CN102151125A - 猪只群体体温分布监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种猪只群体体温分布监测系统及方法，涉及发热疫情监测技术领域。该系统包括：光学镜头，反射以及透射探测区域内每一点的红外光线；红外探测器，设置在光学镜头的透射光路上，实时获取探测区域内每一点的红外信号，并将其转换为电信号输出；信号采集及处理模块，串行读出所述红外探测器输出的电信号，并对其进行处理，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块；数据处理及显示模块，采用实时定标方式，对光学镜头内部的黑体进行测定和定标，并根据数字化阵列信号以及猪只的发射率，反演探测区域内的温度分布图像并显示。本发明的系统及方法可对探测区域内的每个猪只及猪只每个部位的温度进行连续在线的监测。

Description

猪只群体体温分布监测系统及方法

技术领域

本发明涉及发热疫情监测技术领域，尤其涉及一种在线猪只群体体温分布监测方法。

背景技术

近年来，我国大部分地区的养猪业不断受到疫情的侵袭。在猪只的疫情中，伴有发热症状的疫情占有很大的比重，如猪蓝耳病、猪口蹄疫等，均伴有明显的局部或总体体温升高现象。而且，在许多疾病中，尤其是患有传染病时，体温升高往往较其他症状更早出现。因此，对猪只的发热型疫情进行在线监测和及时预警，是养猪业避免经济损失、提高生产效率的必要途径。

然而，目前尚无针对猪只发热型疫情的有效监测方法，大中型养猪场目前均采用逐只测量猪直肠温度的方式对发热型疫情进行判断和预警(猪体温的测量，养殖技术顾问，2008，1，72-73)。测体温前在兽用体温计的末端系一条长10-15厘米的细绳，在细绳的另一端系一个小铁夹。测量前先将水银柱甩至35℃刻度线以下，并对体温计用酒精棉球、碘酊进行消毒，涂少许润滑剂；然后将体温计插入猪只直肠内，用小铁夹夹住猪尾根上方的毛以固定温度计。10分钟后取出体温计，用酒精棉将其擦净迅速读出测量的体温数。该方法需逐一对猪只的体温进行测量，每只猪体温测量约需12分钟，如果对一个猪舍的100只猪进行测量，共需20小时。在根据猪只的体温情况判断是否患有发热型疫情。虽然可以实现猪只体温的测量以及实现群体发热型疫情的预警的目的，但有如下缺陷：

(1)费时，测量一百只猪的体温需要20小时，在大型养殖场使用较难，每天需专人耗费大量时间进行测量；

(2)费力，操作过程较为复杂，对操作人员熟练程度有一定的要求；

(3)只能在猪只静止情况下测量，如果猪只不配合、或在测量过程中运动，会对测量造成影响甚至不能完成测量；

(4)只能测量猪只的直肠温度，如果发热症状表现在猪耳、四肢等其他部位，则不能通过此方法实现测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种非接触式的在线猪只群体体温分布监测方法，可对探测区域内的每个猪只及猪只每个部位的温度进行连续在线的监测。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种猪只群体体温分布监测系统，该系统包括：光学镜头，用于反射以及透射探测区域内每一点的红外光线；红外探测器，设置在所述光学镜头的透射光路上，用于实时获取探测区域内每一点的红外信号，并将其转换为电信号输出；信号采集及处理模块，与所述红外探测器相连，用于串行读出所述红外探测器输出的电信号，并对其进行处理，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块；数据处理及显示模块，与所述信号采集及处理模块相连，用于采用实时定标方式，对所述光学镜头内部的黑体进行测定和定标，并根据所述数字化阵列信号以及猪只的发射率，反演探测区域内的温度分布图像并显示。

其中，所述红外探测器为以多晶硅材料为基底的焦平面红外探测器。

其中，所述信号采集及处理模块包括：信号采集单元，与所述红外探测器相连，用于串行读出所述红外探测器输出的电信号，并对其进行放大及滤波处理；信号处理单元，与所述信号采集单元相连，用于对放大及滤波处理后的信号逐一进行模数转换，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块。

其中，所述信号采集及处理模块与所述数据处理及显示模块通过USB接口连接，或通过以太网连接。

其中，所述光学镜头中透射材料为硒化锌晶体，反射材料镀铝。

其中，该系统还包括：发射率测量模块，与所述数据处理及显示模块相连，用于测量猪只在设定波段内的发射率，并将所述发射率发送至所述数据处理及显示模块。

其中，所述发射率测量模块为：红外光谱仪以及可控温度的标准黑体辐射源。

本发明还提供了一种基于上述系统的猪只群体体温分布监测方法，该方法包括步骤：

S1.红外探测器实时获取经光学镜头反射以及透射后的探测区域内每一点的红外信号，并将其转换为电信号输出；

S2.信号采集及处理模块串行读出所述红外探测器输出的电信号，并对其进行处理，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块；

S3.数据处理及显示模块采用实时定标方式，对所述光学镜头内部的黑体进行测定和定标，并根据所述数字化阵列信号以及猪只的发射率，反演探测区域内的温度分布图像并显示。

其中，步骤S2包括：

S2.1信号采集单元串行读出所述红外探测器输出的电信号，并对其进行放大及滤波处理；

S2.2信号处理单元对放大及滤波处理后的信号逐一进行模数转换，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块。

其中，步骤S3包括步骤：

S3.1采用实时定标方式，对所述光学镜头内部的黑体进行测定和定标；

S3.2根据所述数字化阵列信号以及猪只的发射率，获得探测区域内每一猪只的表观温度；

S3.3根据步骤S3.1的定标结果，对步骤S2得到的表观温度进行辐射率修正，得到探测区域内每一猪只的真实温度，生成探测区域温度分布图像并显示；

其中，根据下式对黑体进行标定及计算猪只的表观温度：

V＝RaεσT⁴＝KT⁴

T为待测物体的绝对温度

R为红外探测器的灵敏度

a为与大气衰减距离有关的常数

ε为发射率，定标时ε取1；

σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。

其中，该方法还包括步骤：确定猪只在设定波段内的发射率。

(三)有益效果

本发明的系统及方法可以以非接触方式，在一定距离(如40m)对猪只群体的体温分布情况进行监测；不仅获得猪只个体体温，而且可以获得猪只群体体温的分布图像，从而同时对猪只个体、猪只的不同部位温度进行探测；弥补了原有测温方法的不足，视场可以调节，从而对不同规格、不同距离和范围的目标进行监测。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的猪只群体体温分布监测系统结构框图；

图2为依照本发明一种实施方式的猪只群体体温分布监测方法流程图。

具体实施方式

本发明提出的猪只群体体温分布监测系统及方法，结合附图及实施例详细说明如下。

本发明的基本原理是黑体辐射定律。自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即：

$M_{\mathrm{\λ}}=\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\•\frac{1}{e^{C_2/\mathrm{\λ}}-1}---\left(1\right)$

由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式：

V＝RaεσT⁴＝KT⁴               (2)

式中K＝Raεσ，由实验确定；

T为猪只的绝对温度；

R为探测器的灵敏度；

a为与大气衰减距离有关的常数；

ε为发射率，定标时ε取1；

σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。

因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系，V与T的四次方成正比，所以要进行线性化处理。线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度。

如图1所示，依照本发明一种实施方式的猪只群体体温分布监测系统包括：

光学镜头4，用于反射以及透射探测区域内每一点的红外光线，设置光学镜头4以调节视场以及探测距离，便于不同规格的探测区域使用。本发明采用手动设定探测距离以及观测范围、自动计算焦距的方式，实现光学镜头4的自适应。其中的透射材料为硒化锌ZnSe晶体，反射材料镀铝，满足8μm-14μm波段红外光线的透射和反射需要。

红外探测器5，设置在光学镜头的透射光路上，用于实时获取探测区域内每一点的红外信号，并将其转换为微弱电信号输出。本发明的目的是获得探测区内的猪只群体的温度分布情况，即温度分布图像，因此需获得阵列红外信号辐射特性。因此，红外探测器5优选地采用多晶硅材料的焦平面红外探测器，在常温下工作，响应波段为8μm-14μm。

信号采集及处理模块，与红外探测器5相连，用于串行读出红外探测器5输出的信号，并对其进行处理，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块3。该模块进一步包括：

信号采集单元6，与红外探测器5相连，由于探测器输出信号为阵列信号，且较为微弱，在μV数量级，因此该信号采集单元6用于串行(顺序)读出红外探测器5输出的信号，并对其进行放大及滤波处理，将微弱信号调理为可被模数转换器接受的范围；

信号处理单元7，与信号采集单元6相连，用于采用高速信号采集方法，对放大及滤波处理后的信号逐一进行模数转换，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块。

发射率测量模块，与数据处理及显示模块3相连，由于热辐射量与温度、被测物发射率均有关系，因此需确定猪只体表发射率，才可准确测量温度，因此该模块用于预先测量猪只在设定波段(8μm-14μm)内的发射率，并将发射率发送至数据处理及显示模块3。

数据处理及显示模块3，与信号采集及处理模块相连，用于采用实时定标方式，对光学镜头3内部的黑体进行测定和定标，同时测量猪只群体的红外辐射信号以及标准黑体辐射源的红外信号，并根据数字化阵列信号以及探测区域内每一猪只的发射率，扣除本地噪声基础上反演探测区域内的温度分布图像并显示。该发射率测量模块为：红外光谱仪以及可控温度的标准黑体辐射源。

本发明还提供了一种基于上述系统的猪只群体体温分布监测方法，如图2所示，该方法包括步骤：

S1.红外探测器实时获取经光学镜头反射以及透射后的探测区域内每一点的红外信号并输出；

S2.信号采集及处理模块串行读出所述红外探测器输出的信号，并对其进行处理，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块；

S3.数据处理及显示模块采用实时定标方式，对所述光学镜头内部的黑体进行测定和定标，并根据所述数字化阵列信号以及猪只的发射率，反演探测区域内的温度分布图像并显示。

其中，步骤S2包括：

S2.1信号采集单元串行读出所述红外探测器输出的信号，并对其进行放大及滤波处理；

S2.2信号处理单元对放大及滤波处理后的信号进行模数转换，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块。

步骤S3包括步骤：

S3.1采用实时定标方式，对所述光学镜头内部的黑体进行测定和定标；

S3.2根据所述数字化阵列信号以及探测区域内每一猪只的发射率，获得探测区域内每一猪只的表观温度；

S3.3根据步骤S3.1的定标结果，对步骤S2得到的表观温度进行辐射率修正，得到探测区域内每一猪只的真实温度，生成探测区域温度分布图像并显示；

其中，根据式(2)对黑体进行标定及计算猪只的表观温度。

该方法还包括步骤：

确定猪只在设定波段内的发射率。

实施例1

本实施例的系统用于大中型养殖场的猪只发热型疫情在线监测与预警。通过本发明的系统及方法，可通过非接触方式获得猪只群体的温度情况，即获得猪只群体的体温分布图像，可实现连续、在线的温度监测，当发现某一只猪温度异常，即可进行隔离、治疗等处理，从而对发热型疫情实现预警。

如图1所示，设畜舍1宽度为10m，在20m处安装本实施例的监测系统，对猪只2的体温分布情况进行监测。

其中，在距离猪只20m处安装红外光学镜头4，视场角应为2×arctan(5/20)＝28.07°，依据此视场角调节光学镜头4的结构，使探测范围的红外光线入射到镜头中。光学镜头4后固化以多晶硅材料为基底材料的焦平面探测器5，面阵为160*120。在探测器5后端设计信号采集单元6，将探测器5输出的信号串行读出，并进行放大、滤波等处理。利用信号处理单元7对调理后的模拟电信号进行采集。信号采集及处理模块与数据处理及显示模块3通过USB接口连接，采集到的热辐射信息实时通过USB线缆8上传到数据处理及显示模块3。设本实施例中猪只体表发射率为0.75，用此发射率将热辐射图像反演为温度分布图像。测量过程中对镜头内部的黑体进行测定，进行定标处理，从而扣除系统本身噪声。根据最终获得的温度图像，对猪只的发热型疫情进行预警。

本实施例的系统可实现养殖场中猪只发热型疫情的快速预警。当出现某头猪只体温异常时，对猪只进行隔离和治疗；当群体出现体温异常时，在饲料中添加药物。从而达到疫情的早期诊断的预测，有效避免经济损失。

实施例2

如图1所示，设畜舍宽度为30m，在50m处安装本实施例的监测系统，对猪只的体温分布情况进行监测。

其中，在距离猪只50m处安装红外光学镜头4，视场角应为2×arctan(15/50)＝33.4°，依据此视场角调节镜头结构，使探测范围的红外光线入射到镜头中。在光学镜头4后固化以多晶硅材料为基底材料的焦平面探测器5，面阵为384*288。在探测器5后端设计信号采集单元6，将探测器5输出的信号串行读出，并进行放大、滤波等处理。利用信号处理单元7对调理后的模拟电信号进行采集。信号采集及处理模块与数据处理及显示模块3通过以太网接口连接，采集到的热辐射信息实时通过网线上传到数据处理及显示模块3。设本实施例中猪只体表发射率为0.69，用此发射率将热辐射图像反演为温度分布图像。测量过程中对镜头内部的黑体进行测定，进行定标处理，从而扣除系统本身噪声。根据最终获得的温度图像，对猪只的发热型疫情进行预警。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种猪只群体体温分布监测系统，其特征在于，该系统包括：

光学镜头，用于反射以及透射探测区域内每一点的红外光线；

红外探测器，设置在所述光学镜头的透射光路上，用于实时获取探测区域内每一点的红外信号，并将其转换为电信号输出；

信号采集及处理模块，与所述红外探测器相连，用于串行读出所述红外探测器输出的电信号，并对其进行处理，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块；

数据处理及显示模块，与所述信号采集及处理模块相连，用于采用实时定标方式，对所述光学镜头内部的黑体进行测定和定标，并根据所述数字化阵列信号以及猪只的发射率，反演探测区域内的温度分布图像并显示。

2.如权利要求1所述的猪只群体体温分布监测系统，其特征在于，所述红外探测器为以多晶硅材料为基底的焦平面红外探测器。

3.如权利要求1所述的猪只群体体温分布监测系统，其特征在于，所述信号采集及处理模块包括：

信号采集单元，与所述红外探测器相连，用于串行读出所述红外探测器输出的电信号，并对其进行放大及滤波处理；

信号处理单元，与所述信号采集单元相连，用于对放大及滤波处理后的信号逐一进行模数转换，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块。

4.如权利要求1所述的猪只群体体温分布监测系统，其特征在于，所述信号采集及处理模块与所述数据处理及显示模块通过USB接口连接，或通过以太网连接。

5.如权利要求1所述的猪只群体体温分布监测系统，其特征在于，所述光学镜头中透射材料为硒化锌晶体，反射材料镀铝。

6.如权利要求1所述的猪只群体体温分布监测系统，其特征在于，该系统还包括：

发射率测量模块，与所述数据处理及显示模块相连，用于测量猪只在设定波段内的发射率，并将所述发射率发送至所述数据处理及显示模块。

7.如权利要求6所述的猪只群体体温分布监测系统，其特征在于，所述发射率测量模块为：红外光谱仪以及可控温度的标准黑体辐射源。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述系统的猪只群体体温分布监测方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.红外探测器实时获取经光学镜头反射以及透射后的探测区域内每一点的红外信号，并将其转换为电信号输出；

S2.信号采集及处理模块串行读出所述红外探测器输出的电信号，并对其进行处理，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块；

S3.数据处理及显示模块采用实时定标方式，对所述光学镜头内部的黑体进行测定和定标，并根据所述数字化阵列信号以及猪只的发射率，反演探测区域内的温度分布图像并显示。

9.如权利要求8所述的猪只群体体温分布监测方法，其特征在于，步骤S2包括：

S2.1信号采集单元串行读出所述红外探测器输出的电信号，并对其进行放大及滤波处理；

S2.2信号处理单元对放大及滤波处理后的信号逐一进行模数转换，得到数字化阵列信号，并将其发送至数据处理及显示模块。

10.如权利要求8所述的猪只群体体温分布监测方法，其特征在于，步骤S3包括步骤：

S3.1采用实时定标方式，对所述光学镜头内部的黑体进行测定和定标；

S3.2根据所述数字化阵列信号以及猪只的发射率，获得探测区域内每一猪只的表观温度；

S3.3根据步骤S3.1的定标结果，对步骤S2得到的表观温度进行辐射率修正，得到探测区域内每一猪只的真实温度，生成探测区域温度分布图像并显示；

其中，根据下式对黑体进行标定及计算猪只的表观温度：

V＝RaεσT⁴＝KT⁴

T为待测物体的绝对温度

R为红外探测器的灵敏度

a为与大气衰减距离有关的常数

ε为发射率，定标时ε取1；

σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。

11.如权利要求8所述的猪只群体体温分布监测方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

确定猪只在设定波段内的发射率。

Images