研究,揭秘了其背后所采用的技术。

在System Plus看来,海康威视摄像机的亮点在于结合了东西方设计的精华——“中国制造的微辐射热计和摄像机处理器”与“非中国的AI/模拟/其他处理器件”。

海康威视在这一专业领域的竞争对手有中国的大华和宇视科技,以及德国的博世和瑞典的安讯士。

System Plus认为,由于海康威视能够设计和制造自己的产品,因而显得与众不同。海康威视拥有自己的MEMS生产线,可完成MEMS封装/测试,还有多条表面贴装技术(SMT)生产线和较强的组装能力。

英特尔、华为海思和Movidius(已被英特尔收购)提供海康威视摄像机独有的三个关键组件:

  • 英特尔的可重配方案完成微测辐射热计输出数字化之后的数字信号处理,并与Maxim Peltier控制器一起进行热管理。
  • 海思自己设计了一种芯片来完成图像信号处理、视频编码和加密,并提供以太网接口。
  • Movidius处理器实现AI应用的视觉处理。

下面深入到海康威视热成像摄像机的内部看一看。

热成像摄像机

热成像摄像机能够检测到人体产生的热量,通过复杂的信号分析将其转换为图像——这些图像是通过温度检测和分析来而产生的。在过去几年中,由于采用了微测辐射热计,大大降低了热成像应用的成本。

微测辐射热计是检测红外线的传感器,由热敏感点网格(像元)组成,每个像元又由不同的层和不同的吸收材料组成,如氧化钒或非晶硅(α-Si)。

在采访System Plus Consulting时,笔者询问了海康威视DS-2TD2166-15/V1热成像网络摄像机所采用的技术及结构,System Plus Consulting的技术人员讲解了系统的电子和物理硬件结构,重点介绍了系统的不同组件。

海康威视DS-2TD2166-15/V1热成像网络摄像机采用基于氧化钒非制冷焦平面阵列的图像传感器(图1),利用智能分析算法支持机场、铁路等多个关键基础设施的应用。该热成像摄像机包含多个芯片组,如640×512像元阵列(17μm间距)RTD6171MR微测辐射热计、FPGA Cyclone V 550MHz 224I/O(FBGA484)、SDRAM 2Gb(128M×16)800MHz 13.75ns(TFBGA96)、用于Peltier模块的温度控制器(TQFN48)、专业高清IP摄像机SoC、视觉处理器单元2×32Bit RISC Proc. 4Gb LPDDR3和DDR4 DRAM 8Gb(512M×16)2400Mbps。

这种热成像摄像机所采用的技术和结构使其能及时检测公司和工业环境中的过热和温度变化,是防范火灾的理想选择。

其VCA(视频内容分析)功能支持两种完全不同的过程:一种是检测时间和空间中的事件,另一种是分析视频。它具有4种VCA规则类型(越界、入侵、进入区域和离开区域),支持多达8种VCA规则。

摄像机获取热图像,使用户可以在完全黑暗的环境和严苛的条件下检测到人、物和意外情况。因为它仅对物体发出的红外线敏感,所以无论现场的光线怎样,都能查看和记录图像。

利用其温度测量功能可以测量被监控点的实际温度,当温度超过阈值时,会发出报警。下面来看看摄像机硬件的结构。

图1:海康威视DS-2TD2166-15/V1热成像网络摄像机。(图片来源:System Plus Consulting)

海康威视硬件

热成像摄像机内部包含6个电路板,每个电路板都有不同的用途。下面来分析其中的一些电路板(图2和图3)。Cyclone V SoC FPGA采用台积电28nm低功耗(28LP)工艺,由一个双核ARM Cortex-A9 MPCore处理器、多个外设和一个共享的多端口SDRAM控制器组成。使用这种FPGA,提高了处理器和FPGA之间集成数据的一致性,降低了功耗,并可支持超过100 Gbps的峰值带宽。

图2:海康威视的几款电路板。(图片来源:System Plus Consulting)

图3:海康威视电子电路板2。(图片来源:System Plus Consulting)

信号调理/放大器件由各种IC组成,包括AD8605ARTZ-REEL通用放大器、LT6203IMS8双通道放大器(100MHz),以及LT1994IMS8差分放大器(70MHz)。AD8605ARTZ可提供极低的失调电压、低输入电压和电流噪声、以及宽信号带宽。它采用ADI公司的专利DigiTrim修整技术,通过对加权电流源进行数字化来调节电路性能。

LT6202具有1.9nV/√Hz噪声电压,每个放大器仅消耗2.5mA电源电流。该放大器将低噪声和电源电流与100MHz增益带宽乘积、25V/µs压摆率相结合,针对低电源信号调理系统进行了优化。这种放大器在1MHz时谐波失真小于-80dBc,适用于低功耗数据采集系统,例如本文的热成像摄像机。

LT1994适用于驱动差分输入、单电源ADC,是以地为基准的信号进行电平转换的理想选择。LT1994的输出共模电压与输入共模电压无关,通过在VOCM引脚上施加一个电压来调节,其数据手册中对此有相关描述。

ADS1112IDGSR 16位ADC和LT3042IDD加上FPGA用于调理电路。ADS1112专为对空间和功耗有较高要求的高分辨率测量应用而设计。LT3042IDD是一款低压差线性稳压器,可为噪声敏感的RF应用供电。在电路板3和电路板1上,还有其他IC来支持相关集成子系统的电源,例如线性稳压器和降压转换器。其成本的80%来自微测辐射热计(氧化钒),Peltier电池及其温度控制电路为它提供支持。

透镜

支持微测辐射热计的主要模块由各种透镜组成,用来优化传感器上的红外光束。图4和图5显示了直径为19.6mm的锗(Ge)透镜,以及两个直径不同的三硒化二砷(As2Se3)透镜,其中一个直径为17.6mm,另一个为27.6mm。

图4:摄像机模块。(图片来源:System Plus Consulting)

图5:镜头模块。(图片来源:System Plus Consulting)

在光学中,F值(有时称为焦比或相对孔径)是光学系统的参数,表示光的接收面积,即焦距除以孔径。孔径较大的透镜可以让更多的光或红外线通过,大量的红外线可根据信噪比改善测量效果。参数“NETD(噪声等效温差)”通常以毫开尔文(mK)表示,可用于判定测量质量,衡量热图像探测器分辨热辐射图像细微差别的能力。基于微测辐射热计的非制冷热成像摄像机的典型值约为45mK。

微测辐射热计

非制冷传感器由电阻像元网格构成,这类传感器称为微测辐射热计。吸收组件上的每次入射辐射都会使其温度上升到超过电阻的温度,吸收功率越高,温升越高。电阻值随入射辐射(特别是使表面温度升高的红外线)而变化。每个像元均由CMOS输入单元(读出集成电路-ROIC)表示,通过调理电路进行处理,以便由FPGA在计算机或监视器上生成图像(图6和图7)。通常可对微测辐射热计的结构进行优化,以便在8~14µm的光谱带中获得更高的灵敏度。海康威视DS-2TD2166-15/V1中使用的传感器是IRAY RTD6171MR,640×512像元阵列(17μm间距),60Hz模拟输出,是表面贴装器件。

图6:微测辐射热计IRAY RTD6171MR。(图片来源:System Plus Consulting)

图7:拆开的RTD6171MR 17µm微测辐射热计。吸气剂可显着减少渗出的气体,使封装内部保持低压。(图片来源:System Plus Consulting)

由System Plus总结的微测辐射热计的物理特性如下:

  • 裸片面积:175.2mm²(13.6×12.8mm)
  • 像元面积:96.4mm²(10.9×8.85mm) 
  • 像元阵列:641×520
  • 有源像元阵列:640×512
  • 焊垫数目:107
  • 引线键合:32

对微测辐射热计内部进行分析,发现吸收材料的下方有一个反射器,它与衬底接触,可以对杂散光重新定向,从而优化信号。吸收材料“悬浮”在衬底上以实现隔热,真空封装的像元网格则可提高耐用性和可靠性。热成像摄像机采用的大多数微测辐射热计都使用氧化钒作为吸收材料,因为这种材料具有较好的热对比度,可确保图像更准确、更清晰。

对于典型的电阻,氧化钒探测器的阻抗约为100kΩ,而α-Si探测器的阻抗通常为30MΩ。在这些条件下,氧化钒材料的Johnson噪声电压较低,因此测量时的噪声较小。Johnson噪声电压取决于三个条件:电阻值、电路带宽和温度。

摄像机包含一个温度基准组件,通过带片内基准电压源的AD5645RBRUZ四通道14位DAC和用于Peltier模块的MAX1978ETM+T温度控制器来稳定Peltier温度。

Peltier电池是价格低廉的热电组件,在发电、制冷和精确的温度控制等应用中使用,可将物体温度恒定保持在设定值。Peltier电池的工作原理基于热电现象,即在两种不同金属材料的PN结中形成电压差。

MAX1978包含片内功率FET和热控制环电路,可最大程度减少使用外部组件,同时保持高效率。超低漂移斩波放大器可将温度稳定性保持在±0.001°C。温度传感器安装在镜头模块上,基于NTC/PTC热敏电阻。还有一个数字温度传感器TMP75AIDRG4,可监控由FPGA直接管理的系统(环境)温度。

与其他类型的红外检测设备不同,氧化钒微测辐射热计无需制冷。氧化钒在不同温度下显示出不同的特性。镀膜玻璃可以在某些特定温度下阻挡红外线(而不是可见光),使摄像机电子器件能够对电磁光谱中的图像进行伪彩色处理并将其复原。

其他模块 

热成像摄像机利用SP3232EEN-L接口IC支持工业接口RS232传输,同时还通过RTL8201FI-VC-CG支持以太网传输。电路板6(图2)包含的AC/DC电源系统带有瞬态电压抑制二极管(TVS),可以避免电子电路遭受瞬变和过电压,如EFT(电快速瞬变)和ESD(静电放电) 。

热成像摄像机还包含PoE(以太网供电)接口,该接口由TI的TPS2378DDDAR PoE高功率PD接口和TL2845BDR-8电流模式PWM控制器支持。TL2845BDR-8电流模式PWM控制器以最少数量的外部器件,提供了实现离线式或DC-DC固定频率电流模式控制方案需要的所有功能。

TPS2378DDAR的内部开关电阻较低,只有0.5Ω,PowerPAD封装的散热性能也提高了,因而PoE系统能够连续处理高达0.85A的电流。以太网供电(PoE)是一种通过双绞线输电的技术,提供电源的设备称为供电端设备(PSE),被供电的设备称为受电端设备(PD)。当PD连接到PSE时,PoE标准规定了流入PD的浪涌电流,以防止出现大电流尖峰。另外,PoE标准在PSE和PD之间提供了模拟握手(分级)以协商功率。

该热成像摄像机由适合专业高清IP摄像机的HI3519 V111 SoC提供视频支持,它使用H.265视频压缩编码器以及先进的低功耗技术和架构设计。Hi3519 V101利用硬件和算法来设计各种型号的IP摄像机和音频编解码器,支持90°或270°旋转和镜头失真校正。该SoC由两对4Gb DDR4存储器和GD5F2GQ4UB9IGR闪存NAND 2Mb SPI支持。

电路板4(图2)上包含运行在933MHz频率下的英特尔Movidius MA2450 VPU 2×32Bit RISC Proc. 4Gb LPDDR3,系统利用它可以快速识别物体和人,分析公共人群信息,检查制造的产品等。计算机视觉利用深度学习形成神经网络,指导系统进行图像处理和分析。

采用制冷和非制冷探测器的各种热成像摄像机在市场上各领风骚。带制冷传感器的热成像摄像机价格更高,现代制冷热成像摄像机的图像传感器中集成了一个低温制冷器。

由于采用了微测辐射热计,热成像摄像机能以低成本提供高精度。摄像机测量发热物体的表面温度,并将其作为图像投影到热成像显示屏上。

本文为《电子技术设计》2021年04月刊杂志文章,原标题:《拆解:采用微测辐射热计的智能热成像摄像机》。

英文原文参考链接:Teardown: Microbolometer-based Intelligent Thermal Camera,编译:Jenny Liao,EDN China

 责编:Luffy Liu

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