CN112082655A - 一种基于横向剪切干涉信号测量体温的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于横向剪切干涉信号测量体温的方法，依据横向剪切干涉信号非接触测量体温。该方法首先采集无测量对象时的干涉信号，识别背景条纹，采集存在手臂温度影响时的干涉信号，识别测量条纹；依据背景条纹和测量条纹的相位分布，确定手臂温度影响区域的宽度以及造成的相位差分布；采用线性拟合方法确定靠近手臂皮肤位置处的相位差；依据手臂横截面的宽度和高度，结合手臂温度影响区域的宽度和实时测量的环境温度，设定可能的体温范围和步长，遍历设定的体温范围，计算每个温度值对应的相位差；选择计算相位差与已确定的靠近手臂皮肤处相位差最接近的温度值，并依据相邻温度值计算得到的相位差插值确定体温测量结果。

Description

一种基于横向剪切干涉信号测量体温的方法
技术领域
本发明涉及体温测量方法，特别是涉及一种基于横向剪切干涉信号测量体温的方法，属于干涉测温技术领域。
背景技术
体温测量是发现COVID-19疾病的一种有效方式。为了实现防疫的目标，测温设备需要不接触人体皮肤，因此只能采用非接触式测温方法。常用的红外测温枪采集人体发射的热辐射信号，处理产生的电信号，推算被测的人体温度，依据人体自身发射的热辐射信号进行体温测量。但红外测温枪的测量精度有限，具体原因包括：1)操作时测温距离不稳定，环境衰减作用不同，影响热辐射信号的接收；2)人为操作，无法完全垂直于待测皮肤表面，与理想运行工况存在偏差；3)人体体表状况不同，辐射能力存在差异。上述问题涵盖了测量环境、操作过程以及测温原理等多个方面，是红外测温枪无法避免的问题。所以发展一种可靠的非接触式体温测量方法具有重大的实际意义。
发明内容
为了避免基于人体热辐射信号进行体温测量所遇到的问题，本发明提供了一种基于横向剪切干涉信号测量体温的方法，该方法能够基于横向剪切干涉信号可靠地非接触测量体表温度。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于横向剪切干涉信号测量体温的方法，该方法包括如下步骤：
1)采集无测量对象时的干涉信号，识别背景条纹，确定相位分布；
2)采集存在手臂温度影响时的干涉信号，识别测量条纹，确定相位分布；
3)测量并记录环境温度；
4)依据背景条纹和测量条纹的相位分布，确定手臂温度影响区域的相位差分布，确定手臂温度影响区域的宽度；
5)依据相位差分布，采用线性拟合方法，确定靠近手臂皮肤处的相位差；
6)设定可能的体温范围为30℃至42℃，以0.1℃为步长，遍历设定的体温范围，共121个温度值。依据手臂横截面的宽度和高度，结合手臂温度影响区域的宽度和环境温度，通过公式(Ⅰ)计算每个温度值对应的相位差：
Figure BDA0002628923860000021
式中，T为温度，T0为环境温度，λ为波长，p为大气压强，M为气体分子量，K为气体折射系数，R为理想气体常数，L为手臂温度影响区域的宽度，w为手臂横截面宽度，h为手臂横截面高度，xb和yb分别为手臂面上距离离散点(xi,h/2)最近点的横坐标和纵坐标，Δx为离散微元的长度；
7)结合已确定的靠近手臂皮肤处相位差，选择使公式(Ⅱ)最小的温度值：
f(T)＝|θmea-θcal，T| (Ⅱ)
式中，θmea为测量并拟合得到的靠近手臂皮肤处相位差，θcal,T为体温为T时通过公式(Ⅰ)计算得到的相位差。选择计算相位差与靠近手臂皮肤处相位差最接近的温度值，并依据相邻温度值计算得到的相位差插值确定体温测量结果。
本发明提供的方法能够基于横向剪切干涉信号测量体温，不接触待测皮肤，结果可靠。
附图说明
图1为本发明方法的总体流程图。
图2为手臂温度影响区域及光束传播过程示意图。
图3为实测背景条纹和存在手臂温度影响时的干涉条纹。
图4为中间高度位置的干涉信号。
图5为整理得到的干涉条纹。
图6为波峰位置的相位差及线性拟合结果。
图7为30℃至42℃不同温度值计算得到的相位差及靠近手臂皮肤处相位差。
具体实施方式
图1为本发明方法的总体流程图，该方法首先采集无测量对象时的干涉信号，识别并用作背景条纹，采集存在手臂温度影响时的干涉信号，识别测量条纹；依据背景条纹和测量条纹的相位分布，确定手臂温度影响区域的宽度以及造成的相位差分布；采用线性拟合方法确定靠近手臂皮肤位置处的相位差；依据手臂横截面的宽度和高度，结合手臂温度影响区域的宽度和实时测量的环境温度，设定可能的体温范围和步长，遍历设定的体温范围，计算每个温度值对应的相位差；结合已确定的靠近手臂皮肤处相位差，选择计算相位差与其最接近的温度值，并依据相邻温度值计算得到的相位差插值确定体温测量结果。具体实施过程如下：
一、横向剪切干涉条纹的产生
单色线光源传播经过待测手臂区域，部分被手臂挡住，剩余部分穿过手臂周围空气环境，一部分光由平行平晶前表面反射，一部分光穿透平行平晶前表面被后表面反射并穿透前表面，两部分光因相位差而产生干涉条纹。依据理想气体状态方程，密度ρ可以表示为：
Figure BDA0002628923860000031
式中，p为气体压强，M为气体分子量，R为理想气体常数，T为温度。依据格拉斯顿-戴尔方程，折射率n可以表示为密度的函数：
n＝1+ρK (Ⅳ)
其中K为气体折射系数，也称作格拉斯顿-戴尔系数。联立可得：
Figure BDA0002628923860000032
波长为λ的光束穿过折射率不均匀的空气区域，波前会发生扭曲，与环境的温差会造成波面畸变。光束的相函数可以表示为：
Figure BDA0002628923860000033
因此，环境温度为T0的条件下，相对相函数可以表示为：
Figure BDA0002628923860000034
在光程为l的条件下，测量相位差θT可以表示为：
Figure BDA0002628923860000035
平行平晶前后表面反射的波前在横向方向会有位移s，两束波前相互叠加，产生干涉条纹。相位差Θ可以表示为：
Figure BDA0002628923860000036
式中，ΔL为光在平晶内部的光程，对于确定的系统，ΔL为常数。背景条件下的相位差Θ0和测量条件下的相位差Θ1分别表示为：
Figure BDA0002628923860000041
当剪切量s大于手臂温度影响区域长度L时，在剪切区域任意位置，θT(x)和θT(x-s)至少有一个为0。因此，测量相位差可以表示为：
Figure BDA0002628923860000042
二、体温的计算
分别依据测量条纹和背景条纹识别相位分布，进而可以计算得到相位差的分布状况，并确定手臂温度影响区域的宽度，采用线性拟合方法确定靠近手臂皮肤处的相位差。手臂温度影响区域及光束传播过程如图2的示意图所示，在仅考虑热传导作用的情况下，手臂附近的温度随与手臂的距离变化呈近似线性分布。假定手臂横截面为椭圆，沿着与光束平行的方向建立x轴，与光束垂直的方向建立y轴，公式(Ⅷ)可以写成公式(Ⅰ)的离散形式：
Figure BDA0002628923860000043
式中，λ为波长，p为大气压强，M为气体分子量，K为气体折射系数，R为理想气体常数，L为手臂温度影响区域的宽度，w为手臂横截面宽度，h为手臂横截面高度，xb和yb分别为手臂表面上距离离散点(xi,h/2)最近点的横坐标和纵坐标，Δx为离散微元的长度。
设定可能的体温范围为30℃至42℃，以0.1℃为步长，遍历设定的体温范围，共121个温度值，通过公式(Ⅰ)计算每个温度值对应的相位差。结合已确定的靠近手臂皮肤处的相位差，选择使公式(Ⅱ)最小的温度值，为计算相位差与其最接近的温度值：
f(T)＝|θmea-θcal，T| (Ⅱ)
式中，θmea为已确定的靠近手臂皮肤处的相位差，θcal,T为体温为T时通过公式(Ⅰ)计算得到的相位差。最后，依据选择得到的温度值和相邻温度值计算得到的相位差插值确定体温测量结果。
三、实施例
图3为实测背景条纹和存在手臂温度影响时的条纹。提取中间高度位置的干涉信号，如图4所示，图中干涉信号的空间分辨率为0.0052mm，可以确定手臂温度影响区域的宽度为3.49mm。将图4中的干涉信号均值滤波两次，滤去毛刺，将小于等于30的数值赋值为0，大于30的数值赋值为1，完成二值化操作。依据每个全1区域的中心横坐标确定干涉信号波峰位置，依据每个全0区域的中心横坐标确定干涉信号波谷位置，整理可得图5所示的干涉条纹。依据每个波峰位置的偏移以及右侧相邻周期的坐标范围，确定每个波峰位置的相位差，如图6所示。手臂皮肤位置不位于波峰或波谷，采用线性拟合方法确定靠近手臂皮肤处的相位差，如图6所示，为-0.6038rad。
测量手臂部位靠近肘部，宽度为64mm，高度为88mm，波长为632.8nm，环境温度为32.0℃。图7给出了不同温度下依据公式(Ⅰ)计算得到的相位差以及已确定的靠近手臂皮肤处相位差。由图7可知，交点位于36.0℃和36.1℃之间，36.0℃下计算的相位差为-0.5900rad，36.1℃下计算的相位差为-0.6045rad，插值可得体温为36.0952℃。
对于上述的本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于横向剪切干涉信号测量体温的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)采集无测量对象时的干涉信号，识别背景条纹；
2)采集存在手臂温度影响时的干涉信号，识别测量条纹；
3)测量并记录环境温度；
4)依据背景条纹和测量条纹的相位分布，确定手臂温度影响区域的相位差分布，确定手臂温度影响区域的宽度；
5)依据相位差分布，采用线性拟合方法，确定靠近手臂皮肤处的相位差；
6)依据手臂横截面的宽度和高度，结合手臂温度影响区域的宽度和环境温度，设定可能的体温范围和步长，遍历设定的体温范围，计算每个温度值对应的相位差；
7)选择计算相位差与靠近手臂皮肤处相位差最接近的温度值，并依据相邻温度值计算得到的相位差插值确定体温测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于横向剪切干涉信号测量体温的方法，其特征在于：所述步骤6)中每个温度值对应的相位差依据公式(Ⅰ)计算：
Figure FDA0002628923850000011
式中，T为温度，T0为环境温度，λ为波长，p为大气压强，M为气体分子量，K为气体折射系数，R为理想气体常数，L为手臂温度影响区域的宽度，w为手臂横截面宽度，h为手臂横截面高度，xb和yb分别为手臂面上距离离散点(xi,h/2)最近点的横坐标和纵坐标，Δx为离散微元的长度。
3.根据权利要求1或2所述的基于横向剪切干涉信号测量体温的方法，其特征在于：所述步骤7)中与测量相位差最接近的温度值依据使公式(Ⅱ)最小进行选择：
f(T)＝|θmea-θcal，T| (Ⅱ)
式中，θmea为测量并拟合得到的靠近手臂皮肤处相位差，θcal,T为体温为T时通过公式(Ⅰ)计算得到的相位差。
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