科技抗“疫”武漢艾崴紅外測溫技術在檢驗抗疫中應用
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隨著社會經濟的快速發展，人員流動加快，在機場、港口等國境口岸等人員密集場所，經常會有人員發熱。早期對流動人員的體溫監測，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，紅外測溫技術開始應用於國境口岸衛生檢疫，並逐漸普及，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現，主要有微生物、生物製品類、人體組織類、血液及其製品等。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，對我國公共衛生安全、國家生物、生態安全等諸多領域帶來巨大威脅和風險。
人體體溫監測主要是利用紅外測溫技術實時監測出入境旅客體溫是否高於正常體溫，而旅客攜帶的特殊物品一般都需要低溫保存，根據這一特性，對現有的紅外測溫技術進行軟、硬件升級改造，增加其對低溫物品的發現、報警、監測功能，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。
紅外測溫技術原理
1800年，英國物理學家赫胥爾發現紅外輻射現象：自然界中一切溫度高於絕對零度（-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是熱輻射，是一種由熱運動產生、以電磁波形式傳遞的能量，輻射強度由物體的溫度和表麵的輻射率決定。根據這一原理，可以對物體輻射的紅外能量進行采集、量化，然後根據量化結果計算出物體溫度。
紅外探測器是一種能對紅外輻射信號進行量化的設備，是整個紅外測溫技術的核心，主要用於采集紅外輻射信號並量化，其核心部件是紅外焦平麵陣列（FPA）。 FPA采集到強弱不等的紅外輻射信號後，將其轉換為電信號，再經過電壓放大、A/D轉換等處理，可將FPA 上每個像素點的能量信息，量化為一個14位的數字，稱為AD值。 在不考慮非均勻性的前提下，由於 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，根據某點的 AD 值，在溫度曲線上找到該 AD 值對應的溫度，即為該點的實際溫度，見圖 1。
假設測溫對象的實際溫度為T0，FPA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對應的溫度T1，即為測溫結果（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，可以使偏差接近於 0。
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後， 內部產生的熱量會導致快門和鏡筒溫度逐漸升高。快門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。
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 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△AD 在溫度曲線上移動，找到△AD2 對應坐標的溫度 T2；
第五步：T2 即為被測對象的溫度。
紅外測溫技術在實際應用中， 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， 通常設定為一個定值。 在係統實際運行過程中，黑體受日照、風吹、空調製冷等外部因素，溫度會上下波動；在設計測溫係統時，需要將其成設計一個閉環係統：黑體實際溫度通過溫度傳感器測量出來後，實時傳遞給工作主機。
（2）紅外熱邊緣效應。
紅外探測器在工作過程中，會出現 FPA 四角及周邊溫度高於中心溫度的現象。 假設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，由於邊緣熱效應，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，曾出現以下現象：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，額頭出現在畫麵的中心部分；旅客在近距離位置時，額頭出現在畫麵的上邊緣，受邊緣熱效應影響，測出的溫度比在遠距離時要高，由此導致誤報警。
要想獲取準確的測溫結果， 必須消除紅外熱邊緣效應。 研究表明：探測器正對均勻反射物體時，熱邊緣現象最明顯。采集此時的熱邊緣數據作為模板，經去邊緣熱效應算法處理之後， 能夠得到相對均勻的紅外圖像本底。 處理後的均勻紅外圖像本底，經分析溫差低於 0.2℃，適用於人體測溫，能有效消除誤報。
武漢艾崴紅外測溫技術的應用
目前，紅外測溫技術在檢驗檢疫行業中主要用於紅外人體測溫與紅外低溫監測。紅外人體測溫主要用於篩查發熱等體溫異常人群，測溫精度要求較高，國家標準為±0.3℃；紅外低溫監測主要用於篩查旅客攜帶的低溫物體，測溫精度要求遠低於人體測溫，測溫誤差能保證在 2℃以內即可。
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值經溫度曲線映射，得到體表溫度；體表溫度經體表/體內溫度映射表，得到體內溫度，即為人體測溫實際結果。
體表/體內溫度映射表是一個經驗值，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，同一體表溫度對應的體內溫度各不相同，需要通過一定方法，對映射值進行修正，使最終測溫結果誤差在±0.3℃以內。
完成人體測溫之後，將測溫結果與設定的報警閾值進行比較，當測量溫度高於報警閾值時，測溫係統抓拍被測對象的紅外圖片及可見光圖片並保存。根據實際需要， 報警閾值可分為多檔：37℃-38.5℃為輕度發熱，38.5℃-39.5為中度發熱，39.5℃以上為嚴重發熱。不同報警檔位係統會給出不同的聲光報警提示，檢驗檢疫人員根據報警結果，對發熱人員進行分類處理。
紅外人體測溫報警，除了與報警閾值相關外，還與檢測的像素點個數有關。人體高溫部分 （通常為額頭）在紅外圖像中會占若幹個像素點，為避免單個像素點的跳變（通常為 FPA 自身原因）引起誤報，通常會設定最小像素點。如，隻有當相鄰的4-6個像素點，溫度都超過報警閾值時，才認為是有效的發熱症狀。像素點個數設置過少，會引起誤報；像素點個數設置過多，會導致漏報。
據《安檢之家》了解2003年上半年開始，“非典”疫情在全國範圍內迅速蔓延。麵對日益嚴峻的疫情形勢，口岸檢疫查驗工作麵臨巨大的考驗，第一代紅外人體測溫技術應運而生，在全國各重點機場、口岸投入使用。此項技術在快速識別發熱人員，篩查“非典”疑似患者工作中發揮了積極作用，取得了良好的社會效果。
然而第一代紅外測溫技術，也暴漏出一些明顯問題：測溫精度誤差較大，係統本身溫度誤差大於±0.4℃，導致誤報；係統有效測溫視場較小，隻有在固定點測溫，才能取得相對較好的測溫效果。針對這些不足，改進後的係統，測溫精度大大提高，能達到±0.4℃的人體測溫誤差要求；檢測視場範圍擴大，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備，改良後的產品具有測溫精度高、檢測視場大、檢測速度快等特點，可同時檢測多個目標。據統計，從2009年4月25日至12月31日，全國口岸檢驗檢疫部門共發現輸入性甲型 H1N1流感病例1029例，占國內輸入性病例的45.5%，深圳、珠海、浙江、四川、廈門、福建等口岸發現輸入性確診病例比例達 70%以上。不斷優化的紅外測溫技術，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，正在發揮著不可替代的作用，為檢疫人員提供了強有力的技術保障。
紅外低溫監測
紅外低溫監測的過程比紅外人體測溫略簡單：對低溫物體進行測溫後， 直接使用體表溫度與低溫報警閾值進行比較，當測溫結果低於報警閾值時，係統做出低溫報警響應。
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測設備， 該套設備與原有的紅外測溫儀集成與一體， 在進行人體體溫監測的同時， 可以實時對旅客隨身攜帶的低溫物體進行監測、報警。 目前，口岸檢驗檢疫部門對旅客攜帶物采用的查驗模式主要采用 X 光汽車掃描技術，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定等。 紅外低溫監測設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，並發出聲光報警，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。
數據顯示，2015 年同期采用X光機汽車掃描技術，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，使用紅外低溫監測設備後，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測設備為口岸檢驗檢疫行業首次，為查驗旅客攜帶低溫保存物品增添了新的有效方法，填補了業內空白。可以預見，隨著紅外低溫監測設備的進一步改進和廣泛應用，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。
紅外測溫技術在檢驗檢疫工作中的應用，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。紅外低溫監測設備在檢疫檢疫工作中的應用，是對原有設備新用途、使用新領域的積極探索。通過對原有紅外測溫技術使用領域的新拓展和軟、硬件的升級改造，實現將紅外測溫技術應用於監測入出境旅客隨身攜帶的低溫保存物品，填補了業內空白， 對原有檢疫查驗模式產生變革性影響。此類紅外低溫監測設備的研發和試用，為檢疫查驗跨境運輸低溫保存的動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，對在國境口岸構建國門第一道安全防線，阻止外來風險入侵，維護國內民眾安全具有重大意義。