素说心语 | 疫情防控中的红外遥感体温测量基本原理

卷首语

为深入落实全国教育大会“在增强综合素质上下功夫，教育引导学生培养综合能力，培养创新思维”的指导思想，提高青年学子的身心素质、人文素养和科普素能，“浙大微学工”专门开设“素说心语”专栏，促进学生全面发展，让心灵更丰盈、精神更饱满、人格更完善、能力更彰显。

新冠肺炎疫情席卷全球，每个人的生活节奏都被打乱。由于我国实施的各项强有力防控措施，国内疫情得到有效控制，各行各业都在有序恢复当中，很多同学也已经重新返回了久违的校园。但是疫情防控仍然面临很多挑战，体温筛查仍然是一项重要的疫情防控措施。相信我们每位同学在出入机场、车站、校区、食堂等公共场所，几乎只要是有门的地方，都会被要求测量体温。那么怎样才能既保障安全又保证效率地进行快速体温筛查呢？这就是我们今天要给大家介绍的红外遥感体温测量基本原理。

01

非接触式遥感测量

我们一般测量体温使用的体温计通常都需要与我们的身体紧密接触5~10分钟才能得到结果，常见的有水银体温计和电子温度计（如图1ab）。这是一种直接接触式测量方法，虽然精度很高，但是每次使用需要消毒和等待，操作起来费时费力，而且水银体温计使用时还存在断裂等风险。如果用这样的测量方式在公共场所入门处进行体温筛查，很显然根本无法满足通行需求。

今天，我们有了更加快速的测温工具。同学们在校园里可能每天都会被一把像“枪”一样的东西扫描测量体温，一秒钟就能快速得到结果，而且不需要与我们的身体发生接触，这就是非接触遥感测量方法。它以波为桥梁，联系探测器与被测目标，我们每个人的眼睛和耳朵就是最典型的“遥感设备”。现代生活中，遥感探测器无处不在，上天有卫星，下海有声纳，每个人的手机还有摄像头，它们通过远距离非接触式的探测方式获取各种各样的信息来支撑我们的生产生活，而红外遥感测温器就是这其中的一种（如图1cde）。

a. 水银体温计

b. 电子体温计

c. 耳温枪

d. 手持测温枪

e. 红外成像仪

图1：常见体温测量仪器

02

红外遥感测温原理

由于分子的热运动，一切高于绝对零度（-273℃）的物体都会通过其表面向外发射电磁波。不同的物质会对电磁波进行有选择性的吸收、反射和辐射，所以通过分析电磁波信息可以反演出很多目标的属性信息，比如温度。根据波长，我们将电磁波人为划分成了不同的波段，以便于描述和研究（如图2）。如我们人只能看到波长在380nm~760nm间的电磁波，因此这个波段范围被称为可见光。所以红外遥感指的就是利用红外波段（760nm~1mm）的电磁波进行非接触式遥感测量的技术方法。

图2：电磁波谱图

1859年，基尔霍夫通过实验发现在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收率之比只和波长与温度有关（Kirchhoff laws），即任意物体的辐出度等于其吸收率与黑体（只吸收不发射的理想体）辐出度之积。1879年，斯特潘和玻尔兹曼分别从理论及实验共同得出一个定律：绝对黑体总辐出度与其温度的四次方成正比（Stefan-Boltzmann law）。因此，我们能通过接收目标辐射出的红外波段电磁波能量, 利用已知黑体辐射参数推算出目标的表面温度。

那么，为什么是选择红外波段作为测温的探测波段呢？1893年，维恩发现：任意物体辐射曲线峰值随温度升高向短波方向移动(Wien displacement law)（如图3）。由于地球表面温度大致分布在100-1000，所以选择1~100μm波长的电磁波是比较合适的。当物体温度继续升高，其辐出电磁波可能变为可见光而被人眼所察觉，这就是为什么经验丰富的炼钢工人还能通过颜色去判断钢铁的温度。

图3：黑体辐射光谱图

03

体温测量注意事项

 红外遥感测温虽然快速大面积同步测温，但是遥感探测只能接收到目标表面辐出电磁波，且电磁波在传输过程中容易受到干扰，很难达到直接接触式测量的准确性。它的特点是相对精度较高而绝对精度低，即目标表面温度分布的相对关系非常准确，而绝对温度数值具有不确定性。因此红外遥感体温测量不适用于作为医疗诊断使用，适合作为初步筛选和排除的工具。

国家温度计量器具技术委员会也有具体的红外测温指导意见，总的原则在测量时应尽量保持环境稳定，贴近温度稳定且平衡状态下的物体表面，如刚刚出露的被衣物覆盖的手腕表面。至于大家为什么都喜欢对着脑门儿测量，大概是因为这样的动作比较酷。

结语

请输入

随着科技的进步，我相信一定会有更加准确且快速的测温工具出现。大家近期可能更多地接触到了红外遥感测温技术，而这只是我们强有力抗疫措施中的很小一部分。我们都知道，更多的是医护工作者冲在前线救治患者，科学家们通力合作研发疫苗，产业工人们加班加点赶制物资，快递小哥们不辞辛劳保障我们的宅家生活，各行各业都在贡献着自己的力量，其实我们每一个人都是参与其中的战斗者，也就是要求每个人都要在自己的岗位上做出贡献，发挥价值，建设祖国。

地球科学学院供稿

本文作者：苏程，浙江大学地球科学学院教师，从事遥感与地理信息系统的科研与教学。

图：来源于网络

美术编辑 ：求是潮新闻资讯中心 麦香鱼

“

推荐阅读