1 红外探测器是军工电子的核心元器件
1.1 红外线的特点及红外波段的划分
自然界的光线按照波长由短到长大致可以分为 X 光、紫外线、可见光、红外线、微 波等。其中红外线的波长范围在 0.75μm-1000μm 之间，区别于其他波长的光，红外线的 发射不需要特定的发射源。自然界中所有温度高于绝对零度的物体都在无时无刻地自发 地向外辐射红外线。红外线的这一特点，催生了红外探测技术发展。
根据红外光谱可以将红外线分为近红外波段、中红外波段和远红外波段，对应的波 长范围分别为 1μm-3μm、3μm-40μm、40μm-1000μm。在红外探测领域，一般按照红外 线大气透射情况将红外线分为近红外波段、短波红外波段、中波红外波段和长波红外波 段，对应的波长范围分别为 1.1μm-2.5μm、3μm-5μm、8μm-14μm。波长在这些波段以外 的红外线大都被大气吸收或散射，很难被探测器识别，因此红外探测器的红外响应波段 和红外线大气透射波段相吻合。
1.2 红外探测器及其工作原理
用于探测物体红外辐射信号的电子元件被称为红外探测器。探测器的核心组成部分 为探测器芯片，探测器芯片由 MEMS 传感器和 CMOS 读出电路构成。 MEMS 传感器用来接收物体的红外辐射并产生响应信号，CMOS 读出电路芯片接 收 MEMS 传感器的响应信号，并将其处理为可被后端成像电路识别的电信号。MEMS 的材料不同，接收红外辐射后产生的响应信号也不同。常见的 MEMS 材料有两大类，一类是以氧化钒、非晶硅为代表的常温工作材料，另一类是以碲镉汞、锑化铟、二类超 晶格为代表的低温工作材料。常温工作材料主要利用红外辐射的热效应进行工作，接收 红外辐射后材料的电阻率会改变而产生电信号。低温工作材料依据光电效应工作，材料 接收红外辐射后产生光生载流子而产生电信号。
1.3 红外探测器的分类
1.3.1 制冷型红外探测器：碲镉汞使用最为广泛，二类超晶格是未来的发展方向
制冷型红外探测器的 MEMS 传感器材料为低温工作材料，工作原理是依据红外辐 射产生的光电效应。这类探测器的工作灵敏度很高，多用于军用高端装备领域和航天探 测系统。由于探测器工作时需要低温环境（70K-200K），该类探测器通常配有小型低温 制冷机，另外为了减少冷量损失，还设计有真空杜瓦结构，因此该类探测器的体积、重 量相对较大。
斯特林制冷机是应用最为广泛的红外探测器冷却设备之一。工作原理基于斯特林制冷循环，气体在绝热膨胀过程中对外做功，自身温度降低实现制冷。斯特林制冷机具有 结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简单等优点，被广泛的应用于航天 探测、精确制导、红外侦察等领域。斯特林制冷机按照其结构特点可以分为整体式斯特 林制冷机和分置式斯特林制冷机。2021 年成功着陆火星的天问一号探测器的矿物光 谱分析仪搭载了微型斯特林制冷机。
JT 制冷机作时需要携带高压气瓶，高压气瓶为制冷机提供高压气源，气体节流过程 中温度下降，实现对探测器的冷却。相比其他制冷机，JT 制冷机最大的特点是不需要电 力驱动，因此其结构简单、紧凑。另外其启动时间也远快于其他类型的制冷机，甚至可 以在数秒内达到制冷温度，常被用于精确制导领域。美国的标枪反坦克导弹、俄罗斯的 R73 空空导弹、国产的 PL-9C 空空导弹均采用 JT 制冷机作为红外冷却设备。
脉管制冷机一端封闭，另一端连接蓄冷器和冷端换热器。当高压气体进入脉管时， 由于压缩而在脉管中形成温度梯度，封闭端温度最高，压缩热被冷却水带走。在高压气 体被抽真空时，在脉管的出口端形成低温制冷区。脉管制冷机冷端无运动部件，可以到 达极低的制冷温度，常被用于航天领域的探测器组件。国内 2018 年发射的高分五号卫 星搭载的甚高光谱红外光谱仪采用的制冷机为脉管制冷机。
制冷型红外探测器按照 MEMS 传感器材料的不同可细分为碲镉汞探测器、锑化铟 探测器、量子阱探测器、二类超晶格探测器和量子点探测器。其中，碲镉汞探测器和锑 化铟探测器已经非常成熟，使用最为广泛。
碲镉汞红外探测器是使用最为广泛的制冷型红外探测器之一，其红外半导体材料为 碲镉汞（Hg1-xCdxTe），通过调节 Cd 组分变化，波长可完全覆盖短波、中波、长波和甚 长波等整个红外波段。碲镉汞材料的优点是电子有效质量小而本征载流子浓度低，吸收 系数大，量子效率高，因而制成的探测器噪声低，探测率高。缺点是碲、镉、汞三种材 料是通过离子键结合的方式连接的，其相互作用力小。构成元素汞非常不稳定，容易从 碲镉汞材料中逸出从而造成材料的缺陷、材料的不均匀以及器件性能的不均匀，这是碲镉汞材料固有的问题，在长波应用时尤其突出。碲镉汞红外探测器另外一个主要问题是 碲镉汞薄膜材料生长的外延衬底问题，与碲镉汞晶格匹配的衬底是碲锌镉衬底，但目前 市售的碲锌镉衬底最大直径大约为 90mm，而且成本昂贵。欲获得更大尺寸的衬底和碲 镉汞材料，必须考虑替代衬底以及晶格不匹配带来的质量问题，对于长波红外探测器而 言，替代衬底上生长的长波碲镉汞材料质量仍然需要进一步改进和提高。
锑化铟探测器属于本征吸收，其材料量子效率和响应率极高。因此，它可以实现极 高的热灵敏度和极好的图像质量，目前已成为最重要的中波红外探测器之一。锑化铟探 测器经历了从单元、多元迅速发展到一维线列和二维面阵的过程，并且正朝着新一代超 大规模红外焦平面阵列器件（低成本、小型化、数字化、智能化和高集化等）的方向发 展。锑化铟红外焦平面探测器的发展有利地促进了红外技术应用的发展，使红外武器装 备性能有了大幅的提高。目前已广泛应用于精确制导、搜索跟踪、侦察和光电对抗等军 事系统，成为光电领域武器系统的重要组成部分。
由于锑化铟材料独特的性质和广阔 的应用前景，西方发达国家对该材料进行了大量的研究，开发了水平区熔法、垂直布里 奇曼法、垂直梯度凝固法、移动加热器法以及切克劳斯基法等多种方法，甚至在磁场和 微重力等环境下开展了锑化铟材料生长实验，获得了大量的研究成果，使得锑化铟晶体 生长技术实现了飞速的发展。近年来，加拿大、美国和英国等发达国家已经开发出了完 善的晶体生长及晶片加工技术，未来他们朝着更大尺寸以及更低成本的目标发展。国际 上锑化铟材料的供应商包括美国的 Galaxy Compound Semiconductors（下称 GCS）、加拿 大的 Firebird 公司和英国的 Wafer Technology 公司等。GCS 公司和 Firebird 公司已经实 现了 5 英寸锑化铟晶片的产品化，并且正在开展 6 英寸、8 英寸等更大尺寸锑化铟材料 的商业化研究。锑化铟材料的快速发展为推动大规格、高性能、低成本的新一代锑化铟 焦平面探测器的发展奠定了良好的基础。
量子阱红外探测器的名称来源于其构成材料在能带结构上构成的电子或空穴势阱。 外来光子引起的电子或空穴跃迁属于子带间跃迁，在外加电场的作用下载流子被收集形 成光电流。目前已经获得稳定生产并广泛应用的量子阱红外探测器主要是 GaAs/AlGaAs 量子阱红外探测器。构成元素 Ga、As 与 Al、As 之间是共价键结合，互作用力大，材料 牢固稳定，可耐受天基高能离子辐射，适于制备天基红外探测器。通过改变材料组分、 厚度可方便地调节势阱内的能级位置，器件响应波长从中波 3μm 到甚长波 30μm 连续 可调，按照理论计算，量子阱探测器能够响应长至 200 多微米的太赫兹波段。量子阱红 外探测器工艺成熟，大面阵器件性能均匀、稳定，适于产业化。
量子阱红外探测器存在的不足之处来源于量子阱红外探测器的工作方式，因为是子 带间跃迁，导带基态的载流子完全靠外部掺杂提供，通常其数量级最多为 1018 cm －3 – 1019cm －3，与价带提供的电子相比，数量级差 3-4 个量级。另外，由于跃迁矩阵元的选 择定则，只有平行于表面的入射光才能被量子阱材料吸收，以上两个原因导致了量子阱 红外探测器量子效率低，约为 8%，远远小于碲镉汞材料，因此在相同的积分时间和光 学系统条件下，量子阱长波红外探测器性能比碲镉汞长波红外探测器低。量子阱红外探 测器存在的另外一个问题是，为了降低暗电流获得较好的器件性能，量子阱红外探测器 通常在较低的温度下工作，工作温度一般在 65K～73K 范围，导致的问题是提高了制冷 要求，相应地增加了系统的功耗、降低了制冷机的寿命。
与碲镉汞材料相比，Ⅱ类超晶格材料的优势体现在以下几方面：第一，Ⅱ类超晶格 材料的电子有效质量大，在长波范围约为碲镉汞的 3 倍，尤其在甚长波，随着波长增长， 碲镉汞的电子有效质量变小，而Ⅱ类超晶格材料的电子有效质量却不变。由此决定了Ⅱ 类超晶格探测器带间隧穿电流小，器件暗电流小。第二，通过应变对能带结构的调节作 用，能有效降低俄歇复合，提高载流子有效寿命，提高器件性能。第三，基于Ⅲ-Ⅴ族材 料生长方式，采用先进的 MBE 薄膜材料生长系统进行材料生长，衬底采用晶格匹配的 GaSb 衬底，能够生长大面积均匀性好的Ⅱ类超晶格红外探测器材料，包括长波红外探 测材料；第四，Ⅱ类超晶格材料构成元素之间化学键强，材料稳定性好，对工艺的要求 大大降低，器件产业化优势明显，成本可望大大低于碲镉汞红外探测器。
量子点红外探测器（QDIPs）于 1998 年首次被 Phillips 等人论证，量子点红外探测 器从结构和原理上都类似于量子阱红外探测器，只是量子阱被量子点取代，在全部空间 方向上都有尺寸的限制。量子点红外探测器的工作原理正是利用量子点的三维量子限制 效应，当量子点束缚态内的电子受到光激发后，在外加偏置压形成的电场作用下，电子 将被收集形成光电流。 量子点红外探测器具有很多的理论优势。首先，量子点对电子有三维限制效应，可 以响应垂直入射光；其次，量子点的有效载流子寿命更长，具有更长的电子弛豫时间， 光激发电子更容易被收集形成光电流，利于响应率和增益的提高；再者，量子点红外探 测器的暗电流小，可以达到高的工作温度、高的响应率和探测率。
1.3.2 非制冷型红外探测器：氧化钒探测灵敏度更高，已成为主流路线
自 1930 年以来，制冷型探测器一直占据着红外探测器发展的主导地位。然而，制 冷型探测器所需的低温制冷不但使得探测器价格昂贵，也使得系统体积增大、使用不便。 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，具有体积小、质量轻、 功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。虽然在灵敏度上不如制冷型红外焦平面探测 器，但非制冷焦平面探测器性能已可满足部分军事装备以及绝大多数民用技术领域的技 术需要。 目前，非制冷红外探测器的生产数量要远远超过制冷型探测器，主要是其民用市场 需求量大，另外还可以满足部分军用市场的需求。非制冷红外探测器按照 MEMS 传感 器材料的不同可以分为氧化钒红外探测器和非晶硅红外探测器。
氧化钒红外探测器是非制冷领域应用最为广泛的探测器。其红外半导体材料为氧化 钒（VOx），该材料的电阻温度系数较高，为 2%-3%/K，由于其阻值随温度变化幅度较 大，因此灵敏度较高。 早在 20 世纪 80 年代，美国的 Honeywell 公司在军方的资助下，开始研究氧化钒薄 膜，并于 20 世纪 80 年代末研制出非制冷氧化钒微测辐射热计红外焦平面阵列。
Honeywell 公司将这种原创技术授权给了美国的几家公司，用于发展和生成商业及 军用非制冷焦平面。1994 年，美国 DRS 公司获得 Honeywell 技术许可。两年后，DRS 发明了伞状像元结构专利，伞状结构由吸收介质薄膜构成，与下面的绝缘体一起 可以使辐射吸收量最大化。其伞状结构可以调节从而对其热道和热容进行控制，使 工作波段的红外吸收得到最大，实现最佳响应度和响应时间。 美国雷声视觉系统（RVS）在 1999 年的研究表明，延长支撑腿的长度是提高灵敏度 的有效方法之一，并在此基础上对像元结构进行了一些改进，开发了一种多层微幅射热 计像元结构，将热绝缘支撑腿和 VOx 测辐射热计放置在不同的水平面上。
2004 年，日本 NEC 提出了一种带有屋檐结构的改进像元结构。该像元是三层结构， 最上层是采用 SiN 制成的屋檐结构，VOx 测辐射热计薄膜、隔膜以及制成位于中间层。 最下层是一个反射层，与处于中间层的隔膜形成光学谐振吸收器。 其他西方国家也紧随其后，相继研发出结构类似性能相当的红外焦平面探测器。这 些公司在上付出了大量的努力，通过减小像元尺寸，增加表面吸收以及改进 CMOS 的读 出，使得 Vox 微测辐射热计在诸多方面的应用成为可能。目前，红外公司都致力于提高 像元规模的研究，一些公司也设法降低像元之间的间距并且利用双层桥式结构来实现大 规模焦平面阵列，这些氧化钒探测器甚至表现出了接近制冷型红外探测器的优异性能。 氧化钒的主要缺点是它不兼容标准的 CMOS 工艺生产线，需要有单独的 CMOS 工 艺生产线，以防止 CMOS 生产线的污染。
非晶硅红外探测器的红外半导体材料为非晶硅（a-Si），其电阻温度系数与氧化钒相 当，这种薄膜材料常采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）制备，可实现大面积、低 温（小于 350℃）和均匀成膜，与标准的 CMOS 电路工艺完全兼容。此外，还具有其他 优点：具有良好的机械性能，可制造有自支撑结构的悬空薄膜结构，减少了光刻层数， 使工艺制备简单；由于无需额外支撑层，可制成很薄（100nm）的悬浮膜片，使像元的 热时间常数很小；由于具有较小的热导率，桥腿可以制成简单的Ⅰ型，能够保证有效的热 绝缘，从而使微桥结构具有较高的占空比和机械强度，能够承受高速率振动和高强度冲 击；由于采用与标准 CMOS 集成电路兼容的工艺，所制像元成功率和可操作性强，从而 降低生产成本，易实现大批量生产。但是，非晶硅薄膜也存在一定的不足：由于结构无 定形，1/f 噪声比氧化钒高；由于室温电阻偏高，需要掺杂和改变成膜工艺来降低薄膜电 阻；由于存在光子衰退现象（SW 效应），需要经过特殊热处理等后处理方法来提高薄膜 的稳定性。
法国非制冷红外探测器研究机构红外实验室（CEA-Leti-LIR），从 1992 年就开始研 究非晶硅探测器，在 1998 年，研究出第一个非晶硅红外探测器原型。从 2000 年开始， Leti-LIR 与 Sofradi 公司合作开发基于非晶硅薄膜材料的红外探测器。Leti-LIR 负责提供 技术，Sofradi 下属 ULIS 公司负责产品开发，生产出了第一代 45μm 像元间距的探测器。 2003 年，ULIS 开发出了第二代 35μm 像元间距、320×240 像元规模的探测器。在 2005 年，又开发出了像元间距为 25μm 的第三代非晶硅红外探测器。在 2008 年，像元间距为 17μm 的 1024×768 非晶硅探测器研制成功。 国内最早从事非晶硅红外探测器研究的是中科院长春光学精密机械研究所。1995 年， 长光所研制成低成本线列 32 元、128 元的探测器。目前国内批产非晶硅探测器的生产商 主要是大立科技。
随着红外技术的发展，市场对探测器的灵敏度、红外成像的清晰度要求越来越高。 由于氧化钒探测器的灵敏度要高于非晶硅，目前已成为非制冷探测器领域的主流路线， 氧化钒探测器占据非制冷探测器的比例近七成。高德红外一开始致力于非晶硅路线研究 和生产，但后来转为氧化钒路线。在非晶硅路线长期耕耘的大立科技在 2021 年也组建 了氧化钒路线，开始生产氧化钒非制冷探测器。
1.4 红外探测器的关键性能指标
响应率：输出信号与输入红外辐射功率的比值。响应率越大越好。 响应波长范围：制冷型（光电型）红外探测器的响应率和入射光的波长有关。当入 射波长达到λp 时，探测器达到峰值响应率，随后波长继续增大，响应率会迅速下降。 当响应率下降至峰值响应率一半时对应的波长定义为长波限λc。一般情况下当入射波 长大于长波限λc 时，探测器的响应率已经较为微弱或无响应。这个特性和光电效应有 关，入射光子能量只有在大于极限频率时，才能发生光电效应，而波长增加到一定程度 时，入射光频率小于极限频率，则不会发生光电效应，探测器无响应。非制冷（热敏型） 红外探测器则对响应波长无选择性，对各种波长的入射光表现出的敏感度相同。一般在 室温下工作，灵敏度较低，响应时间也偏长。
噪声：噪声来源于探测器中的某些基本物理过程，即使在没有入射辐射的情况下， 也会有噪声出现。噪声会对探测器的探测精度造成影响，噪声越小，探测器的性能越佳。 探测器噪声主要有暗电流噪声（热噪声）和光电子噪声（背景光子涨落带来的噪声）。减 少暗电流噪声的主要方法是降低温度，将温度由室温降低至液氮温度（77K），暗电流噪 声可降低 50%。 信噪比：入射辐射所产生的信号输出电压与同时输出的噪声电压的比，设备的信噪 比越高表明其杂音越小，反之则越高，因此，信噪比越高越好。 噪声等效功率：入射辐射产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压时，这时 的入射辐射功率称为噪声等效功率。探测器的噪声等效功率越小越好。 噪声等效温差：红外探测器能探测到的最小温差，值越小越好。 探测率：探测率为噪声等效温差的倒数，探测率越大越好。（报告来源：未来智库）
1.5 红外探测领域的基础产品
红外探测器是红外探测领域的上游产品，红外探测器的生产单位一般也生产机芯、 热像仪等中游产品，另外也销售单独的探测器产品给中游制造商或完整武器装备制造商。
机芯产品由红外探测器、硬件电路（其上运行机芯软件）、结构件构成，是实现光电 成像的核心模组。机芯中的探测器接收红外辐射信号，将其转换为电信号输出。硬件电 路将探测器输出的电信号进行处理，包括信号放大、模数转换、图像处理、视频编码等， 最终将探测器芯片提供的电信号转换为电子视频图像。探测器和硬件电路通过结构件连 接在一起，实现了结构加固和探测器及硬件电路的散热。
热像仪又被称为红外整机，整机通常包括机芯、镜头和结构件等主要部件，另外复 杂的整机系统还包括主控电路或若干功能模块。热像仪是具有完整光电成像功能的产品， 整机组件内的机芯通常需要控制红外镜头，实现诸如光学变焦、视场切换、自动对焦等 功能。结构件将机芯和红外光学镜头装配在一起，镜头将目标的红外辐射能量汇聚到机 芯的探测器焦平面上，机芯工作输出的红外视频信号就是整机组件的视频输出信号。整 机组件的视频输出信号有两种用途：输出标准视频信号，接到标准显示器上直接供人眼 观察；输出数字视频信号，作为其他部件的视频输入源，集成为复杂系统的一部分。
2 红外探测产品的应用领域和市场规模
2.1 练兵备战及武器装备现代化推动军用红外探测产品需求快速增长
军用红外产品方面，全球市场规模处于稳定增长趋势。从上世纪 70-80 年代起就逐 步应用于陆、海、空战场上，红外热成像技术作为夜战和精确打击武器系统中的核心技 术，红外装备精良与否直接决定和影响着武器现代化水平。根据睿创微纳招股说明书援 引自 Maxtech International 及北京欧立信咨询中心预测，2023 年全球红外市场规模将达 到 107.95 亿美元。
在国家积极推进练兵备战及武器装备现代化建设的大背景下，未来国内军用红外市 场将保持快速增长。2021 年，中国的 GDP 达到美国的 70%，但国防支出(1933 亿美元) 只有美国的 26%，我国国防支出占比低，提升空间较大。财政部在全国人大会议上提交 的《2022 年中央和地方预算草案报告》指出，中国 2022 年国防支出预算为 14504.5 亿 元人民币(折合成美元计算约为 2295 亿美元)，同比增长 7.1%。军费支出稳定快速增长， 新装备列装加速，行业需求端处于快速增长的初期，给军用红外热像产品的快速增长带 来保障。
2.1.1 红外热成像装备在单兵、军用车辆中渗透率较低，未来市场空间广阔
单兵手持热像仪能够进行夜间和能见度条件较低的条件下的观察和侦察，也可以用 于发现伪装目标；除了观察和侦察外，手持热像仪还可以通过与方向盘、卫星定位仪、 激光测距机、激光目标指示器等组合使用，解决确定目标角坐标和距离的问题，可以引 导半主动激光精确制导武器对高价值目标进行精确打击。
轻武器瞄准射击装备可以在夜间和低能见度的条件下，对目标进行瞄准打击。单兵 装备的轻武器包括突击步枪、冲锋枪、轻机枪、火箭炮、无后坐力炮、便携式反坦克导 弹和防空导弹武器系统，根据武器系统的不同可配套有轻型、中型和重型武器热瞄准镜。
红外产品在美国、法国、英国等发达国家军队的普及率较高，例如美军在海湾战争 期间，平均每名士兵装备了 1.7 套红外热成像装置（TWS）。按照我国政府发布的《2006 年中国的国防》白皮书，我国军队人员数量为 230 万人，裁军后约有 200 万人，如果未 来我军 10%的部队装备红外热像仪和枪瞄设备，粗略估计我国的军用红外热像仪和红外 枪瞄的市场容量各有 20 万套。当前单兵装备在军队中的装备量还较少，为完成国防和 军队现代化的目标，单兵装备在十四五期间将加速列装。
除了单兵装备外，红外热成像还用于坦克、装甲车等地面武器装备上。微光夜视仪主要依靠自然光工作，对环境 光线的依赖性强，观测距离较短，在军事信息化的推动下，微光夜视仪势必要被红外热 像仪所取代。粗略估计，坦克所用的红外热像仪未来潜在需求为 4750 套。
2.1.2 十四五期间空、海武器装备系统更新换代带来热成像设备需求旺盛
机载红外系统主要用于导航和瞄准，包括对地面目标进行观瞄的前视红外吊舱 （FLIR）和针对空中目标的红外搜索跟踪系统（IRST）。 机载 FLIR 系统大多采用吊舱形式挂装在飞机机身下方，适合于机载空对地火控系统，作为夜视传感器主要用于夜间和不良天气条件下对地面目标的导航和攻击。FLIR 系 统由于需要实时显示，为免画面闪烁，以便于人工识别，工作帧频一般在 25 帧-30 帧/s， 一般不跟踪多目标。
FLIR 中比较出名的是美军蓝盾吊舱 AN/AAQ-14 Lantirn，该系统包括导航吊舱和瞄 准吊舱。导航吊舱设有两个红外传感器：宽视场前视场红外传感器负责显示地形图并叠 加到飞行员的平视显示器上；窄视场前视红外传感器，用于搜索目标并将信息输入目标 识别系统后导入小牛导弹中。而瞄准吊舱可以实现跟踪瞄准功能：窄视场前视红外传感 器捕获目标后，指示激光测距/指示器进行测距和目标指示。中国与蓝盾类似的设备是本 世纪初研制的蓝天吊舱，由 607 雷华所和 613 洛光所分别研制昼夜全天候精确导航吊舱 和光电瞄准备吊舱组成。 IRST 系统一般采用半埋式安装在机身座舱玻璃前方，以利于空空搜索和跟踪，可 昼夜全天候使用。IRST 的视场大，导致每帧频有大量的像素数，比 FLIR 高出数倍。由 于有关数据只提供计算处理使用，帧频时间根据作战要求不同在 1s-10s 之间。
根据《World Air Forces2021》数据显示，我国军用飞机数量为 3260 架，与美俄有着 巨大的差距，为实现把我军建成世界一流军队的宏大目标，未来军机数量有望大幅增加， 带来巨大的红外成像系统增量空间。此外，美国正在积极研究更大给规模红外热成像设 备，以进一步提升探测灵敏度。对比之下，当前我军战机的红外热成像设备像元规模较 小、探测灵敏度偏低，未来武器装备信息化进程加快，更大规模成像的红外系统有望替 代当前机载红外设备。此外，无人机也越来越多地被用于现代战争中，无人机可实现跟 踪搜查和精确打击功能，红外系统是这些功能必不可少的关键技术，未来市场空间广阔。
舰载装备主要包括舰载观察和火控系统。红外夜视器材分辨率高，具有探测掠海飞 行目标的优势。舰载跟踪用红外热像仪既可以用于为发射导弹提供目标数据，还可以用 于探测敌方掠海飞行的导弹。配备热成像设备在内的光电火控系统，便于识别目标并缩 短武器系统的反应时间。海军作战对红外装置的需求具体体现在导航、队形、近距监视、 登陆观察、情报收集、地平面搜索、对空警戒和武器火力控制等方面。
舰载红外系统目前正由大型舰艇向小型舰艇过渡，由水面舰艇向潜艇过渡，从跟踪 系统向监视系统过渡。舰载红外系统相比车载设备更为复杂，其技术指标要求高、非通 用组件热像仪应用量大、造价往往很高。 我国的一线战舰数量超过 355 艘，包括 2 艘航母、2 艘 075 型两栖攻击舰、8 艘两 栖船坞登陆舰、45 艘驱逐舰、112 艘护卫舰以及 80 余艘潜艇。据美国国防部报告，到 2030 年我国战舰数量还将增加至 425 艘。未来更先进的红外系统在新的战舰上装备以 及对老旧装备的替换，舰载红外系统也有着大量的需求。除了一线战舰外，红外系统还 可大量用于水上执法艇、公安边防巡逻艇、海盗船、海事执法船、渔政执法船等，该部 分市场依然庞大。
2.1.3 精确制导弹药在现代战争成为投弹主力，带动红外探测装备需求高涨
美国兰德公司的专家把精确制导武器定义为直接命中概率大于 50%的导弹、制导炮 弹和炸弹的统称。精确制导武器术语起源于上世纪七十年代中期，美国在越南战争中大 量使用了精确制导导弹，并取得了惊人的效果。在此后的多场战争中，精确制导武器的 使用比例越来越高，在伊拉克战争中，美军制导武器的使用比例高达 68%。制导武器装 备中，常用的制导方式有激光制导、红外制导、毫米波制导、电视制导等。据白洪斌所 著的《红外制导综述》，目前各国装备的各种战术导弹，至少 60%采用了红外导引头。
精确制导武器按照发射平台的不同进行分类，包括空基导弹、地基导弹和海基导弹。 空基导弹发射平台为歼击机、轰炸机和直升机，代表产品有美国的 AIM-9X响尾蛇 空空导弹、中国的霹雳-10 空空导弹。地基导弹的发射平台包括陆军防空和反坦克平台、 海军岸舰导弹平台及火箭军机动式与固定式发射平台，代表产品有美国的 AGM-86 战斧巡航导弹、中国的长剑-100 超音速巡航导弹。海基导弹的发射平台为舰艇、潜艇，代表 产品有美国标准-2 型舰载防空导弹、中国的鹰击-21 高超音速导弹。 我国要构建以四代装备为骨干、三代装备为主体的武器装备体系，新型战机的不 断列装，对空基导弹的质和量都提出了新的要求。据新浪军事，我国歼-16 可携带 6 枚 导弹、歼-20 能挂 8-10 枚导弹，战机携带导弹数量庞大。另外，我国正在加速研制新一 代空基导弹，以满足空基新型武器平台的高精度、长射程需求，实现对落后导弹的替代， 替代市场也较为广阔。
《新时代的中国国防》中提出适度增加海军现役员额，优化各军兵种内部力量结构， 可以预测未来我国将加速海军装备列装，相关支出将增加。据新浪军事看点，我国 052C、 052D、055 驱逐舰数量已有 38 艘，其中 052C 可装备防空导弹 48 枚、反舰导弹 8 枚； 052D 型总共安装有 8 组 8 联装垂直发射装置，能够装载 64 枚导弹；055 型驱逐舰具有 128 个导弹垂直发射单元。按照舰载导弹平均 60 枚计算，保守估计 38 艘驱逐舰同时发 射导弹数量为 2200 枚。 陆基导弹领域，针对陆基导弹的反制措施层出不穷，新式陆基导弹研制提速。美国 针对地地弹道导弹研发了导弹防御系统，各国新型坦克针对反坦克导弹开始加速坦克爆 炸反应装甲列装。为应对这些措施，还需推进新一代陆基导弹的研制以及在军队中的列 装比例。
2.2 民用领域红外产品增速高，成本下降带来应用领域的拓宽
与军用市场相比，民用市场规模略小，但保持较快增长的趋势。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等到了广泛的应用，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。在 2020 年，由于红外热像仪在通过发热监 测来遏制新冠病毒上的重要性，民用红外市场大幅增长。根据睿创维纳援引 Maxtech International 及北京欧立信咨询中心的数据，2023 年全球民用红外市场规模将达到 74.65 亿美元。相比军用市场，民用领域对产品的价格敏感性很高，红外探测器成本下降，将 有更多的领域应用红外设备。
2.2.1 十四五期间智能电网建设将应用大批红外电力监测设备
电力监测领域使用红外产品可实现重点监测区域划分和温度异常诊断功能，支持在 线发热缺陷分析，异常点位、区域发现与定位。并具备自动巡检、自动报警、远程控制、 手动测温、趋势分析、报表管理等功能。实现电力设备安全运行状态的先知先觉，保证 关键电力设备的正常运行。
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。智 能电网建设是一个长期的过程，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，在未来五年仍有旺盛的需求。
2.2.2 智慧、平安城市建设推动安防监控用红外热像仪市场高速增长
社会安全防范系统是一个特大型、综合性非常强的管理系统，不仅需要满足治安管 理、城市管理、交通管理、应急指挥、犯罪追踪等需求，而且还要兼顾灾难事故预警、安全生产监控等方面对图像监控的需求。在视频监控领域，可见光监控设备固然扮演着 极其重要的角色，但是由于不可避免的昼夜交替以及恶劣天气的影响，在一定程度上限 制了可见光监控设备的正常发挥，而红外热成像监控产品正好弥补了这一缺失，特别适 合高安全级别区域的入侵防范。
根据中国安防网数据统计，2016 年，美英两国每千人配备的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为 41 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。根据 中国报告大厅数据，2010 年至 2017 年，我国视频监控市场规模从 242 亿元增长至 1142 亿元，复合增长率超过 24%。未来有望持续保持高速增长态势。红外热像仪在非可见光 下监控扮演着重要的角色，未来在安防监控领域有望保持高速增长态势。
2.2.3 红外热像仪成本下降有望在海外户外领域占据更大市场份额
在夜间和光线昏暗的情况下，肉眼很难分辨出地形地貌，因而也无法选择安全的扎 营地点。这时候，热像仪就可以通过监测红外辐射对地形进行侦测，便于夜晚安全扎营。 此外，热成像仪还可以看到远处正在活动的野生动物，避免野兽袭击，从而对户外活动 的安全与高效提供保障，狩猎合法的国家和地区，热像仪还可以辅助猎人捕获猎物。户 外活动时遇到人员走散的紧急情况时，可以借助红外热成像仪进行人员的搜寻，其超强 的夜视功能可以有效穿透烟雾，即使是在伸手不见五指的大雾环境下也能进行搜救。
2.2.4 自动驾驶市场保持高增速，红外相机市场空间潜力巨大
依靠可见光进行驾驶时，在光源不够、晚间驾驶、晴天眩光和极端天气下将面临严 峻的挑战。红外热像仪不依赖可见光工作，不会出现晚间或白天无法分辨路面潜在风险 的问题，就算是路面正前方两百米外的车辆、非机动车、单车骑友、动物和别的物体也 可以分辨清楚。在自动驾驶领域，车辆一般配有红外、可见光、激光雷达等多种传感器， 红外热像仪可以在可见光、激光雷达或雷达探测系统软件出现数据冗余而提供单独的数 据信息。
据 Yole Development 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 年-2025 年的 CAGR 可达 35.6%。 其中摄像头组件价值占比约 10%，约 78 亿美元，红外相机作为摄像头组件的重要组成 部分，也会迎来需求的提升。
2.2.5 红外热像仪在消防车上的配置比例较低，未来有较大的需求空间
火灾现场一般存在大量的浓烟，搜救人员肉眼很难准确观察到起火位置以及一些危 险情况，这给搜救造成了极大的困扰。红外热像仪可以不受火场烟雾干扰，接收到被困 人员发出的红外线，准确定位被困人员，提高营救成功率。在深入火区灭火时也可以使 用红外热像仪定位火源位置，预测火势发展，制止火情的进一步蔓延。排查到危险情况 时，相关人员可以及时采取应对措施，最大程度确保自身安全。火灾扑灭后，火灾现场 会遗留大量肉眼难辨的易燃点及一些潜在隐患。二次火情造成的损失有时会更加严重， 因此排除隐患不容忽视。使用红外热像仪可以快速地发现这些易燃点，及时采取措施， 消除复燃隐患。
在消防领域，据统计全球大约有500万消防人员，如果每辆消防车配备一台热像仪， 市场总量将达到 20 万台。近年来，我国每年的消防车需求量在 6500 辆附近。 当前，我国消防车配备的红外热像仪数量还很少，假设每辆消防车配置一台红外热像仪， 其增量市场每年将有 6500 台，存量市场规模更大。
2.2.6 工业监测领域需求被不断挖掘，拓宽了红外热成像设备的应用范围
在工业监测领域，红外成像几乎可以用于所有工业制造和控制活动。如转动机械设 备，包括马达、马达碳刷、轴承、联轴器等，电子产品的 PCB 板热分析、电子组件热传 导测试、壳散热测试、电路设计等，焊接、铸件、模具、炼钢炉、转炉等的加工和热处 理工艺。
过去十年，我国工业监测的机器视觉市场高速增长，于 2019 年破百亿规模。其中 消费电子领域需求占比最大，超过 4 成。消费电子的生命周期较短，制造商需要频繁采 购设备，将拉动市场需求；另外，消费电子的内部构造也趋向于更为精密和复杂，对生 产线的生产效率和组装精度要求也日益提高，这将促进机器视觉设备的应用拓展。
3 红外行业的发展趋势和竞争格局
3.1 国产化替代、自主可控将是最需解决的技术问题
不论是制冷型探测器还是非制冷探测器，国产化与自主可控都是行业发展的基本趋 势。红外热成像技术的发展始于美国，并长期运用在军事领域，因该技术、产品的军事 敏感性，掌握最先进红外热成像技术的美国、法国、以色列和日本等发达国家长期对我 国实行严格的出口审批制度甚至禁运，长期以来，我国仅能从法国进口少量工业级低端 红外热成像产品，且出口商明确要求不允许应用在军事领域。 在上述背景下，随着国内军工、基础工业、信息产业发展急迫性，我国开始红外探 测器的自主化探索道路。2015 年，我国明确把红外探测器列为国产化重点对象，并出台 了一系列相关政策进行扶持。经过多年的发展，我国在探测器领域实现了关键技术的自 主可控，具备了材料、MEMS 传感器芯片、CMOS 读出电路、制冷机、杜瓦封装、整机 制备的全产业链生产能力。受基础科研能力和工艺水平限制，与国外仍有一定差距，但 在光学系统、算法、图像处理等领域，我国已有较大的进步，一定程度上弥补了探测器 领域的差距。
整体而言，我国红外热成像产业的技术水平与美国、法国和以色列还有一定的差距， 尤其是制冷型探测器领域，可靠性、功耗、灵敏度有待提高。另外由于中美贸易摩擦， 美国对探测器生产所需的原材料、辅料、设备等在全球范围内对中国进行限制，国产探 测器生产商还需解决基础材料、设备国产化的问题。这些都将是国内探测器生产商需要 长期面临的技术问题。 探测器国产化同时也给国内红外行业公司及相关配套产业带来了机遇，中国国内市 场庞大，减少进口后，国内红外公司将占据更大的市场份额，另外随着技术进步，中国 厂商还有望在在海外市场占据较大的市场份额。（报告来源：未来智库）
3.2 超大规模、小型化、多色、高温工作是制冷型探测器的发展方向
1999 年由唐纳德 里高等人提出了第三代探测器的 SWaP3（Size，Weight，and Power， Performance and Price）概念。在该概念的发展驱使下，红外探测器的发展主要集中在大 规格、小型化、多色化（multi-cooler）、智能化和高温工作等前沿领域方面。高性能是核 心，重点是提高光谱、空间、时间分辨率和辐射探测器灵敏度；而在实际应用时，则涉 及 SWaP3 概念的各个方面，需要权衡尺寸、重量、功耗、应用成本等。
随着红外探测器技术的不断进步，在短短几年内主流红外图像分辨率已经从 320× 240、384×288 升级到 640×480、640×512，更高分辨率的探测器如 1024×768、1280 ×1024 也开始从样品逐渐进入正式产品。分辨率的提高使红外图像显示效果更加细腻， 是红外行业技术发展的大势所趋。图像分辨率的提高直接导致单幅图像数据量的剧增， 如 1024×768 分辨率数据量是 640×512 分辨率的 2.4 倍，是 384×288 分辨率的 7.1 倍。2020 年，中国电子科技集团公司第十一研究所发布了自主研制的短波和中波单片 2.7K×2.7K 红外探测器的演示成像，标志着我国在三代超大规模红外探测器研制方面取 得重大突破，填补了国内单片 2K×2K 以上阵列规模的红外探测器空白，代表了国内最 高和世界先进水平。
红外探测器是将入射的红外辐射信号转变为电信号输出的器件。在大气环境中，目 标的红外辐射只能在1.1μm-2.5μm、3μm-5μm和8μm-14μm三个窗口内有效传输。 如果一个热成像系统能同时在其中两个波段获取目标信息，就可以对复杂的背景进行抑 制，提高对目标的探测效果，所以国内外研制的大部分双色红外探测器都是中、长波探 测器。双色探测器广泛应用于：导弹预警、气象、资源遥感等卫星，武装直升机和舰载 机目标指示系统，机载前视红外和侦察系统，中、低空导弹的光电火控系统，精确制导 武器的红外成像制导导引头，水面舰船的预警、火控和进程反导系统，双波段红外热像 仪等。
在保证红外探测器性能的前提下提高探测器组件的工作温度，可以使红外系统具有 小尺寸、低功耗、低成本、高灵敏度和高响应速度等优点，是目前新一代红外焦平面探 测器技术的重要发展方向之一。昆明物理研究所对中波红外碲镉汞 15μm640×512 焦 平面组件在不同工作温度下制冷机的稳态功耗测试结果及制冷到相应工作温度所需的 制冷时间对比，发现随探测器组件工作温度的提高，制冷机的功耗和降温时间显著下降。 AIM 公司开发了 20μm 640×512 规格阵列中波红外高温工作探测器组件，在 220K 的 工作温度下探测器组件仍然具有较好的成像分辨率。
3.3 晶圆级封装将大幅降低非制冷型探测器成本并拓宽其应用领域
非制冷红外探测技术创新向晶圆级封装、小像元间距、ASIC 集成等方向发展。随 着非制冷热成像产品在安防、测温、汽车和个人视觉系统中的广泛应用，市场对热成像 模组的分辨率、功耗、体积和价格提出了新的要求，更大面阵规模、更小像元间距、更 小封装体积、更高集成化日益成为主流发展方向。
当前，在晶圆级封装技术方面走在前列的是海康微影。其研制的晶圆级封装 1280× 1024 非制冷红外探测器表现出了优异的制成像效果。高德红外是最早开发出晶圆级封 装探测器的厂家，代表产品是 12μm 640×512 非制冷探测器；睿创微纳开发了 12μm 384 ×288 晶圆级封装非制冷探测器。
当前，业内非制冷红外芯片像元尺寸从最初的 35μm 迅速发展到了目前主流的 12 μm，像元尺寸不断向更小尺寸发展。睿创微纳甚至已经研制出世界首款 8μm 1920× 1080 全高清成像机芯模组，并已完成工程验证。小像元尺寸的优势在于，更小像元尺寸 可以缩小芯片尺寸，降低芯片成本，进一步满足热成像模组小型化、集成化的需求。另 外，相同焦距光学系统下，像元尺寸越小，空间分辨率越高，并且对于同一物体，像元 尺寸越小辨识距离越远。因此，小像元尺寸是技术创新的主流方向。
目前，红外成像产品的信号和图像处理电子器件主要还采用 FPGA 方式。近年来， 行业内采用 ASIC 芯片集成方式替代传统成像模组的 FPGA 方式，显著减小了成像模 组尺寸，降低了成像模组功耗，降低了量产成本。未来，随着采用 ASIC 集成方式的产 品量产，规模化效应凸显，更多的业内厂商将会采用此种技术，ASIC 芯片集成将为未 来技术发展趋势。2020 年，睿创微纳全资子公司英菲感知 Infisense 领先发布基于自主 研发 ASIC 处理器芯片的全系列红外热成像模组。该系列模组搭载了英菲感知自主研发 的猎鹰处理器芯片，取代了传统热成像模组的 FPGA 方案，体积是原来的六分之一、 功耗是原来的三分之一、价格是原来的十分之一。全面支持红外测温及点线框实时检测、 电子变焦和多种伪彩、OSD 等功能。
3.4 红外行业的竞争格局：FLIR 一家独大，中国厂商紧随其后
3.4.1 中国厂商在全球十大红外热成像仪厂商中占据四席
据 Yole 发布的《2020 年热像仪和探测器报告》，在 2020 年全球红外热成像整机的 出货量上，美国 FLIR 市场占有率为 35%，排名第一，中国的高德红外、海康威视、睿创微纳和大立科技分别排名第二、第三、第四、第七。从全球的红外热像仪行业代表型 企业分布来看，美国略高于中国，占据 45%，中国占比 44%。中国企业在全球红外热像 仪市场占有率大幅度提高，较 2019 年提升了 29%。
3.4.2 商业及公共服务、工业是民用红外的主要应用方向
根据 Mordor Intelligence 数据，2020 年，商业及公共服务领域是民用红外第一大 应用领域，占比 43.8%，主要产品为各类安防监控系统；第二大应用领域是工业，占比 29.0%，主要包括各类测温及安全监测装置；家用领域排名第三，占比 8.0%，主要包括 各类视频监控、智能家居中的红外控制、传感等；汽车领域占比 3.5%，主要用于辅助驾 驶，但随着自动驾驶技术的不断发展，未来应用空间广阔，潜力很大。
