红外热像仪工作原理、分类、应用、渗透率及竞争格局如何？

军品下游用途广泛，民品市场持续开拓。

红外热像仪利用目标物体的红外辐射，实现对目标的探测识别等功能。红外 线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，又称红外光、红外热辐射，是波 长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长在 0.76 至 1,000 微米之间。红外 线是自然界中存在最为广泛的辐射，所有温度高于绝对零度（-273℃）的物 质都不断地辐射红外线，红外线能量的大小与物体表面的温度和材料特性直 接相关，温度越高，红外线能量就越大。红外热像仪利用对红外辐射敏感的 红外探测器把红外辐射转变为微弱电信号；之后利用后续电路将微弱的电信 号进行放大和处理，从而清晰地采集到目标物体温度分布情况；最后通过图 像处理软件对上述放大后的电信号进行处理，得到电子视频信号，电视显像 系统将反映目标红外辐射分布的电子视频信号在屏幕上显示出来，得到可见 图像。

从不同角度出发，红外热像仪有多种分类标准。按照红外热像仪所用探测 器 工作温度的不同，可以分为制冷型和非制冷型两类。对于高速飞行的目标， 需要具备高灵敏度和高响应速度，例如导弹的制导和跟踪。制冷型红外热像 仪在灵敏度、探测距离等方面具有优势，因此，主要应用于远距离监测、目 标跟踪、导弹导航、航空、航天、军事侦察、安防监控等领域。非制冷型无 需安装制冷装置，具有体积小、重量轻、价格低廉等特点，相较于制冷型来 说，更加便于制造和使用。同时，非制冷型还具有响应速度快、适用于宽波 段的特点，因此在一些特定的应用场景中具有优势，广泛应用于轻武器瞄具、 单兵装备等对性价比和便携性要求较高的领域以及热成像、火灾报警、工业检测、安防监控等领域。

红外成像在特种领域用途广泛。红外热成像仪最早运用在军事领域，在军事 上有极高的应用价值，其最重要的应用是昼夜观察和热目标探测。红外热成 像仪能在完全黑暗的环境下探测到物体，即使在有烟雾、粉尘的情况下也不 需要可见光光源，因此可以全天候使用。红外热成像仪以被动的方式探测物 体发出的红外辐射，比其他带光源的主动成像系统更具有隐蔽性。由于红外 热成像具有隐蔽性好、抗干扰性强、目标识别能力强、全天候工作等特点， 所以被应用于军事侦察、监视和制导等方面，在武器装备中得到广泛应用。

我国目前红外热像仪渗透率较低，提升空间较大。在特种领域，因各国保持 高度的军事敏感性，限制或禁止向国外出口特种级产品，所以率先发展红外 热成像技术的发达国家军队普及率较高。目前，国际特种红外产品市场主要 被以美国、法国为代表的发达国家企业主导。根据 Maxtech International 预 测，2023 年全球特种红外热成像市场规模将达到 107.95 亿美元；2020 年2023 年复合增长率约为 4.04%。与发达国家相比，我国红外热像仪装备渗透 率较低。据《夜视仪在单兵观瞄系统中的应用》（史训豪，科技风杂志 2019年 10 月），截止到 2013 年，美陆军单兵夜视仪人均达到 1.4 件，我国基本 上刚刚普及到美军 PVS-15 夜视仪的水平，而且无法做到大量普及。随着我 国国防现代化进程的不断推进，红外热像仪在我国军事领域的应用处于快速 提升阶段，单兵、坦克装甲车辆、舰船、军机和红外制导武器在内的红外装 备市场均快速发展，市场需求量巨大。

成本及价格不断下降，红外成像民用市场持续开拓。在民用领域，红外热成 像仪行业已充分实现市场化竞争，各企业面向市场自由竞争。随着非制冷红 外热成像技术的发展，红外热成像仪在民用领域得到广泛的应用，增长幅度 远大于特种领域。红外热成像仪在民用市场消费额的快速增长主要来源于产 品成本下降带来新应用领域的不断扩大，随着红外热成像仪在电力、建筑、 执法、消防、车载等行业应用的推广，国际民用红外热成像仪行业将迎来市 场需求的快速增长期。据 Maxtech International 预测，2023 年全球民用红外 热成像市场规模将达到 74.65 亿美元，2020 年-2023 年复合增长率约为 10.05%。

非制冷红外探测器最早由国外于上世纪八十年代开始发展。现代红外探测 器技术是从 1940 年代的制冷光子型单元红外探测器开始的，非制冷红外探 测器技术从 20 世纪 80 年代开始发展，后来发展出线列探测器，再到今天 的焦平面探测器和双色探测器，已发展到第三代，到 90 年代初，开始有美 国霍尼韦尔公司关于红外 Bolometer 焦平面产品的文献报道。非制冷型红 外焦平面技术属于第三代红外探测器技术，由霍尼韦尔公司于上个世纪九十 年代中期研发成功，并于 2000 年前后实现商用。

国内非制冷型探测器发展较晚，但后起优势明显。我国从 1980 年代开始制 冷型红外探测器的研究，并在 2010 年实现制冷型红外探测器的量产。此后， 武汉高德红外等企业也开展相关的研究和产业化。而国内非制冷红外焦平面 探测器研究的发展相对迟缓，早期以高校和科研院所为主力军，且侧重于材 料与原型器件研制。2005 年之前，国内红外成像厂家主要通过从 ULIS 公司采购焦平面探测器来研发成像机芯和热像仪。国内红外成像焦平面探测器 共经历材料与器件原理研究( 2000～2005 年) 、产品研制( 2005～2010 年) 、 军品国产化推进( 2010～2015 年) 三个阶段。2016 年至今，国内民营企业全 面开展非制冷红外焦平面探测器产品的系列化与产业化。代表企业包括艾睿 光电、北方广微、大立科技和高德红外等。

红外热像仪的核心部件是用来探测、识别和感知红外辐射的红外探测器， 探测器水平直接决定最终形成的可见图像的清晰度和灵敏度。红外探测器 的设计、生产及研发涉及到材料、集成电路设计、制冷和封装等多个学 科，技术难度很大，目前全球仅有美国、法国、以色列、中国等少数国家 能够掌握非制冷红外探测器核心技术。目前市场上大部分红外探测器都是 焦平面阵列，其特点是由 M×N 个热敏单元（即像元）排成阵列，用来接 收红外辐射，本公司产品即采用焦平面阵列技术。 每个热敏单元从结构 上主要由 CMOS 读出电路及 MEMS 传感器两部分组成，上层的 MEMS 传 感器通常使用氧化钒或多晶硅等热敏材料制成，用于吸收红外辐射能量并 将温度变化转换成电阻的变化，CMOS 读出电路将微小的电阻变化以电信 号的方式输出。CMOS 读出电路和 MEMS 传感器为多层结构，精密复 杂，其设计和生产过程难度很高，是红外探测器的核心步骤。

阵列规模、像源尺寸、噪声等效温差等为红外探测器核心指标。阵列规模代 表着像元数量的多少，阵列规模越大说明探测器上的像元数量越多，成像的 精细程度越高，同时视觉范围越大。常见的阵列规模有 256×192、384×288、 640×480、640×512、800×600、1024×768 及 1280×1024 等，更大的阵 列规模意味着设计及工艺难度越高。更小的像元尺寸能够在焦平面单位面积 上集成更多的像素，提高红外探测器的分辨率，同时也可以显著减小热成像 设备的体积、重量、功耗和成本，因此具有十分重大的意义。近 10 年来， 主流非制冷红外焦平面探测器的像元寸从最初的 50μm，历经 45μm、35μ m、25μm 等几种规格，目前已经逐渐进入以 12μm 为主流的时代，且更 小像元尺寸如 10μm、8μm 也已进入研制阶段。NETD（噪声等效温差） 是热成像系统灵敏度的评价指标，决定热成像仪区分细微温差的能力， NETD 指标越小说明产品灵敏度越高。 与外企相比，国内厂商在技术指标上已无明显劣势。热敏感薄膜材料选择上 存在两条路线 (VOx、α-Si)，分别是美国和法国所走的不同的技术路线。20 世纪 80 年代，美国霍尼韦尔公司在军方资助下在研发出 VOx 的 Bolometer 器件，后授权数家公司生产；而法国在 20 世纪 90 年代末期才推出采用αSi 的 Bolometer。目前美国研制的 VOx 材料路线占领 80%左右的市场份额， 国内主要生产厂商高德红外、北方广微、睿创微纳都是 VOx 一脉，而大立 科技是α-Si 路线。经过近十年的发展，国外产品相比国产主流产品在面阵 规模、像元间距和噪声等效温差等指标上已经无明显优势。