使用热成像技术测量筛查人体体温的原理及问题

因为疫情缘故,世界各地都陷入恐慌和无序中。在日常生产生活中,这次疫情初步的判定筛选标准就是体温超过37.3℃。于是各种红外测温设备在疫情防护中展露头脚,发挥越来越多的作用。可是很重要的一个问题,很多人都注意到了,为什么很多红外测温设备,测量出来的人体温差别那么大,红外测温真实可靠吗?对疫情防护真的有帮助吗?
要了解事情的真相,我们先从红外测温的原理说起。

原理

任何物体只要它的温度高于绝对零度(-273.15℃),就会向外部发射热辐射,同时也吸收其他物体发射的热辐射,物体温度不同,其辐射出的能量也不同,且辐射波的波长也不同,但总是包含着红外辐射在内。1000℃度以下的物体,其热辐射中最强的电磁波是红外波,所以对物体自身红外辐射的测量,便能准确测定它的表面温度。
基尔霍夫定律(热辐射定律)认为:在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收率之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关。

黑体

如果有一个物体,已知他的辐射能量和吸收能量之比,那用这个物体做标准,探测出附近目标物体辐射的热量,我们就能反推出他的表面温度(反推的过程,方法有很多)。这个作为标准的物体被称为绝对黑体,简称黑体。

黑体

黑体是这样定义的:它能够在任何温度下将辐射到它表面上的任何波长的能量全部吸收。这意味着黑体的辐射热量和吸收热量的比值为1。
因为黑体的这个特性,在实际测温中,可以把黑体用来作为标准,来测量其他物体温度。
黑体的标定可以在生产环节进行,也可以在现场环境中在线标定。但这仅仅是理论上,在实际环节中,有多方面原因会影响到温度测量的精确度。

影响人体测温准确性的因素

通过以上分析,如果测量一个人的体温,会有以下三个方面影响测量温度的准确性:人体本身,热量传输过程,红外探测器。

人体本身温度

  • 环境温度会影响人体体温。
  • 不同的运动状态会影响人的体温,比如刚跑完步,人的体温会偏高。
  • 人体早晚会有温差,凌晨最低,下午达到最高,然后又逐渐下降。女性体温一般略高于男性体温。
  • 人体体表不同地方温度不一样。额头的表面无遮挡、毛细血管分布密集、温度分布比较均匀,是较好的测温点。
    上面说到黑体的辐射率是1,用黑体做标准,人体的大约是0.98,近似于黑体(实际黑体也很难达到1),所以有些实际测温中,直接把人当黑体来处理。这种办法也未尝不可。
    常见物质的发射率

热量传输过程

物体发射的热能只同温度和波长有关,同时红外波段集中了绝大部分的辐射能量。要探测温度,我们无需探测全波段的能量,只用研究红外波段。
物体的红外辐射与大气的穿透性和波长有很大关系。很幸运,上帝给我们开了几扇窗(学名:红外大气窗口),主要的大气窗口包括包括 2μm -2.6μm,3μm~ 6μm 和 8μm~14μm。红外热成像技术就是在利用红外辐射的“大气窗口”。(很多红外探测器选择锗玻璃镜头就是因为,锗玻璃在2-16μm波段具有很好的透光性能,且化学性质稳定。)
红外辐射大气窗口

虽然是窗口,但透射比还是没有达到1,所以热辐射受距离影响会有一定的衰减。距离近时,我们把问题简化,忽略掉影响;距离远时,红外电磁波在空气中传播会受到二氧化碳等气体的吸收,造成能量衰减,需要考虑相应的温度补偿。

红外探测器

将热辐射转换为电信号常用的有两类探测器:A 基于热电堆(热电偶)的探测器;B 基于电阻微测辐射原理的探测器。

基于热电堆(热电偶)的探测器

额温枪、人脸测温平板大多采用这种方案。常见的厂家品牌有迈来芯、海曼、安费诺,台湾的众智以及大陆的上海烨映等。

基于热电堆(热电偶)的探测器

基于电阻微测辐射原理的探测器

热敏电阻受红外辐射影响,会产生温度改变,进而改变电阻阻值,读出由电阻阻值改变造成的电压变化即可获得红外辐射的数值。

基于电阻微测辐射原理的探测器
热成像仪多采用这种原理,一般工业和医用的多为非制冷型,军事领域一般多用制冷型。按热敏电阻材料不同,又有采用氧化钒(VOx)的方案和非晶硅(α-Si))的方案。这里领军的企业有国际上的FLIR 、ULIS,国内的高德红外、大立科技、睿创微纳、海康微影(海康威视子公司)等。

考虑的问题

从热成像探测器得到的信号和物体温度不是线性关系,所以问题很复杂,我们很难得到比较准确的人体温度。但是我们可以从以下几个方面去努力:

  • 把人当黑体,通过AI算法,做好测温区域的选择,确定好实时在线标定的策略,有些AI测温摄像机采用这种做法。
  • 把黑体加入到应用场景,实时在线定标。这种办法虽然麻烦,成本大,但是测量的数据比较准确,实际精度能达到±0.3℃。
    目前广州地铁有部分出入口采用的是这种方式。这是比较负责的做法。

加入黑体的人体红外测温筛查

  • 使用黑体定标,还有一个时效性问题。一般在室内温度,环境都比较稳定,一次定标以后可以比较长时间使用这个标准。但是如果环境,温度随着时间变化了,那就需要重新定标。比如海康某款手持测温热像仪标注测温精度≤±0.3℃,特别注明了单次标定半小时内有效。
  • 不加黑体,红外热成像仪测温精度目前最好应该能到±0.5℃。普通额温枪精度一般是±0.3℃,而推荐的最佳测试距离是3cm-5cm。现在一些人脸测温平板为了人脸识别的需要,建议的最佳测试距离是0.5-15m。测温距离远了,精度肯定下降。需要有比较好的办法补偿。
  • 热成像仪领军企业FLIR不建议把热成像设备用来直接测量读取人体体温,他们提供了另一个思路。使用热成像摄像机把人群中体温偏高的人找出来,然后再二次测温确认。定量测试很困难,但是定性却比较容易。

    It’s true that a person’s general skin temperature is typically not equal to the person’s core temperature. That doesn’t detract from the use of thermal cameras to detect elevated skin temperatures, however. Thermal cameras are useful in this role because the goal is not to measure absolute skin temperature, but to differentiate people who have an elevated skin temperature compared to others while also considering the environmental conditions of the location.

  • 关于37.3℃这个温度标准问题。体温≥37.3℃的人员需要隔离,这个标准是医学方面的专家提出来的,因为体温≥37.3℃属于发烧了。实际操作中,我们用红外测温设备测试时是否也把标准定为37.3℃,这个问题需要思考下。
  • 人脸识别摄像模组和热成像芯片整合到一起,考虑散热问题。需要保证热成像芯片周围温度稳定,不因长时间工作,导致芯片周边温度升高,影响探测精度。

参考资料:

  1. 绝对黑体
  2. 红外测温这些事
  3. 多人测温·人脸跟踪——朗驰欣创重磅发布智能双光体温筛查仪ND99H
  4. FLIR: Efficient, Effective High-Traffic Area Screening
  5. 海康威视手持测温热像仪
  6. 非接触式红外测温仪使用说明
  7. 超高精度人体测温 大华股份用科技筑牢防疫堡垒
红外热成像仪的主要参数 Microsoft相关的有用资源

评论

Your browser is out-of-date!

Update your browser to view this website correctly. Update my browser now

×