光譜信號智能機(jī)讀傳感器研究

摘 要：目前國內(nèi)其它從事光譜信號智能機(jī)讀傳感器和鑒定設(shè)備開發(fā)和生產(chǎn)的科研及企業(yè)尚未掌握非黑箱常光下操作、體積微型化、低能耗、機(jī)讀等關(guān)鍵技術(shù)。本文提供了一種能夠自動識別各類激光照射于相應(yīng)上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換材料所發(fā)出上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜的傳感器的檢測方法、檢測系統(tǒng)和檢測設(shè)備，能克服現(xiàn)有方法的不足，具有非黑箱常光下操作、結(jié)構(gòu)緊湊、體積微型化、低能耗、能輸出數(shù)字或模擬信號、機(jī)讀的特點(diǎn)。該產(chǎn)品既保證了光譜機(jī)讀信號的激發(fā)、監(jiān)測及轉(zhuǎn)換輸出，又可以方便地支持現(xiàn)有市場上各廠家大部分驗(yàn)鈔機(jī)型的升級。

關(guān)鍵詞：光譜轉(zhuǎn)換 傳感器 機(jī)讀

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0005-02

某公司開發(fā)的第五版人民幣光譜信號智能機(jī)讀傳感器，具有極高的技術(shù)門檻，涉及到基頻激光光源產(chǎn)生技術(shù)、光譜分離技術(shù)、光譜鎖相探測技術(shù)、數(shù)字信號處理和輸出技術(shù)。在光譜信號檢測方法、檢測系統(tǒng)和檢測設(shè)備方面的技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

這種能夠自動識別各類激光照射于相應(yīng)上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換材料所發(fā)出上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜的傳感器，能克服現(xiàn)有方法的不足，是一種非黑箱常光下操作、結(jié)構(gòu)緊湊、體積微型化、低能耗、能輸出數(shù)字或模擬信號的光譜信號智能機(jī)讀傳感器。該產(chǎn)品既保證了光譜機(jī)讀信號的激發(fā)、監(jiān)測及轉(zhuǎn)換輸出，又可以方便地支持現(xiàn)有市場上各廠家大部分驗(yàn)鈔機(jī)型的升級。

使用者可以通過將需要鑒定的對象放置到該第五版人民幣光譜信號智能機(jī)讀傳感器下1～2 mm的平臺，通過該第五版人民幣光譜信號智能機(jī)讀傳感器來讀取對應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)轉(zhuǎn)換輸出系統(tǒng)的指示即可快速和準(zhǔn)確無誤地鑒別是否是真的第五版人民幣，從而達(dá)到驗(yàn)鈔目的。

1 正文

1.1 系統(tǒng)和設(shè)備結(jié)構(gòu)

該第五版人民幣光譜信號智能機(jī)讀傳感器由激光生成與次生激光檢測、轉(zhuǎn)換輸出系統(tǒng)三部分組成。

1.2 工作過程及性能特點(diǎn)

激光光源產(chǎn)生的高穩(wěn)定激光照射待測的特殊材料區(qū)域，特殊材料區(qū)域如有上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換材料，即會由此激發(fā)出相應(yīng)上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號，如沒有上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換材料，即無相應(yīng)的上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號產(chǎn)生。

1.3 運(yùn)行特點(diǎn)

該光譜信號混合數(shù)百萬倍強(qiáng)度的基頻激光經(jīng)光譜分離器，其中基頻激光被光譜分離器深度壓制，該有用的上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號則高效透過。

光譜鎖相探測器采用相干累加鎖相積分技術(shù)，對透過光譜分離器的上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號進(jìn)行探測，如上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號是特定的對應(yīng)上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換材料的，則會因被鎖相積分放大而甄選出來，采用該光譜鎖相探測器既解決了測量精度問題，又解決了測量速度和測量精度之間的矛盾，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)細(xì)分處理方法不能提供實(shí)時數(shù)據(jù)和當(dāng)量脈沖的不足。如上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換材料不是特定或沒有上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換材料，即材料是假的，光譜鎖相探測器探測不到特定的上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換材料對應(yīng)的特定光譜信號。

數(shù)字信號處理和輸出電路與光譜鎖相探測器相聯(lián)，處理后對應(yīng)有特定光譜信號輸出真（1）信號，對應(yīng)無特定光譜信號輸出偽（0）信號，該數(shù)字信號可用于直接微處理器。根據(jù)需要，數(shù)字信號處理和輸出電路也可調(diào)整為可識別的模擬信號輸出。

1.4 國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r

目前國內(nèi)其它從事光譜信號智能機(jī)讀傳感器和鑒定設(shè)備開發(fā)和生產(chǎn)的科研及企業(yè)尚未掌握非黑箱常光下操作、體積微型化、低能耗、機(jī)讀等關(guān)鍵技術(shù)。

1.5 創(chuàng)新性論述

1.5.1 背景技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)利用光譜信號檢測來辨別材料真假的主要步驟可歸納為：（1）采用調(diào)制激光光源照射被測材料，產(chǎn)生光譜信號；（2）通過雙向棱鏡和光柵對光譜信號進(jìn)行分離，得到有效光譜信號；（3）采用普通探測器對有效光譜信號進(jìn)行探測，探測到有效光譜信號，則轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出或人眼識別出。由于現(xiàn)有技術(shù)采用調(diào)制激光光源，其產(chǎn)生的光源不是穩(wěn)定光源，而雙向棱鏡和光柵甄選光的效率比較低，并且，一般探測器的探測能力不高，而模擬信號輸出或采用人眼識別出的實(shí)現(xiàn)度低，從而導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)的光譜信號檢測性能較低。

局限于現(xiàn)有技術(shù)的性能，鑒別真?zhèn)蔚募す鈾z測器外部需要有遮光板蔽盒屏蔽外界光線干擾，在實(shí)際使用中需要將鈔票、證件或票據(jù)防止在遮光板內(nèi)，操作比較復(fù)雜，影響檢驗(yàn)的速度，而且構(gòu)成組件多，功耗大，體積大。

1.5.2 創(chuàng)新點(diǎn)內(nèi)容

檢測系統(tǒng)的基本原理、檢測方法及設(shè)備基本結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

系統(tǒng)包括對其照射以產(chǎn)生光譜信號的被測材料，還包括基頻激光光源、光譜分離單元、光譜鎖相探測單元以及數(shù)字信號處理和輸出單元。

基頻激光光源產(chǎn)生高穩(wěn)定激光照射到被測材料上，激發(fā)出光譜信號；光譜分離單元壓制基頻激光，得到有效光譜信號；光譜鎖相探測單元采用相干累加鎖相積分技術(shù)對有效光譜信號進(jìn)行探測，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；數(shù)字信號處理和輸出單元將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出。被測材料是稀土光功能材料，有效光譜信號是上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號。

現(xiàn)有技術(shù)與本項(xiàng)目技術(shù)方案效果對比表。（如表1）

1.5.3 檢測系統(tǒng)、檢測方法及設(shè)備使用流程和方法案例

在本項(xiàng)目中，通過基頻激光光源照射被測材料產(chǎn)生光譜信號，光譜分離單元甄選出有效光譜信號，光譜鎖相探測器采用相干累加鎖相積分技術(shù)探測有效光譜信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，以及由數(shù)字信號處理和輸出電路將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出。這樣，提高了光譜信號檢測的性能。

光譜信號檢測方法及光譜信號檢測設(shè)備的具體工作流程如下。

在步驟1中，基頻激光光源照射被測材料，產(chǎn)生光譜信號。在步驟2中，光譜分離單元壓制基頻激光，得到有效光譜信號。在步驟3中，光譜鎖相探測單元采用相干累加鎖相積分技術(shù)探測有效光譜信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。在步驟4中，對電信號進(jìn)行數(shù)字信號處理并輸出。

在實(shí)施例中，被測材料是稀土光功能材料，其被激光照射時會產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號?；l激光光源采用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，例如PN結(jié)邊緣發(fā)射激光器，其能產(chǎn)生高穩(wěn)定激光，例如波長為980 nm±20 nm或880 nm±20 nm的激光，也可以采用其它波長的激光。激光可以直接照射到被測材料上，也可以通過透鏡照射。

產(chǎn)生光譜信號后，光譜信號連同極強(qiáng)的的基頻激光（數(shù)十至數(shù)百萬倍間強(qiáng)度）經(jīng)過光譜分離單元進(jìn)行分離。光譜分離單元可采用光譜分離器實(shí)現(xiàn)，本項(xiàng)目采用可選擇的光譜分離器。其中，基頻激光被光譜分離單元深度壓制，使微弱的有效光譜信號（即上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號）透過并抵達(dá)光譜鎖相探測單元的光敏感應(yīng)處。

在實(shí)施例中，光譜鎖相探測單元采用相干累加鎖相積分技術(shù)，對上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號進(jìn)行探測，由于上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號是特定對應(yīng)的稀土光功能材料，其會因被鎖相積分放大而甄選出來，若光譜鎖相探測單元探測不到特定的稀土光功能材料對應(yīng)的特定上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號，則證明被測材料是假的。若探測到上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換光譜信號，光譜鎖相探測單元將該光譜信號轉(zhuǎn)換為電信號，其可采用通用的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)，關(guān)于光電轉(zhuǎn)換技術(shù)是現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。之后，數(shù)字信號處理和輸出單元將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出。在示例方案中，設(shè)為探測到對應(yīng)的光譜信號，則輸出高電平，若探測到對應(yīng)的光譜信號，則輸出低電平。輸出的數(shù)字信號可連接微處理器，或直接連接數(shù)碼顯示或聲音報(bào)警等。

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