红外探测器接口时序与后端方案：FPGA、SoC 与专用 ISP

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红外探测器接口时序与后端方案：FPGA、SoC 与专用 ISP

发布 2026-09-05 · 灵卡技术

非制冷红外探测器长期输出各家自定义时序的原始数据。后端因此分成 FPGA 全定制、SoC 内置红外通道和专用红外 ISP 三条路。新封装把贴装从洁净室里放了出来，但公开规格里的数字口仍要逐家核对，不能默认已经变成 MIPI CSI-2。本文用 RTD6122C 把经典时序拆开，再按数据手册划每条后端的边界。

一、经典探测器接口时序：RTD6122C 为样本

可见光 CMOS 图像传感器（CIS）的接入方式早已标准化：DVP 并口或 MIPI CSI-2，配合 I²C 寄存器配置，几乎任何一颗带摄像头接口的 SoC 都能直接驱动。非制冷红外探测器则完全是另一套体系——各家输出的都是厂商自定义时序的原始数字视频，没有统一的电气接口与协议规范。理解这套经典时序，是理解红外后端方案演进的前提。

这里以睿创微电子的 RTD6122C 作为样本：有效面阵 640×512（全面阵 656×522）、12μm 像元间距、陶瓷封装、响应波段 8–14μm、14bit 数字输出的国产新一代探测器，代表了当前国产 12μm 量产件的典型接口形态。

它的接口工作方式可以归纳为五个环节：

  1. 上电与配置：后端先经串行通道向探测器写入工作参数。RTD6122 在 SD0 线上发送配置头编码后连续写入 408bit 配置字（积分时间、增益、帧频、镜像、坏列替换等），下一帧生效；复位为 SD0 连续 27 个“1”后跟一个“0”。各家配置通道的物理形态不一（单线串行编码、SPI 等），但同属低速串行写入；
  2. 驱动时钟输入：探测器由外部主时钟驱动工作，频率由行周期与帧频决定——RTD6122 要求 MCK ≥ 2770 × 522 × 帧频，50Hz 时约 72.3MHz；ROIC（读出电路）内部按行依次完成像元偏置、积分与模数转换；
  3. 同步与数据输出：同步信号未必是独立引脚——RTD6122 的帧同步、行同步是 SD0 线上发送的特定串行编码（FS、LS 各有固定码型），相邻行同步编码间隔不小于 2770 个 MCK 周期；像素数据经 4bit 的 DO0–DO3 复用输出，每 7 个 MCK 周期输出 2 列 14bit 数据（DO3&2 固定奇数列、DO1&0 固定偶数列），流内还嵌有参考信号与 DTEMP/TEST 列；
  4. 片上校正与实时回写：RTD6122 带片上 6bit 非均匀性校正（OOC），OOC 数据经 SD0/SD1 持续回写（SD0 写偶数列、SD1 写奇数列），当帧生效且存在 3 行流水线关系——探测器与后端之间是双向、实时、不可中断的交互；
  5. 输出的是原始数据而非图像：两点 NUC、盲元替换、温度补偿、数字细节增强（DDE）、伪彩映射全部由后端完成。探测器直接输出的画面存在显著的非均匀性与噪声，不可直接观看。

典型的帧结构与信号关系如图 1 所示。

RTD6122C 接口时序（示例）：帧/行同步为 SD0 上的带内串行编码 MCK 主时钟（输入） SD0 串行控制（输入） 复位 配置 408bit FS 码 LS 码 LS 码 LS 码（每行一次） FS/LS 不是独立引脚，而是 SD0 上的特定串行编码（功能优先级：复位 > 配置 > FS > LS） SD1 OOC 回写（奇列） OOC 6bit/像元持续回写、当帧生效（SD0 同步写偶列） DO3–DO0 4bit 数据（输出） 标志位+参考信号（重复） 22 参考字 像素数据：每 7 个 MCK 输出 2 列 14bit DO3&2 奇列 / DO1&0 偶列 FS 码后：8 个标志字 + 14 个参考信号重复输出；LS 码后：22 个参考字一次，随后像素数据 DTEMP（第 654 列）与 TEST（第 655 列）嵌在数据流内，供温度监测与调试 MCK ≥ 2770 × 522 × 帧频（50Hz 时约 72.3MHz）；配置下一帧生效，OOC 当帧生效 时序与编码依据《RTD6122 非制冷红外焦平面探测器说明书 V2.0》（睿创微纳，2025 年 6 月）
图 1　RTD6122C 接口时序：帧/行同步为 SD0 带内串行编码，数据经 4bit DO 每 7 个主时钟输出 2 列 14bit，OOC 经 SD0/SD1 持续回写

RTD6122C 的主要规格汇总如表 1。需要强调时序细节的厂商差异：同步是独立引脚还是带内串行编码、数据复用比例与位宽、主时钟频率算法、配置通道物理形态乃至参考信号的定义，各家甚至同厂不同批次都不一致。这正是红外探测器无法像 CIS 那样“即插即用”的根源——接入任何一颗新探测器，后端都要按数据手册重新适配一遍驱动与采集逻辑。

表 1　RTD6122C 主要规格（依据《RTD6122 非制冷红外焦平面探测器说明书 V2.0》；工程使用以数据手册为准）
项目指标（条件）
阵列规模有效面阵 640×512（全面阵 656×522，第 654 列 DTEMP、第 655 列 TEST）
像元间距12μm
敏感元技术VOx 微测辐射热计
响应波段8–14μm 长波红外
数字输出14bit、逐行读出（DO0–DO3 4bit 复用）
帧频≤60Hz
热灵敏度NETD <40mK（CH/M 型，f/1.0、50Hz、300K；CR 型 <50mK）
功耗<170mW（50Hz、25°C，不计 TEC）
测温范围-40~600°C（f/1.0）
片上校正片上 6bit OOC（逐像元输出调整）
可操作率≥99.5%
工作温度-40~+85°C
封装32 脚陶瓷 22×22×4.58mm（CR/CH）、40 脚金属（M）
接口形态MCK 主时钟 + SD0/SD1 串行控制（带内 FS/LS 编码）+ DO0–DO3 4bit 复用输出

二、FPGA 时代：自定义时序倒逼出的默认后端

在相当长的时期里，没有任何一颗通用 SoC 提供能直接接入上述时序的标准接口——主流视觉 SoC 的摄像头输入只认 DVP 与 MIPI CSI-2，而红外探测器两样都不输出。FPGA 因此成为红外后端的默认选择：它的可编程 IO 可以适配任意自定义时序，并行流水线可以确定性地承载红外算法，器件选型与规模也有充分余地。

一颗承担红外后端的 FPGA 通常要完成五类工作：

  1. 驱动与配置：产生主时钟，并按该型号的配置通道写入参数。通道可能是 SPI，也可能是 RTD6122 这种 SD0 带内编码。上电顺序写在手册里，不能按可见光摄像头的 I²C 上电去套；
  2. 数据采集：在源同步时钟域上对复用输出解串采样（如 RTD6122 的每 7 个 MCK 输出 2 列 14bit），完成跨时钟域搬运到系统时钟域；
  3. 核心校正：两点校正 NUC、盲元/坏点替换、随温度的实时补偿，部分场景还包括挡片标定（FFC）控制；
  4. 图像增强：AGC 自动增益、DDE 数字细节增强、降噪、伪彩映射；
  5. 输出适配：把处理结果转换为 BT.656/BT.1120、LVDS、USB 或以太网视频等标准接口输出。

这条信号链也解释了"红外机芯"的开发门槛所在：从探测器到可观看的视频，中间隔着一整条必须自研的算法与逻辑链（图 2）。

红外探测器 ROIC + 焦平面阵列 14bit 原始数据 后端处理（FPGA / 专用 ISP / SoC） NUC · 盲元替换 · 温度补偿 AGC · DDE · 降噪 · 伪彩 标准视频 显示 / 记录 / 分析 BT.656 · LVDS · USB · 以太网 应用层控制（按手册的串行口回写参数，不一定是 SPI）
图 2　红外成像经典信号链：探测器只输出原始数据，NUC、DDE 等整条处理链全部由后端承担

早期方案基本建立在海外 FPGA 之上，Xilinx（Spartan/Artix 系列）与 Altera（Cyclone 系列）占据绝对主流。近几年红外机芯中出现频率最高的型号转为易灵思（Efinix）钛金系列 Ti60：约 60K 量级的逻辑资源，其成本、功耗与封装尺寸恰好覆盖红外后端逻辑的需求规模（通常在几万逻辑单元量级），对早期方案形成批量替代；国产 FPGA 也在同步加快进入这一市场。驱动这次迁移的因素，除成本与功耗外，还有供应链考量与本地化技术支持。

FPGA 路线的代价同样明确：开发门槛与物料成本双高。驱动时序、跨时钟域、NUC/DDE 算法、DDR 帧缓存全部需要逻辑开发能力，算法迭代周期以月计；器件本身加上 DDR、Flash 等外围，物料成本显著高于后来的专用芯片方案。这也为后续两条路线——SoC 集成与专用 ISP——留出了空间。

在完整后端之外，市场上还存在一类小容量 FPGA/CPLD 时序调理方案：高云半导体、京微齐力（北京）等厂商的低成本小容量可编程器件，被用来把探测器的自定义时序转换为标准 DVP 时序输出，让带摄像头接口的 SoC 能够“读得到”红外数据。这类方案解决的是接口适配问题，NUC、DDE 等算法仍要由 SoC 软件或另外的处理单元承担，适合对画质链路要求不苛刻、但希望复用现有 SoC 平台的产品。

三、SoC 内置红外接口：宣称支持与实际表现之间的差距

随着红外市场规模扩大，SoC 厂商开始把红外热成像接入能力做进芯片。走得最早也最成功的是上海酷芯微电子：其 2022 年发布的 ARS31 把可见光与热成像双光引擎及接口集成在同一颗芯片中，公开宣传口径即"省去 FPGA 环节"；后续 AR9341、AR9481 系列进一步宣称支持 120 至 1920 像元规模的红外探测器直驱接入、无需额外 FPGA 转接，主打超低功耗与超低带宽。在国产 SoC 中，这条产品线的红外支持成熟度目前处于领先位置。

此后多家视觉 SoC 厂商跟进：海思 Hi3519DV500 在官网规格中明确"支持主流 CMOS 电平热成像传感器接入"，并支持热红外与可见光的多光谱处理；瑞芯微在 2025 年公布的红外热成像（IRFPA）方案支持最大 16bit 数据输入，内置 OCC（探测器像元偏置校正）、自动 NUC、去横竖条纹、3D/2D 降噪、动态范围压缩等红外专用处理，新一代视觉芯片 RV1126B 即在其红外支持机型之列；为旌科技的 VS819 等智慧视觉 SoC 也宣称支持红外热成像接入。

但从工程落地看，除酷芯微外的 SoC 红外支持普遍表现一般，原因可以归纳为三点：

四、专用红外 ISP：把探测器使用门槛真正拉下来的一类芯片

介于"FPGA 全自研"与"SoC 顺带支持"之间，还有一条更彻底的路线：专用红外 ISP 芯片，把从探测器驱动时序、NUC、DDE 到视频输出的整条链路固化为一颗芯片，用户以接近"可见光摄像头 + ISP"的开发体验接入红外探测器。这类芯片对红外探测器使用门槛的拉低是直接且显著的——不具备 FPGA 算法团队的整机厂商，也能基于它开发出画质合格的机芯模组。

这一方向上具有代表性的是杭州极钛微电子的 T10 系列专业红外 ISP，以专用芯片形态提供完整的红外图像处理链路，是目前市场上少数可公开采购的专业红外 ISP 之一（该系列公开资料有限，定位与能力描述来自行业渠道信息）。另一条平行的证据来自头部探测器厂商自身：艾睿光电自研的猎鹰系列红外专用 ISP 已迭代多代，处理效果在行业内处于突出水平，但该系列只用于其自有机芯与整机产品，不对外单独销售。睿创微电子面向车载前装推出的 ASIC-ISP 芯片 LY300 于 2024 年通过 AEC-Q100 车规认证，则说明专用红外 ISP 已经走到车规级可靠性阶段。

专用 ISP 把链路固化之后，灵活性低于 FPGA。特殊场景的测温模型和要改每级系数的算法，在上面展不开。民用和工业模组若接受固定的 NUC/DDE 链路，开发量会小一截；画质上限也停在这颗芯片的算法上。

五、高端领域：FPGA 仍是不可替代的后端

专用 ISP 与 SoC 吃掉的是中低端与标准化需求，高端红外系统仍然是 FPGA 的市场，且短期内看不到被替代的迹象：

可以预期的格局是分层并存：高端定制留在 FPGA，标准化模组交给专用 ISP 与 SoC，两条路线各自演进。

六、新封装与接口：贴装变了，时序未必变

前面几条路线都在回答同一件事：后端怎样适配探测器的自定义时序。另一条宣传是反过来，让探测器直接输出和可见光 CIS 一样的 DVP 或 MIPI CSI-2。方向成立，具体型号要以时序图为准，不能用封装新闻代替接口定义。

睿创微电子（睿创微纳子公司）2025 年 3 月公布的 OHLE3123 经常被放在这条趋势下。公开规格是：384×288、12 μm、NETD <40 mK（f/1.0、25 Hz、300 K）、功耗 <65 mW（25 Hz）、热时间常数 <15 ms、14 bit 逐行输出、片上 9 bit 非均匀性校正、36 脚 SWLP、10.4×10.4×4.3 mm³、重量 <0.6 g。输入接口写明为 I²C（MODE0）或 2 bit 并行（MODE1）。官方材料强调双层窗口防尘、常规环境可组装、匹配 SMT。公开页没有给出 MIPI CSI-2 或 DVP 时序图。SWLP 降低的是洁净室和贴装门槛，不是把输出变成可见光摄像头那套接口。写成“已经按标准 CIS 时序输出、可直接插现成 SoC”超出了目前能核对的资料。

安酷智芯 AK3812 的公开介绍同样强调小封装和 SoC 直驱。在时序图公开之前，只能把它看作接口在收敛，不能默认它已经等于 MIPI CSI-2。

即便输出改成 DVP 或 MIPI，解决的也只是采样，不是图像。原始数据仍然要做 NUC、DDE 和伪彩。后端要么用 SoC 里那条深浅不一的红外通道，要么外挂专用 ISP。封装标准化和接口标准化是两件分开的事，公开规格目前只把前一件写清楚了。

七、五种后端方案横向对比

把上文各条路线放在一起，能力边界与适用场景的差异可以汇总为表 2。

表 2　红外探测器后端处理方案对比（定性归纳，具体以各器件数据手册为准）
方案代表器件/平台承担角色开发门槛典型场景
FPGA 全定制后端 Xilinx Spartan/Artix、Altera Cyclone、易灵思（Efinix）钛金 Ti60 驱动时序 + 采集 + NUC/DDE 全链路 + 输出适配 高（逻辑与算法全自研） 大面阵、高帧频、多传感器融合、军品与深度定制
小容量 FPGA/CPLD 时序调理 高云半导体、京微齐力的小容量 FPGA/CPLD 自定义时序 → 标准 DVP 转换 中（逻辑量小，算法在 SoC 侧） 复用现有 SoC 平台的低成本模组
SoC 内置红外接口 酷芯微 ARS31/AR9341/AR9481、海思 Hi3519DV500、瑞芯微 RV1126B（IRFPA）、为旌 VS819 接入 + 部分红外处理（OCC/NUC/DDE 视厂商而定） 低（软件为主），但受支持范围约束 双光谱安防、无人机载荷、车载辅助
专用红外 ISP 极钛微 T10 系列（公开销售）；艾睿猎鹰系列（自用不外售）、睿创微电子 LY300（车规） 驱动 + NUC/DDE + 视频输出整链固化 低（接近可见光摄像头开发体验） 标准化机芯模组、车载前装、行业整机
新封装、接口仍需核对 睿创微电子 OHLE3123（SWLP）；安酷智芯 AK3812 OHLE3123 公开口为 I²C 或 2 bit 并行，不是 MIPI CSI-2；SWLP 解决贴装环境 接入前仍要核时序；算法链在后端 常规环境 SMT、小体积模组

结语

后端方案的实际分界是：自定义时序由 FPGA 全包，国内批量机芯里易灵思钛金 Ti60 已经很常见；SoC 里酷芯微的红外通道相对完整，海思、瑞芯微、为旌的公开规格写了接入能力，画质仍取决于原厂对具体探测器的支持深度；专用 ISP 里极钛微 T10 对外卖芯片，艾睿猎鹰系列用于自有机芯。大面阵、高帧率和要改算法的项目仍用 FPGA。OHLE3123 把贴装从洁净室里放了出来，公开接口仍是 I²C 或 2 bit 并行。选型时把“能贴片”和“能当一颗 MIPI 摄像头插上”分开核对，再决定 NUC 放在 FPGA、SoC 还是专用 ISP。

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