一种纸币清分超声检测装置及方法与流程

本发明涉及超声波检测领域，尤其涉及一种纸币清分超声检测装置及方法。

背景技术：

随着我国国民经济的发展，市场上纸币现金流通量不断增长，流通中纸币残损占比大，对纸币挑剔、分版在各家商业银行都是个相当困难的问题。大多数金融机构的现钞整点挑剔工作仍然依靠繁重的手工操作进行，导致劳动强度大、时间长，还存在劳动卫生条件差的问题。同时，各商业银行每天要给为数不少的atm配钞，并按照中国人民银行流通券达到七成新的要求上缴入库损伤券和完整券，仅仅依靠手工操作很难实现。

纸币清分过程对纸币残缺、破损、孔洞以及粘贴各种胶带纸的多种状态予以准确识别与判定，是纸币清分技术中至关重要的一项技术指标。

上世纪70年代德国的g&d公司制造出世界上第一台现金清分机，将金融机具的研发引向智能化的方向。英国得利来、日本光荣公司也随之研究开发出自己的清分机。在国内，从二十世纪九十年代开始，由于我国国民经济进入高速发展阶段，市场上纸币现金流量持续增长，银行业对高科技自动化的需求不断提升，智能化的现金清分机已成为处理大量现金的必备工具。

纸币清分机是提高银行业务效率的一种有效工具，作为一种具有高科技含量的现金处理设备，其综合运用了电子计算机技术、模式识别技术、鉴伪技术、系统控制技术以及精密机械制造技术、实现以智能化机械代替人工对纸币进行清分处理的目标，正越来越广泛地应用于我国的金融领域。

现有的超声纸币清分系统，采用非接触空气超声方案，16个(或多或少于16个)发射换能器发射超声信号，通过不同位置的接收换能器接收到的信号强度区分无纸币、1张纸币和多张纸币及纸币有胶带状态，其整体结构如图1所示。

采用超声波传感装置进行判别，根据超声波信号透射原理，将采集到的纸币厚度转换为超声波接收电压信号，经过放大、滤波等技术达到提高信号信噪比的目的，最后由微处理器采样，根据超声波辐射功率进行数据信息处理，其整体结构如图2所示。

为了更加清楚地描述该装置，首先描述单个换能器的检测工作过程。如图3所示，整体装置包括发射电路板12、发射换能器3、超声波发射槽板11、纸币通道10、超声波接收槽板9、接收换能器4和接收电路板8。

发射换能器实际是利用压电晶体的谐振状态进行工作的。当它的两极外加信号，其频率等于压电片的固有振荡频率时，压电晶片就会发生共振，产生超声信号。

超声波会按照一定的角度向正前方辐射，声波辐射角度示意如图4所示。

超声由发射换能器产生，在空间中辐射，超声能量一部分被纸币反射，一部分被纸币吸收，一部分穿透纸币继续向前传播，穿透纸币的超声波再传播到接收换能器上。16个接收换能器正对着发射换能器放置，每路接收换能器把超声信号转化成电信号，电信号依次经过前置放大电路、滤波电路等后，通过采集进入微处理器进行处理，然后对各路数据进行处理，判断出纸币是否粘了胶带纸，最后把判定的数据送到清分机主控处理器。

但是，在实际的清分机超声检测系统中，存在以下问题：

1、功率不足。首先，空气对高频段超声波的高吸收损耗，超声在空气中的声压衰减系数β与频率f的平方成正比，因此对于较高频率的超声波来说，在空气中传播会迅速衰减，比如500khz的空气中传播的超声来说，其衰减系数为40db/m；其次，空气(声阻抗z＝420rayl)/固体(声阻抗z>10mrayl)界面处的巨大声阻抗差造成的声波能量反射损失，在一发一收式或自发自收式的超声检测中，从声波激励端到最终接收需要经过4个气/固界面或4个固/气界面，比如在空气/铝界面，发收之间由于阻抗失配所达到的插入损失达到140db。另外，如果纸币在换能器之间略微抖动，则引起信号较大变化。如果能够提高超声信号的有效功率，则有助于减少超声检测的复杂度。

2、相邻通道存在干扰。如图5所示，相邻通道的辐射场存在交叉问题，需要增加换能器的间距，减少交叉干扰。目前的技术有两种方法可以减少干扰：第一种，通过设置相邻通道不同时工作，例如，隔2-3个换能器同时工作，然后相邻通道交替工作，降低整体的检测速度，从而达到减少相邻通道的相互干扰。另外一种，增加相邻通道的间距，但是牺牲了清分机对于纸币的覆盖率，损失了可靠性。从这两个方面出发，都无法达到高效检测纸币的目的。

技术实现要素：

本发明提供了一种纸币清分超声检测装置及方法，目的是为了减少超声检测的复杂度及相邻通道的干扰，实现高效检测纸币。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种纸币清分超声检测装置，所述装置包括：

一主控模块，包括一判断模块，与驱动模块及信号匹配滤波模块连接，用于控制不同通道的信号发射及接收、匹配滤波及通道工作状态；

一驱动模块，与主控模块连接，用于驱动多个发射换能器；

多个发射换能器，与驱动模块连接，用于对经驱动模块功率放大后的信号进行转换，并将所述信号转换为超声信号并发射；

多个接收换能器，相应设置于多个发射换能器一侧，用于接收多个发射换能器发射的穿透纸币的超声信号，并将超声信号转换为电信号；

一放大调理模块，与多个接收换能器连接，用于对各通道接收换能器接收的电信号进行放大和调理以提高电信号的信噪比；

一模数转换模块，用于将信号放大调理模块发出的模拟信号转换为数字信号；

一匹配滤波模块，与信号放大调理模块连接，用于将转换后的数字信号发送至主控模块中，通过主控模块对各通道的数字信号进行匹配滤波操作。

进一步地，多个发射换能器并列排布，分布在纸币的不同区域。

进一步地，多个发射换能器按照纸币的宽度方向分布。

进一步地，多个发射换能器按照纸币的长度方向分布。

进一步地，多个接收换能器并列排布，分布在纸币的不同区域。

进一步地，多个接收换能器按照纸币的宽度方向分布。

进一步地，多个接收换能器按照纸币的长度方向分布。

进一步地，发射换能器与接收换能器的数量相等。

进一步地，主控模块为一微处理器。

第二方面，本发明还提供了一种纸币清分超声检测的方法，所述方法包括以下步骤：

s1：计算不同通道上的不同宽度的正负驱动数字信号，采用所述数字信号驱动驱动模块，并通过驱动模块得到不同宽度的正负高压信号以驱动多个发射换能器；

s2：将经驱动模块功率放大后的信号转换为超声信号并通过多个发射换能器发射；

s3：通过多个与发射换能器相应设置的接收换能器接收发射换能器发射的穿透纸币的超声信号，并将超声信号转换为电信号；

s4：对各通道接收换能器接收后的电信号，根据所述接收换能器的带宽特点，对电信号进行放大和调理以提高电信号的信噪比；

s5：对放大和调理后的信号进行模数转换后，将所述信号发送至主控模块中，通过所述主控模块，采用匹配信号对各通道的数字信号进行匹配滤波操作；

s6：对各通道匹配滤波后的信号进行包络处理，并对各通道包络处理后的信号进行电压判决处理，判断纸币局部的状态。

优选地，计算正负驱动数字信号具体步骤为：

(1)计算正负调频信号，计算公式如下：

其中，fc为载波频率，是接收换能器的中心频点，b为信噪比为-40db时接收换能器的带宽，上下频率点分别为fc-b/2和fc+b/2，信号时间长度t＝40/fc，调频斜率为k＝b/t，s1(t)为正调频调制信号，s2(t)为负调频调制信号，为矩形信号，

(2)对正负调频信号进行二值化，得到不同宽度的正负驱动数字信号。

优选地，对各通道匹配滤波后的信号进行包络处理的方法为采用绝对值解调检波或hilbert变换解调。

优选地，通过主控模块对各通道的超声信号进行匹配滤波的具体步骤包括：测量单个接收换能器的频率响应，根据测量的接收换能器的频率响应和模拟数字转换的频率，反演接收换能器离散脉冲响应，匹配滤波模块为发射信号与离散脉冲响应的卷积。

本发明提供的纸币清分超声检测装置及方法，通过采用多个发射换能器，相邻通道的发射换能器发射的信号能够满足正调频调制和负调频调制交替使用。本发明能够带来以下两点重要的益处：

1、交替使用正调频调制和负调频调制作为发射信号，当接收信号进行匹配滤波时，相邻通道的负调频调制信号与正调频调制信号的相关性非常小，而正调频调制信号的相关很大，从而可以使得相互干扰最小。

2、高频超声信号在空气中传播十分微弱，发射换能器发射的信号带宽较窄。采用调频调制发射信号，可以增加发射换能器的带宽利用率，提高了信噪比和信干比，增强了系统的抗干扰能力。

本发明提供的纸币清分超声检测装置及方法采用正负调频调制信号同时发射的方式，将其应用于超声清分系统，解决了现有装置存在的信号功率不足及相邻通道存在干扰而导致检测纸币效率低的问题，大幅度提高了纸币检测效率，特别适用于需要高速检测纸币的场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超声纸币清分系统示意图；

图2为超声纸币清分系统的电子系统整体结构图；

图3为发射/接收结构姿态在清分机中的侧视示意图；

图4为单个超声波发射/接收角度示意图；

图5为超声纸币清分系统中相邻通道示意图；

图6为本发明实施例提供的纸币清分超声检测装置结构图；

图7为单个阵元的发射信号波形示意图；

图8为单个阵元发射接收匹配波形示意图；

图9为相邻通道发射信号波形设计示意图，其中，图9(a)、9(b)分别为相邻通道发射的正负调频调制信号波形设计示意图；

图10为相邻通道发射信号的时频特征示意图；

图11为阵元a和b同时发射的时域信号波形示意图，其中，图11(a)、11(b)、11(c)分别为a通道在没有纸币、有纸币和胶带纸币的时域信号波形示意图；

图12为阵元a和b同时发射的时频信号示意图，其中，图12(a)、12(b)、12(c)分别为a通道在没有纸币、有纸币和胶带纸币的时频信号示意图；

图13为阵元a和b同时发射的处理后信号示意图，其中，图13(a)、13(b)、13(c)分别为a通道在没有纸币、有纸币和胶带纸币的处理后信号示意图；

图14为本发明实施例提供的纸币清分超声检测方法流程图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图14是本发明实施例提供的纸币清分超声检测方法流程图，如图14所示，本发明提供的纸币清分超声检测方法包括以下步骤：

s1：计算出不同通道上的不同宽度的正负驱动数字信号，采用所述数字信号驱动驱动模块2，并通过驱动模块2得到不同宽度的正负高压信号以驱动多个发射换能器3；

其中，计算正负驱动数字信号的具体步骤为：

首先，假设使用的接收换能器频带特点为：中心频点为fc，对于该应用，选择频率范围为100khz至500khz。在应用中发现在信噪比为-40db时，接收换能器的带宽更加有效，带宽记为b，约为100khz-200khz，则上下频率点分别为fc-b/2和fc+b/2。使用信号时间长度t＝40/fc，调频斜率k＝b/t。

计算正负调频信号，计算公式如下：

其中，s1(t)为正调频调制信号，s2(t)为负调频调制信号，为矩形信号，

然后，对正负调频信号进行二值化，得到不同宽度的正负驱动数字信号。

s2：将经驱动模块2功率放大后的信号转换为超声信号并通过多个发射换能器3发射；

s3：通过多个与发射换能器3相应设置的接收换能器4接收发射换能器3发射的穿透纸币的超声信号，并将其转换为电信号；

s4：对各通道接收换能器接收4后的超声信号，根据发射换能器3的带宽特点，对超声信号进行放大和调理以提高超声信号的信噪比；

s5：对放大和调理后的信号进行模数转换后，将所述信号发送至主控模块中，通过主控模块1，采用匹配信号对各通道的超声信号进行匹配滤波操作；

s6：对各通道匹配滤波后的信号，采用绝对值解调检波或hilbert变换解调进行包络处理，并对各通道包络处理后的信号进行电压判决处理，判断纸币局部的状态。

图6为本发明实施例提供的纸币清分超声检测装置结构图，如图6所示，本发明提供的纸币清分超声检测装置包括：

一主控模块1，包括一判断模块，与驱动模块2及匹配滤波模块7连接，用于控制不同通道的信号发射及接收、匹配滤波及通道工作状态；

其中，主控模块1为一微处理器，也可以为其他具有相同功能的器件。判断模块采用绝对值解调检波或hilbert变换解调进行包络处理，并对各通道包络处理后的信号进行电压判决处理，判断纸币局部的状态。

一驱动模块2，与主控模块1连接，用于驱动多个发射换能器3；

多个发射换能器3，与驱动模块2连接，用于对经驱动模块2功率放大后的信号进行转换，并将所述信号转换为超声信号并发射；

其中，多个发射换能器3按照纸币的宽度方向或长度方向并列排布，分布在纸币的不同区域。

多个接收换能器4，相应设置于多个所述发射换能器3一侧，，用于接收多个发射换能器3发射的穿透纸币的超声信号，并将超声信号转换为电信号；

其中，多个接收换能器4按照纸币的宽度方向或长度方向并列排布，分布在纸币的不同区域且与接收换能器4的数量相等。

一放大调理模块5，与多个接收换能器4连接，用于对各通道接收换能器4接收的电信号进行放大和调理以提高超声信号的信噪比；

一模数转换模块6，用于将放大调理模块发出的模拟信号转换为数字信号；

一匹配滤波模块7，与放大调理模块5连接，用于将转换后的数字信号发送至主控模块1中，通过主控模块1对各通道的超声信号进行匹配滤波操作；

如附图8(b)所示，为单个接收换能器4经过发射和接收匹配处理后的波形示意图。单个发射换能器3发射，然后相对应的接收换能器4接收，并且采用匹配滤波对信号进行处理。

其中，采用匹配滤波模块7对信号进行处理的具体方法如下：

测量单个接收换能器4的频率响应；

2、根据测量的接收换能器4的频率响应和模拟数字转换的频率，反演接收换能器4离散脉冲响应；

匹配滤波模块7为发射信号与离散脉冲响应的卷积。

如图9所示，为相邻通道发射信号波形设计示意图。第一个阵元发射正调频调制信号，第二个阵元发射负调频调制信号，依次往后，第3个阵元又采用正调频调制信号。以16阵元为例，包括8个正调频调制信号和8个负调频调制信号。

通过时频分析，观察调频正调制信号和负调频调制信号的时间频率。从而得到信号特征。两者在时频面上是互相交叉的。

为了更加清楚地描述本发明实施例所采用的方法，下面采用模拟仿真数据对其进行检测的方式，用于证明本发明实施例所采用方法的正确性和有效性。

采用模拟计算仿真本发明实施例的性能。假设相邻通道为a和b，对应的2个发射换能器3分别为a_t和b_t，对应的接收换能器4为a_r和b_r。为了计算简单，假设b_t到达a_r的信号相对于b_r衰减-6db。假设通过纸张后信号衰减为-40db。透过粘有胶带的超声信号衰减-60db。所有假设都为了近似实际，且计算简单。

首先计算a阵元和b阵元发射，a通道接收换能器4接收到不同状态的信号，包括在没有纸币、一张纸币和胶带纸币状态。如附图11所示，为三种状态的信号。从图中可以看出，没无纸币可以完全区分，但是有纸币和有胶带却可能由于纸币的位置变化，改变信号相位，导致a、b通道信号起伏，区分度大致为6db,如果实际系统加入噪声，两种情况下的信号的区分度更小。

为了更加清楚观察信号特征，如图13所示，为三种情况下的信号的时频结果。从图中可以看出，在没有纸币情况下，信号是一个正调频调制；在有纸币和胶带情况，信号则比较复杂，仅有纸币时，接收信号中正调频调制占主要，但是在纸币上带有胶带的情况下，则接收信号中负调频调制占主要，信号通过幅度检测容易受到干扰，利用信号的该项特征进行区分。

采用时频匹配处理后，在中心点取信号包络，并且取信号的最大值，就可以得到信号的检测结果，按照图13的结果，没有纸币的为10.2，纸币为0.1063，胶带为0.016。纸币和胶带信号差别至少5倍以上，约为14db，相对于原始的6db，系统抗干扰能力得到了提高。

本发明提供的纸币清分超声检测装置及方法，采用正负调频调制信号同时发射的方式，将其应用于超声清分系统，解决了现有装置存在的信号功率不足及相邻通道存在干扰而导致检测纸币效率低的问题，大幅度提高了纸币检测效率，特别适用于需要高速纸币的检测场景。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。