發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性分析

馮 濤，金偉其，司俊杰

〈綜述與評(píng)論〉

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性分析

馮 濤1，金偉其1，司俊杰2

（1. 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 中航工業(yè)紅外探測(cè)器技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471009）

介紹了發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的發(fā)展歷程和系統(tǒng)構(gòu)成及熱像儀測(cè)溫的基本原理，指出熱像儀的內(nèi)輻射對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確性具有明顯影響，分析了發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)用黑體參考源消除內(nèi)輻射影響的工作原理。介紹了發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)模型及其主要參數(shù)的要求，逐項(xiàng)分析了這些參數(shù)與熱像儀噪聲、黑體參考源及使用環(huán)境等因素的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)熱像儀的時(shí)間低頻噪聲和空間低頻噪聲是影響測(cè)溫準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，指出黑體參考源可以消除時(shí)間低頻噪聲的影響，基于外擋片的兩點(diǎn)校正法可以消除空間低頻噪聲的影響，從而使發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)滿足人體測(cè)溫準(zhǔn)確性要求。

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)；內(nèi)輻射；測(cè)溫準(zhǔn)確性；時(shí)間噪聲；空間噪聲

0 引言

自2019年12月以來(lái)，2019冠狀病毒?。ê?jiǎn)稱COVID-19）席卷世界，截止到2021年8月18日，疫情已蔓延至全球幾乎所有國(guó)家和地區(qū)，確診人數(shù)超過(guò)兩億，并已導(dǎo)致其中逾400萬(wàn)人死亡[1]。COVID-19疫情是近百年來(lái)全球最嚴(yán)重的公共衛(wèi)生事件，對(duì)人類的身體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，并給世界經(jīng)濟(jì)造成了巨大負(fù)面影響。世界各國(guó)在抗擊疫情過(guò)程中不論采取何種措施，都是為了降低疫情傳播速度，減少疫情傳播范圍，避免更多的人被感染。COVID-19的典型癥狀為發(fā)熱、乏力、干咳等，其中發(fā)熱是比例最高的癥狀，因此發(fā)熱篩查成為COVID-19疫情中的重要防疫手段，通過(guò)鑒別發(fā)熱者，及時(shí)切斷病毒傳染路徑，可以有效阻止疫情傳播[2]。

發(fā)熱篩查的檢測(cè)工具主要有3類——水銀體溫計(jì)、額溫計(jì)、發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)。測(cè)量體溫最準(zhǔn)確的當(dāng)屬水銀體溫計(jì)，但其測(cè)量一次需耗時(shí)數(shù)分鐘，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速篩查，主要用于居家檢測(cè)與體溫復(fù)測(cè)確認(rèn)。額溫計(jì)需要貼近被測(cè)對(duì)象操作，測(cè)量一個(gè)人需耗時(shí)幾秒鐘，適用于人流量不是特別大的場(chǎng)所，如商超、住宅區(qū)、高速公路的出入口等。發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)基于先進(jìn)的紅外焦平面成像技術(shù)，可以同時(shí)完成對(duì)多人的非接觸式體溫檢測(cè)，適用于人流量大的場(chǎng)所，如機(jī)場(chǎng)、火車站、地鐵站、寫(xiě)字樓、醫(yī)院等。在此次疫情中，發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)大規(guī)模用于交通樞紐等重點(diǎn)區(qū)域，除了在現(xiàn)場(chǎng)直接發(fā)現(xiàn)發(fā)熱人員外，還具有重要的間接作用——可以警示有癥狀者取消出行計(jì)劃，從而降低疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也提高了公眾對(duì)疫情的警覺(jué)度。

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)每天都要對(duì)數(shù)量龐大的人群進(jìn)行體溫檢測(cè)，必須將漏報(bào)率和誤報(bào)率控制在很低的水平才具有實(shí)用意義。而發(fā)熱者與正常人的體溫差異最低僅有零點(diǎn)幾度，因此發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)需要具有很高的測(cè)溫準(zhǔn)確性。熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性受到諸多因素的影響，既有來(lái)自熱成像系統(tǒng)自身的內(nèi)因，也有來(lái)自使用環(huán)境和檢測(cè)目標(biāo)的外因。對(duì)影響測(cè)溫準(zhǔn)確性的各種因素進(jìn)行深入分析，可以指導(dǎo)發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造，制定合理的使用規(guī)范和操作流程，從而確保該系統(tǒng)在實(shí)際工作時(shí)滿足人體測(cè)溫的準(zhǔn)確性要求，切實(shí)起到發(fā)熱篩查的防疫作用。

1 發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 發(fā)展歷程

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)作為目前唯一可用于大規(guī)模人群快速發(fā)熱篩查的工具[3]，在機(jī)場(chǎng)、車站、邊境口岸等人流量大的地方構(gòu)筑了第一道篩查防線。自2000年以來(lái)，發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)在以發(fā)熱為特征的流行病防疫中起到了越來(lái)越重要的作用，已經(jīng)得到專業(yè)機(jī)構(gòu)和公眾的廣泛認(rèn)可。

熱成像技術(shù)首次大規(guī)模用于發(fā)熱篩查始于2003年的嚴(yán)重急性呼吸綜合征（SARS）疫情[4]。發(fā)熱是SARS患者的最主要癥狀之一，當(dāng)年在中國(guó)、新加坡、香港等地的交通樞紐首次大規(guī)模采用紅外熱像儀作為發(fā)熱篩查設(shè)備，起到了顯著效果。僅據(jù)中國(guó)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從2003年4月至6月間，就有三千萬(wàn)人次接受了紅外體溫篩查，其中檢出9292人發(fā)熱，并最終有21人確診[5]。SARS之后人類又接連遭遇了2009年H1N1型流感大爆發(fā)[6]，2012年中東呼吸綜合征（MERS-CoV）爆發(fā)[7]，2014年埃博拉病毒爆發(fā)[8]，在這些疫情中，發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)為控制疾病傳播發(fā)揮了重要作用。

隨著發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）于2007年、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）于2008年分別制訂了發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的使用與設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)相關(guān)技術(shù)做了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定。2017年ISO和IEC又分別發(fā)布了這兩份文件的第二版，分別是《ISO/TR 13154:2017醫(yī)用電氣設(shè)備使用篩查熱像儀識(shí)別發(fā)熱人體的布置、實(shí)施和操作指南》[9]和《IEC 80601-2-59：2017醫(yī)用電氣設(shè)備第2～59部分：用于人體發(fā)熱篩查熱像儀的基本安全和性能專用要求》[10]。這兩份標(biāo)準(zhǔn)化文件規(guī)定了發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的最低性能和安全要求，給出了操作和使用指南，為紅外熱成像技術(shù)在發(fā)熱篩查應(yīng)用上的推廣提供了標(biāo)準(zhǔn)化支持。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的主要組成為：熱像儀、黑體參考源、數(shù)據(jù)處理單元、監(jiān)視器等，如圖1所示[11]。

1）熱像儀

熱像儀是發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的核心。熱像儀分為制冷型和非制冷型兩大類，制冷型熱像儀的靈敏度很高，具有優(yōu)異的探測(cè)性能。非制冷型熱像儀靈敏度不如制冷型，但具有體積小、重量輕、功耗低、壽命長(zhǎng)、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，更適合大批量制造。另一方面，根據(jù)維恩位移定律，物體的溫度與其輻射峰值波長(zhǎng)成反比，溫度越低輻射峰值波長(zhǎng)越長(zhǎng)，人體表面溫度范圍（35℃～41℃）對(duì)應(yīng)的輻射峰值波長(zhǎng)大約在9.3mm附近，正好位于非制冷型熱像儀工作的波段。綜合以上原因，發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)一般都采用非制冷型熱像儀，以非制冷紅外焦平面探測(cè)器作為核心部件。

圖1 發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)示意圖

2）黑體參考源

紅外測(cè)溫系統(tǒng)按照測(cè)溫對(duì)象和應(yīng)用場(chǎng)合的不同，主要分為兩類測(cè)溫應(yīng)用——工業(yè)測(cè)溫和人體發(fā)熱篩查。這兩類應(yīng)用對(duì)于測(cè)溫準(zhǔn)確性的要求差別明顯，工業(yè)測(cè)溫的準(zhǔn)確性要求是不超過(guò)±2℃或被測(cè)溫度的±2%（取絕對(duì)值大者）[12]，而人體發(fā)熱篩查要求不超過(guò)±0.5℃[10]。一般僅依靠熱像儀自身就可以滿足工業(yè)測(cè)溫的準(zhǔn)確性要求，但很難滿足人體測(cè)溫的要求，因此發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)大都選擇借助溫度參考源來(lái)提高熱像儀的測(cè)溫準(zhǔn)確性，一般采用黑體輻射源作為熱像儀的溫度參考源。黑體的溫度和紅外輻射都非常穩(wěn)定，將黑體溫度設(shè)置為接近人體表面溫度的固定值（如35.0℃），放置在熱像儀成像的視場(chǎng)范圍內(nèi)，熱像儀同時(shí)采集目標(biāo)與黑體參考源的紅外輻射信號(hào)，以黑體的紅外輻射數(shù)據(jù)為參考基準(zhǔn)計(jì)算得到目標(biāo)的精確溫度。圖2是人體測(cè)溫的紅外成像示例[9]，畫(huà)面左下角的圓形物體就是作為溫度參考源的黑體圖像。

3）數(shù)據(jù)處理單元和監(jiān)視器

數(shù)據(jù)處理單元和監(jiān)視器一般指發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)配套的計(jì)算機(jī)。熱像儀通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口或USB接口與計(jì)算機(jī)連接，將圖像和測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)上，經(jīng)過(guò)專用軟件處理后在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示紅外圖像和測(cè)溫結(jié)果。計(jì)算機(jī)還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、聲光報(bào)警等功能。操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)可以方便地操控?zé)嵯駜x，如設(shè)置熱像儀工作參數(shù)，校準(zhǔn)熱像儀測(cè)溫精度等。

2 發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫方法

2.1 熱像儀測(cè)溫的基本原理

熱像儀將其接收到的紅外輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)實(shí)現(xiàn)成像和測(cè)溫。物體發(fā)出的紅外輻射能量與其表面溫度密切相關(guān)，根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，黑體的輻射出射度為[13]：

b＝4(1)

圖2 發(fā)熱篩查紅外成像示例

式中：為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；為黑體的絕對(duì)溫度?？紤]到一般目標(biāo)都不是黑體，而是發(fā)射率小于1的灰體，并考慮到大氣對(duì)紅外輻射的衰減，目標(biāo)的輻射出射度為：

obj＝objatm×obj4(2)

式中：obj是目標(biāo)的發(fā)射率；atm是目標(biāo)到熱像儀間的大氣透過(guò)率；obj是目標(biāo)的絕對(duì)溫度。實(shí)際中熱像儀接收到的紅外輻射不僅有目標(biāo)自身的輻射，還包括目標(biāo)反射的環(huán)境輻射，以及空氣的輻射[14]，如圖3所示。

圖3 熱像儀接收到的紅外輻射

因此熱像儀對(duì)目標(biāo)成像時(shí)接收到的全部紅外輻射為tot[14]：

tot＝obj×atm×obj4＋(1－obj)×atm×refl4＋

(1－atm)×atm4(3)

式中：refl是由目標(biāo)反射的環(huán)境輻射的等效絕對(duì)溫度；atm是大氣的絕對(duì)溫度。

根據(jù)發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的工作條件，式(3)可以進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。由于發(fā)熱篩查時(shí)目標(biāo)與熱像儀的距離較近，可近似認(rèn)為atm＝1。由于環(huán)境組成很復(fù)雜，refl不易精確計(jì)算，可以采用容易獲取的環(huán)境溫度amb來(lái)代替refl對(duì)目標(biāo)反射的環(huán)境輻射進(jìn)行近似簡(jiǎn)化。這種近似簡(jiǎn)化帶來(lái)的誤差可以忽略，分析如下：首先，環(huán)境中的大部分物體溫度接近環(huán)境溫度amb，但由于大多數(shù)物體不是黑體，因此被測(cè)目標(biāo)接收到的環(huán)境總輻射略小于amb4；其次，使用環(huán)境中不可避免地存在熱源，特別是發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)一般用于人員密度較大的場(chǎng)所，對(duì)測(cè)溫對(duì)象而言，其周圍的其他人員可視為高于環(huán)境溫度的干擾熱源，干擾熱源與環(huán)境溫度物體發(fā)出的輻射形成了互補(bǔ)，綜合起來(lái)的等效環(huán)境總輻射就更接近amb4；更重要的是，由于測(cè)溫對(duì)象是人體表面皮膚，其發(fā)射率obj約為0.98[15]，(1－obj)只有0.02，因此采用amb代替refl所帶來(lái)的誤差被進(jìn)一步大幅減小。由此可將式(3)簡(jiǎn)化為式(4)：

tot＝obj×obj4＋(1－obj)×amb4(4)

(5)

2.2 內(nèi)輻射對(duì)熱像儀測(cè)溫的影響

熱像儀是通過(guò)其內(nèi)部的紅外探測(cè)器將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的，因此2.1節(jié)中的tot實(shí)際上對(duì)應(yīng)的是紅外探測(cè)器的傳感器陣列接收到的紅外輻射能量。入射到紅外探測(cè)器的傳感器陣列上的紅外輻射除了來(lái)自熱像儀外界的紅外輻射，還有來(lái)自熱像儀自身的一部分紅外輻射，這部分紅外輻射與目標(biāo)無(wú)關(guān)，主要來(lái)源于熱像儀的光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，還包括紅外探測(cè)器自己的殼體。熱像儀自身部件對(duì)紅外探測(cè)器的傳感器陣列產(chǎn)生的紅外輻射通常稱為熱像儀的“內(nèi)輻射”。熱像儀的紅外探測(cè)器傳感器陣列接收到的紅外輻射來(lái)源組成如圖4所示。

圖4 探測(cè)器的傳感器陣列接收到的所有紅外輻射

在考慮了熱像儀內(nèi)輻射的影響后，式(4)修正為：

tot1＝obj×obj4＋(1－obj)×amb4＋inner(6)

式中：tot1是熱像儀的探測(cè)器傳感器陣列接收到的總紅外輻射；inner是探測(cè)器傳感器陣列接收到的熱像儀內(nèi)輻射。內(nèi)輻射的輻射源在空間位置上很靠近探測(cè)器傳感器陣列，因而對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)的影響較大，在考慮inner的影響后，式(5)修正為：

inner與熱像儀自身溫度、熱像儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)件形狀及其發(fā)射率、熱像儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)件與探測(cè)器的相對(duì)位置等因素有關(guān)，一般很難直接計(jì)算得到。熱像儀工作過(guò)程中自身會(huì)發(fā)熱，同時(shí)會(huì)受到環(huán)境溫度和周圍空氣流動(dòng)的影響，導(dǎo)致熱像儀自身溫度發(fā)生漂移與波動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)輻射inner也隨之變化，其對(duì)測(cè)溫結(jié)果準(zhǔn)確性的影響很大。目前幾乎所有測(cè)溫?zé)嵯駜x在出廠前都必須對(duì)內(nèi)輻射的影響進(jìn)行標(biāo)定，在實(shí)際使用過(guò)程中根據(jù)熱像儀自身溫度的變化對(duì)目標(biāo)溫度計(jì)算值進(jìn)行修正。這種出廠前對(duì)熱像儀內(nèi)輻射進(jìn)行標(biāo)定的方法可大幅降低內(nèi)輻射對(duì)測(cè)溫結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，其效果在工業(yè)測(cè)溫應(yīng)用中已得到驗(yàn)證，可以滿足±2℃或±2%（取絕對(duì)值大者）的測(cè)溫精度要求。

2.3 使用黑體參考源對(duì)內(nèi)輻射的影響進(jìn)行修正

熱像儀的內(nèi)輻射標(biāo)定方法需要考慮很多影響因素，實(shí)際工作時(shí)的條件很難與標(biāo)定試驗(yàn)條件完全一致，這會(huì)影響內(nèi)輻射標(biāo)定方法的實(shí)際修正效果，導(dǎo)致測(cè)溫結(jié)果的偏差。這種偏差對(duì)于工業(yè)測(cè)溫應(yīng)用尚可接受，但無(wú)法滿足發(fā)熱篩查應(yīng)用的要求。為實(shí)現(xiàn)人體測(cè)溫的高精度要求，發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)通常采用黑體參考源來(lái)對(duì)熱像儀內(nèi)輻射的影響進(jìn)行校正。黑體參考源置于熱像儀成像的視場(chǎng)范圍內(nèi)，參考式(6)，并考慮到黑體發(fā)射率為1，探測(cè)器傳感器陣列探測(cè)到的黑體參考源的總紅外輻射為tot2：

tot2＝ref4＋inner(8)

式中：ref是黑體參考源的絕對(duì)溫度。因?yàn)閮?nèi)輻射與目標(biāo)無(wú)關(guān)，所以tot2中依然包含內(nèi)輻射inner的影響。如圖2所示，被測(cè)目標(biāo)與黑體參考源都位于發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的成像視場(chǎng)范圍內(nèi)，因此可以同時(shí)得到tot1和tot2，以及式(6)、(8)中的inner。由式(8)得到inner的計(jì)算表達(dá)式，代入式(7)中就可以消除內(nèi)輻射對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響，如式(9)所示：

式中：tot1和tot2分別是熱像儀對(duì)被測(cè)目標(biāo)和黑體參考源的輸出信號(hào)，當(dāng)已知目標(biāo)發(fā)射率obj、黑體參考源溫度ref和環(huán)境溫度amb時(shí)，就可以計(jì)算出不受內(nèi)輻射影響的目標(biāo)溫度obj。

3 發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性分析

3.1 發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性要求

文獻(xiàn)[10]中對(duì)發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性要求是：用熱成像系統(tǒng)測(cè)量黑體校準(zhǔn)源的溫度，測(cè)量結(jié)果的總偏差不超過(guò)0.5℃。測(cè)溫準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)模型如下：

式中：ST是熱成像系統(tǒng)對(duì)黑體校準(zhǔn)源溫度的測(cè)量值；SC是黑體校準(zhǔn)源溫度的準(zhǔn)確值；是熱成像系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的總偏差，其組成如下：

2＝CS2＋ST2(11)

ST2＝D2＋S2＋U2＋ER2＋MRTD2＋others2(12)

式中：CS是黑體校準(zhǔn)源溫度的不確定度（要求≤0.2℃）；ST是熱成像系統(tǒng)測(cè)溫結(jié)果的綜合不確定度，包括了影響測(cè)溫結(jié)果的所有不確定性因素。發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性實(shí)質(zhì)上由ST決定，其組成參數(shù)的含義及取值要求見(jiàn)表1。

漂移D與波動(dòng)S表現(xiàn)為熱成像系統(tǒng)輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化，反映的是熱成像系統(tǒng)的時(shí)間噪聲；空間非均勻性U表現(xiàn)為熱成像系統(tǒng)在面對(duì)均勻輻射時(shí)其輸出信號(hào)在空間上的不均勻分布，反映的是熱成像系統(tǒng)的空間噪聲；MRTD由MRTD指標(biāo)決定，與熱成像系統(tǒng)的時(shí)間噪聲和空間噪聲均有關(guān)系。黑體參考源的溫度不確定度ER反映了黑體參考源的溫度準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。others代表除了熱像儀和黑體參考源以外的其他影響測(cè)溫結(jié)果的因素，主要反映的是周圍環(huán)境和被測(cè)目標(biāo)對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確性的影響，因其不好量化所以沒(méi)有給出定量要求。

表1 測(cè)溫結(jié)果不確定度的組成參數(shù)

3.2 影響測(cè)溫準(zhǔn)確性的主要因素分析

3.2.1 漂移與波動(dòng)

文獻(xiàn)[10]中對(duì)漂移D與波動(dòng)S的要求是兩者綜合起來(lái)不能大于0.2℃。該標(biāo)準(zhǔn)給出了漂移的測(cè)試方法與要求：每隔5～15s測(cè)量一次黑體校準(zhǔn)源溫度，持續(xù)測(cè)量8h，計(jì)算所有測(cè)量值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，要求標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍不能大于0.1℃。對(duì)于波動(dòng)的測(cè)試方法與要求是：在14天或系統(tǒng)校準(zhǔn)周期內(nèi)（選時(shí)間長(zhǎng)的），每天進(jìn)行漂移的測(cè)試，每天漂移測(cè)試平均值的波動(dòng)不能超過(guò)0.1℃。從測(cè)試方法可以看出，漂移與波動(dòng)指標(biāo)實(shí)際上是熱像儀的輸出數(shù)據(jù)隨時(shí)間緩慢變化的幅度，對(duì)應(yīng)的是熱像儀的時(shí)間低頻噪聲。

熱像儀工作過(guò)程中由于自身發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致光機(jī)結(jié)構(gòu)部件和探測(cè)器殼體的溫度逐漸升高，熱像儀所處環(huán)境溫度變化或周圍空氣流動(dòng)也會(huì)引起熱像儀自身溫度變化，這些因素都會(huì)導(dǎo)致熱像儀內(nèi)輻射的變化。由于光機(jī)結(jié)構(gòu)部件和探測(cè)器殼體具有一定的熱容，所以它們的溫度變化比較緩慢，因此熱像儀內(nèi)輻射的變化是時(shí)間低頻噪聲的主要來(lái)源。

如前文所述，僅采用內(nèi)輻射標(biāo)定的方法抑制熱像儀的低頻時(shí)間噪聲有其局限性，如果實(shí)際使用環(huán)境的溫度或空氣流動(dòng)條件與出廠前標(biāo)定的試驗(yàn)條件不一致，就會(huì)使內(nèi)輻射標(biāo)定方法的效果打折扣。為了解決這個(gè)問(wèn)題，發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)在熱像儀視場(chǎng)范圍內(nèi)設(shè)置了黑體參考源。如前文的分析，引入黑體參考源在理論上可以消除熱像儀內(nèi)輻射變化對(duì)目標(biāo)測(cè)溫結(jié)果的影響，從而使熱成像系統(tǒng)的漂移和波動(dòng)指標(biāo)滿足表1中測(cè)溫結(jié)果不確定度的要求。

3.2.2 空間非均勻性

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫對(duì)象與黑體參考源成像于探測(cè)器傳感器陣列的不同位置（如圖3所示），測(cè)溫對(duì)象一般成像于圖像中心區(qū)域，黑體參考源成像于圖像四角區(qū)域，因此在圖像不同區(qū)域間存在的空間非均勻性會(huì)影響黑體參考源對(duì)測(cè)溫結(jié)果的修正效果。文獻(xiàn)[10]對(duì)發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)提出了空間非均勻性的要求，其實(shí)質(zhì)是為了確保整個(gè)成像視場(chǎng)范圍內(nèi)的一致性。

文獻(xiàn)[10]對(duì)空間非均勻性U的測(cè)試方法與要求是：取紅外圖像中心和四角共5個(gè)位置，在整個(gè)圖像上再隨機(jī)選取至少24個(gè)位置，將黑體校準(zhǔn)源依次成像于選取出的這些位置，記錄測(cè)得的溫度，所有選取位置測(cè)量結(jié)果中的最大值和最小值的差異不能超過(guò)0.2℃。從測(cè)試方法可以看出，這里的空間非均勻性實(shí)際上對(duì)應(yīng)的是熱像儀的空間低頻噪聲。紅外圖像空間低頻噪聲的來(lái)源主要有兩個(gè)，一是由于紅外光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率在空間分布上存在非均勻性，導(dǎo)致來(lái)自外界的紅外輻射經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后在空間分布上發(fā)生變化；二是由于產(chǎn)生內(nèi)輻射的光機(jī)結(jié)構(gòu)部件與探測(cè)器傳感器陣列的相對(duì)位置關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致內(nèi)輻射在探測(cè)器傳感器陣列上的空間分布存在非均勻性。采用標(biāo)準(zhǔn)的兩點(diǎn)校正法可以校正熱像儀的空間低頻噪聲，對(duì)于發(fā)熱篩查應(yīng)用而言，建議兩點(diǎn)校正標(biāo)定時(shí)選取的黑體溫度分別為20℃、50℃，既可以完全覆蓋人體表面皮膚溫度范圍，又兼顧了使用環(huán)境溫度和熱像儀發(fā)熱的影響。紅外光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率對(duì)探測(cè)器傳感器陣列接收外界紅外輻射的影響是乘性的，兩點(diǎn)校正法的增益系數(shù)矩陣可以校正紅外光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率的非均勻性。內(nèi)輻射對(duì)探測(cè)器傳感器陣列接收紅外輻射的影響是加性的，因此通過(guò)兩點(diǎn)校正法的偏移系數(shù)矩陣可以抑制內(nèi)輻射帶來(lái)的空間低頻噪聲。

熱像儀在實(shí)際工作過(guò)程中是通過(guò)擋片校正來(lái)獲得偏移系數(shù)矩陣的，根據(jù)檔片安裝位置的不同可分為外擋片和內(nèi)擋片兩種形式，安裝位置如圖4所示。擋片安裝在鏡頭之外時(shí)被稱為外擋片，顯然用外擋片獲得的偏移校正系數(shù)矩陣包含了全部?jī)?nèi)輻射因素，因此可以完全消除內(nèi)輻射帶來(lái)的空間低頻噪聲。內(nèi)擋片位于探測(cè)器和熱像儀的光機(jī)結(jié)構(gòu)之間，用內(nèi)擋片獲得的偏移校正系數(shù)矩陣只包含了探測(cè)器殼體的內(nèi)輻射，而不包含熱像儀光機(jī)結(jié)構(gòu)的內(nèi)輻射，因此單純依靠?jī)?nèi)擋片無(wú)法消除源于光機(jī)結(jié)構(gòu)的空間低頻噪聲。從上述分析可以看出，采用外擋片的熱像儀更容易滿足空間非均勻性U的要求，因而也更容易滿足測(cè)溫準(zhǔn)確性的要求。但是外擋片比內(nèi)擋片的結(jié)構(gòu)形式更復(fù)雜，體積也更大，會(huì)給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定挑戰(zhàn)，因此現(xiàn)在不少?gòu)S家采用內(nèi)擋片形式的熱像儀，事先對(duì)熱像儀光機(jī)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的空間低頻噪聲進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算得到校正數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在熱像儀內(nèi)部，實(shí)際工作時(shí)需要在兩點(diǎn)校正法的基礎(chǔ)上結(jié)合事先標(biāo)定得到的校正數(shù)據(jù)，才能對(duì)空間低頻噪聲獲得較好的校正效果。

采用外擋片執(zhí)行兩點(diǎn)校正法的熱成像系統(tǒng)，其空間非均勻性指標(biāo)較容易滿足表1中測(cè)溫結(jié)果不確定度的要求；采用內(nèi)擋片執(zhí)行兩點(diǎn)校正法的熱成像系統(tǒng)，需要按照實(shí)際使用的環(huán)境溫度范圍對(duì)熱像儀的內(nèi)輻射進(jìn)行精確的標(biāo)定，才能夠滿足表1中測(cè)溫結(jié)果不確定度的要求。熱像儀所處環(huán)境的溫度變化或空氣擾動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致熱像儀的內(nèi)輻射發(fā)生變化，從而引起空間低頻噪聲的改變。因此不論是采用外擋片還是內(nèi)擋片，均需要在工作過(guò)程中定期執(zhí)行擋片校正操作，使偏移系數(shù)矩陣跟隨空間低頻噪聲的變化。在兩次擋片校正的間隔期，要盡量避免熱像儀周圍的空氣擾動(dòng)，以保持內(nèi)/外擋片校正后的效果。

3.2.3 最小可分辨溫差（minimum resolvable tempera-ture difference，MRTD）

MRTD指標(biāo)涵蓋了熱像儀成像的所有客觀因素和觀察者的主觀因素，同時(shí)反映了熱像儀的靈敏度和空間分辨率性能。文獻(xiàn)[10]要求發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的MRTD指標(biāo)不能大于0.1℃，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)MRTD的說(shuō)明，實(shí)際上是要求熱像儀對(duì)黑體參考源的溫度分辨率達(dá)到0.1℃。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)還規(guī)定了黑體參考源的成像面積不小于20×20像素且不大于人臉成像面積的10%。因此該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是要求熱像儀對(duì)于中等空間頻率目標(biāo)的溫度分辨率達(dá)到0.1℃，其側(cè)重考察的是熱像儀的溫度分辨率而非空間分辨率。

熱像儀的MRTD指標(biāo)主要由紅外光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器決定，對(duì)于中等空間頻率的目標(biāo)，MRTD指標(biāo)幾乎不受紅外光學(xué)系統(tǒng)制約，而主要由探測(cè)器的噪聲決定。因?yàn)槿搜劬哂蟹e分效應(yīng)，所以探測(cè)器的時(shí)間噪聲對(duì)MRTD測(cè)試結(jié)果影響較小，MRTD主要受探測(cè)器空間噪聲的影響。對(duì)于黑體參考源這類中等空間頻率的測(cè)試目標(biāo)，影響MRTD的主要是探測(cè)器的空間中頻噪聲。目前主流非制冷探測(cè)器的空間中頻噪聲都遠(yuǎn)小于0.1℃，因此基于主流非制冷探測(cè)器的熱像儀的MRTD指標(biāo)可以滿足表1中測(cè)溫結(jié)果不確定度的要求。

3.2.4 黑體參考源

黑體參考源是發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的重要組成部分。由于人體皮膚的發(fā)射率obj＝0.98，因此式(9)中的(1－obj)×amb4對(duì)目標(biāo)溫度影響較小。實(shí)際使用中一般將黑體參考源溫度設(shè)置為接近人體皮膚的溫度35℃，此時(shí)式(9)中的tot1和tot2很接近，根據(jù)式(9)計(jì)算出來(lái)的目標(biāo)溫度obj就近似等于黑體溫度ref，因此ref的準(zhǔn)確性就決定了測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確性。假如黑體的實(shí)際準(zhǔn)確溫度與其讀數(shù)顯示值偏差了0.1℃，就意味著計(jì)算得到的目標(biāo)溫度結(jié)果與其準(zhǔn)確值也會(huì)近似偏差0.1℃。文獻(xiàn)[10]在綜合考慮各種影響測(cè)溫結(jié)果的因素后，對(duì)黑體參考源的溫度準(zhǔn)確性給出了表1中的定量要求。因此在選擇用于發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的黑體參考源時(shí)，要特別注意黑體參考源的溫度精度和溫度穩(wěn)定性指標(biāo)。應(yīng)采用高精度面源黑體輻射源，確認(rèn)其性能指標(biāo)在33℃～40℃這個(gè)很窄的溫度段內(nèi)可以滿足表1中對(duì)ER的要求。目前用于人體測(cè)溫應(yīng)用的黑體參考源必須針對(duì)人體溫度范圍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才可滿足這些要求。例如國(guó)內(nèi)較知名的武漢凱爾文光電技術(shù)有限公司的JQ-D70Z熱成像人體測(cè)溫黑體[15]，其溫度精度達(dá)到0.2℃，穩(wěn)定性達(dá)到0.1℃，滿足表1中測(cè)溫結(jié)果不確定度對(duì)于黑體的要求。在實(shí)際使用中仍需特別關(guān)注黑體參考源的溫度精度與穩(wěn)定性，建議每次在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)要先對(duì)黑體參考源進(jìn)行溫度準(zhǔn)確性檢查，確認(rèn)無(wú)誤后方可開(kāi)始發(fā)熱篩查工作。

3.2.5 其他影響因素

文獻(xiàn)[10]沒(méi)有對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確性模型中的其他影響因素others給出定量要求，但為了確保發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性，有必要對(duì)其他影響因素進(jìn)行研究，并采取有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施。

1）使用環(huán)境的影響

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫精度要求很高，因此對(duì)環(huán)境的影響很敏感。環(huán)境溫度的波動(dòng)、空氣流動(dòng)、干擾熱源等因素都會(huì)影響系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性。

環(huán)境溫度波動(dòng)和空氣流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致熱像儀溫度變化進(jìn)而使內(nèi)輻射發(fā)生變化，也不利于黑體參考源的穩(wěn)定，還會(huì)造成被測(cè)人員體表溫度的改變，這些都對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確性帶來(lái)不利影響。因此發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的安放位置就顯得非常重要，安放處的環(huán)境溫度應(yīng)盡量穩(wěn)定，并避開(kāi)空氣流動(dòng)，遠(yuǎn)離自然或人工造成的空氣對(duì)流區(qū)域。在室內(nèi)使用時(shí)，其安放位置應(yīng)避開(kāi)建筑物的大門(mén)口、窗戶、空調(diào)出風(fēng)口等空氣流動(dòng)明顯的區(qū)域。發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)不能直接在空曠的室外環(huán)境中使用，如果必須在室外使用則應(yīng)搭建帳篷等臨時(shí)封閉空間，將系統(tǒng)置于其中工作。

使用環(huán)境中還可能存在一些與人體測(cè)溫?zé)o關(guān)的干擾熱源，如陽(yáng)光、加熱器、強(qiáng)光照明（如白熾燈、鹵素?zé)?、石英燈等）、電子設(shè)備等，這些干擾熱源發(fā)出的紅外輻射如果進(jìn)入熱像儀，經(jīng)由熱像儀的光學(xué)和結(jié)構(gòu)部件的漫反射等過(guò)程，高溫的干擾熱源很可能對(duì)熱像儀的測(cè)溫結(jié)果造成干擾，因此發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的成像視場(chǎng)選擇非常重要。設(shè)定熱像儀鏡頭的朝向時(shí)，既要避免干擾熱源直接進(jìn)入熱像儀的成像視場(chǎng)范圍，也要避免干擾熱源經(jīng)過(guò)環(huán)境反射后進(jìn)入熱像儀的成像視場(chǎng)范圍。盡量避免讓熱像儀正對(duì)玻璃或物體的光滑表面，如無(wú)法完全避免，則應(yīng)在玻璃或物體表面覆蓋反射率低的遮光材料。

2）被測(cè)目標(biāo)生理特征的影響

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)能否準(zhǔn)確快速地篩查出發(fā)熱人員，除了與熱成像系統(tǒng)自身有關(guān)外，還與被測(cè)人員體表溫度的生理特征密切相關(guān)。

熱成像技術(shù)通過(guò)非接觸方式測(cè)量人體表面溫度時(shí)，測(cè)溫部位的選擇十分重要。一般選擇面部皮膚作為測(cè)溫對(duì)象，一方面是因?yàn)槊娌科つw比較薄，血管緊鄰皮膚表面，因而面部皮膚溫度接近人體內(nèi)部溫度；另一方面，面部皮膚顯然比身體其他部位的皮膚更便于測(cè)量。從生理角度看，面部適用于測(cè)溫的部位主要包括前額、太陽(yáng)穴、內(nèi)眼角。內(nèi)眼角部位的溫度相對(duì)更接近人體內(nèi)部溫度[16]，然而內(nèi)眼角區(qū)域面積很小，又容易被眼鏡遮擋；太陽(yáng)穴區(qū)域位于面部?jī)蓚?cè)且面積也較小，不易被熱像儀捕獲到；前額區(qū)域位于面部正面且面積較大，因此發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)基本都選取前額作為測(cè)溫部位。

皮膚是人體內(nèi)部與環(huán)境之間熱交換的介質(zhì)，皮膚表面溫度受人體自身和環(huán)境的影響。被測(cè)人員出汗、運(yùn)動(dòng)、服藥、吹空調(diào)等行為會(huì)導(dǎo)致血管舒張或收縮，使皮膚溫度偏離人體內(nèi)部溫度，這時(shí)發(fā)熱篩查檢測(cè)的正確性會(huì)受到影響。人剛從熱環(huán)境進(jìn)入冷環(huán)境時(shí)或者出汗時(shí)都不應(yīng)立即進(jìn)行溫度檢測(cè)，因此發(fā)熱篩查檢測(cè)通道的設(shè)計(jì)也很重要，例如設(shè)置回形隔離帶，可以使被測(cè)人員在穩(wěn)定環(huán)境中停留一段時(shí)間后再接受檢測(cè)，從而降低人員自身生理因素對(duì)測(cè)溫結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)用于人體測(cè)溫時(shí)面臨諸多影響因素，除了上述已討論的各項(xiàng)主要因素外，還存在一些影響較小的因素，例如熱像儀對(duì)于紅外輻射響應(yīng)特性的穩(wěn)定性（其主要由紅外探測(cè)器的信號(hào)響應(yīng)特性決定）。目前主流非制冷紅外探測(cè)器的溫度分辨率已達(dá)到0.04℃，但諸多影響因素疊加在一起的綜合性影響遠(yuǎn)超探測(cè)器的溫度分辨率，導(dǎo)致目前業(yè)內(nèi)公認(rèn)的人體測(cè)溫準(zhǔn)確性指標(biāo)為0.5℃。接下來(lái)的研究工作應(yīng)針對(duì)表1中影響測(cè)溫準(zhǔn)確性的各項(xiàng)因素分別進(jìn)行分析與優(yōu)化，任何一項(xiàng)影響因素的減弱都有助于提高發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)采用基于熱輻射原理的非接觸式測(cè)溫方法，測(cè)溫效率高，適于在人流量大的場(chǎng)所進(jìn)行快速發(fā)熱篩查，在以發(fā)熱為特征的流行病防疫中發(fā)揮了重要作用。熱像儀根據(jù)探測(cè)器接收到的熱輻射實(shí)現(xiàn)測(cè)溫，來(lái)自熱像儀光機(jī)結(jié)構(gòu)和探測(cè)器殼體的內(nèi)輻射會(huì)干擾探測(cè)器輸出的數(shù)據(jù)，影響測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確性。發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)通過(guò)采用外置黑體參考源的方式來(lái)對(duì)熱像儀的內(nèi)輻射影響進(jìn)行校正，使其滿足人體測(cè)溫的精度要求。文獻(xiàn)[10]給出了人體測(cè)溫的準(zhǔn)確性模型，詳細(xì)描述了與測(cè)溫準(zhǔn)確性有關(guān)的五方面指標(biāo)及要求，包括漂移與波動(dòng)、空間非均勻性、MRTD、黑體參考源、其他因素等。漂移與波動(dòng)對(duì)應(yīng)的是熱像儀的時(shí)間低頻噪聲，通過(guò)在測(cè)溫算法中引入黑體參考源可以抑制熱像儀的時(shí)間低頻噪聲；空間非均勻性對(duì)應(yīng)的是熱像儀的空間低頻噪聲，采用基于外擋片的兩點(diǎn)校正法可以有效消除空間低頻噪聲的影響；對(duì)MRTD、黑體參考源的指標(biāo)要求在現(xiàn)有技術(shù)條件下較容易滿足；對(duì)使用環(huán)境和被測(cè)目標(biāo)生理特征的影響因素也應(yīng)嚴(yán)格控制。在采取上述措施后，發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)可以滿足文獻(xiàn)[10]提出的0.5℃的人體測(cè)溫準(zhǔn)確性要求。

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Analysis of Temperature Measurement Accuracy in Fever-Screening Thermograph

FENG Tao1，JIN Weiqi1，SI Junjie2

(1.,,,,100081,;2.,471009,)

The development and system composition of a fever-screening thermograph and the basic principle of a thermal imager’s temperature measurement are introduced. It is observed that the thermal imager’s internal radiation clearly influences the accuracy of the temperature measurement. This paper introduces an evaluation model for the temperature measurement accuracy of a fever-screening thermograph and its main parameters. By analyzing the relationship between these parameters and the thermal imager noise, the blackbody reference source, and the environment, the temporal and spatial low-frequency noise of the thermal imager are found to be the key factors affecting the accuracy of the temperature measurement. Moreover, the influence of temporal low-frequency noise can be eliminated using a blackbody reference source, and the influence of spatial low-frequency noise can be eliminated using the two-point correction method based on an external shutter. Thus, the fever-screening thermograph can meet the accuracy requirements of human body temperature measurement.

fever screening thermograph, internal radiation, accuracy of temperature measurement, temporal noise, spatial noise

TN215

A

1001-8891(2021)10-0917-08

2021-08-19；

2021-09-09.

馮濤（1977-），男，高級(jí)工程師，博士研究生，主要從事紅外焦平面探測(cè)器及紅外熱成像技術(shù)研究。E-mail：tao.feng@139.com.

金偉其（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事夜視與紅外技術(shù)、光電圖像處理、光電檢測(cè)與儀器的教學(xué)和研究。E-mail：jinwq@bit.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（61231014）；教育部博士點(diǎn)基金優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目（20131101130002）。