红外探测器行业分析报告.docx

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红外探测器行业分析报告

2019年红外探测器行业分析报告

2019年7月

红外探测器利用红外辐射进行成像，基于红外在大气传输存在的“大气窗口”，红外线的应用分为短波红外、中波红外和长波红外三大类。

短波红外利用目标反射环境中普遍存在的短波红外辐射，在分辨率和细节上类似于可见光图像；长波、中波红外成像利用室温目标自身发射的热辐射，用于各种红外热视设备。

红外热成像仪主要分为军用和民用两个产品市场。

最早运用在军事领域，随着红外成像技术的发展与成熟，低成本的民用红外像设备出现，在民用领域得到了广泛的应用。

两个市场相对独立，所需产品类型存在较大差异，军用以高性能制冷型探测器为主，民用市场偏好低成本非制冷探测器。

红外探测器是红外产业链的核心，红外探测器性能高低直接决定了红外成像的质量。

据具体的需求和应用，红外探测器会有不同的分类，最为常见的是根据制冷需求，分为制冷红外探测器和非制冷红外探测器。

制冷型探测器对应的为基于光电效应的光子传感器，目前第三代制冷型红外光电探测器的材料主要包含HgCdTe、量子阱光探测（QWIPs）、II类超晶格（II-SLs）与量子点光探测（QDIPs）四种；非制冷型探测器对应的是基于入射辐射的热效应的热探测器，商用非制冷探测器目前主要由氧化钒、非晶硅或硅二极管制造。

不同的公司采用的技术路线存在较大差异，国外红外探测器公司以综合性为主。

多数公司产品包括制冷型和非制冷型，可以达到全波段红外覆盖，例如美国的雷神（Raytheon）、DRS、TIS、法国的Sofradir、以色列的SCD等，主要产品用于军用；FLIR公司作为全球最大红外热像仪商业公司，主要自产焦平面产品主要包括氧化钒非制冷红外探测器、中波红外的InSb以及短波红外的InGaAs阵列。

国内的探测器力量主要包括研究院所如上海技物所、中电11所、北方夜视以及民企如高德红外、大立科技、睿创微纳等。

从民企角度来看，三家公司技术路线也存在较大差异，高德红外产品覆盖较广，包括非制冷氧化钒探测器、制冷型碲镉汞及二类超晶格红外探测器三大类；大立科技集中发展非制冷探测器，沿袭法国Sofradir非晶硅工艺；睿创微纳产品集中于非制冷氧化钒探测器。

目前国内外企业的红外探测器材料的制造工艺都趋于成熟，技术路线也相对确定。

短期内各企业发展重点为基于现有工艺上的追求高性能、小型化和低成本的产品升级。

在投资标的选择上，建议重点关注技术优势突出、下游应用潜力较大的头部上市公司，包括高德红外、大立科技、睿创微纳等。

一、红外基本概念及其主要应用

1、红外线不为人眼所见但却无处不在

红外线是一种肉眼不可见的光线，在1800年被英国天文学家威廉·赫谢尔发现，又称为红外热辐射。

红外辐射本质是一种电磁辐射，在物理学上定义波长在0.75~1000μm的电磁波。

红外辐射的波长介于可见光和微波之间，其短波与可见光波段的红光相邻，长波段与微波相接。

根据红外辐射的产生机理、红外辐射的应用和发展情况并结合考虑了红外辐射在地球大气层中的传输特性，进一步将0.75~1000μm的红外辐射划分为四个波段：

（1）近红外或短波红外，波长范围为0.75~3μm；

（2）中红外或中波红外，波长范围为3~6μm；（3）远红外或长波红外，波长范围为6~15μm；（4）极远红外，波长范围为15~1000μm。

红外辐射虽然不能直接被人眼感知，但它却是自然界中最广泛存在的辐射之一。

任何温度在绝对零度（-273.15℃）以上的物体都会源源不断的向外辐射包括红外辐射在内的全谱段辐射信号，辐射能力的大小与物体表面的温度和材料的特性有关，温度越高，辐射的能量越大。

2、红外探测可实现夜视、测温、穿透云雾等功能，军民两用空间广阔

红外热成像仪运用光电技术以被动的方式探测物体所发出的红外辐射，算出物体表面每一点的温度，以不同的颜色来显示不同的温度，从而转换为可供人类视觉分辨的图像和图形。

红外热成像仪可以突破人类视觉障碍，能在完全黑暗的环境下探测到物体，即使在有烟雾、粉尘的情况下也可实现探测，且不需要光源照明，因此可以全天候使用。

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，在军事和民用领域都发挥着越来越重要的作用。

红外热成像仪主要应用类型可以分为昼夜观察和热目标探测两大类，最早运用在军事领域，从上世纪70-80年代就逐步应用于海陆空战场，应用场景包括军事侦察、监视和制导等方面，经过多年的技术迭代及产品换代，目前红外产品在美国、法国等发达国家军队的普及率较高，红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代战争中是很重要的战术和战略手段。

随着红外成像技术的发展与成熟，各种适于民用的低成本红外像设备出现，在民用领域得到了广泛的应用。

目前，红外热像仪行业已充分实现市场化竞争，各个企业向市场不断推出价格更低、性能更好的非制冷型红外热成像仪，在电力、建筑、执法、消防、车载等行业的应用领域不断的扩大。

3、短/中/长波红外探测适用场景各不相同

当红外线在大气层内或穿透大气层时，会受到来自大气层对辐射传输的影响，而造成光的能力衰减，这也被称为大气消光。

大气消光作用对红外辐射影响与波长有关，具有明显的选择性。

红外在大气中有三个波段区间内具有很高的透过率，被称为“大气窗口”，分别为：

近红外区的1~3μm波段，中红外区3~5μm波段和远红外区8~14μm。

不同波段的红外成像在成像机理方面存在着差异，长波、中波红外成像主要是利用室温目标自身发射的热辐射，短波红外成像则主要是利用室温目标反射环境中普遍存在的短波红外辐射。

（1）短波红外原理及应用

短波红外与中长波红外在原理上具有明显的差异，它利用反射光成像，而不是热成像。

短波红外探测依赖非常低亮度夜间环境中来自于月光、星光、大气辉光等光线的“夜天辐射”。

夜天辐射光度低于人眼视觉阈值，难以引起人眼视觉感知。

夜天辐射的大部分能量集中在1~2.5μm短波红外波段，获取室温景物反射夜天光的短波红外图像与可见光的结合也成为现在微光夜视系统最常用的手段。

短波红外更像增强的视力，它所成的像与人眼看到的非常类似。

这在其很多应用方面具有很强的优势，例如减少潜在的友军误伤、可以看到舰船的名字等海上目标的重要特征，以及在安防应用中的面孔识别等。

除此之外，短波红外成像还有一个其他技术无可比拟的主要优点，即它能够透过挡风玻璃进行成像，常常用于武装运输车驾驶间内的增强夜视系统。

（2）中长波原理及应用

中长波红外主要是探测的目标物体自身辐射的红外光谱，受目标物性、应用场景等多因素影响，中长波红外探测器各有优劣。

目标温度是影响探测器选择的主要因素之一，不同温度物体的红外辐射在不同波段的能量密度具有显著差异。

从220K到380K，目标在长波波段的有效辐射都远大于中波波段的辐射；随着目标温度的升高，中波的绝对辐射量很快增加，有效辐射比例迅速上升。

环境因素也是探测器选择的主要考量因素之一，不同的波段的红外光谱具有不同的适用性。

例如中波在雨天、雾天等湿度大的气候条件下穿透性尤其强，而长波红外在沙尘条件下穿透距离较其他波段更长。

对于具体的应用场景，要综合考虑探测器材料、目标辐射、背景辐射和成本等多个影响，选择合适波段的探测器。

对湿度较高环境，如舰载光电系统，探测目标的温度大多在300K以上，具有一定的中波辐射，且这种环境下中波辐射的大气透过率比长波高，应优先选择使用中波探测系统。

对于地对地远距离观察红外系统，背景辐射大多比较复杂，大气传输路径较长，如果环境湿度较高，一般采用中波探测，如果环境湿度较低，可以考虑采用长波探测。

对于空对地、空对空和地对空等远距离观察的红外系统，如果探测温度在300K以下的低温目标，且传输路径中水汽较少、透过率较高则应该优先选择长波探测系统；如果探测高温目标，如飞机喷射管、排气管、尾焰等，应优先选择中波探测系统。

若红外系统自身在高速运动，如导弹探测系统、机载光电侦查系统等，由于其窗口玻璃需要承载很大的风压和气动加热，目前没有合适的长波光学材料，因此也应该采用中波探测系统。

对于探测器距离要求较近的应用环境，如红外安防监控系统、手持红外望远镜或头盔等，探测距离在几十米到2km以内，应该优先选择成本低、体积小、重量轻和功耗低的非制冷长波红外探测器。

对于森林火灾等大面积高温目标的红外系统，由于目标会产生大面积的强烈红外辐射，完全覆盖了中波和长波波段，即使使用非制冷长波红外探测器，探测距离也可以到十几千米以上。

4、红外探测器是红外产业链的核心

红外热像仪是一种二维平面成像的红外系统，用来探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的温度分布转换成灰度分布，以视频或图像的形式输出。

红外热像组成部件及技术包括了红外光学系统、红外焦平面探测器、后续电路以及图像处理软件，这四部分的性能与设计水平直接影响了红外热像仪的成像质量与稳定性。

“一代器件，一代整机，一代装备”，红外探测器是红外产业链的核心。

红外探测器性能高低直接决定了红外成像的质量。

红外探测器在红外成像系统中的地位类似于人视觉系统中的视网膜，将从环境中检测的红外辐射的信号，转变为机器可以识别的电流或电压的信号，是探测、识别和分析目标物体红外信息的关键。

二、红外探测器原理与核心指标

1、热探测器和光子探测器

红外探测器是红外系统的核心，是探测、识别和分析物体红外信息的关键部件。

据具体的需求和应用，红外探测器会有不同的分类方式来强调某一方面的特性。

根据能量转换方式，红外探测器可以分为热探测器和光子探测器两大类；根据工作温度和制冷需求，分为制冷红外探测器和非制冷红外探测器。

热探测器的工作机理就是基于入射辐射的热效应引起探测器材料温度变化。

探测器材料某些物理性质会随着温度变化发生改变，通过测量这些物理性质的变化就可以测出材料吸收辐射的大小。

热探测器利用的热效应，热吸收与入射辐射的波长无关，热敏单元的温度变化较慢，室温环境下就可以观测到热敏单元的温度变化。

光子探测器是基于入射光子流与探测器材料的相互作用产生光电效应。

探测器通过测量光电效应的大小可以计算得到吸收辐射的大小。

光电效应是半导体中电子吸收光子而产生的效应，通常情况下，必须将半导体冷却到较低温度才能够观测到光电效应。

同时，入射光子能量要大于一定值时才能产生光电效应，所以光子探测器具有截止波长。

2、单元数日益增加，红外焦平面探测器已是主流

对于一个红外敏感单元，即单元红外探测器，在其他条件不变的情况下，减少单元探测器的敏感元面积，可以提高单元探测器的信噪比。

但是如果要求红外系统既要有足够大的视场、又保证足够高的信噪比，单元探测器组成的红外系统则无法同时满足，需要发展多元探测器阵列组成的红外系统。

早期的多元探测器阵列属于分立元件组装形式，一般元数都在200元以下。

为了保证低温工作环境，探测器芯片需要封装在高真空的杜瓦瓶中，每个探测单元的光电信号，最少有两条信号引出线。

如果探测器元件增多，信号引出线也相应增加，将会使得加工难度增加。

同时每一个引线都需要配备一个低噪声前置放大器，功耗较大，因此使用非常不便。

红外焦平面阵列器材利用微电子工艺集成电路技术，集红外探测器和信号处理电路与一体。

实现了几千个甚至几百万个高密度的多元探测器阵列，同时完成光电转换和信号处理。

红外焦平面阵列优化了红外系统的结构、减小了系统的体积、降低封装难度并降低了系统的功耗，迅速取代分立组装元件成为红外探测器的主流。

按照成像的应用方式划分，焦平面红外探测器可以分为扫描式和凝视式两种。

当焦平面的光敏元数目较少，一般成线阵排列，为了满足红外系统总视野的要求，必须借助光机在水平和垂直两个方向扫描成像，被称为扫描型焦平面探测器。

如果焦平面探测器两个方向的光敏元数目都可以满足视场要求，无需光机扫描，目标空间完全投影在焦平面范围内，即焦平面“凝视”整个视场，被称为凝视型焦平面探测器。

目前市面主流产品都