CN106996913B - 一种物质鉴别仪及物联网 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学分析仪器领域，提供了一种物质鉴别仪及物联网，物质鉴别仪包括PC或嵌入式计算机系统、多光谱光源、滤光片、成像探测器、控制系统以及软件，物质鉴别仪操作是利用软件通过控制系统来实现的，所以此软件的部分功能与硬件模块基本重合。本发明利用物质的光谱探测特性进行物质鉴别，鉴别方法简单，可以实现现场化和大众化的物质鉴别。采用本发明设计的光谱探测特性物质鉴别仪因其方便使用、价格经济、手持化、现场化和大众化的特点，可广泛用于物质的鉴别，方便实用。

Description

一种物质鉴别仪及物联网

技术领域

本发明属于光学分析鉴别领域，具体涉及一种物质鉴别仪及物联网，更具体的说是涉及一种用于物质或商品(如食品、药物和其它日用品等)鉴别与分析的，具有手持化、现场化、大众化、便于使用和价格经济的利用光谱探测特性进行物质鉴别的仪器及其物联网应用等。

背景技术

目前，物质或商品的鉴别(例如食品和药品等鉴别)，包括物质或商品真伪或一致性是当今世界面临的一个大问题。目前市场上虽然有质谱仪、色谱仪和光谱仪等仪器可用于物质的精确鉴别，但这些仪器或过于昂贵、或过于庞大、或要求非常专业的操纵，而不利于实现手持化、现场化和大众化的物质或商品鉴别。如果能发明一种经济、手持化、现场化和大众化的物质或商品鉴别仪器，使得人人皆可能在日常生活中参与物质或商品的鉴别，便可以利用民众的力量并配合政府有关职能部门将假货减少到很低的程度。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明提出了一种物质鉴别仪及物联网，其利用物质的光谱探测特性进行物质鉴别，鉴别方法简单，可以实现现场化和大众化的物质鉴别。

本发明提供一种物质鉴别仪，

所述物质鉴别仪包括PC或嵌入式计算机系统、多光谱光源、滤光片、成像探测器以及内置于所述物质鉴别仪的控制系统，所述控制系统包括：

光源控制模块，用于控制所述多光谱光源的开关以使多光谱光照射被鉴别物质；

图像采集模块，包括所述成像探测器及其放大电路，用于采集由所述多光谱光源发出的多光谱光与所述被鉴别物质相互作用而产生的光信号，及获取所述被鉴别物质的光谱探测特性；

对比模块，用于依据预定义的判据将所述被鉴别物质的光谱探测特性与已知物质的光谱探测特性进行对比以产生物质鉴别结果。

本发明还提供一种包括如上述的物质鉴别仪的物联网，所述物联网还包括：

物联网服务器，用于物质鉴别物联网的管理以及与所述物质鉴别仪的通讯；

物联网数据库模块，用于建立和管理已知物质光谱探测特性的数据库；该数据库中的数据可以由该物联网所有者、国家有关职能部门、商品生产商或供应商、物质鉴别物联网和物质鉴别仪的使用者提供，以便利用物质鉴别物联网和物质鉴别仪实现现场化和大众化的物质鉴别与相关信息的交流；包括异地用户可以通过物联网与异地使用的本发明仪器的用户进行互动通讯交流信息等，便于大众物质鉴别之用；

物联网大数据存储模块，用于存储所述物质鉴别仪传递的数据和信息；

特别物质分析及鉴别模块，用于鉴别所述物质鉴别仪无法鉴别的物质或进行更细致的物质分析与鉴别；

技术支持与服务模块，用于通过物联网向本发明物质鉴别仪用户提供技术支持与服务。

本发明通过控制多光谱光源照射被鉴别物质，并采集由多光谱光源发出的多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的光信号，获取被鉴别物质的光谱探测特性；依据预定义的判据将被鉴别物质对这些多光谱光的光谱探测特性与已知物质对这些多光谱光的光谱探测特性进行对比以产生物质鉴别结果。其利用物质的光谱探测特性进行物质鉴别，鉴别方法简单，可以实现现场化和大众化的物质鉴别。

本发明的PC或嵌入式计算机系统控制带有发射光学系统多光谱光源照射被鉴别物质，带有发射光学系统多光谱光源发出的多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的光被带有成像光学系统的成像探测器成像，使用滤光片以便选取多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的光中特定波长光成像，以便于更好地鉴别物质。同时本发明采用预定义的鉴别判据，调用装机数据库对比已知物质对这些多光谱光的成像特征便可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。鉴别方法简单，可以实现现场化和大众化的物质鉴别。

优选的是，本发明利用多光谱光照射被鉴别物质，因为被鉴别物质表面物理特怔-颜色、光洁度、纹理以及所含物质成分等不同而对不同光谱的光反射有所不同，利用成像探测器将被调制的反射光成像，调用装机数据库(将部分常用已知物质的光谱探测特性做成数据库为鉴别物质的参考，包括复合彩色图像、总光辐射通量和辐照度分布)利用我们定义的鉴别判据对比已知物质对这些多光谱光的成像特征便可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。

优选的是，本发明利用多光谱光照射透明或部分透明被鉴别物质，被鉴别物质对这些照射光中不同光谱吸收不同，利用成像探测器将该透射光成像，调用装机数据库利用我们定义的鉴别判据对比已知物质的透射光成像特征可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。

优选的是，本发明利用多光谱光照射被鉴别物质，被鉴别物质可能被这些照射光激发而发射荧光，利用成像探测器将激发荧光或激发荧光和反射光或透射光的混合光成像，调用装机数据库利用我们定义的鉴别判据对比已知物质的此类激发荧光或激发荧光和反射光或透射光的混合光成像特征做直观对比以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。

优选的是，本发明利用多光谱光照射被鉴别物质而发生如拉曼散射等非线性散射，用带有成像光学系统的成像探测器将此等非线性散射光，调用装机数据库利用我们定义的鉴别判据对比已知物质的多光谱光的此等非线性散射光成像特征也可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。

优选的是，本发明还提出利用多光谱光成像的光辐射通量、光谱多光谱光成像的辐照度分布作为鉴别物质的物理判据。

本发明的整体技术效果体现在以下方面。

(一)在本发明中，利用多光谱光照射被鉴别物质，因为被鉴别物质表面物理特怔-颜色、光洁度、纹理以及所含物质成分等不同而对不同光谱的光反射有所不同，利用成像探测器将该反射光成像，调用装机数据库利用我们定义的鉴别判据对比已知物质对这些多光谱光的成像特征便可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。

(二)在本发明中，利用多光谱光照射透明或部分透明被鉴别物质，被鉴别物质对这些照射光中不同光谱吸收不同，利用成像探测器将该透射光成像，调用装机数据库利用我们定义的鉴别判据对比已知物质的透射光成像特征可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。

(三)在本发明中，利用这些多光谱光照射物质，被鉴别物质可能被这些照射光激发而发荧光，利用成像探测器将物质的激发荧光或激发荧光和反射光或透射光的混合光成像，调用装机数据库利用我们定义的鉴别判据对比已知物质的激发荧光或激发荧光和反射光或透射光的混合光成像特征也可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。

(四)利用多光谱光照射被鉴别物质而发生如拉曼散射等非线性散射，用带有成像光学系统的成像探测器将此类非线性散射光或此类非线性散射光与反射光或透射光的混合光成像，调用装机数据库利用我们定义的鉴别判据对比已知物质的此类非线性散射光或此类非线性散射光和反射光或透射光的混合光成像特征也可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。

(五)在本发明中，也可利用成像探测器成像的光辐射通量作为比较鉴别物质的物理判据。

(六)在本发明中，还可利用成像探测器成像的辐照度分布作为比较鉴别物质的物理判据，即将成像分成网格列阵，计算该网格数随辐照度的分布。比较被鉴别物质的此分布与已知物质的此分布以鉴别物质。

附图说明

图1是本发明的一种物质鉴别仪的示意图；

图2是本发明一种实施例中控制系统的的示意图；

图3是本发明一种实施例中软件的示意图；

图4是本发明一种实施例中软件流程图；

图5是本发明一种物质鉴别方法的流程图；

图6是本发明中已知物质成像网格示意图；

图7是本发明中被鉴别物质成像网格示意图；

图8是本发明中已知物质成像网格数随辐照度分布示意图；

图9是本发明中被鉴别物质成像网格数随辐照度分布示意图；

图10是本发明中利用多光谱光的反射光鉴别物质示意图；

图11是本发明中利用多光谱光的透射光鉴别物质示意图；

图12是本发明中利用多光谱光的表面激发荧光鉴别物质示意图；

图13是本发明中利用多光谱光的透射激发荧光鉴别物质示意图；

图14是本发明一种物联网的架构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的基本原理是：通过PC(personal computer，个人计算机)或嵌入式计算机系统控制带有发射光学系统多光谱光源照射被鉴别物质，多光谱光源发出的多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的光被成像探测器成像，使用滤光片以便选取多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的光中特定波长光成像，以便于更好地鉴别物质；同时本发明采用预定义的鉴别判据，调用装机数据库对比已知物质对这些多光谱光的成像特征便可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。鉴别方法简单，可以实现现场化和大众化的物质鉴别。

实施例一

如图1所示，本发明一种物质鉴别仪100，包括PC或嵌入式计算机系统11、带有发射光学系统的多光谱光源12、滤光片13、带有成像光学系统的成像探测器14以及控制系统15。在图1中，还包括被鉴别物质16，可以是固体、液体和气体；17是多光谱光源产生的多光谱光，18是多光谱光与被鉴别物质16相互作用而产生的光。其中物质鉴别仪100的控制是利用装在PC或嵌入式计算机系统11内的软件通过控制系统15来实现的。

在物质鉴别仪100中，多光谱光源12由多种LED或激光二极管组合而成(如365nm、405nm、650nm、785nm和808nm LED或白光LED或激光二极管等)，且多光谱光源12中的LED或激光二极管是分离的光源或是由合光系统组合而成为单端输出的光源。物质鉴别仪100采用单边或多边光源照明，即多光谱光源12位于带有成像光学系统的成像探测器14的一边或多边。成像探测器14是黑白的、可以是CCD、COMS或其它成像器件。

另外，物质鉴别仪100还可包括用于物质鉴别仪100与外界进行通讯的通讯接口，该通讯接口可以是有线网络接口、WIFI接口和手机接口等，用于连接物联网或与异地用户通讯交流信息。

PC或嵌入式计算机系统11通过控制系统15和装在PC或嵌入式计算机系统内的软件实现整机控制，包括控制多光谱光源12照射被鉴别物质16，为获得不同光谱的成像，多光谱光源12中的LED或激光二极管可以单独或部分或全部被开启，多光谱光17与被鉴别物质16相互作用而产生的光被带有成像光学系统的成像探测器14探测成像。使用滤光片13以便选取多光谱光与被鉴别物质16相互作用而产生的光18中特定波长光成像，以便于更好地鉴别物质。调用装机数据库利用下述预定义的鉴别判据对比已知物质对这些多光谱光的成像特征便可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。物质鉴别仪100还可以包括用于减少环境光对成像探测器干扰的样品遮光装置。

在本发明中，物质鉴别仪100控制多光谱光源12产生多光谱光照射被鉴别物质16，滤光片13对照射被鉴别物质16所产生的反射光、透射光、激发而产生的荧光、非线性散射光进行过滤以选取特定波长的光，或者对反射光、透射光、激发而产生的荧光、非线性散射光中任意混合光进行滤光以选取特定波长的光；成像探测器14对选取特定波长的光进行成像，物质鉴别仪调用装机数据库根据预定义的鉴别判据对比已知物质对这些多光谱光的成像特征以鉴别物质。

在本发明中，物质鉴别仪100可以为与手机组合的手机式、手持式物质鉴别仪、便携式物质鉴别仪或台式物质鉴别仪；手机式物质鉴别仪包括手机、多光谱光源、滤光片、成像探测器和手机APP软件，其中手机的嵌入式计算机系统和嵌入式屏幕用于物质鉴别仪的控制与显示；手持式物质鉴别仪包括用于控制的嵌入式计算机系统和嵌入式屏幕；便携式物质鉴别仪或台式物质鉴别仪包括用于控制的个人计算机和计算机显示屏。

如图2所示，本发明物质鉴别仪100的控制系统15包括：图像采集模块21、信号处理模块22、数据缓存模块23、数据传递模块24、显示模块25、多光谱光源控制模块26、通讯模块27和电源28等。

图像采集模块21包括带有成像光学系统的成像探测器及其放大电路，用于采集由多光谱光源12发出的多光谱光与被鉴别物质16相互作用而产生的图像，获取被鉴别物质16的光谱探测特性。光谱探测特性包括光谱图像、总光辐射通量和辐照度分布等。

信号处理模块22用于所采集的图像电子信号处理。

数据缓存模块23用于存储经信号处理后的图像数据。

数据传递模块24用于将存储的图像数据传送给PC或嵌入式计算机系统并接收PC或嵌入式计算机系统的指令。

显示模块25用于显示操作指令、图像和鉴别结果等，对于手机式相应的显示由手机显示屏完成、手持式相应的显示由嵌入式小显示屏完成、对于便携式和台式相应的显示由PC显示屏完成。

多光谱光源控制模块26用于控制多光谱光源的开关以使多光谱光源照射被鉴别物质16，为获得不同光谱的成像，带有发射光学系统多光谱光源12中的LED或激光二极管可以单独或部分或全部被开启。

通讯模块27包括有线网络接口、WIFI接口和手机接口等，用于连接物联网或与异地用户通讯交流信息。

电源28用于向本发明的系统提供电力。

在接收PC或嵌入式计算机系统11的指令后，图像采集模块21从带有成像光学系统的成像探测器14获得原始图像信号，经其放大电路将该图像信号放大后,信号处理模块22将该图像信号进行处理后，送至数据缓存模块23存储，数据传递模块24将该图像信号传送给PC或嵌入式计算机系统11用于软件处理。

图3是本发明物质鉴别仪一种实施例中的软件的示意图，该软件装在PC或嵌入式计算机系统11内。本发明的软件主要包括：操作控制模块301、光源控制模块302、数据接收模块303、数据处理模块304、数据存储模块305、复合彩色图像产生模块306，对比模块307、显示模块308(包括图像显示和物质鉴别结果)等、装机数据库模块309(将部分常用已知物质光谱探测特性做成数据库为鉴别物质的参考,包括复合彩色图像、总光辐射通量和辐照度分布)、通讯模块310(包括WIFI传输、有线上网和手机等功能)。

操作控制模块301用于本发明物质鉴别仪100的系统操作控制。

光源控制模块302用于控制带有发射光学系统多光谱光源的开关，并将所开启的光源波长通知复合彩色图像产生模块306、物质对比模块307和显示模块308用于复合彩色图像的产生、对比和显示，其中的LED或激光二极管可以单独或部分或全部被开启。

数据接收模块303用于将电路采集的图像信号传送给PC或嵌入式计算机系统，并接收PC或嵌入式计算机系统的指令。

数据处理模块304用于进行诸如滤波、降噪或平滑等信号处理。

数据存储模块305用于存储处理后的数据并向复合彩色图像产生模块306和对比模块307输出数据。

复合彩色图像产生模块306用于为被鉴别物质的光谱图像添加色彩以生成便于人眼图形鉴别的对比特征的复合彩色图像。

对比模块307用于调用装机数据库并依据我们定义的判据进行被鉴别物质与已知物质的光谱探测特性对比，包括图形几何形状对比、复合彩色图形对比、光辐射通量对比和辐照度分布对比等。对比模块307还用于将复合彩色图像与已知物质的符合彩色图像进行对比以产生物质鉴别结果。

显示模块308用于显示操作指令、复合彩色图像(包括显示普通黑白图像)和物质鉴别结果等。

装机数据库模块309用于管理装机数据库和用户添加的装机数据库。

通讯模块310用于控制包括WIFI传输、有线上网和手机等通讯接口以连接物联网或与异地用户通讯交流信息，如鉴别结果和装机数据库等。

实际上物质鉴别仪100中的软件同样依托于控制系统15，因此该软件的部分功能与控制系统15基本重合。

在本发明中，图像采集模块21采集由多光谱光源发出的多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的图像，获取被鉴别物质的光谱探测特性。对比模块307，用于依据预定义的判据将被鉴别物质的光谱探测特性与已知物质的光谱探测特性进行对比以产生物质鉴别结果。复合彩色图像产生模块306为被鉴别物质的光谱图像添加色彩以生成具有便于人眼图形鉴别的对比特征的复合彩色图像。对比模块307则可将被鉴别物质的光谱图像、总光辐射通量和辐照度分布与已知物质光谱图像、总光辐射通量和辐照度分布进行对比。显示模块308显示被鉴别物质的光谱探测特性和物质鉴别结果。

图4是本发明物质鉴别仪一种实施例中的软件中软件流程图，包括：401是GUI操纵界面，402是判断选择开多光谱光源，403是判断选择开一个LED或激光二极管，404是开一个LED或激光器，405是判断选择开全部LED或激光二极管，406是开全部LED或激光器，407是开部分LED或激光器，408是判断选择是已知波长的可见光，409是判断选择是已知波长的非可见光，410是接收图像数据，411是处理图像数据，412是图像数据存储，413是判断选择进行图像对比，414是判断选择产生彩色图像，415是添加RGB彩色图像，416是添加非真实RGB彩色图像，417是添加非真实且与灰度值相对应的RGB彩色图像，418是总光辐射通量对比，419是辐照度分布对比，420是数据缓存，421是显示图像和对比结果,422是数据库操作,423是通讯操作。

打开发明软件上位机显示GUI操纵界面401，在完成一系列的设置后,此后判断选择开多光谱光源402的真假,如果选择开多光谱光源402判断为假则回到GUI操纵界面401进行下一步操作；如果选择开多光谱光源402判断为真则判断选择开一个LED或激光二极管403的真假,如果选择开一个LED或激光二极管403判断为真则进行开一个LED或激光二极管404的操作,如果选择开一个LED或激光二极管403判断为假则判断选择开全部LED或激光二极管405的真假,如果选择开全部LED或激光二极管405判断为真则进行开全部LED或激光二极管406的操作,如果选择开全部LED或激光二极管405判断为假则进行开部分LED或激光器407的操作；

当完成开多光谱光源的有关操作,则判断选择所开LED或激光器为已知波长可见光408的真假,如果选择所开LED或激光器为已知波长可见光408判断为真则进行添加RGB彩色图像415的操作,如果选择所开LED或激光器为已知波长可见光408判断为假则判断选择是已知波长的非可见光409的真假,如果选择是已知波长的非可见光409判断为真则进行添加非真实RGB彩色图像416的操作,如果选择是已知波长的非可见光409判断为假则进行添加非真实且与灰度值相对应的RGB彩色图像417的操作；进行添加RGB彩色图像415操作,添加非真实RGB彩色图像416操作和添加非真实且与灰度值相对应的RGB彩色图像417操作所涉及的图像数据由数据接收模块303获得；

同时,当完成开光源的有关操作时,则进行接收图像数据410的操作,又进行处理图像数据411的操作,再进行图像数据存储412的操作；

此后判断选择图像对比413的真假,如果选择图像对比413判断为真则判断选择产生彩色图像414的真假,

如果选择图像对比413判断为假则进行总光辐射通量对比418操作,再进行辐照度分布对比419操作,总光辐射通量对比418操作结果和辐照度分布对比419操作结果通过数据缓存420操作被存在缓存区,再经显示图像和鉴别结果421操作被显示出来作为用户鉴别物质的依据；

如果判断选择产生彩色图像414为真，则启动进行添加RGB彩色图像415或添加非真实RGB彩色图像416或添加非真实且与灰度相对应的RGB彩色图像417的操作,以生成便于人眼进行图像鉴别的复合彩色图像供用户直接鉴别物质之用,如果选择产生彩色图像414为假，则将经由图像数据存储412操作所存储的黑白图像数据进行数据缓存420操作而存入缓存区，显示黑白图像供用户直接鉴别物质之用。

此外，进行数据库422操作用于管理装机数据库和用户添加的装机数据库供图像鉴别对比之用；进行通讯423操作用于控制包括WIFI传输、有线上网和手机等通讯接口以连接物联网与异地用户交流信息，如鉴别结果和装机数据库等。

图5是本发明物质鉴别仪进行物质鉴别的方法，包括：

步骤S501，根据用户输入的多光谱光源选择信息控制打开对应的光谱光源照射被鉴别物质。其中，多光谱光源选择信息包括选择打开一个LED或激光器，选择打开部分LED或激光器，以及打开全部LED或激光器。

步骤S502，接收多光谱光源发出的光照射被鉴别物质所产生的图像信号，并对图像信号进行处理以获取被鉴别物质光谱图像、总光辐射通量和辐照度分布。对所述图像信号进行处理获取被鉴别物质的光谱探测特性的步骤包括：对图像信号进行滤波、降躁或平滑处理。被鉴别物质光谱图像包括黑白光谱图像以及对黑白光谱图像添加复合彩色而生成的彩色光谱探测图像。对图像信号添加复合彩色而生成彩色光谱探测图像具体包括：根据多光谱光源选择信息判断所选择的光源为已知波长的可见光、已知波长的非可见光、或未知波长的非可见光；为获取的已知波长可见光形成的图像添加RGB彩色，为已知波长的非可见光形成的图像添加非真实彩色，为未知波长的光所产生的图像添加非真实彩色且与其灰度值相对应的RGB彩色。

步骤S503，将被鉴别物质与已知物质进行光谱图像对比、总光辐射通量对比或辐照度分布对比，并显示对比结果。

优选的是，该物质鉴别方法还包括：将所述被鉴别物质与所述已知物质进行光谱图像对比、总光辐射通量对比和辐照度分布对比,包括其中的一个、两个或者全部对比以鉴别物质，若其中有一个对比的执行结果是所述被鉴别物质与所述已知物质不同，则判定所述被鉴别物质与所述已知物质不同。

优选的是，步骤S502包括：对所述图像信号添加复合彩色生成彩色光谱探测图像；步骤S503包括：将生成的所述被鉴别物质的彩色光谱探测图像与所述已知物质的彩色光谱探测图像进行对比。

优选的是，步骤S503还包括：将所述被鉴别物质光谱图像，总光辐射通量对比操作结果和辐照度分布对比操作结果通过数据缓存操作被存在缓存区,再经显示图像和鉴别结果操作被显示出来作为用户鉴别物质的依据。

复合彩色图像产生模块306在对光谱图像添加颜色时可按照以下规则：对获取的已知波长可见光形成的图像，添加RGB彩色以增加利于人眼图像鉴别的对比特征；为获取的已知波长的非可见光形成的图像，添加非真实彩色以增加利于人眼图形鉴别的对比特征，同时以文字或符号标注该波长为非可见光；为获取的未知波长的光所产生的图像，添加非真实彩色且与其灰度相对应的RGB彩色以增加利于人眼图形鉴别的对比特征。

本发明在进行物质鉴别时，所采用鉴别判据具体如下：

一、复合彩色图像对比

带有发射光学系统多光谱光源12中的LED或激光二极管可以被单独或部分或全部开启(对应不同的波长λ)，以获得不同的成像。如果，对于某一波长λ的成像有明显的差异，即可判断被鉴别物质与已知物质不同。为了提高人眼图像鉴别能力，本发明提出采用复合彩色图形对比判据鉴别物质。复合彩色图像对比判据鉴别由下列方法组成，即当使用黑白带有成像光学系统的成像探测器时：

1、对比模块307将被鉴别物质对多光谱光的成像与已知物质对多光谱光的成像并列对比，用于人眼直观地鉴别物质，此为显示普通黑白图像的对比。也即，对比模块307还用于将被鉴别物质对多光谱光经黑白成像探测器获得的黑白图像与已知物质对多光谱光经黑白成像探测器获得的黑白图像并列对比，成像探测器14为带有成像光学系统的黑白成像探测器。

2、对于多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生已知波长(由光源控制模块302控制)可见光图像，由复合彩色图像产生模块306添加相应的RGB彩色(由复合彩色图像产生模块306控制)以增加利于人眼图形鉴别的对比特征，用于人眼直观地鉴别物质。

3、对于多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的非可见光(如紫外光和红外光)且已知波长(由光源控制模块302控制)所产生的图像，由复合彩色图像产生模块306添加非真实彩色以增加利于人眼图形鉴别的对比特征，同时再以文字或符号说明该波长为非可见光。如对于紫外光所产生的图像用软件加非真实随波长渐变紫色以显示图像，即长波紫外光图像加淡紫色、短波紫外光图像加深紫色；对于红外所产生的图像用软件加非真实随波长渐变红色以显示图像，即长波红外光图像加淡红色、短波红外光图像加深红色；用于人眼直观地鉴别物质。

4、对于多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的未知波长所产生的图像，由复合彩色图像产生模块306添加非真实彩色且与其灰度相对应的RGB彩色以增加利于人眼图形鉴别的对比特征，如随着灰度从弱到强，可以将其相应的图像加上从黑、紫、红到白的颜色，用于人眼直观地鉴别物质。

5、在带有成像光学系统的黑白成像探测器中，将成像探测器划分为不同的小列阵，每个小列阵由若干像素组成作为基本探测单元。在成像探测器前设有一个由不同滤光片组成的小列阵，滤光片的大小与像素相同或相当，该滤光片覆盖从紫外到红外的光谱，所以不同的像素单元探测不同的波长的光，对于多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的可见光图像(透过相应可见光滤光片的光)，由复合彩色图像产生模块306控制加其相应的RGB彩色以增加利于人眼图形鉴别的对比特征，用于人眼直观地鉴别物质。对于多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的非可见光，如紫外光和红外光图像(透过相应非可见光滤光片的光)，由复合彩色图像产生模块306控制加非真实彩色以增加利于人眼图形鉴别的对比特征，同时再以文字或符号说明该波长为非可见光；如对于紫外光所产生的图像用软件加随波长渐变紫色以显示图像，即长波紫外光图像加淡紫色、短波紫外光图像加深紫色；对于红外所产生的图像用软件加随波长渐变红色以显示图像，即长波红外光图像加淡红色、短波红外光图像加深红色；用于人眼直观地鉴别物质。

二、总光辐射通量相似度对比

对比模块307将被鉴别物质16对多光谱光成像所产生的总光辐射通量与已知物质对多光谱光成像所产生的光辐射通量进行对比。具体的，将已知物质对多光谱光成像分成NxM个网格，如图6所示。其中E(m，n，λ)是成像网格中第(m，n)个格子的辐照度，λ为多光谱光中的某一单色光波长。计算已知物质对多光谱光的成像网格的总光辐射通量为Φ₀(λ)如下：

其中δS是第(m，n)个网格的面积。

同样，将也将被鉴别物质对多光谱光成像分成数量相同的MxN个网格，如图7。其中E′(m，n，λ)是该成像网格中第(m，n)个格子的光辐照度，计算被鉴别物质对多光谱光的成像网格的总光辐通量为Φ′₀(λ)如下，

则定义相似度为：

相似度R(λ)为1时,表示被鉴别物质与已知物质相似；反之，相似度R(λ)偏离1则表示被鉴别物质与已知物质不相似,偏离1越大越不相似。光源中的LED或激光二极管可以单独或部分或全部被开启(对应不同的波长λ)，以获得不同的成像。如果，对于某一波长λ的相似度R(λ)的值偏离1较大，即可判断被鉴别物质与已知物质不似；反之,对于所有波长λ的相似度R(λ)的均为1或接近1,即可判断被鉴别物质与已知物质相似。用户可以接受的相似度的大小由用户根据经验定义。

三、光辐照度分布相似度对比

对比模块307在进行辐照度分布的对比时，对比模块307将被鉴别物质的辐照度分布与已知物质的辐照度分布进行对比，即将已知物质对多光谱光成像分成MxN个网格，计算其网格数随光辐照度E的分布S(λ，E)，如图8。同样，将被鉴别物质对多光谱光成像分成MxN个网格，计算其网格数随光辐照度E的分布S'(λ，E)，如图9。λ为多光谱光中的某一单色光波长。定义两者相似度为：

其中，μ是考虑已知物质成像网格数随光辐照度E的分布S(λ，E)和被鉴别物质成像网格数随光辐照度E的分布S'(λ，E)对相似度的贡献权重不同而影响鉴别，而乘以的加权因子。例如可以定义加权因子为:

相似度R(λ)为1时,表示被鉴别物质与已知物质相似；反之，相似度R(λ)偏离1则表示被鉴别物质与已知物质不相似,偏离1越大越不相似。光源中的LED或激光二极管可以单独或部分或全部被开启(对应不同的波长λ)，以获得不同的成像。如果，对于某一波长λ的相似度R(λ)的值偏离1较大，即可判断被鉴别物质与已知物质不似；反之,对于所有波长λ的相似度R(λ)的均为1或接近1,即可判断被鉴别物质与已知物质相似。用户可以接受的相似度的大小由用户根据经验定义。

用户可以上述一个或部分或全部判据鉴别物质。相反，如果对于某一判据的结果是否定的，即可判断被鉴别物质与已知物质不同。也即对比模块307还用于将被鉴别物质与已知物质执行光谱图像对比、总光辐射通量对比和辐照度分布对比；且对比模块307还用于执行光谱图像对比、总光辐射通量对比和辐照度分布对比中的一个、两个或者全部对比以鉴别物质，若其中有一个对比的执行结果是被鉴别物质与已知物质不同，则判定被鉴别物质与已知物质不同。

图10是本发明中利用多光谱光的反射光鉴别物质示意图。12是带有发射光学系统多光谱光源，13是滤光片，14是带有成像光学系统的成像探测器，16是被鉴别物质，17是多光谱光，801是被鉴别物质表面，802是多光谱光的反射光。带有发射光学系统多光谱光源12发出的多光谱光17照射到被鉴别物质表面801后被反射形成反射光802，因为被鉴别物质表面801物理特征-颜色、光洁度、纹理以及所含物质成分等不同而对不同光谱的光反射有所不同，用带有成像光学系统的成像探测器14此反射光802可以得到被鉴别物质表面801的成像。调用装机数据库利用上述我们定义的鉴别判据对比已知物质对这些多光谱光的成像特征便可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。使用滤光片13以便选取多光谱光的反射光802中特定波长光成像，以便于更好地鉴别物质。

图11是本发明中利用多光谱光的透射光鉴别物质示意图。如图11所示，12是带有发射光学系统多光谱光源，13是滤光片，14是带有成像光学系统的成像探测器，16是被鉴别物质，17是多光谱光，19是多光谱光的透射光。带有发射光学系统多光谱光源12发出的多光谱光17照射到被鉴别物质16后形成多光谱光的透射光19，用带有成像光学系统的成像探测器14探测此透射光可以得到被鉴别物质16的成像。调用装机数据库利用上述我们定义的鉴别判据对比已知物质对这些多光谱光的透射光19的成像特征便可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。使用滤光片13以便选取多光谱光的透射光19中特定波长光成像，以便于更好地鉴别物质。

图12是本发明中利用多光谱光的表面激发荧光鉴别物质示意图。如图12所示，12是带有发射光学系统多光谱光源，13是滤光片，14是带有成像光学系统的成像探测器，16是被鉴别物质，17是多光谱光，101是被鉴别物质表面，102是激发荧光或激发荧光与反射光的混合光。多光谱光源12发出的多光谱光17照射到被鉴别物质表面101后激发产生荧光或激发荧光与反射光的混合光102，用带有成像光学系统的成像探测器14探测此激发荧光或激发荧光与反射光的混合光102可以得到被鉴别物质表面101的成像。调用装机数据库利用上述我们定义的鉴别判据对比已知物质对这些混合光102的成像特征便可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。使用滤光片13以便选取多光谱光的激发荧光和反射光102中特定波长光成像，以便于更好地鉴别物质。

图13是本发明中利用多光谱光的透射激发荧光鉴别物质示意图。如图13所示，12是带有发射光学系统多光谱光源，13是滤光片，14是带有成像光学系统的成像探测器，16是被鉴别物质，17是多光谱光，111是激发荧光或激发荧光与透射光的混合光。多光谱光源12发出的多光谱光17照射到被鉴别物质16后激发产生荧光或激发荧光与透射光的混合光111，用带有成像光学系统的成像探测器14探测此激发荧光或激发荧光与透射光的混合光111可以得到被鉴别物质16的成像。调用装机数据库利用上述我们定义的鉴别判据对比已知物质对这些多光谱光的成像特征便可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。使用滤光片13以便选取多光谱光的激发荧光和透射光111中特定波长光成像，以便于更好地鉴别物质。

物质鉴别仪100在进行物质鉴别时，通过对比模块调用数据库并依据预定义的判据，将被鉴别物质与已知物质的光谱探测特性进行对比以产生物质鉴别结果。包括复合彩色图形对比、光辐射通量对比和辐照度分布对比等。本发明物质鉴别仪所采用鉴别判据具体参照实施例二。

实施例二

图14是本发明一种包括如图1所示的物质鉴别仪的物联网架构图，物质鉴别仪100视为物联网传感器，以此为基础建立用于物质鉴别的物联网，便于大众物质鉴别之用，该物联网架构还包括：

物联网服务器141，用于物质鉴别物联网的管理以及与物质鉴别仪的通讯。

物联网数据库模块142，用于建立和管理已知物质光谱探测特性的数据库，该数据库中的数据可以由该物联网所有者、国家有关职能部门、商品生产商或供应商、物质鉴别物联网或物质鉴别仪的使用者提供，以便利用物质鉴别物联网和物质鉴别仪实现现场化和大众化的物质鉴别与相关信息的交流。

物联网大数据存储模块143，用于存储物质鉴别仪传递的数据和信息。

特别物质分析及鉴别模块144，用于鉴别物质鉴别仪无法鉴别的物质或进行更细致的物质分析与鉴别。从而在物质鉴别仪100的数据库模块中没有保存用于鉴别物质参考的物质光谱探测特性的数据时，可以从物联网获取相关数据。

技术支持与服务模块145，用于通过物联网向本发明物质鉴别仪用户提供技术支持与服务。

异地用户146可以通过物联网与异地使用的本发明仪器的用户通讯交流信息等。

综上所述，本发明的PC或嵌入式计算机系统控制带有发射光学系统多光谱光源照射被鉴别物质，带有发射光学系统多光谱光源发出的多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的光被带有成像光学系统的成像探测器成像，使用滤光片以便选取多光谱光与被鉴别物质相互作用而产生的光中特定波长光成像，以便于更好地鉴别物质。同时本发明采用预定义的鉴别判据，调用装机数据库对比已知物质对这些多光谱光的成像特征便可以鉴别物质，包括物质的真伪或一致性。鉴别方法简单，可以实现现场化和大众化的物质鉴别。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种物质鉴别仪，其特征在于，包括PC或嵌入式计算机系统(11)、多光谱光源(12)、滤光片(13)、成像探测器(14)以及控制系统(15)；

所述多光谱光源(12)由多种LED或激光二极管组合而成；

所述成像探测器(14) 用于采集由所述多光谱光源(12)发出的多光谱光与被鉴别物质(16)相互作用而产生的光信号；

所述控制系统(15)包括：

光源控制模块(26)，用于控制所述多光谱光源(12)的开关以使多光谱光照射所述被鉴别物质(16)，光源控制模块(26)控制所述多光谱光源(12)中的LED或激光二极管单独开启、部分开启或全部开启；

图像采集模块(21)，用于从带有成像光学系统的成像探测器(14)处获得原始图像信号，并通过放大电路将所述原始图像信号放大；

信号处理模块(22)，用于对放大后的图像信号进行处理，以获取所述被鉴别物质(16)的光谱探测特性，所述光谱探测特性包括光谱图像、总光辐射通量和辐照度分布；

对比模块(307)，用于依据预定义的判据将所述被鉴别物质(16)的光谱探测特性与已知物质的光谱探测特性进行对比以产生物质鉴别结果；若光谱图像对比、总光辐射通量对比和辐照度分布对比中出现一个对比的执行结果是被鉴别物质与已知物质不同，则判定被鉴别物质与已知物质不同；

获取被鉴别物质(16)和已知物质的辐照度分布，并将被鉴别物质(16)的辐照度分布与已知物质的辐照度分布进行对比以产生物质鉴别结果的过程为：

将已知物质的多光谱光图像分成M×N个网格，计算其网格数随光辐照度E的分布S(λ，E)，同样，将被鉴别物质(16)的多光谱光图像分成M×N个网格，计算其网格数随光辐照度E的分布S'(λ，E)，其中，λ为多光谱光中的某一单色光波长；

定义S(λ，E)与S'(λ，E)的相似度为：

其中，μ是加权因子，定义为：

通过多光谱光源中的LED或激光二极管单独或部分或全部被开启，获得不同的波长λ，从而获得不同波长的图像；若某一波长λ的相似度D(λ)的值偏离1较大，则判断被鉴别物质与已知物质不相似；若对于所有波长λ的相似度D(λ)的值均为1或接近1，则判断被鉴别物质与已知物质相似。

2.根据权利要求1所述的物质鉴别仪，其特征在于，所述控制系统(15)还包括数据缓存模块(23)、数据传递模块(24)，显示模块(25)、通讯模块(27)；

数据缓存模块(23)，用于存储经信号处理模块(22)处理后的数据；

数据传递模块(24)，用于将存储的数据传送给PC或嵌入式计算机系统(11)，并接收PC或嵌入式计算机系统(11)的指令；

显示模块(25)，用于显示操作指令、数据和鉴别结果；

通讯模块(27)，用于连接物联网或与异地用户通讯交流信息。

3.根据权利要求1所述的物质鉴别仪，其特征在于，所述多光谱光源(12)中的LED或激光二极管为分离的光源或由合光系统组合而成的单端输出的光源；所述物质鉴别仪采用单边或多边光源照明，所述多光谱光源(12)位于带有成像光学系统的成像探测器(14)的一边或多边。

4.根据权利要求1所述的物质鉴别仪，其特征在于，所述成像探测器(14)为带有成像光学系统的黑白成像探测器；

所述对比模块(307)用于将所述被鉴别物质(16)被所述多光谱光照射后、经黑白成像探测器获得的黑白图像，与已知物质被所述多光谱光照射后、经黑白成像探测器获得的黑白图像并列对比，以用于人眼直观地鉴别物质。

5.根据权利要求1所述的物质鉴别仪，其特征在于，所述控制系统(15)还包括复合彩色图像产生模块(306)，用于为所述被鉴别物质(16)的光谱图像添加色彩，以生成具有便于人眼图像鉴别的对比特征的复合彩色图像；

所述对比模块(307)用于将所述被鉴别物质(16)的复合彩色图像与已知物质的复合彩色图像进行对比，以产生物质鉴别结果。

6.根据权利要求5所述的物质鉴别仪，其特征在于，所述复合彩色图像产生模块(306)用于为获取的已知波长可见光形成的图像添加RGB彩色，以增加利于人眼图像鉴别的对比特征；

所述复合彩色图像产生模块(306)还用于为获取的已知波长的非可见光形成的图像添加非真实彩色，以增加利于人眼图像鉴别的对比特征，同时以文字或符号标注该波长为非可见光；

所述复合彩色图像产生模块(306)还用于为获取的未知波长的光形成的图像添加非真实的、且与图像灰度值相对应的RGB彩色，以增加利于人眼图像鉴别的对比特征。

7.根据权利要求6所述的物质鉴别仪，其特征在于，所述成像探测器(14)分为不同的小阵列，每个小阵列由若干像素组成，小阵列作为基本探测单元；

所述成像探测器(14)前设有由不同滤光片(13)组成的滤光片阵列，每个滤光片(13)的大小与所述像素相同，不同的基本探测单元探测不同波长的光；

所述复合彩色图像产生模块(306)还用于为透过可见光滤光片的光产生的图像添加RGB彩色，以增加利于人眼图像鉴别的对比特征；

所述复合彩色图像产生模块(306)还用于为透过非可见光滤光片的光产生的图像添加非真实彩色，以增加利于人眼图像鉴别的对比特征，同时以文字或符号标注该波长为非可见光。

8.根据权利要求7所述的物质鉴别仪，其特征在于，所述复合彩色图像产生模块(306)还用于为紫外光所产生的图像添加非真实的且随波长渐变的紫色，以显示图像；

所述复合彩色图像产生模块(306)还用于为红外光所产生的图像添加非真实的且随波长渐变的红色，以显示图像。

9.根据权利要求7所述的物质鉴别仪，其特征在于，所述成像探测器(14)用于采集所述多光谱光照射所述被鉴别物质(16)所产生的反射光、透射光、荧光或非线性散射光中的一种或多种光信号；

所述滤光片(13)对所述光信号进行滤光以选取特定波长的光。

10.根据权利要求1所述的物质鉴别仪，其特征在于，所述物质鉴别仪还包括样品遮光装置，用于减少环境光对成像探测器(14)的干扰。

11.一种基于物联网的物质鉴别系统，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述物质鉴别仪，并且所述基于物联网的物质鉴别系统还包括：

物联网服务器，用于物质鉴别系统的管理以及与所述物质鉴别仪通讯；

物联网数据库模块，用于建立和管理已知物质的光谱探测特性的数据库；该数据库中的数据由该物质鉴别系统的所有者、国家有关职能部门、商品生产商、商品供应商、该物质鉴别系统的使用者或所述物质鉴别仪的使用者提供；

物联网大数据存储模块，用于存储所述物质鉴别仪传递的数据；

特别物质分析及鉴别模块，用于鉴别所述物质鉴别仪无法鉴别的物质，或进行更细致的物质分析与鉴别；

技术支持与服务模块，用于通过物联网向所述物质鉴别仪的使用者提供技术支持与服务。

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