破解户外测温"失准"困局

一、研究背景

在公共卫生安全防控与医疗机构日常体温筛查中，非接触式红外测温仪因其快速、便捷、无交叉感染风险等优势，已成为人群密集场所体温筛查的首选工具。然而，一个长期困扰一线使用者的实际问题始终未能有效解决——在户外复杂温度环境下，人体皮肤表面温度会受到外界热辐射或冷环境的显著影响，导致红外测温仪的测量结果产生较大偏差。

这一偏差在温度的两个极端方向上各有表现，均构成严重隐患：一方面，在夏季高温或烈日暴晒环境下，皮肤表面温度瞬时升高，红外测温仪常将正常体温误测至38℃以上，造成发热筛查假阳性率居高不下，导致大量不必要的复测和人员滞留；另一方面，在冬季严寒或强风环境下，暴露的皮肤表面温度大幅下降，红外测温仪又可能将实际发热者误测为正常体温，造成危险的假阴性漏检，使真正需要隔离的患者流入公共场所。

无论是"假阳"带来的效率损耗，还是"假阴"带来的安全漏洞，都严重削弱了体温筛查体系的可信度与有效性。如何让红外测温仪在0–40℃全温区户外环境中始终保持高精度，已成为亟待解决的工程难题。

针对这一痛点，太原理工大学人工智能学院生物医学精密检测与仪器研究所李晓春团队在国际权威SCI期刊《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》（简称IEEE TIM）上发表了最新研究成果——"Design and Application of a Multi-Factor Calibrated Infrared Thermometer"。IEEE TIM由全球最大的专业技术组织IEEE（电气电子工程师学会）出版，JCR分区位列Q1（仪器仪表领域排名前7%），是仪器科学与测量领域具有重要国际影响力的学术期刊。研究成果能够发表于该期刊，体现了本研究在理论创新与工程应用方面的学术价值。

该研究创新性地提出了一种基于FPGA的算法-结构协同设计方案，成功实现了亚毫秒级多传感器同步与全场景高精度温度补偿，系统性破解了户外极端温度（高温与低温）环境下红外测温失准的难题。该论文由太原理工大学李晓春教授、张玲玲博士担任共同通讯作者，硕士研究生杨政桦为第一作者。

二、核心研究成果

1. 核心突破与硬件架构

该系统以FPGA作为核心处理单元，构建了高度集成的多传感器数据采集与处理平台。系统集成了MLX9064红外热电堆矩阵传感器（768像素）、HC-SR04超声波测距模块、DS18B20环境温度传感器及OV5640 CMOS高清摄像头，实现了多源信息的同步获取与融合处理。其中，环境温度传感器与超声波测距模块的引入，使系统能够实时感知外部温度条件和测量距离这两项最关键的环境干扰因子，为后续全温区补偿算法提供了数据基础。

通过硬件级流水线并行计算架构，系统将多源数据采集与补偿算法的延迟控制在0.1 ms以下，整机反馈延迟低于142 ms，真正实现了实时校准与即时输出。这一设计从根本上解决了传统单片机方案中多传感器同步困难、计算延迟高的问题。

图1 内部FPGA并行硬件架构与数据流

2. 双因素校准与全温区动态修正

研究团队通过标准黑体源，在0–40 ℃全环境温区和不同测量距离下建立了分段线性校准模型，使室内测温的绝对误差稳定控制在±0.1 ℃以内，达到了医疗级精度标准。该模型覆盖了从冰点到体温附近的完整温度区间，确保系统在低温、常温和高温条件下均具备可靠的基准精度。

针对户外极端温度这一核心难题，系统利用内置蓝牙模块同步获取户外气象数据与环境温度信息，构建了动态修正逻辑。在高温端，当环境温度处于27–36 ℃时，系统的平均绝对误差从未校准前的1.09℃大幅降至0.02℃，精度提升超过50倍；在低温端，系统同样通过环境温度实时反馈对皮肤冷却效应进行补偿修正，有效抑制了寒冷环境下前额温度偏低导致的假阴性问题。通过高低温双向闭环校准，系统实现了从"不可用"到"高精度"的质的飞跃。

图2 (a) 测温仪精度对环境温度的依赖性；(b) 在36℃户外环境中停留时间与前额温度测量值的关系；(c) 进入室内后温度达到稳定平衡状态所需时间；(d) 高温下绝对误差拟合曲线

3. 全场景临床验证与筛查表现

为全面验证系统在各类温度条件下的实际性能，研究团队开展了覆盖289名健康志愿者的大规模临床实验。测试场景横跨0–40℃全温度范围与20.94%–75.64%湿度区间，涵盖了从严寒到酷暑的全场景条件——既包括冬季低温户外、春秋常温环境，也包括夏季高温暴晒场景，确保验证结果具有充分的代表性和说服力。

以37.3℃作为发热筛查阈值，开启多因素校准后，户外极端温度环境下的筛查假阳性率从55%断崖式降至1%，ROC曲线的AUC值从0.45提升至0.99。这一结果表明，经过校准的系统在户外高温和低温环境中均具备了近乎完美的筛查判别能力，能够同时有效避免高温误筛与低温漏检。

图3 未校准（a）与校准后（b）的常规室温及高温户外温度测量的Bland-Altman图（N=289）

图4 (a) 37.3℃阈值下高温户外测温的TP、TN、FP、FN与正常测温对比；(b) 校准后高温户外测温的TP、TN、FP、FN对比（N=289）；(c)(d) 高温户外校准前后ROC曲线

4. 便携化与人性化工程设计

在工程实现层面，装置整体尺寸仅为20×15×10 cm，采用ABS工程塑料外壳，兼顾了轻便性与耐用性。设备配备±15°垂直可调红外模组与30°倾斜调节的5.6英寸液晶屏，适配不同身高用户的使用需求。

此外，系统结合基于YCbCr色彩空间与形态学滤波的实时人脸检测算法，能够智能引导用户对准测量区域。当检测到超温时，设备屏幕自动实现由绿色到红色的视觉预警，操作直观、响应迅速，大大降低了使用门槛。

图5 (a) 红外测温仪外壳封装设计；(b) 内部模块分布；(c) 实物图

三、总结与展望

本研究探索了"低成本集成化硬件+高性能并行算法"的技术路线，通过算法-结构协同设计，系统性缓解了传统红外体温计在复杂实地环境中精度下降的问题。该系统不仅攻克了户外高温环境下假阳性率过高的痼疾，同时也有效解决了低温环境下假阴性漏检的隐患，在0–40℃全温区内实现了稳定可靠的高精度测温。研究成果发表于SCI权威期刊IEEE TIM（JCR Q1，影响因子7.0），体现了该技术路线的学术价值与国际认可度。无论是在户外交通卡口、交通枢纽，还是医疗机构的分诊场景中，该系统均表现出优异的稳定性和工程应用潜力。

展望未来，研究团队计划在以下方向继续深入：一是进一步探索个人配饰（如口罩、眼镜等不同佩戴习惯）以及不同年龄段人群生理特征对测量结果的影响；二是尝试引入深度学习方法进行更精细的修正，持续提升系统在极端条件下的适应能力。这些工作将为新一代智能测温装备的优化升级和规模化应用提供更有力的技术支撑。

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论文信息

标题：Design and Application of a Multi-Factor Calibrated Infrared Thermometer

作者：Zhenghua Yang, Dalei Cui, Lingling Zhang*, Xiaochun Li*

期刊：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement（SCI收录，JCR Q1，中科院二区，影响因子7.0）

DOI：10.1109/TIM.2026.3714625

链接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/11617363

 

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