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红外探测技术的应用领域及市场格局
发布时间:2022-02-15    来源:中信建投黎韬扬 王春阳   阅读次数:1820 分享到:
一、 红外线在自然界中普遍存在,红外探测器可捕捉红外线信号成像

物理学上定义红外线的波长在 0.75~1000μm 之间,是在可见光外的一种电磁波。红外线是一种肉眼看不 见的光线,一切温度高于绝对零度(-273℃)的物体时刻都在发射红外线,温度越高,辐射的红外线的能量越 大。根据波长可将红外线进一步划分为四类:1)波长在 0.75~3μm 之间称为近红外或短波红外,2)波长在 3~6 μm 之间称为中红外或者中波红外,3)波长范围在 6~15μm 称为远红外或者远波红外,4)波长在 15~1000μm 之间为极远红外。

红外线可被红外探测仪捕捉识别,红外热成像技术可以在完全无光的情况下,突破雾霾、烟尘等恶劣环境 影响,观测到十几公里乃至上百公里以外的目标。具有作用距离远、抗干扰性好、可全天候、全天时工作等优 点。是当今夜视、夜战、精确打击的核心技术,广泛应用在国防高科技、民用市场等领域。

不同波长红外探测仪呈现原理不同,短波红外探测仪主要用于短距离探测,中长波红外探测仪用于长距离 探测,中长波红外探测仪多用于军事用途。短波红外探测仪成像原理是利用物体反射大气中普遍存在的月光星 光等短波红外光线,通过捕捉这类物体反射的红外线生成夜视图像,更像是增强视力,多与可见光结合使用。 优点是重量轻、体积小,价格便宜,图像清晰,适用和维修方便,缺点是穿透性差,易受外部光源的影响产生 过曝,作用距离短。中、长波红外探测仪用于捕捉物体自身散发的中长波红外线。在 220K 到 380K 温度区间, 目标散发多为长波红外,因此更适合长波红外探测器,而随着温度的升高中波红外的绝对辐射量迅速增加,有 效辐射比例大幅提升,因此更适用于中波红外探测。中波红外在雨天、雾天等高湿度气候条件下穿透性尤其强, 长波红外在沙尘条件下的穿透距离较其他波段红外的距离更长。中长波红外多用于舰载、导引头、机载等军事 武器。

通常情况下,红外探测器主要分为制冷和非制冷两大类。依据工作原理的不同可分为光子探测器和热辐射 探测器两类,依据对工作环境的需求不同可分为制冷红外探测器和非制冷红外探测器。光子探测器的工作原理 是入射光子与探测器材料产生的光电效应,需要在低温环境下进行,因此一般需要配备制冷器;而热探测器的 原理是通过探测器中的热敏材料接触目标所散发的红外线产生的热效应,在室温环境下可正常工作,无需制冷, 因此一般情况下,光子探测器属于制冷型红外探测器,热探测器属于非制冷型红外探测器。

制冷红外探测器性能优越,多用于军事领域。制冷型红外探测器一般指的是以半导体的光电效应为原理的 红外探测器,而光电效应需要在低温环境下进行,因此此类探测器会配备制冷系统,制冷型红外探测器具有灵 敏度高,响应迅速,探测距离远,噪声等效温差性能优越,并凭借性能的优势几乎垄断了高端军事如末端制导、告警系统、军事红外搜索和跟踪,红外探雷等领域。目前主流的第三代制冷型红外探测器的材料主要包括碲镉 汞(Hg1-xCdxTe),量子阱光探测(QWIPs)、II 类超晶格(II-SLs)与量子点光探测(QDIPs)四种。其中二 类超晶格是未来发展方向,而目前主流的制冷红外探测器仍然使用碲镉汞作为核心材料。

非制冷红外探测器体积小、价格低,多用于民用领域。非制冷红外探测器即无需制冷系统在常温环境下可 正常工作的红外探测器,具有重量轻,占用空间小,价格便宜、启动快等特点,在部分军事领域如单兵夜视装 备以及大部分民用红外领域得到广泛的应用。非制冷探测器主要有氧化钒和非晶硅两种技术路线。

二、红外探测器是关键部件,红外芯片是核心技术

红外热像仪由红外光学系统、红外探测器和电路系统构成,其中红外探测器是核心,芯片制造则是红外探 测器的关键技术。红外热成像仪通过捕捉物体散发的红外线进行侦查检测等活动,其工作原理是红外辐射通过 红外光学系统照射到红外探测器上,红外探测器将捕捉到的红外辐射转化为电信号,根据辐射蕴含能量的高低, 电信号也会呈现强弱不同的变化,再通过电路处理将转化的电信号放大、处理后,以图像的方式显示出来。

像元是红外探测器芯片的基础单元,是决定红外探测仪性能的关键因素。红外焦平面探测器所有 M×N 个 像元排列成阵列,每个像元都是单独成像的单元,每个像元内部的结构包括热敏/光敏材料,传感器,读出电路 等等。

红外探测器的性能指标核心包括阵列规模、噪声等效温差(NETD)、像元尺寸。1)阵列规模,表示的是 像元数量的多少,阵列规模越大说明像元数量越大,探测器的性能更加优越;2)NETD,又称为红外热成像的 热灵敏度,衡量的是红外探测器区分细微温差的能力,数值越小代表器件的灵敏度越高,灵敏度与像元尺寸成 反比;3)像元尺寸,表示单个成像单元(像元)的尺寸大小,像元尺寸越小,相同晶片面积上可以制造的焦平 面阵列越大,同时可以大大降低整机的成本和重量。

影响红外性能的主要包括热敏薄膜材料、CMOS 读出电路以及芯片的真空封装技术。其中真空封装技术很 大程度上决定了红外探测器的性能和成本。红外探测器的封装主要有四种类型:金属封装、陶瓷封装、晶圆级 封装以及像元级封装,目前业内正从金属、陶瓷封装积极向晶圆级封装升级,像元级封装仍在研发阶段。

金属封装可靠性强、成本高,晶圆级封装技术先进、成本低但技术难度大。金属封装是最早的真空封装形 式,封装效果好,恶劣适应性强,可靠性高,但是成本高,陶瓷封装相对金属封装重量轻,无 TEC,成本相对 较低,相较金属封装更适合批量生产,而晶圆级封装是近年来刚趋于成熟的一种封装技术,可以做到体积更小 重量更轻价格更便宜,主要分为 W2W(Wafer-to-Wafer)和 C2W(Chip-to-Wafer)两种方式,利用晶圆级封装 技术,可将红外热像仪价格降至千元级别,为民用市场打开了前景。

三、市场空间:军品红外渗透率大幅提升,民品市场蓄势待发


3.1 十四五期间武器装备放量,红外技术加快渗透


在建设世界一流军队目标的指引下,我国军工行业需求旺盛。当前,我国军事力量已由原有的四大军种转 变为陆、海、空、火箭、战略支援、联勤保障六大军兵种。我国空中战力与世界一流水平相比仍有较为明显的 差距,新型号列装需求强烈;我国海军正由“近海防御”向“远洋海军”转变,海军装备正遵循由量到质、由 近及远两大趋势发展;陆军地面装备机械化程度仍需进一步提升。二〇二七年建军百年奋斗目标提出加快机械 化信息化智能化融合发展,红外系统作为信息化的重要技术将得到更快发展。

军事细分用途包括红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等,可广泛用于陆地武器、个人 携带装备、航空器、导弹武器、卫星系统、海军舰艇。根据具体用途,红外热像仪主要分为昼夜观察和热目标 探测两大类,其带来巨大的作战价值使得各军事强国纷纷加大对于红外技术研发的投入,红外装备的配备水平 也成为衡量军队先进性的重要标准之一。美国法国等军事强国先入为主,有较高的红外装备普及度,我国正处 于快速赶超阶段。

3.1.1 单兵红外装备

红外因为其全天候工作、目标识别能力强、抗干扰性强、隐蔽性强等特点,可以用于单兵装备。首先,红 外装备克服了传统武器在夜晚等肉眼不可视情况下的局限性,使得作战可在全天候进行;其次,目标散发的红 外线易被观察,红外热成像条件下识别性较强;再者,红外热成像的工作原理基于光学,相较于精密电子设备, 抗干扰性较强;最后,单兵配备的红外装备是被动式的探测目标的红外线,有利于作战的反侦察,隐蔽性强。

单兵夜视装备主要包括枪瞄、头盔夜视、手持夜视及望远夜视等。目前单兵夜视装备的发展越来越系统化, 如美国近年来研究开发的“ENVG III/FWS-I 整合式夜视瞄准方案”,是一种增强士兵快速补货目标能力的瞄具系 统,包括“第三代增强型夜视镜”(ENVG III)和“单兵型武器准星家族”(FWS-I),其价格分别为 9500 美元 和 7000 美元,价格昂贵,据美国陆军表示,2018 年军方共采购 36000 具 FWS-I 以及 64000 具 ENVG-III,后 续 2019 年又购进十万余具此类红外装备。

发达国家已将红外热成像装备广泛配置于各个军种,例如在伊拉克战争中,美军单兵平均配备 1.7 个红外 设备,在第十一次裁员以前,我军服役总员额有 230 万,其中陆军服役 178 万,占比约为 73%,2015 起我军实行第十一次裁员,合理推算陆军人数 进一步降低,目前我军单兵红外装备比例远远低于发达国家,随着实战化训练的开展,十四五期间单兵红外装 备率会实现突破,存在较大市场空间。

3.1.2 陆地车辆辅助驾驶

红外车辆辅助驾驶可让装甲车、坦克等陆地车辆装备在夜间关灯行驶,提高作战车辆的隐身能力,有助于 夜间进行瞄准射击、搜查、监视等。以美军 M1A2 SEP 主战坦克为例,它是美军二十一世纪陆军数字化战场的 核心,是美军最先进的数字化主战坦克,M1A2 主战坦克装备了二代热成像系统以及车长独立热成像仪,大大 提升了坦克的最大探测距离,从 4 公里提升至 6.8 公里。

我军车辆作战平台面临更新换代,为红外市场创造更多空间。据《2020 年军事平衡》中数据显现,我军坦 克数量虽然排在世界前列,以 99A 式坦克为代表的最先进的国产第三代坦克数量占比不高,尚未升级的坦克尚 无红外热成像设备,以微光夜视仪为主,相较红外热像仪,微光夜视仪夜晚使用视觉效果差,距离短,在未来 会逐渐被红外热像仪取代。我军现役装甲车等红外设备渗透率不高,红外设备作为全天候作战、隐蔽作战、反 侦察等重要战略战术手段的核心,在车辆作战平台上的渗透率必然会逐步提高,随着型号的更新换代,未来存 在大量的红外设备需求。

3.1.3 机载红外设备

随着飞机代数的提升,机载红外设备逐渐升级。机载红外设备主要包括光电吊舱、红外搜索与跟踪系统 (IRST)、光电瞄准系统(EOTS)以及分布孔径红外系统(EODAS)等,可进行探测、瞄准和跟踪。

1、光电吊舱

机载光电吊舱是光电侦察及告警技术的重要组成部分,也是无人机侦查的核心装备。可广泛应用于各类军 用飞行设备,包括战斗机,直升机,无人机,用于飞机昼夜飞行和攻击的导航和搜索、捕捉目标,为制导武器 及非制导武器提供精确制导和瞄准,以提高命中精度。

2、红外搜索与跟踪系统 IRST

红外搜索与跟踪系统以红外为核心,可对目标进行搜索和跟踪,与雷达互为补充。红外搜索与跟踪系统, 简称 IRST,以红外技术为核心,利用红外技术的无源性优势,隐蔽性好、抗干扰能力强等特点,结合激光测距 仪对目标进行搜索和跟踪,是火控系统的重要组成部分。可用来快速探测和跟踪飞机或导弹等具有威胁的红外 目标。在军事应用上,IRST 系统是雷达很好的补充,二者具有互补性,可以增强对目标跟踪、分类及识别的能 力,使得探测数据更加可靠,从而缩短作战系统的反应时间。IRST 经历了三代技术更迭。

3、光电瞄准系统 EOTS

ETOS 更为先进的红外光电瞄准系统,由三个部分组成,分别是红外搜索跟踪系统(IRST)、前视红外成像 系统(FLIR)和激光指示瞄准系统(LTD),主要装备先进战机如 F-35,F-22。EOTS 光电系统位于机头下方,能 够为飞行员提供高分辨率图像,具有对防区外目标精确探测和识别的能力,激光定位和瞄准的能力和引导激光 制导武器精确打击地面目标的能力等。通过与飞机一体化设计,系统仅外露光窗,具备对雷达的隐身能力。洛 克希德·马丁公司正对 EOTS 光电系统进行升级,包括研制先进 EOTS 系统和 ALERT 系统,先进 EOTS 系统 主要增加近红外/短波红外摄像机和红外指示器,近红外/短波红外摄像机可以使系统获得在不同环境条件下更高 分辨率的图像,红外指示器用于协同作战中对目标的确认和定位。ALERT 系统主要增大系统的孔径,提升目标 识别距离和防区外打击能力,同时通过可重构外形设计能够在无人机等多型飞机平台上安装。

4、分布孔径红外系统 EODAS

EODAS 是全方位的红外探测系统,具有感知范围广、重量轻的优点。机载 EODAS 系统是利用目标和背景 之间的温差来形成热点或图像并可靠地探测、识别、定位和连续跟踪在背景辐射及其它干扰条件下发射红外波 段的物体和目标的光电系统,它采用一组 6 个精心布置在飞机上的传感器阵列实现全方位、全空间敏感,提供 战机完整球面覆盖范围的视野,并采用各种红外图像处理算法实现空中远距离红外目标的搜索跟踪、导弹威胁 逼近告警、态势感知、地面海面目标探测、战场损伤效果评估、武器投放支持及夜间与恶劣气候条件下的辅助 导航、着陆等多种功能。

根据《WorldAirForces2021》数据显示,我军军用飞机以二、三代主力战机为主,现役四代战机较少。随着 我军战机的不断升级换代,先进战机中红外系统的价值量将有较大提升,十四五期间我军四代机红外市场具有 较大增长空间,三代机换装先进红外系统也有较大市场,;同时军用无人机在战场上发挥的作用越来越大,侦查 搜索是无人机的重要作战任务,红外系统是侦查搜索不必可少的关键技术,未来市场空间较大。

3.1.4 精确制导

精确制导性价比高,可大大降低附加伤亡。精确制导类导弹导引头价值占比较大,占据导弹成本 30%以上, 红外探测设备是导引头主要的组成部分之一。精确制导类导弹以数十倍的成本达到普通航空炸弹的数百倍作战 效能,其次在实现对目标的精确打击的同时,大大减少了附加伤亡,制导方式主要有四种,电视制导,红外热 成像制导、激光寻的制导以及各种类型雷达制导。

红外制导隐蔽性、抗干扰性强且探测精度较高,新型号导弹中红外与雷达复合制导是大趋势。随着精确制 导的要求越来越高,围绕命中精度和全天候等作战需求,目前的精确制导导弹多为集合多种制导技术复合体, 红外制导以其全天候、抗干扰性强等优点,在新型号导弹上应用广泛。

红外制导广泛应用于各类中近程导弹,是当前空空、空地、地空、反坦克导弹等普遍采用的工作方式。红 外制导经历了三代技术的更迭,第一代为红外点源的制导,以高温目标散发的高能红外线为捕捉对象,使用单 一的红外探测器,缺点是抗干扰性差;第二代红外成像制导技术,采用的是光机扫描和线列多元探测器,第三 代则是采用焦平面红外探测技术的先进红外成像制导技术。代表型号有美国的“标枪”反坦克导弹,导弹采用 长波红外 64×64 碲镉汞焦平面探测器,具有“发射后不管”功能,可以攻击坦克的前装甲与顶部装甲。

导弹在十四五期间需求增速较快,消耗品属性保证其后期需求。精确制导导弹作为现代化武器组重要的标 志之一,广泛装备在战斗机、无人机、战舰等各类作战平台和作战单位,也是十四五期间重点采购对象之一, 十四五期间对导弹的需求量呈数量级式增长,带来对红外设备的放量需求;其次,随着实战化训练的开展,导 弹作为消耗品也将增加用量。

3.2 成本下降打开应用空间,民用市场蓄势待发

在民用领域,随着技术的不断进步,像元的尺寸不断减小,晶圆级封装的普及以及其他工艺的不断进步, 红外产品的成本和价格在不断降低,为红外产品带来更加广阔的应用场景,安防监控、个人消费、辅助驾驶、 消防及警用、工业监测、人体体温筛查、电力监测、医疗检疫等诸多领域均出现了红外设备的身影。

2023 年全球民用红外市场规模有望达到 75 亿美元,复合增速为 10%。据 MaxtechInternational 及北京欧立 信咨询中心预测,民用红外热像仪在 2014 年的市场规模达到 31.07 亿美元,2020 年市场规模可达 56.01 亿美元, 2023 年全球民用红外市场规模将达到 74.65 亿美元,复合增速为 10%。

3.2.1 安防领域

由于绝大多数监控系统需要 24 小时工作,在没有红外技术帮助的情境下,光线的强弱会决定监控工作能否 正常进行,因此红外技术在监控安防领域的应用越来越广泛,以红外热成像为基础的监控系统可以在完全无光、 距离较远正常工作,甚至并且可以透过烟雾、云雾,发现伪装目标和高速运动目标。

我国目前大力建设“新基建”,包括“智慧城市”“平安城市”等计划,有望加速红外有关的视频监控产品在民间的应用。据中安网数据显示,智慧城市的普及促进安防行业从 2011 年的 2773 亿元增长至 2017 年的 6016 亿元,年复合增长率高达 14%。随着安防智能化的不断推广,新兴市场如无人超市、自动驾驶等业务的打开将 会为安防监控带来持续的需求。随着十四五规划中明确提出加快智慧城市的建设,安防领域作为智慧城市建设 的重要组成部分,市场规模有望维持高增速,增速在 10%以上。

3.2.2 电力检测

电气系统检测是红外热像仪最早也是最普遍的应用领域。FILR 出售的第一台商用红外热像仪就是应用于电 力检测,其工作原理就是利用电阻的焦耳热,故障区域的温度往往会异于正常工作的区域,温度异常会散发出 异常的红外线,通过红外热成像就可以快速定位故障区域,利用红外状态监测和诊断技术具有远距离、不接触、 不取样、不触体、准确、快速、直观等特点。对提高电气设备的可靠性与有效性、提高运行经济效益、降低维 修成本都有很重要的意义。

国家大力推进智能电网建设。十四五规划明确提出要加快电网基础设施智能化改造和智能微电网建设,提 高电力系统互补互济和智能调节能力,智能化意味着全天候、无人化,红外热成像系统是电网基础设施智能化 的重要组成。根据国家电网数据,过去十年对智能电网的投资额明显较之前有提升,在 2009 年到 2010 年间对 智能电网的总投资额为 341 亿元,年均 170 亿元,而在 2011-2020 年期间对智能电网的总投资额为 3500 亿元, 年均 350 亿元,较十年前每年投资额翻倍。

而国家电网的实际总投资远远高于计划投资额,如国家电网数据显示,在 2016 年到 2019 年期间的实际总 投资额已经超过 19000 亿元,远高于计划投资额的 14000 亿元,对智能电网的实际投资额超过 2400 亿元远远高 于计划投资额 1750 亿元,因此假设 2020 年投资取前四年中位数,对智能电网的投资额约为 606 亿元,是计划 投资额的 1.7 倍,红外热成像设备作为智慧电网及其基础设施的重要组成部分,在未来五年仍将持续发力。

3.2.3 自动驾驶

红外相机处于自动驾驶产业链上游。自动驾驶按照全产业链划分可分为感知层、控制决策层和执行层,感 知层主要包括雷达(激光雷达、毫米波雷达和超声波雷达),视觉系统(摄像头、红外相机等),控制层包括操 作系统、应用软件、芯片/计算平台等,执行决策层包括制动、转向、照明、油门、安全气囊等等。

红外热像仪应用在自动驾驶的视觉系统,能够有效弥补短板,有效应对夜晚和雾天等恶劣天气(重点描述 下红外技术的必要性 在自动驾驶哪个阶段是必须要加的)。目前的自动驾驶汽车均采用可见光摄像头、雷达技 术、激光雷达传感器三大技术融合的模式,但是依然避免不了很多缺陷,如极端复杂天气、黑夜、眩光、雾霾 天气行驶的安全性问题,而红外热像仪可以在上述恶劣环境下正常工作,红外热相机有不受光线影响、能穿烟 透雾的特征,使用红外相机作为自动驾驶的视觉系统,能在全黑夜间、雾霾天气、眩光等、人眼能见度较低的 情况下让驾驶员看清路况。目前自动驾驶技术尚未成熟,我国自动驾驶行业刚刚进入 L3 时代,自动驾驶全产业 距离到完全成熟的 L5 级别还有至少 10 年的时间。恶劣天气是交通事故的主要影响因素之一,而红外相热成像 技术作为应该恶劣天气的有效手段,在自动驾驶走向最终成熟的过程将进一步推广红外热成像技术的应用。

自动驾驶市场未来五年保持高增速增长态势。2020 年我国汽车保有量为 2.81 亿辆,新注册登记汽车 2424 万辆,未来自动驾驶的驱动力主要来自五个方面,一是老龄化和残疾人市场,这两类人群面临移动的限制,是 目前可见的自动驾驶汽车最大的可应用市场;二是来自送货车辆和工业领域的需求,自动驾驶有望为电子购物 带来新的商机,工业领域例如矿区用车等等,自动驾驶可以大量节约人力成本,目前海螺水泥等厂商在积极引 进自动驾驶;三是来自改善高速公路的需求,据美国高速公路保险协会数据显示,全面部署自动驾驶安全系统 可有效减少 31%交通事故造成的死亡人数;四是提升交通效率的需求,城市拥堵至今仍未得到有效的解决,自 动驾驶的车载传感器可与智能交通系统相结合,优化出行方案,缓解交通拥堵;五是来自降低环境污染的需求, 据兰德数据显示,自动驾驶系统可提高燃油的经济性并降低行车带来的空气污染。

全球自动驾驶市场有望保持高增速,中国市场潜力大。据 YoleDéveloppement 数据显示,2020 年全球自动驾驶核心组件部件市场规模共计 170 亿美元,到 2025 年将会达到 780 亿美元,2020~2025 的 CAGR 可达 35.6%。其中摄像头组件价值占比约 10%,约 78 亿美元,2024 年全球 L1-L5 级自动驾驶汽车出货量预计将达到约 5425 万辆,2020 至 2024 年的年均复合增长 率(CAGR)达到 18.3%,据摩根大通的研究分析,2019 年—2025 年,中国 L1 到 L5 级的辅助驾驶和自动驾驶 市场规模将实现 33%的年均增长率,并于 2025 年达到约 71 亿美元,红外相机作为重要的视觉系统组成也会迎 来需求的上升。

3.2.4 机器视觉

机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。随着大数据、人工智能、计算机视觉技术的快速普及和制 造业的升级需求,越来越多机器视觉方案渗透到计量、检测领域。相对于过去的人工检测,机器视觉检测大大 提高了产品缺陷检测的准确性和速度,对提升生产效率大有裨益。

热数据对于机器视觉检测准确度至关重要。虽然机器视觉软件可以发现诸多生产问题,但无法检测热异常 现象。热图像不仅为机器视觉增添了一个新的维度,还为无损检测提供了更完美解决方案,可为专业人员和决 策者提供更多的信息。随着电路板制造工艺的发展,电子元器件的集成度越来越高,电路系统越来越复杂,非 接触式检测已经是目前的迫切需求,由于电子元器件的故障通常有两种情况,一是短路,会导致原件过热,二 是断路,导致原件温度低于正常工作状态,因此可以通过红外热成像检测与 AI 技术的结合实现对电路板的快速 检测。目前机器视觉下游应用领域众多,包括消费电子、汽车、半导体等各种工业制造等多个领域。

行业属性决定机器视觉下游消费电子领域渗透率最高。根据前瞻数据显示,在国内机器视觉下游应用领域 中,消费电子占比最高,占比高达 46.6%,下游推广程度与行业属性有关,消费电子生产工艺复杂、零件繁多, 并且尺寸小,精密程度高,人工检测不仅成本不仅高昂,并且效率低下,相较而言机器视觉不仅成本较低并且 随着技术的发展检测手段的丰富多样而更加有效。

国内机器视觉市场规模突破百亿,未来五年增速远高全球,红外热像仪的应用将随之增加。过去十年,我 国机器视觉市场规模以较高增速不断扩大,2019 年市场规模首次突破百亿,达到 103 亿元。随着疫情的恢复, 预计未来五年我国机器视觉市场规模将继续保持高速增长,首先,消费电子生命周期较短,制造商需要频繁采 购设备,将持续带动机器视觉需求;其次,消费电子产品内部结构日趋更加复杂和精细,对产线生产效率和组 装加工精度的要求日益提高,均会带动对机器视觉的需求;再者,随着智能驾驶、自动驾驶的不断渗透,汽车 “电子化”程度也越来越高,电子化程度的提高也对汽车产线提出了高要求,未来随着智能汽车的比例不断提 高,对机器视觉的需求也会不断增加。

据 MARKET&MARKET 数据显示,2020 年全球机器视觉市场规模为 107 亿美元,到 2026 年预计达到 153 亿美元,复合增速为 6.1%,2020 年我国机器视觉市场规模约为 113 亿元,到 2026 年将达到 316 亿元,复合增 速为 18.7%,远高于世界平均水平,随着机器视觉市场的不断扩张,红外热像仪作为机器视觉系统的重要组成 部分,未来面临确定性较强的需求上升。

四、红外行业竞争格局

4.1 竞争格局:国内厂商市占率大幅上升

民用市场国产化率逐步提升。民用红外市场在过去主要的供给方为欧美公司,如菲力尔等,但是近年来国 内红外厂商实现红外热成像核心技术的提升和核心部件的批量生产,成本逐步下降,疫情市场、安防市场、工 业市场中,国内厂商市占率不断提升。国内厂商在满足内需的同时不断向海外拓展市场,取得了海外市场的认 可。

国内厂商在全球红外热成像市场的份额大幅提升。2017 年,全球非制冷红外热像仪市场,,FLIR 市占率高达 66.2%,ULIS 市占率 13.3%,SEEK 市占率 11.7%,而国内厂商大立科技高德红外等总市占率不足 2%。短短两三年间,以高德红外为首的国内厂商 占比迅速提升,在 2020 年全球红外热成像市场出货量中,高德红外占比 17%,海康威视占比 15%,睿创微纳占 比 10%,大立科技占比 2%,中国厂商合计占比在 44%以上。

在测温红外产品市场,中国厂商份额提升更为显著。2019 年, 全球测温红外市场中 FLIR 仍占据 40%的全球出货量,Lynred 占比 25%,SEEK 占比 16%,高德红外出货量占 比大幅上升至 9%,大立科技 4%,睿创微纳 1%,海康威视 1%,国内厂商占据了约 15%的全球出货量。2020 新 冠疫情爆发,红外测温产品需求急剧增长,测温热成像市场规模相较 2019 年同比增加 426%,中国红外厂商展 现出强大的出货能力,国内厂商市场占有率大幅提升,高德红外占据高达 27%的市场份额,第二名是中国厂商 海康威视,占据 20%市场份额,第三名是 FLIR(19%),第四睿创微纳 14%,大立科技占据 2%,中国厂商合计 占比在 63%以上。

根据 Yole 预测,到 2025 年,在民品领域,国产品牌全球出货量占比将会超过美国,达到 64%,忽略不同 公司产品价格的差异,按照 2025 年全球民品红外热像仪市场规模 75 亿美元计算,2025 年中国国内民品红外热 像仪市场产值将会达到 2020 年的两倍以上,约 48 亿美元。

我国从事红外研制生产的单位可以分为军工集团、中科院下属单位和民营企业三部分,军工集团占据了军 用红外领域主要的市场。军工集团内部涉及红外领域主要包括,中国电子科技集团旗下的华北光电技术研究所 (中电科 11 所),中航工业集团旗下洛阳电光设备研究所(613 所)和空空导弹研究院,中国航天科技集团旗 下空间机电研究所(五院 508 所)和航天八院第 803 研究所,中国兵器工业集团的北方光电集团和北方夜视子 集团,中国船舶重工集团旗下华中光电技术研究所(717 所)等等。

近年来,

一、 红外线在自然界中普遍存在,红外探测器可捕捉红外线信号成像


物理学上定义红外线的波长在 0.75~1000μm 之间,是在可见光外的一种电磁波。红外线是一种肉眼看不 见的光线,一切温度高于绝对零度(-273℃)的物体时刻都在发射红外线,温度越高,辐射的红外线的能量越 大。根据波长可将红外线进一步划分为四类:1)波长在 0.75~3μm 之间称为近红外或短波红外,2)波长在 3~6 μm 之间称为中红外或者中波红外,3)波长范围在 6~15μm 称为远红外或者远波红外,4)波长在 15~1000μm 之间为极远红外。


红外线可被红外探测仪捕捉识别,红外热成像技术可以在完全无光的情况下,突破雾霾、烟尘等恶劣环境 影响,观测到十几公里乃至上百公里以外的目标。具有作用距离远、抗干扰性好、可全天候、全天时工作等优 点。是当今夜视、夜战、精确打击的核心技术,广泛应用在国防高科技、民用市场等领域。


不同波长红外探测仪呈现原理不同,短波红外探测仪主要用于短距离探测,中长波红外探测仪用于长距离 探测,中长波红外探测仪多用于军事用途。短波红外探测仪成像原理是利用物体反射大气中普遍存在的月光星 光等短波红外光线,通过捕捉这类物体反射的红外线生成夜视图像,更像是增强视力,多与可见光结合使用。 优点是重量轻、体积小,价格便宜,图像清晰,适用和维修方便,缺点是穿透性差,易受外部光源的影响产生 过曝,作用距离短。中、长波红外探测仪用于捕捉物体自身散发的中长波红外线。在 220K 到 380K 温度区间, 目标散发多为长波红外,因此更适合长波红外探测器,而随着温度的升高中波红外的绝对辐射量迅速增加,有 效辐射比例大幅提升,因此更适用于中波红外探测。中波红外在雨天、雾天等高湿度气候条件下穿透性尤其强, 长波红外在沙尘条件下的穿透距离较其他波段红外的距离更长。中长波红外多用于舰载、导引头、机载等军事 武器。


通常情况下,红外探测器主要分为制冷和非制冷两大类。依据工作原理的不同可分为光子探测器和热辐射 探测器两类,依据对工作环境的需求不同可分为制冷红外探测器和非制冷红外探测器。光子探测器的工作原理 是入射光子与探测器材料产生的光电效应,需要在低温环境下进行,因此一般需要配备制冷器;而热探测器的 原理是通过探测器中的热敏材料接触目标所散发的红外线产生的热效应,在室温环境下可正常工作,无需制冷, 因此一般情况下,光子探测器属于制冷型红外探测器,热探测器属于非制冷型红外探测器。


制冷红外探测器性能优越,多用于军事领域。制冷型红外探测器一般指的是以半导体的光电效应为原理的 红外探测器,而光电效应需要在低温环境下进行,因此此类探测器会配备制冷系统,制冷型红外探测器具有灵 敏度高,响应迅速,探测距离远,噪声等效温差性能优越,并凭借性能的优势几乎垄断了高端军事如末端制导、告警系统、军事红外搜索和跟踪,红外探雷等领域。目前主流的第三代制冷型红外探测器的材料主要包括碲镉 汞(Hg1-xCdxTe),量子阱光探测(QWIPs)、II 类超晶格(II-SLs)与量子点光探测(QDIPs)四种。其中二 类超晶格是未来发展方向,而目前主流的制冷红外探测器仍然使用碲镉汞作为核心材料。


非制冷红外探测器体积小、价格低,多用于民用领域。非制冷红外探测器即无需制冷系统在常温环境下可 正常工作的红外探测器,具有重量轻,占用空间小,价格便宜、启动快等特点,在部分军事领域如单兵夜视装 备以及大部分民用红外领域得到广泛的应用。非制冷探测器主要有氧化钒和非晶硅两种技术路线。


二、红外探测器是关键部件,红外芯片是核心技术


红外热像仪由红外光学系统、红外探测器和电路系统构成,其中红外探测器是核心,芯片制造则是红外探 测器的关键技术。红外热成像仪通过捕捉物体散发的红外线进行侦查检测等活动,其工作原理是红外辐射通过 红外光学系统照射到红外探测器上,红外探测器将捕捉到的红外辐射转化为电信号,根据辐射蕴含能量的高低, 电信号也会呈现强弱不同的变化,再通过电路处理将转化的电信号放大、处理后,以图像的方式显示出来。


像元是红外探测器芯片的基础单元,是决定红外探测仪性能的关键因素。红外焦平面探测器所有 M×N 个 像元排列成阵列,每个像元都是单独成像的单元,每个像元内部的结构包括热敏/光敏材料,传感器,读出电路 等等。


红外探测器的性能指标核心包括阵列规模、噪声等效温差(NETD)、像元尺寸。1)阵列规模,表示的是 像元数量的多少,阵列规模越大说明像元数量越大,探测器的性能更加优越;2)NETD,又称为红外热成像的 热灵敏度,衡量的是红外探测器区分细微温差的能力,数值越小代表器件的灵敏度越高,灵敏度与像元尺寸成 反比;3)像元尺寸,表示单个成像单元(像元)的尺寸大小,像元尺寸越小,相同晶片面积上可以制造的焦平 面阵列越大,同时可以大大降低整机的成本和重量。


影响红外性能的主要包括热敏薄膜材料、CMOS 读出电路以及芯片的真空封装技术。其中真空封装技术很 大程度上决定了红外探测器的性能和成本。红外探测器的封装主要有四种类型:金属封装、陶瓷封装、晶圆级 封装以及像元级封装,目前业内正从金属、陶瓷封装积极向晶圆级封装升级,像元级封装仍在研发阶段。


金属封装可靠性强、成本高,晶圆级封装技术先进、成本低但技术难度大。金属封装是最早的真空封装形 式,封装效果好,恶劣适应性强,可靠性高,但是成本高,陶瓷封装相对金属封装重量轻,无 TEC,成本相对 较低,相较金属封装更适合批量生产,而晶圆级封装是近年来刚趋于成熟的一种封装技术,可以做到体积更小 重量更轻价格更便宜,主要分为 W2W(Wafer-to-Wafer)和 C2W(Chip-to-Wafer)两种方式,利用晶圆级封装 技术,可将红外热像仪价格降至千元级别,为民用市场打开了前景。


三、市场空间:军品红外渗透率大幅提升,民品市场蓄势待发
3.1 十四五期间武器装备放量,红外技术加快渗透


在建设世界一流军队目标的指引下,我国军工行业需求旺盛。当前,我国军事力量已由原有的四大军种转 变为陆、海、空、火箭、战略支援、联勤保障六大军兵种。我国空中战力与世界一流水平相比仍有较为明显的 差距,新型号列装需求强烈;我国海军正由“近海防御”向“远洋海军”转变,海军装备正遵循由量到质、由 近及远两大趋势发展;陆军地面装备机械化程度仍需进一步提升。二〇二七年建军百年奋斗目标提出加快机械 化信息化智能化融合发展,红外系统作为信息化的重要技术将得到更快发展。




军事细分用途包括红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等,可广泛用于陆地武器、个人 携带装备、航空器、导弹武器、卫星系统、海军舰艇。根据具体用途,红外热像仪主要分为昼夜观察和热目标 探测两大类,其带来巨大的作战价值使得各军事强国纷纷加大对于红外技术研发的投入,红外装备的配备水平 也成为衡量军队先进性的重要标准之一。美国法国等军事强国先入为主,有较高的红外装备普及度,我国正处 于快速赶超阶段。


3.1.1 单兵红外装备


红外因为其全天候工作、目标识别能力强、抗干扰性强、隐蔽性强等特点,可以用于单兵装备。首先,红 外装备克服了传统武器在夜晚等肉眼不可视情况下的局限性,使得作战可在全天候进行;其次,目标散发的红 外线易被观察,红外热成像条件下识别性较强;再者,红外热成像的工作原理基于光学,相较于精密电子设备, 抗干扰性较强;最后,单兵配备的红外装备是被动式的探测目标的红外线,有利于作战的反侦察,隐蔽性强。


单兵夜视装备主要包括枪瞄、头盔夜视、手持夜视及望远夜视等。目前单兵夜视装备的发展越来越系统化, 如美国近年来研究开发的“ENVG III/FWS-I 整合式夜视瞄准方案”,是一种增强士兵快速补货目标能力的瞄具系 统,包括“第三代增强型夜视镜”(ENVG III)和“单兵型武器准星家族”(FWS-I),其价格分别为 9500 美元 和 7000 美元,价格昂贵,据美国陆军表示,2018 年军方共采购 36000 具 FWS-I 以及 64000 具 ENVG-III,后 续 2019 年又购进十万余具此类红外装备。


发达国家已将红外热成像装备广泛配置于各个军种,例如在伊拉克战争中,美军单兵平均配备 1.7 个红外 设备,在第十一次裁员以前,我军服役总员额有 230 万,其中陆军服役 178 万,占比约为 73%,2015 起我军实行第十一次裁员,合理推算陆军人数 进一步降低,目前我军单兵红外装备比例远远低于发达国家,随着实战化训练的开展,十四五期间单兵红外装 备率会实现突破,存在较大市场空间。


3.1.2 陆地车辆辅助驾驶


红外车辆辅助驾驶可让装甲车、坦克等陆地车辆装备在夜间关灯行驶,提高作战车辆的隐身能力,有助于 夜间进行瞄准射击、搜查、监视等。以美军 M1A2 SEP 主战坦克为例,它是美军二十一世纪陆军数字化战场的 核心,是美军最先进的数字化主战坦克,M1A2 主战坦克装备了二代热成像系统以及车长独立热成像仪,大大 提升了坦克的最大探测距离,从 4 公里提升至 6.8 公里。


我军车辆作战平台面临更新换代,为红外市场创造更多空间。据《2020 年军事平衡》中数据显现,我军坦 克数量虽然排在世界前列,以 99A 式坦克为代表的最先进的国产第三代坦克数量占比不高,尚未升级的坦克尚 无红外热成像设备,以微光夜视仪为主,相较红外热像仪,微光夜视仪夜晚使用视觉效果差,距离短,在未来 会逐渐被红外热像仪取代。我军现役装甲车等红外设备渗透率不高,红外设备作为全天候作战、隐蔽作战、反 侦察等重要战略战术手段的核心,在车辆作战平台上的渗透率必然会逐步提高,随着型号的更新换代,未来存 在大量的红外设备需求。


3.1.3 机载红外设备


随着飞机代数的提升,机载红外设备逐渐升级。机载红外设备主要包括光电吊舱、红外搜索与跟踪系统 (IRST)、光电瞄准系统(EOTS)以及分布孔径红外系统(EODAS)等,可进行探测、瞄准和跟踪。


1、光电吊舱


机载光电吊舱是光电侦察及告警技术的重要组成部分,也是无人机侦查的核心装备。可广泛应用于各类军 用飞行设备,包括战斗机,直升机,无人机,用于飞机昼夜飞行和攻击的导航和搜索、捕捉目标,为制导武器 及非制导武器提供精确制导和瞄准,以提高命中精度。


2、红外搜索与跟踪系统 IRST


红外搜索与跟踪系统以红外为核心,可对目标进行搜索和跟踪,与雷达互为补充。红外搜索与跟踪系统, 简称 IRST,以红外技术为核心,利用红外技术的无源性优势,隐蔽性好、抗干扰能力强等特点,结合激光测距 仪对目标进行搜索和跟踪,是火控系统的重要组成部分。可用来快速探测和跟踪飞机或导弹等具有威胁的红外 目标。在军事应用上,IRST 系统是雷达很好的补充,二者具有互补性,可以增强对目标跟踪、分类及识别的能 力,使得探测数据更加可靠,从而缩短作战系统的反应时间。IRST 经历了三代技术更迭。


3、光电瞄准系统 EOTS


ETOS 更为先进的红外光电瞄准系统,由三个部分组成,分别是红外搜索跟踪系统(IRST)、前视红外成像 系统(FLIR)和激光指示瞄准系统(LTD),主要装备先进战机如 F-35,F-22。EOTS 光电系统位于机头下方,能 够为飞行员提供高分辨率图像,具有对防区外目标精确探测和识别的能力,激光定位和瞄准的能力和引导激光 制导武器精确打击地面目标的能力等。通过与飞机一体化设计,系统仅外露光窗,具备对雷达的隐身能力。洛 克希德·马丁公司正对 EOTS 光电系统进行升级,包括研制先进 EOTS 系统和 ALERT 系统,先进 EOTS 系统 主要增加近红外/短波红外摄像机和红外指示器,近红外/短波红外摄像机可以使系统获得在不同环境条件下更高 分辨率的图像,红外指示器用于协同作战中对目标的确认和定位。ALERT 系统主要增大系统的孔径,提升目标 识别距离和防区外打击能力,同时通过可重构外形设计能够在无人机等多型飞机平台上安装。


4、分布孔径红外系统 EODAS


EODAS 是全方位的红外探测系统,具有感知范围广、重量轻的优点。机载 EODAS 系统是利用目标和背景 之间的温差来形成热点或图像并可靠地探测、识别、定位和连续跟踪在背景辐射及其它干扰条件下发射红外波 段的物体和目标的光电系统,它采用一组 6 个精心布置在飞机上的传感器阵列实现全方位、全空间敏感,提供 战机完整球面覆盖范围的视野,并采用各种红外图像处理算法实现空中远距离红外目标的搜索跟踪、导弹威胁 逼近告警、态势感知、地面海面目标探测、战场损伤效果评估、武器投放支持及夜间与恶劣气候条件下的辅助 导航、着陆等多种功能。


根据《WorldAirForces2021》数据显示,我军军用飞机以二、三代主力战机为主,现役四代战机较少。随着 我军战机的不断升级换代,先进战机中红外系统的价值量将有较大提升,十四五期间我军四代机红外市场具有 较大增长空间,三代机换装先进红外系统也有较大市场,;同时军用无人机在战场上发挥的作用越来越大,侦查 搜索是无人机的重要作战任务,红外系统是侦查搜索不必可少的关键技术,未来市场空间较大。


3.1.4 精确制导


精确制导性价比高,可大大降低附加伤亡。精确制导类导弹导引头价值占比较大,占据导弹成本 30%以上, 红外探测设备是导引头主要的组成部分之一。精确制导类导弹以数十倍的成本达到普通航空炸弹的数百倍作战 效能,其次在实现对目标的精确打击的同时,大大减少了附加伤亡,制导方式主要有四种,电视制导,红外热 成像制导、激光寻的制导以及各种类型雷达制导。


红外制导隐蔽性、抗干扰性强且探测精度较高,新型号导弹中红外与雷达复合制导是大趋势。随着精确制 导的要求越来越高,围绕命中精度和全天候等作战需求,目前的精确制导导弹多为集合多种制导技术复合体, 红外制导以其全天候、抗干扰性强等优点,在新型号导弹上应用广泛。


红外制导广泛应用于各类中近程导弹,是当前空空、空地、地空、反坦克导弹等普遍采用的工作方式。红 外制导经历了三代技术的更迭,第一代为红外点源的制导,以高温目标散发的高能红外线为捕捉对象,使用单 一的红外探测器,缺点是抗干扰性差;第二代红外成像制导技术,采用的是光机扫描和线列多元探测器,第三 代则是采用焦平面红外探测技术的先进红外成像制导技术。代表型号有美国的“标枪”反坦克导弹,导弹采用 长波红外 64×64 碲镉汞焦平面探测器,具有“发射后不管”功能,可以攻击坦克的前装甲与顶部装甲。


导弹在十四五期间需求增速较快,消耗品属性保证其后期需求。精确制导导弹作为现代化武器组重要的标 志之一,广泛装备在战斗机、无人机、战舰等各类作战平台和作战单位,也是十四五期间重点采购对象之一, 十四五期间对导弹的需求量呈数量级式增长,带来对红外设备的放量需求;其次,随着实战化训练的开展,导 弹作为消耗品也将增加用量。


3.2 成本下降打开应用空间,民用市场蓄势待发


在民用领域,随着技术的不断进步,像元的尺寸不断减小,晶圆级封装的普及以及其他工艺的不断进步, 红外产品的成本和价格在不断降低,为红外产品带来更加广阔的应用场景,安防监控、个人消费、辅助驾驶、 消防及警用、工业监测、人体体温筛查、电力监测、医疗检疫等诸多领域均出现了红外设备的身影。


2023 年全球民用红外市场规模有望达到 75 亿美元,复合增速为 10%。据 MaxtechInternational 及北京欧立 信咨询中心预测,民用红外热像仪在 2014 年的市场规模达到 31.07 亿美元,2020 年市场规模可达 56.01 亿美元, 2023 年全球民用红外市场规模将达到 74.65 亿美元,复合增速为 10%。


3.2.1 安防领域


由于绝大多数监控系统需要 24 小时工作,在没有红外技术帮助的情境下,光线的强弱会决定监控工作能否 正常进行,因此红外技术在监控安防领域的应用越来越广泛,以红外热成像为基础的监控系统可以在完全无光、 距离较远正常工作,甚至并且可以透过烟雾、云雾,发现伪装目标和高速运动目标。


我国目前大力建设“新基建”,包括“智慧城市”“平安城市”等计划,有望加速红外有关的视频监控产品在民间的应用。据中安网数据显示,智慧城市的普及促进安防行业从 2011 年的 2773 亿元增长至 2017 年的 6016 亿元,年复合增长率高达 14%。随着安防智能化的不断推广,新兴市场如无人超市、自动驾驶等业务的打开将 会为安防监控带来持续的需求。随着十四五规划中明确提出加快智慧城市的建设,安防领域作为智慧城市建设 的重要组成部分,市场规模有望维持高增速,增速在 10%以上。


3.2.2 电力检测


电气系统检测是红外热像仪最早也是最普遍的应用领域。FILR 出售的第一台商用红外热像仪就是应用于电 力检测,其工作原理就是利用电阻的焦耳热,故障区域的温度往往会异于正常工作的区域,温度异常会散发出 异常的红外线,通过红外热成像就可以快速定位故障区域,利用红外状态监测和诊断技术具有远距离、不接触、 不取样、不触体、准确、快速、直观等特点。对提高电气设备的可靠性与有效性、提高运行经济效益、降低维 修成本都有很重要的意义。


国家大力推进智能电网建设。十四五规划明确提出要加快电网基础设施智能化改造和智能微电网建设,提 高电力系统互补互济和智能调节能力,智能化意味着全天候、无人化,红外热成像系统是电网基础设施智能化 的重要组成。根据国家电网数据,过去十年对智能电网的投资额明显较之前有提升,在 2009 年到 2010 年间对 智能电网的总投资额为 341 亿元,年均 170 亿元,而在 2011-2020 年期间对智能电网的总投资额为 3500 亿元, 年均 350 亿元,较十年前每年投资额翻倍。


而国家电网的实际总投资远远高于计划投资额,如国家电网数据显示,在 2016 年到 2019 年期间的实际总 投资额已经超过 19000 亿元,远高于计划投资额的 14000 亿元,对智能电网的实际投资额超过 2400 亿元远远高 于计划投资额 1750 亿元,因此假设 2020 年投资取前四年中位数,对智能电网的投资额约为 606 亿元,是计划 投资额的 1.7 倍,红外热成像设备作为智慧电网及其基础设施的重要组成部分,在未来五年仍将持续发力。


3.2.3 自动驾驶


红外相机处于自动驾驶产业链上游。自动驾驶按照全产业链划分可分为感知层、控制决策层和执行层,感 知层主要包括雷达(激光雷达、毫米波雷达和超声波雷达),视觉系统(摄像头、红外相机等),控制层包括操 作系统、应用软件、芯片/计算平台等,执行决策层包括制动、转向、照明、油门、安全气囊等等。


红外热像仪应用在自动驾驶的视觉系统,能够有效弥补短板,有效应对夜晚和雾天等恶劣天气(重点描述 下红外技术的必要性 在自动驾驶哪个阶段是必须要加的)。目前的自动驾驶汽车均采用可见光摄像头、雷达技 术、激光雷达传感器三大技术融合的模式,但是依然避免不了很多缺陷,如极端复杂天气、黑夜、眩光、雾霾 天气行驶的安全性问题,而红外热像仪可以在上述恶劣环境下正常工作,红外热相机有不受光线影响、能穿烟 透雾的特征,使用红外相机作为自动驾驶的视觉系统,能在全黑夜间、雾霾天气、眩光等、人眼能见度较低的 情况下让驾驶员看清路况。目前自动驾驶技术尚未成熟,我国自动驾驶行业刚刚进入 L3 时代,自动驾驶全产业 距离到完全成熟的 L5 级别还有至少 10 年的时间。恶劣天气是交通事故的主要影响因素之一,而红外相热成像 技术作为应该恶劣天气的有效手段,在自动驾驶走向最终成熟的过程将进一步推广红外热成像技术的应用。


自动驾驶市场未来五年保持高增速增长态势。2020 年我国汽车保有量为 2.81 亿辆,新注册登记汽车 2424 万辆,未来自动驾驶的驱动力主要来自五个方面,一是老龄化和残疾人市场,这两类人群面临移动的限制,是 目前可见的自动驾驶汽车最大的可应用市场;二是来自送货车辆和工业领域的需求,自动驾驶有望为电子购物 带来新的商机,工业领域例如矿区用车等等,自动驾驶可以大量节约人力成本,目前海螺水泥等厂商在积极引 进自动驾驶;三是来自改善高速公路的需求,据美国高速公路保险协会数据显示,全面部署自动驾驶安全系统 可有效减少 31%交通事故造成的死亡人数;四是提升交通效率的需求,城市拥堵至今仍未得到有效的解决,自 动驾驶的车载传感器可与智能交通系统相结合,优化出行方案,缓解交通拥堵;五是来自降低环境污染的需求, 据兰德数据显示,自动驾驶系统可提高燃油的经济性并降低行车带来的空气污染。


全球自动驾驶市场有望保持高增速,中国市场潜力大。据 YoleDéveloppement 数据显示,2020 年全球自动驾驶核心组件部件市场规模共计 170 亿美元,到 2025 年将会达到 780 亿美元,2020~2025 的 CAGR 可达 35.6%。其中摄像头组件价值占比约 10%,约 78 亿美元,2024 年全球 L1-L5 级自动驾驶汽车出货量预计将达到约 5425 万辆,2020 至 2024 年的年均复合增长 率(CAGR)达到 18.3%,据摩根大通的研究分析,2019 年—2025 年,中国 L1 到 L5 级的辅助驾驶和自动驾驶 市场规模将实现 33%的年均增长率,并于 2025 年达到约 71 亿美元,红外相机作为重要的视觉系统组成也会迎 来需求的上升。


3.2.4 机器视觉


机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。随着大数据、人工智能、计算机视觉技术的快速普及和制 造业的升级需求,越来越多机器视觉方案渗透到计量、检测领域。相对于过去的人工检测,机器视觉检测大大 提高了产品缺陷检测的准确性和速度,对提升生产效率大有裨益。


热数据对于机器视觉检测准确度至关重要。虽然机器视觉软件可以发现诸多生产问题,但无法检测热异常 现象。热图像不仅为机器视觉增添了一个新的维度,还为无损检测提供了更完美解决方案,可为专业人员和决 策者提供更多的信息。随着电路板制造工艺的发展,电子元器件的集成度越来越高,电路系统越来越复杂,非 接触式检测已经是目前的迫切需求,由于电子元器件的故障通常有两种情况,一是短路,会导致原件过热,二 是断路,导致原件温度低于正常工作状态,因此可以通过红外热成像检测与 AI 技术的结合实现对电路板的快速 检测。目前机器视觉下游应用领域众多,包括消费电子、汽车、半导体等各种工业制造等多个领域。


行业属性决定机器视觉下游消费电子领域渗透率最高。根据前瞻数据显示,在国内机器视觉下游应用领域 中,消费电子占比最高,占比高达 46.6%,下游推广程度与行业属性有关,消费电子生产工艺复杂、零件繁多, 并且尺寸小,精密程度高,人工检测不仅成本不仅高昂,并且效率低下,相较而言机器视觉不仅成本较低并且 随着技术的发展检测手段的丰富多样而更加有效。


国内机器视觉市场规模突破百亿,未来五年增速远高全球,红外热像仪的应用将随之增加。过去十年,我 国机器视觉市场规模以较高增速不断扩大,2019 年市场规模首次突破百亿,达到 103 亿元。随着疫情的恢复, 预计未来五年我国机器视觉市场规模将继续保持高速增长,首先,消费电子生命周期较短,制造商需要频繁采 购设备,将持续带动机器视觉需求;其次,消费电子产品内部结构日趋更加复杂和精细,对产线生产效率和组 装加工精度的要求日益提高,均会带动对机器视觉的需求;再者,随着智能驾驶、自动驾驶的不断渗透,汽车 “电子化”程度也越来越高,电子化程度的提高也对汽车产线提出了高要求,未来随着智能汽车的比例不断提 高,对机器视觉的需求也会不断增加。


据 MARKET&MARKET 数据显示,2020 年全球机器视觉市场规模为 107 亿美元,到 2026 年预计达到 153 亿美元,复合增速为 6.1%,2020 年我国机器视觉市场规模约为 113 亿元,到 2026 年将达到 316 亿元,复合增 速为 18.7%,远高于世界平均水平,随着机器视觉市场的不断扩张,红外热像仪作为机器视觉系统的重要组成 部分,未来面临确定性较强的需求上升。


四、红外行业竞争格局


4.1 竞争格局:国内厂商市占率大幅上升


民用市场国产化率逐步提升。民用红外市场在过去主要的供给方为欧美公司,如菲力尔等,但是近年来国 内红外厂商实现红外热成像核心技术的提升和核心部件的批量生产,成本逐步下降,疫情市场、安防市场、工 业市场中,国内厂商市占率不断提升。国内厂商在满足内需的同时不断向海外拓展市场,取得了海外市场的认 可。


国内厂商在全球红外热成像市场的份额大幅提升。2017 年,全球非制冷红外热像仪市场,,FLIR 市占率高达 66.2%,ULIS 市占率 13.3%,SEEK 市占率 11.7%,而国内厂商大立科技高德红外等总市占率不足 2%。短短两三年间,以高德红外为首的国内厂商 占比迅速提升,在 2020 年全球红外热成像市场出货量中,高德红外占比 17%,海康威视占比 15%,睿创微纳占 比 10%,大立科技占比 2%,中国厂商合计占比在 44%以上。


在测温红外产品市场,中国厂商份额提升更为显著。2019 年, 全球测温红外市场中 FLIR 仍占据 40%的全球出货量,Lynred 占比 25%,SEEK 占比 16%,高德红外出货量占 比大幅上升至 9%,大立科技 4%,睿创微纳 1%,海康威视 1%,国内厂商占据了约 15%的全球出货量。2020 新 冠疫情爆发,红外测温产品需求急剧增长,测温热成像市场规模相较 2019 年同比增加 426%,中国红外厂商展 现出强大的出货能力,国内厂商市场占有率大幅提升,高德红外占据高达 27%的市场份额,第二名是中国厂商 海康威视,占据 20%市场份额,第三名是 FLIR(19%),第四睿创微纳 14%,大立科技占据 2%,中国厂商合计 占比在 63%以上。


根据 Yole 预测,到 2025 年,在民品领域,国产品牌全球出货量占比将会超过美国,达到 64%,忽略不同 公司产品价格的差异,按照 2025 年全球民品红外热像仪市场规模 75 亿美元计算,2025 年中国国内民品红外热 像仪市场产值将会达到 2020 年的两倍以上,约 48 亿美元。


我国从事红外研制生产的单位可以分为军工集团、中科院下属单位和民营企业三部分,军工集团占据了军 用红外领域主要的市场。军工集团内部涉及红外领域主要包括,中国电子科技集团旗下的华北光电技术研究所 (中电科 11 所),中航工业集团旗下洛阳电光设备研究所(613 所)和空空导弹研究院,中国航天科技集团旗 下空间机电研究所(五院 508 所)和航天八院第 803 研究所,中国兵器工业集团的北方光电集团和北方夜视子 集团,中国船舶重工集团旗下华中光电技术研究所(717 所)等等。


近年来,随着民营企业被允许进入国防科技工业领域、武器装备科研生产领域以及装备采购制度改革的逐 步深化,以高德红外、大立科技和睿创微纳在内的国内实力较强的民参军红外企业开始逐步直接参与军队与武 警红外产品装备的供应,占据了部分市场,高德红外更是率先得到了认可成为国内第一家具备完整武器系统科 研和生产资质的民营企业。

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