红外热成像市场正在成为一个新的市场焦点。市场研究公司Yole Développement （Yole）预测，2016-2021年间，非制冷红外成像仪出货量的复合年增长率为15.8%。另据不完全统计，中国红外热成像市场的潜在需求可达500~600亿元，而目前市场仅处于起步阶段。全球研究机构MarketsandMarkets 最新发布的研究报告显示，2020年全球红外热成像市场规模为58亿美元，到2025年，该市场将增长至83亿美元，预测期内（2020—2025年）的年复合增长率为7.6％。

COVID-19肆虐全球，各大公司、机场、学校、社区和医院都在寻求红外热像仪、额温枪等测温技术，以帮助减缓COVID-19的传播。红外传感技术成为抵御病毒的重要防线之一，从而引发红外测温/成像市场的繁荣。

另外，根据预测：2019-2025是基准年；北美是最大的市场；亚太地区复合年增长率：7.35 %。红外热成像市场在亚太地区（尤其是在新兴国家）呈现显著增长。该地区已经为国防部门的现代化建设投入了大量资金和政府鼓励措施，这也是红外热成像设备的主要应用领域之一。与此同时， 红外热成像系统的需求也在亚太地区的各个工业领域中不断增长，例如电子、半导体和汽车领域，预计这将推动亚太地区红外成像市场的增长。目前军/民比例大致7:3, 但是民用市场正在快速发展。

红外机芯产品由红外光学镜头、红外探测器、信号处理电路、图像处理算法组成，是实现光电成像的核心模组。

光学系统：其作用是收集、汇聚来自目标场景的红外辐射能量，类似于无线电设备的接收天线。

红外探测器：感受红外辐射，将能量转化电信号，通过电子处理，最终转化人眼可见的红外图像。是红外热成像产业链的上游产品，红外探测器是红外热成像整机系统的核心，是探测、识别、和分析目标物体红外特征信息的关键。

信号处理电路：其作用是将红外探测器的光电信号放大、处理和多路传输，其功能主要有偏置、采样读出、线性变换、A/D转换、积分控制等。

显示处理电路：按一定要求输出数字信号或成像显示，对信号进行非均匀校正、自动增益与亮度控制、灰度调节；或对图像各部分进行测温分析、伪彩色显示等。

主要有医疗/安防/工业/执法搜救/汽车/个人消费等。 

• 针对个人或者公共场所，运用热成像技术快速测量，找出体温较高的人员，快速排查SARS、寨卡和埃博拉、新冠等引起的人体发热症状。通过对前期发热症状的控制，来有效降低疾病的扩散。

• 红外摄像机被广泛用于安防应用，因为它们可以在任何管线条件下通过雾气和烟雾提供可见性。

• 大部分工业制造过程或设备都有其独特的温度场分布，反映其运行状态。除了可以将温度场转换为直观的图像外，结合智能算法和大数据分析，红外热成像仪也可以为工业4.0时代提供新的解决方案，应用到电力、冶金、铁路、石化、电子、医疗、消防、新能源、测试测量等多个行业。

• 警察、武警等执法部门执行任务多在夜间，或是山林、野外等视野不好的情况下。热成像可以在完全无光的黑夜或者恶劣天气下全天候协助执法，进行人员搜索、监视、追踪。

• 驾驶辅助系统与热成像技术结合，可使检测距离更远，还能识别检测对象的类型。它不受眩光影响，在所有环境和照明条件（雾，烟，白天，夜间等）下都能够清晰成像。

• 包括登山、露营、探险、攀岩、探洞、狩猎等等户外运动，在漆黑的夜晚或浓密的丛林中，通过热像仪可快速的观察周边环境，以便及时发现生物特征。另外，还有一些和手机配套的红外配件,也越来越多的应用于智能家居及其他个人消费场合。

   

红外测温 — 利用物体的辐射能量与其温度有关的原理，利用温度敏感元件（红外探测器）测量目标的热辐射功率，就能计算出目标的表面温度。

红外成像 — 采用同样原理,通过光电红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布，最后经系统处理形成热图像视频信号，传至显示屏幕上，就得到与物体表面热分布相对应的热像图，即红外热图像。此部分为本文重点讨论对象。

1. 如何选择高速ADC

• 根据探测器的分辨率、帧率和视频输出通道来定义ADC的输出速率；

• 根据探测器的热灵敏度（NETD -Noise Equivalent Temperature Difference）（注释：噪声等效温差，是一个代表温差的信噪比的数值，这个温差信号等同于热像仪的瞬时噪声，它近似代表热像仪可以分辨的最小温差)定义ADC的SNR要求；

• 功耗、接口等其他因素。

   

举个例子：

384*288分辨率，50Hz的1路视频输出，NETD=100mK，典型响应度率为5mV/K

最小输出速率为384*288*50= 5.6Msps

假设模拟输出3V

则有效位 ENOB = 𝐿𝑜𝑔2[3V/(100mK*5mV/K)]=12.55位

或者SINAD=77.3 dBFS

以AD9251为例 — 14 位, 20 MSPS/40 MSPS/65 MSPS/80 MSPS, 1.8V 双通道ADC

特征和优势：

• 1.8 V analog supply operation

• 1.8 V to 3.3 V output supply

• SNR

• 74.3 dBFS at 9.7 MHz input

• 71.5 dBFS at 200 MHz input

• SFDR

• 93 dBc at 9.7 MHz input

• 80 dBc at 200 MHz input

• Low power

• 33 mW per channel at 20 MSPS

• 73 mW per channel at 80 MSPS

• Differential input with 700 MHz bandwidth

• On-chip voltage reference and sample-and-hold circuit

• 2 V p-p differential analog input

• DNL = ±0.45 LSB

• Serial port control options

   

2. 如何设计信号链

• 信号链总噪声要小于探测器噪声的1/3

  如果探测器的NETD=100mK，典型响应度为: 5 mV/K，那么探测器噪声= 500uVrms，总的信号链噪声需要小于167Vrms

   

• 建立时间（Settling time）需要小于探测器主时钟的一个周期

  如果建立时间太长会发生什么？图像拖尾；降低NETD

   

• 压摆率（Slew rate）需要满足信号摆幅要求

  如果探测器的输出电压是3V，探测器的主时钟为10MHz，如果采样时间为半个像素周期，那么 SR > 3V/0.05us= 60V/us，60V/us是否足够了呢？

  — 最好给建立时间和采样保持时间更多裕量

3. 如何定义红外成像信号链的带宽

• 建立时间要小于一个主时钟周期

• 压摆率和带宽会影响建立时间

提示：可以通过调整探测器时钟和转换时间的相位来获得更多的建立时间

4. 视频缓冲放大器举例 — ADA4897 1 nV/√Hz, 低功耗、轨到轨输出放大器

特征和优势

• 单通道或者2通道可选1 channel or 2 channels option

• 低通带噪声

1 nV/√Hz

2.8 pA/√Hz

• 低 1/f 噪声: 2.4 nV/√Hz @ 10 Hz

• 低失真: −115 dBc @ 100 kHz, VOUT = 2 V p-p

• 低功耗: 3 mA/amp

• 低输入失调电压: 0.5 mV maximum

• 高速：230 MHz, −3 dB 带宽 (G = +1)

• 轨到轨输出

• 宽供电电压: 3 V to 10 V

5. 使用差分运放的好处

• 增加抗共模干扰能力

• 避免潜在的地信号干扰带来的误差（例如长的走线）

• 在不用改变供电电压情况下，2倍的增加有效信号摆幅或者动态范围

• 便于做电平变换

6. 使用差分运放举例 — ADA4940超低功耗，低失真ADC驱动器

特征和优势：

• 小信号带宽: 260 MHz

• 超低功耗：1.25mA

• 极低的谐波失真

• 低输入电压噪声: 3.9 nV/√Hz

• 0.35 mV 最大 Vos

• 稳定时间: to 0.1%: 34 ns

• 输出轨到轨: −VS + 0.1 V to +VS− 0.1 V

其他：

• Adjustable output common-mode voltage

• Flexible power supplies: 3 V to 7 V (LFCSP)

• Disable pin to reduce power consumption

• Available in LFCSP and SOIC packages