應(yīng)用光學(xué)成像技術(shù)檢測棉花中異性纖維的研究進(jìn)展

胡景軍

德州市纖維檢驗(yàn)所 山東德州 253000

棉花中的異性纖維是影響棉花質(zhì)量的主要因素。異性纖維主要是非棉纖維和非本色纖維，如羊毛、頭發(fā)、化學(xué)纖維、塑料薄膜、麻繩、染色線（繩、布塊）等。若不及時檢測剔除異性纖維，在紡紗過程中會導(dǎo)致紗線斷裂和出現(xiàn)疵點(diǎn)等問題，影響棉花的質(zhì)量和價格。異性纖維檢測是國內(nèi)外紡織行業(yè)的研究重點(diǎn)，當(dāng)前主要采用基于光學(xué)成像技術(shù)的檢測方式。本文主要對棉花中異性纖維的成像方法進(jìn)行歸納和總結(jié)，分析各類方法的原理，提出目前研究現(xiàn)狀值得借鑒的內(nèi)容和不足之處，并預(yù)測未來的發(fā)展方向。

1 基于紫外光成像的檢測方法

紫外光是電磁波譜中波長為10～400nm輻射的總稱。低壓汞燈是物體檢測領(lǐng)域所用紫外光的來源之一，是一種氣體放電光源，會在電路接通的瞬時產(chǎn)生高電壓擊穿汞蒸汽，汞原子向低能級躍遷產(chǎn)生紫外光。同時，由于紫外線LED燈的價格低、耗能少，也受到部分廠家的青睞。紫外光可使具有熒光特性的物體發(fā)光，實(shí)現(xiàn)了白色丙綸和細(xì)小雜質(zhì)的檢測，但同時使用多個不同種類的光源會產(chǎn)生亮度過高、圖像陰影等問題，影響成像質(zhì)量[1]。

2 基于X射線成像的檢測方法

在數(shù)字射線照相技術(shù)中，X射線穿過異性纖維后到相應(yīng)裝置上轉(zhuǎn)化為光信號被系統(tǒng)捕獲，通過X光成像系統(tǒng)采集棉層的斷層圖像可獲得異性纖維的三維信息。工業(yè)成像使用的X射線是在 X 射線管中產(chǎn)生的，X射線管是真空管。通過加熱真空管的陰極釋放自由電子，并向陽極快速移動，撞擊原子核后，釋放能量形成 X射線并沿靶面方向射出。

3 基于線激光成像的檢測方法

激光由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，具有方向性好、發(fā)散角小、能量集中和單色性等優(yōu)點(diǎn)，同時激光光源體積較小，價格相對較低。檢測原理是棉花和異性纖維表面的平整性差異較大，根據(jù)激光照射后反射光回程時間的不同進(jìn)行成像，實(shí)現(xiàn)異性纖維的檢測。

基于線激光光源成像速度較快，抗干擾能力強(qiáng)，且對棉花中的白色異性纖維和塑料薄膜也具有良好的成像效果?；诖颂匦?，通過調(diào)整線激光光源的波長、功率和相機(jī)的曝光時間，可進(jìn)一步提升成像效果和檢出率。

4 基于偏振光成像的檢測方法

光是一種電磁波，不僅包含光強(qiáng)和波長信息，還有偏振信息。光的偏振信息包含了光的振動方向和各方向振動強(qiáng)度，是對光強(qiáng)信息和光譜信息的有力補(bǔ)充。透明薄膜類異性纖維在偏振光的照射下會呈現(xiàn)彩色，基于此特性可實(shí)現(xiàn)棉花中透明薄膜的檢測[2]。

當(dāng)光源照射在反射性強(qiáng)的異性纖維，如透明塑料薄膜上時，相機(jī)采集的圖像會受到反射光的嚴(yán)重影響，常常出現(xiàn)耀斑或反光，無法采集異性纖維的全部特征，通過調(diào)整偏振片，使透振方向與反射光的透振方向垂直可減弱反射光的影響，提高成像效果。

5 基于紅外光成像的檢測方法

紅外光成像系統(tǒng)包括紅外相機(jī)和紅外光譜儀。在紅外光源的照射下，不同材料的分子組成不同，只對特定波長的紅外線吸收效果較好，根據(jù)紅外線的吸收情況可得到該物體的紅外光譜，同時根據(jù)物體輻射的紅外線可以進(jìn)行成像。

5.1 基于傅里葉變換紅外光譜分析檢測方法

紅外光譜的強(qiáng)度與形成該光的 2束相干光的光程差之間有傅里葉變換函數(shù)關(guān)系。傅里葉紅外光譜法是通過測量干涉圖并將包含各種光譜信息的干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到實(shí)際的吸收光，從而獲得紅外光譜。棉花在處理過程中受熱和異性纖維尺寸變化也會對最終的傅里葉變換紅外光譜有顯著的影響，繼而影響檢測效果，需要擴(kuò)展光譜數(shù)據(jù)庫來消除影響[3]。

5.2 基于近紅外成像的檢測方法

由紅外光源與紅外相機(jī)組成的成像系統(tǒng)可采集異性纖維的圖像信息，紅外光譜儀可采集紅外光譜信息。近紅外線波長在 700～2500nm之間，不同材料的輻射和吸收紅外光的能力不同，呈現(xiàn)的影像和光譜信息存在差異。從目前研究現(xiàn)狀來看，共同使用圖像和光譜信息能更有效提高異性纖維的檢出率，而且由于短波紅外線具有穿透性，在棉層稍厚的情況下依然可采集到異性纖維信息。傅里葉變換紅外光譜的檢測速度快，覆蓋波段范圍廣，可實(shí)現(xiàn)大部分異性纖維的檢測。

6 基于高光譜成像系統(tǒng)的檢測方法

高光譜成像儀具有成像覆蓋區(qū)域廣、光譜分辨率高、圖譜和一等特性，有機(jī)融合了圖像維與光譜維信息，在各應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢。通過對比棉花和異性纖維圖像及光譜信息的差異實(shí)現(xiàn)異性纖維的檢測。目前，反射高光譜成像方法由于其實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單而得到廣泛應(yīng)用，但反透射成像方法可獲取更多的異性纖維樣本信息。使用掃帚式線掃描成像光譜儀進(jìn)行高光譜成像，提取圖像中雜質(zhì)和棉花的像素光譜，采用主成分分析、獨(dú)立于后端分類器的T檢驗(yàn)準(zhǔn)則的過濾器、特征選擇和分類器結(jié)合的包裝3種方法，確定雜質(zhì)檢測的關(guān)鍵波長，使白色丙綸絲檢出率達(dá)到90%。

7 結(jié)語

隨著光學(xué)成像技術(shù)的不斷發(fā)展，異性纖維的檢測精度和檢出率都有顯著的提高。異性纖維分揀機(jī)中的成像系統(tǒng)方案經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的檢驗(yàn)，具有較高的可靠性，可借鑒和參考作為研究的基礎(chǔ)。而文獻(xiàn)中的結(jié)論基本都是在實(shí)驗(yàn)室條件下得出的，實(shí)驗(yàn)時棉花中的異性纖維通常是人為進(jìn)行擺放并在靜止?fàn)顟B(tài)或速度較慢的傳送帶下采集圖像。在實(shí)際生產(chǎn)中異性纖維的分布沒有規(guī)律，會存在異性纖維間相互遮擋和混入棉層的情況。