应用光学成像技术检测棉花中异性纤维的研究进展

胡景军

德州市纤维检验所 山东德州 253000

棉花中的异性纤维是影响棉花质量的主要因素。异性纤维主要是非棉纤维和非本色纤维，如羊毛、头发、化学纤维、塑料薄膜、麻绳、染色线（绳、布块）等。若不及时检测剔除异性纤维，在纺纱过程中会导致纱线断裂和出现疵点等问题，影响棉花的质量和价格。异性纤维检测是国内外纺织行业的研究重点，当前主要采用基于光学成像技术的检测方式。本文主要对棉花中异性纤维的成像方法进行归纳和总结，分析各类方法的原理，提出目前研究现状值得借鉴的内容和不足之处，并预测未来的发展方向。

1 基于紫外光成像的检测方法

紫外光是电磁波谱中波长为10～400nm辐射的总称。低压汞灯是物体检测领域所用紫外光的来源之一，是一种气体放电光源，会在电路接通的瞬时产生高电压击穿汞蒸汽，汞原子向低能级跃迁产生紫外光。同时，由于紫外线LED灯的价格低、耗能少，也受到部分厂家的青睐。紫外光可使具有荧光特性的物体发光，实现了白色丙纶和细小杂质的检测，但同时使用多个不同种类的光源会产生亮度过高、图像阴影等问题，影响成像质量[1]。

2 基于X射线成像的检测方法

在数字射线照相技术中，X射线穿过异性纤维后到相应装置上转化为光信号被系统捕获，通过X光成像系统采集棉层的断层图像可获得异性纤维的三维信息。工业成像使用的X射线是在 X 射线管中产生的，X射线管是真空管。通过加热真空管的阴极释放自由电子，并向阳极快速移动，撞击原子核后，释放能量形成 X射线并沿靶面方向射出。

3 基于线激光成像的检测方法

激光由半导体激光器产生，具有方向性好、发散角小、能量集中和单色性等优点，同时激光光源体积较小，价格相对较低。检测原理是棉花和异性纤维表面的平整性差异较大，根据激光照射后反射光回程时间的不同进行成像，实现异性纤维的检测。

基于线激光光源成像速度较快，抗干扰能力强，且对棉花中的白色异性纤维和塑料薄膜也具有良好的成像效果。基于此特性，通过调整线激光光源的波长、功率和相机的曝光时间，可进一步提升成像效果和检出率。

4 基于偏振光成像的检测方法

光是一种电磁波，不仅包含光强和波长信息，还有偏振信息。光的偏振信息包含了光的振动方向和各方向振动强度，是对光强信息和光谱信息的有力补充。透明薄膜类异性纤维在偏振光的照射下会呈现彩色，基于此特性可实现棉花中透明薄膜的检测[2]。

当光源照射在反射性强的异性纤维，如透明塑料薄膜上时，相机采集的图像会受到反射光的严重影响，常常出现耀斑或反光，无法采集异性纤维的全部特征，通过调整偏振片，使透振方向与反射光的透振方向垂直可减弱反射光的影响，提高成像效果。

5 基于红外光成像的检测方法

红外光成像系统包括红外相机和红外光谱仪。在红外光源的照射下，不同材料的分子组成不同，只对特定波长的红外线吸收效果较好，根据红外线的吸收情况可得到该物体的红外光谱，同时根据物体辐射的红外线可以进行成像。

5.1 基于傅里叶变换红外光谱分析检测方法

红外光谱的强度与形成该光的 2束相干光的光程差之间有傅里叶变换函数关系。傅里叶红外光谱法是通过测量干涉图并将包含各种光谱信息的干涉图进行傅里叶变换得到实际的吸收光，从而获得红外光谱。棉花在处理过程中受热和异性纤维尺寸变化也会对最终的傅里叶变换红外光谱有显著的影响，继而影响检测效果，需要扩展光谱数据库来消除影响[3]。

5.2 基于近红外成像的检测方法

由红外光源与红外相机组成的成像系统可采集异性纤维的图像信息，红外光谱仪可采集红外光谱信息。近红外线波长在 700～2500nm之间，不同材料的辐射和吸收红外光的能力不同，呈现的影像和光谱信息存在差异。从目前研究现状来看，共同使用图像和光谱信息能更有效提高异性纤维的检出率，而且由于短波红外线具有穿透性，在棉层稍厚的情况下依然可采集到异性纤维信息。傅里叶变换红外光谱的检测速度快，覆盖波段范围广，可实现大部分异性纤维的检测。

6 基于高光谱成像系统的检测方法

高光谱成像仪具有成像覆盖区域广、光谱分辨率高、图谱和一等特性，有机融合了图像维与光谱维信息，在各应用领域具有巨大优势。通过对比棉花和异性纤维图像及光谱信息的差异实现异性纤维的检测。目前，反射高光谱成像方法由于其实验设备结构简单而得到广泛应用，但反透射成像方法可获取更多的异性纤维样本信息。使用扫帚式线扫描成像光谱仪进行高光谱成像，提取图像中杂质和棉花的像素光谱，采用主成分分析、独立于后端分类器的T检验准则的过滤器、特征选择和分类器结合的包装3种方法，确定杂质检测的关键波长，使白色丙纶丝检出率达到90%。

7 结语

随着光学成像技术的不断发展，异性纤维的检测精度和检出率都有显著的提高。异性纤维分拣机中的成像系统方案经实际生产环境的检验，具有较高的可靠性，可借鉴和参考作为研究的基础。而文献中的结论基本都是在实验室条件下得出的，实验时棉花中的异性纤维通常是人为进行摆放并在静止状态或速度较慢的传送带下采集图像。在实际生产中异性纤维的分布没有规律，会存在异性纤维间相互遮挡和混入棉层的情况。