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2020年中国红外线军用领域与民用领域应用分析[图]

2020年03月06日 14:10:21字号:T|T

    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。

    红外热成像仪也叫红外成像系统或红外探 测系统,是一种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图像转换成视频图像的高科技产品。红外图像转换成可见图像分 三步进行,第一步是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, 该信号的大小可以反映出红外辐射的强弱;第二步是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;第三步是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。

    红外热像仪组成部件及技术包括红外光 学系统、红外焦平面探测器、后续电路、图像处理软件。其中,红外焦平面探测器是红 外热像仪的核心部件,探测器水平直接决定了最终形成的可见图像的清晰度和灵敏度。 它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器,多数 情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。它也是热像仪主要成本构成,在制 冷热像仪中,探测器成本高达 70%,在非制冷热像仪中,探测器成本占据了 1/3-1/2 左右。

    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。自 20 世纪 40 年代德国研制出硫化铅探测 器以来,红外技术有了很大的发展。红外探测器发展至今可以被划分为三代,第一代以 分立型为主,元数在 103 元以下,有线列和小面阵结构;第二代为扫描型和凝视型焦平面 结构,在美国出现 LADAⅠ、LADAⅡ、LADAⅢ型阵列应用的基础上发展起来的焦平面 阵列,规模在 103~106 元;第三代以凝视型为主,规模在 106元以上,且强调双波长(双 色)或多波长(多色)响应和更强的智能化逻辑处理功能,以及价格较低的非制冷焦平面阵列等。

三代红外探测器代表产品

数据来源:公开资料整理

    根据探测机理不同,红外探测器可分为光子红外探测器和热敏红外探测器;根据工作温度和制冷需求,分为制冷型和非制冷红外探测器;根据响应波长,可分为近红外、中红外、远红外和极远红外探测器。划分维度之间不是完全的相互分离,只是维度不同,在实际中,一种探测器往往兼具上述的几个特征。
非制冷探测器与制冷探测器各有优势:制冷型红外焦平面探测器的优势在于灵敏度高,能够分辨更细微的温度差别,探测距离远,但是其结构复杂且成本高昂,主要应用于高端军事装备;非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置,能够在室温状态下工作,具有启动快、功耗低、体积小、重量轻、寿命长、成本低等诸多优点。可以满足一般军事需求 及大部分民用需求。

    晶圆级封装决定红外探测器的成本:金属管壳封装是最早开始采用的封装技术,技术已非常成熟,由于采用了金属管壳、TEC和吸气剂等成本较高的部件,导致金属管壳封装 的成本一直居高不下,使其在低成本器件上的应用受到限制。陶瓷管壳封装是近年来逐 渐普及的红外探测器封装技术,可显著减小封装后探测器的体积和重量,且从原材料成本和制造成本上都比传统的金属管壳封装大为降低,适合大批量电子元器件的生产,但是尺寸仍过大,成本仍然较高。

    晶圆级封装是与陶瓷管壳封装技术相比,晶圆级封装技术的集成度更高,工艺步骤也 有所简化,更适合大批量和低成本生产。晶圆级封装技术的应用为红外热成像的大规模市场(如车载、监控、手持设备等)提供了具有足够性价比的探测器。晶圆级封装技术的实现,可以提高封装效率,降低核心器件体积,做到了小型化、低功耗、低成本,给拓展民用领域提供了更多可能性。应用领域涵盖个人视觉、工业检测、检验检疫、智慧 家居、消费电子、警用执法等。

    红外热成像仪最早运用在军事领域: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。

红外成像在军用领域应用

数据来源:公开资料整理

    世界军用红外未来市场被欧美主导:出于红外热成像仪的军事敏感性,军用产品往往以国家为单位实施产品和技术垄断,尤其各技术领先国对军用红外热像产品和技术高度保密,导致不同国家的红外热成像仪企业之间在军用领域一般不会产生直接的市场竞争。

    具体看来,本行业的竞争主体集中在美国、法国、英国和以色列等国。其中美国以强大的科研优势保持领先,在国际军品市场占据绝对主导地位。

    世界军用红外未来市场空间:军用红外产品从上世纪70-80年代起就逐步应用于海陆空战场上,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,市场趋于稳定。同时,西方发达国家对于红外成像采取严格的技术封锁及 产品禁运政策,也制约了全球军品市场规模的大幅增长。预测,2023年全球军用红外市场规模将达到107.95亿美元。目前国际军用 红外热成像仪市场主要被欧美发达国家企业主导占据,因各国保持高度军事敏感性,限制或禁止向国外出口,大部分市场集中在欧美地区。统计,2014 年全球军用红外热成像仪系统市场中,北美占50%,欧洲占18%,亚洲地区目前市场份额占12%,未来市场空间巨大。

2014-2023年全球军用红外市场规模及预测

数据来源:公开资料整理

全球军用红外热像仪系统销售区域占比

数据来源:公开资料整理

    我国军用红外市场潜力巨大:与国际市场相比,我国的军用市场由于底子薄,仍处在大力追赶阶段。近年来红外热像仪在我国军事领域的应用处于快速提升阶段,包括单兵、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将迎来快速发展阶段。国内军用红外热像仪市场正快速发展,属于朝阳行业,市场容量巨大。我国军用红外市 场规模约 340 亿:我国的军队人员数量约为 200 万人,如果未来我军 10%的部队装备红 外热像仪,则我国单兵用红外热像仪市场容量可达到 20 万套,以每套 2 万元来计算,其市场容量可达 40 亿元。此外,考虑到军机、坦克等市场,我国军用红外市场总容量或达 300 亿元以上,假设红外系统更新周期为 10 年,每年的市场规模平均在 30 亿元以上。

    红外在民用领域的应用更加广泛: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了广泛的应用,其民用市场保持着很快的增长速度,增长幅度要远大于军用领域。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。

红外成像在民用领域应用

数据来源:公开资料整理

    2023 年全球民用红外市场规模将达到 74.65 亿美元。预测,在全球民用红外市场主要细分领域中,增长最迅速的是个人消费领域,2014 年至 2019 年预计年复合增长率达到 17.41%,其中智能 手机热像仪更是达到 40.99%。安防监控及辅助驾驶市场的年复合增长率也在 10%以上。

2014-2023年全球民用红外市场规模及预测

数据来源:公开资料整理

    目前北美市场占据了全球 60%以上的红外热像产品份额, 欧洲和亚洲市场则正处于快速发展阶段。民用领域竞争实力最强的业内公司为 FLIR,该公司于 20 世纪 80 年代推出第一台民用红外热成像仪,目前已成为世界上规模最大、品 种最齐全的红外热成像仪产品供应商。2014 年该公司占据了全球民用红外热成像仪市场 40%的市场份额,其中测温类红外热成像仪领域的市场占有率高达 61%。另外,Fluke Corporation、ULIS、我国的高德红外、大立科技公司等也都是民用红外热成像仪领域较强的竞争者。

    我国民用红外市场快速增长:随着我国经济持续发展,国内红外成像产品的普及,市场对于红外热成像仪的需求也日趋旺盛。除了传统应用行业外,未来将有更多新兴市场需求成为红外成像市场新的增长极。在安防监控领域:据中国安防网数据统计,2016年,美英两国每千人配备监控摄像机的数量分别是96台和75台,而我国一线城市北上广深四地的千人均监控摄像机数量均值约为41台,仅为美国均值的43%。二线城市和三线城市的千人均数量均在10台以下。总体来看,我国安防摄像头渗透率仍有待提升,且随着我国智慧城市、平安城市投建,二、三线城市安防市场空间打开,我国视频安防仍有很大的提升空间。
红外体温检测仪能够检测人体体温,在新型冠状病毒感染肺炎防护过程中可以起到初步筛查潜在感染患者的关键作用。体温检测是疫情检测的第一关口,红外体温检测仪在公众场所对疑似患者甄别发挥了重要作用,是打赢疫情防控战的重要装备。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。待测目标的红 外辐射信号,经过光学接收器传输给调制器滤除大面积的背景干扰信号,然后经过红外 探测器将红外辐射信号转变成电信号,该信号经过放大器和信号处理电路,并按照一定 的算法和目标发射率校正后,最终可转变为被测目标的温度值。红外体温检测仪与水银体温计、电子体温计等常见家用体温计相比,效率更高,使用更加方便,且无需对人体直接接触即可工作,使用过程更加卫生。因此,在人流密集的交通关口、医院、小区等 公共场合更为适用,也成为在当前疫情防护过程中重要的医疗物资之一。

    此次疫情中广泛使用的红外体温探测仪分为全自动和手持红外两种类型,手持式市场需求量更大,但产值占比较小。其中,全自动红外体温检测仪分为立式、门式等形态,它的特点是不需要专人操作即可对体温异常的目标人群进行主动报警。可用于机场、地铁、 车站等人流较大的公共场所。手持红外体温检测仪则需要专门人员人为手持操作测量,一般需对准目标人员额头、耳朵等部位,结果可在短时间内显示。与全自动检测仪相比,手持式应用场景更灵活,且价格更加低廉,因此其市场需求量要远大于全自动式。2019 年手持式的产量约是全自动式的 10 倍。然而由于单价差距明显,手持式仅占总体产值的 5%,全自动式占了剩下的 95%。 在疫情影响下,市场需求有望得到释放,两种体温探测器产能都将得到进一步刺激。

    2020 年受新型冠状病毒感染的肺炎疫情影响,国内红外体温检测仪产能将有望得到空前释放。

    相关报告:智研咨询发布的《2020-2026年中国远红外线产品行业市场竞争现状及投资前景规划报告

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