紅外測溫技術(shù)及其在檢驗檢疫中的應(yīng)用

崔強峰 肖國英 洪 煒 李建勛 張京通 崔珊珊 魏曉娟 劉婉瑜 黃 立 陳 振

（北京出入境檢驗檢疫局 北京 100026）

紅外測溫技術(shù)及其在檢驗檢疫中的應(yīng)用

崔強峰 肖國英*洪 煒 李建勛 張京通 崔珊珊 魏曉娟 劉婉瑜 黃 立 陳 振

（北京出入境檢驗檢疫局 北京 100026）

通過對原有紅外測溫技術(shù)使用領(lǐng)域的新拓展和軟、硬件的升級改造，可實現(xiàn)將紅外測溫技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測入出境旅客隨身攜帶的低溫保存物品。紅外低溫監(jiān)測設(shè)備的探索和研發(fā)，為檢疫查驗跨境運輸?shù)蜏乇４娴膭又参镌葱陨锊牧虾吞厥馕矬w增添了新的有效方法，填補了業(yè)內(nèi)空白，對原有檢疫查驗?zāi)Ｊ疆a(chǎn)生變革性影響。

紅外測溫技術(shù)；紅外低溫監(jiān)測設(shè)備；檢驗檢疫；特殊物品

1 前言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人員流動加快，在機場、港口等國境口岸等人員密集場所，經(jīng)常會有人員發(fā)熱。早期對流動人員的體溫監(jiān)測，主要依靠人工進行，工作量大、效率低下，且為接觸式檢查，無法保障被檢測人員隱私。2003年“非典”期間，紅外測溫技術(shù)開始應(yīng)用于國境口岸衛(wèi)生檢疫，并逐漸普及，能迅速檢測出體溫偏高的病患人員。

近年來，入境旅客隨身攜帶入境的動植物源性生物材料時有發(fā)現(xiàn)，主要有微生物、生物制品類、人體組織類、血液及其制品等。此類物品大多需要采用低溫冷藏方式儲存，且伴隨出入境人員在國際間跨境傳播，對我國公共衛(wèi)生安全、國家生物、生態(tài)安全等諸多領(lǐng)域帶來巨大威脅和風(fēng)險[1-4]。

人體體溫監(jiān)測主要是利用紅外測溫技術(shù)實時監(jiān)測出入境旅客體溫是否高于正常體溫，而旅客攜帶的特殊物品一般都需要低溫保存，根據(jù)這一特性，對現(xiàn)有的紅外測溫技術(shù)進行軟、硬件升級改造，增加其對低溫物品的發(fā)現(xiàn)、報警、監(jiān)測功能，為檢疫人員查驗低溫保存的物品開辟新的查驗思路和方法。

2 紅外測溫技術(shù)原理

1800年，英國物理學(xué)家赫胥爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射現(xiàn)象：自然界中一切溫度高于絕對零度（-273℃）的物體，每時每刻都會輻射出紅外線。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，是一種由熱運動產(chǎn)生、以電磁波形式傳遞的能量，輻射強度由物體的溫度和表面的輻射率決定[5]。根據(jù)這一原理，可以對物體輻射的紅外能量進行采集、量化，然后根據(jù)量化結(jié)果計算出物體溫度。

紅外探測器是一種能對紅外輻射信號進行量化的設(shè)備，是整個紅外測溫技術(shù)的核心，主要用于采集紅外輻射信號并量化，其核心部件是紅外焦平面陣列（FPA）。FPA采集到強弱不等的紅外輻射信號后，將其轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過電壓放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理，可將FPA上每個像素點的能量信息，量化為一個14位的數(shù)字，稱為AD值[6]。在不考慮非均勻性的前提下，由于FPA采集的紅外信號強弱不等，最終量化出的AD值也不同。因此，可將不同的AD值對應(yīng)到不同的溫度，得到一個AD值/溫度映射表——溫度曲線。測溫時，根據(jù)某點的AD值，在溫度曲線上找到該AD值對應(yīng)的溫度，即為該點的實際溫度，見圖1。

圖1 理想測溫模型

假設(shè)測溫對象的實際溫度為T0，F(xiàn)PA采集、量化測溫對象的紅外輻射能量，得到AD值；通過在溫度曲線，查找AD對應(yīng)的溫度T1，即為測溫結(jié)果（圖2）。理想情況下，T0=T1。實際情況下，T0與T1之間會存在偏差，通過改進模型、修正算法，可以使偏差接近于0。

圖2 測溫過程

在理想測溫模型中，被測對象AD值與溫度直接映射，形成溫度曲線。在實際測溫過程中，紅外探測器開始工作后，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致快門和鏡筒溫度逐漸升高?？扉T溫度升高會造成補償時本底溫度增加，即B值增大；鏡筒溫度升高會增加對探測器的熱輻射，即X值的增大（圖3）。這兩個因素都會導(dǎo)致溫度測量的不準確，為保證測溫的準確性，需要進行溫漂校正。

圖3 實際測溫模型1

為保證測溫準確性，引入一個參考對象——黑體，通常，黑體的溫度是一個已知量。另外，溫度曲線不是被測對象AD值與溫度直接的直接映射，而是由被測對象AD與紅外探測器本底AD的差值，映射到溫度。假設(shè)黑體AD與本底AD的差值為△AD1，被測對象AD與本底AD的差值為△AD2，已知黑體溫度為定植T2，則測溫過程如圖4所示：

第一步：探測器測出△AD1、△AD2；

第二步：計算△AD=△AD2-△AD1；

第三步：根據(jù)T0，確定AD1在溫度曲線上的坐標點P1；

第四步：以P1為起始點，根據(jù)△AD在溫度曲線上移動，找到△AD2對應(yīng)坐標的溫度T2；

第五步：T2即為被測對象的溫度。

圖4 實際測溫模型2

紅外測溫技術(shù)在實際應(yīng)用中，有一些因素會影響測溫精度，其中需要特別注意的是以下兩點：

（1）黑體溫度波動。

黑體作為測溫的參考對象，通常設(shè)定為一個定值。在系統(tǒng)實際運行過程中，黑體受日照、風(fēng)吹、空調(diào)制冷等外部因素，溫度會上下波動；在設(shè)計測溫系統(tǒng)時，需要將其成設(shè)計一個閉環(huán)系統(tǒng)：黑體實際溫度通過溫度傳感器測量出來后，實時傳遞給工作主機。

（2）紅外熱邊緣效應(yīng)。

紅外探測器在工作過程中，會出現(xiàn)FPA四角及周邊溫度高于中心溫度的現(xiàn)象。假設(shè)被測對象在邊緣部分測出的溫度為T1，在中心部分測出的溫度為T2，由于邊緣熱效應(yīng)，T1會比T2高。實際使用過程中，最嚴重的情況下，T1會比T2高2℃左右，嚴重影響測溫精度。在實際使用過程中，曾出現(xiàn)以下現(xiàn)象：旅客在由遠到近的過程中，被測出的體溫逐漸升高。原因為：旅客在遠距離位置時，額頭出現(xiàn)在畫面的中心部分；旅客在近距離位置時，額頭出現(xiàn)在畫面的上邊緣，受邊緣熱效應(yīng)影響，測出的溫度比在遠距離時要高，由此導(dǎo)致誤報警。

要想獲取準確的測溫結(jié)果，必須消除紅外熱邊緣效應(yīng)。研究表明：探測器正對均勻反射物體時，熱邊緣現(xiàn)象最明顯。采集此時的熱邊緣數(shù)據(jù)作為模板，經(jīng)去邊緣熱效應(yīng)算法處理之后，能夠得到相對均勻的紅外圖像本底。處理后的均勻紅外圖像本底，經(jīng)分析溫差低于0.2℃，適用于人體測溫，能有效消除誤報。

3 紅外測溫技術(shù)的應(yīng)用

目前，紅外測溫技術(shù)在檢驗檢疫行業(yè)中主要用于紅外人體測溫與紅外低溫監(jiān)測。紅外人體測溫主要用于篩查發(fā)熱等體溫異常人群，測溫精度要求較高，國家標準為±0.3℃[7]；紅外低溫監(jiān)測主要用于篩查旅客攜帶的低溫物體，測溫精度要求遠低于人體測溫，測溫誤差能保證在2℃以內(nèi)即可。

3.1 紅外人體測溫

紅外人體測溫主要有以下幾個步驟：紅外探測器采集被測對象紅外信號，量化得到AD值；AD值經(jīng)溫度曲線映射，得到體表溫度；體表溫度經(jīng)體表/體內(nèi)溫度映射表，得到體內(nèi)溫度，即為人體測溫實際結(jié)果。

體表/體內(nèi)溫度映射表是一個經(jīng)驗值，需要大量的人體測溫實驗才能得到 （通過水銀溫度計測量人體腋下溫度獲得）。另外，因性別、年齡、人種等因素不同，同一體表溫度對應(yīng)的體內(nèi)溫度各不相同，需要通過一定方法，對映射值進行修正，使最終測溫結(jié)果誤差在±0.3℃以內(nèi)[8-10]。

完成人體測溫之后，將測溫結(jié)果與設(shè)定的報警閾值進行比較，當(dāng)測量溫度高于報警閾值時，測溫系統(tǒng)抓拍被測對象的紅外圖片及可見光圖片并保存。根據(jù)實際需要，報警閾值可分為多檔：37℃-38.5℃為輕度發(fā)熱，38.5℃-39.5為中度發(fā)熱，39.5℃以上為嚴重發(fā)熱。不同報警檔位系統(tǒng)會給出不同的聲光報警提示，檢驗檢疫人員根據(jù)報警結(jié)果，對發(fā)熱人員進行分類處理[8-10]。

紅外人體測溫報警，除了與報警閾值相關(guān)外，還與檢測的像素點個數(shù)有關(guān)。人體高溫部分 （通常為額頭）在紅外圖像中會占若干個像素點，為避免單個像素點的跳變（通常為FPA自身原因）引起誤報，通常會設(shè)定最小像素點。如，只有當(dāng)相鄰的4-6個像素點，溫度都超過報警閾值時，才認為是有效的發(fā)熱癥狀。像素點個數(shù)設(shè)置過少，會引起誤報；像素點個數(shù)設(shè)置過多，會導(dǎo)致漏報。

2003年上半年開始，“非典”疫情在全國范圍內(nèi)迅速蔓延。面對日益嚴峻的疫情形勢，口岸檢疫查驗工作面臨巨大的考驗，第一代紅外人體測溫技術(shù)應(yīng)運而生，在全國各重點機場、口岸投入使用。此項技術(shù)在快速識別發(fā)熱人員，篩查“非典”疑似患者工作中發(fā)揮了積極作用，取得了良好的社會效果。

然而第一代紅外測溫技術(shù)，也暴漏出一些明顯問題：測溫精度誤差較大，系統(tǒng)本身溫度誤差大于±0.4℃，導(dǎo)致誤報；系統(tǒng)有效測溫視場較小，只有在固定點測溫，才能取得相對較好的測溫效果。針對這些不足，改進后的系統(tǒng)，測溫精度大大提高，能達到±0.4℃的人體測溫誤差要求；檢測視場范圍擴大，被測人員無需站在固定點即可完成體溫檢測。

2009年，甲型H1N1流感疫情在全球肆虐。此時全國口岸檢驗檢疫部門基本都采用了新型的紅外測溫設(shè)備，改良后的產(chǎn)品具有測溫精度高、檢測視場大、檢測速度快等特點，可同時檢測多個目標。據(jù)統(tǒng)計，從2009年4月25日至12月31日，全國口岸檢驗檢疫部門共發(fā)現(xiàn)輸入性甲型H1N1流感病例1029例，占國內(nèi)輸入性病例的45.5%，深圳、珠海、浙江、四川、廈門、福建等口岸發(fā)現(xiàn)輸入性確診病例比例達70%以上。不斷優(yōu)化的紅外測溫技術(shù)，在近年的埃博拉出血熱、寨卡病毒病、黃熱病疫情等防控工作，正在發(fā)揮著不可替代的作用，為檢疫人員提供了強有力的技術(shù)保障。

3.2 紅外低溫監(jiān)測

紅外低溫監(jiān)測的過程比紅外人體測溫略簡單：對低溫物體進行測溫后，直接使用體表溫度與低溫報警閾值進行比較，當(dāng)測溫結(jié)果低于報警閾值時，系統(tǒng)做出低溫報警響應(yīng)。

2016年1月，北京首都國際機場檢驗檢疫部門正式試用新一代紅外低溫監(jiān)測設(shè)備，該套設(shè)備與原有的紅外測溫儀集成與一體，在進行人體體溫監(jiān)測的同時，可以實時對旅客隨身攜帶的低溫物體進行監(jiān)測、報警。目前，口岸檢驗檢疫部門對旅客攜帶物采用的查驗?zāi)Ｊ街饕捎肵光掃描技術(shù)，輔助以人員開箱查驗、檢疫犬查驗等等。此種模式存在諸多不足，比如存在判圖失誤造成漏檢、對低溫物品無效、檢疫犬查驗效果不穩(wěn)定等。紅外低溫監(jiān)測設(shè)備對低溫保存物品具有很強的靈敏性，可以迅速甄別低溫物品，并發(fā)出聲光報警，為主動查驗低溫保存的動植物源性生物材料和特殊物品開辟了新思路。

數(shù)據(jù)顯示，2015年同期采用X光機掃描技術(shù)，北京首都國際機場口岸未檢出動植物源性生物材料和特殊物品。2016年1月至6月，使用紅外低溫監(jiān)測設(shè)備后，共檢測可疑低溫保存旅客攜帶物25起，其中14起是動植物源性生物材料和特殊物品，檢出率高達56%。

北京首都國際機場口岸引進的紅外低溫監(jiān)測設(shè)備為口岸檢驗檢疫行業(yè)首次，為查驗旅客攜帶低溫保存物品增添了新的有效方法，填補了業(yè)內(nèi)空白。可以預(yù)見，隨著紅外低溫監(jiān)測設(shè)備的進一步改進和廣泛應(yīng)用，在口岸檢疫工作中，對動植物源性生物材料及特殊物品的檢出率會大大提升，阻斷未知的疫病疫情隨此類物品跨境傳播，維護國門生物安全大局具有重大的社會意義。

4 結(jié)語

紅外測溫技術(shù)在檢驗檢疫工作中的應(yīng)用，在增加傳染病疫情檢出率的同時可以大大降低檢疫查驗的人力成本。紅外低溫監(jiān)測設(shè)備在檢疫檢疫工作中的應(yīng)用，是對原有設(shè)備新用途、使用新領(lǐng)域的積極探索。通過對原有紅外測溫技術(shù)使用領(lǐng)域的新拓展和軟、硬件的升級改造，實現(xiàn)將紅外測溫技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測入出境旅客隨身攜帶的低溫保存物品，填補了業(yè)內(nèi)空白，對原有檢疫查驗?zāi)Ｊ疆a(chǎn)生變革性影響。此類紅外低溫監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)和試用，為檢疫查驗跨境運輸?shù)蜏乇４娴膭又参镌葱陨锊牧虾吞厥馕矬w增添了新的有效方法，大大提高了口岸截獲未經(jīng)申報入境的特殊物品和動植物源性生物材料的概率，成效非常顯著，對在國境口岸構(gòu)建國門第一道安全防線，阻止外來風(fēng)險入侵，維護國內(nèi)民眾安全具有重大意義。

致謝：謹在此感謝楊文、李白云、王超、黃建忠、孫劍、王育強等同志對此文的辛勤付出。

[1]劉文正，胡命僑.出入境特殊物品衛(wèi)生檢疫監(jiān)管措施探討[J].口岸衛(wèi)生控制，2008， 13（5）：20-24.

[2]劉文正，胡命僑.出入境特殊物品衛(wèi)生檢疫監(jiān)管有關(guān)問題的思考[J]. 中國國境衛(wèi)生檢疫雜志，2008，31（5）：349-352.

[3]顏昌洲，葉衛(wèi)翔，石鵬，等.羅湖口岸入境特殊物品檢疫風(fēng)險分析[J]. 中國國境衛(wèi)生檢疫雜志，2014，37（5）：343-346.

[4]黃素英，楊蘋，陳帆，等.廈門口岸入出境特殊物品分析與探討[J]. 中國國境衛(wèi)生檢疫雜志，2010，33（5） ：335-338.

[5]蘇軍紅，鄭為建.紅外線的二百年——從科學(xué)探索到技術(shù)創(chuàng)新[J]. 紅外技術(shù)，2001，23（1）：1-2.

[6]趙桂芳.紅外焦平面陣列探測器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[7]JJF 1107-2003測量人體溫度的紅外溫度計校準規(guī)范[S].

[8]GB 9706.15-2008醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-1部分：通用安全要求并列標準：醫(yī)用電氣系統(tǒng)安全要求[S].

[9]GBT 19146-2003紅外人體表面溫度快速篩檢儀通用技術(shù)條件[S].

[10]GBT 19870-2005工業(yè)檢測型紅外熱像儀[S].

Temperature Detecting Technology of Infrared and Application in Inspection and Quarantine

CUI Qiangfeng， XIAO Guoying*， HONG Wei， LI Jianxun， ZHANG Jingtong，CUI Shanshan， WEI Xiaojuan， LIU Wanyu， HUANG Li， CHEN Zhen
（Beijing Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau， Beijing， 100026）

Through the application of the original infrared temperature measurement technology and the upgrading of the hardware and software，the infrared temperature measurement technology is applied to monitor the low temperature storage items carried by the entry-exit passengers.To quarantine inspection of cross-border transportation of low-temperature preservation of animal and plant biological materials and special items，the research and development of Low-temperature infrared monitoring equipment add new effective methods and fill the industry blank，and have a transformative impaction to have a transformative impaction have a transformative impaction to the original quarantine inspection mode.

Infrared Temperature Measurement Technology；Low-Temperature Infrared Monitoring Equipment；Inspection and Quarantine；Special Items

R185.3

E-mail：cuiqiangfeng@126.com；*通訊作者E-mail：xiaogy@bjciq.gov.cn

國家質(zhì)檢總局科技計劃項目 （2016IK007）

2016-12-19