CN103093536B - 基于荧光时间分辨成像系统的人民币鉴伪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于荧光时间分辨成像系统的人民币鉴伪装置及方法，包括荧光激发光路和荧光检测光路。余弦调制的高频激发光，激发人民币用纸产生同频率的荧光，并成像在像增强器感光面上；与激发光同频率的信号调制像增强器荧光屏的增益，通过相移算法使CCD相机采集到相应的图像序列；计算机根据极坐标相图分析法计算被测人民币样品的平均荧光寿命；最后通过平均荧光寿命对人民币样品的真伪做出判断。本发明的优势是检测方法灵敏、装置可靠；测量结果与钞票的机械皱褶和损伤、新旧程度和表面污染物情况无关，抗干扰能力强；特别适合于检测高仿真假钞。

Description

基于荧光时间分辨成像系统的人民币鉴伪装置及方法

技术领域

本发明涉及一种人民币鉴伪装置及方法，特别是借助于荧光时间分辨成像系统和荧光寿命极坐标相图分析法对人民币用纸进行真伪鉴定。

背景技术

人民币是国家名片。就对单一物品的假冒而言，无论在金额规模还是受害人员数量，假人民币对社会的危害都是最大。人民币鉴伪方法包括人防和机防两类，人防可以概括为凭人的“一看、二摸、三听”的经验。目前常用的机防钞票鉴伪方法是紫外光激发钞票荧光标志区的荧光光强判别法，但是这种方法已经使用了几十年，十分陈旧，理论上使用喷墨打字机按图案喷上荧光物质就可以达到乱真效果。因此，人民币鉴伪方法的现状和技术储备与伪钞存在的现实之间有很大的落差，打击伪钞的现实形势十分严峻。

针对上述现有技术的缺陷，本发明提出一种基于荧光时间分辨成像系统和荧光寿命极坐标相图分析法的人民币鉴伪装置及方法，是非接触无损检测。测量结果与钞票的机械皱褶和损伤、新旧程度和表面污染物情况无关。测量方法灵敏，检测装置可靠、且抗干扰能力强，能够有效的鉴别出人民币的真假钞。

发明内容

本发明通过以下技术方案实现。

一种基于荧光时间分辨成像系统的人民币鉴伪装置，包括两个光路：首先是荧光激发光路，包含计算机、信号发生器1、射频功率放大器、电流源、直流偏置器、高亮度光源LED，激发光滤波片、分光滤波片、物镜和人民币样品；其次是荧光检测光路，包含人民币样品、物镜、分光滤波片、发射滤光片、像增强器、信号发生器2、CCD相机和计算机。

一种基于荧光时间分辨成像系统和荧光寿命极坐标相图分析法的人民币鉴伪的方法，其具体步骤为：

1)计算机控制信号发生器1输出一个频率为f₁的余弦调制信号，经射频功率放大器以及直流偏置后驱动LED产生激发光E₁(t)：

上式中，E₁₀，m₁以及分别为激发光的直流分量，调制度和初始相位；

2)激发光经激发光滤波片、分光滤波片和物镜后，聚焦到人民币样品上，使其产生同频率的荧光F(x，y，t)：

上式中，F₀(x，y)、m(x，y，f₁)以及ΔΦ(x，y，f₁)分别为在像素(x，y)处人民币样品的荧光直流分量、在调制频率f₁下的荧光调制度以及样品荧光与激发光E₁(t)之间的相角差；

3)人民币样品的荧光光强F(x，y，t)通过物镜、分光滤波片、发射滤光片和透镜聚焦在像增强器的输入端上；计算机控制信号发生器2输出一个与激发光调制频率f₁相同的余弦信号，对像增强器输出增益进行调制：

上式中，G₀，m₂以及分别为像增强器调制信号的直流分量，调制度和初始相位；

4)像增强器输出的荧光图像信号聚焦在CCD相机的像平面上，计算机控制信号发生器2调整像增强器输出的荧光屏增益信号的初始相位使之在一个2π周期内产生N步等间距相移CCD相机通过调整曝光时间，收集到足够多的光子，采集到N帧对应的荧光图像序列：

5)对(4)式中的相位作离散时间傅里叶变换得其中k为傅里叶变换后的信号频率。在调制频率f₁下，人民币样品的荧光调制度m(x，y，f₁)和相角差ΔΦ(x，y，f₁)为

$m(x,y,f_1)=\frac{4}{m_1\·m_2}\·\frac{\left|\tilde{I}(x,y,1)\right|}{\left|\tilde{I}(x,y,0)\right|},$

经过与标准样品对比的校正环节，就可以得出人民币样品在调制频率f₁下的调制度m(x，y，f₁)和相角差ΔΦ(x，y，f₁)；

6)创建一个极坐标相空间。根据人民币样品在调制频率f₁下的荧光调制度m(x，y，f₁)和相角差ΔΦ(x，y，f₁)，可确定人民币样品的时间分辨荧光过程在调制频率f₁下的极坐标相空间的位置(ρ，θ)：

$\mathrm{\ρ}(x,y,f_1)=\sqrt{m(x,y,f_1)\·\{m(x,y,f_1)-\cos [\mathrm{\Δ\φ}(x,y,f_1)\left]\right\}+0.25},$

$\mathrm{\θ}(x,y,f_1)={\tan }^{-1}\left\{\frac{2\·m(x,y,f_1)\·\sin \left[\mathrm{\Δ\φ}(x,y,f_1)\right]}{2\·m(x,y,f_1)\·\cos \left[\mathrm{\Δ\φ}(x,y,f_1)\right]-1}\right\},---\left(6\right)$

将人民币样品的极坐标相空间图像的沿横纵方向分别分为95等分，并从小到大依次排列：X₁＜X₂＜…＜X₉₆，Y₁＜Y₂＜…＜Y₉₆。以X_i-X_i-1为底边，Y_k-Y_k-1为高构造一个矩形M_i，k(i，k＝2，3，…，96)，于是人民币样品的极坐标相空间图像就被划分为95×95块区域，每一块区域对应相应的矩形M_i，k，最后统计落在每个区域的被测人民币样品的极坐标相空间位置的频数，并求出相应的概率，画出其极坐标相空间概率分布图。由于数据点分布集中并呈现高斯圆形分布，故可以通过概率最大位置点确定概率分布的中心点的位置，误差可根据高斯误差概率表求解，人民币样品的平均荧光寿命可以根据其在极坐标相空间概率分布的中心点的位置确定：

$\widehat{\mathrm{\τ}}={(2\mathrm{\π}\·f_1)}^{-1}\sqrt{\frac{1-\cos \widehat{\mathrm{\θ}}}{1+\cos \widehat{\mathrm{\θ}}}}.---\left(7\right)$

上式中，为极坐标相空间概率分布的中心点的极角。

实验结果发现真钞用纸的平均荧光寿命大约为1741.8±68ps，用于制造假钞的普通木浆纸平均荧光寿命大约为903±24ps，两者区别很大。因此可以根据真伪钞票用纸的平均荧光寿命来进行人民币真伪钞的鉴别。

与现有的人民币鉴伪方法相比，本发明主要具有以下优势：

(1)无损检测方法；

(2)检测结果与钞票的机械皱褶和损伤、新旧程度和表面污染物情况无关。抗干扰能力强，随机噪声影响小。

(3)鉴伪方法的灵敏度高，由于荧光寿命是化学物质的“指纹”，因此基于时间分辨的人民币鉴伪特别适合于检测高仿真假钞。

附图说明

图1基于荧光时间分辨成像系统的人民币鉴伪装置

图2(a)1角，5角，1元和100元人民币真钞的极坐标概率分布图

图2(b)100元人民币假钞的相空间极坐标相空间概率分布图

图2(c)1角，5角，1元和100元人民币真钞的极坐标概率分布图的平均荧光寿命直方统计图；

图2(d)100人民币元假钞的平均荧光寿命直方统计图。直方统计图的横坐标表示的是平均荧光寿命τ_θ，纵坐标H表示的是频数。具体操作过程为首先将平均荧光寿命τ_θ从小到大依次排列τ_θ1＜τ_θ2＜…＜τ_θn(n为被测人民币样品的总像素数)，然后将区间[τ_θ1，τ_θn]等分为38个小区间，最后统计出落在每个小区间内的τ_θ的频数。

具体实施方式

以调整频率f₁＝80Mhz为例，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细地说明。

一种基于荧光时间分辨成像系统的人民币鉴伪装置，如附图1所示，包括两个光路：首先是荧光激发光路，包含计算机，信号发生器1，射频功率放大器，直流偏置器，电流源，高亮度光源LED，激发光滤波片，分光滤波片，物镜和人民币样品；其次是荧光检测光路，包含人民币样品，物镜，分光滤波片，发射滤光片，像增强器，信号发生器2，CCD相机和计算机。

一种基于荧光时间分辨成像系统的人民币鉴伪的方法，其具体步骤为：

本发明通过以下技术方案实现。

一种基于荧光时间分辨成像系统的人民币鉴伪装置，包括两个光路：首先是荧光激发光路，包含计算机、信号发生器1、射频功率放大器、电流源、直流偏置器、高亮度光源LED，激发光滤波片、分光滤波片、物镜和人民币样品；其次是荧光检测光路，包含人民币样品、物镜、分光滤波片、发射滤光片、像增强器、信号发生器2、CCD相机和计算机。

一种基于荧光时间分辨成像系统和荧光寿命极坐标相图分析法的人民币鉴伪的方法，其具体步骤为：

1)计算机控制信号发生器1输出一个频率为f₁的余弦调制信号，经射频功率放大器以及直流偏置后驱动LED产生激发光E₁(t)：

上式中，E₁₀，m₁以及分别为激发光的直流分量，调制度和初始相位。

2)激发光经激发光滤波片、分光滤波片和物镜后，聚焦到人民币样品上，使其产生同频率的荧光F(x，y，t)：

上式中，F₀(x，y)、m(x，y，f₁)以及ΔΦ(x，y，f₁)分别为在像素(x，y)处人民币样品的荧光直流分量、在调制频率f₁下的荧光调制度以及样品荧光与激发光E₁(t)之间的相角差。

3)人民币样品的荧光光强F(x，y，t)通过物镜、分光滤波片、发射滤光片和透镜聚焦在像增强器的输入端上；计算机控制信号发生器2输出一个与激发光调制频率f₁相同的余弦信号，对像增强器输出增益进行调制：

上式中，G₀，m₂以及分别为像增强器调制信号的直流分量，调制度和初始相位。

4)像增强器输出的荧光图像信号聚焦在CCD相机的像平面上，计算机控制信号发生器2调整像增强器输出的荧光屏增益信号的初始相位使之在一个2π周期内产生N步等间距相移CCD相机通过调整曝光时间，收集到足够多的光子，采集到N帧对应的荧光图像序列：

5)对(4)式中的相位作离散时间傅里叶变换得其中k为傅里叶变换后的信号频率。在调制频率f₁下，人民币样品的荧光调制度m(x，y，f₁)和相角差ΔΦ(x，y，f₁)为

$m(x,y,f_1)=\frac{4}{m_1\·m_2}\·\frac{\left|\tilde{I}(x,y,1)\right|}{\left|\tilde{I}(x,y,0)\right|},$

经过与标准样品对比的校正环节，就可以得出人民币样品在调制频率f₁下的调制度m(x，y，f₁)和相角差ΔΦ(x，y，f₁)。

6)创建一个极坐标相空间。根据人民币样品在调制频率f₁下的荧光调制度m(x，y，f₁)和相角差ΔΦ(x，y，f₁)，可确定人民币样品的时间分辨荧光过程在调制频率f₁下的极坐标相空间的位置(ρ，θ)：

$\mathrm{\ρ}(x,y,f_1)=\sqrt{m(x,y,f_1)\·\{m(x,y,f_1)-\cos [\mathrm{\Δ\φ}(x,y,f_1)\left]\right\}+0.25},$

$\mathrm{\θ}(x,y,f_1)={\tan }^{-1}\left\{\frac{2\·m(x,y,f_1)\·\sin \left[\mathrm{\Δ\φ}(x,y,f_1)\right]}{2\·m(x,y,f_1)\·\cos \left[\mathrm{\Δ\φ}(x,y,f_1)\right]-1}\right\},---\left(6\right)$

将人民币样品的极坐标相空间图像的沿横纵方向分别分为95等分，并从小到大依次排列：X₁＜X₂＜…＜X₉₆，Y₁＜Y₂＜…＜Y₉₆。以X_i-X_i-1为底边，Y_k-Y_k-1为高构造一个矩形M_i，k(i，k＝2，3，…，96)，于是人民币样品的极坐标相空间图像就被划分为95×95块区域，每一块区域对应相应的矩形M_i，k，最后统计落在每个区域的被测人民币样品的极坐标相空间位置的频数，并求出相应的概率，画出其极坐标相空间概率分布图。由于数据点分布集中并呈现高斯圆形分布，故可以通过概率最大位置点确定概率分布的中心点的位置，误差可根据高斯误差概率表求解，人民币样品的平均荧光寿命可以根据其在极坐标相空间概率分布的中心点的位置确定：

$\widehat{\mathrm{\τ}}={(2\mathrm{\π}\·f_1)}^{-1}\sqrt{\frac{1-\cos \widehat{\mathrm{\θ}}}{1+\cos \widehat{\mathrm{\θ}}}}.---\left(7\right)$

上式中，为极坐标相空间概率分布的中心点的极角。

真钞实验样品为不同新旧程度4组人民币，分别是1角、5角、1元和100元。1角人民币真钞的概率分布的中心点位置为(0.3965，81.74°)，平均荧光寿命为1715.0±48ps；5角人民币真钞的概率分布的中心点位置为(0.4200，83.95°)，平均荧光寿命为1789.7±66ps；1元人民币真钞的概率分布的中心点位置为(0.4235，80.54°)，平均荧光寿命为1685.4±23ps；100元人民币真钞的概率分布的中心点位置为(0.3949，83.56°)，平均荧光寿命为1777.5±18ps。从上述结果可以看出真钞在极坐标相空间的位置基本保持不变并且它们的荧光寿命最大值和最小值仅相差5.82％，测量的重复性好。因此真钞的荧光寿命受外界因素诸如钞票的新旧、表面皱褶，机械损伤与表面污染物影响较小。

附图2(a)为4组1角、5角、1元和100元人民币真钞合并后的在极坐标相图空间上概率分布图，其中心点位置为(0.4090，82.41°)；(b)为100元人民币假钞的极坐标概率分布图，其中心点位置为(0.4523，48.81°)；(c)为4组1角，5角，1元和100元人民币真钞合并后的平均荧光寿命直方统计图，其平均荧光寿命为1741.8±68ps；(d)为100元人民币假钞的平均荧光寿命直方统计图，其平均荧光寿命为903±24ps。无论从图示还是计算数据结果都表明真钞与假钞的θ值，平均荧光寿命τ_θ相差较大，区别一目了然，因此测量人民币用纸的平均荧光寿命可以有效地鉴别出人民币的真伪。

Claims (2)

1.一种基于荧光时间分辨成像系统的人民币鉴伪装置，包括机械主体和光学主体，光学主体包括荧光激发光路和荧光检测光路，所述荧光激发光路包括：计算机、信号发生器1、射频功率放大器、电流源、直流偏置器、高亮度光源LED、激发光滤波片、分光滤波片、物镜和人民币样品；所述荧光检测光路包括人民币样品、物镜、分光滤波片、发射滤光片、像增强器、信号发生器2、CCD相机和计算机。

2.利用权利要求1所述的一种基于荧光时间分辨成像系统的人民币鉴伪装置的人民币鉴伪方法，其特征在于人民币鉴伪方法步骤为：

1)计算机控制信号发生器1输出一个频率为f₁的余弦调制信号，经射频功率放大器以及直流偏置后驱动LED产生激发光E₁(t)：

上式中，E₁₀，m₁以及分别为激发光的直流分量，调制度和初始相位；

2)激发光经激发光滤波片、分光滤波片和物镜后，聚焦到人民币样品上，使其产生同频率的荧光F(x，y，t)：

上式中，F₀(x，y)、m(x，y，f₁)以及Δφ(x，y，f₁)分别为在像素(x，y)处人民币样品的荧光直流分量、在调制频率f₁下的荧光调制度以及样品荧光与激发光E₁(t)之间的相角差；

3)人民币样品的荧光光强F(x，y，t)通过物镜、分光滤波片、发射滤光片和透镜聚焦在像增强器的输入端上；计算机控制信号发生器2输出一个与激发光调制频率f₁相同的余弦信号，对像增强器输出增益进行调制：

上式中，G₀，m₂以及分别为像增强器调制信号的直流分量，调制度和初始相位；

4)像增强器输出的荧光图像信号聚焦在CCD相机的像平面上，计算机控制信号发生器2调整像增强器输出的荧光屏增益信号的初始相位使之在一个2π周期内产生N步等间距相移CCD相机通过调整曝光时间，收集到足够多的光子，采集到N帧对应的荧光图像序列：

5)对(4)式中的相位作离散时间傅里叶变换得其中k为傅里叶变换后的信号频率；在调制频率f₁下，人民币样品的荧光调制度m(x，y，f₁)和相角差Δφ(x，y，f₁)为

$m(x,y,f_1)=\frac{4}{m_1\·m_2}\·\frac{\left|\tilde{I}(x,y,1)\right|}{\left|\tilde{I}(x,y,0)\right|},$

经过与标准样品对比的校正环节，就可以得出人民币样品在调制频率f₁下的调制度m(x，y，f₁)和相角差Δφ(x，y，f₁)；

6)创建一个极坐标相空间：根据人民币样品在调制频率f₁下的荧光调制度m(x，y，f₁)和相角差Δφ(x，y，f₁)，确定人民币样品的时间分辨荧光过程在调制频率f₁下的极坐标相空间的位置(ρ，θ)：

$\mathrm{\ρ}(x,y,f_1)=\sqrt{m(x,y,f_1)\·\{m(x,y,f_1)-cos\[\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}(x,y,f_1)\]\}+0.25},$

$\mathrm{\θ}(x,y,f_1)={\tan }^{-1}\left\{\frac{2\·m(x,y,f_1)\·sin\[\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}(x,y,f_1)\]}{2\·m(x,y,f_1)\·\cos \[\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}(x,y,f_1)\]-1}\right\},---\left(6\right)$

根据人民币的极坐标相空间概率分布的中心点位置通过下式确定人民币样品的平均荧光寿命，

$\widehat{\mathrm{\τ}}={(2\mathrm{\π}\·f_1)}^{-1}\sqrt{\frac{1-\cos \widehat{\mathrm{\θ}}}{1+\cos \widehat{\mathrm{\θ}}}},---\left(7\right)$

上式中，为极坐标相空间概率分布的中心点的极角，根据(7)式计算出来的人民币样品的平均荧光寿命来进行人民币真伪钞鉴别。