馮 濤，金偉其，司俊杰

〈綜述與評論〉

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測溫準(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)教育部重點實驗室，北京 100081；2. 中航工業(yè)紅外探測器技術(shù)航空科技重點實驗室，河南 洛陽 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)成及熱像儀測溫的基本原理，指出熱像儀的內(nèi)輻射對測溫準(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)的測溫準(zhǔn)確性評價模型及其主要參數(shù)的要求，逐項分析了這些參數(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)熱像儀的時間低頻噪聲和空間低頻噪聲是影響測溫準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，指出黑體參考源可以消除時間低頻噪聲的影響，基于外擋片的兩點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)滿足人體測溫準(zhǔn)確性要求。

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)；內(nèi)輻射；測溫準(zhǔn)確性；時間噪聲；空間噪聲

0 引言

自2019年12月以來，2019冠狀病毒病（簡稱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家和地區(qū)，確診人數(shù)超過兩億，并已導(dǎo)致其中逾400萬人死亡[1]。COVID-19疫情是近百年來全球最嚴(yán)重的公共衛(wèi)生事件，對人類的身體健康構(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。世界各國在抗擊疫情過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，通過鑒別發(fā)熱者，及時切斷病毒傳染路徑，可以有效阻止疫情傳播[2]。

發(fā)熱篩查的檢測工具主要有3類——水銀體溫計、額溫計、發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)。測量體溫最準(zhǔn)確的當(dāng)屬水銀體溫計，但其測量一次需耗時數(shù)分鐘，無法實現(xiàn)快速篩查，主要用于居家檢測與體溫復(fù)測確認(rèn)。額溫計需要貼近被測對象操作，測量一個人需耗時幾秒鐘，適用于人流量不是特別大的場所，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)，可以同時完成對多人的非接觸式體溫檢測，適用于人流量大的場所，如機(jī)場、火車站、地鐵站、寫字樓、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區(qū)域，除了在現(xiàn)場直接發(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劃，從而降低疾病傳播風(fēng)險，同時也提高了公眾對疫情的警覺度。

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)每天都要對數(shù)量龐大的人群進(jìn)行體溫檢測，必須將漏報率和誤報率控制在很低的水平才具有實用意義。而發(fā)熱者與正常人的體溫差異最低僅有零點幾度，因此發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)需要具有很高的測溫準(zhǔn)確性。熱成像系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確性受到諸多因素的影響，既有來自熱成像系統(tǒng)自身的內(nèi)因，也有來自使用環(huán)境和檢測目標(biāo)的外因。對影響測溫準(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)在實際工作時滿足人體測溫的準(zhǔn)確性要求，切實起到發(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、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，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、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)中國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從2003年4月至6月間，就有三千萬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，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）于2007年、國際電工委員會（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)計規(guī)范，對相關(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別發(fā)熱人體的布置、實施和操作指南》[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、成本相對較低等優(yōu)點，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成反比，溫度越低輻射峰值波長越長，人體表面溫度范圍（35℃～41℃）對應(yīng)的輻射峰值波長大約在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

紅外測溫系統(tǒng)按照測溫對象和應(yīng)用場合的不同，主要分為兩類測溫應(yīng)用——工業(yè)測溫和人體發(fā)熱篩查。這兩類應(yīng)用對于測溫準(zhǔn)確性的要求差別明顯，工業(yè)測溫的準(zhǔn)確性要求是不超過±2℃或被測溫度的±2%（取絕對值大者）[12]，而人體發(fā)熱篩查要求不超過±0.5℃[10]。一般僅依靠熱像儀自身就可以滿足工業(yè)測溫的準(zhǔn)確性要求，但很難滿足人體測溫的要求，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提高熱像儀的測溫準(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范圍內(nèi)，熱像儀同時采集目標(biāo)與黑體參考源的紅外輻射信號，以黑體的紅外輻射數(shù)據(jù)為參考基準(zhǔn)計算得到目標(biāo)的精確溫度。圖2是人體測溫的紅外成像示例[9]，畫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)配套的計算機(jī)。熱像儀通過網(wǎng)絡(luò)接口或USB接口與計算機(jī)連接，將圖像和測溫數(shù)據(jù)實時傳送到計算機(jī)上，經(jīng)過專用軟件處理后在計算機(jī)屏幕上顯示紅外圖像和測溫結(jié)果。計算機(jī)還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、聲光報警等功能。操作人員通過計算機(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)熱像儀測溫精度等。

2 發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測溫方法

2.1 熱像儀測溫的基本原理

熱像儀將其接收到的紅外輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號實現(xiàn)成像和測溫。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率；obj是目標(biāo)的絕對溫度。實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

因此熱像儀對目標(biāo)成像時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)境輻射的等效絕對溫度；atm是大氣的絕對溫度。

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)行合理簡化。由于發(fā)熱篩查時目標(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不易精確計算，可以采用容易獲取的環(huán)境溫度amb來代替refl對目標(biāo)反射的環(huán)境輻射進(jìn)行近似簡化。這種近似簡化帶來的誤差可以忽略，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所，對測溫對象而言，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)，綜合起來的等效環(huán)境總輻射就更接近amb4；更重要的是，由于測溫對象是人體表面皮膚，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所帶來的誤差被進(jìn)一步大幅減小。由此可將式(3)簡化為式(4)：

tot＝obj×obj4＋(1－obj)×amb4(4)

(5)

2.2 內(nèi)輻射對熱像儀測溫的影響

熱像儀是通過其內(nèi)部的紅外探測器將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號的，因此2.1節(jié)中的tot實際上對應(yīng)的是紅外探測器的傳感器陣列接收到的紅外輻射能量。入射到紅外探測器的傳感器陣列上的紅外輻射除了來自熱像儀外界的紅外輻射，還有來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)無關(guān)，主要來源于熱像儀的光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，還包括紅外探測器自己的殼體。熱像儀自身部件對紅外探測器的傳感器陣列產(chǎn)生的紅外輻射通常稱為熱像儀的“內(nèi)輻射”。熱像儀的紅外探測器傳感器陣列接收到的紅外輻射來源組成如圖4所示。

圖4 探測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是熱像儀的探測器傳感器陣列接收到的總紅外輻射；inner是探測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器傳感器陣列，因而對探測器輸出信號的影響較大，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)件與探測器的相對位置等因素有關(guān)，一般很難直接計算得到。熱像儀工作過程中自身會發(fā)熱，同時會受到環(huán)境溫度和周圍空氣流動的影響，導(dǎo)致熱像儀自身溫度發(fā)生漂移與波動，導(dǎo)致內(nèi)輻射inner也隨之變化，其對測溫結(jié)果準(zhǔn)確性的影響很大。目前幾乎所有測溫?zé)嵯駜x在出廠前都必須對內(nèi)輻射的影響進(jìn)行標(biāo)定，在實際使用過程中根據(jù)熱像儀自身溫度的變化對目標(biāo)溫度計算值進(jìn)行修正。這種出廠前對熱像儀內(nèi)輻射進(jìn)行標(biāo)定的方法可大幅降低內(nèi)輻射對測溫結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，其效果在工業(yè)測溫應(yīng)用中已得到驗證，可以滿足±2℃或±2%（取絕對值大者）的測溫精度要求。

2.3 使用黑體參考源對內(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，實際工作時的條件很難與標(biāo)定試驗條件完全一致，這會影響內(nèi)輻射標(biāo)定方法的實際修正效果，導(dǎo)致測溫結(jié)果的偏差。這種偏差對于工業(yè)測溫應(yīng)用尚可接受，但無法滿足發(fā)熱篩查應(yīng)用的要求。為實現(xiàn)人體測溫的高精度要求，發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)通常采用黑體參考源來對熱像儀內(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范圍內(nèi)，參考式(6)，并考慮到黑體發(fā)射率為1，探測器傳感器陣列探測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溫度。因為內(nèi)輻射與目標(biāo)無關(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)的成像視場范圍內(nèi)，因此可以同時得到tot1和tot2，以及式(6)、(8)中的inner。由式(8)得到inner的計算表達(dá)式，代入式(7)中就可以消除內(nèi)輻射對測溫結(jié)果的影響，如式(9)所示：

式中：tot1和tot2分別是熱像儀對被測目標(biāo)和黑體參考源的輸出信號，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，就可以計算出不受內(nèi)輻射影響的目標(biāo)溫度obj。

3 發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確性分析

3.1 發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確性要求

文獻(xiàn)[10]中對發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確性要求是：用熱成像系統(tǒng)測量黑體校準(zhǔn)源的溫度，測量結(jié)果的總偏差不超過0.5℃。測溫準(zhǔn)確性評價模型如下：

式中：ST是熱成像系統(tǒng)對黑體校準(zhǔn)源溫度的測量值；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)測溫結(jié)果的綜合不確定度，包括了影響測溫結(jié)果的所有不確定性因素。發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確性實質(zhì)上由ST決定，其組成參數(shù)的含義及取值要求見表1。

漂移D與波動S表現(xiàn)為熱成像系統(tǒng)輸出信號隨時間的變化，反映的是熱成像系統(tǒng)的時間噪聲；空間非均勻性U表現(xiàn)為熱成像系統(tǒng)在面對均勻輻射時其輸出信號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溫結(jié)果的因素，主要反映的是周圍環(huán)境和被測目標(biāo)對測溫準(zhǔn)確性的影響，因其不好量化所以沒有給出定量要求。

表1 測溫結(jié)果不確定度的組成參數(shù)

3.2 影響測溫準(zhǔn)確性的主要因素分析

3.2.1 漂移與波動

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

熱像儀工作過程中由于自身發(fā)熱會導(dǎo)致光機(jī)結(jié)構(gòu)部件和探測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也會引起熱像儀自身溫度變化，這些因素都會導(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)輻射的變化是時間低頻噪聲的主要來源。

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間噪聲有其局限性，如果實際使用環(huán)境的溫度或空氣流動條件與出廠前標(biāo)定的試驗條件不一致，就會使內(nèi)輻射標(biāo)定方法的效果打折扣。為了解決這個問題，發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)在熱像儀視場范圍內(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)輻射變化對目標(biāo)測溫結(jié)果的影響，從而使熱成像系統(tǒng)的漂移和波動指標(biāo)滿足表1中測溫結(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)的測溫對象與黑體參考源成像于探測器傳感器陣列的不同位置（如圖3所示），測溫對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影響黑體參考源對測溫結(jié)果的修正效果。文獻(xiàn)[10]對發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)提出了空間非均勻性的要求，其實質(zhì)是為了確保整個成像視場范圍內(nèi)的一致性。

文獻(xiàn)[10]對空間非均勻性U的測試方法與要求是：取紅外圖像中心和四角共5個位置，在整個圖像上再隨機(jī)選取至少24個位置，將黑體校準(zhǔn)源依次成像于選取出的這些位置，記錄測得的溫度，所有選取位置測量結(jié)果中的最大值和最小值的差異不能超過0.2℃。從測試方法可以看出，這里的空間非均勻性實際上對應(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源主要有兩個，一是由于紅外光學(xué)系統(tǒng)透過率在空間分布上存在非均勻性，導(dǎo)致來自外界的紅外輻射經(jīng)過光學(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)部件與探測器傳感器陣列的相對位置關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致內(nèi)輻射在探測器傳感器陣列上的空間分布存在非均勻性。采用標(biāo)準(zhǔn)的兩點校正法可以校正熱像儀的空間低頻噪聲，對于發(fā)熱篩查應(yīng)用而言，建議兩點校正標(biāo)定時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)的透過率對探測器傳感器陣列接收外界紅外輻射的影響是乘性的，兩點校正法的增益系數(shù)矩陣可以校正紅外光學(xué)系統(tǒng)透過率的非均勻性。內(nèi)輻射對探測器傳感器陣列接收紅外輻射的影響是加性的，因此通過兩點校正法的偏移系數(shù)矩陣可以抑制內(nèi)輻射帶來的空間低頻噪聲。

熱像儀在實際工作過程中是通過擋片校正來獲得偏移系數(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)矩陣包含了全部內(nèi)輻射因素，因此可以完全消除內(nèi)輻射帶來的空間低頻噪聲。內(nèi)擋片位于探測器和熱像儀的光機(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，因此單純依靠內(nèi)擋片無法消除源于光機(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，會給產(chǎn)品的設(shè)計帶來一定挑戰(zhàn)，因此現(xiàn)在不少廠家采用內(nèi)擋片形式的熱像儀，事先對熱像儀光機(jī)結(jié)構(gòu)帶來的空間低頻噪聲進(jìn)行標(biāo)定，計算得到校正數(shù)據(jù)并存儲在熱像儀內(nèi)部，實際工作時需要在兩點校正法的基礎(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中測溫結(jié)果不確定度的要求；采用內(nèi)擋片執(zhí)行兩點校正法的熱成像系統(tǒng)，需要按照實際使用的環(huán)境溫度范圍對熱像儀的內(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都會導(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，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的說明，實際上是要求熱像儀對黑體參考源的溫度分辨率達(dá)到0.1℃。該標(biāo)準(zhǔn)同時還規(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)實際上是要求熱像儀對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)和探測器決定，對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，而主要由探測器的噪聲決定。因為人眼具有積分效應(yīng)，所以探測器的時間噪聲對MRTD測試結(jié)果影響較小，MRTD主要受探測器空間噪聲的影響。對于黑體參考源這類中等空間頻率的測試目標(biāo)，影響MRTD的主要是探測器的空間中頻噪聲。目前主流非制冷探測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器的熱像儀的MRTD指標(biāo)可以滿足表1中測溫結(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對目標(biāo)溫度影響較小。實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℃，此時式(9)中的tot1和tot2很接近，根據(jù)式(9)計算出來的目標(biāo)溫度obj就近似等于黑體溫度ref，因此ref的準(zhǔn)確性就決定了測溫結(jié)果的準(zhǔn)確性。假如黑體的實際準(zhǔn)確溫度與其讀數(shù)顯示值偏差了0.1℃，就意味著計算得到的目標(biāo)溫度結(jié)果與其準(zhǔn)確值也會近似偏差0.1℃。文獻(xiàn)[10]在綜合考慮各種影響測溫結(jié)果的因素后，對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，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℃這個很窄的溫度段內(nèi)可以滿足表1中對ER的要求。目前用于人體測溫應(yīng)用的黑體參考源必須針對人體溫度范圍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，才可滿足這些要求。例如國內(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中測溫結(jié)果不確定度對于黑體的要求。在實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)啟動時要先對黑體參考源進(jìn)行溫度準(zhǔn)確性檢查，確認(rèn)無誤后方可開始發(fā)熱篩查工作。

3.2.5 其他影響因素

文獻(xiàn)[10]沒有對測溫準(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)的測溫準(zhǔn)確性，有必要對其他影響因素進(jìn)行研究，并采取有針對性的應(yīng)對措施。

1）使用環(huán)境的影響

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

環(huán)境溫度波動和空氣流動會導(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，還會造成被測人員體表溫度的改變，這些都對測溫準(zhǔn)確性帶來不利影響。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，并避開空氣流動，遠(yuǎn)離自然或人工造成的空氣對流區(qū)域。在室內(nèi)使用時，其安放位置應(yīng)避開建筑物的大門口、窗戶、空調(diào)出風(fēng)口等空氣流動明顯的區(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溫?zé)o關(guān)的干擾熱源，如陽光、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)部件的漫反射等過程，高溫的干擾熱源很可能對熱像儀的測溫結(jié)果造成干擾，因此發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)的成像視場選擇非常重要。設(shè)定熱像儀鏡頭的朝向時，既要避免干擾熱源直接進(jìn)入熱像儀的成像視場范圍，也要避免干擾熱源經(jīng)過環(huán)境反射后進(jìn)入熱像儀的成像視場范圍。盡量避免讓熱像儀正對玻璃或物體的光滑表面，如無法完全避免，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，還與被測人員體表溫度的生理特征密切相關(guān)。

熱成像技術(shù)通過非接觸方式測量人體表面溫度時，測溫部位的選擇十分重要。一般選擇面部皮膚作為測溫對象，一方面是因為面部皮膚比較薄，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量。從生理角度看，面部適用于測溫的部位主要包括前額、太陽穴、內(nèi)眼角。內(nèi)眼角部位的溫度相對更接近人體內(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；太陽穴區(qū)域位于面部兩側(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。被測人員出汗、運動、服藥、吹空調(diào)等行為會導(dǎo)致血管舒張或收縮，使皮膚溫度偏離人體內(nèi)部溫度，這時發(fā)熱篩查檢測的正確性會受到影響。人剛從熱環(huán)境進(jìn)入冷環(huán)境時或者出汗時都不應(yīng)立即進(jìn)行溫度檢測，因此發(fā)熱篩查檢測通道的設(shè)計也很重要，例如設(shè)置回形隔離帶，可以使被測人員在穩(wěn)定環(huán)境中停留一段時間后再接受檢測，從而降低人員自身生理因素對測溫結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)用于人體測溫時面臨諸多影響因素，除了上述已討論的各項主要因素外，還存在一些影響較小的因素，例如熱像儀對于紅外輻射響應(yīng)特性的穩(wěn)定性（其主要由紅外探測器的信號響應(yīng)特性決定）。目前主流非制冷紅外探測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)超探測器的溫度分辨率，導(dǎo)致目前業(yè)內(nèi)公認(rèn)的人體測溫準(zhǔn)確性指標(biāo)為0.5℃。接下來的研究工作應(yīng)針對表1中影響測溫準(zhǔn)確性的各項因素分別進(jìn)行分析與優(yōu)化，任何一項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溫方法，測溫效率高，適于在人流量大的場所進(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)探測器接收到的熱輻射實現(xiàn)測溫，來自熱像儀光機(jī)結(jié)構(gòu)和探測器殼體的內(nèi)輻射會干擾探測器輸出的數(shù)據(jù)，影響測溫結(jié)果的準(zhǔn)確性。發(fā)熱篩查熱成像系統(tǒng)通過采用外置黑體參考源的方式來對熱像儀的內(nèi)輻射影響進(jìn)行校正，使其滿足人體測溫的精度要求。文獻(xiàn)[10]給出了人體測溫的準(zhǔn)確性模型，詳細(xì)描述了與測溫準(zhǔn)確性有關(guān)的五方面指標(biāo)及要求，包括漂移與波動、空間非均勻性、MRTD、黑體參考源、其他因素等。漂移與波動對應(yīng)的是熱像儀的時間低頻噪聲，通過在測溫算法中引入黑體參考源可以抑制熱像儀的時間低頻噪聲；空間非均勻性對應(yīng)的是熱像儀的空間低頻噪聲，采用基于外擋片的兩點校正法可以有效消除空間低頻噪聲的影響；對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；對使用環(huán)境和被測目標(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，高級工程師，博士研究生，主要從事紅外焦平面探測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、光電檢測與儀器的教學(xué)和研究。E-mail：jinwq@bit.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金重點項目（61231014）；教育部博士點基金優(yōu)先發(fā)展項目（20131101130002）。