CN110678747B - 指纹识别和分析宝石 - Google Patents

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Abstract

本文公开的实施例涉及使用共振超声光谱技术检验包括切割/抛光和粗糙的金刚石的宝石。通过使用扫频正弦振荡器机械地使石头振动，感测共振振动并显示频谱来获得共振频率以产生描述石头的图案。共振指纹可以用于跟踪单个石头以验证其完整性或对粗糙石头进行分级以建立潜在价值。

Description

指纹识别和分析宝石
相关申请的交叉引用
该国际专利申请涉及并要求在2017年2月28日提交的题为“用于指纹识别和分类金刚石的方法”的美国发明专利申请序列号15/444，736的优先权，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请涉及宝石，例如在包括但不限于切割、抛光和/或粗糙的石头的任何条件下的金刚石的无损检测以产生石头的数字识别的领域。一些实施例包括对宝石的分析以识别可以用于对石头进行潜在价值分类的物理特征。
背景技术
金刚石被开采为粗糙的石头，它们从粗糙的石头经过检验，以确定它们作为宝石或用于工业用途的价值。不到25％的开采金刚石值得切割和抛光，以生产用于珠宝的宝石。约40％的剩余群体仍然具有作为机床工业金刚石的价值，其余的被研磨成粉末，以为研磨应用提供涂层。因此，有效且准确地进行这些确定是有用的。
粗糙的石头通常存在于两种条件下：涂层和未涂层。涂层石头有一层不同于主要的晶体结构的多晶金刚石，使它们不透明。这可能会干扰光学检查，因为任何裂缝或包裹体都不能被人类检查看到或更难以看到。可靠的分类系统将非常有用。
附加地或替代地，作为高价值物品，宝石可能被盗。需要在其产地处识别这些石头，以便稍后用于身份确认。另外或替代地，作为高价值物品，宝石经常随着时间改变保管人。一旦切割和抛光石头，就需要识别物体以确保其完整性和身份。本文的系统和方法满足了这些需求和其他需求。虽然本文的许多示例涉及金刚石的分析和识别，但应明确理解本发明不限于此并且适用于多种其他宝石，包括但不限于刚玉、电气石、绿柱石和坦桑石。
发明内容
本文的系统和方法可以包括将待测试的石头安装在测试台上，通过至少两个压电换能器接触石头，使至少一个压电换能器振动通过预定的感兴趣范围以在石头中产生共振，感测至少一个压电换能器的所得共振，利用算法，通过控制包含处理器和存储器的共振超声波光谱仪来放大换能器信号两者以满足信噪比要求、共振信号的同相和正交分量以生成共振数据，从而导致在控制计算机上的用户界面中显示共振数据。
在一个示例中，本文的系统、方法和非暂时性计算机可读介质包括使用具有处理器和存储器的芯片作为用于将输入信号发送到第一输入换能器的信号发生器和信号处理器，其中，在使用中，第一输入换能器接触评估中的石头，然后接收来自第二接收器换能器的共振信号，其中，在使用中，第二接收器换能器接触评估中的石头，然后通过输入频率的范围步进输入信号，然后接收所接收信号的范围。在一些示例实施例中，芯片然后用于利用算法处理接收信号的范围并将用于评估中的石头的处理过的接收信号的范围发送到计算机以供显示。
本文的另一个示例系统和方法可以包括将待测试的石头安装在测试台上，通过至少两个压电换能器接触石头，使一个压电换能器振动通过预定的感兴趣范围以在石头中产生共振，同时感测另一个等同压电换能器的所得共振，利用算法，通过控制包含处理器和存储器的共振超声波光谱仪，放大换能器信号两者以满足信噪比要求、共振信号的同相和正交分量以生成共振数据，从而导致在控制计算机上的用户界面中显示共振数据。
本文的系统和方法包括具有处理器和存储器的计算机，其通过共振超声波光谱仪与第一输入换能器和第二接收器换能器通信，用于将输入信号发送到第一输入换能器。在一些示例实施例中，第一输入换能器接触评估中的石头。在一些示例实施例中，计算机可以用作用于观察来自第二接收器换能器的共振信号的图形界面。附加地或替代地，在一些示例实施例中，共振超声波光谱仪可以用于放大激励信号和接收信号两者，并且利用算法处理接收信号。并且附加地或替代地，在一些示例实施例中，计算机可以用于基于处理的信号观察评估中的石头的共振数据。
附图说明
为了理解本发明并观察其在实践中可以如何实施，现在将参考附图仅通过非限制性示例来描述各实施例，其中：
图1A、图1B和图1C为可以用于实现本文所述方法的硬件的示例硬件系统图。
图2为可以使用本文描述的系统和方法确定的示例曲线图。
图3A和图3B为可以使用本文描述的系统和方法确定的各种主题的示例曲线图。
图4-图6为可以使用本文描述的系统和方法确定的示例曲线图。
图7为可以用于实现本文描述的方法的示例计算机系统。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，其示例在附图中示出。在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本文提出的主题的充分理解。但是对于本领域普通技术人员来说明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施主题。此外，本文描述的特定实施例借助于示例提供，并且不应该用于将本发明的范围限制于这些特定实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的数据结构、定时协议、软件操作、过程和部件，以免不必要地模糊本发明的各实施例的各方面。
概述
金刚石被开采为粗糙的石头，它们从粗糙的石头经过检验，以确定它们的价值为宝石质量或两种不同的工业品质。但是由于分析靠近矿源的石头的技术障碍，很多时候，石头被交易多次，然后才进行适当的分析和分类以进行加工和切割。此外，识别这种石头可能是有用的。宝石往往被切割和抛光到非常相似的尺寸，这使得难以区分具有相似重量、切成相似比例的金刚石。诸如具有非常高透明度的金刚石的宝石具有非常少的内部特征，其可以帮助区分类似的金刚石，并且通常内部特征的存在或不存在不能被定量地很好地表示。石头可能会被错误识别并彼此混淆。
诸如本文所述的系统和方法允许对切割和/或抛光的石头以及一些粗糙金刚石进行可靠的分析。附加地或替代地，本文的系统和方法可以用于创建单个石头的数字标识符，其可以用于稍后识别单个石头和/或在稍后回收和/或跟踪时验证这些石头。
这种石头的分析和识别可以通过应用本文的系统和方法来实现，其涉及共振超声波光谱技术(RUS)的使用。RUS可以指利用特定机械力和频率输入的激励器将诸如机械振动的能量施加到石头上，然后接收包括由石头产生的任何共振的能量。在一些示例中，可以赋予输入频率的范围，以便接收可以绘图和以其他方式分析的输出响应的范围。在其他示例中，在接收信号的范围内检测一个共振频率或多个共振频率。这些共振为比在其他频率处证明的本底噪声高得多的振动，并且可以如本文所述用于识别或以其他方式分析石头。
这些接收的RUS信号示例可以反映单个石头的物理形状、密度、结构异常和/或弹性性质，从而有助于识别石头中的这些特征。并且在一些示例中，在密度几乎相同的情况下，例如，无论是切割和抛光还是粗糙的全部或大多数金刚石的情况，特定的共振然后可能是石头的几何形状甚至弹性性质的结果。因此，甚至类似组成的石头也可以通过其他性质来区分。
可以存储和编目每个分析的石头的接收信号图，使得它可以用于与后来的曲线图进行比较以识别该石头或甚至石头的部分。在一些示例实施例中，可以将可以用于识别的这种独特信号视为或称为石头的标识符或“指纹”。
本文应当指出，术语“指纹”并非旨在是限制性的。术语指纹或指纹识别可以用于指代唯一的标识符，其可以被存储并用于以后识别相同的物体和/或确定石头的某些特征。在一些示例中，指纹为来自单个石头的接收的共振能量的曲线图或图表，用于分析和/或识别该石头。非常类似于具有不同指纹的每个人，基于人手指皮肤上的脊，可以获得、分析其他物体的独特物理特性并将该独特物理性质用于以后识别石头。在本文的示例中，可以使用所描述的共振技术找到这样的指纹或唯一标识符。
虽然本文的许多示例涉及金刚石的分析和识别，但应明确理解本发明不限于此并且适用于多种其他宝石，包括但不限于刚玉、电气石、绿柱石和坦桑石。
系统示例
附加地或替代地，在一些示例实施例中，可以用于执行本文描述的方法的(一个或多个)系统可以包括一起工作的某些硬件和计算机资源。图1A示出了可以在本文的示例性实施例中使用的硬件的示例布置，以将能量施加到石头，从而接收包括任何共振能量的响应返回。可以处理这些响应并随后在用户界面中显示和/或以其他方式进行分析。
在图1A中，至少两个换能器102、104显示在系统106中，系统106联接到检验中的石头110或以其他方式接触检验中的石头110。换能器102、104可以通过有线连接112或无线(未示出)连接与计算机120连接或以其他方式与计算机120通信。该计算机120可以发送用于输入换能器102的命令和/或信号以在石头110上赋予能量。计算机120还可以从接收换能器104接收数据，以便分析如本文所讨论的来自石头110的共振模式。
换能器102、104可以包括压电部件，其可以赋予能量和/或接收能量。在一些示例中，所赋予或施加的能量可以为由第一压电换能器102赋予石头110的机械振动的形式。在一些示例实施例中，输入能量可以包括如本文所述的特定组或范围的超声频率。
在优选实施例中，第二换能器104可以用于感测、接收或以其他方式检测石头110的机械响应，包括任何共振响应。来自这些接收换能器104的信号可以被发送到各种计算机120硬件中的任何一个，以用于放大、处理、制图和/或以其他方式分析。在一些示例中，计算机120可以用作连接的动态信号分析器，其接收输入并确定充分描述符合频谱的相关共振。在一些示例中，信号发生器、放大器和光谱仪为如本文所述的单独的组成部件。
通过了解输入频率范围，并通过接收每个单独石头的特定范围的信号响应，可以使用可重复的方法以使用本文所述的系统和方法来分析和/或识别石头。在一些示例实施例中，所得信号可以图形地显示在用户界面上，如例如图2中所示。在一些示例实施例中，可以对所得信号进行图形化、数字映射或以其他方式对其进行采样和存储，以便稍后与其他信号进行比较。在一些示例实施例中，该所得信号可以被称为石头的共振指纹。
在图1A的示例中，集成RUS系统包含在计算机120(包括但不限于信号发生器、放大器和光谱仪)内。在一些示例实施例中，单独的RUS系统位于换能器102、104和计算机120之间并与换能器102、104和计算机120进行通信。在这样的示例实施例中，RUS系统(图1A中未示出)将发送命令和/或为输入换能器102生成信号，包括信号的放大，以及从接收换能器104接收信号并放大和处理该接收到的信号以供光谱仪进行处理。这些示例中的计算机120可以仅用于显示处理的信号的所得曲线图和/或存储数据。可以如本文所述利用各种壳体和外围连接中的硬件部件的任何组合或置换。
需指出，在一些示例中，换能器102、104之间的检验中的石头110的取向可能影响RUS分析的输出。示例取向包括石头110的台面到底尖或腰棱到腰棱的取向。每个取向可以在相同金刚石的后续扫描的峰值检测的再现性方面提供优点和缺点，并且在具有名义上相似的特征的金刚石之间进行区分。因此，用于特定RUS分析的每个石头110的取向可能需要被注释或以其他方式包括在任何曲线图或报告中。
图1B示出了替代地或除了图1A的计算机布置之外的示例示意图实施例。在图1B中，计算机120可以包括显示器、数据存储器和/或至系统其余部分的命令发送器布置。在如图1B所示的一些示例中，系统可以包括与计算机120通信的频率合成器130，其中，合成器130被配置为在由计算机120给出命令时产生电信号和/或一定范围的信号。合成器130可以连接到压电晶体102，压电晶体102将来自合成器130的接收电信号转换成机械振动。这样的示例性机械输入换能器102可以与石头110接触以使其振动。如下所述，输入换能器102可以在石头110上赋予一定范围的频率。
响应于所赋予的频率，石头110将振动，并且与石头110接触的另外的接收换能器104可以被配置为感测所产生的振动并将电信号发送到放大器140以供处理。在一些示例中，这样产生的振动可以导致包括特定共振峰的一定范围的响应，其可以如本文所述被感测和绘图或采样。
在一些示例中，然后由相敏检测器和数字信号处理器150处理放大的信号，并且可以将同相和异相或正交信号两者发送到计算机120以供处理和分析。在一些示例实施例中，使用进程来添加信号。在一些示例中，平方和的平方根用于处理信号。例如：
总和＝√(1信号2)+(2信号2)
然后，所得到的能量图可以在用户界面计算机120上显示为全部正峰值集的曲线图，而不是分析负和正共振峰值，例如，如图2所示。
需指出，图1B中的部件，诸如合成器130、放大器140、相敏检测器和数字信号处理器150也可以为计算机120本身的一部分或在计算机120中工作。换句话说，在一些实施例中，图1B中的这些组成部件可以包括在计算机120中。
图1C为除了图1A和图1B之外或作为图1A和图1B的替代的另一硬件配置示例。图1C的示例包括专用集成电路160(ASIC)和/或片上系统，其具有集成存储器，诸如但不限于ROM、RAM、EEPROM、闪存和包括微处理器的处理器。一些示例可以包括诸如Red Pitaya系统中的那些的布置，但是可以使用其他布置和硬件来补充或代替这种片上系统。这种片上系统160可以接收电力，诸如但不限于5V电源162。在一些示例实施例中的芯片160还可以通过以太网、其他有线或甚至无线通信布置耦合到计算机164和/或与计算机164通信。在这些示例实施例中，片上系统160可以用作RUS系统的信号发生器和信号处理器。
在如图1C所示的这种示例布置中，片上系统160还可以与电荷放大器166通信和/或耦合到电荷放大器166。这样的电荷放大器166可以用作至评估中的石头110的输入信号的放大器。这样的电荷放大器166可以耦合到第一换能器168和/或与第一换能器168通信，当第一换能器168接收来自电荷放大器168的输入信号时，第一换能器168可以振动，以如本文所述，将输入频率传递到评估中的石头110。片上系统160还可以耦合到另一个放大器、RUS放大器170和/或与另一个放大器、RUS放大器170通信，RUS放大器170可以用作来自第二换能器172的接收频率的放大器。在使用时，该第二换能器或接收换能器172可以与评估中的石头110通信和/或接触，并通过其压电布置接收评估中的石头110的频率，包括任何共振频率。然后，该接收信号可以由RUS放大器170放大并发送到芯片160进行处理。在图1C的示例中，片上系统160用作信号发生器和信号处理器，然后它向计算机164发送来自评估中的石头110的接收和处理的数据以进行分析、绘图和显示。
在一些示例实施例中，芯片160和/或计算机164可以与诸如因特网的网络通信。通过这种连接，芯片160和/或计算机164可以与托管在网络服务器上的软件交互。在一些示例实施例中，用于RUS系统的软件存储在本地计算机164和/或芯片160上。在一些示例实施例中，软件存储在本地计算机164和/或芯片160上以及可通过网络访问。
应当指出，图1A、图1B和图1C的实施例可以以各种组合进行组合和利用。实施例不一定是彼此排斥的，并且不旨在限制。本文公开的硬件可以替代地或附加地以各种形式和组合进行组装，以便实现本文公开的方法。
下面描述有关信号分析和生成的更多细节。计算机的进一步讨论见图7。
接收到的共振能量概述
诸如金刚石的宝石为坚固的物体。坚固的物体可以由任何数量的频率的激励机械输入(换能器)激励，诸如但不限于如本文所述的超声频率。在一些示例中，这种范围的超声频率可以用于激励宝石。对所施加的激励能量的响应可以为物体在某些频率下的共振。共振为物体在某些频率下以比在其他频率下更大的振幅振荡的趋势。这些被称为物体的谐振频率(或共振频率)，并且可以为刚度除以质量的平方根、材料的密度和形状(包括所有尺寸)的函数。
频率＝√刚度/质量
将一定频谱或范围的激励输入能量应用于坚固物体可以允许针对单个物体(诸如宝石)识别这些共振频率。在一些示例中，该范围可以为扫频正弦方法，由此扫描正弦频率或步进通过正弦频率。这种范围的施加频率可以产生接收的频谱包括坚固物体中固有的任何可识别的共振，其显示为振幅尖峰，以及在没有振幅的情况下，表明石头在该频率下没有共振。
如所讨论的，坚固物体共振可能受物体几何形状(包括坚固物体的形状和/或弹性性质)的影响或或是其结果。在一些示例中，石头切割的形状和尺寸产生特定的所得响应，并因此产生可以绘图的共振峰值。对于仅由一个单晶组成的金刚石来说尤其如此。在这样的示例中，密度和弹性性质可以为已知值，因此共振可以由绝对几何形状以及前述包裹体和不均匀性的细微贡献来控制。
这允许应用RUS以产生切割/抛光样品特有的指纹，仅仅是由于物理形状包括诸如其刻面尺寸，或受到内部包裹体(诸如晶体，“羽裂纹”)或可能影响共振的其他物理方面的影响。对于粗糙的宝石，通常存在裂缝和其他包裹体，其影响结构刚度并且可以通过检测到的共振的量和检测到的共振的Q值(下面讨论的峰值宽度)通过RUS容易地观察到。由于结构性质，这种表征有助于分类粗糙金刚石，同时还为具有刚性结构的金刚石提供指纹标识符。因此，在一些示例中，对于具有许多包裹体和缺陷的石头，甚至可以以相同的方式测量石头的弹性性质。在这样的示例中，也可以识别含有许多包裹体或瑕疵的石头。
图2中示出了单晶的切割抛光金刚石的共振图的示例。该曲线图包括沿X轴202示出的从0.8MHz到1.8MHz的施加激励频率。在示例中的所得共振峰值显示在振幅Y轴204上。在该示例中，在约0.93MHz 210、1.38MHz 212和1.75MHz 214下观察到峰值。对于这种单独的石头，可以如本文所述使用该标记或图案。
因为金刚石具有基本相似的密度，约3.5g/cm3，并且单晶具有相同的弹性常数，因此除了存在裂缝时，晶体的形状可以不同并提供不同的共振指纹。独立于如何创建共振频谱，可以对其进行测量并与存档的指纹进行比较，以观察它是否已被改变。
在一些示例中，多个晶体可以存在于单个石头中。本文描述的系统和方法可以用于确定在单个石头中出现多少晶体以用于识别目的。如上所述，对于单晶，在特定的频率范围内可以观察到约十个共振。如图3中的示例指纹所示，当观察到该数量的两倍或三倍时，在一些示例中，两个或更多个晶体可以在该单个石头内。这种分析可以帮助检验员对金刚石进行评估和/或识别金刚石。
在一些示例中，甚至可以从这样的方法中使用最低共振频率的质量除以2的平方根来近似获得石头的重量。
绝对频率共振示例
使用本文所述的方法，在样品石上赋予频率的范围或频谱时，可以从石头接收的振动中作出绝对频率与相对振幅的所得曲线图。不是仅将一个冲击频率赋予到石头上，这将产生差的信噪比和一次所有共振，可以接收并绘制步进通过一定范围的特定频率。为了找到所得的共振峰，在石头上赋予的这个范围的频率可以在X轴302上绘制，并且所得共振可以在Y轴304上绘制，如图3所示。通过在不同的石头上重复相同的频率范围，可以为每个石头生成可识别的曲线图(包括频率表)或“指纹”，其中，绘制共振峰以用于分析和比较。
图3示出了给定无瑕疵等级的0.50克拉金刚石的所得频率的示例图。该曲线图显示，当所赋予的能量从1.0MHz移动到3.0MHz时，该特定石头对于所赋予的能量的响应有10个峰值共振。如本文所述，这样的所得曲线图，特别是峰值共振的参数可以用作该金刚石的指纹。
在一些示例中，可以基于石头的形状和/或大小来确定要在石头上赋予的频率的范围。例如，对于较大的石头(例如>1克拉)，可以使用对于比较小的石头(例如1克拉或更小)的频率更低的频率用作输入频率，这可以产生具有足够的峰值共振的所得频谱以正确地识别石头。例如，对于5克拉或10克拉的石头，0.5MHz频率扫描可能是有用的，而对于1克拉的石头，1MHz-4MHz的范围可能是优选的。并且因为较大的石头(>1克拉)可以使用本文的系统和方法产生更多的共振峰，所以可能但不必要在较低频率(例如0.2MHz-0.3MHz)开始扫描。
在一些示例中，由换能器赋予以指纹识别石头的这一频率范围可以根据石头的大小和/或尺寸而变化。在一些示例中，所赋予的频率的范围可以在1MHz和5MHz之间。在一些示例中，在0.8MHz和1.8MHz之间。在一些示例中，该范围在1MHz和4MHz之间。较大的石头可能需要比较小的石头更低的频率，以达到比较所需的峰值量。
0.8MHz和4MHz之间的检验范围可能适用于5克拉至0.5克拉之间的金刚石(与较小的石头相比，较大的石头在较低值处具有最低位共振)。对于更大的石头，检验范围可能会变为更低的频率。
在一些示例中，所赋予的频率在如上所述的范围内步进，以便实现用于绘图的所得共振峰值的范围。在这样的示例中，可以设置由换能器在石头上赋予的频率的步长，使得可以绘制最大数量的共振峰值，同时有效利用时间和资源以用于现实世界的测试条件。例如，太大的步长可能跳过石头的共振频率峰值，并且指纹中可能缺少那些峰值。但是，过小的步长可能需要很长时间才能绘图。因此，本文的各种示例已经显示出在不花费太多时间或资源的情况下找到许多峰值共振的精确度和效率的良好平衡。在一些示例中，该步长可以为100Hz。在一些示例中，该步长可以为200Hz。在一些示例中，可以使用20Hz的步长。在一些示例中，可以使用15Hz和25Hz之间的步长。在一些示例中，可以使用2Hz的步长。然而，应当指出，可以使用任何范围的步长来遍历频谱，从而获得共振峰值曲线图。
示例共振曲线图
本文的各种附图示出了使用本文描述的系统和方法接收和处理的示例指纹。这些示例不旨在通过可以确定的各种指纹的示例进行限制。
图3A示出粗糙的未涂覆的金刚石的示例指纹，简单的线形、高Q是明显的(如本文所述)。该曲线图代表宝石质量，石头中可能有超过1个晶体。可能需要进一步检验。这里示出了两条迹线，其对应于共振的同相分量320和正交分量322。
图3B示出了除了金刚石之外的宝石的示例RUS指纹。使用本文的系统和方法，可以从任何各种非金刚石石头确定可辨别的指纹，类似于如本文所述的如何确定金刚石的可辨别指纹。金刚石和蓝宝石的示例不旨在是限制性的，并且任何宝石可以类似地进行指纹识别。
应当指出，金刚石的弹性常数表示已知的最硬材料。所有其他石头都比较柔软，因此相同大小石头的共振频率将具有比金刚石低得多的频率。因此，例如，为了观察蓝宝石的最低20个共振，可观察范围将为约0.3MHz至1.5MHz。该重量的金刚石的最低可观察模式为约1.2MHz。形状还决定了模式可能的存在程度有多低。例如，较薄的形状将具有比圆形更低的共振。
图3B示出了包括1.22克拉蓝色蓝宝石的同相和异相信号(使用等式总和＝√(1信号2)+(2信号2))的示例指纹谱。该曲线图示出了Y轴的以伏特为单位的振幅360和x轴的以Hz为单位的频率350。在示例指纹曲线图中，检测到多个峰值，诸如最高峰值370。该示例示出了180个不同的峰值。
因此，图3B展示了除了金刚石之外的不同石头如何也可以经受本文的RUS系统和方法以确定石头的独特指纹以用于识别、分析、评估等。
图4示出了粗糙涂覆的金刚石的示例指纹，其指示裂缝，但具有一些可识别的共振。可以看出，峰430、432为粗糙的、锯齿状的并且比图2中的那些峰更宽。这是由于石头的物理构成及其缺陷，诸如在其中发现的包裹体。图4中的较宽峰值可以影响如本文所述的Q等级。
如果所含的(一个或多个)晶体足够大并且初期裂缝很少，则粗糙的石头可能表现出共振。如果石头中存在太多裂缝，则共振频谱可能缺乏用于识别它的足够细节。这样的分析还可以确定对石头的任何操纵，或者自从获得一组早期指纹以来所经历的变化。
图5A示出了没有可辨别共振的典型粗糙金刚石的示例指纹。绘制同相信号550和正交信号552，但在该范围内没有明显的峰值。约25％的粗糙石头没有显示出大的晶体结构，因为由于许多裂缝而不存在明显的共振。应该不需要对这些石头进行指纹识别，因为它们很可能被磨成金刚石粉末。
图5B示出了在同相560和正交562中的工业质量涂覆石头的示例指纹。该曲线图示出了许多明确定义的共振564、566，但是每个峰基本上比像图2中那样我们知道不包含裂缝的切割/抛光的石头更宽。这些石头可以进行指纹识别和跟踪。
共振质量的示例
在一些示例中，在RUS期间检测到的峰值位置可能存在变化。附加地和/或替代地，可以不仅通过识别峰值共振来分析所得的共振谱图，而且可以分析峰值共振本身的特性。通过检验峰位置的标准偏差以及峰宽，可以进行另一种分析。尽管在测试和环境条件期间金刚石放置的微小差异，但这种分析或“Q确定”可以有助于共振频率的测量的一致性。这可能表明评估中的石头的特定品质或特征。
在一些示例中，Q可以被定义为峰值的中心频率除以其最大值的一半处的峰值的全宽度。
Q＝峰值频率/半峰全宽
换句话说，可以分析峰值中间的峰值宽度以确定Q。高Q值共振可以为具有高值(因此为窄的)的那些共振，并且低Q值为宽的，可以据此准确地测量品质和中心频率。
例如，当共振频率图显示清晰的中心时，可以说指纹的品质或Q值高于共振中心频率更宽且更难确定的情况。因此，较宽的共振图峰值具有较低的Q等级，这表明石头中的净度等级较低。
这样的Q值可以用于建立独特的指纹，因为它可以帮助定义测量的准确性。例如，切割、抛光的金刚石的Q值约为10，000-50，000，而小尺寸或具有低净度和许多包裹体的切割、抛光金刚石的Q值约为500-1000。
返回参考图3，其示出了给定无瑕疵等级的0.50克拉金刚石的所得频率的示例曲线图。该图显示，1.0MHz和3.0MHz之间有10个峰值共振，显示Q为104。
此外，粗糙的石头通常含有裂缝。切割时，专家可以检测到这些瑕疵，并且可以从原石切割单晶。对共振频谱的影响是将Q基本上降低到十分之一或更低(如图4中的示例指纹图所示)。由于在窄带宽中存在许多共振(例如，对于0.5克拉样本，在1MHz和3MHz之间存在10个共振)，可能存在若干频率，可以从这些频率进行作为本文描述的输入能量的这些频率选择。
指纹比较示例
在一些示例实施例中，可以针对识别目的接收和分析绝对频率指纹和Q指纹两者。例如，可以通过上述方法产生频谱图，并将其显示用于比较。在示例比较中，对于两个不同的1克拉石头，峰值共振的数量是相同的，以106为单位为一的数量级。因此，在统计上，可以以匹配为准确的高度确定性来使用该方法。
在一些示例中，曲线图本身可以保存在库中并被编目以用作石头的比较。在一些示例中，代替存储在这样的库中的整个曲线图，附加地或替代地，可以构建具有以振幅和输入频率指示的特定共振峰值的矩阵。在这样的矩阵中，可能只需要保存几个数据点以便稍后进行比较。
在一些示例中，这种比较可以通过计算机算法来实现。在这样的示例中，可以使用识别绝对频率的方法。在这样的示例中，可以进行曲线图的峰值共振的比较。使用标准偏差的比较可以用于匹配曲线图。在一些示例中，标准偏差公差为+/-200Hz。在一些示例中，基于石头的重量，公差可以为不同的。例如，较大的石头(>1克拉)可能会产生更多的共振峰，并需要更小的公差。较小的石头(<1克拉)可能产生较少的共振峰，并且需要较大的标准偏差公差。
图6示出了三个几乎相同的0.50克拉样本的示例指纹，其由于石头几何形状的差异而产生不同的共振图模式。尽管无瑕疵为本领域中的术语，但由于在生长过程中掺入异物或与完美晶格的偏离，这种宝石通常不是完全均匀的，在抛光宝石中，与粗糙宝石相比，这些包裹体和不均匀性较低。但是在比较RUS图时，可以区分这些宝石。在图6中，红色670、蓝色672和绿色674迹线代表三种不同的金刚石。因此，即使对于人类检验员来说石头看起来类似，但是它们也可以通过RUS系统和方法来区分。
另外，在单个用户界面图上显示多个频谱可能是有用的，例如图6中所示的示例。在图6中，三个几乎相同的0.50克拉切割圆形金刚石被指纹识别和显示。计算机可以被配置为基于频谱差异接受或拒绝样本。
示例计算装置
图7示出了示例计算机700，其可以用于实施本文诸如图1A和图1B所述的示例实施例。这样的计算机700可以为任何类型的便携式、桌面、分布式或基于网络的计算装置。这样的系统700可以被配置为如本文所述接收和分析信号数据，以及生成所得指纹图并将其显示在GUI中。这样的计算机700可以为用于生成信号和接收信号以及发送和接收数据、存储数据、分析数据并且致使表示数据的GUI的显示的移动装置。
在图7中，计算装置可以为任何类型，诸如但不限于智能手机、膝上型计算机、平板计算机、服务器计算机或任何其他种类的计算装置。该示例示出了处理器CPU 710，其可以为经由总线712进行通信或者与用户界面714进行其他通信的任何数量的处理器。用户界面714可以包括任何数量的显示装置718，诸如可以远程定位或本地定位的屏幕。用户界面714还可以包括诸如触摸屏、键盘、鼠标、指针、按钮的输入或其他输入装置。
图7和计算机系统700还包括网络接口720，网络接口720可以用于与任何无线或有线网络连接，以便发送和接收数据。例如，这种接口可以允许智能手机连接蜂窝网络和/或WiFi网络，从而连接因特网。示例计算装置700还示出了外围设备724，其可以包括任何数量的其他附加特征，诸如但不限于用于无线通信(诸如通过蜂窝、WiFi、NFC、蓝牙、红外或这些或其他无线通信的任何组合)的天线。在一些示例中，外围设备可以包括任何数量的RUS芯片730、放大器728、如本文所述用于发送和接收信号的换能器726。在一些示例实施例中，如图1A所示，RUS芯片730与计算机700通信，并且RUS芯片与放大器728通信，放大器728继而分别与换能器726通信。图7中的外围设备724的示例不旨在是限制性的，而是替代或附加地仅作为对图1A-图1C中的布置的示例。
计算装置700还包括存储器722，其包括可由处理器710执行的任何数量的操作。图7中的存储器示出了示例操作系统732、网络通信模块734、用于其他任务的指令738和诸如信号发生器740和/或信号分析器742的应用738。该示例还包括数据存储装置758。这样的数据存储装置可以包括数据表760、信号日志762、样本数据764和/或用于本文描述的方法中的存储的算法770。
结论
出于解释的目的，已经参考具体实施例描述了前面的描述。然而，上面的说明性讨论并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化都是可能的。选择和描述所述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明和具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。
本文的创新可以经由一个或多个部件、系统、服务器、设备、其他子部件来实现，或者在这些元件之间分布。当实现为系统时，这样的系统可以包括和/或尤其涉及在通用计算机中找到的诸如软件模块、通用CPU、RAM等的部件。在创新驻留在服务器上的实施方式中，这样的服务器可以包括或涉及诸如CPU、RAM等的部件，诸如在通用计算机中找到的部件。
另外，除了上面阐述的那些部件之外，本文的创新还可以通过具有不同或完全不同的软件、硬件和/或固件部件的实施方式来实现。关于与本发明相关或实施本发明的这些其他部件(例如，软件，处理部件等)和/或计算机可读介质，例如，本文中的创新的各方面可以与许多通用或特殊目的计算系统或配置一致地实现。可以适用于本文创新的各种示例性计算系统、环境和/或配置可以包括但不限于：个人计算机、服务器或服务器计算装置内或包含的软件或其他部件，诸如路由/连接部件，手持或膝上型装置，多处理器系统，基于微处理器的系统，机顶盒，消费电子装置，网络PC，其他现有计算机平台，包括一个或多个上述系统或装置的分布式计算环境等。
在一些情况下，本文创新的各方面可以经由包括程序模块的逻辑和/或逻辑指令来实现，或者由所述逻辑和/或逻辑指令执行，例如，与这些部件或电路相关联地执行。通常，程序模块可以包括执行特定任务或实现本文的特定指令的例程、程序、对象、部件、数据结构等。本发明还可以在分布式软件、计算机或电路设置的环境中实施，其中，电路经由通信总线、电路或链路进行连接。在分布式设置中，控制/指令可以从包括存储器存储装置的本地和远程计算机存储介质发生。
本文的创新软件、电路和部件还可以包括和/或利用一种或多种类型的计算机可读介质/媒介。计算机可读介质可以为驻留在这些电路和/或计算部件上、可与这些电路和/或计算部件相关联或可以由其访问的任何可用介质。作为示例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储技术、CD-ROM、数字通用盘(DVD)或其他光存储装置、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或者可以用于存储所需信息并且可以由计算部件访问的任何其他介质。通信介质可以包括计算机可读指令、数据结构、程序模块和/或其他组成部分。此外，通信介质可以包括有线介质，诸如有线网络或直接有线连接，但是本文任何这种类型的介质都不包括暂时介质。上述任何组合也包括在计算机可读介质的范围内。
在本说明书中，术语部件、模块、装置等可以指代可以以各种方式实现的任何类型的逻辑或功能软件元件、电路、块和/或进程。例如，各种电路和/或块的功能可以彼此组合成任何其他数量的模块。每个模块甚至可以实现为存储在有形存储器(例如，随机存取存储器、只读存储器、CD-ROM存储器、硬盘驱动器等)上的软件程序，以由中央处理单元读取以实现本文创新的这些功能。或者，所述模块可以包括经由传输载波传输到通用计算机或处理/图形硬件的编程指令。而且，所述模块可以实现为实现本文创新所涵盖的功能的硬件逻辑电路。最后，所述模块可以使用专用指令(SIMD指令)、现场可编程逻辑阵列或其提供期望的级别性能和成本的任何混合来实现。
如本文所公开的，可以经由计算机硬件、软件和/或固件来实现与本发明一致的特征。例如，本文公开的网络系统和方法可以以各种形式实施，包括例如数据处理器，诸如还包括数据库、数字电子电路、固件、软件或它们的组合的计算机。此外，虽然所公开的一些实施方式描述了特定的硬件部件，但是可以利用硬件、软件和/或固件的任何组合来实现与本文的创新一致的系统和方法。此外，本文创新的上述特征和其他方面和原理可以在各种环境中实现。这样的环境和相关应用可以被专门构造用于执行根据本发明的各种例程、进程和/或操作，或者它们可以包括通过代码选择性地激活或重新配置的通用计算机或计算平台以提供必要的功能。本文公开的进程并非固有地与任何特定计算机、网络、架构、环境或其他装置相关，并且可以通过硬件、软件和/或固件的适当组合来实现。例如，各种通用机器可以与根据本发明的教导编写的程序一起使用，或者可以更方便地构造专用装置或系统以执行所需的方法和技术。
本文描述的方法和系统的各方面，诸如逻辑，也可以被实现为编程到各种电路中的任何电路(包括可编程逻辑器件(“PLD”)，诸如现场可编程门阵列(“FPGA”)，可编程阵列逻辑(“PAL”)器件，电可编程逻辑和存储器件以及基于标准单元的器件，以及专用集成电路)中的功能。实现各方面的一些其他可能性包括：存储器装置，具有存储器(诸如EEPROM)的微控制器，嵌入式微处理器，固件，软件等。此外，各方面可以在具有基于软件的电路仿真、离散逻辑(顺序和组合)的微处理器、定制装置、模糊(神经)逻辑、量子装置和任何上述装置类型的混合中实现。可以以各种部件类型提供底层装置技术，例如，诸如互补金属氧化物半导体(“CMOS”)的金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)技术，诸如发射极耦合逻辑(“ECL”)的双极技术，聚合物技术(例如，硅共轭聚合物和金属共轭聚合物-金属结构)，混合模拟和数字等。
还应当指出，鉴于它们的行为、寄存器转移、逻辑部件和/或其他特征，可以使用硬件、固件和/或作为在各种机器可读介质或计算机可读介质中实施的数据和/或指令的任意数量的组合来启用本文公开的各种逻辑和/或功能。其中可以实现这种格式化数据和/或指令的计算机可读介质包括但不限于各种形式的非易失性存储介质(例如，光学、磁性或半导体存储介质)，但是也不包括暂时性介质/媒介。除非上下文明确要求，否则在整个说明书中，词语“包括”、“包含”等应以包含性的意义解释，而不是排他性或穷举性的意义；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。使用单数或复数的词也分别包括复数或单数。另外，词语“本文”、“下文”、“上述”、“下述”和类似含义的词语是指本申请的整体而不是指本申请的任何特定部分。当词语“或”用于引用两个或多个项目的列表时，该词语涵盖该词语的所有以下解释：列表中的任何项目，列表中的所有项目以及列表中的任何项目组合。
尽管本文已具体描述了本发明的某些目前优选的实施方式，但是对于本发明所属领域的技术人员明显的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本文所示和所述的各种实施方式进行变化和修改。因此，本发明旨在仅限于适用的法律规则所要求的范围。

Claims (19)

1.一种方法，包括：
通过信号发生器和信号处理器，
将输入信号发送到第一输入换能器，
其中，所述第一输入换能器接触评估中的宝石；
接收来自第二接收器换能器的共振信号，
其中，所述第二接收器换能器接触评估中的所述宝石；
以100Hz的间隔通过正弦输入频率的范围步进所述输入信号，如果所述宝石的大小为一克拉，则为从1MHz至4MHz的范围，或者，如果所述宝石的大小大于一克拉，则为从0.2MHz至0.3MHz的范围；
接收所接收信号的范围；
通过使用所述接收信号的同相分量和正交分量的平方和的平方根来处理所述接收信号的范围以得到能量图；
将所得到的能量图显示为全部正峰值集的曲线图；
使用所述接收信号确定Q值，所述Q值是峰值频率除以半峰全宽，其中所述峰值频率是峰值的中心频率，并且表示所述宝石的共振频率，并且其中所述曲线图中的所述峰值的数量能够用于确定所述宝石中包含多少晶体；
使用检测到的最低共振频率尖峰的质量除以2的平方根来确定所述宝石的重量近似值；以及
将评估中的所述宝石的处理过的接收信号的范围发送到计算机存储以供存储和显示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入信号通过输入放大器从所述信号发生器发送到所述第一输入 换能器；以及
其中，在所述信号处理器处通过接收器放大器从所述接收器换能器接收所述接收信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，处理所述接收信号包括所述接收信号的同相分量和正交分量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信号处理器包括相敏检测器和数字信号处理器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过输入频率的范围步进所述输入信号为步进1Hz至1000Hz。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入频率的范围在0.1MHz和4MHz之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信号发生器和所述信号处理器被配置在具有处理器和存储器的芯片上。
8.一种非暂时性计算机可读介质，其上具有用于方法的计算机可执行指令，所述方法包括：
通过信号发生器和信号处理器，
将输入信号发送到第一输入换能器，
其中，所述第一输入换能器接触评估中的宝石；
接收来自第二接收器换能器的共振信号，
其中，所述第二接收器换能器接触评估中的所述宝石；
以200Hz的间隔通过输入频率的范围步进所述输入信号，如果所述宝石的大小为一克拉，则为大于1MHz的范围，或者，如果所述宝石的大小大于一克拉，则为小于1MHz的范围；
接收所接收信号的范围；
通过使用所述接收信号的同相分量和正交分量的平方和的平方根来处理所述接收信号的范围以得到能量图；
将所得到的能量图显示为全部正峰值集的曲线图；
使用所述接收信号确定Q值，所述Q值是峰值频率除以半峰全宽，其中所述峰值频率是峰值的中心频率，并且表示所述宝石的共振频率，并且其中所述曲线图中的所述峰值的数量能够用于确定所述宝石中包含多少晶体；
使用检测到的最低共振频率尖峰的质量除以2的平方根来确定所述宝石的重量近似值；以及
将评估中的所述宝石的处理过的接收信号的范围发送到计算机以供显示和存储。
9.根据权利要求8所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述输入信号通过输入放大器从所述信号发生器发送到所述第一输入 换能器；以及
其中，在所述信号处理器处通过接收器放大器从所述接收器换能器接收所述接收信号。
10.根据权利要求8所述的非暂时性计算机可读介质，其中，处理所述接收信号包括所述接收信号的同相分量和正交分量。
11.根据权利要求8所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述信号处理器包括相敏检测器和数字信号处理器。
12.根据权利要求8所述的非暂时性计算机可读介质，其中，通过输入频率的范围步进所述输入信号为步进1Hz至1000Hz。
13.根据权利要求8所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述输入频率的范围在0.1MHz和4MHz之间。
14.根据权利要求13所述的非暂时性计算机可读介质，其中，通过输入频率的范围步进所述输入信号为步进1Hz至1000Hz。
15.根据权利要求8所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述信号发生器和所述信号处理器被配置在具有处理器和存储器的芯片上。
16.一种系统，包括：
具有处理器和存储器的芯片，所述芯片被配置为信号发生器和信号处理器，以
将输入信号发送到可以放大的第一输入换能器，
其中，所述第一输入换能器与评估中的宝石接触；
接收来自第二接收器换能器的共振信号，
其中，可以放大的所述第二接收器换能器与评估中的所述宝石接触；
以100Hz和300Hz之间的间隔，从基于所述宝石的大小的范围，通过输入频率的范围步进所述输入信号；
接收所接收信号的范围；
通过使用所述接收信号的同相分量和正交分量的平方和的平方根来处理所述接收信号的范围以得到能量图；
将所得到的能量图显示为全部正峰值集的曲线图；
使用所述接收信号确定Q值，所述Q值是峰值频率除以半峰全宽，其中所述峰值频率是峰值的中心频率，并且表示所述宝石的共振频率，并且其中所述曲线图中的所述峰值的数量能够用于确定所述宝石中包含多少晶体；
使用检测到的最低共振频率尖峰的质量除以2的平方根来确定所述宝石的重量近似值；以及
将评估中的所述宝石的处理过的接收信号范围发送到计算机以供显示和存储。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，通过输入频率的范围步进所述输入信号为步进100Hz。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述接收信号的处理包括所述接收信号的同相分量和正交分量。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述信号处理器包括相敏检测器和数字信号处理器。
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