光电识别技术十篇

光电识别技术篇1

关键词:识别 指纹采集 指纹传感器 u.are.u2000 fps200

近年来,越来越多的个人、消费者、公司和政府机关都认为现有的基于智能卡、身份证号码和密码的身份识别系统很繁琐而且并不十分可靠。生物识别技术为此提供了一个安全可靠的解决方案。识别技术根据人体自身的生理特征来识别个人的身份,这种技术是目前最为方便与安全的识别系统,它不需要你记住象身份证号码和密码,也不需随身携带像智能卡之类的东西。

生物识别技术[1]包括虹膜识别技术、视网膜识别技术、面部识别技术、声音识别技术、指纹识别技术[2]。其中指纹识别技术是目前最为成熟的、应用也最为广泛的识别技术。每个人的包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同,也就是说,这些指纹特征是唯一的,并且终生不变。依靠这种唯一性和稳定性,我们就可以把一个人同他的指纹对应起来,通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较,就可以验证他的真实身份。

指纹识别系统[3]是通过指纹采集、分析和对比指纹特征来实现快速准确的身份认证。指纹识别系统框图如图1所示。

指纹采集器采集到指纹图像后,才能被计算机进行识别、处理。指纹图像的质量会直接影响到识别的精度以及指纹识别系统的处理速度,因此指纹采集技术是指纹识别系统的关键技术之一。本文着重分析比较不同的指纹采集技术及其性能。

1 指纹采集技术

指纹的表面积相对较小,日常生活中手指常常会受到磨损,所以获得优质的指纹细节图像是一项十分复杂的工作。当今所使用的主要指纹采集技术有光学指纹采集技术,半导体指纹采集技术和超声波指纹采集技术。

1.1 光学指纹图像采集技术

光学指纹采集技术是最古老也是目前应用最广泛的指纹采集技术,光学指纹采集设备始于1971年,其原理是光的全反射(ftir)。光线照到压有指纹的玻璃表面,反射光线由ccd去获得,反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻璃间的油脂和水分。光线经玻璃照射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射,光线被反射到ccd,而射向脊的光线不发生全反射,而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方,这样就在ccd上形成了指纹的图像。如图2所示。

光学采集设备有着许多优势:它经历了长时间实际应用的考验,能承受一定程度温度变化,稳定性很好,成本相对较低,并能提供分辨率为500dpi的图像。

光学采集设备也有不足之处,主要表现在图像尺寸和潜在指印两个方面。台板必须足够大才能获得质量较好的图像。潜在指印是手指在台板上按完后留下的,这种潜在指印降低了指纹图像的质量。严重的潜在指印会导致两个指印的重叠。另外台板上的涂层(膜)和ccd阵列随着时间的推移会有损耗,精确度会降低。

随着光学设备技术的革新,光学指纹采集设备的体积也不断减小。现在传感器可以装在6x3x6英寸的盒子里,在不久的将来更小的设备是3x1x1英寸。这些进展得益于多种光学技术的发展。例如:可以利用纤维光束来获取指纹图像。纤维光束垂直照射到指纹的表面,他照亮指纹并探测反射光。另一个方案是把含有一微型三棱镜矩阵的表面安装在弹性的平面上,当手指压在此表面上时,由于指纹脊和谷的压力不同而改变了微型三棱镜的表面,这些变化通过三棱镜光的反射而反映出来。

美国digitaipersona[4]公司推出的u.are.u系列光学指纹采集器是目前应用比较广泛的光学指纹采集器,主要用于用户登录计算机windows系统时确认身份,它集成了精密光学系统、led光源和cmos摄像头协同工作,具有三维活体特点,能够接受各个方向输入的指纹,即使旋转180度亦可接受,是目前市场上最安全的光学指纹识别系统之一。u.are.u光学指纹采集器按照人体工学设计,带有usb接口,是用户桌面上紧邻键盘的新型智能化外设。

1.2 半导体指纹采集技术

半导体传感器是1998年在市场上才出现的,这些含有微型晶体的平面通过多种技术来绘制指纹图像。

(1)硅电容指纹图像传感器

这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100,000个电容传感器,其外面是绝缘的表面。传感器阵列的每一点是一个金属电极,充当电容器的一极,按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极,传感面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在),导致硅表面电容阵列的各个电容值不同,测量并记录各点的电容值,就可以获得具有灰度级的指纹图像。

(2)半导体压感式传感器

其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料,它们依照指纹的外表地形(凹凸)转化为相应的电子信号,并进一步产生具有灰度级的指纹图像。

(3)半导体温度感应传感器

它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同就可以获得指纹图像。

半导体指纹传感器采用了自动控制技术(agc技术),能够自动调节指纹图像像素行以及指纹局部范围的敏感程度,在不同的环境下结合反馈的便可产生高质量的图像。例如,一个不清晰(对比度差)的图像,如干燥的指纹,都能够被感觉到,从而可以增强其灵敏度,在捕捉的瞬间产生清晰的图像(对比度好);由于提供了局部调整的能力,图像不清晰(对比度差)的区域也能够被检测到(如:手指压得较轻的地方),并在捕捉的瞬间为这些像素提高灵敏度。

半导体指纹采集设备可以获得相当精确的指纹图像,分辨率可高达600dpi,并且指纹采集时不需要象光学采集设备那样,要求有较大面积的采集头。由于半导体芯片的体积小巧,功耗很低,可以集成到许多现有设备中,这是光学采集设备所无法比拟的,现在许多指纹识别系统研发工作都采用半导体采集设备来进行。早期半导体传感器最主要的弱点在于:容易受到静电的影响,使得传感器有时会取不到图像,甚至会被损坏,手指的汗液中的盐分或者其他的污物,以及手指磨损都会使半导体传感器的取像很困难。另外,它们并不象玻璃一样耐磨损,从而影响使用寿命。随着各种工艺技术的不断发展,芯片的防静电性能和耐用度得到了很大的改善。

从lucent公司中分离出来的veridicom[5]公司,从1997年开始就一直致力于半导体指纹采集技术的研发,迄今已研制出fpsll0、fps200等系列cmos指纹传感器产品,并被一些商品化的指纹识别系统所采用。其核心技术是基于高可靠性硅传感器芯片设计。

fps200是veridicom公司在吸收了已广泛应用的fpsll0系列传感器优点的基础上,推出的新一代指纹传感器。fps200[6]表面运用vefidicom公司专利技术而制成,坚固耐用,可防止各种物质对芯片的划伤、腐蚀、磨损等,fps200能承受超过8kv的静电放电(esd),因此fps200可应用在苛刻的环境下。该产品融合了指纹中不同的脊、谷及其他纹理,通过高可靠性硅传感器芯片的图像搜索功能,无论手指是干燥、潮湿、粗糙都可以从同一手指采集的多幅指纹图像中选择一幅最佳图像保 存在内存中,指纹分辨率可达500dpi,大大降低了传感器芯片识别过程中误接受与误拒绝情况的发生。

fps200是第一个内置三种通信接口的指纹设备:usb口、微处理器单元接口(mcu)、串行外设接口(sn),这使得fps200可以与各种类型的设备连接,甚至不需要外部接口设备的支持。外形封装尺寸(24mmx24mmxl.4mm),只有普通邮票大小。由于它的高性能、低功耗、低价格、小尺寸,可以很方便地集成到各种intemet设备,如:便携式电脑、个人数字助理(pda)、移动电话等。

1.3 超声波指纹图像采集技术

ultra-scan公司首开超声波指纹图像采集设备产品先河。超声波指纹图像采集技术被认为是指纹采集技术中最好的一种,但在指纹识别系统中还不多见,成本很高,而且还处于实验室阶段。超声波指纹取像的原理是:当超声波扫描指纹的表面,紧接着接收设备获取的其反射信号,由于指纹的脊和谷的声阻抗的不同,导致反射回接受器的超声波的能量不同,测量超声波能量大小,进而获得指纹灰度图像。积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波取像影响不大。所以这样获取的图像是实际指纹纹路凹凸的真实反映。

总之,这几种指纹采集技术都具有它们各自的优势,也有各自的缺点。超声波指纹图像采集技术由于其成本过高,还没有应用到指纹识别系统中。通常半导体传感器的指纹采集区域小于1平方英寸,光学扫描的指纹采集区域等于或大于1平方英寸,可以根据实际需要来选择采用哪种技术的指纹采集设备。

表1给出三种主要技术的比较。

表1

光学扫描技术 半导体传感技术 超声波扫描技术

成像能力 干手指差,汗多的和稍胀的手指成像模糊。易受皮肤上的脏物和油脂的影响。 干手指好,潮温、粗糙手指亦可成像。易受皮肤上的脏物和油脂的影响。 非常好

成像区域 大 小 中

分辨率 低于500dpi 可高达600dpi 可高达1000dpi

设备体积 大 小 中

耐用性 非常耐用 较耐用 一般

功耗 较大 小 较大

成本 较高 低 很高

2 应用与发展前景

光电识别技术篇2

在国家鼓励政策扶持下，太阳能光伏发电项目飞速发展，根据太阳能光伏发电项目的产业特点，结合投资风险识别理论基础，寻找风险的主要来源并分析该产业所面临的投资风险因素，进而提出相应的管理措施，以规避可能出现的问题，对于整个太阳能光伏产业的发展有着重要的现实意义。

［关键词］

太阳能；光伏发电；投资风险；风险管理；风险因素

0引言

大力开发利用新能源和可再生能源，是我国优化能源结构、改善环境、促进社会经济可持续发展的重要战略措施之一［1］。太阳能光伏发电具有安全、稳定、清洁等特点，加快太阳能光伏发电项目技术开发，实现产业化和市场化，已成为世界各国能源发展的重要方向之一。为推动我国太阳能光伏发电项目快速发展，国家出台了一系列鼓励政策；预计2015年底，全国太阳能发电装机规模将达到2100万kW。太阳能光伏发电作为资金密集型项目，投资大、周期长，目前尚无完整、全面的投资风险因素分析体系，这将给项目投资带来不确定性［2］。因此，探讨太阳能光伏发电项目存在的投资风险因素，提出相关建议和管理措施，对于保障该产业健康发展、推动社会经济发展具有重要的现实意义。

1太阳能光伏发电项目产业特点

太阳能光伏发电项目作为新能源产业，不同于传统能源发电项目，如风力发电和水利发电，它有着自己的产业特点。

1.1鼓励政策扶持太阳能光伏发电项目的开发设计及并网发电都离不开国家政策的扶持，也正是在国家政策的鼓励下，太阳能光伏发电市场才能蓬勃发展［4］，这一切都来自于政府基于环境压力及能源结构的长远考虑。目前，太阳能光伏发电项目还处于发展的初级阶段，只有在一系列鼓励政策的扶持下，才能获得一定的经济收益。

1.2发电成本较高若不考虑环境因素，仅从经济效益角度分析，太阳能光伏发电项目的成本高于传统能源发电项目［4］，虽然太阳能光伏技术的进步正在使项目成本逐年降低，但目前高成本仍然是制约我国太能能光伏发电项目大规模商业化的主要因素之一。

1.3电量输出不稳太阳能光伏发电项目的能量输入源是光能，有太阳光时可以发电，反之则无法提供电能［5］。由于昼夜、季节、天气等因素影响，同一地区的单位面积太阳光能量既是间断的，又是不断变化的，项目的电量输出也随之变化，影响了电网安全运行。虽然可以通过储能技术缓解这个问题，但这将大大增加项目成本，使本来就居高不下的发电成本进一步抬高，不利于太阳能光伏发电项目健康发展。

1.4社会认知偏低太阳能光伏发电项目在我国还是新鲜事物，其商业模式还处于探索阶段，整个光伏市场还处于培育时期，公众对于项目投资额度、发电量大小、使用方式等概念还未形成统一认识，社会认知度水平还比较偏低。

1.5节能减排明显太阳能光伏发电项目在并网运营过程中，不但产生清洁电力，且无任何污染物排放，对周边环境影响较小。例如，一座1MW太阳能光伏电站的年发电量约113万kWh等同于节约383t标准煤，减少排放191t二氧化碳及5t粉尘污染物，节能减排效果非常明显。

2太阳能光伏发电项目投资风险识别

风险识别是指在风险事故发生之前，运用各种方法，系统的认识所面临的各种风险以及分析风险事故发生的潜在因素。风险识别是风险管理的第一步，也是风险管理的基础，只有科学合理的开展风险识别工作，才能全面确定存在的风险因素。

2.1投资风险来源太阳能光伏发电项目在新能源发电领域占有的份额逐年增大，其不仅需要鼓励政策的扶持更需要高新技术的支持，具有高成本、高技术、低能耗、零排放的特点［6］。作为一种新型的能源利用形式，其投资风险来源主要分为以下几个方面：

①外部环境。例如全球经济状况、国内政策调整、行业竞争等；

②项目复杂性。太阳能光伏发电项目涉及多个领域，多晶硅等核心技术尚未国产化；

③项目局限性。太阳能光伏发电项目从设计到施工运行均存在高技术人才储备的局限性。

2.2风险识别过程风险识别是一个既复杂又精细的管理过程，是太阳能光伏发电项目风险管理的切入点，需要从多个方面预测分析风险因素，科学提升和完善太阳能光伏发电风险管理体系，整个风险识别过程主要包括

：①查阅资料分析内外环境；

②汇总整理风险因素清单；

③确立风险因素分析方案；

④核实风险因素是否存在遗漏并完善风险因素清单；⑤完成分析并结束风险识别流程。

3太阳能光伏发电项目投资风险因素

3.1技术风险因素技术风险因素主要是来源于技术本身存在的缺陷或更先进、可替代技术的出现，可分为技术的成熟度、技术的可替代性、技术的生命周期、技术的适用性和技术的保密性等几个方面。太阳能光伏发电项目技术产业链条主要包括硅材料提纯、晶体硅片制造、太阳能电池组件制造、光伏电站建设等环节［7］。目前我国尚未完全掌握多晶硅核心技术，产业链的部分上游材料供应依赖进口，容易受制于人，给行业发展埋下隐患。

3.2市场风险因素市场风险是指由于市场中各因素的变化波动，给项目竞争优势带来的一种不确定性，风险因素主要包括市场规模、产品竞争力、服务水平、营销能力等方面。由于我国太阳能光伏发电项目上网还处于初级阶段，上网电价受国家政策管控，成本核算和费用分配存在波动。此外，太阳能光伏发电项目缺乏核心技术支持，存在设备资金“大投入”与电量效益“小产出”的矛盾，导致发电成本居高不下，市场竞争力较弱，给整个产业的发展带来局限性。与此同时，在政策扶持因素影响下，光伏企业的多晶硅产能快速提升且有过剩的迹象出现，产业的无序发展给市场风险增加了更多的不确定性。

3.3政策风险因素太阳能光伏发电项目的自身特点，决定了政策风险是该产业最为核心的风险因素，其可分为两个方面：①整个太阳能兴伏发电产业发展起步较晚，处于初级阶段，技术水平和市场占有率远不及风力发电等新能源项目，需要政府的扶持与引导；②缺乏完善的行业标准体系来保证太阳能光伏发电项目健康发展，目前主要依靠政府的规范与监督。因此，政府政策的改变会给整个光伏行业带来巨大影响。

3.4外部环境风险因素产业的发展以其所处的外部环境为依托，来自外部环境的变动导致市场需求发生改变易引发风险［8］。我国太阳能光伏发电项目对国外市场的依赖度较大，一旦国外经济出现问题或市场受到封锁，则太阳能光伏企业将面临资金链断裂的危险，给太阳能光伏产业带来巨大冲击。

4管理措施

4.1风险预警风险预警是为了可以提前避免或减少项目风险可能带来的损失而采取的有针对性的措施，即针对可能引起太阳能光伏发电项目风险的因素进行隔离及破坏，以达到降低项目投资风险发生的概率。建立全面的风险预警系统，需要重点从三方面考虑：

①自然条件。从太阳能光伏发电项目立项之前，针对目标地区全面开展日照时间、日照强度、空气湿度、天气变化等因素的分析工作；

②设计条件。调查委托设计单位的资质情况、业绩情况、人员情况等，分析工程设计能力；

③运营条件。从经济效益角度分析项目的可行性，如利润率、现金流动、负债率和毛利率等。

4.2风险隔离风险隔离指通过分离或复制风险单位，使任一风险事故的发生不至于导致项目整体资产受到致命损毁，是针对特定风险的一种重要管控措施，使项目的总体风险得以降低。针对太阳能光伏发电项目的产业性质，采取特定的管理制度以实现项目风险隔离，确保项目内部各部分之间不互相影响，维持总体风险处于较低水平。具体管理制度包括：

①特定的并网电价管理制度；

②特定的扶持政策管理制度；

③特定的购电补偿管理制度；

④特定的税收抵扣管理制度等。

4.3风险转移风险转移指通过相应的管理措施，实现太阳能光伏发电项目可能发生的风险损失等效转移至其他组织，以此来降低项目风险因素带来的损失。目前，最常用的一种风险转移方式就是购买商业保险，通过购买相应的商业保险种类，将太阳能光伏发电项目的风险损失转移至保险公司，保证项目总体利益。

5结语

太阳能光伏发电项目是我国发展可再生能源战略的重点领域之一，是优化能源结构的重要举措，总结太阳能光伏发电项目的产业特点，并通过风险识别理论详细分析项目投资风险因素，提出切实可行的管理措施，为今后的太阳能光伏发电项目投资提供理论指导，对于推动该产业的健康发展有着重要的现实意义。

［参考文献］

［1］朱震宇.我国太阳能光伏产业投资风险及对策分析［J］.中国市场，2011（13）：6-7.

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［3］李伟，李世超.太阳能光伏发电风险评价［J］.农业工程学报，2011（5）：11-12.

［4］郑志杰.大规模光伏并网电站接入系统若干问题的探讨［J］.电网与清洁能源，2010（2）：15-16.

［5］孟浩.太阳能光伏发电技术研究评述［J］.高技术通讯，2013，23（6）：654-66.

［6］张宁.中国光伏产业发展战略研究［D］.北京：中国政法大学，2010.

［7］黄为，王娟娟.投资我国太阳能光伏产业需要关注的几个问题［J］.中国能源，2008（10）：21-23.

光电识别技术篇3

关键词：激光告警；脉宽测向；角度分辨力

引言

现代战争中，来自激光的威胁日趋严重。随着激光武器在实战中的利用，能够对激光测距、激光制导、激光高能辐射武器等激光武器的快速、正确的告警，特别是精确测定来袭激光的方位，是激光告警发展的需要。

目前，典型激光告警设备通常采用多窗口阵列型探测体制对激光威胁源方位进行识别。该类型设备主要由激光告警天线与告警处理机箱组成，运用告警天线上探测窗口的布局及窗口的视场设置识别激光威胁源方位。其优点是探测灵敏度高、结构简单、视场大、可靠性高、成本较低。但是，为了提高方位的分辨精度，必须使用足够多的光学窗口和探测单元，这就导致系统较复杂。

在对多窗口探测型体制研究基础上，利用相邻窗口入射激光的脉冲宽度信息进行识别，在不增加接收窗口的情况下能够提高系统的方位识别能力。

1 多窗口探测阵列型方位识别原理

多窗口探测阵列型告警器天线的设计，主要是沿水平圆周均匀排列n个探测窗口，依靠视场光阑限制每个探测窗口的视场。目前常用的激光威胁源水平方位角识别方式，是通过视场光阑将底层探测窗口的视场设为540°/n，每个探测窗口分别与两边探测窗口有180°/n 的视场重合， 同时又有180°/n 的独立探测视场，处理器根据探测窗口的告警状况计算出激光威胁信号的水平方位。

图1为探测窗口个数为9的水平视场区域分布。利用视场光阑将每个探测窗口的视场设为60°，每个探测窗口分别与两边探测窗口有20°的视场重合，又有20°的独立探测视场。该告警系统的水平角度分辨力为20°。

图1 探测窗口个数为9的水平视场区域分布

2 脉宽识别测向技术

脉宽识别测向技术主要利用的原理是，激光探测接收电路输出的TTL脉冲信号宽度与激光入射角度成一定比例关系。

当光功率密度一定时，光电探测单元输出的光电流与激光的入射角度成一定的比例关系。光电探测器对某一波长激光的响应度是一定的。如式（1）所示，其中探测器响应度为Ri，接收光敏面积为S，光功率为E，光电流为I。

（1）

由上式可以看出，光电探测器输出的光电流信号幅值I与接收光敏面积S有一定的对应关系。

当激光垂直入射时，实际光敏面接收面积为S，激光以入射角α进行照射时，实际接收光敏面积为S1，由图2可知：

？琢=？茁 （2）

S1=S×cos？琢 （3）

则激光入射角度为α时，输出光电流可以由公式（3）得出：

I？琢=Ri×S×E×cos？琢 （4）

光电流经过电路滤波、放大和比较后输出为相应的TTL脉冲信号。集成天线阵列上相邻两个光学窗口，同一束激光照射时入射角度会有所不同，如图3所示：

图3 视场角度图

得到相邻两个窗口探测输出脉冲信号宽度比值为：

（5）

多窗口探测阵列型告警器，在视场重合区会同时接收到两个窗口的激光脉冲信息。通过识别最宽脉冲和次宽脉冲，并测量出脉冲宽度数据，通过比较相邻两个接收窗口输出的激光脉冲信号的脉宽信息计算得出相应的激光入射角度。

3 脉宽识别测向技术的应用

为了利用脉宽识别测向技术提高告警系统的角度分辨力，对探测窗口个数为9的告警器进行改进，利用视场光阑将每个探测窗口的视场设为80°，相邻两个探测窗口的重合区视场均为40°，不再有独立视场，其水平视场区域分布如图4所示。

采用脉宽识别测向技术对重合视场区进行再次分割，首先通过识别最宽脉冲和次宽脉冲计算出重合视场区方位，然后再次计算最宽脉冲和次宽脉冲的比值，查找脉宽比值与方位角度对应关系，可以把重合视场区分割为（5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°）8个方位角度区，从而使该告警系统的角度分辨力提高到5°。

图4 改进后探测窗口个数为9的水平视场区域分布

4 测试试验及数据分析

4.1 脉宽识别侧向理论计算

试验选用告警设备的相邻探测窗口视场分割如图5所示：

图5 视场分割原理图

探测设备每个探测窗口的接收视场为80°，相邻两个窗口合成视场为40°。当激光入射角处于重合视场区，顺时针5°转动时，窗口1和窗口2相对入射角度对应关系如表1所示：

表1 入射角度对应关系表

理论分析计算得出窗口1和窗口2在不同入射角下，激光脉冲宽度比值对应表如表2所示：

表2 理论计算脉宽对比表

4.2 脉宽识别侧向试验数据记录

在脉宽识别侧向测试试验中，同时对窗口1和窗口2接收到的激光脉冲信息进行测量。记录下每个入射角度时对应的脉冲宽度数据，每个入射角度提取12组试验数据，求其平均值。窗口1和窗口2对应的脉冲宽度的平均值随入射角度的变化见图6、图7所示：

整理窗口1和窗口2接收的脉冲宽度数据，并计算得出其脉冲宽度比值对应表如表3所示：

4.3 试验数据对比分析

对脉宽测向技术理论计算与实际应用测试结果数据整理如图8所示：

数据分析：由试验数据对比可知，实际测试结果与理论计算结果基本一致；通过该计算方法可以通过计算脉宽比值查找得出对应方位角度范围；但也存在由接收电路不一致性带来的误差，这个误差可以在处理电路中通过采样处理等方式得到修正。

5 结束语

采用脉宽测向技术可以在不增加窗口阵列型激光告警器探测窗口数量和硬件成本基础上，通过改进探测窗口视场布局和采用新的信号处理方法，能够大幅度提高系统的角度分辨力。为了使脉宽测向技术计算得出的角度方位信息更加精确、可靠，考虑进一步分析验证造成实际设计与理论计算之间误差的因素，找到进一步提高角度分辨力的方法。

参考文献

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[2]王建军，张沛露，李岩，等.激光告警内场仿真试验系统的设计[J]. 光学精密工程，2010，18（9）.

[3]孙春生，李树山，雷选华.一种确定激光辐射方位的新技术[J].激光与红外，2003，33（2）：101-103.

[4]孙建国，丛俊奎.激光告警视场中误差分析[J].激光与红外，2001.

光电识别技术篇4

【关键词】太赫兹辐射；太赫兹时域光谱；太赫兹成像技术；；检测

太赫兹“Terahertz”一词是1974年由弗莱明（Fleming）首次提出来的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱频率范围。太赫兹（THz，1 THz=10Hz）辐射在电磁波谱上位于微波和红外之间，属于远红外波段。通常所研究的THz辐射指的是频率在0.1～10THz，波长在30μm～3mm，波数在3.3～330cm-1之间的电磁波。在电磁频谱上，THz波在电磁波谱中的位置特殊，处于电子学向光子学的过渡区域，长期以来，由于缺乏有效的THz辐射产生方法和检测途径，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个还未被全面研究的频率窗口――电磁波谱中的“太赫兹空隙（THz Gap）”。近几十年来，超快光电子技术迅速发展，为THz脉冲的产生提供了可靠、稳定的激发光源，促进了对THz辐射机理研究、检测技术和应用技术的蓬勃发展。例如在医学成像、无标记检测、军事安全、材料的无损探测等方面，特别是对炸药、等相关材料的检测研究成为热点。本文前半部分介绍了THz辐射的产生、探测方法、性质以及THz时域光谱技术和THz成像技术，后半部分主要介绍了THz技术在检验方面的研究进展。

1.应用THz技术进行检测的研究进展

1.1 概述

不仅危害人们的身心健康，而且会引发一系列的社会问题，例如犯罪率上升，性病和艾滋病蔓延等等，严重威胁着许多国家和地区的社会稳定和经济发展。跨国、跨区域乃致国际化的犯罪愈发频繁，国际社会所面临的问题日益严峻。由于缺乏准确无损的探测技术，使得藏匿在邮件等包裹中的仍然能够在国内乃至国际间传递。

在检测和分析方面，国内外学者都尝试研究了很多方法，其中应用比较广泛的有色谱、质谱、紫外光谱、毛细管电泳、红外光谱、X射线、拉曼光谱、生化及生物检测法、离子迁移谱技术及其他物理方法等。但是这些方法自身都有一定的局限性，例如化学分析、紫外光谱、红外光谱及X射线对样品都有一定程度的破坏，属于有损检测；X射线及紫外光谱对人体会有辐射危害，红外光谱和拉曼光谱都存在着较强的吸收和散射问题。在成像方面，X射线穿透力太强，只能分辨出包装材料下样品的形状，但是不能确定它们的具体类别；警犬识别和痕迹识别要求包装材料外面有的痕迹残留；红外波段对包装材料具有高吸收和高散射，使得测量结果不精确甚至是不可靠的。

THz技术的兴起，为缉毒检查工作提供了一种全新的探测和检验手段。国内外大量学者的研究结果都表明分子在THz波段存在特征吸收，因此应用THz技术对进行检测成为热点。我们首先针对已知标准样品进行THz辐射扫描，建立一个在THz波段的特征吸收光谱库――“指纹谱库”，然后对被探测样品进行THz辐射扫描，通过对特征吸收光谱的识别比对，就可以快速准确的确定隐藏物的形状及种类。相对于X射线来说，THz波的能量低，可以真正实现无损探测。目前，THz技术在检测方面的研究已经取得了许多乐观的成果，国内外学者对其在检测领域的应用前景表示出极高的关注。目前，THz光谱技术和THz成像技术就构成了THz波应用的两个主要关键技术。

1.2 THz-TDS技术应用于检测

从微观上看，大多数都属于结构有所不同的生物有机大分子，而THz辐射对于结构的微小差异是非常敏感的，许多生物大分子的振动和转动能级建的间距，分子之间的弱相互作用及大分子的骨架振动、偶极子的转动和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动所对应的吸收频率均位于THz波段。这就成为利用THz辐射进行检测的前提。不同种类的在THz波段存在指纹光谱即特征光谱，通过识别各自的特征光谱我们就可以快速有效的对进行检测定性。文献报道中的实验和理论计算结果都表明：应用THz光谱进行的探测是可行的。

图1 三种样品的特征光谱

1：MDMA；2：MA；3：MDA

2003年10月，Kodo Kawase等人[1，2]利用THz参量振荡器对甲基苯丙胺（MA）和3，4-亚甲二氧基安非他命（MDA）进行了成像研究，他们在1.0-2.0THz频率范围内利用可调频率THz源选用了7个频率，以阿司匹林（Aspirin，1.4，2.24THz）作为参照进行成像研究；2005年，B Fischer等人[3]研究了吗啡、可卡因、乳糖、阿司匹林、蔗糖5种样品的THz吸收光谱，并应用特征峰成像的方法对乳糖、蔗糖、阿司匹林、酒石酸进行识别。Sun等[4]测得MA、MDA、MDMA在0.2-2.5THz范围内的反射式THz-TDS的特征光谱，如图1所示。这些指纹谱图的建立为利用THz-TDS对进行无损检测打下了基础。2005年，Li等[5]利用THz-TDS对MA进行了详细的研究，测得了MA在0.2-2.6THz的THz特征吸收谱（1.23，1.67，1.84，2.43THz）并运用DFT计算了该物质的振动频率，其结果与实验值基本相符，进一步证实了THz-TDS实验结果的可靠性。

在国内方面，首都师范大学与公安部第一研究所合作，对38种纯度在90%以上的进行了THz-TDS探测，得到了各自的指纹谱图，建立并丰富了THz光谱数据库，并以此为基础将THz检测和识别研究在实际工作中进行尝试应用，取得了一系列有意义的成果。

首先，贾燕等[6]利用THz-TDS技术对苯丙胺类MA、MDA和3，4-亚甲二氧基甲基安非他命（MDMA）在0.2-2.6THz频率范围内的特征光谱进行研究，得到了3种在THz波段的吸收谱。如图2所示。从图2可以看出，3种样品都存在特征吸收峰，而且不同样品的吸收峰出现的位置不同，因此样品的THz频域谱也就是样品的指纹谱，通过样品的吸收峰位置，可以识别样品的种类。同时，样品的折射率曲线也可以作为鉴别中的附加参考信息，3种样品吸收峰的位置在折射率曲线上对应于反常色散。同时，他们采用Gaussion03软件包，应用密度泛函理论，对MA的远红外振动模式进行了探讨[7]，进一步证实了THz波段是大分子集体振动模式对应的波段。他们检测了粉末状MA和MDMA的THz吸收光谱，想要验证样品的不同形态对指纹谱的影响，发现粉末状和片状的吸收光谱基本一致，几个主要吸收峰位置没有发生变化，只有个别峰出现偏移，峰的强度有所减弱。因此在实际探测中，不论目标探测物是粉末状的还是片状的，都可以根据指纹谱库中已有的数据进行判断和鉴别。

图2 MA，MDA和MDMA的吸收系数曲线

沈京玲等[7]探讨了用THz波是否可以检测出隐藏在邮件中的。他们将两种MA和MDMA样品分别置于两个厚度不同（分别为0.28mm和0.22mm）的常用信封中，用THz波进行扫描检测，发现信封对THz波的确有一定的吸收，但是两种的特征吸收峰并没有被淹没，通过与指纹谱库中已有的标准品数据进行对比，它们各自的特征吸收峰基本不变，结果表明，THz波可以检测和识别隐藏在信封中的。

蔡禾等[8]在初步研究了“自然”的光谱特征和对隐藏利用特征峰识别、成像识别等方法的基础上，研究利用人工神经网络、支持向量机（SVM），二次求导等方法实现计算机自动识别研究。他们通过自组织特征映射（Self Organization Feature Mapping，SOM）神经网络对6中常见的60个光谱进行成功聚类，实现了对不同的分类。而且，他们以训练好的SOM对12个待识别的60个光谱进行分类，结果表明训练好的SOM网络可以对不同的THz光谱进行分类，即可以用神经网络来鉴定的种类。支持向量机（SVM）是V.Vapnik提出的一种机器学习方法相比于神经网络在参数设定和识别过程要节省很多时间。该研究小组用归一化预处理后的9种常见和面粉的THz吸收光谱训练libsvm模型，将通过THz-TDS技术得到的9种常见纯品和3种混合物的特征吸收光谱作为检测光谱，用SVM对纯品和混合物进行了识别分类，识别率达100%。识别结果表明，用SVM可以实现对不同种类的识别和鉴定，也就是说THz光谱技术的计算机自动识别同样是十分有效的方法。

在通常的缉毒工作中，缴获的大都是掺有其他物质或多种混合的混合物，而且含量的确定也是法律量刑的一个重要依据，所以的纯度或含量进行检验鉴定也是很重要的。逯美红等人[9]通过实验测定了VB1、VC和二者混合物的THz吸收光谱，采用线性回归技术进行分析，得到样品中各个混合成分的相对含量。结果表明，实际查获的混合物，其成分和含量都可以基于纯样品的吸收谱比对得到。这种方法的建立将进一步开拓THz技术的应用领域，对于实际工作中混合物的鉴定定性和定量量刑意义更为重大，具有良好的应用前景。

1.3 THz成像技术应用于识别

电磁波最重要的应用之一是成像。太赫兹辐射对于大多数非透明的电介质材料都具有很好的穿透效果，因此太赫兹成像技术引起了国内外学者的广泛关注。太赫兹光源的光子能量极低，不具有电离性质，不会对材料（尤其是活性材料）造成破坏，可以对生物体或物品进行无损成像，极大地弥补了X射线检测及其他检测技术的缺陷。因此，各种THz成像技术也就成为THz波应用技术中最重要也最为活跃的研究方向[10]。

2003年，日本的Kodo Kawase等[2]将成像技术与指纹光谱相结合，对信封内包在聚乙烯袋里的三种样品进行研究，不仅准确检测出包装袋的形状和样品的位置，而且还得到了样品浓度等相关信息。研究表明：利用THz成像技术，在能够得到特征光谱数据的同时，还可以从多种物质的混合物中分离并获得各组分的空间分辨。因此，利用THz技术进行邮件检测，将会在极大程度上遏制了将藏匿在信封中以合法的途径进行运输。

图3 MDMA，海洛因，吗啡和乙酰可待因的吸收谱图

国内对于THz成像技术在识别方面的应用研究还处于初步阶段。逯美红等人在空气中进行了成像识别的研究。该小组选用安定和维他命样品作为参考，对六种常见的样品（氯胺酮、吗啡、海洛因、乙酰可待因、MDA、MDMA）进行测量。如图3与图4所示，第一组为四种不同样品之间的鉴定及识别，第二组是与其他化学药品之间的鉴定及识别。由于水蒸气的影响，两组样品在空气中的测量得到的吸收谱中有些特征峰被湮没或是不可信的。也就是说，THz成像技术在实际应用中还存在着一定的缺陷，它的特征指纹谱鉴定识别方法必须依赖于样品的特征峰及干燥的测量环境。同时，在对混合物进行成分分析时，发现结果只能定性的确定混合物中含有某一种成分以及所占比例的大小与已知一致，但对具体的百分含量的确定，结果很不理想，仍需进一步的深入研究。

图4 氯胺酮，MDA，维他命和安定的吸收谱图

2.结论和展望

展望未来，THz技术的产生和发展为我们开创了一个丰富的光谱研究新层面，也给光谱学研究者提供了新的挑战和机遇。随着研究工作的进一步开展，在不久的将来，THz技术在化学基础研究、材料科学、生物学、医学疾病诊断以及军事等许多领域都会展现出其巨大的应用潜力，并且该技术与多种学科之间的交叉将会更深入更广泛。

近几年来，THz技术在实验室检验阶段取得了一定进展，但离实际操作应用尚存在一定的距离。总体来讲，目前利用THz技术对无损检测的研究仍旧处于探索阶段，仍然存在许多问题亟待解决。但是在过去的大量实验及理论研究中，THz波科学技术已经向世人展现了诱人的应用前景。相信随着研究水平的进一步深入和提高，THz光谱技术将会凭借它快速、有效的极大优势应用于的检查和探测，给安全检测领域带来新的突破，THz技术必将在更广泛的实际领域发挥重大作用。

参考文献

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[3]B Fischer，M Hoffmann，H Helm，et al.，Semicond.Sci.Technol.，2005，20：246-253.

[4]Sun J H，Shen J L，Liang L S，et al.Chin.Phys.Lett.， 2005，13（18）：6750.

[5]Li N，Shen J L，Sun J H，et al.Opt.Express，2005，13（18）：6750.

[6]贾燕，李宁，沈京玲，等.现代科学仪器，2006，2：41-44.

[7]沈京玲，李宁，等，光学技术，2006，32（5）：747-749.

[8]蔡禾，郭雪娇，沈京玲，等.中国光学与应用光学，2010， 3（3）：209-222.

[9]逯美红.太赫兹技术在及玉米种子鉴定识别中的应用[D].北京：首都师范大学物理系，2006.

光电识别技术篇5

1.1位置识别功能

施工机械自动化技术下的位置识别功能指，利用自动化技术或自动化识别系统来自动辨认机械所在位置的一种能力。就国内当前的土木施工而言，大部分应用于土木施工现场的机械设备都有安装自动化识别系统，只是有的设备会选择外部位置识别法，而有的设备则会采用内部位置识别法来进行施工位置识别。外部位置识别与内部位置识别的根本区别是：前者需要在工程施工现场设置几处基准点，然后利用超声波或电磁波技术来识别机械设备所在的位置；而后者则无需借助现场，只需利用速度测定传感器或其他相关传感器就可对设备的位置进行识别。

1.2位置诱导能力

位置诱导能力是在自动化施工作业中,机械设备必须按照设定路线作业,假如位置识别机能确认它在施工中已偏离了既定路线,机械设备要具有自动复位的控制机能,即称位置诱导控制机能,该机能使机械设备的位置、速度、方向始终按设定路线行走。

1.3认识和评价施工对象的能力

机械设备在施工中,要随时了解、掌握施工对象的位置、形状、大小等信息,既具有对施工对象的认识机能。一般大多采用超声波传感技术或画像处理技术来识别施工对象。应用平面超声波信号感知器在无人液压挖掘机上,通过安装在液压挖掘机铲斗上的超声波传感器来识别施工对象的形状。

1.4安全管理机能

在施工现场,多种机械和多种作业同时进行,建筑材料及其它施工设备的存放等将会给施工机械运行带来困难,成为施工机械无人化作业的障碍物。所以,机械本身要有感知一警告一机械停止一安全域诱导等机能。障碍物感知机能有超声波感知,光、电波感知以及画像处理方法等。

1.5机群控制机能

机群控制功能是机械自动化控制技术所具备的一项综合管理能力。在土木工程现场施工中，难免会遇到多个工种同时施工的情形，这个时候就需要多种机械设备同时进行作业。为了保证现场多种机械设备同时施工的有序性，实现各个工种、各类机械之间的配合施工，就必须引入自动化技术，实现机械设备的自动化。而要实现自动化,就应该有一个能把各种作业机械位置、工作状况传送到中央控制室,再由中央控制室指令各机械设备施工方式的控制系统。

2机械自动化控制技术在土木施工中的应用

2.1摊铺机的自动化

工程机械施工中，为了更好的实现工程机械自动化作业，达到提高工程施工技术水平，保证工程施工质量的目的，人们开始大力引进机械自动化控制技术。常见的如摊铺机上安装的自动调平装置等，它能够帮助摊铺机实现摊铺作业上的横向，或纵向自动找平；还有一些摊铺机械上安装了混合料自动供料装置，这一装置在安装完成，并具体使用时可以实现自动供料，并且能按照要求严格控制好摊铺料层的厚度，全面保证工程施工中的摊铺质量。除了以上两种情况之外，土木工程施工中所用到的摊铺机设备还能通过安装电子监测系统来实现转向自动化，并利用这一自动化技术来对摊铺机、推土机的工作情况进行自动监控，实现工程挖掘机部分功能自动化控制。近几年，随着无线电遥感技术的发展，土木工程施工、挖掘机械已经实现了无线遥控，通过在挖掘机中安装遥控装置或遥感系统，普通的工程挖掘机已演变成了无线遥控挖掘机。

2.2推土机、挖掘机作业的自动化

推土机、挖掘机等土方机械作业的自动化，将会大大提高作业质量和作业生产率。最早实现推土机铲刀和挖掘机铲斗位置控制的是一种以开关系统为基础的反馈控制系统。利用激光实现推土自动化系统的研究是从70年代中期开始的。1976年开发研制了推土机铲刀的激光控制装置一激光测平装置，它由投光器、感光器、控制装置等组成，由于控制系统存在着速度响应问题，当时并未用于实际施工作业。随后，由于电子技术的发展促进了自动控制系统的开发研究。该系统由自动直线加工系统和激光系统组成。激光感光器测出加工面的激光位置，激光系统测得挖掘机车体高度，将信号传送到自动掘削系统，系统根据这些情报及各传感元件的信息，将处理后的信号传给控制控掘轨迹的各电磁比例控制阀，实现动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的自动控制。这种控制比一般的施工作业提高加工精度3倍，提高施工能力1.6倍。

3结束语

光电识别技术篇6

目前，许多文档是以纸质文档的形式存在，例如银行票据、税务报表、标准化考试中的机读卡、人口普查表、彩标单、选票、定货单等。而纸质文档不便于保存、检索、统计和修改。将这些信息录入计算机是一件非常繁琐的事情。长期以来人们通过键盘手工输入，不但费时费力且容易出错。在实时性要求较高的场合（如选举中的统计选票）自动、快速、准确地处理文档显得尤为重要。因此，对这些文档进行计算机自动录入具有重要的实现意义。

计算机自动录入是解决这个同瓶颈的关键所在。其中，光学字符识别OCR（Optical Character Recognition）和光学标记识别OMR（Optical Mark Recognition）是解决信号自动录入的有效方法。它们利用光学方法将信息录入到计算机并进行识别处理，能极大地提高数据信息的采集速度，便于计算机存储、管理与检索。

1 OCR与OMR

（1）OCR的工作原理

OCR首先将要识别的文字和图像扫描进计算机，然后进行图像的预处理，再抽取字符特片进行识别，转变为计算机能够识别的字符信息。图像预处理包括去除噪声、歪斜校画龙点睛、图像分割、平滑及规范化等。其中图像分割是一个重要的步骤，它的作用是将要识别的单个字符的图像找到并分割出来。OCR技术主要应用于文字图像识别及处理，例如用于印刷体和限制手写体字符的识别。OCR技术已成为大规模数据录入的首选方案，它将随着计算机技术的发展而更加成熟。

（2）OMR的工作原理

OMR识别“涂点”上有无标记两种状态。“涂点”就是信息卡上可以涂写标记的地址。“涂点”所代表的含义可以事先定义，可以代表一个阿拉伯数字，也可以表示一个英文字母或符号。OMR技术快速简单，识别率高且成本低，广泛应用于标准化考虑自动阅卷、各类调查问卷的统计、选举结果的统计等，是自动识别领域中应用较多的一种方法。

2 基于图像的OMR技术

目前OMR一般采用光电对管阅读技术。识别用的器件是半导体发光管及光敏管。发光管是光源器件，由它发出的光照射到“涂点”上。光敏管是接收器件，接收来自“涂点”位置的反射光。因为涂有标记的地方反光弱，未涂标记的地方反光强，所以光敏管接收到的光信号强度不同。不同强度的光信号可以代表有无标记两种状态。将“涂点”位置处的发光管和光敏这组成一只电眼，可识别一个涂点。若干个电眼排列起来组成光电头可完成对一排涂点的识别。

该方法实现应用中有如下限制：信息卡上的“涂点”要与电眼完全对齐，即信息卡在录入时不能倾斜；信息卡不能折皱；纸张质量、印刷技术要求高；填写标记要规范，否则就要影响识别结果。实际应用中，信息卡在录入时由于走纸机构机械误差而略有倾斜，会造成识别出错。

OCR由于采用了图像处理技术，信息卡在录入时的倾斜能自动校正，保证录入的高精度，也能处理略有折皱的信息卡。因此，OCR对所用纸张的质量、印刷技术要求不高，降低了运行成本。同时可以保留填写的原始图像备查，进行复核或重新识别。

在借鉴OCR优点的基础上，笔者在课题《彩标阅读及识别系统》中采用了基于图像的OMR技术。所谓基于图像的OMR技术，就是将信息卡经光电变换，形成二值化图像；再经歪斜校正、图像分割，对分割出的小块图像（含“涂点”）中的黑点数进行计数。若大于某个阈值，就认为有标记，否则就没有标记，从而完成了标记识别。相对OCR而言，它省去了最耗时的字符特征抽取步骤。

3 硬件组成

本系统框图如图1所示。

（1）图像传感器

采用国产的CIS（Contact Image Sensor）图像传感器，其光学分辨率比CCD略低，但是其驱动电路、光学系统和机械结构却比CCD简单。光学系统中采用特殊光源实现光学滤波，消除或减轻了信息卡背景信息对分割、识别的影响。工作时，由CPLD（Complex Programable Logic Device）产生一个周期性的同步脉冲SYN引导每次扫描，时钟信号CLK在移动寄存器的作用下，对CIS内的像元依次进行扫描，像元上的光电信号串行输出。

（2）走纸控制

输入的信息卡通过光学系统成像在图像传感器的光敏面上，在CPLD器件产生的扫描信号的驱动下，图像传感器对信息卡进行横向自扫描；步进电机驱动输纸机构使信息卡纵向运行，从而实现了信息卡的二维扫描。

（3）模拟信号处理

模拟信号处理要考虑信息卡颜色的深浅、字迹的轻重和光强均匀度的变化等引起的脉冲幅度的变化。在光电变换中，对信号幅值影响较大的是：光束照射在光敏面上，光强的不均匀性及波动影响表现为白电平浮动对比度的变化也会引起信号幅值的较大起伏。处理的好坏直接影响到采集图像的质量。其过程为：CIS图像传感器摄取的原始图像信号，经放大、采样保持及滤波、对消、浮动阈值及二值化等一系列处理，消除或减轻了信息卡背景明暗变化、光源变化、开关噪声、高低频干扰等对系统的影响，获得高质量的二值化信号。

（4）数字信号处理

采用A、B两块大容量的SRAM轮流工作在读或写状态。合并二值化的信号，同时为了加快数据采集的速度，每次将16位的串行信号转换为2个字节的并行数据。在标志寄存器的控制下，将信号暂时写入A中，同时计算机通过16位ISA总线从B中取数据。在下一周期，二值化信号写入B中，计算机通过16位ISA总线从A中取数据。这样就保证数据传输的高效性。

（5）逻辑控制

整个系统的逻辑控制采用Lattice公司的CPLD——L1032，它负责控制轮纸机构、图像传感器、两块SRAM的轮换；并随时检测系统的工作状态，协调各部分的工作；并将检测到的状态即时送给计算机，便于计算机对整个系统的管理。

4 软件处理

在大数据量的文档处理中，为了满足快速高效地处理，文档必须针对OCR技术或OMR技术进行专门设计。这样才适合光电阅读。在信息卡上设计定位标记块是一种有效手段。它分为水平定位标记块和垂直定位标记块，并且按照与填写的字符相同的颜色（黑色）来印刷。一个水平定位标记块表示一个字符行，垂直定位标记表示一个字符列。标记填写在以字符行列交叉点为中心的矩形区域。定位标记块

主要用于字符定位和信息卡图像的倾斜校正，如图2所示。另一种有效手段就是常常对信息卡学习，获得相应的先验知识，如信息卡的行数、列数、标记出现的主要区域、表格类型、每个黑色定位标记块的大致位置等。由于对同一批表格而言这些参数都是相同的，在对后续表格的处理中就可利用这些参数指导图像的分割和识别，从而提高了整批表格的处理效率。

硬件系统对信息卡进行扫描信号处理后，得到二值化的图像信号，但是二值化的图像信号中标记所代表的数字信息才是最终结果。为此，还要对二值化的图像信号在PC机上利用软件进行噪声处理、倾斜校正、分割及识别处理，得到感兴趣的识别结果。最后再将识别结果进行输出显示。在基于图像的OMR技术中，倾斜校正和图像分割是最关键的。

（1）倾斜校正

由于输纸机构有走纸不均匀的情况，信息卡图像不可避免地会产生一定的倾斜。因此必须对倾斜的图像进行旋转，旋转到正常位置，才便于图像分割。

对信息卡学习，获得正常图像的定位标记块的位置。将倾斜图像沿X，Y轴方向投影，所有的水平定位标记块和垂直定位标记块会分别在投影图上产生对应的峰，从而可以确定水平定位标记块和垂直定位标记块的位置。根据正常图像和倾斜图像的定位标记块的位置，就可以计算出旋转角δ。

将倾斜图像f(x,y)绕坐标原点O（0,0）旋转一个角度-δ，图像的原始坐标为（x,y），旋转后的坐标为（x',y'），按式（1）旋转变换，旋转后的图像为（x',y'）。

（2）图像分割

根据上述投影法，可以获得水平定位标记块和垂直定位标记块的位置，并得到交叉点的位置。由于标记填写在以字符行列交叉点为中心的矩形区域，并且设矩形区域长为X列，宽为Y行，以此交叉点向左向右各扩展（X+4）/2列，向上向下各扩展（Y+4）/2行形成一分割框，即矩形区域完全包含在该分割框内。逐行以分割框为单位对整个图像进行分割，并统计各分割框内的黑点数。若大于某个阈值，就认为有标记；否则就没有标记。再结合各标记事先定义的含义，得到识别结果。

基于图像的OMR技术采用图像传感器作为扫描部件，将信息卡的完整图像读入微机，并进行图像识别。它克服了采用光电对管阅读的OMR方式的缺点，同时它具有如下优点：

·识别精度高；

·纸张质量、印刷技术要求低，可以处理略有折皱的信息卡；

·调整表格灵活，可适应多种信息卡；

光电识别技术篇7

就业方向　在相关企、事业单位从事光电仪器、精密仪器的设计、制造及经营等工作。在科研机构和高等院校中从事基础研究和教学工作

推荐院校　清华大学、重庆大学、长春理工大学等

光电信息工程是以光电为主，光、机、电、信息技术与计算机应用相结合的宽口径的学科。主要围绕信息的获取、处理、传输、应用及相关的支撑技术。重点是光电传感、测量与控制、计算机视觉与图像处理、自动识别、光通信、光电制导等技术，培养相应的高级科学技术人才。

光电识别技术篇8

关键词：自动指纹识别技术；发展；应用

引言

随着现代科技的进步与发展，自动指纹识别技术在当前社会得到了广泛应用，它不仅为公安机关案件的侦破提供了帮助，同时也满足了社会发展的需要。在这个网络化的时代下，以计算机为核心技术的网络系统已经得到了广泛的应用，利用自动指纹识别技术可以提高计算机网络的安全性，为计算机网络用户的利益提供保障。

1 指纹识别技术概述

自动指纹识别技术是集计算机、网络、光电技术、图像处理、数据库技术等于一体的综合指纹认证技术。指纹作为一个人特有的一种特征，每个人的指纹在图案、断点和交叉点上各不相同，根据指纹的唯一性和特定性可以对一个人的身份进行验证。而指纹识别技术就是把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，进而确定他的身份。自动指纹识别包括了指纹图像获取、处理、特征提取以及对比等多个环节，通过现金的指纹采集仪器可以获得较为清晰的活体指纹图像。在自动指纹识别系统中，采用了独特的容错技术，既是指纹识别系统获取的指纹是不完整的指纹，它也可以提高指纹认证的可靠性。伴随着现代科技的不断发展，指纹识别技术已经进入到我们的日常生活中并产生了较大影响。

2 自动指纹识别技术发展现状

在以往的指纹识别中，指纹识别很容易受多种因素的影响，如脏手指、疤痕等，进而影响到指纹质量，给指纹识别带来一定的困难。自动指纹识别技术是通过计算机实现的身份识别手段，也是当今应用最为广泛的生物特征识别技术[1]。伴随着计算机技术的发展，指纹识别技术逐渐进入到计算机世界中。许多公司和研究机构也在自动指纹识别技术领域中取得了较为可观的成就，推出了一系列以自动指纹识别技术为核心的应用产品，且这些产品深受大众的认可，为公安机关案件的侦破、为企业的发展、为个人的隐私都提供了极大的保障。近年来，随着晶体半导体指纹录入芯片的诞生，使得指纹识别技术从单一的司法应用扩展到民用。在这个科技不断创新的时代，自动指纹识别技术也越来越先进，以硅技术、超声波技术、光学技术为载体的指纹识别系统的应用也越来越广泛了。

2.1 光学技术

在自动指纹识别系统中，光学技术是最为常用，也是最久远的一种技术。在识别系统中，将人的手指或者带有指纹的物体放在光学镜片上，在光源的照射下，利用棱镜将其投射到电荷耦合器件上，通过指纹设备的处理，形成指纹图像[2]。这种光学的指纹采集到的指纹分辨率高。

2.2 硅技术

硅技术是基于半导体硅电容效应基础上发展而来的一种技术。在自动指纹识别系统中，硅传感器被当作电容的一个极板，手指被当作另一个极板，以硅技术为载体的自动指纹识别技术就是根据手指纹线的脊、谷与硅传感器之间的电容差来形成灰度图像，一硅技术形成的指纹图像容易受到干扰，且可靠性相对要差[3]。

2.3 超声波技术

以超声波技术为载体的自动指纹识别技术是近年来发展较为先进的一种，它是利用超声波的穿透能力以及超声波的回波来采集图像[4]。超声波技术产品能够达到最好的精度，它对手指和平面的清洁程度要求较低，但其采集时间会明显地长于前述两类产品。

3 自动指纹识别技术的应用

随着现代科技的发展，指纹识别技术在当前社会中已经到了广泛的应用，为我国现代社会的发展提供了安全保障。最初，由于指纹识别的应用成本很高，以及它对运行环境也有着的特殊的要求，指纹识别技术主要应用于司法部门。公安机关利用自动指纹识别技术来对犯罪嫌疑人身份的验证。但伴随着随着科学技术的不断进步，半导体传感器的出现，指纹识别系统的价格也不断下降，使得过去高高在上的指纹识别技术，终于走入了市场广大的普通民用领域，走进了普通百姓家。

3.1 司法方面的应用

近年来，我国社会上的犯罪案件不断增加，给我国当代社会造成了极大的为好。在犯罪现场，一些没有经验的犯罪嫌疑人往往会在犯罪现场留下自己的指纹，而侦查技术人员利用自动指纹识别技术，可以对犯罪案件现场的指纹识别，进而缩小案件的侦查范围，减少侦查的工作量。例如，在入室抢劫案件中，犯罪嫌疑人进入到抢劫地点后，在心理因素的作用下，犯罪嫌疑人会通过自己的手去碰撞现场一些物体，进而遗留下自己的指纹，办案侦查人员利用自动指纹识别技术，对现场进行指纹识别，可以确定犯罪嫌疑人的指纹特征，再通过网络进行指纹对比，进而减小侦查范围，为案件的突破提供帮助。

3.2 计算机加密

当前社会发展形势下，在计算机网络普及的同时，计算机的安全问题也备受关注。社会在不断的进步，身份的鉴别工作也提出越来越高的要求，在各种生物特征识别技术中，历史最悠久、使用最广泛的无疑是指纹识别技术，是一种相对比较成熟的身份鉴别方法。在计算机系统中，利用自动指纹识别技术作为一种身份认证技术，用户在计算机系统中输入自己的指纹，以此作为使用计算机唯一的凭证，计算机系统则根据这一指纹来判定计算机的使用，一旦指纹错误，就会自动发出警报或者强行锁屏，进而大大地提高计算机的安全性，保障用户的利益不受侵害。

4 结束语

自动指纹识别技术作为一种应用性的技术，它为我国现代社会的健康发展提供了技术保障，伴随着现代科技的不断发展，自动指纹识别技术也逐渐民用。在这个快速发展的社会里，市场竞争也越来越激烈，为了更好地满足我国社会发展的需求，就必须加大自动指纹识别技术的研究，不断提高指纹识别技术应用性和竞争实力。

参考文献

[1]钟庞和.自动指纹识别技术在图书馆中的应用[J].江苏图书馆学报，2002，4：21-23.

[2]尹义龙，宁新宝，张晓梅.自动指纹识别技术的发展与应用[J].南京大学学报（自然科学版），2002，1：29-35.

[3]李徐周.自动指纹识别技术的应用[J].山东省青年管理干部学院学报，2005，2：143-144.

光电识别技术篇9

系统通过图像帧同步技术将红外激光的打靶图像分别标识并实时处理，实现了一种支持多个红外激光同时打靶的控制系统。激光枪在扣动扳机的情况下，利用射频通信同步控制红外激光的发射与停止，在射击目标上形成分时的激光打靶图像。通过高速数字相机采集，利用Field-Programmable Gate Array（FPGA）实时处理的特点，对每一帧有效图像进行同步标识，并通过图像处理技术识别出每一个激光枪对应的打靶射击结果。实践结果表明，该系统能在无线环境下实现多个红外激光同时打靶射击，能适应多人同时的机动射击训练或实景射击游戏场景。

【关键词】红外激光 帧同步 FPGA 射频通信 图像处理

随着激光模拟射击技术的成熟与发展，越来越多的射击游戏场合应用了基于激光的射击打靶系统，如第一人称射击游戏、数字实景游戏等。在现有的激光打靶系统中，识别弹着点的方法通常是：

（1）使用光电二极管阵列接收激光信号从而生成坐标；

（2）使用硅光电池做成激光探测器阵列；

（3）使用光学摄像机拍摄靶面图像。

为了实现多个红外激光同时打靶的控制系统，本文采用图像帧同步技术分别标识红外激光打靶图像。当扣动激光枪之后，红外激光的发射与停止采用射频通信同步控制，之后在屏幕中射击目标上形成分时的打靶图像。系统采用高速数字摄像机采集图像，利用FPGA 对每一帧有效图像同步标识，并识别出每一个激光枪对应的打靶结果。多次实验结果表明，该系统能够实现多个红外激光同时打靶的功能。

1 帧同步控制原理

帧同步控制是以FPGA 为核心，同时连接高速数字相机与红外激光发射模块。具体原理如下：

（1）当高速数字相机产生帧同步信号时，FPGA采集信号并对其进行同步。

（2）FPGA通过射频信号实时控制红外激光发射模块，允许或禁止其发射红外激光；当在允许发射红外激光的情况下，扣动扳机则可发射出激光。

（3）高速数字相机采集带有激光斑点的图像并传输至FPGA，FPGA根据帧同步信号对图像进行标记，并将标记完成的图像传输至计算机（以下简称PC），PC识别出图像当中的标记和红外激光所形成光斑的坐标信息。

系统框图如图1所示，包括图像采集模块和射击控制模块，其中图像采集模块作为系统核心，通过无线射频同步射击控制模块，实现对多个射击模块的协同控制。

2 系统设计

2.1 射频硬件电路

射频收发模块采用nRF24LE1，这种2.4GHz射频收发器是NORDIC推出的超低功耗无线片上系统解决方案，其内部集成了高性能单片机（与8051指令兼容）、16KB Flash存储器、1KB片上数据存储器，以及为低功耗设计的多种电源模式。

射频控制模块电路包括扳机检测电路、激光器发射控制电路、系统休眠唤醒电路以及激光枪号配置电路。

2.2 FPGA硬件电路

FPGA采用Lattice公司的LCMXO3L-6900C，该芯片具有858个逻辑阵列、6864个逻辑单元，最大用户I/O口数量为206个，最大工作频率可到400MHz。FPGA连接数字相机、射频电路和USB，其硬件架构如图2所示。

2.3 FPGA逻辑设计

FPGA的逻辑设计主要包括对相机的帧同步计数和图像处理。帧同步计数包括同步、计数与控制输出。

图像数字处理包括光斑位置识别和位置校正。光斑位置识别用于识别射击位置，利用光斑的亮度远高于背景，采用一定阈值进行二值化并遍历全图的方法即可算出。但由于镜头光学曲率会导致拍到的图片桶形失真，使得识别到的光斑位置与真实位置不相符。因此需要采用位置校正对镜头进行预处理，就是对采集图片变形程度进行预先计算，得到校正函数，然后通过校正函数来处理采集图片，进而得到光斑的真实位置。

计算校正函数需要使用带有等间距白色矩形的标准图片，计算标准图片与采集到的图片之间每个白色矩形位置的变化关系。位置校正的包括图像预处理和仿射变换，其中仿射变换是按区域进行的。

首先查找出所有白色矩形的轮廓，计算每一个轮廓中心的坐标。然后以图片正中的白色矩形为中心，将图片分成4个区域，如图3。每个区域选取采集图与标准图一一对应的三个顶点作为仿射变换的最佳匹配的三个点。最后根据仿射变换原理计算出每个区域中采集图片到标准图片的变换关系，即H矩阵。这样，图像中识别到的光斑都可以通过H矩阵校正为在标准图片中的位置，即真实环境中的射击位置。

3 结语

利用FPGA实时处理的特点，以及结合无线射频控制的方式，可有效解决在激光打靶系统中的多设备协同控制。经过对系统整体性能的试验评估，发现该系统可有效实现多设备在同一高速相机的情况下实现分时同步控制。

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作者简介

王宏松（1975-），男，重庆市人。现为上海常良智能科技有限公司工程师。专业或研究方向为机器视觉、智能控制。

光电识别技术篇10

关键词：应用型人才；专业方向；地方院校；培养模式

作者简介：曹辉（1973-），男，湖南沅江人，佛山科学技术学院电子与信息工程学院副院长，副教授。（广东 佛山 528000）

基金项目：本文系2012年度广东省高等教育教学改革项目“光信息科学与技术专业应用型创新人才培养平台建设与实践”、佛山科学技术学院教学研究课题重大项目的研究成果。

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）35-0066-02

随着社会经济的不断发展，我国高等教育已由精英教育转变为大众化教育。各地方高校竞争的焦点是能否培养出适应区域经济发展需要的应用型人才，为地方经济社会发展、产业结构调整、产业升级提供人才资源和智力支持。培养应用型人才既是地方院校的根本使命，也是未来发展中紧贴地方经济发展需要、提升服务水平和质量的根本途径。

光信息科学与技术专业应用型人才是指熟练掌握光电类社会生产或社会活动一线的基础知识和基本技能，能将光信息科学与技术专业知识和专业技能应用于所从事的专业社会实践，为社会创造财富的一类专门人才。光信息科学与技术专业的培养目标是：培养在光电信息科学与工程领域具有宽厚的理论基础、扎实的专业基础知识、熟练的实验技能，具有综合运用光电信息科学理论和技术分析、解决工程问题的基本能力，能从事光电显示、光源与照明、光学设计、光通信等领域的科学研究，以及相关领域的产品设计与制造、科技开发与应用、运行管理等工作，具有一定的实验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文、参与学术交流的能力，能够适应当代信息化社会高速发展需要的应用型人才。对于实践性、应用性要求较高的理工科专业，根据地方经济发展需要调整专业方向、建设与之相应的应用型人才培养平台显得尤为迫切和重要。

佛山科学技术学院光信息科学与技术专业主动适应珠三角特别是佛山市地方经济发展及其产业结构调整的需求，更好地与佛山“3+9”特色产业基地建设任务相衔接，积极调整专业方向，建设三层次应用型人才培养平台。

一、专业方向的调整与优化

佛山“3+9”特色产业中“白色家电”、“新型显示器件”、“光机电一体化”等产业基地建设与本专业建设关系密切，其建设需要光信息科学与技术专业能前瞻性地培养适应未来发展需要、引领行业发展的高素质人才，积累人力资源的先行优势。为此，在“平台+模块”（即：公共课平台、学科专业平台和专业方向模块）人才培养模式中，设置了“太阳能”、“电光源”、“光电显示”、“LED照明”四个专业方向，以体现人才培养模式的地方特色、应用特色。

以往的人才培养计划比较侧重于电光源、光电器件和光电检测三个专业方向，从2010年开始，人才培养计划按照新规划的“太阳能”、“电光源”、“光电显示”、“LED照明”这四个专业方向分别制定，在保留“电光源”专业方向课程模块的基础上，按照佛山市优势产业发展情况，将光电器件和光电检测两个专业方向课程模块进一步调整为“太阳能”、“光电显示”、“LED照明”三个专业方向的课程模块，并以广东省高等学校实验教学示范中心——《大学物理实验中心》建设为契机，完成专业实验室建设。利用地域优势顺利完成专业方向调整。

1.发挥人力资源优势，以省实验教学示范中心建设带动具有地方特色的优势学科发展

当今世界已经跨入一个知识经济的时代，其最重要的经济因素就是智力资源的占有配置，以科学技术为主的知识生产、分配和使用的核心就是技术创新，这是社会经济发展的原动力。与企业相比，佛山科学技术学院拥有的最大优势就是人力资源优势。本专业教师团队通过自己培养和引进相结合，建立了一支年龄结构合理、研究方向明确的高素质教师队伍，26人的团队拥有教授4人，副教授10人，具有高级职称的教师人数占教师总数的53.8%；具有博士学位的有10人（含博士后3人），具有硕士学位的有12人。近三年时间里，教师先后承担了国家自然科学基金项目4项，广东省自然科学基金项目4项，佛山市产学研及科技发展基金项目5项，横向课题4项及20多项校级课题。由于学校扩招规模小，本专业生师比（12∶1）远小于省内众多高校的生师比（平均20∶1），因此该团队与佛山优势产业企业优势互补，以省物理实验教学示范中心建设和示范专业建设为契机，着力促进光信息科学与技术专业应用型人才培养，形成了具有地方特色的朝阳型专业和优势学科。

2.以“服务中小企业”为突破，将光信息实验室建设成中小企业的技术创新中心

在佛山及周边地区的太阳能、光源、光电显示、LED照明等产业围绕着一些大型企业，以及成百上千家的中小企业，这些企业因为规模较小，很多企业的技术力量和检测设备严重缺乏，企业发展急需“外脑”的介入。在光信息科学与技术专业实验室建设中，选择“服务中小企业”为另一个突破点，为中小企业培训人才、提供技术支持，将光信息实验室建设成为服务于太阳能、电光源和LED照明产业的“中小企业的技术创新中心”和人才培养基地。因此，光信息科学与技术专业发展策略是通过为地方优势产业中规模较小的企业提供技术和人才，促进佛山地区光电子产业群的发展，为培养的应用型人才提供宽松的就业环境和良好的就业机会，确保本专业的长期稳定发展。

3.抓住产业升级机遇，与领军企业合作建立产学研基地

一方面，佛山及周边地区在光电子产业的若干领域，如电光源、光电显示、LED照明等已经形成产业积聚群，形成了庞大的产业规模，其中的领军企业佛山国星光电科技有限公司、雪莱特光电股份有限公司、奇美电子有限公司等都非常重视科技创新和产品的研究开发工作，分别建立了依托企业的省级工程技术中心，建立了高素质的研究开发队伍，拥有先进的研究开发和检测设备。另一方面，虽然佛山的光电子产业群已经初具规模，在国内处于领先地位，在国际上也具有相当大的影响，但是在世界范围来看，佛山（包括中国其他很多以制造业为主的企业）主要是在模仿外国产品的基础上进行若干改进，然后利用国内劳动力资源的优势，进行大规模生产。这些企业“大”而不“强”的主要原因在于缺乏原创性的设计，企业建立的研究开发队伍在工艺设计、改进等方面积累了大量、丰富的经验，但是当一个产业出现重大技术突破，产业面临重大技术升级和产业转型时，单纯依靠企业内部的技术人员很难把握住这一契机，此时，高等学校教师思维活跃、知识面广、理论基础雄厚的优势就显得尤为重要。佛山的光源、光电显示、LED照明等产业正处于这样的关键时刻，因此通过选择好正确的切入点和突破点，光信息科学与技术专业团队和领军企业合作建立了一系列产学研基地，实现了优势互补，在培养大批专业对口、实践动手能力强的应用型人才的同时促进了佛山地区优势产业的升级和换代，实现了专业、企业双赢。提出了一个宏观建设计划——应用型人才培养平台建设计划和8大具体的微观建设计划与措施。

二、应用型人才培养平台建设

根据广东省教育厅《关于实施广东省高等学校教学质量与教学改革工程的意见》，依据学校办学定位，结合学校建设广东省应用型创新人才培养模式改革示范院校的建设计划和措施，为了实现将光信息科学与技术专业建设为应用型创新人才培养专业的目标，着力推进了以三层结构为模型的应用型人才培养平台建设，具体措施如下：

1.建设光信息专业知识教育平台

（1）构建以“全国优秀教师/南粤优秀教师”为引领，优秀青年教师、青年博士、教授/副教授为中坚的专业教学团队。在平台建设过程中，两位副教授晋升为教授，三位博士晋升为副教授，新增“全国优秀教师”、“南粤优秀教师”各一名，同时选派骨干教师到台湾、美国、澳大利亚访学，参与国际学术合作，使光信息专业的教学团队具有宽厚的工程和学术背景，真正做到培养教师与培养学生并举，教师科研与教学并重。

（2）构建以省部级精品课程为核心的高水平课程体系和高质量的教材系列。将教师队伍建设、教材建设与课程建设紧密结合，以精品课程建设成果作为教材建设与课程建设的具体目标，以此推动教师队伍建设，并带动本专业所有课程的建设。

建成的光信息专业知识教育平台如图1所示，其培养培育功能集中体现在传授学生光信息专业知识、培养学生创新能力的同时培育高水平师资队伍。

2.建设新知识新技术教育平台

（1）搭建以高水平科研成果和专业最新动态为核心内容的新知识新技术教育平台，通过教师讲授、教材更新、省内外光电专家讲座（佛山市科协的院士讲座、佛山市政府开通的教授讲坛、学校邀请的专家报告）、参观深圳光电专业博览会等形式让学生学习和掌握最新的光电领域科学与技术的科研成果与知识。

（2）在已有的广泛合作及国内科研院所合作关系的基础上，继续通过举办省内外专家系列讲座、电信论坛等活动让学生了解专业前沿发展动态。

所建成的新知识新技术教育平台如图2所示，其催化激励功能突出表现在教师、省内外光电专家和各种社会资源通过新成果、新理论、新技术、新产品和新理念对学生的创新活动进行全方位的催发激励作用。

3.建设创新实践能力培养平台

（1）以1个省级实验教学示范中心（物理实验教学中心），2个学生科技制作室、3个产学研基地（国星光电产学研基地、威而信产学研基地、天创东宝产学研基地），5个科研实验室（光电子器件、光电检测技术、LED照明技术、量子光学、量子信息实验室），7个生产实习基地以及地方社会资源为依托，培养学生“奇思妙想”和“敢为天下先”的创新实践能力提供平台。

（2）在积极鼓励和引导学生参加“挑战杯”、“广东省大学生物理实验设计大赛”和“校学术科技作品竞赛”等的基础上，系统建立了具有专业特色的“物理实验设计大赛”和“挑战杯课外学术科技作品竞赛”等活动，为培养学生的创新意识和实践能力搭建了平台。

（3）为了保证创新实践能力培养平台能有计划、有目的、有组织地培养学生实践创新能力，实施了“集约式开放，互动式创新”学生课题研究和课外科技活动。学生组队、学生选题、学生选导师都采用集约式开放的形式，课题研究过程中包括师生互动、生生互动、组内外互动，这样既调动了学生研究创新的兴趣，提高了学生自身的创新能力，又能保证课题研究的顺利进行和获得高质量的研究结果。

（4）建立完善的鼓励、扶持与奖励机制。每年设立专门经费资助学生重大创新项目与竞赛。在竞赛中取得优异成绩的学生，除了给予直接的精神和物质奖励之外，还在班级测评中加分，特别优秀者毕业时可以直接推荐为优秀毕业生。

所建成的创新能力培养平台如图3所示，集中表现了各种硬件、软件为学生创新实践能力培养提供全面服务的功能。

三、总结

培养高素质的专业化应用型人才是地方院校的根本任务。光信息科学与技术专业主动适应珠三角特别是佛山市地方经济发展及其产业结构调整的需求，积极调整专业方向，建设三层次应用型人才培养平台，培养出适应区域经济发展需要的应用型人才，为地方经济社会发展、产业结构调整、光电类产业升级提供了人才资源和智力支持。

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