紅外熱成像測溫儀原理及其在疫情防控期間的應用

張 潔，張小丹，李付萍，薛夢云，宋 玲，張 娜，衛澤剛

（寶雞文理學院 物理與光電技術學院，陜西 寶雞 721016）

新冠肺炎患者早期臨床主要表現為發熱與低燒，患者體溫一般在37.3℃以上。根據國家交通運輸部及各地省政府疫情防控相關要求，禁止體溫超過37.3℃的人員進入公眾場合。因此，自新型冠狀病毒肺炎疫情爆發以來，體溫檢測一直是發現新冠肺炎疑似病例最有效的手段之一，也是疫情期間各醫療機構進行預檢分診工作中最常用的方法[1]。對相關來往與流動人員進行快速準確的體溫檢測與篩查，便于及時發現新冠肺炎疑似患者，防止新冠病毒出現大范圍感染擴散的危險[2]。

目前人體溫度測量的傳統方法主要是采用水銀體溫計、電子溫度計或紅外體溫槍[3-4]。眾所周知，水銀體溫計一般使用玻璃封裝，在使用時需要多次用力甩動復位，容易摔碎，且存在測溫時間相對較長、測溫數據讀取不方便等問題，極大增加了測溫時間[5]。電子體溫計或紅外體溫槍雖然測溫時間短，但避免不了的是需要靠近被測人員進行手動測量，當測量人數較多時，測溫效率低。尤其是隨著新冠肺炎疫情常態化管理，在機場樞紐、火車站、客運站等人流密集場所，為做好疫情初檢工作與降低疾病傳播風險，需要對來往人員進行快速有效的體溫檢測[6]。傳統體溫測量方法工作模式單一、測溫時間長、測溫效率低，不支持遠距離測量，主要以接觸式或近距離手持測溫儀進行體溫測量，人力耗費較大，且存在交叉感染的風險，同時體溫檢測數據無法與外部設備進行實時連接與反饋，無法進一步作出應對措施[7-8]。因此需要針對性采用遠距離測溫系統。目前在人流密集出入口主要采用紅外熱成像技術進行大規模人群測溫，本文從其原理出發進行詳細介紹。

1 紅外熱成像原理及組成

1.1 紅外熱成像原理

研究發現，自然界中一切物體的溫度都會高于絕對零度（零下273.15℃），由于物體內部分子存在熱運動現象，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，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系。研究表明，物體輻射出的紅外線峰值波長與絕對溫度成反比，即物體的溫度越高，其輻射出的峰值波長越短[12-13]。根據維恩位移定律，峰值波長（λ）與物體的絕對溫度（T）乘積為常數，即：λT=b，其中常數b=0.002 897 m·K。當測得物體表面輻射出的波長時，即可根據維恩位移定律計算得到物體表面溫度，這就是紅外熱成像測溫技術的理論基礎[14]。利用紅外熱成像技術，可以根據不同場合針對性開發設計各種遠距離測溫設備，如熱成像儀器，廣泛應用在大流量人群場所出入口，下面將對其構造原理和應用進行具體介紹。

1.2 紅外熱成像儀構造

紅外熱成像儀的構造類似于一臺數碼攝像機，基本組成模塊為：紅外鏡頭、紅外探測器、信號處理電路、熱圖顯示器等[15]，如圖2所示。某一物體發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轉換為電信號并輸出，經調整或放大后輸入到信號處理器，信號處理器對接收到的電信號進行一系列處理并轉換成圖像碼流，最后在顯示器界面進行熱圖可視化顯示。

圖2 紅外熱成像攝像機結構圖

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，反映晶片單元感受到的紅外輻射能量的強弱，然后經過模擬放大、濾波、AD（模-數）轉換后，變成適當的數字信號再進行處理，如通常轉化為常用的圖像灰度值。對紅外焦平面陣列所有的晶片單元輸出的信號進行組合，得到二維灰度圖像，然后對不同的灰度范圍進行不同的映射處理，突出顯示我們感興趣的溫度或目標所在的灰度區間，抑制其他不受關注的灰度區間，增強溫度的可視化效果。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換為熱輻射圖像的技術，該技術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上都是一個溫度測量，可實現對物體溫度的非接觸式測量。

此外，主控模塊（信號處理器）獲取到熱成像的整個完整圖像信息后，可通過外聯移動網絡信號將溫度信息傳輸到電腦端或后臺服務器，后端的綜合一體化監控服務平臺可以實時掌握前端的人流測溫信息，再結合人工智能人臉識別算法形成配套的解決方案。如通過設置警示溫度，實現對體溫異常人員的鎖定和動態實時顯示，幫助工作人員進一步對其進行篩檢或者警示。結合當前新冠肺炎疫情防控，下面詳細闡述熱成像人體測溫攝像機的具體應用。

2 熱成像測溫技術在疫情防控過程中的應用

新型冠狀病毒肺炎疫情從2020年1月底開始大面積爆發，盡管目前國內疫情有所控制，但其他國家的疫情形勢依然比較嚴峻，我國“外防輸入”的防疫壓力非常大，而且國內疫情有時會出現局部爆發與多點發生的情況，這些都給疫情防控工作帶來更大困難，也對及時排查、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，我們每個人就是一個穩定的紅外輻射源，其中皮膚擁有較高的紅外發射率，通過檢測和采集皮膚輻射的紅外波長，則可以計算推導出皮膚表面的溫度。在常態化疫情形勢下，針對人員流動量較大區域，如社區、商場、學校、醫院、車站、機場、港口等出入口，熱成像測溫儀發揮了巨大的作用，具有測溫速度快速、測溫效率高、數據可實時反饋的優點，不但能夠對大流量人群進行快速測溫，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。下面從四個方面（測溫精度、測溫距離、環境干擾、多功能擴展分析）詳細介紹紅外人體測溫儀在疫情防疫過程中的實際應用和相關注意事項。

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。根據國家衛健委最新防疫要求，在公眾場合出入口，當體溫超過37.3℃時，將被認為是疑似發熱人員，就需阻止出入并進一步采取相應措施。由此可見，疑似發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格小于0.3℃，否則就會產生大量誤判結果，影響疫情防控。目前各開發公司使用測溫算法校正或智能圖像優化處理等技術，使得大多數研發設計出的熱成像攝像機的測溫精度可以達到±0.3℃以內，能夠滿足疫情防控期間初篩發熱患者的要求。

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紅外探測器時存在能量衰減現象，這樣溫度傳感器測量的數據就存在誤差。針對于此，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，再計算出因距離引起的紅外輻射能量衰減的相應溫度值，作為補償溫度，即可保證最終溫度測量的準確性，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，對體溫測量結果有較大影響。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成像的大小，焦距越大，成像距離越遠，視場角越小。通俗來說，焦距變大，熱像儀可以看得越遠，但看的范圍（水平視角）變小了。熱像儀要測量出一個物體的溫度，需要物體在熱像儀中保證至少3×3個像素，否則無法達到測溫效果。紅外鏡頭焦距決定了物體所成像的大小，即占用像素點的個數，紅外探測器性能則決定了熱成像圖像質量，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。針對大流量出入口場所，目前國內外廠家生產的熱成像測溫儀的最佳測溫距離大多數為1~5 m，這是綜合了鏡頭焦距、紅外探測器、信號處理器等多個功能模塊性能參數后得到的結果，能夠最大程度保證測溫準確性，同時也滿足大流量人群出入口處的使用要求。某地鐵站室內入口處的紅外熱成像測溫儀安裝位置示意圖如圖3所示，流動人員所在的測溫區到測溫儀的距離在3 m左右，既不影響人員流動，還可實現實時測溫。

圖3 某地鐵站室內入口處體溫檢測

2.3 環境干擾分析

紅外線向外傳播時會被周圍環境中的塵埃、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。針對于此，許多生產廠家引入黑體技術來降低環境對測溫儀的影響。黑體（black body）是一個理想化的物體，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，將黑體標定溫度與熱成像所檢測到的黑體輻射而計算出的溫度值進行比較，從而對測溫結果進行校準，有效降低周圍環境對熱成像測溫結果的干擾，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會配備一個與正常人體熱輻射能量一致的恒溫“黑體”作為參照標準，將其安裝在測溫儀對面2 m左右的位置，進行實時校準，如圖4所示。可保證測溫不受環境影響，提高測溫準確性，降低漏檢率，是人群體溫檢測系統不可或缺的輔助產品。目前國內公司生產的紅外熱成像測溫儀大都配有黑體裝置，在復雜環境下的測溫精度能夠達到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境溫度變化的影響，且長時間工作后易發生溫度漂移現象，導致紅外熱成像系統測溫誤差大。針對此種情況，大多數廠商采用紅外熱成像系統溫度漂移補償算法，引入紅外焦平面陣列響應輸出隨環境溫度變化的補償模型，對每個像素響應輸出值進行逐一修正，可有效降低周圍環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 多功能擴展分析

紅外熱成像技術雖然可以遠距離對人體進行測溫并顯示，但只能給出人體“溫度畫像”，卻無法對人臉進行有效識別，尤其是新冠肺炎疫情期間每個流動人員測溫全程都佩戴了口罩。因此可引入可見光攝像機對人臉進行掃描，再結合人工智能人臉識別算法，公眾無需摘下口罩，即可實現人臉識別，并對未戴口罩人員進行提醒，這就為機場樞紐、車站碼頭、醫院學校、工廠車間及社區商場等人員密集場所的測溫檢測提供了極大便利，降低了因人員流動造成的疫情更大范圍傳播的風險。如圖5所示，熱成像攝像儀配備兩個攝像頭，一個為紅外攝像頭，一個為可見光攝像頭，可有效識別人物身份。在電腦顯示器界面，左側為熱成像攝像機畫面，能實時顯示人物體溫，右側為可見光人臉識別畫面。兩路視頻結合，能迅速獲取來往人員的身份信息和體溫信息。同時依托大數據、云計算等技術，將熱成像測溫儀的體溫檢測與可見光攝像機的人臉識別功能有效結合，可以輔助鎖定并追蹤逃跑的疑似發熱人員，進一步確認其身份。

圖5 結合可見光攝像頭進行人臉識別

3 結束語

在此次新冠肺炎疫情防控中，相比傳統的手持測溫工具，紅外熱成像攝像機在大規模人群體溫測量上表現出了絕對優勢，可以在遠距離非接觸情況下實現多目標快速準確的體溫檢測，極大節省了人力消耗，提高了人流密集區域進行體溫初篩的效率，同時也降低了交叉感染的風險，為抗擊疫情、服務民生貢獻了科技力量。隨著疫情常態化形勢的到來，今后出入公眾場所依然要進行體溫測量，熱成像測溫儀將發揮越來越多的作用。此外，還可將熱成像測溫儀與人臉識別、大數據分析平臺、云計算技術相結合，實時記錄來往人員的體溫數據和人像信息，同時借助現在成熟的高速低延時5G網絡將異常體溫信息傳送至后臺智能監控服務中心聯動執勤，快速鎖定疑似發熱人員，及時作出應急響應措施，切實為新冠肺炎防疫工作創建堅實的信息化防線，為人民群眾提供更加全面的安全健康防護。