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中国红外热成像技术及产业的发展现状
发布时间:2018-1-25 信息来源:网上收集 作者:佚名 字体大小:           

http://www.coema.org.cn/sum/opticsinfrared/20120113/150942.html

第一部分红外技术的发展及主要应用领域

红外技术的发展
1800年,英国天文学家F.W.赫歇耳发现了红外线。
上世纪70年代,热成像系统和电荷耦合器件被成功地应用。
上世纪末以焦面阵列(FPA)为代表的红外器件被成功地应用。
红外技术的核心是红外探测器。

红外探测器
单元红外探测器:如InSb(锑化铟)、 HgCdTe(碲镉汞)、非本征硅,以及热电等探测器。
线列:以60元、120元、180 元和256元等,可以拼接到1024元甚至更多元。
4N系列扫描型焦平面阵列:如211所的研制生产的4x288。
凝视型焦平面阵列(IRFPA) :
致冷型256x256、320x240、384x288,更大规模的如640x512,1024×1024和1280×720元阵列也已有了;
非致冷型160×120、320x240已广泛应用于各个行业中, 384x288、640x480也已开始应用。

红外探测器按其特点可分为四代:
第一代(1970s-80s):主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像;
第二代(1990s-2000s):是以4x288为代表的扫描型焦平面;
第三代:凝视型焦平面;
第四代:目前正在发展的以大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型为主要特点的系统芯片,具有高性能数字信号处理功能,甚至具备单片多波段探测与识别能力。

目前非制冷焦平面探测器的主流技术为热敏电阻式微辐射热计,根据使用的热敏电阻材料的不同可以分为氧化钒探测器和非晶硅探测器两种。
非制冷焦平面阵列探测器的发展,其性能可以满足部分的军事用途和几乎所有的民用领域,真正实现了小型化、低价格和高可靠性,成为红外探测成像领域中极具前途和市场潜力的发展方向。

氧化钒技术由美国的Honeywell公司在九十年代初研发成功,目前其专利授权BAE、L-3/IR、FLIR-INDIGO、DRS、以及日本NEC、以色列SCD等几家公司生产。非晶硅技术主要由法国的CEA/LETI/LIR实验室在九十年代末研发成功,目前主要由法国的SOFRADIR和ULIS公司生产。
目前世界上只有美国、法国、日本、以色列四个国家拥有非制冷焦平面探测器产业化生产的能力,其核心技术仅有美国和法国两个国家掌握,日本和以色列则由美国取得技术许可,在其国内生产和有限制地使用。对我国的出口则设置了更多严格的限制,如大家遇到的帧频限制。

我国已经开展了从单元、线列到红外焦平面的探测器研究工作。产品已覆盖1μm-3μm、3m-5μm和8μm-14μm三个大气窗:光子探测器有光导、光伏、量子阱等结构;热探测器有热敏电阻,温差电偶与电堆、热电等类型。多种焦平面阵列已走出实验室,开始获得实际应用。

随着红外探测器从第一代主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像到目前第四代的飞速发展,带动了相关技术和与此相应的红外应用技术的快速发展,红外材料、光学元件加工与镀膜、制冷器、前放、专用信号读出处理电路、图像处理、系统设计、系统检测、仿真与试验技术等,已经形成了比较完整的研究生产体系。

红外技术的主要应用领域
红外技术早期只局限于军事领域的应用,伴随着冷战的结束,红外技术开始大规模地走入民用领域。
随着世界经济的快速发展、红外技术的快速进步和产品成本的不断下降,民用领域应用将具有更为广阔的发展空间。

军用领域
红外技术可用于对远、中、近程军事目标的监视、告警、预警与跟踪;红外成像的精确制导;武器平台的驾驶、导航;探测隐身武器系统;光电对抗等。
在美、英、法、德、日、以色列等发达国家的军队中,红外热像仪已配置在陆、空、海军等各个军种中,例如海湾战争中平均每个美国士兵配备1.7具红外热像仪。
与发达国家相比,目前我国军队中红外热像仪的应用相对较少,其市场需求量相当巨大。

民用领域
红外测温、红外成像已在工业、交通、电力、石化、农业、医学、遥感、安全监控与防范和科学研究等民用领域广泛应用,成为自动控制、在线监测、非接触测量、设备故障诊断、资源勘查、遥感测量、环境污染监测分析、人体医学影像检查等重要方法。
系统级产品种类和量产规模的不断扩大导致了红外器件成本的降低,这个发展趋势不但促进了这项技术在民用领域能够不断地探寻更多的应用用途,同时又拉动了这项技术本身所牵引的基础行业的发展。
民用领域的红外热像仪市场极有可能呈现出爆发性增长,未来全球民用潜在需求市场高达上千亿美元。

第二部分红外技术产业的主要领域方向

按产品和技术类别可分为:红外传感器、红外成像器 、红外材料、光学元件、制冷器、前放、专用信号读出处理电路、图像处理、系统设计、系统检测、仿真与试验等;
按应用领域可分为:安防领域、消防领域 、电力领域 、企业制程控制领域、医疗领域、建筑领域、遥感领域等。

安防领域
从2006 年至今,全球视频监控市场年增长速度达到70%左右,预计到2010 年,全球视频监控市场规模将达到近60亿美元。
中国视频监控市场,2006年规模达18亿元,预计2010年将达到近70亿元。

随着商业和民用安防监控实际需求的不断增长、部署监控系统性价比的不断提升,以及“国家应急体系”、“平安建设”、“科技强警”等重大工程项目在全国不断推进,我国视频监控市场将持续升温,并不断创造出更多的市场需求和机会。
北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等国内大型活动的举办和世界社会安全形势的多变,对各种危险性的预防也提出了越来越高的要求,具有全天时准全天候的红外监视显得更加突出。

非制冷红外探测器的出现和市场价格的可接收性,红外报警已从近红外主动照射成像报警、点源红外探测报警快速向红外凝视焦平面成像发展。

红外成像、红外/可见光融合的智能视频监控报警系统将获得快速发展,并将广泛运用到海边防、银行、机场、油库、军械库、图书文献库、文物部门、监狱等重要部门,以及交通、工业、仓储、港口码头、物联网和森林防火等行业市场。

到2009年,全国约有300万个监控摄像头用于城市监控与报警系统。未来按三十分之一配置红外热像仪,市场规模即达10万只,平均每台按5万元计算(目前售价约为10万元),市场需求总量达到50亿元。 红外安防已经开始成为安防领域的又一热门产业!

消防领域
消防领域是世界上发达国家红外热像仪最大的民用市场。
据统计,目前全球有大约500万消防人员,如果每辆消防车辆配备一台热像仪,市场总量将达到20万台。
据我国公安部消防局装备处的统计资料,目前我国消防车保有量约为2.3万辆,按照公安部、国家发展和改革委员会、建设部修订的《城市消防站建设标准》要求,到2009年,每个消防站的消防车配置将由3.2辆增加到5辆,全国消防车总量因此将达到近3.6万辆。

我国消防车中配备红外热像仪的还很少,如果每台消防车配备一台红外热像仪,平均每台按10万元计算(目前售价约为15万元),全球消防领域的市场需求总量达到200亿元,我国将达到36亿元。

电力领域
作为最成熟、最有效的电力在线检测手段,红外热像仪可以大大提高供电设备运行的可靠性,大大降低了设备的检修时间。
虽然电力行业是目前我国民用红外热像仪应用最多的行业,但仅限于广东、浙江、江苏、山东等沿海经济发达地区,而且目前这些发达地区的拥有量也仅为需求量的20%。
据统计,我国电力行业红外热像仪的总需求量约为2.5万台,以平均每台售价6万元(目前售价约为10万元)计算,市场需求总额约为15亿元。

企业制程控制领域
目前,我国制造业共有约130多万家企业,这些制造业如果利用红外热像仪做制程控制,则能大大提高企业的产品品质,如制造业中10%的大型企业配备红外热像仪,按每家企业配备一台红外热像仪来计算,则市场需求总量将达到13万台,以每台售价10万元计算,则市场需求额可达130亿元。

医疗领域
红外技术的医学应用主要包括人体温度检测、疾病临床诊断、疾病治疗与保健三个领域。

红外测温检测在非典、流感期间发挥了重要作用;
医用红外热成像技术是对结构成像技术(B超、CT、核磁共振)是一个很好的补充,许多以往结构成像技术不能表现或晚于机能表现的异常信息,却能通过红外热成像技术表达。据文献报道,在发现肿瘤方面,它比CT、核磁早6~12个月。它又是疼痛及软组织损伤的唯一可查仪器。
目前,医用红外热成像技术正在生物信息、无创检测、亚健康评估、肿瘤预测、中医诊断客观化、人体异常信息的无创监测(包括SARS疫情监测)等重大前沿领域得到广泛的应用。
各种红外理疗仪已经逐步进入了人们的家庭。

我国医用红外热像仪的研制起步较晚,1991年才开始研制医用红外,由于技术和市场的原因,销售量一直较小,目前在使用的医用红外热像仪产品大约有200台,北京协和医院、军区总医院、309医院、304医院、721医院、电力总医院、北京医院等均有此类设备,据报道,目前全国各大医院均已建立了红外医疗中心,80%的中小型医院成立了红外医疗科室,国内医疗界对红外医疗设备的需求大大增加。

建筑领域
2006年11月1日,中国工程建设标准化协会批准实施《红外热像法检测建筑外墙饰面层脱粘结缺陷技术规程》,对红外热像仪在建筑行业的应用进行了规范。目前,我国建筑企业约为10万家,如果每家配备1台红外热像仪,则市场需求总量可达10万台,以平均每台售价5万元计算,市场需求额可达50亿元。

遥感领域
红外遥感仪器获取地物目标的红外波段辐射数据,经过信号或信息处理可以获得地球环境的信息。在地球资源探查、气象预报、防灾减灾、抗灾搜救等方面具有重要的应用价值和广阔的应用空间。
有星载、机载、浮空器等众多遥感平台。

第三部分国内外红外产业的现状与发展趋势

军用领域:
红外技术已广泛应用于陆、海、空各军兵种,其中红外成像精确制导是各国红外技术应用的主流方向之一。红外成像制导技术是由美国人从60年代初开始研创。有资料统计,在过去的20年里,世界范围内多次的局部战争和有限军事冲突中,被导弹击中的飞机中有90%是被红外制导导弹击落的, 有85%的地面和海上目标是被有红外制导能力的武器系统所击中。

红外制导技术的扩展应用领域相当宽广,大量装备的还有阵地型、机载型、舰载型和星载型制导火控系统和预告警系统。这些地面系统由于基本不受体积、重量、造型和时效性的严格限制,又有人工参与进行维护和参数的现场设置。
在欧、美发达国家,非消耗性红外成像制导(指挥、预警和火控)系统的列装率较高,几乎军用(警用)舰船上、飞机上、战车上和重要的地面阵地都装备了大量的红外成像设备,并发挥了相当重要的作用。

单兵武器更是一个广大的市场,目前全球军队数量约为2000万人,如果10%的军队按每个士兵配备具红外热像仪,每具红外热像仪按2000美元(目前售价约为1万美元)计算,全球单兵军用红外热像仪市场需求总量即可达40亿美元。
根据国际光学学会(SPIE)估计,目前全球军用红外热像仪的实际年需求至少为30 亿美元。
民用领域
根据美国Maxtech International 发布的红外市场报告, 2006年全球民用红外热像仪的销售额为16.3亿美元,几年来,全球民用红外热像仪市场需求年均增长率已超过了15%,预计2010 年全球民用红外热像仪市场供给将达到28亿美元。
全球民用红外热像仪市场的供给和需求趋势

由于红外技术具有很高的军用和民用价值,近年来国外主要厂家纷纷在核心器件及系统产品的产业化进程中加大投入和研发的力度。
FLIR 公司、L-3 公司、FLUKE 公司、SOFRADIR/ULIS 公司、NEC 公司是民用热像仪领域较强的竞争者。
FLIR 公司是民用领域竞争实力最强的红外热像仪公司,2006年,FILR公司取得了宝马汽车公司为其新款7系列轿车配备的红外热像仪订单,并获得了美国政府35万台的出口许可申请,该公司的vo2非制冷红外成像器在国内市场占有很大份额。

从全球范围来看,红外热像仪目前已得到广泛的应用,根据MaxtechInternational的报告,全球民用市场规模为30亿美元左右,未来几年年均增速为15%左右;军用市场规模为60亿美元左右,未来几年年均增速为7%左右。

军用领域:

由于红外技术能比较全面地满足军事应用上的各种需求,因而红外技术也是当今国内竞相发展的重点技术之一。

目前我国军队中红外热像仪应用的相对较少,按照我国政府发布的《2006年中国的国防》白皮书,我国军队的人员数量为230万人,如果未来我军 10%的部队装备红外热像仪,则我国军用红外热像仪市场容量就可达到23万套,以每套5万元(目前大部份军用红外热像仪实际售价远超过10万元)来计算,其市场需求量可达115亿元。

民用领域:

红外热像仪在我国应用于安防、消防、电力、建筑等行业领域目前还处于起步阶段,发展空间巨大,未来市场空间将超过军用需求。

由于国内经济高速发展,中国红外热像仪市场的年均增长率将达到甚至超过20%,预计2011年中国民用红外热像仪市场的需求量可以达到9.95亿元。若考虑到新的应用领域的开发,其实际的市场需求总量将可能超过这一预测。

目前国内从事红外技术产品研制、生产和经营的单位约有400余家,初具规模的约有30余家。民用红红外热像仪的供应商有十来家,但大部分企业研发实力弱,品牌影响力小,许多企业实际上是国外产品的代理商或者是系统集成商。

国内从事红外材料、器件和系统的主要研制单位有:中电11所、兵器211所、 8358所、中科院上海技术物理所、205所、航空612所、613所、船舶717所等。大立科技、武汉高德和广州飒特等已成为国内红外民品产业的主力军。

由于各种原因,国营单位在民用市场的份额约为5%,大立科技、武汉高德和广州飒特三家的市场占有率已在60%以上。中国红外热像仪产业用10年的时间从国外行业领先的FLIR、FLUKE等厂商抢回了超过50%的市场份额,初步实现了进口替代的产业目标。

目前国产红外热像仪的产品性能已经基本接近进口产品,但由于品牌影响力等原因,价格只是进口产品的一半。

红外热像仪的核心部件主要靠进口,核心技术受制于人。国内企业的竞争力主要体现在总体技术、光学系统、后续电路、图像处理软件等方面。当然、人才、管理、市场也是竞争力的一部分。

红外行业的市场特征

1、技术攻关难

红外热像仪是由焦平面探测器、后续电路、图像处理软件三大部件组成,是集材料学、半导体技术、精密仪器、机械工程、光学系统、软件设计等尖端技术为一体的高科技产品。因为红外热像仪目前还主要应用于军事领域,其相关的技术资料扩散受严格控制,很难获取,这是导致国内相关技术落后,人才培养艰难的主要原因,从而使得国内科研机构一直难以在此行业取得重大突破。

2、核心部件进口受限

目前,红外热像仪的核心部件焦平面探测器仅有欧洲和北美、日本和以色列等少数几个国家的企业具备产业化生产的能力,其核心技术输出被严格限制。目前国内所有焦平面探测器均来国外,国内采购必须向所在国政府提出申请,并经政府审核同意后,签发出口许可证,相关企业方可和进口方签订产品购销协议。因此进入红外热像仪行业的企业在采购探测器时需要很长的时间方可取得许可,程序较为繁琐而缓慢。

3、产业化进程缓慢

红外热像仪作为新兴的高科技产品,研发难度大、周期长、产业化的难度高。例如,对于一个新的行业进入者而言,要成功开发出消防用红外热像仪至少要5年左右的时间,而产品研发出来后,如何推向市场,需要更多营销渠道积累。因此,虽然国内部分科研院校掌握了红外热像仪的部分技术,并成功开发出产品,但由于未能成功地转化为商品,缺乏进一步改进、发展的机会,因此技术也未能及时赶上国际先进水平。

 

 

 

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