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数字人体? S t u d yo nh e a t i n f r a r e dt e c h n o l o g yo f i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n o fd i g i t a l h u m a nb o d y B IS i - w e n ( S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fR e m o t eS e n s i n gS c i e n c e, I n s t i t u t e o fR e m o t eS e n s i n gA p p l i c a t i o n, C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s, B e i j i n g1

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1 0 1, C h i n a) [ A b s t r a c t ] T h eh e a t i n f r a r e dt e c h n o l o g yb a s i sa n dh e a t i n f r a r e dt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o no f i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o no fd i g i t a l h u m a nb o d yw e r em a i n l yd e s c r i b e d i nt h i sp a p e r .

T h eh e a t i n f r a r e d , b l a c kb o d y , r a t i or a d i a t i o n , r a d i a t i o ni l l u m i n a n c ea n d h e a t i n e r t i aw e r e i n t r o d u c e d i nh e a t i n f r a r e dt e c h n o l o g yb a s i s . T h em e t h o da n da d v a n t a g e sw e r e s u mm a r i z e d i nh e a t i n f r a r e d t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n . I tp r o v i d e dat h e o r e t i c a lg i s t f o rt h es t u d yo fh e a t i n f r a r e dt e c h n o l o g yo f i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o no f d i g i t a lh u m a nb o d y . [ K e yw o r d s ] D i g i t a l h u m a nb o d y ;

H e a t i n f r a r e d ;

I n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ;

T e c h n o l o g y 数字人体信息获取的热红外技术研究 毕思文 ( 中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室, 北京

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0 1 ) [ 摘要] 本文主要阐述了数字人体信息获取的热红外技术基础和数字人体信息获取的热红外技术应用.在热红外技术 基础中介绍了热红外、 黑体、 比辐射和辐射照度及热惯量;

在热红外技术应用中概述了方法和优点等.为数字人体信息获 取的热红外技术研究提供了理论依据. [ 关键词] 数字人体;

热红外;

信息获取;

技术 [ 中图分类号] T P

3 9 1.

9 [ 文献标识码] A [ 文章编号]

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0 3 -

3 2

8 9 (

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0 4 )

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1 6

1 0 -

0 2 [ 作者简介]毕思文(

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5 6-) , 男, 北京大学和清华大学双博士后, 研究 员, 中国医药信息学会和北京医药信息学会" 数字人体― ― ―人体系统数 字学" 专业委员会主任委员.研究方向: 数字人体― ― ―人体系统数字学. E - m a i l : b i s w@ i r s a . a c . c n [ 收稿日期]

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0 8 -

1 6 人体不论在白天还是在夜晚都发出人眼看不到的热辐射 红外波长, 为了获取、 监测人体系统极其环境因子的热辐射特 征, 必须采用热红外技术. 空间所有的物体都通过辐射方式交换着能量, 人体也不 例外.如果没有其他方式的能量交换, 则物体热状态的变化 就取决于放射与吸收辐射能量的差值.当物体的辐射能量等 于吸收的外来辐射能量时, 这时该物体处于热平衡状态, 因而 我们可以用一整函数温度来描述它.热力学定律可以用于研 究平衡辐射的吸收与放射的规律.一般来说, 人体的辐射能 量收支并不相等, 人体处于非辐射平衡状态, 但是如果辐射热 交换过程相当地慢, 以致人体中的内能的分布能够变化均匀, 并继续处于热平衡状态, 那么这时的辐射可视为具有准平衡 性质.此时, 人体的温度是在变化的, 但每一给定的瞬时, 人 体的状态都 可以看作是平衡的, 仍可用一定的温度来描述它[ 1] .

1 数字人体信息获取的热红外技术基础 1.

1 热红外 在热红外技术探测中, 所观测的电磁波段的辐 射源是目标物, 常温地表物体辐射电磁波的最高值在1 0μ m 左右.通过对由太阳辐射引起的目标物的光谱辐射亮度曲线 与由物体辐射引起的目标物的光谱亮度曲线进行比较, 发现 两条曲线的交点随目标物的反射率、 发射率、 温度而改变, 大 约在3μ m 附近.所以, 在比3 . 0μ m 短的波长范围内, 主要 是观测目标物的反射辐射, 而在比3 . 0μ m 长的波长范围内, 主要是观测目标物的热辐射. 1.

2 黑体、 比辐射和辐射照度 人体不断辐射具有能量和光 谱分布的电磁波, 而这种能量又依人体的发射率和温度而变 化.由于这种辐射依赖于温度, 因而称为热辐射.由于热辐 射根据构成人体的物质及条件不同而变化, 所以确定了以黑 体为基准的热辐射的定量法则.根据定义, 黑体是一种完全 吸收入射到它上面的辐射能的物质, 即Abs=1 (

1 ) 式中A b s为吸收率.黑体也辐射出最大的能量, 能量的大小取 决于黑体的动温度.动温度即人体的动热密度, 该温度可以 用温度计与人体直接接触测量的.根据斯坦芬 - 玻尔兹曼定 律, 动温度为Tk i n的黑体, 其辐射通量F b 为Fb=σ T4 k i n (

2 ) 式中σ为斯坦芬 -玻尔兹曼常数, 等于5.

6 7*1

0 -

1 2 W/ ( c m2 ・ k

4 ) ;

W 为Watt( 瓦特)的缩写. 黑体是物理学抽象的理想情 况, 因为没有任何一种物质都有等于1的吸收率, 也没有任何 一种物质能辐射出全部能量. 在数字人体信息获取观测热辐 射的温度时, 由于通常观测的人体不是黑体, 因此对于实际物 质, 称为比辐射率等于吸收率的这一性质定义为 ε= F r Fb (

3 ) 式中F r 为实际人体物质系统的辐射通量. 对于黑体而言, ε= 1, 但对所有实际人体物质系统来说, ε