基于多傳感器的偽鈔鑒別系統(tǒng)及其信號特征分析

魯亞青，師占群，胡亞欣，劉芳

（河北工業(yè)大學機械工程學院，天津 300130）

基于多傳感器的偽鈔鑒別系統(tǒng)及其信號特征分析

魯亞青，師占群，胡亞欣，劉芳

（河北工業(yè)大學機械工程學院，天津 300130）

人民幣在市場流通領域扮演著一個重要的角色，然而隨著市場經濟高速發(fā)展，假幣的制作水平也越來越高，單一功能的鑒偽對有些假幣已經很難識別．為了提高點鈔機等紙幣清分設備辨?zhèn)蔚木_性，本文中采用多種技術手段進行辨?zhèn)螜z測，設計了一款基于多傳感器的假鈔判別系統(tǒng)．該系統(tǒng)具備磁性、紅外、熒光等多種檢測功能，該系統(tǒng)不僅能夠對票面的防偽特性進行定量化分析，實現對紙幣的真?zhèn)舞b別，還能對紙幣面值自動識別，同時提高了儀器對真幣的識別能力．

多傳感器；鑒別系統(tǒng)；真?zhèn)舞b別；面值識別

隨著我國國民經濟快速增長，人民幣的發(fā)行流通量也逐年增加．同時，社會上一些不法分子利用各種方法變造、偽造假幣，使得我國經濟正常秩序受到嚴重危害，金融市場受到擾亂，人民財產安全受到損害[1]．根據不完全統(tǒng)計，我國在2004年收繳假幣11.6億元，2010年收繳假幣3.38億元，雖然打假工作初具效果，但是市場上還是存在大量的假幣流通．由于人民幣的防偽存在特殊性，國內外各種紙幣識別裝置制造商大都采用被動防偽方法——以假幣鑒別假幣，以真幣鑒別假幣，提取真幣的特征參數，比對真幣和假幣的各種特征參數，發(fā)現它們的異同點，依據各特征參數的不同來識別[2]．

目前我國主要流通貨幣以第5套人民幣為主．第5套人民幣具備十余種防偽特征，其中適用于儀器檢測的有以下幾種：全系磁性開窗安全線、磁性油墨印刷圖案、固定人像水印、無色熒光圖案、機讀信號等[3]．根據人民幣的防偽特性，GB16999-2010提出了12種鑒別技術種類，按照人民幣鑒別儀產品具備鑒別技術種類的多少，將其分為A、B、C 3個等級，其中A級產品擁有超過9種的鑒別技術，B級產品擁有超過5種的鑒別技術，C級產品擁有超過4種的鑒別技術[4]．本文基于人民幣的防偽特征，以研究鑒別人民幣的真?zhèn)螢槟康模C合多種傳感器對人民幣的磁性、安全線、紙張、熒光圖案、寬度進行定性或者定量的分析，符合

B級產品的標準，旨在實現人民幣的鑒偽以及面值的識別，提高了儀器對人民幣的識別能力．

1 系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，本設計選用TI公司的MSP430作為主控芯片，系統(tǒng)包括檢測部分和輸出部分，檢測部分通過磁特征傳感器、熒光傳感器、紅外傳感器、碼盤將檢測到的相關信號經電路處理后送到單片機，系統(tǒng)輸出則包括報警電路、電機驅動及液晶顯示．儀器的出口和入口有紅外對管，可以控制進鈔、出鈔．若檢測到偽鈔，則鑒偽系統(tǒng)會報警，并且吐出偽鈔制動電機停止．下面對鑒偽儀系統(tǒng)主要部分進行進一步介紹．

圖1 鑒偽控制系統(tǒng)框圖Fig.1 The diagram of counterfeitdetection controlsystem

1.1 磁性檢測

人民幣的紙張中包含磁性油墨印刷、磁性安全線2種磁性材料，2種磁性材料具有不同的特性，所以利用磁性識別人民幣真?zhèn)螘r可以采用檢測磁性油墨和檢測磁性安全線2種方式．

1.1.1 磁性油墨檢測

在人民幣印刷時，票面上的有些文字和圖案油墨中含有氧化鈷、氧化鐵等磁性物質．磁性油墨又分為非特征性油墨和特征性油墨2種，非特征性磁性油墨中的磁粉僅僅是有磁性，有特征性磁性油墨中的磁粉不僅具有磁性還有特定的磁信號[5]．人民幣磁性分布如表1所示．

表1 人民幣磁性分布[4]Tab.1 Magnetism distributing of RMB

目前對磁性油墨的檢測可以分為2種：一種是檢測油墨的總體分布，看是否符合真鈔磁性油墨的分布情況，表中所示區(qū)域都會產生磁信號，但是檢測這些區(qū)域時往往不太穩(wěn)定；另一種是檢測特定的磁性編碼，這種磁性編碼的磁信號有一定的規(guī)律，但是目前也只停留在有無磁性．本文采用的是第1種方法即檢測磁性油墨的分布實現鑒偽，這樣既能檢測人民幣橫號碼部分的磁性，也能夠檢測其它部分的磁性．紙幣經過鑒別系統(tǒng)時分為4個方向，分別為肖像在正面人頭朝上、肖像在正面人頭朝下、大會堂在正面朝上、大會堂在正面朝下，所以采用4個磁特征傳感器橫向并列分布對磁性進行檢測，當傳感器的采集的信號不符合標準時便進行報警．磁信號處理電路如圖2所示，磁性傳感器輸出的是mv級的信號，所以需要對信號進行放大．磁信號先經過兩級濾波放大電路，輸出的信號再通過一個比較電路，如果磁信號經放大后高于比較電路的跳變閾值電壓，比較電路輸出低電平，如果磁信號經放大后低于比較電路的跳變閾值電壓，比較電路輸出高電平，只要檢測信號的跳變特性就可以判斷印刷材料的磁性．

1.1.2 安全線檢測

在第5套人民幣票面正面偏左位置有一條安全線，寬約1.2mm，經測試真幣的安全線磁信號是由多個“單信號”組成的規(guī)律很強的一組信號，并且根據面值的不同而有所差異，面值相同則安全線磁信號相同[6]；而因為技術原因，假幣安全線只是有磁性但無規(guī)則，根據安全線信號的這種特征就可以識別各面額第5套人民幣的真?zhèn)危踩€磁信號經放大后的形狀如圖3所示．

安全線上的磁信號是弱磁信號，所以需要通過一組磁條來拉高，安全線磁信號的檢測電路如圖4所示，拉高后的磁信號經過前兩級電路放大濾波，再通過比較電路完成信號的整形處理，輸出脈沖信號．安全線的磁性波形可以提取出3種不同的時域特征，通過記除去錄磁性脈沖脈沖個數、脈沖間隔和脈沖寬度，就可以實現幣值和真?zhèn)蔚淖R別．需要注意的是：首先要選擇靈敏度比較高的磁頭，信號的采集是準確分析的基礎；其次，除去信號特征中磁性脈沖的間隔和脈沖寬度之外，磁性信號的分布規(guī)律也需要考慮；再次，需要控制好儀器的過鈔速度，速度快則效率提高，但是對于信號的提取有一定的影響，所以要兼顧效率與準確率．

圖2 磁信號處理電路Fig.2 The diagram ofmagnetism signal process circuit

1.2 紅外鑒偽

人民幣制作時采用了特殊的紙張，真鈔與假鈔的紙張有一定的區(qū)別，紅外穿透就是建立在這種特殊性基礎上的．由于人民幣紙張堅固、密度較高、票面的油墨厚度較高使其對紅外信號的吸收能力較強，紙幣吸收紅外信號的多少，透過光信號的強度可以反應紙幣的紙質特征及油墨印刷特征，所以可以通過檢測紅外線在真假鈔票的透射率來識別鈔票的真?zhèn)蝃7]．紅外信號采集電路如圖5，紅外接收三極管的發(fā)射極光電流是基極電流的倍，發(fā)射極與地之間將會產生電壓，電壓信號先經過放大電路，再通過一個比較電路與設定的閾值進行比較，輸出端如果輸出高電平，則當前通過的鈔票為假鈔，如果輸出低電平則為真鈔．輸出的脈沖信號輸入單片機，進而作真假判別．

圖3 安全線磁信號示意圖Fig.3 Thewaveform of safety-linemagnetic signal

圖4 安全線信號處理電路Fig.4 The circuits for safe-line signalprocessing

1.3 熒光檢測

紫外線照射某些材料時，經過該材料的吸收后會輻射出不同波長的可見光，紙張的熒光反應是普遍存在的．真幣受到紫外線照射時，由于紙質的特殊性，不會產生熒光反應或者熒光效應很微弱，而假鈔經過某些工序處理，會產生熒光反應并且強度較強．所以可以通過測量紙幣熒光反應中熒光光量的大小辨別真?zhèn)危驸n受到紫外光源照射時會產生光譜，光譜包括2個部分．一部分和紫外光源發(fā)射光譜基本一致，有紫外光和紅光；另一部分就是熒光光譜，能夠測到的熒光譜中心波長是440～480 nm、550 nm（其中550 nm是新版和舊版100元正面熒光光譜的中心波長）[8]．假鈔受到同樣的紫外光源照射時也會產生熒光光譜，熒光光譜中心波長在440～480 nm范圍內，強度更大．

選擇硅光電池對鈔票熒光反應強度進行檢測，為避免周圍環(huán)境光源影響，需要在硅光電池表面安裝濾色片，濾色片光譜范圍為440～480nm，峰值在450nm左右，這是根據假鈔熒光反應波長范圍選擇的．硅光電池將光的中心波長大小轉化成電信號即熒光信號，熒光信號處理電路如圖6所示，處理電路包括差分運放電路、比例放大電路2個部分．2個有差別的紫外信號首先經過差分運放電路，從差分運放電路出來的信號可以反應靠近濾光玻璃波長的程度；差分運放電路輸出的電信號比較弱，因此需要通過放大電路對電信號進行放大，經比例放大電路輸出的模擬信號即為鑒別假鈔的信號，將信號接入MSP430單片機，進而做真假鑒別．

1.4 寬度測量

市面上流通的第5套人民幣紙幣寬度有一定的差別，每檔相差6mm左右，如表2所示，寬度檢測裝置能可靠區(qū)分每檔的差別．

表2 人民幣寬度[9]Tab.2 Widthof RMB

圖5 紅外信號采集電路Fig.5 Circuitdiagram of infrared signalcollection

圖6 熒光信號處理電路Fig.6 The circuit for fluorescence signal processing

紙幣寬度的檢測裝置包括發(fā)光二極管與接收管以及碼盤．光電發(fā)送管和接收管分別裝在碼盤的兩側，光電發(fā)送二極管發(fā)出光線照射隨著主動輪轉動的碼盤，接收對管隨著碼盤不斷透光，擋光產生一系列脈沖．在實際運行中，不必知道紙幣的具體寬度值，只需記錄紙幣的脈沖數量，通過對內部脈沖計數和計算，計算出票面的相對寬度，就可以判別紙幣的寬度類型．然而紙幣不可能都是平行通過點鈔機，也存在傾斜通過過點鈔機的情況，這時碼盤所測量出的寬度是存在誤差的，所以采用左右兩對紅外光管來對寬度予以修正．寬度測量可以檢測出一些不完整的鈔票，具有輔助鑒偽的作用．

2 軟件設計

圖7給出了信號采集程序的流程圖，首先需要先判斷入鈔口是否有紙幣，當檢測到有紙幣時碼盤計數器將會被開啟，采集紙幣的寬度信號，隨后采集紅外信號、磁性安全線信號、磁性油墨信號、熒光信號等，這些信號采集完之后若檢測到紙幣離開則停止碼盤工作．

本文綜合多種傳感器采集鈔票信息并對信號進行處理，處理后的信號與對應的真鈔標準信號比較，這樣就能夠判別檢測的鈔票是否為真鈔．它涉及到磁性檢測、磁性安全線檢測、熒光檢測、紅外透射率等多方面的信息．MSP430讀取經電路處理后的信號，首先讀取紅外透射信號，對紙幣的殘張進行簡單的識別，若紙幣檢測為殘張則停機報警，若不為殘張將會進行紙幣的面值判斷，紙幣的面值以安全線波形為主以票面的寬度為輔來判斷．最后讀取熒光信號，檢測紙幣的真?zhèn)危?/p>

3 系統(tǒng)驗證分析

系統(tǒng)采集的紙幣的各項防偽信號包括磁性油墨信號，磁性安全線信號以及紫外熒光信號、紅外透射信號，下面主要對各種信號特征進行簡要分析．

3.1 磁性油墨信號特征

選取第5套2005版100元面值的人民幣，將人民幣肖像在正面人頭朝上單張通過鑒別系統(tǒng)，采集磁性信號并將曲線傳送到計算機，選取其中一次曲線進行示例，如圖8所示．圖8a）～圖8d）分別表示左邊、右邊、左中、右中磁特征傳感器采集的鈔票信息經濾波放大后的信號．從圖中能夠看出左邊a）和左中c）以及右中d）磁特征傳感器能夠檢測到磁性，磁性的分布和真鈔的磁性分布特征相一致．3.2安全線信號特征

采用與提取磁性油墨特征信號相同的方法來提取安全線的信號，選取其中一次曲線進行示例，如圖9所示．圖9a）中曲線為真鈔放大濾波后的波形信號；圖9b）為經過比較器整形后的波形；圖9c）為更進一步濾波后的波形信號．通過分析信號的幅度、脈沖信號的寬度和間隔寬度以及寬度輔助信號可以有效的識別紙幣的面值和真假．部分高仿假幣磁安全線內嵌了磁信號，但是規(guī)律性不強，重復性弱，而且與真幣磁信號相差甚遠；有的假幣磁安全線內甚至沒有嵌磁信號．

圖7 軟件流程圖Fig.7 Software flow chart

圖8 磁特征鑒別測試曲線Fig.8 Identification of the testmagnetic characteristic curve

3.3 熒光特性

為了分析真幣與假幣的熒光信號特性，分別將真假幣通過檢測設備，通過熒光信號采集電路獲取熒光信號如圖10和圖11所示．其中圖10為真幣的熒光信號，圖11為假幣的熒光信號．對比圖10和圖11所示的熒光信號的時域波形可以看出，所采集到的假幣熒光信號的幅值明顯高于真幣的熒光信號，但2種信號的波形的主要成分較為相似．為進一步分析2種信號之間的特性差異，利用頻域分析方法揭示其頻譜特性．

圖12所示的為真幣和假幣的熒光信號的頻譜圖．從圖中看出真假幣熒光信號頻譜的不同，而且假幣的熒光效應比較強．相比于真幣所反射的熒光光譜，假幣所反射的熒光光譜的頻率成分較豐富，強度較大．這說明當紫外線照射紙幣時，假幣發(fā)射出熒光光量比真幣發(fā)射出的大且強，還包含更豐富的頻率成分．如圖12所示的A，B，C等處．利用此熒光光譜頻率特性上的差異，可以作為判別真假幣的依據．

4 總結

本系統(tǒng)綜合利用多種傳感器提取人民幣的特征信號，并輔助以寬度測量實現鑒偽及面值識別，同時利用電路對磁性油墨特征信號、安全線特征信號以及熒光信號進行提取分析并驗證，驗證結果基本符合紙幣的特征，在實踐測試中比傳統(tǒng)鑒偽系統(tǒng)準確度更可靠、操作更方便，漏判率也有明顯改善．但是系統(tǒng)還存在一定的誤報率，所以需要在現有基礎上探索新的鑒偽技術，比如利用冠字號碼的唯一性、人民幣厚度的特征等等，同時需要不斷改進硬件系統(tǒng)，不斷優(yōu)化軟件系統(tǒng)尋找最優(yōu)策略．

圖9 安全線鑒別測試曲線Fig.9 Safety line identification testcurve

圖10 真幣熒光信號曲線Fig.10 Fluorescencesignalofmeasuring real currency

圖11 假幣熒光信號曲線Fig.11 Fluorescencesignalofmeasuring counterfeitcurrency

圖12 真假熒光信號頻譜圖對比Fig.12 The contrastof fluorescencesignalspectrum

[1]馬繼剛．第五套人民幣防偽特征的研究[J]．中國防偽，2004（2）：40-43．

[2]朱鳳芝，王鳳桐．基于紫外熒光信號的人民幣真?zhèn)舞b別方法的研究[J]．河北工業(yè)大學學報，2008，37（1）：114-118．

[3]索雙富．點鈔機鑒偽技術發(fā)展趨勢[J]．機械設計與制造，2007（12）：199-200．

[4]劉琳．基于圖像和磁技術的人民幣鑒別儀[D]．廣州：華南理工大學，2012：9．

[5]王章蘋，蔡佑星，金玉潔．淺析磁性油墨在防偽印刷中的應用[J]．廣東印刷，2011（1）：54-55．

[6]唐春暉，沈偉良．全自動人民幣偽幣鑒別儀的設計[J]．儀表技術，2006（3）：23-24．

[7]劉慶東．點鈔機的辨?zhèn)卧韀J]．技術前沿，2002（1）：56-57．

[8]陳樹根，江和平，周高杯．基于熒光光譜分析的鈔票識別研究[J]．紅外與激光工程，2001（8）：174-177．

[9]王志德，劉利．智能人民幣識別系統(tǒng)[J]．機械與電子，2008（2）：63-65．

[責任編輯 楊屹]

Theanalysisof signal characteristics in counterfeit identification system based onmulti-sensor

LU Yaqing，SHIZhanqun，HU Yaxin，LIU Fang

(Schoolof M echanical Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

The currency playsan importantrole in themarketcirculation field.However,the fastdevelopmentofmarket econom ics improves the accuracy of the counterfeitandmakes itmore difficult to be identified by using single-function based identification technique.In order to improve theaccuracy of cash registersand otherequipment forgeriesbanknote sorting,a counterfeitidentification system based onmulti-sensorand variousdistinguishing technologieswas designed in thispaper.Thesystem includesmagnetic,infrared,fluorescencedetection techniques.Itcannotonly do thequantitative analysis for thesecurity features to achieve theauthenticityof identification for thebanknotes,butalsoautomatically identify the banknotesw hile increasing the accuracy of the counterfeitidentification.

multi-sensor;identification system;authenticity of identification;currency recognition

TP212.9

A

1007-2373(2015)02-0043-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.010

2014-09-23

河北省高層次人才資助項目（E201200003）；天津市應用基礎與前沿技術研究（13JCZDJC34400）

魯亞青（1990-），女（漢族），碩士生．通信作者：師占群（1963-），男（漢族），教授，博士，z-shi@hebut.edu.cn．