紅外熱成像測溫儀原理及其在疫情防控期間的應(yīng)用

張 潔，張小丹，李付萍，薛夢云，宋 玲，張 娜，衛(wèi)澤剛

（寶雞文理學(xué)院 物理與光電技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721016）

新冠肺炎患者早期臨床主要表現(xiàn)為發(fā)熱與低燒，患者體溫一般在37.3℃以上。根據(jù)國家交通運(yùn)輸部及各地省政府疫情防控相關(guān)要求，禁止體溫超過37.3℃的人員進(jìn)入公眾場合。因此，自新型冠狀病毒肺炎疫情爆發(fā)以來，體溫檢測一直是發(fā)現(xiàn)新冠肺炎疑似病例最有效的手段之一，也是疫情期間各醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行預(yù)檢分診工作中最常用的方法[1]。對(duì)相關(guān)來往與流動(dòng)人員進(jìn)行快速準(zhǔn)確的體溫檢測與篩查，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)新冠肺炎疑似患者，防止新冠病毒出現(xiàn)大范圍感染擴(kuò)散的危險(xiǎn)[2]。

目前人體溫度測量的傳統(tǒng)方法主要是采用水銀體溫計(jì)、電子溫度計(jì)或紅外體溫槍[3-4]。眾所周知，水銀體溫計(jì)一般使用玻璃封裝，在使用時(shí)需要多次用力甩動(dòng)復(fù)位，容易摔碎，且存在測溫時(shí)間相對(duì)較長、測溫?cái)?shù)據(jù)讀取不方便等問題，極大增加了測溫時(shí)間[5]。電子體溫計(jì)或紅外體溫槍雖然測溫時(shí)間短，但避免不了的是需要靠近被測人員進(jìn)行手動(dòng)測量，當(dāng)測量人數(shù)較多時(shí)，測溫效率低。尤其是隨著新冠肺炎疫情常態(tài)化管理，在機(jī)場樞紐、火車站、客運(yùn)站等人流密集場所，為做好疫情初檢工作與降低疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)來往人員進(jìn)行快速有效的體溫檢測[6]。傳統(tǒng)體溫測量方法工作模式單一、測溫時(shí)間長、測溫效率低，不支持遠(yuǎn)距離測量，主要以接觸式或近距離手持測溫儀進(jìn)行體溫測量，人力耗費(fèi)較大，且存在交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)體溫檢測數(shù)據(jù)無法與外部設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)連接與反饋，無法進(jìn)一步作出應(yīng)對(duì)措施[7-8]。因此需要針對(duì)性采用遠(yuǎn)距離測溫系統(tǒng)。目前在人流密集出入口主要采用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模人群測溫，本文從其原理出發(fā)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 紅外熱成像原理及組成

1.1 紅外熱成像原理

研究發(fā)現(xiàn)，自然界中一切物體的溫度都會(huì)高于絕對(duì)零度（零下273.15℃），由于物體內(nèi)部分子存在熱運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，不斷地向周圍空間釋放紅外光（波）[9]。紅外光，又稱紅外線[10]，是位于可見光和微波之間的電磁波（光），波長范圍在0.75~100μm之間[11]，如圖1所示。一般把紅外線分為三部分：近紅外線（波長范圍0.75~2.5μm）、中紅外線（波長范圍2.5~25μm）和遠(yuǎn)紅外線（波長范圍25~100μm）。

圖1 紅外線光譜范圍

物體的溫度越高，紅外線熱輻射能量越強(qiáng)，其紅外輻射能量的大小及其波長與物體溫度有著十分密切的關(guān)系。研究表明，物體輻射出的紅外線峰值波長與絕對(duì)溫度成反比，即物體的溫度越高，其輻射出的峰值波長越短[12-13]。根據(jù)維恩位移定律，峰值波長（λ）與物體的絕對(duì)溫度（T）乘積為常數(shù)，即：λT=b，其中常數(shù)b=0.002 897 m·K。當(dāng)測得物體表面輻射出的波長時(shí)，即可根據(jù)維恩位移定律計(jì)算得到物體表面溫度，這就是紅外熱成像測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)[14]。利用紅外熱成像技術(shù)，可以根據(jù)不同場合針對(duì)性開發(fā)設(shè)計(jì)各種遠(yuǎn)距離測溫設(shè)備，如熱成像儀器，廣泛應(yīng)用在大流量人群場所出入口，下面將對(duì)其構(gòu)造原理和應(yīng)用進(jìn)行具體介紹。

1.2 紅外熱成像儀構(gòu)造

紅外熱成像儀的構(gòu)造類似于一臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)，基本組成模塊為：紅外鏡頭、紅外探測器、信號(hào)處理電路、熱圖顯示器等[15]，如圖2所示。某一物體發(fā)出的紅外輻射通過熱成像鏡頭聚集到紅外線探測器上，紅外探測器將接收到的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并輸出，經(jīng)調(diào)整或放大后輸入到信號(hào)處理器，信號(hào)處理器對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行一系列處理并轉(zhuǎn)換成圖像碼流，最后在顯示器界面進(jìn)行熱圖可視化顯示。

圖2 紅外熱成像攝像機(jī)結(jié)構(gòu)圖

與普通鏡頭相比，紅外熱成像儀鏡頭通常使用鍺玻璃制成，鍺玻璃折射系數(shù)高，將可見光與紫外光過濾掉，只能通過紅外光。紅外探測器一般為紅外感應(yīng)元件（紅外傳感器）或晶片，從紅外焦平面陣列（圖2中紅外探測器模塊）輸出的是模擬電信號(hào)，反映晶片單元感受到的紅外輻射能量的強(qiáng)弱，然后經(jīng)過模擬放大、濾波、AD（模-數(shù)）轉(zhuǎn)換后，變成適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)再進(jìn)行處理，如通常轉(zhuǎn)化為常用的圖像灰度值。對(duì)紅外焦平面陣列所有的晶片單元輸出的信號(hào)進(jìn)行組合，得到二維灰度圖像，然后對(duì)不同的灰度范圍進(jìn)行不同的映射處理，突出顯示我們感興趣的溫度或目標(biāo)所在的灰度區(qū)間，抑制其他不受關(guān)注的灰度區(qū)間，增強(qiáng)溫度的可視化效果。通常我們在紅外熱圖顯示器觀察到的熱成像圖片是重新配色之后的，可更加方便地通過查看圖像不同顏色，直觀判斷出物體不同部位溫度的差異。由以上可知，紅外熱成像是一種可將紅外圖像轉(zhuǎn)換為熱輻射圖像的技術(shù)，該技術(shù)可在圖像中顯示溫度值。因此，熱輻射圖像中的各種像素事實(shí)上都是一個(gè)溫度測量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體溫度的非接觸式測量。

此外，主控模塊（信號(hào)處理器）獲取到熱成像的整個(gè)完整圖像信息后，可通過外聯(lián)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)將溫度信息傳輸?shù)诫娔X端或后臺(tái)服務(wù)器，后端的綜合一體化監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)可以實(shí)時(shí)掌握前端的人流測溫信息，再結(jié)合人工智能人臉識(shí)別算法形成配套的解決方案。如通過設(shè)置警示溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫異常人員的鎖定和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示，幫助工作人員進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行篩檢或者警示。結(jié)合當(dāng)前新冠肺炎疫情防控，下面詳細(xì)闡述熱成像人體測溫?cái)z像機(jī)的具體應(yīng)用。

2 熱成像測溫技術(shù)在疫情防控過程中的應(yīng)用

新型冠狀病毒肺炎疫情從2020年1月底開始大面積爆發(fā)，盡管目前國內(nèi)疫情有所控制，但其他國家的疫情形勢依然比較嚴(yán)峻，我國“外防輸入”的防疫壓力非常大，而且國內(nèi)疫情有時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部爆發(fā)與多點(diǎn)發(fā)生的情況，這些都給疫情防控工作帶來更大困難，也對(duì)及時(shí)排查、快速篩選疑似感染者提出了更高的要求[16]。從熱成像測溫儀角度來看，我們每個(gè)人就是一個(gè)穩(wěn)定的紅外輻射源，其中皮膚擁有較高的紅外發(fā)射率，通過檢測和采集皮膚輻射的紅外波長，則可以計(jì)算推導(dǎo)出皮膚表面的溫度。在常態(tài)化疫情形勢下，針對(duì)人員流動(dòng)量較大區(qū)域，如社區(qū)、商場、學(xué)校、醫(yī)院、車站、機(jī)場、港口等出入口，熱成像測溫儀發(fā)揮了巨大的作用，具有測溫速度快速、測溫效率高、數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)反饋的優(yōu)點(diǎn)，不但能夠?qū)Υ罅髁咳巳哼M(jìn)行快速測溫，而且由于其非接觸式的體溫測量方式，很大程度上避免了接觸傳染概率。下面從四個(gè)方面（測溫精度、測溫距離、環(huán)境干擾、多功能擴(kuò)展分析）詳細(xì)介紹紅外人體測溫儀在疫情防疫過程中的實(shí)際應(yīng)用和相關(guān)注意事項(xiàng)。

2.1 測溫精度

健康人體的體溫是恒定的，正常體溫范圍在36~37℃之間。根據(jù)國家衛(wèi)健委最新防疫要求，在公眾場合出入口，當(dāng)體溫超過37.3℃時(shí)，將被認(rèn)為是疑似發(fā)熱人員，就需阻止出入并進(jìn)一步采取相應(yīng)措施。由此可見，疑似發(fā)熱人員比健康人的體溫至少高出0.3℃，這就要求紅外熱成像測溫儀的測溫精度要嚴(yán)格小于0.3℃，否則就會(huì)產(chǎn)生大量誤判結(jié)果，影響疫情防控。目前各開發(fā)公司使用測溫算法校正或智能圖像優(yōu)化處理等技術(shù)，使得大多數(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)出的熱成像攝像機(jī)的測溫精度可以達(dá)到±0.3℃以內(nèi)，能夠滿足疫情防控期間初篩發(fā)熱患者的要求。

此外，有些還加入了超聲波測距傳感器來提供溫度補(bǔ)償，提高測溫精度。由于人體與紅外溫度探測器之間有一定的距離，人體輻射的紅外線在到達(dá)紅外探測器時(shí)存在能量衰減現(xiàn)象，這樣溫度傳感器測量的數(shù)據(jù)就存在誤差。針對(duì)于此，通過引入超聲波傳感器測出人體與紅外探測器之間的距離，再計(jì)算出因距離引起的紅外輻射能量衰減的相應(yīng)溫度值，作為補(bǔ)償溫度，即可保證最終溫度測量的準(zhǔn)確性，從而提高紅外測溫儀的測溫精度。

2.2 測溫距離

紅外熱成像測溫儀與流動(dòng)人員距離越大，意味著人體輻射能量從源頭到測溫儀傳輸路徑上衰減的就越多，對(duì)體溫測量結(jié)果有較大影響。影響測溫距離主要有紅外鏡頭焦距和探測器性能。鏡頭焦距直接決定了目標(biāo)成像的大小，焦距越大，成像距離越遠(yuǎn)，視場角越小。通俗來說，焦距變大，熱像儀可以看得越遠(yuǎn)，但看的范圍（水平視角）變小了。熱像儀要測量出一個(gè)物體的溫度，需要物體在熱像儀中保證至少3×3個(gè)像素，否則無法達(dá)到測溫效果。紅外鏡頭焦距決定了物體所成像的大小，即占用像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，紅外探測器性能則決定了熱成像圖像質(zhì)量，如測溫范圍、模糊程度、信噪比等。探測器性能可從像元尺寸、熱靈敏度、信號(hào)處理等方面來分析。像元尺寸越小，則空間分辨率越小，其探測距離越大。針對(duì)大流量出入口場所，目前國內(nèi)外廠家生產(chǎn)的熱成像測溫儀的最佳測溫距離大多數(shù)為1~5 m，這是綜合了鏡頭焦距、紅外探測器、信號(hào)處理器等多個(gè)功能模塊性能參數(shù)后得到的結(jié)果，能夠最大程度保證測溫準(zhǔn)確性，同時(shí)也滿足大流量人群出入口處的使用要求。某地鐵站室內(nèi)入口處的紅外熱成像測溫儀安裝位置示意圖如圖3所示，流動(dòng)人員所在的測溫區(qū)到測溫儀的距離在3 m左右，既不影響人員流動(dòng)，還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測溫。

圖3 某地鐵站室內(nèi)入口處體溫檢測

2.3 環(huán)境干擾分析

紅外線向外傳播時(shí)會(huì)被周圍環(huán)境中的塵埃、氣體分子、二氧化碳等吸收，造成能量衰減，帶來測溫誤差，影響最終的測溫精度。針對(duì)于此，許多生產(chǎn)廠家引入黑體技術(shù)來降低環(huán)境對(duì)測溫儀的影響。黑體（black body）是一個(gè)理想化的物體，一方面能夠完全吸收外來的全部電磁輻射，另一方面不會(huì)有任何的反射與透射[17-18]。一般將黑體用于熱成像測溫儀的非均勻校正，通常采用溫度比較法，將黑體標(biāo)定溫度與熱成像所檢測到的黑體輻射而計(jì)算出的溫度值進(jìn)行比較，從而對(duì)測溫結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，有效降低周圍環(huán)境對(duì)熱成像測溫結(jié)果的干擾，提高測溫精度。具體使用中，通常固定式紅外熱成像體溫檢測系統(tǒng)會(huì)配備一個(gè)與正常人體熱輻射能量一致的恒溫“黑體”作為參照標(biāo)準(zhǔn)，將其安裝在測溫儀對(duì)面2 m左右的位置，進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，如圖4所示?？杀ＷC測溫不受環(huán)境影響，提高測溫準(zhǔn)確性，降低漏檢率，是人群體溫檢測系統(tǒng)不可或缺的輔助產(chǎn)品。目前國內(nèi)公司生產(chǎn)的紅外熱成像測溫儀大都配有黑體裝置，在復(fù)雜環(huán)境下的測溫精度能夠達(dá)到0.3℃以下，完全滿足新冠肺炎疫情防控的初篩需求。

圖4 黑體安裝位置

此外，熱成像儀測溫精度也容易受到周圍環(huán)境溫度變化的影響，且長時(shí)間工作后易發(fā)生溫度漂移現(xiàn)象，導(dǎo)致紅外熱成像系統(tǒng)測溫誤差大。針對(duì)此種情況，大多數(shù)廠商采用紅外熱成像系統(tǒng)溫度漂移補(bǔ)償算法，引入紅外焦平面陣列響應(yīng)輸出隨環(huán)境溫度變化的補(bǔ)償模型，對(duì)每個(gè)像素響應(yīng)輸出值進(jìn)行逐一修正，可有效降低周圍環(huán)境溫度變化帶來的影響，提高紅外熱成像測溫儀的測溫精度。

2.4 多功能擴(kuò)展分析

紅外熱成像技術(shù)雖然可以遠(yuǎn)距離對(duì)人體進(jìn)行測溫并顯示，但只能給出人體“溫度畫像”，卻無法對(duì)人臉進(jìn)行有效識(shí)別，尤其是新冠肺炎疫情期間每個(gè)流動(dòng)人員測溫全程都佩戴了口罩。因此可引入可見光攝像機(jī)對(duì)人臉進(jìn)行掃描，再結(jié)合人工智能人臉識(shí)別算法，公眾無需摘下口罩，即可實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別，并對(duì)未戴口罩人員進(jìn)行提醒，這就為機(jī)場樞紐、車站碼頭、醫(yī)院學(xué)校、工廠車間及社區(qū)商場等人員密集場所的測溫檢測提供了極大便利，降低了因人員流動(dòng)造成的疫情更大范圍傳播的風(fēng)險(xiǎn)。如圖5所示，熱成像攝像儀配備兩個(gè)攝像頭，一個(gè)為紅外攝像頭，一個(gè)為可見光攝像頭，可有效識(shí)別人物身份。在電腦顯示器界面，左側(cè)為熱成像攝像機(jī)畫面，能實(shí)時(shí)顯示人物體溫，右側(cè)為可見光人臉識(shí)別畫面。兩路視頻結(jié)合，能迅速獲取來往人員的身份信息和體溫信息。同時(shí)依托大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，將熱成像測溫儀的體溫檢測與可見光攝像機(jī)的人臉識(shí)別功能有效結(jié)合，可以輔助鎖定并追蹤逃跑的疑似發(fā)熱人員，進(jìn)一步確認(rèn)其身份。

圖5 結(jié)合可見光攝像頭進(jìn)行人臉識(shí)別

3 結(jié)束語

在此次新冠肺炎疫情防控中，相比傳統(tǒng)的手持測溫工具，紅外熱成像攝像機(jī)在大規(guī)模人群體溫測量上表現(xiàn)出了絕對(duì)優(yōu)勢，可以在遠(yuǎn)距離非接觸情況下實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)快速準(zhǔn)確的體溫檢測，極大節(jié)省了人力消耗，提高了人流密集區(qū)域進(jìn)行體溫初篩的效率，同時(shí)也降低了交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，為抗擊疫情、服務(wù)民生貢獻(xiàn)了科技力量。隨著疫情常態(tài)化形勢的到來，今后出入公眾場所依然要進(jìn)行體溫測量，熱成像測溫儀將發(fā)揮越來越多的作用。此外，還可將熱成像測溫儀與人臉識(shí)別、大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)、云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)記錄來往人員的體溫?cái)?shù)據(jù)和人像信息，同時(shí)借助現(xiàn)在成熟的高速低延時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)將異常體溫信息傳送至后臺(tái)智能監(jiān)控服務(wù)中心聯(lián)動(dòng)執(zhí)勤，快速鎖定疑似發(fā)熱人員，及時(shí)作出應(yīng)急響應(yīng)措施，切實(shí)為新冠肺炎防疫工作創(chuàng)建堅(jiān)實(shí)的信息化防線，為人民群眾提供更加全面的安全健康防護(hù)。