基于多传感器的伪钞鉴别系统及其信号特征分析

鲁亚青，师占群，胡亚欣，刘芳

（河北工业大学机械工程学院，天津 300130）

基于多传感器的伪钞鉴别系统及其信号特征分析

鲁亚青，师占群，胡亚欣，刘芳

（河北工业大学机械工程学院，天津 300130）

人民币在市场流通领域扮演着一个重要的角色，然而随着市场经济高速发展，假币的制作水平也越来越高，单一功能的鉴伪对有些假币已经很难识别．为了提高点钞机等纸币清分设备辨伪的精确性，本文中采用多种技术手段进行辨伪检测，设计了一款基于多传感器的假钞判别系统．该系统具备磁性、红外、荧光等多种检测功能，该系统不仅能够对票面的防伪特性进行定量化分析，实现对纸币的真伪鉴别，还能对纸币面值自动识别，同时提高了仪器对真币的识别能力．

多传感器；鉴别系统；真伪鉴别；面值识别

随着我国国民经济快速增长，人民币的发行流通量也逐年增加．同时，社会上一些不法分子利用各种方法变造、伪造假币，使得我国经济正常秩序受到严重危害，金融市场受到扰乱，人民财产安全受到损害[1]．根据不完全统计，我国在2004年收缴假币11.6亿元，2010年收缴假币3.38亿元，虽然打假工作初具效果，但是市场上还是存在大量的假币流通．由于人民币的防伪存在特殊性，国内外各种纸币识别装置制造商大都采用被动防伪方法——以假币鉴别假币，以真币鉴别假币，提取真币的特征参数，比对真币和假币的各种特征参数，发现它们的异同点，依据各特征参数的不同来识别[2]．

目前我国主要流通货币以第5套人民币为主．第5套人民币具备十余种防伪特征，其中适用于仪器检测的有以下几种：全系磁性开窗安全线、磁性油墨印刷图案、固定人像水印、无色荧光图案、机读信号等[3]．根据人民币的防伪特性，GB16999-2010提出了12种鉴别技术种类，按照人民币鉴别仪产品具备鉴别技术种类的多少，将其分为A、B、C 3个等级，其中A级产品拥有超过9种的鉴别技术，B级产品拥有超过5种的鉴别技术，C级产品拥有超过4种的鉴别技术[4]．本文基于人民币的防伪特征，以研究鉴别人民币的真伪为目的，综合多种传感器对人民币的磁性、安全线、纸张、荧光图案、宽度进行定性或者定量的分析，符合

B级产品的标准，旨在实现人民币的鉴伪以及面值的识别，提高了仪器对人民币的识别能力．

1 系统组成及工作原理

如图1所示，本设计选用TI公司的MSP430作为主控芯片，系统包括检测部分和输出部分，检测部分通过磁特征传感器、荧光传感器、红外传感器、码盘将检测到的相关信号经电路处理后送到单片机，系统输出则包括报警电路、电机驱动及液晶显示．仪器的出口和入口有红外对管，可以控制进钞、出钞．若检测到伪钞，则鉴伪系统会报警，并且吐出伪钞制动电机停止．下面对鉴伪仪系统主要部分进行进一步介绍．

图1 鉴伪控制系统框图Fig.1 The diagram of counterfeitdetection controlsystem

1.1 磁性检测

人民币的纸张中包含磁性油墨印刷、磁性安全线2种磁性材料，2种磁性材料具有不同的特性，所以利用磁性识别人民币真伪时可以采用检测磁性油墨和检测磁性安全线2种方式．

1.1.1 磁性油墨检测

在人民币印刷时，票面上的有些文字和图案油墨中含有氧化钴、氧化铁等磁性物质．磁性油墨又分为非特征性油墨和特征性油墨2种，非特征性磁性油墨中的磁粉仅仅是有磁性，有特征性磁性油墨中的磁粉不仅具有磁性还有特定的磁信号[5]．人民币磁性分布如表1所示．

表1 人民币磁性分布[4]Tab.1 Magnetism distributing of RMB

目前对磁性油墨的检测可以分为2种：一种是检测油墨的总体分布，看是否符合真钞磁性油墨的分布情况，表中所示区域都会产生磁信号，但是检测这些区域时往往不太稳定；另一种是检测特定的磁性编码，这种磁性编码的磁信号有一定的规律，但是目前也只停留在有无磁性．本文采用的是第1种方法即检测磁性油墨的分布实现鉴伪，这样既能检测人民币横号码部分的磁性，也能够检测其它部分的磁性．纸币经过鉴别系统时分为4个方向，分别为肖像在正面人头朝上、肖像在正面人头朝下、大会堂在正面朝上、大会堂在正面朝下，所以采用4个磁特征传感器横向并列分布对磁性进行检测，当传感器的采集的信号不符合标准时便进行报警．磁信号处理电路如图2所示，磁性传感器输出的是mv级的信号，所以需要对信号进行放大．磁信号先经过两级滤波放大电路，输出的信号再通过一个比较电路，如果磁信号经放大后高于比较电路的跳变阈值电压，比较电路输出低电平，如果磁信号经放大后低于比较电路的跳变阈值电压，比较电路输出高电平，只要检测信号的跳变特性就可以判断印刷材料的磁性．

1.1.2 安全线检测

在第5套人民币票面正面偏左位置有一条安全线，宽约1.2mm，经测试真币的安全线磁信号是由多个“单信号”组成的规律很强的一组信号，并且根据面值的不同而有所差异，面值相同则安全线磁信号相同[6]；而因为技术原因，假币安全线只是有磁性但无规则，根据安全线信号的这种特征就可以识别各面额第5套人民币的真伪．安全线磁信号经放大后的形状如图3所示．

安全线上的磁信号是弱磁信号，所以需要通过一组磁条来拉高，安全线磁信号的检测电路如图4所示，拉高后的磁信号经过前两级电路放大滤波，再通过比较电路完成信号的整形处理，输出脉冲信号．安全线的磁性波形可以提取出3种不同的时域特征，通过记除去录磁性脉冲脉冲个数、脉冲间隔和脉冲宽度，就可以实现币值和真伪的识别．需要注意的是：首先要选择灵敏度比较高的磁头，信号的采集是准确分析的基础；其次，除去信号特征中磁性脉冲的间隔和脉冲宽度之外，磁性信号的分布规律也需要考虑；再次，需要控制好仪器的过钞速度，速度快则效率提高，但是对于信号的提取有一定的影响，所以要兼顾效率与准确率．

图2 磁信号处理电路Fig.2 The diagram ofmagnetism signal process circuit

1.2 红外鉴伪

人民币制作时采用了特殊的纸张，真钞与假钞的纸张有一定的区别，红外穿透就是建立在这种特殊性基础上的．由于人民币纸张坚固、密度较高、票面的油墨厚度较高使其对红外信号的吸收能力较强，纸币吸收红外信号的多少，透过光信号的强度可以反应纸币的纸质特征及油墨印刷特征，所以可以通过检测红外线在真假钞票的透射率来识别钞票的真伪[7]．红外信号采集电路如图5，红外接收三极管的发射极光电流是基极电流的倍，发射极与地之间将会产生电压，电压信号先经过放大电路，再通过一个比较电路与设定的阈值进行比较，输出端如果输出高电平，则当前通过的钞票为假钞，如果输出低电平则为真钞．输出的脉冲信号输入单片机，进而作真假判别．

图3 安全线磁信号示意图Fig.3 Thewaveform of safety-linemagnetic signal

图4 安全线信号处理电路Fig.4 The circuits for safe-line signalprocessing

1.3 荧光检测

紫外线照射某些材料时，经过该材料的吸收后会辐射出不同波长的可见光，纸张的荧光反应是普遍存在的．真币受到紫外线照射时，由于纸质的特殊性，不会产生荧光反应或者荧光效应很微弱，而假钞经过某些工序处理，会产生荧光反应并且强度较强．所以可以通过测量纸币荧光反应中荧光光量的大小辨别真伪．真钞受到紫外光源照射时会产生光谱，光谱包括2个部分．一部分和紫外光源发射光谱基本一致，有紫外光和红光；另一部分就是荧光光谱，能够测到的荧光谱中心波长是440～480 nm、550 nm（其中550 nm是新版和旧版100元正面荧光光谱的中心波长）[8]．假钞受到同样的紫外光源照射时也会产生荧光光谱，荧光光谱中心波长在440～480 nm范围内，强度更大．

选择硅光电池对钞票荧光反应强度进行检测，为避免周围环境光源影响，需要在硅光电池表面安装滤色片，滤色片光谱范围为440～480nm，峰值在450nm左右，这是根据假钞荧光反应波长范围选择的．硅光电池将光的中心波长大小转化成电信号即荧光信号，荧光信号处理电路如图6所示，处理电路包括差分运放电路、比例放大电路2个部分．2个有差别的紫外信号首先经过差分运放电路，从差分运放电路出来的信号可以反应靠近滤光玻璃波长的程度；差分运放电路输出的电信号比较弱，因此需要通过放大电路对电信号进行放大，经比例放大电路输出的模拟信号即为鉴别假钞的信号，将信号接入MSP430单片机，进而做真假鉴别．

1.4 宽度测量

市面上流通的第5套人民币纸币宽度有一定的差别，每档相差6mm左右，如表2所示，宽度检测装置能可靠区分每档的差别．

表2 人民币宽度[9]Tab.2 Widthof RMB

图5 红外信号采集电路Fig.5 Circuitdiagram of infrared signalcollection

图6 荧光信号处理电路Fig.6 The circuit for fluorescence signal processing

纸币宽度的检测装置包括发光二极管与接收管以及码盘．光电发送管和接收管分别装在码盘的两侧，光电发送二极管发出光线照射随着主动轮转动的码盘，接收对管随着码盘不断透光，挡光产生一系列脉冲．在实际运行中，不必知道纸币的具体宽度值，只需记录纸币的脉冲数量，通过对内部脉冲计数和计算，计算出票面的相对宽度，就可以判别纸币的宽度类型．然而纸币不可能都是平行通过点钞机，也存在倾斜通过过点钞机的情况，这时码盘所测量出的宽度是存在误差的，所以采用左右两对红外光管来对宽度予以修正．宽度测量可以检测出一些不完整的钞票，具有辅助鉴伪的作用．

2 软件设计

图7给出了信号采集程序的流程图，首先需要先判断入钞口是否有纸币，当检测到有纸币时码盘计数器将会被开启，采集纸币的宽度信号，随后采集红外信号、磁性安全线信号、磁性油墨信号、荧光信号等，这些信号采集完之后若检测到纸币离开则停止码盘工作．

本文综合多种传感器采集钞票信息并对信号进行处理，处理后的信号与对应的真钞标准信号比较，这样就能够判别检测的钞票是否为真钞．它涉及到磁性检测、磁性安全线检测、荧光检测、红外透射率等多方面的信息．MSP430读取经电路处理后的信号，首先读取红外透射信号，对纸币的残张进行简单的识别，若纸币检测为残张则停机报警，若不为残张将会进行纸币的面值判断，纸币的面值以安全线波形为主以票面的宽度为辅来判断．最后读取荧光信号，检测纸币的真伪．

3 系统验证分析

系统采集的纸币的各项防伪信号包括磁性油墨信号，磁性安全线信号以及紫外荧光信号、红外透射信号，下面主要对各种信号特征进行简要分析．

3.1 磁性油墨信号特征

选取第5套2005版100元面值的人民币，将人民币肖像在正面人头朝上单张通过鉴别系统，采集磁性信号并将曲线传送到计算机，选取其中一次曲线进行示例，如图8所示．图8a）～图8d）分别表示左边、右边、左中、右中磁特征传感器采集的钞票信息经滤波放大后的信号．从图中能够看出左边a）和左中c）以及右中d）磁特征传感器能够检测到磁性，磁性的分布和真钞的磁性分布特征相一致．3.2安全线信号特征

采用与提取磁性油墨特征信号相同的方法来提取安全线的信号，选取其中一次曲线进行示例，如图9所示．图9a）中曲线为真钞放大滤波后的波形信号；图9b）为经过比较器整形后的波形；图9c）为更进一步滤波后的波形信号．通过分析信号的幅度、脉冲信号的宽度和间隔宽度以及宽度辅助信号可以有效的识别纸币的面值和真假．部分高仿假币磁安全线内嵌了磁信号，但是规律性不强，重复性弱，而且与真币磁信号相差甚远；有的假币磁安全线内甚至没有嵌磁信号．

图7 软件流程图Fig.7 Software flow chart

图8 磁特征鉴别测试曲线Fig.8 Identification of the testmagnetic characteristic curve

3.3 荧光特性

为了分析真币与假币的荧光信号特性，分别将真假币通过检测设备，通过荧光信号采集电路获取荧光信号如图10和图11所示．其中图10为真币的荧光信号，图11为假币的荧光信号．对比图10和图11所示的荧光信号的时域波形可以看出，所采集到的假币荧光信号的幅值明显高于真币的荧光信号，但2种信号的波形的主要成分较为相似．为进一步分析2种信号之间的特性差异，利用频域分析方法揭示其频谱特性．

图12所示的为真币和假币的荧光信号的频谱图．从图中看出真假币荧光信号频谱的不同，而且假币的荧光效应比较强．相比于真币所反射的荧光光谱，假币所反射的荧光光谱的频率成分较丰富，强度较大．这说明当紫外线照射纸币时，假币发射出荧光光量比真币发射出的大且强，还包含更丰富的频率成分．如图12所示的A，B，C等处．利用此荧光光谱频率特性上的差异，可以作为判别真假币的依据．

4 总结

本系统综合利用多种传感器提取人民币的特征信号，并辅助以宽度测量实现鉴伪及面值识别，同时利用电路对磁性油墨特征信号、安全线特征信号以及荧光信号进行提取分析并验证，验证结果基本符合纸币的特征，在实践测试中比传统鉴伪系统准确度更可靠、操作更方便，漏判率也有明显改善．但是系统还存在一定的误报率，所以需要在现有基础上探索新的鉴伪技术，比如利用冠字号码的唯一性、人民币厚度的特征等等，同时需要不断改进硬件系统，不断优化软件系统寻找最优策略．

图9 安全线鉴别测试曲线Fig.9 Safety line identification testcurve

图10 真币荧光信号曲线Fig.10 Fluorescencesignalofmeasuring real currency

图11 假币荧光信号曲线Fig.11 Fluorescencesignalofmeasuring counterfeitcurrency

图12 真假荧光信号频谱图对比Fig.12 The contrastof fluorescencesignalspectrum

[1]马继刚．第五套人民币防伪特征的研究[J]．中国防伪，2004（2）：40-43．

[2]朱凤芝，王凤桐．基于紫外荧光信号的人民币真伪鉴别方法的研究[J]．河北工业大学学报，2008，37（1）：114-118．

[3]索双富．点钞机鉴伪技术发展趋势[J]．机械设计与制造，2007（12）：199-200．

[4]刘琳．基于图像和磁技术的人民币鉴别仪[D]．广州：华南理工大学，2012：9．

[5]王章苹，蔡佑星，金玉洁．浅析磁性油墨在防伪印刷中的应用[J]．广东印刷，2011（1）：54-55．

[6]唐春晖，沈伟良．全自动人民币伪币鉴别仪的设计[J]．仪表技术，2006（3）：23-24．

[7]刘庆东．点钞机的辨伪原理[J]．技术前沿，2002（1）：56-57．

[8]陈树根，江和平，周高杯．基于荧光光谱分析的钞票识别研究[J]．红外与激光工程，2001（8）：174-177．

[9]王志德，刘利．智能人民币识别系统[J]．机械与电子，2008（2）：63-65．

[责任编辑 杨屹]

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

河北省高层次人才资助项目（E201200003）；天津市应用基础与前沿技术研究（13JCZDJC34400）

鲁亚青（1990-），女（汉族），硕士生．通信作者：师占群（1963-），男（汉族），教授，博士，z-shi@hebut.edu.cn．