Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Kamery termowizyjne oparte o mikrobolometry - jak są zbudowane

ghost666 17 Dec 2020 11:11 204 0
Metalwork
  • #1
    ghost666
    Translator, editor
    Chińska firma Hikvision jest jednym z czołowych dostawców kamer monitoringu na globalnym rynku, który w zeszłym roku zwiększył się aż do 20 miliardów dolarów. Zapotrzebowanie na systemy nadzoru wzrosło w ciągu ostatnich kilku lat, zarówno w Chinach, jak i na całym świecie. Wiele samorządów i korporacji uważa kamery za niezbędne do budowania tak zwanych „inteligentnych miast” z monitoringiem na całym świecie.

    Kamera termowizyjna firmy Hikvision, opracowana już w 2016 roku, zwróciła uwagę analityków w System Plus Consulting, którzy pomogli przygotować ten artykuł, z jednego kluczowego powodu: sztucznej inteligencji. Hikvision zaoferował jedną z pierwszych kamer dostępnych na rynku, która wyposażona została w funkcje AI. W ten sposób w jednym urządzeniu firma połączyła sprzęt i oprogramowanie implementujące uczenie maszynowe. To zachęciło analityków do „zajrzenia pod maskę” urządzenia i zrozumienie dokonanych tam wyborów technologicznych.

    Najbardziej godne uwagi w kamerze Hikvision jest to, że ucieleśnia ona to, co najlepsze ze Wschodu i Zachodu: „wyprodukowany w Chinach mikrobolometr i procesor aparatu w połączeniu z nie-chińskimi komponentami AI/analogowymi i innymi układami do przetwarzania sygnałów”.

    Najwięksi konkurenci Hikvision w tym sektorze to: Dahua i Uniview, obie firmy z siedzibami w Chinach oraz europejskie firmy Bosch (Niemcy) i Axis (Szwecja). Jednak Hikvision wyróżnia się tym, że „firma jest w stanie projektować i wytwarzać własne podzespoły”, jak twierdzi System Plus. Chińska firma posiada własną linię produkcyjną układów MEMS, ich pakowania i testów, a także liczne linie technologii montażu powierzchniowego (SMD) oraz możliwości montażu końcowego urządzeń.

    Intel, Hisilicon (jednostka Huawei produkująca układy scalone) i Movidius (obecnie należąca do Intela) dostarczają trzy kluczowe komponenty, unikalne dla kamery Hikvision:

    * Konfigurowalne rozwiązanie firmy Intel było odpowiedzialne za cyfrowe przetwarzanie sygnału po cyfryzacji wyjścia mikrobolometru i zarządzanie termiczne wraz z kontrolerem modułu Peltiera od firmy Maxim.
    * Hisilicon zaprojektował układ do przetwarzania sygnału obrazu, kodowania i szyfrowania wideo oraz obsługi interfejsu Ethernet.
    * Procesor Movidius umożliwił przetwarzanie obrazu w aplikacji AI.

    Przyjrzyjmy się, zatem, w jaki sposób kamera jest skonstruowana i co dokładnie znajduje się w jej wnętrzu.

    Kamera termowizyjna

    Kamera termowizyjna to urządzenie, które jest w stanie wykryć i zmierzyć ciepło wytwarzane przez ludzkie ciało i skonwertować je na obraz poprzez zaawansowany proces analizy sygnału. Obrazy są odtwarzane poprzez wykrywanie i analizę temperatury. W ciągu ostatnich kilku lat obrazowanie termiczne znalazło zastosowanie w tańszych aplikacjach dzięki wykorzystaniu tzw. mikrobolometrów. Obecnie urządzenia tego rodzaju są szeroko wykorzystywane m.in. z uwagi na pandemię koronawirusa i możliwość szybkiego pomiaru temperatury ciała wielu osób z wykorzystaniem kamery termowizyjnej.

    Mikrobolometry to czujniki wykrywające podczerwień. Składają się z siatki wrażliwych punktów (zwanych „pikselami”) złożonej z różnych warstw i różnych materiałów pochłaniających podczerwień (IR), takich jak tlenek wanadu czy krzem amorficzny (α-Si).

    System Plus Consulting przeanalizowało techniczne i konstrukcyjne aspekty sieciowej kamery termowizyjnej Hikvision DS-2TD2166-15/V1. Technicy System Plus Consulting opisali elektroniczną i fizyczną strukturę systemu, analizując poszczególne elementy, które go tworzą. Przyjrzyjmy się, zatem wynikom ich analizy.

    Sieciowa kamera termowizyjna Hikvision DS-2TD2166-15/V1 wyposażona jest w czujnik obrazu oparty na niechłodzonej z tlenku wanadu (patrz rysunek 1). Jest wyposażona także w inteligentne algorytmy analityczne dedykowane dla infrastruktur krytycznych, takich jak lotniska, koleje itp. Kamera oparta jest na kilku podstawowych elementach, takich jak:
    * Mikrobolometr RTD6171MR (640 × 512 pikseli o wielkości 17 µm);
    * FPGA Cyclone V 550 MHz (z 224 I/O w obudowie FBGA484);
    * 2 Gb pamięci SDRAM 800 MHz;
    * Stabilizator temperatury dla modułu Peltiera w (w obudowie TQFN48);
    * SoC dla kamery IP HD;
    * Procesor wizyjny 2x32Bit RISC z 4 Gb LPDDR3;
    * 8 Gb pamięci DDR4

    Właściwości techniczne i konstrukcyjne kamery sprawiają, że idealnie nadaje się do zapobiegania pożarom i szybkiego wykrywania przegrzania czy zmian temperatury w firmie i procesach przemysłowych. Jest to typowa aplikacja, w jakiej na ogół wykorzystywana jest tego rodzaju kamera. Funkcja VCA (Video Content Analysis) oferuje dwa, całkowicie różne procesy: wykrywanie zdarzeń w czasie i przestrzeni oraz analizę wideo. Ma 4 typy reguł VCA (przekroczenie linii, wtargnięcie, wejście do regionu i wyjście z regionu) i obsługuje do 8 reguł VCA.

    Kamera rejestruje obrazy termiczne, które pozwalają użytkownikom wykrywać ludzi, przedmioty i wypadki w całkowitej ciemności i w trudnych warunkach. Ponieważ jest wrażliwa tylko na promieniowanie podczerwone emitowane przez ciała, światło widzialne nie wpływa na zdolność do zbierania i analizy obrazów. Funkcja pomiaru temperatury umożliwia pomiar rzeczywistej temperatury monitorowanego miejsca. Urządzenie uruchamia alarm, gdy temperatura przekroczy wartość progową. Przeanalizujmy strukturę części sprzętowej tego urządzenia.

    Kamery termowizyjne oparte o mikrobolometry - jak są zbudowane
    Rys.1. Termowizyjna kamera sieciowa Hikvision DS-2TD2166-15/V1.


    Sprzęt Hikvision

    Kamera termowizyjna składa się z 6 płytek drukowanych umieszczonych we wspólnej obudowie. Każda z nich jest przeznaczona do określonego celu. Przeanalizujmy niektóre części (rysunki 2 i 3). Układ FPGA Cyclone V SoC jest zbudowany w oparciu o proces TSMC 28-nm małej mocy (28LP). Układ ten składa się z dwurdzeniowego procesora ARM Cortex-A9, elementów programowalnych FPGA, bogatego zestawu urządzeń peryferyjnych i współdzielonego wieloportowego kontrolera SDRAM. Użycie tego FPGA zapewnia zmniejszenie zużycia energii. Układ oferuje szczytową przepustowość ponad 100 Gb/s ze zintegrowaną gwarancją spójności danych między procesorem a układem FPGA.

    Kamery termowizyjne oparte o mikrobolometry - jak są zbudowane
    Rys.2. Niektóre płytki kamery Hikvision.

    Kamery termowizyjne oparte o mikrobolometry - jak są zbudowane
    Rys.3. Płytka drukowana z kamery firmy Hikvision.


    Część wzmacniająca i obrabiająca sygnał składa się z różnych układów scalonych, w szczególności wzmacniacza ogólnego przeznaczenia AD8605ARTZ, podwójnego wzmacniacza LT6203IMS8 i wzmacniacza różnicowego LT1994IMS8. AD8605ARTZ charakteryzuje się bardzo niskim napięciem offsetu, niskim szumem prądowym oraz szerokim pasmem sygnału. Wykorzystuje opatentowaną przez Analog Devices technikę DigiTrim, która reguluje sprawność obwodu poprzez programowanie cyfrowo ważonych źródeł prądu.

    LT6202 charakteryzuje się spektralną gęstością szumu napięciowego równą 1,9nV/√Hz; pobiera tylko 2,5 mA prądu zasilającego na wzmacniacz. Wzmacniacz ten łączy w sobie niski poziom szumów i niską konsumpcję prądu zasilania z produktem o szerokości pasma 100 MHz, szybkością narastania 25 V/µs. Jest on zoptymalizowany do systemów kondycjonowania sygnału o niskim zużyciu mocy. Zniekształcenia harmoniczne tego elementu są mniejsze niż –80 dBc przy 1 MHz, dzięki czemu wzmacniacze te nadają się do systemów akwizycji danych o małej mocy, takich jak ta kamera termowizyjna.

    LT1994 jest idealny do przesuwania poziomu sygnałów odniesienia do masy do sterowania wejściami różnicowymi, przetwornikami ADC z pojedynczym zasilaniem. Wyjściowe napięcie w trybie współbieżnym LT1994 jest niezależne od wejściowego napięcia współbieżnego i może być regulowane przez przyłożenie napięcia do pinu VOCM, jak opisano w karcie katalogowej tego elementu.

    ADS1112IDGSR to 16-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowym (ADC), który wysyła pomiary bezpośrednio do FPGA. Całość zasilana jest przez stabilizator liniowy LDO LT3042IDD. ADS1112 jest przeznaczony do zastosowań wymagających pomiarów o wysokiej rozdzielczości, w których przestrzeń na PCB i zużycie energii są głównymi cechami, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania systemu. Z kolei LT3042IDD jest stabilizatorem o niskim spadku napięcia, przeznaczonym do zasilania wrażliwych na szum aplikacji RF. Na pokładzie systemu znajdują się jeszcze inne układy scalone do obsługi systemu zasilania odpowiednich zintegrowanych podsystemów, takie jak stabilizatory liniowe i przetwornice impulsowe obniżające napięcie.

    Główną częścią, która decyduje o 80% kosztu urządzenia, jest mikrobolometr (oparty na tlenku wanadu). Jest on wspierany w pracy przez ogniwo Peltiera do chłodzenia, co ma zmniejszyć szumy urządzenia, wraz z obwodem kontroli temperatury mikrobolometru.

    Soczewki

    Główny moduł z mikrobolometrem składa się z zestawu soczewek optymalizujących wiązkę podczerwieni i skupiającą ją na czujnikach. Na rysunkach 4 i 5 widzimy soczewkę z germanu (Ge) o średnicy 19,6 mm oraz dwie soczewki z triselenku arsenu (As2Se3) o różnych średnicach, jedną 17,6 mm i drugą 27,6 mm.

    Kamery termowizyjne oparte o mikrobolometry - jak są zbudowane
    Rys.4. Moduł kamery.

    Kamery termowizyjne oparte o mikrobolometry - jak są zbudowane
    Rys.5. Moduł obiektywu.


    W optyce liczba przysłony f (czasami nazywana wartością przysłony) jest parametrem układu optycznego, który opisuje wielkość otworu na drodze światła. Matematycznie jest to stosunek ogniskowej obiektywu do średnicy jego otworu (przysłony). Soczewka o dużej średnicy przepuszcza przez nią więcej światła lub promieniowania podczerwonego. Większa ilość promieniowania podczerwonego poprawia jakość pomiaru, zwiększając stosunek sygnału do szumu. Parametr, który umożliwia identyfikację jakości pomiaru, nazywa się „NETD” lub „równoważna szumowi różnica temperatur”. Zwykle jest wyrażany w mili-kelwinach (mK) i mierzy, jak dobrze detektor obrazu termicznego może rozróżnić małe różnice w obrazie promieniowania cieplnego. Typowe wartości dla niechłodzonych kamer termowizyjnych z mikrobolometrem są rzędu 45 mK.

    Mikrobolometr

    Siatka pikseli złożonych z specjalnych rezystorów tworzy niechłodzone czujniki. Tego typu czujniki nazywane są mikrobolometrami. Każde padające na element absorbera promieniowanie podnosi jego temperaturę powyżej temperatury rezystora; im wyższa moc pada na element, tym większy jest wzrost jego temperatury. Wartość rezystora zmienia się w zależności od padającego promieniowania, w szczególności promieniowania podczerwonego, które ogrzewa element. Każdy piksel jest reprezentowany przez komórkę wejściową CMOS (układ scalony odczytu-wyjścia -ROIC) i jest przetwarzany przez obwód kondycjonujący w celu wygenerowania obrazu na naszym komputerze lub monitorze za pomocą układu FPGA (rysunki 6 i 7). Zwykle struktura mikrobolometrów jest zoptymalizowana pod kątem większej czułości w paśmie spektralnym 8..14 µm. Czujnik zastosowany w Hikvision DS-2TD2166-15/V1 to IRAY RTD6171MR o rozdzielczości 640 × 512 pikseli (wielkość piksela 17 µm) o częstotliwości odświeżania 60 Hz (wyjście analogowe). Mikrobolometr jest w montażu SMD.

    Kamery termowizyjne oparte o mikrobolometry - jak są zbudowane
    Rys.6. Mikrobolometr - IRAY RTD6171MR.

    Kamery termowizyjne oparte o mikrobolometry - jak są zbudowane
    Rys.7. Mikrobolometr RTD6171MR o wielkości 17 µm - zdjęcie z demontażu.


    System Plus podkreślił fizyczne cechy mikrobolometru, podsumowane poniżej:

    * Powierzchnia matrycy: 175,2 mm² (13,6 mm x 12,8 mm);
    * Obszar aktywny: 96,4 mm² (10,9 x 8,85 mm);
    * Matryca pikseli: 641 x 520, z czego aktywnych jest 640 x 512;
    * Liczba wyprowadzeń: 107;
    * Liczba wyprowadzeń z struktury mikrobolometru: 32, zrealizowane jako połączenia drutowe.

    Analizując budowę wewnętrzną układu dostrzec można reflektor, znajdujący się pod materiałem pochłaniającym. Styka się on z podłożem. Jego zadaniem jest przekierowania pozaosiowego światła poza warstwę absorbujących pikseli w celu optymalizacji stosunku sygnału do szumu. Materiał chłonny jest „zawieszony” nad substratem, aby zapewnić mu izolację termiczną. Złożona siatka pikseli jest hermetyzowana próżniowo, aby poprawić trwałość i niezawodność układu. Większość mikrobolometrów stosowanych w kamerach termowizyjnych wykorzystuje tlenek wanadu, jako materiał pochłaniający ze względu na lepszy kontrast termiczny, który zapewnia dokładniejsze i wyraźniejsze obrazy.

    Detektory z tlenku wanadu mają impedancję około 100 kΩ dla typowego rezystora, w przeciwieństwie do detektorów z amorficznego krzemu, które zwykle mają impedancję 30 MΩ. W tych warunkach materiał z tlenku wanadu ma niższe napięcie szumów Johnsona, dlatego pomiar będzie obarczony mniejszym szumem. Napięcie szumu Johnsona zależy od trzech warunków: wartości rezystora, szerokości pasma obwodu i jego temperatury bezwzględnej.

    Kamera jest wyposażona w element odniesienia temperatury i stabilizację termiczną za pomocą ogniwa Peltiera. Układ realizuje stabilizację z pomocą 14-bitowego przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC) AD5645RBRUZ z wbudowanym układem stabilizacji napięcia odniesienia i kontrolerem temperatury MAX1978ETM, dedykowanym do obsługi modułów Peltiera.

    Ogniwa Peltiera to niedrogie urządzenia termoelektryczne stosowane, jako generatory prądu, oraz systemy chłodzenia i precyzyjnej kontroli temperatury, tak jak w przypadku tej kamery, aby utrzymać stałą temperaturę matrycy na zadanym poziomie. Ogniwa Peltiera działają na zasadzie zjawiska termoelektrycznego. Zjawisko to polegają na powstawaniu różnicy napięć na złączach złożonych z dwóch różnych przewodników o odmiennej temperaturze i odwrotnie. Przyłożenie napięcia do ogniwa powoduje powstanie różnicy temper na elemencie. Efekt ten wykorzystuje się również m.in., w termoparach.

    Układ MAX1978 ma wbudowane tranzystory polowe FET i obwody sterowania, dzięki czemu wymaga jedynie minimalnej ilości zewnętrznych elementów przy zachowaniu wysokich parametrów analogowych. Wzmacniacz w układzie, dzięki architekturze minimalizujące dryft układu utrzymuje stabilność temperatury na poziomie ± 0,001°C. Czujnik temperatury znajduje się w module soczewki i bazuje na termistorze. Dodatkowy cyfrowy czujnik temperatury TMP75AIDRG4 monitoruje temperaturę systemu (otoczenia) monitorowaną bezpośrednio przez układ FPGA.

    W przeciwieństwie do innych typów urządzeń do wykrywania w podczerwieni, mikrobolometry z tlenkiem wanadu nie wymagają chłodzenia. Tlenek wanadu zachowuje się różnie w zależności od temperatury. Szkło powlekane blokuje promieniowanie podczerwone (ale nie światło widzialne) o pewnych określonych temperaturach, umożliwiając elektronice aparatu przetwarzanie obrazu z widma elektromagnetycznego i odtworzenie go w pseudokolorach w postaci obrazu zrozumiałego dla człowieka.

    Pozostałe moduły

    Kamera termowizyjna obsługuje transmisję RS232 (przez SP3232EEN-L) dla interfejsów przemysłowych oraz transmisję Ethernet poprzez układ RTL8201FI-VC-CG. Płytka numer 6, jak pokazano na rysunku 8, zawiera system zasilania w postaci przetwornicy AC/DC z diodami tłumiącymi napięcia przejściowego (TVS), które chronią obwody elektroniczne przed stanami nieustalonymi i zagrożeniami przepięciowymi, takimi jak EFT (przepięcia) i ESD (wyładowania elektrostatyczne).

    Kamery termowizyjne oparte o mikrobolometry - jak są zbudowane
    Rys.8. Niektóre pozostałe płytki w kamerze Hikvision.


    Kamera wyposażone jest w interfejs PoE (Power over Ethernet), który jest obsługiwany przez układ TPS2378DDDAR o dużej mocy oraz kontroler PWM TL2845BDR-8 firmy Texas Instruments. Ten ostatni zapewnia wszystkie funkcje, które są niezbędne do implementacji schematów sterowania w trybie off-line lub DC/DC ze stałą częstotliwością przy minimalnej liczbie elementów zewnętrznych.

    Niska rezystancja przełącznika wewnętrznego (0,5 Ω) w TPS2378DDAR w połączeniu z ulepszonym odprowadzaniem ciepła z obudowy PowerPAD umożliwia systemowi PoE nieprzerwane dostarczanie do 0,85 A. Power over Ethernet (PoE) to technologia, która przesyła energię elektryczną przez parę kabla Ethernetowych: urządzenie, które zapewnia zasilanie, nazywane jest sprzętem do zapewniania energii (PSE), a zasilane to po prostu urządzenie zasilane (PD). Kiedy PD jest podłączony do PSE, standard PoE określa prąd rozruchowy do PD, aby zapobiec skokom prądu. Ponadto standard PoE zapewnia analogowe uzgadnianie (klasyfikację) między PSE i PD w celu negocjowania dostarczanej mocy.

    Kamera termowizyjna generuje wideo z SoC HI3519 V111 dedykowanego do zastosowaniu w kamerach IP HD. Wykorzystuje on koder kompresji wideo H.265, a także zaawansowaną technologię dla uzyskania niskiego poboru mocy i uproszczenia projektu architektury wewnętrznej. Hi3519 V101 obsługuje obrót obrazu o 90° lub 270° i korekcję zniekształceń obiektywu za pomocą sprzętu i algorytmów. SoC posiada też wbudowany kodek audio. Układ ten jest wyposażony w dwie pary pamięci DDR4 po 4 Gb każda oraz GD5F2GQ4UB9IGR Flash NAND o pojemności 2 Gb podłączony przez SPI.

    Procesor Intel Movidius MA2450 VPU to dwurdzeniowy, 32-Bitowy układ RISC, który wyposażono w zintegrowane 4Gb pamięci LPDDR3. Układ taktowany jest zegarem o częstotliwości 933 MHz. Znajduje się na pokładzie płytki 4 (rysunek 8) i umożliwia systemowi szybkie rozpoznawanie obiektów i ludzi, analizę danych statystycznych, inspekcję wytwarzanych obrazów i analiz oraz wiele więcej. Widzenie komputerowe wykorzystuje głębokie uczenie się do tworzenia sieci neuronowych, które kierują systemami podczas przetwarzania i analizy obrazu.

    Na rynku wyróżniają się różne modele kamer termowizyjnych z chłodzonymi i niechłodzonymi sensorami. Kamery termowizyjne z chłodzonym czujnikiem są droższe. Nowoczesna chłodzona kamera termowizyjna posiada zintegrowany czujnik obrazu z chłodnicą kriogeniczną. Dzięki mikrobolometrowi kamera termowizyjna zapewnia wysoką dokładność przy relatywnie niewielkich kosztach, dzięki brakowi konieczności chłodzenia sensora. Kamera dokonuje pomiaru temperatury powierzchni ciepła emitowanego przez obiekt i wyświetla je, jako obraz na ekranie termogramu.

    Źródło: https://www.eetimes.com/under-the-hood-microbolometer-based-thermal-ai-camera/
  • Metalwork