光譜信號智能機讀傳感器研究

摘 要：目前國內其它從事光譜信號智能機讀傳感器和鑒定設備開發和生產的科研及企業尚未掌握非黑箱常光下操作、體積微型化、低能耗、機讀等關鍵技術。本文提供了一種能夠自動識別各類激光照射于相應上轉換或下轉換材料所發出上轉換或下轉換光譜的傳感器的檢測方法、檢測系統和檢測設備，能克服現有方法的不足，具有非黑箱常光下操作、結構緊湊、體積微型化、低能耗、能輸出數字或模擬信號、機讀的特點。該產品既保證了光譜機讀信號的激發、監測及轉換輸出，又可以方便地支持現有市場上各廠家大部分驗鈔機型的升級。

關鍵詞：光譜轉換 傳感器 機讀

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

某公司開發的第五版人民幣光譜信號智能機讀傳感器，具有極高的技術門檻，涉及到基頻激光光源產生技術、光譜分離技術、光譜鎖相探測技術、數字信號處理和輸出技術。在光譜信號檢測方法、檢測系統和檢測設備方面的技術領域處于領先地位。

這種能夠自動識別各類激光照射于相應上轉換或下轉換材料所發出上轉換或下轉換光譜的傳感器，能克服現有方法的不足，是一種非黑箱常光下操作、結構緊湊、體積微型化、低能耗、能輸出數字或模擬信號的光譜信號智能機讀傳感器。該產品既保證了光譜機讀信號的激發、監測及轉換輸出，又可以方便地支持現有市場上各廠家大部分驗鈔機型的升級。

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讀傳感器來讀取對應數據，根據轉換輸出系統的指示即可快速和準確無誤地鑒別是否是真的第五版人民幣，從而達到驗鈔目的。

1 正文

1.1 系統和設備結構

該第五版人民幣光譜信號智能機讀傳感器由激光生成與次生激光檢測、轉換輸出系統三部分組成。

1.2 工作過程及性能特點

激光光源產生的高穩定激光照射待測的特殊材料區域，特殊材料區域如有上轉換或下轉換材料，即會由此激發出相應上轉換或下轉換光譜信號，如沒有上轉換或下轉換材料，即無相應的上轉換或下轉換光譜信號產生。

1.3 運行特點

該光譜信號混合數百萬倍強度的基頻激光經光譜分離器，其中基頻激光被光譜分離器深度壓制，該有用的上轉換或下轉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，對透過光譜分離器的上轉換或下轉換光譜信號進行探測，如上轉換或下轉換光譜信號是特定的對應上轉換或下轉換材料的，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，彌補了傳統細分處理方法不能提供實時數據和當量脈沖的不足。如上轉換或下轉換材料不是特定或沒有上轉換或下轉換材料，即材料是假的，光譜鎖相探測器探測不到特定的上轉換或下轉換材料對應的特定光譜信號。

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

1.4 國內的發展狀況

目前國內其它從事光譜信號智能機讀傳感器和鑒定設備開發和生產的科研及企業尚未掌握非黑箱常光下操作、體積微型化、低能耗、機讀等關鍵技術。

1.5 創新性論述

1.5.1 背景技術

現有技術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）采用調制激光光源照射被測材料，產生光譜信號；（2）通過雙向棱鏡和光柵對光譜信號進行分離，得到有效光譜信號；（3）采用普通探測器對有效光譜信號進行探測，探測到有效光譜信號，則轉換為模擬信號輸出或人眼識別出。由于現有技術采用調制激光光源，其產生的光源不是穩定光源，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現度低，從而導致現有技術的光譜信號檢測性能較低。

局限于現有技術的性能，鑒別真偽的激光檢測器外部需要有遮光板蔽盒屏蔽外界光線干擾，在實際使用中需要將鈔票、證件或票據防止在遮光板內，操作比較復雜，影響檢驗的速度，而且構成組件多，功耗大，體積大。

1.5.2 創新點內容

檢測系統的基本原理、檢測方法及設備基本結構創新。

系統包括對其照射以產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字信號處理和輸出單元。

基頻激光光源產生高穩定激光照射到被測材料上，激發出光譜信號；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對有效光譜信號進行探測，并將光信號轉換為電信號；數字信號處理和輸出單元將電信號轉換為數字信號并輸出。被測材料是稀土光功能材料，有效光譜信號是上轉換或下轉換光譜信號。

現有技術與本項目技術方案效果對比表。（如表1）

1.5.3 檢測系統、檢測方法及設備使用流程和方法案例

在本項目中，通過基頻激光光源照射被測材料產生光譜信號，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探測有效光譜信號，并將光信號轉換為電信號，以及由數字信號處理和輸出電路將電信號轉換為數字信號并輸出。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探測有效光譜信號，并將光信號轉換為電信號。在步驟4中，對電信號進行數字信號處理并輸出。

在實施例中，被測材料是稀土光功能材料，其被激光照射時會產生上轉換或下轉換光譜信號。基頻激光光源采用半導體激光器產生，例如PN結邊緣發射激光器，其能產生高穩定激光，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。

產生光譜信號后，光譜信號連同極強的的基頻激光（數十至數百萬倍間強度）經過光譜分離單元進行分離。光譜分離單元可采用光譜分離器實現，本項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（即上轉換或下轉換光譜信號）透過并抵達光譜鎖相探測單元的光敏感應處。

在實施例中，光譜鎖相探測單元采用相干累加鎖相積分技術，對上轉換或下轉換光譜信號進行探測，由于上轉換或下轉換光譜信號是特定對應的稀土光功能材料，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的特定上轉換或下轉換光譜信號，則證明被測材料是假的。若探測到上轉換或下轉換光譜信號，光譜鎖相探測單元將該光譜信號轉換為電信號，其可采用通用的光電轉換技術實現，關于光電轉換技術是現有技術，在此不再贅述。之后，數字信號處理和輸出單元將電信號轉換為數字信號并輸出。在示例方案中，設為探測到對應的光譜信號，則輸出高電平，若探測到對應的光譜信號，則輸出低電平。輸出的數字信號可連接微處理器，或直接連接數碼顯示或聲音報警等。

參考文獻

[1]陳樹森，周望紅.外上轉換材料共焦光學檢測器研究[J].光電子·激光，2004 （5）.

[2]張思遠，畢憲章.稀土光譜理論[M].吉林科學技術出版社，1991.

[3]唐春暉.人民幣偽鈔鑒別儀的鑒偽技術[J].儀表技術，2005（4）.