超高精密度人體熱成像測溫裝置探究

李源灝，陳爽，葉勛，周曉東，潘進土

（1.國網福建省電力有限公司信息通信分公司，福建福州，350003；2.福建億榕信息技術有限公司，福建福州，350003）

0 引言

采用熱輻射無感成像技術無感測溫溫度監控檢查技術等就可以有效實現針對工作人員進行局部全身體溫監測溫度監控檢測，快速準確及時篩查各種類型疑似高溫發燒高熱患者。基于這種熱輻射無感成像技術進行局部體溫監測溫度監控檢測的主要技術關鍵在于不斷提高局部測溫溫度值的誤差精準性，以極低溫度測溫值的誤差和高精準性有效地及時發現工作人員局部體溫監測溫度范圍高于37.3℃的各種疑似高熱發燒患者工作人員，這些也是目前進行公共場所局部體溫溫度防控的重要技術關鍵[1]。

1 測溫原理

紅外光或微波激光輻射主要特征是廣泛應用指紅外輻射波長且輻射強度范圍較大并且介于一般微波可見光與紅外光譜微波之間的一種紅外電磁輻射，在兩種紅外光譜輻射曲線圖上一般分別位于紅外微波段和紅光之外，其本質與一般微波可見光相同，具有類似紅外電磁波的一般紅外輻射光學屬性。紅外光或微波激光輻射還同時同樣具有與一般微波可見光不同的兩個基本輻射特性：一者特點就是紅外光或微波激光輻射與通過物體內部熱能的均勻方向傳遞發射速度頻率有關，有著明顯的紅外微波熱效應；二者特點就是紅外光或微波激光輻射與直接進入口的物質內部輻射分子紅外熱效應輻射運動的均勻發射速度頻率一致時，入口吸收發射的紅外光或微波激光輻射內部分子運動可被直接進入口的物體內部輻射分子直接發射吸收，物體內部輻射分子直接通過入口吸收紅外光或微波激光輻射后自身的紅外熱效應分子運動控制能力可以得到明顯程度加強，表現形式為通過入口發射光向物體內部分子發射溫度不斷急劇升高[2]。人體中的紅外射線輻射能量探測本領原理基于紅外射線輻射的功率定律。正常膚色人體的紅外輻射探測本領與絕對穩定溫度310°k的白色黑體相似。不論任何膚色，比體的輻射率約平均為0.99，說明這個人體非常具有很高的紅外輻射探測本領。斯蒂芬—波爾茲曼輻射定律結果表明，黑體以一單位面的表面積向整個南北半球溫度空間周圍發射的紅外輻射總能量功率與其自身絕對穩定溫度的四個二次方功率成正比。這一輻射溫度絕對定律直接用來說明一個特定物體自身直接發射的絕對不同熱輻射溫度釋放光和功率與它的輻射溫度定律絕對值直接的應用溫度定律對應公式沒有任何關系。也就是說，只要我們得到能直接通過測出一個特定人體的絕對不同熱輻射溫度釋放光的功率，就一定可以得到能直接通過得知一個特定人體的絕對輻射溫度。

2 熱成像測溫技術

2.1 熱輻射成像測溫攝像機

非接觸式成像測溫在日常自然界中，物體絕對溫度一旦高于絕對零度（-273℃）就可能會直接輻射大量電磁波，而其中紅外線輻射是應用電磁波最為廣泛的一種物體存在輻射形式。熱輻射成像測溫攝像機就是通過相機采集到從物體內部發出的紅外線和電磁波，將這些紅外信號轉化成無線電信號，再通過溫度信號圖像處理控制系統將物體輻射出的能量和也即絕對溫度分別通過不同物體灰度圖像顯示表現出來，灰度的不同直接代表物體溫度不同從而可以計算和得出一個物體絕對溫度，并同時輸出一種便于使用肉眼準確識別的溫度偽彩色圖像。這樣，熱輻射成像測溫攝像機就很好地有效解決了目前傳統自動測溫方法需要醫療人員近距離身體接觸的尷尬問題，實現非接觸式自動測溫，減少各種交叉抗體感染的發生風險[3]。針對此次高熱疫情，根據當地官方國家權威疫情發布信息平臺最新發布的《新型肺炎防控知識手冊》，新型急性冠狀動脈病毒急性肺炎早期癥狀臨床表現報告出現后當體溫低于≥37.3℃的醫療人員平均應到當地政府指定正規醫療機構就診進行對癥排查、診治。

2.2 黑體

一種用于紅外測溫的”標尺”絕對測溫黑體，作為一種標定紅外絕對加熱測溫系統的紅外測溫材料基準源，能夠直接向內吸收外來的全部紅外絕對測溫材料電磁波，并且不會向外輻射產生任何的熱力學反射與紅外的熱透射，但是完全全部可以向外直接吸收輻射紅外絕對測溫材料電磁波的一種可以理想化紅外測溫過程物體，即絕對測溫黑體的紅外測溫材料輻射率與紅外輻射吸收率系數之比為1，透射率系數之比為0。也就是說，絕對紅外測溫過程黑體只完全可以向內發射紅外絕對測溫材料電磁波，但不完全可以向外反射任何用于測溫外界絕對測溫過程環境的紅外測溫電磁波，使其紅外測溫材料輻射率的變化情況只與用于外界絕對溫度熱的變化速率有關，有一種效率很好地完全避免了黑體受用于外界絕對測溫過程環境熱的變化干擾以及自身紅外測溫過程材料熱的變化影響。當然，在一個新的自然界中不太有可能仍然存在完全全部可以向外理想化地絕對測溫黑體。實際上在現代工業紅外測溫技術應用中，黑體的紅外測溫材料輻射率一般來說只能精確化地做到一個無限大或一個接近于1，目前一種國際普遍通用的絕對測溫黑體紅外測溫材料輻射率測量標準一般為0.95、0.97和0.99以及其他所有用于此類黑體篩選檢測的所有國家標準檢測源頭在篩選黑體試驗中的檢測輻射率近似為1。盡管如此，按照2009年版的國家標準源頭標準全文gb/t19146-2010《紅外人體表面溫度快速篩檢儀》一文中的相關要求，在所有國家標準規定的篩選檢測源頭工作試驗溫度檢測環境中，篩選黑體檢測源頭儀器的試驗溫度值和試驗誤差檢測溫度范圍應保持不得過高或大于0.4℃，黑體的檢測輻射量應加入篩選檢測源頭即可輕松準確完成檢測實現。

2.3 熱成像圖像視頻成像+測溫溫度黑體

±0.3℃為提高標準測溫精度對我國流感疾病疫情自動排查實時負責熱點監控管理通過將這種測溫黑體圖像成像處理設置在熱成像圖像視頻成像處理熱點監測視野寬的精度范圍內，利用這種測溫黑體的圖像成像處理特性后就可以有效開展用戶人體視頻測溫標準溫度自動標定，建立人身體溫標準灰度與用戶人體視頻溫度的測量準確度和用戶對應體溫系數間的關系，進行人體溫度標準測量時的人體溫度實時自動測溫校正，將用戶人體人身視頻流量測溫溫度畫面和針對用戶人體個人人身視頻溫度體溫標準溫度值的對應系數實時自動顯示，大幅度提高了對用戶人體進行視頻溫度測溫的人體溫度標準測溫值和標準值的精度，減少了對人體視頻測溫標準溫度值的誤差并同時達到標準精度值的±0.3℃，精準度的視頻測溫便于工作環境管理人員有效進行管理流感疫情及時排查，做到早及時發現、早隔離、早及時接受有效治療，切實、有效地進行規范管理控制我國流感疾病傳染源，這不僅僅說是對整個國家經濟社會安全健康負起的重要責任，更是對整個我國流感疾病疫情持續爆發后的防控管理過程負責。

超高精度質量超低精度完全符合人體測溫工學熱微波激光黑體成像相機實時自動測溫測熱處理技術系統設計技術特點整體上我們目前采用的是高質量和低精度熱微波激光黑體成像核心黑體測溫攝像機+采用核心的熱黑體檢測解決設計方案，通過我們采用核心黑體的成像相機實時自動快速測溫以及圖像精度矯正處理技術可以保證核心黑體成像相機實時自動測溫的高質量精度。在熱微波激光黑體成像核心黑體測溫攝像機和采用雙核心的熱黑體測溫探測器上分別選擇采用400×300分辨率核心黑體測溫探測器，實現更高效的測溫處理圖像黑體采集覆蓋質量、更大的圖像可視場角與更廣泛的測溫處理圖像采集覆蓋范圍，在同樣一個測溫檢測點的可視距離下，覆蓋檢測到的每個通道測溫圖像覆蓋寬度大約應當是普通測溫常規160×120分辨率核心黑體測溫探測器的2倍，降低測溫處理設備測熱施工過程部署管理人員施工數量，提升測熱設備測溫施工過程管理效率；同時，通過高可靠的核心黑體測溫探測器和采用全金屬材料封閉包裝測溫處理系統技術，大幅度地可以減少溫度對飄動的溫度影響，配合我們采用核心黑體檢測技術可以保障不同材質測溫溫度環境下的材料高質量和低精度各種材料實時測溫，提升各種材料測溫檢出的施工效率。

3 測溫試驗分析

用紅外熱力學成像鏡頭測溫監控系統在一定紅外環境測溫條件下，對一個受試工作人員的受測人體額頭表面溫度（額頭）溫度進行了監測。被定位檢測到的人流經過該儀監測到的區域，被定位檢測者在遠距離監控鏡頭3～5m處即可接受額頭體溫溫度準確測量，數十億人每秒鐘就已經可以準確檢測并分析得出一個屬于受測人的群體額頭的個人體溫和面部體表溫度。將對本次檢測得的一個受試者在人體內的額頭面部表面溫度進行數據分析進行了準確測量并并記錄與數據分析結果相關聯的數據統計分析。本次監測試驗中使用該測溫監測儀器每天至少可以準確檢測8000人次，準確率最高精度為100%，測量記錄結果相關統計數據分析如下表見圖表1所示。該測溫監測儀器額頭人體面部溫度信息檢測數據分辨率最高精度可達0.07℃，適合在一個受測群體人流量大的一定監測范圍區域內或或者遠距離對一位受測者個人群體的身體狀況進行額頭溫度信息搜索和額頭體溫溫度檢測，準確地快速查找檢測出其中一個發燒友和發熱病人。同時它還可在被定位檢測人和測溫監控對象完全不知情的特殊環境情況下隨時隨地進行準確率的測溫，有利于有效率地保證我國民用機場、火車站以及重要的企事業單位部門正常的安全生產經營工作以及社會秩序。

4 人體測溫熱像儀篩查

在大型醫院、學校、公安、政府、企業加工園區、機場、火車站、客運站、地鐵站等安檢和出入口等大場景中，通過自動人體智能測溫儀及熱像儀的臨時自動布控，可進行緊急的人員體溫篩查[4]。系統主要由兩臺前端外部人體周圍測溫熱像系統和后端外部視頻圖像存儲軟件服務器或視頻管理軟件部分組成。前端外部人體周圍測溫熱像系統主要包括前端人體周圍測溫溫度熱像儀和高標準精度前端人體周圍測溫熱像黑體，對區域內的工作人員身體進行前端人體周圍溫度熱像探測并及時加以進行標準體溫矯正，實現更高精度的人體測溫[5]。后端軟件包括一臺智能網絡視頻數據存儲管理服務器或者現場用戶電腦上已安裝好的客戶端視頻管理軟件。系統拓撲圖見圖1。

圖1 系統拓撲圖

通過熱輻射成像溫度攝像機（非接觸式成像方式），初步對沒有進入現場測溫溫度范圍的工作人員個體進行現場人體局部溫度聲光檢測。同時如現場發現人體溫度異常大的個體，熱輻射成像溫度攝像機自動觸發溫度聲光報警（近紅外接觸式聲光報警），提醒現場相關工作人員進一步緊急處置。