光电技术论文光谱信号智能机读传感器研究

　　摘要：目前国内其它从事光谱信号智能机读传感器和鉴定设备开发和生产的科研及企业尚未掌握非黑箱常光下操作、体积微型化、低能耗、机读等关键技术。本文提供了一种能够自动识别各类激光照射于相应上转换或下转换材料所发出上转换或下转换光谱的传感器的检测方法、检测系统和检测设备，能克服现有方法的不足，具有非黑箱常光下操作、结构紧凑、体积微型化、低能耗、能输出数字或模拟信号、机读的特点。该产品既保证了光谱机读信号的激发、监测及转换输出，又可以方便地支持现有市场上各厂家大部分验钞机型的升级。

　　关键词：光谱转换,传感器,机读

　　这种能够自动识别各类激光照射于相应上转换或下转换材料所发出上转换或下转换光谱的传感器，能克服现有方法的不足，是一种非黑箱常光下操作、结构紧凑、体积微型化、低能耗、能输出数字或模拟信号的光谱信号智能机读传感器。该产品既保证了光谱机读信号的激发、监测及转换输出，又可以方便地支持现有市场上各厂家大部分验钞机型的升级。

　　使用者可以通过将需要鉴定的对象放置到该第五版人民币光谱信号智能机读传感器下1～2mm的平台，通过该第五版人民币光谱信号智能机读传感器来读取对应数据，根据转换输出系统的指示即可快速和准确无误地鉴别是否是真的第五版人民币，从而达到验钞目的。

　　1正文

　　1.1系统和设备结构

　　该第五版人民币光谱信号智能机读传感器由激光生成与次生激光检测、转换输出系统三部分组成。

　　1.2工作过程及性能特点

　　激光光源产生的高稳定激光照射待测的特殊材料区域，特殊材料区域如有上转换或下转换材料，即会由此激发出相应上转换或下转换光谱信号，如没有上转换或下转换材料，即无相应的上转换或下转换光谱信号产生。

　　1.3运行特点

　　该光谱信号混合数百万倍强度的基频激光经光谱分离器，其中基频激光被光谱分离器深度压制，该有用的上转换或下转换光谱信号则高效透过。

　　光谱锁相探测器采用相干累加锁相积分技术，对透过光谱分离器的上转换或下转换光谱信号进行探测，如上转换或下转换光谱信号是特定的对应上转换或下转换材料的，则会因被锁相积分放大而甄选出来，采用该光谱锁相探测器既解决了测量精度问题，又解决了测量速度和测量精度之间的矛盾，弥补了传统细分处理方法不能提供实时数据和当量脉冲的不足。如上转换或下转换材料不是特定或没有上转换或下转换材料，即材料是假的，光谱锁相探测器探测不到特定的上转换或下转换材料对应的特定光谱信号。

　　数字信号处理和输出电路与光谱锁相探测器相联，处理后对应有特定光谱信号输出真（1）信号，对应无特定光谱信号输出伪（0）信号，该数字信号可用于直接微处理器。根据需要，数字信号处理和输出电路也可调整为可识别的模拟信号输出。

　　1.4国内的发展状况

　　目前国内其它从事光谱信号智能机读传感器和鉴定设备开发和生产的科研及企业尚未掌握非黑箱常光下操作、体积微型化、低能耗、机读等关键技术。

　　1.5创新性论述

　　1.5.1背景技术

　　现有技术利用光谱信号检测来辨别材料真假的主要步骤可归纳为：（1）采用调制激光光源照射被测材料，产生光谱信号；（2）通过双向棱镜和光栅对光谱信号进行分离，得到有效光谱信号；（3）采用普通探测器对有效光谱信号进行探测，探测到有效光谱信号，则转换为模拟信号输出或人眼识别出。由于现有技术采用调制激光光源，其产生的光源不是稳定光源，而双向棱镜和光栅甄选光的效率比较低，并且，一般探测器的探测能力不高，而模拟信号输出或采用人眼识别出的实现度低，从而导致现有技术的光谱信号检测性能较低。

　　局限于现有技术的性能，鉴别真伪的激光检测器外部需要有遮光板蔽盒屏蔽外界光线干扰，在实际使用中需要将钞票、证件或票据防止在遮光板内，操作比较复杂，影响检验的速度，而且构成组件多，功耗大，体积大。

　　1.5.2创新点内容

　　检测系统的基本原理、检测方法及设备基本结构创新。

　　系统包括对其照射以产生光谱信号的被测材料，还包括基频激光光源、光谱分离单元、光谱锁相探测单元以及数字信号处理和输出单元。

　　基频激光光源产生高稳定激光照射到被测材料上，激发出光谱信号；光谱分离单元压制基频激光，得到有效光谱信号；光谱锁相探测单元采用相干累加锁相积分技术对有效光谱信号进行探测，并将光信号转换为电信号；数字信号处理和输出单元将电信号转换为数字信号并输出。被测材料是稀土光功能材料，有效光谱信号是上转换或下转换光谱信号。

　　现有技术与本项目技术方案效果对比表。（如表1）

　　1.5.3检测系统、检测方法及设备使用流程和方法案例

　　在本项目中，通过基频激光光源照射被测材料产生光谱信号，光谱分离单元甄选出有效光谱信号，光谱锁相探测器采用相干累加锁相积分技术探测有效光谱信号，并将光信号转换为电信号，以及由数字信号处理和输出电路将电信号转换为数字信号并输出。这样，提高了光谱信号检测的性能。

　　光谱信号检测方法及光谱信号检测设备的具体工作流程如下。

　　在步骤1中，基频激光光源照射被测材料，产生光谱信号。在步骤2中，光谱分离单元压制基频激光，得到有效光谱信号。在步骤3中，光谱锁相探测单元采用相干累加锁相积分技术探测有效光谱信号，并将光信号转换为电信号。在步骤4中，对电信号进行数字信号处理并输出。

　　在实施例中，被测材料是稀土光功能材料，其被激光照射时会产生上转换或下转换光谱信号。基频激光光源采用半导体激光器产生，例如PN结边缘发射激光器，其能产生高稳定激光，例如波长为980nm±20nm或880nm±20nm的激光，也可以采用其它波长的激光。激光可以直接照射到被测材料上，也可以通过透镜照射。

　　产生光谱信号后，光谱信号连同极强的的基频激光（数十至数百万倍间强度）经过光谱分离单元进行分离。光谱分离单元可采用光谱分离器实现，本项目采用可选择的光谱分离器。其中，基频激光被光谱分离单元深度压制，使微弱的有效光谱信号（即上转换或下转换光谱信号）透过并抵达光谱锁相探测单元的光敏感应处。

　　在实施例中，光谱锁相探测单元采用相干累加锁相积分技术，对上转换或下转换光谱信号进行探测，由于上转换或下转换光谱信号是特定对应的稀土光功能材料，其会因被锁相积分放大而甄选出来，若光谱锁相探测单元探测不到特定的稀土光功能材料对应的特定上转换或下转换光谱信号，则证明被测材料是假的。若探测到上转换或下转换光谱信号，光谱锁相探测单元将该光谱信号转换为电信号，其可采用通用的光电转换技术实现，关于光电转换技术是现有技术，在此不再赘述。之后，数字信号处理和输出单元将电信号转换为数字信号并输出。在示例方案中，设为探测到对应的光谱信号，则输出高电平，若探测到对应的光谱信号，则输出低电平。输出的数字信号可连接微处理器，或直接连接数码显示或声音报警等。

　　参考文献

　　[1]陈树森，周望红.外上转换材料共焦光学检测器研究[J].光电子·激光，2004（5）.

　　[2]张思远，毕宪章.稀土光谱理论[M].吉林科学技术出版社，1991.

　　[3]唐春晖.人民币伪钞鉴别仪的鉴伪技术[J].仪表技术，2005（4）.