一种塑料废弃物中目标材质识别方法及装置与流程

技术特征：

1.一种塑料废弃物中目标材质识别方法，其特征在于，包括：

测定目标材质的光谱反射率，从中选取特征吸收峰，并从特征吸收峰中选定多个识别波长；

测定包含目标材质的混合塑料废弃物的光谱反射率，并根据目标材质特征吸收峰中选定的多个识别波长，与其他的背景材质光谱反射率的差异性来建立识别模型；

当从未知的塑料废弃物中识别目标材质时，将测量到的每一材质在选定的多个识别波长处的光谱反射率与建立的识别模型相结合，从而识别出目标材质。

2.根据权利要求1所述的一种塑料废弃物中目标材质识别方法，其特征在于，通过测量装置测量各种材质的光谱反射率；该测量装置包括：

宽带红外光源、前置物镜、分束器、多路窄带红外探测器；其中，宽带红外光源照明方向与测量装置观察方向呈一定的夹角安置，宽带红外光源出射的红外光辐射照射被测材质表面，经被测材质吸收后向上方散射；前置物镜物方焦点与被测材质表面重合，收集被测材质散射的红外辐射并准直为平行光；平行的红外辐射经分束器按等能量比例分割为三路光辐射信号；多路窄带红外探测器基于干涉滤光片实现光谱滤波，多路探测器分别对应多个识别波长，测量被测材质的辐射强度，再基于宽带红外光源的光谱特性和窄带红外探测器的响应特性标定后即可换算为光谱反射率；

所述前置物镜包括：聚光物镜、光阑与准直物镜；所述聚光物镜收集被测材质的散射辐射，并对被测材质成像；光阑设置在聚光物镜的成像面位置，则通过光阑的红外辐射均来自与样品面同一区域；准直物镜的物方焦面与光阑重合，实现对入射光辐射的准直；

所述分束器为多路分光棱镜，其包括如下两种结构：a、多路分光棱镜由两个小直角棱镜和一个大直角棱镜胶合制成，胶合面镀分束膜，光辐射按箭头方向传播，棱镜的入射和出射面镀增透膜；b、多路分光棱镜由两个立方分光棱镜经胶合级联在一起，实现三路分束效果；上述两种结构均包含两个分束膜，分束比分别为1：2和1：1，使得三路出射光能量一致；

所述窄带红外探测器包括：干涉滤光片、聚焦透镜与单元探测器；干涉滤光片的透过波长与识别波长一致，经分束后出射的平行红外辐射被滤光片过滤获得的窄带单色光辐射，由聚焦透镜汇聚在单元探测器的光敏面上，转换为电信号并加以测量；窄带红外探测器的测量结果为被测材质在三个识别波长的散射辐射强度，基于宽带红外光源的光谱特性和窄带红外探测器的响应特性标定后即可换算为光谱反射率。

3.根据权利要求1所述的一种塑料废弃物中目标材质识别方法，其特征在于，选取特征吸收峰，并从特征吸收峰中选定多个识别波长包括：

若目标材质的光谱反射率仅有一个吸收峰，则将该吸收峰作为特征吸收峰；

若存在多个吸收峰，则选择反射率最低的吸收峰为特征吸收峰；若各吸收峰反射率差异在规定范围内，则选择峰值波长最长的吸收峰作为特征吸收峰；

从特征吸收峰中选定三个识别波长，分别为：吸收峰的峰值波长，记为λ₁；吸收峰的峰值波长左侧线性段起始点，记为λ₂；吸收峰的峰值波长右侧线性段终止点，记为λ₃。

4.根据权利要求3所述的一种塑料废弃物中目标材质识别方法，其特征在于，建立识别模型的步骤包括：

包含目标材质的混合塑料废弃物中除目标材质外的其它材质为背景材质；

背景材质测定与分类：分别测定各个背景材质的光谱反射率，对于每种背景材质，在选定的识别波长λ₂至λ₃限定的光谱范围内，根据其吸收特性分为Ⅰ、Ⅱ两类：Ⅰ、不存在峰值吸收波长，则对应材质的光谱曲线在λ₂至λ₃区域内不存在反射率的极小值点；Ⅱ、存在峰值吸收波长，则对应材质的光谱曲线在λ₂至λ₃区域内存在反射率极小值点；

提取识别特征：在选定的三个识别波长点λ₁、λ₂、λ₃，目标材质的光谱反射率分别记为R_a、R_b、R_c，则基于R_a、R_b、R_c的相对关系来实现目标材质与背景材质的区分；具体如下：

a、对于目标材质，由于选定识别波长λ₁为峰值吸收波长，则光谱反射率必然存在如下大小关系：R_a＜R_b且R_a<R_c；上述特征反映了背景材料是否存在特征吸收峰，能够用于区分目标与第Ⅰ类背景材质；

b、对于在λ₂至λ₃区域内存在吸收峰的第Ⅱ类背景材质，由于与目标材质化学结构不同，其吸收峰形状与目标材质的特征吸收峰存在固有的差异；采用下式所示的形状因子K描述材料吸收峰的形状特征：

$K=(\frac{R_b}{R_a}-1)/(\frac{R_c}{R_a}-1);$

分别计算目标材料和每一种第Ⅱ类背景材质计算形状因子，目标材料的形状因子记为K^T，第i种第Ⅱ类背景材质的形状因子记为

根据目标材料的形状因子与所有第Ⅱ类背景材质的形状因子之间的差异来计算阈值t，该阈值t作为区分目标材质和第Ⅱ类背景材质的判据，计算公式如下：

$t=\frac{1}{M}min\left(\right|K_i^B-K^T\left|\right),i=1,...,n,M\&gt;1;$

其中，n为第Ⅱ类背景材质的种类数，M为阈值调整参数。

5.根据权利要求4所述的一种塑料废弃物中目标材质识别方法，其特征在于，所述将测量到的每一材质在选定的多个识别波长处的光谱反射率与建立的识别模型相结合，从而识别出目标材质包括：

依次判断测量到的每一材质在选定的三个识别波长处的光谱反射率是否满足如下条件：R_a＜R_b、R_a<R_c且|K-K^T|＜t；若是，则识别对应的材质为目标材质；若某一条件不满足，则确定对应的材质为非目标材质，终止识别过程，并对下一材质的光谱反射率进行判断。

6.一种塑料废弃物中目标材质识别装置，其特征在于，包括：

识别波长选定单元，用于测定目标材质的光谱反射率，从中选取特征吸收峰，并从特征吸收峰中选定多个识别波长；

识别模型建立单元，用于测定包含目标材质的混合塑料废弃物的光谱反射率，并根据目标材质特征吸收峰中选定的多个识别波长，与其他的背景材质光谱反射率的差异性来建立识别模型；

目标材质识别单元，用于当从未知的塑料废弃物中识别目标材质时，将测量到的每一材质在选定的多个识别波长处的光谱反射率与建立的识别模型相结合，从而识别出目标材质。

7.根据权利要求6所述的一种塑料废弃物中目标材质识别装置，其特征在于，通过测量装置测量各种材质的光谱反射率；该测量装置包括：

宽带红外光源、前置物镜、分束器、多路窄带红外探测器；其中，宽带红外光源照明方向与测量装置观察方向呈一定的夹角安置，宽带红外光源出射的红外光辐射照射被测材质表面，经被测材质吸收后向上方散射；前置物镜物方焦点与被测材质表面重合，收集被测材质散射的红外辐射并准直为平行光；平行的红外辐射经分束器按等能量比例分割为三路光辐射信号；多路窄带红外探测器基于干涉滤光片实现光谱滤波，多路探测器分别对应多个识别波长，测量被测材质的辐射强度，再基于宽带红外光源的光谱特性和窄带红外探测器的响应特性标定后即可换算为光谱反射率；

所述前置物镜包括：聚光物镜、光阑与准直物镜；所述聚光物镜收集被测材质的散射辐射，并对被测材质成像；光阑设置在聚光物镜的成像面位置，则通过光阑的红外辐射均来自与样品面同一区域；准直物镜的物方焦面与光阑重合，实现对入射光辐射的准直；

所述分束器为多路分光棱镜，其包括如下两种结构：a、多路分光棱镜由两个小直角棱镜和一个大直角棱镜胶合制成，胶合面镀分束膜，光辐射按箭头方向传播，棱镜的入射和出射面镀增透膜；b、多路分光棱镜由两个立方分光棱镜经胶合级联在一起，实现三路分束效果；上述两种结构均包含两个分束膜，分束比分别为1：2和1：1，使得三路出射光能量一致；

所述窄带红外探测器包括：干涉滤光片、聚焦透镜与单元探测器；干涉滤光片的透过波长与识别波长一致，经分束后出射的平行红外辐射被滤光片过滤获得的窄带单色光辐射，由聚焦透镜汇聚在单元探测器的光敏面上，转换为电信号并加以测量；窄带红外探测器的测量结果为被测材质在三个识别波长的散射辐射强度，基于宽带红外光源的光谱特性和窄带红外探测器的响应特性标定后即可换算为光谱反射率。

8.根据权利要求6所述的一种塑料废弃物中目标材质识别装置，其特征在于，选取特征吸收峰，并从特征吸收峰中选定多个识别波长包括：

若目标材质的光谱反射率仅有一个吸收峰，则将该吸收峰作为特征吸收峰；

若存在多个吸收峰，则选择反射率最低的吸收峰为特征吸收峰；若各吸收峰反射率差异在规定范围内，则选择峰值波长最长的吸收峰作为特征吸收峰；

从特征吸收峰中选定三个识别波长，分别为：吸收峰的峰值波长，记为λ₁；吸收峰的峰值波长左侧线性段起始点，记为λ₂；吸收峰的峰值波长右侧线性段终止点，记为λ₃。

9.根据权利要求8所述的一种塑料废弃物中目标材质识别装置，其特征在于，建立识别模型的步骤包括：

包含目标材质的混合塑料废弃物中除目标材质外的其它材质为背景材质；

背景材质测定与分类：分别测定各个背景材质的光谱反射率，对于每种背景材质，在选定的识别波长λ₂至λ₃限定的光谱范围内，根据其吸收特性分为Ⅰ、Ⅱ两类：Ⅰ、不存在峰值吸收波长，则对应材质的光谱曲线在λ₂至λ₃区域内不存在反射率的极小值点；Ⅱ、存在峰值吸收波长，则对应材质的光谱曲线在λ₂至λ₃区域内存在反射率极小值点；

提取识别特征：在选定的三个识别波长点λ₁、λ₂、λ₃，目标材质的光谱反射率分别记为R_a、R_b、R_c，则基于R_a、R_b、R_c的相对关系来实现目标材质与背景材质的区分；具体如下：

a、对于目标材质，由于选定识别波长λ₁为峰值吸收波长，则光谱反射率必然存在如下大小关系：R_a＜R_b且R_a<R_c；上述特征反映了背景材料是否存在特征吸收峰，能够用于区分目标与第Ⅰ类背景材质；

b、对于在λ₂至λ₃区域内存在吸收峰的第Ⅱ类背景材质，由于与目标材质化学结构不同，其吸收峰形状与目标材质的特征吸收峰存在固有的差异；采用下式所示的形状因子K描述材料吸收峰的形状特征：

$K=(\frac{I_b}{I_a}-1)/(\frac{I_c}{I_a}-1);$

分别计算目标材料和每一种第Ⅱ类背景材质计算形状因子，目标材料的形状因子记为K^T，第i种第Ⅱ类背景材质的形状因子记为

根据目标材料的形状因子与所有第Ⅱ类背景材质的形状因子之间的差异来计算阈值t，该阈值t作为区分目标材质和第Ⅱ类背景材质的判据，计算公式如下：

$t=\frac{1}{M}min\left(\right|K_i^B-K^T\left|\right),i=1,...,n,M\&gt;1;$

其中，n为第Ⅱ类背景材质的种类数，M为阈值调整参数。

10.根据权利要求9所述的一种塑料废弃物中目标材质识别装置，其特征在于，所述将测量到的每一材质在选定的多个识别波长处的光谱反射率与建立的识别模型相结合，从而识别出目标材质包括：

依次判断测量到的每一材质在选定的三个识别波长处的光谱反射率是否满足如下条件：R_a＜R_b、R_a<R_c且|K-K^T|＜t；若是，则识别对应的材质为目标材质；若某一条件不满足，则确定对应的材质为非目标材质，终止识别过程，并对下一材质的光谱反射率进行判断。