崔強(qiáng)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(yàn)檢疫局 北京 100026）

紅外測溫技術(shù)及其在檢驗(yàn)檢疫中的應(yīng)用

崔強(qiáng)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(yàn)檢疫局 北京 100026）

通過對(duì)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(jí)改造，可實(shí)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(yàn)跨境運(yùn)輸?shù)蜏乇４娴膭?dòng)植物源性生物材料和特殊物體增添了新的有效方法，填補(bǔ)了業(yè)內(nèi)空白，對(duì)原有檢疫查驗(yàn)?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(yàn)檢疫；特殊物品

1 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人員流動(dòng)加快，在機(jī)場、港口等國境口岸等人員密集場所，經(jīng)常會(huì)有人員發(fā)熱。早期對(duì)流動(dòng)人員的體溫監(jiān)測，主要依靠人工進(jìn)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(dòng)植物源性生物材料時(shí)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(chǔ)存，且伴隨出入境人員在國際間跨境傳播，對(duì)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(xiǎn)[1-4]。

人體體溫監(jiān)測主要是利用紅外測溫技術(shù)實(shí)時(shí)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(duì)現(xiàn)有的紅外測溫技術(shù)進(jìn)行軟、硬件升級(jí)改造，增加其對(duì)低溫物品的發(fā)現(xiàn)、報(bào)警、監(jiān)測功能，為檢疫人員查驗(yàn)低溫保存的物品開辟新的查驗(yàn)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(duì)零度（-273℃）的物體，每時(shí)每刻都會(huì)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生、以電磁波形式傳遞的能量，輻射強(qiáng)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(duì)物體輻射的紅外能量進(jìn)行采集、量化，然后根據(jù)量化結(jié)果計(jì)算出物體溫度。

紅外探測器是一種能對(duì)紅外輻射信號(hào)進(jìn)行量化的設(shè)備，是整個(gè)紅外測溫技術(shù)的核心，主要用于采集紅外輻射信號(hào)并量化，其核心部件是紅外焦平面陣列（FPA）。FPA采集到強(qiáng)弱不等的紅外輻射信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過電壓放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理，可將FPA上每個(gè)像素點(diǎn)的能量信息，量化為一個(gè)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(hào)強(qiáng)弱不等，最終量化出的AD值也不同。因此，可將不同的AD值對(duì)應(yīng)到不同的溫度，得到一個(gè)AD值/溫度映射表——溫度曲線。測溫時(shí)，根據(jù)某點(diǎn)的AD值，在溫度曲線上找到該AD值對(duì)應(yīng)的溫度，即為該點(diǎn)的實(shí)際溫度，見圖1。

圖1 理想測溫模型

假設(shè)測溫對(duì)象的實(shí)際溫度為T0，F(xiàn)PA采集、量化測溫對(duì)象的紅外輻射能量，得到AD值；通過在溫度曲線，查找AD對(duì)應(yīng)的溫度T1，即為測溫結(jié)果（圖2）。理想情況下，T0=T1。實(shí)際情況下，T0與T1之間會(huì)存在偏差，通過改進(jìn)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(duì)象AD值與溫度直接映射，形成溫度曲線。在實(shí)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(huì)導(dǎo)致快門和鏡筒溫度逐漸升高?？扉T溫度升高會(huì)造成補(bǔ)償時(shí)本底溫度增加，即B值增大；鏡筒溫度升高會(huì)增加對(duì)探測器的熱輻射，即X值的增大（圖3）。這兩個(gè)因素都會(huì)導(dǎo)致溫度測量的不準(zhǔn)確，為保證測溫的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行溫漂校正。

圖3 實(shí)際測溫模型1

為保證測溫準(zhǔn)確性，引入一個(gè)參考對(duì)象——黑體，通常，黑體的溫度是一個(gè)已知量。另外，溫度曲線不是被測對(duì)象AD值與溫度直接的直接映射，而是由被測對(duì)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(duì)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(jì)算△AD=△AD2-△AD1；

第三步：根據(jù)T0，確定AD1在溫度曲線上的坐標(biāo)點(diǎn)P1；

第四步：以P1為起始點(diǎn)，根據(jù)△AD在溫度曲線上移動(dòng)，找到△AD2對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的溫度T2；

第五步：T2即為被測對(duì)象的溫度。

圖4 實(shí)際測溫模型2

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

（1）黑體溫度波動(dòng)。

黑體作為測溫的參考對(duì)象，通常設(shè)定為一個(gè)定值。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)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(huì)上下波動(dòng)；在設(shè)計(jì)測溫系統(tǒng)時(shí)，需要將其成設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)：黑體實(shí)際溫度通過溫度傳感器測量出來后，實(shí)時(shí)傳遞給工作主機(jī)。

（2）紅外熱邊緣效應(yīng)。

紅外探測器在工作過程中，會(huì)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(duì)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(huì)比T2高。實(shí)際使用過程中，最嚴(yán)重的情況下，T1會(huì)比T2高2℃左右，嚴(yán)重影響測溫精度。在實(shí)際使用過程中，曾出現(xiàn)以下現(xiàn)象：旅客在由遠(yuǎn)到近的過程中，被測出的體溫逐漸升高。原因?yàn)椋郝每驮谶h(yuǎn)距離位置時(shí)，額頭出現(xiàn)在畫面的中心部分；旅客在近距離位置時(shí)，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(yuǎn)距離時(shí)要高，由此導(dǎo)致誤報(bào)警。

要想獲取準(zhǔn)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(duì)均勻反射物體時(shí)，熱邊緣現(xiàn)象最明顯。采集此時(shí)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(duì)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(bào)。

3 紅外測溫技術(shù)的應(yīng)用

目前，紅外測溫技術(shù)在檢驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(gè)步驟：紅外探測器采集被測對(duì)象紅外信號(hào)，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(shí)際結(jié)果。

體表/體內(nèi)溫度映射表是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，需要大量的人體測溫實(shí)驗(yàn)才能得到 （通過水銀溫度計(jì)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(duì)應(yīng)的體內(nèi)溫度各不相同，需要通過一定方法，對(duì)映射值進(jìn)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(bào)警閾值進(jìn)行比較，當(dāng)測量溫度高于報(bào)警閾值時(shí)，測溫系統(tǒng)抓拍被測對(duì)象的紅外圖片及可見光圖片并保存。根據(jù)實(shí)際需要，報(bào)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(yán)重發(fā)熱。不同報(bào)警檔位系統(tǒng)會(huì)給出不同的聲光報(bào)警提示，檢驗(yàn)檢疫人員根據(jù)報(bào)警結(jié)果，對(duì)發(fā)熱人員進(jìn)行分類處理[8-10]。

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

2003年上半年開始，“非典”疫情在全國范圍內(nèi)迅速蔓延。面對(duì)日益嚴(yán)峻的疫情形勢，口岸檢疫查驗(yàn)工作面臨巨大的考驗(yàn)，第一代紅外人體測溫技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在全國各重點(diǎn)機(jī)場、口岸投入使用。此項(xiàng)技術(shù)在快速識(shí)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(huì)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(bào)；系統(tǒng)有效測溫視場較小，只有在固定點(diǎn)測溫，才能取得相對(duì)較好的測溫效果。針對(duì)這些不足，改進(jìn)后的系統(tǒng)，測溫精度大大提高，能達(dá)到±0.4℃的人體測溫誤差要求；檢測視場范圍擴(kuò)大，被測人員無需站在固定點(diǎn)即可完成體溫檢測。

2009年，甲型H1N1流感疫情在全球肆虐。此時(shí)全國口岸檢驗(yàn)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(diǎn)，可同時(shí)檢測多個(gè)目標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2009年4月25日至12月31日，全國口岸檢驗(yàn)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(dá)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(qiáng)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(duì)低溫物體進(jìn)行測溫后，直接使用體表溫度與低溫報(bào)警閾值進(jìn)行比較，當(dāng)測溫結(jié)果低于報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)做出低溫報(bào)警響應(yīng)。

2016年1月，北京首都國際機(jī)場檢驗(yàn)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(jìn)行人體體溫監(jiān)測的同時(shí)，可以實(shí)時(shí)對(duì)旅客隨身攜帶的低溫物體進(jìn)行監(jiān)測、報(bào)警。目前，口岸檢驗(yàn)檢疫部門對(duì)旅客攜帶物采用的查驗(yàn)?zāi)Ｊ街饕捎肵光掃描技術(shù)，輔助以人員開箱查驗(yàn)、檢疫犬查驗(yàn)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(duì)低溫物品無效、檢疫犬查驗(yàn)效果不穩(wěn)定等。紅外低溫監(jiān)測設(shè)備對(duì)低溫保存物品具有很強(qiáng)的靈敏性，可以迅速甄別低溫物品，并發(fā)出聲光報(bào)警，為主動(dòng)查驗(yàn)低溫保存的動(dòng)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(jī)掃描技術(shù)，北京首都國際機(jī)場口岸未檢出動(dòng)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(dòng)植物源性生物材料和特殊物品，檢出率高達(dá)56%。

北京首都國際機(jī)場口岸引進(jìn)的紅外低溫監(jiān)測設(shè)備為口岸檢驗(yàn)檢疫行業(yè)首次，為查驗(yàn)旅客攜帶低溫保存物品增添了新的有效方法，填補(bǔ)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(jìn)一步改進(jìn)和廣泛應(yīng)用，在口岸檢疫工作中，對(duì)動(dòng)植物源性生物材料及特殊物品的檢出率會(huì)大大提升，阻斷未知的疫病疫情隨此類物品跨境傳播，維護(hù)國門生物安全大局具有重大的社會(huì)意義。

4 結(jié)語

紅外測溫技術(shù)在檢驗(yàn)檢疫工作中的應(yīng)用，在增加傳染病疫情檢出率的同時(shí)可以大大降低檢疫查驗(yàn)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(duì)原有設(shè)備新用途、使用新領(lǐng)域的積極探索。通過對(duì)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(jí)改造，實(shí)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(bǔ)了業(yè)內(nèi)空白，對(duì)原有檢疫查驗(yàn)?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(yàn)跨境運(yùn)輸?shù)蜏乇４娴膭?dòng)植物源性生物材料和特殊物體增添了新的有效方法，大大提高了口岸截獲未經(jīng)申報(bào)入境的特殊物品和動(dòng)植物源性生物材料的概率，成效非常顯著，對(duì)在國境口岸構(gòu)建國門第一道安全防線，阻止外來風(fēng)險(xiǎn)入侵，維護(hù)國內(nèi)民眾安全具有重大意義。

致謝：謹(jǐn)在此感謝楊文、李白云、王超、黃建忠、孫劍、王育強(qiáng)等同志對(duì)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(xiǎn)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(jì)校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)：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(jì)劃項(xiàng)目 （2016IK007）

2016-12-19