热成像传感器系统（文中福利）

carlshen1989 2021-12-24

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众所周知电子产品有许多应用，它们使我们的生活更舒适、更安全，热成像摄像机越来越多地受到业内人士的重视，特别是在2019新冠疫情爆发之后。

该病毒在全球迅速蔓延，给公共卫生、粮食系统和日常工作带来了前所未有的挑战，并导致全世界人口急剧丧失；就业机会暴跌，数百万人的生计处于危险之中。面对这场危机，找到一种从远处快速测量体温的方法(包括同时扫描一群人，而不干扰他们的活动)，对于控制这场灾难非常重要。这是因为体温升高是病毒感染的常见症状之一，因此，有效识别发烧者的能力有助于控制冠状病毒传播。而热成像传感器是赋予我们这种能力的核心技术。

热成像传感器

但什么是热成像传感器，热成像摄像机如何让我们远距离测量体温的呢？这一切问题都困扰着之前的科学家，而现在一切都变得“稀松平常”。热成像传感器是一种微机电系统(MEMS)芯片，包括一系列对长波红外电磁辐射(LWIR)敏感的探测器，波长在8-14微米之间。所有在0开尔文以上的物体和所有生物都在这个光谱范围内发出辐射，这种辐射的强度代表了它们的表面温度。

与波长在400至700纳米之间的可见光不同，人眼是看不见长波红外辐射的。然而，组成热成像仪阵列的探测器能够通过以可测量的方式改变其性质来响应入射红外热，例如，通过改变其电阻或由于塞贝克效应产生电压输出。这些信号经过电路被放大和转换，最终转换成实际的温度值。因此，每个热探测器都可以快速的捕捉自己视场内物体的表面温度，然后利用其内置的二维平面像素阵列来获取类似于灰阶图像，而且每个像素代表场景的热度而不是传统意义的亮度。

图1: 可视相机图像与热成像相机图像

上述图像可以通过下面图中的红外热成像芯片捕捉到。

图2: Meridian Innovation 80 × 62分辨率长波红外热成像芯片和模块

人体体温的测量

我们前面已经说过，热成像仪可以测量视场中物体的表面温度。而现在的问题是，我们是否可以利用热成像仪中的信息来确定人体的体温。在回答之前，让我们回顾一下，体温一般是用水银或数字温度计测量的，这些温度计必须与身体的隐蔽部位接触，因为隐蔽部位的温度与内部器官的温度非常接近。目前医疗上最准确的体温测试是通过直肠来测量（舌下和腋下普遍会比体内问题低0.3~0.6摄氏度）

图3: Boots 接触式温度计(l)(来源: Meridian Innovation)和前额温度计

但是现在又不一样了，接触式温度计的局限性已经被不同类型的非接触式红外线感应温度计的发展所克服，我们设计出不同种类和大小的红外温度计来对于人体上各种器官进行测量。例如额头测温枪和耳道远端的鼓室温度计、颞动脉温度计等。但是这些设备都有或多或少的问题：

1.他们有一个单一的长波红外探测器，用来感应皮肤温度，采用体硅热电堆技术。

2.根据测得的表面温度、环境温度和传热方程，计算出来的核心体温

3.温度计必须放置在非常接近皮肤的地方(最多几厘米) ，即使是不接触式的但是也不能离得太远。

用于探测高温的热成像摄像机

另一方面，热成像相机是围绕前面描述的热成像传感器建造的，因为要获得更加清晰的图片，所以使用的探测器不仅要小型化，而且还要让灵敏的探测器具有更短的响应时间，所以不仅可以捕捉静态场景，而且视频流的帧速率也从1提升至30帧率/秒。

另外还要再加上一个特殊的镜头，通常有一个至少40 ° 的角度视场，这项技术可以捕捉复杂的，动态的热场景，包括在同一时间多个人，往往距离可以在50厘米到几米之间。对于初学者来说，探测器只能感知皮肤表面的温度。同前额温度计一样，核心体温必须根据人体的某些生物物理模型来计算，现在的问题是用哪个像素作为皮肤温度的代表，因为热成像仪以多个像素解析人脸，温度读数的变化可能超过1 ° c。

此外，诸如镜头的瑕疵、摄像机与被摄物体之间的视角、面罩、遮脸发型、眼镜等因素，都会导致温度读数有些不准确。这就是热图像处理和分析的关键作用发挥的地方，各种误差大多具有系统性质，可以根据热成像中的”多余”信息予以补偿。然而，这使得用于发热探测的热成像相机的设计变得相当复杂，需要对热成像传感器的特性有详细的了解，对热成像学和一些生物物理学有很好的理解，当然，还需要精通图像和数据分析。