СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЗАЩИТНОЙ МЕТКИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ЛЮМИНОФОР
METHOD OF IDENTIFYING PROTECTIVE LABEL CONTAINING LUMINOPHORE

Изобретение относится к способам контроля подлинности объектов, на которые нанесена защитная метка, содержащая люминофор. Такими объектами обычно являются материальные носители информации, при использовании которых важно убедиться в подлинности их происхождения. В качестве примеров можно привести банкноты, ценные бумаги, удостоверения личности, а также пластиковые банковские карточки. Защитная метка обладает уникальностью и не может быть воспроизведена без дорогостоящего оборудования, специальных материалов и технологий. Все это защищает объект от возможности подделки.
Люминофоры широко применяются при изготовлении защитных меток. Для проверки подлинности люминофор возбуждают каким-либо физическим воздействием, например, облучают электромагнитным излучением, лежащим в инфракрасном, видимом либо ультрафиолетовом диапазоне. Люминофор, содержащийся в метке, при переходе из возбужденного состояния в невозбужденное излучает энергию на длине электромагнитного излучения, отличающейся от длины волны возбуждающего воздействия. Это излучение регистрируется визуально либо специальной аппаратурой. Характеристики излучения, такие как цвет либо длина волны, специфичны для определенного типа люминофора и позволяют проверить подлинность метки по совпадению этих характеристик с известными характеристиками излучения подлинной метки. Подобные метки широко используются. Например, защитные метки на банкнотах Евро светятся различными цветами при облучении банкноты ультрафиолетовым излучением в диапазоне 365 нанометров. Аналогичным образом ведет себя защитная метка на банковских карточках системы Visa. Защитные волокна на банкнотах долларов США испускают инфракрасное излучение при интенсивном облучении сине-зеленым светом. Определенные участки российских рублей светятся зеленым светом при облучении интенсивным инфракрасным излучением диапазона 950 нанометров.
Излучение люминофоров в сравнении с возбуждающим излучением, может иметь как большую, так и меньшую длину волны. Наиболее распространены люминофоры, излучающие на большей длине волны в сравнении с возбуждающим их излучением. Такие люминофоры называются стоксовскими и применяются, в частности, на уже упомянутых банкнотах Евро, карточках Visa и банкнотах долларов США. Менее распространены так называемые антистоксовские люминофоры, которые излучают на более короткой длине волны в сравнении с возбуждающим излучением. Например, описанная выше метка с антистоксовским люминофором излучает видимый зеленый свет на длине волны около 530 нм, что почти в 2 раза короче, чем длина волны возбуждающего инфракрасного излучения. Большинство известных антистоксовских люминофоров являются редкоземельными кристаллическими веществами сложного состава, содержащими, по меньшей мере, два вида легирующих атомов редкоземельных элементов. Антистоксовские люминофоры традиционно считаются лучшей защитой от подделки в сравнении со стоксовскими люминофорами. Это объясняется большей уникальностью ингредиентов и технологий и сложностью их изготовления. Эти ингредиенты и технологии доступны в небольшом количестве хорошо известных организаций. Тем не менее, антистоксовские люминофоры можно приобрести на открытом рынке, что оставляет возможность изготовления имитаций защитных меток.
Простейшим способом контроля антистоксовской метки является визуальный контроль цвета ее свечения. Изготовители фальшивых меток стараются, в первую очередь, добиться сходства по спектральным характеристикам излучения люминесценции, чтобы фальшивую метку было бы невозможно отличить визуально от подлинной. Эта задача, в определенной мере, облегчается тем, что для наиболее популярного цвета свечения - зеленого - существует множество различных антистоксовских люминофоров с минимальными спектральными различиями. Таким образом, изготовитель подделки имеет достаточно широкую возможность замены одного ингредиента метки на другой. Контроль одних лишь спектральных характеристик антистоксовского люминофора не позволяет надежно выявить подделки подобного рода.
Каждый люминофор характеризуется определенной кривой послесвечения, то есть зависимостью интенсивности излучения люминофора от времени с момента завершения воздействия возбуждающего фактора. Излучение люминофора спадает по кривой, которую обычно аппроксимируют экспоненциальной, биэкспоненциальной или степенной зависимостью. Для антистоксовских люминофоров характерны длительные времена послесвечения в диапазоне от десятков микросекунд до единиц и десятков миллисекунд. Очень часто два различных антистоксовских люминофора обладают близкими характеристиками по длинам волн как возбуждающего излучения, так и излучению люминесценции. Поэтому метки с такими люминофорами практически невозможно отличить друг от друга визуальным способом и даже классической спектрометрией. Однако измерение характеристик послесвечения позволяет с легкостью различить два люминофора. Это дает возможность обнаружить подделку в таких случаях, когда для изготовления поддельной защитной метки использовался более доступный люминофор, не отличающийся от оригинального по спектрометрическим характеристикам люминесценции.
Весьма эффективным методом защиты является изготовление защитной метки из смеси различных люминофоров, обладающих различными характеристиками послесвечения. Процентный состав такой смеси определяет уникальную результирующую кривую послесвечения, которая может быть использована в качестве отличительного признака подлинной метки. Поскольку составляющие компоненты и процентный состав смеси люминофоров известны только изготовителю метки, то вероятность изготовления идентичной поддельной метки очень низка.
Известна группа изобретений в соответствии с патентом США US 7067824 (опубл. 27.06.2006, МПК F21V 9/16), в котором для идентификации метки ее возбуждают импульсом от источника возбуждения и через определенные интервалы измеряют интенсивность ее излучения. Полученную таким образом зависимость интенсивности излучения от времени нормализуют и сравнивают с эталонной зависимостью, присущей подлинной защитной метке. Этот способ позволяет определить подлинность люминофора или смеси люминофоров, применяемых в защитной метке. Недостатком известного способа являются высокие требования к измерительной аппаратуре, которая требуется для достижения высокой достоверности результата. Дело в том, что кривая зависимости интенсивности излучения люминофора круто спадает во времени. Поэтому для уверенного определения подлинности нужно с достаточно малой относительной погрешностью измерять как высокий уровень излучения сразу по завершении возбуждающего импульса, так и низкий уровень излучения по прошествии существенного времени. Таким образом, измеритель интенсивности должен иметь широкий динамический диапазон измеряемой величины, в котором сохраняется приемлемая относительная точность измерения. В противном случае ход кривой в области времен, удаленной от момента завершения возбуждающего импульса, будет измерен с высокой погрешностью, что не позволит использовать эту область кривой для показательного сравнения с эталоном. Поэтому для получения достоверного заключения о подлинности в известном способе требуется применять сложный и дорогостоящий измеритель интенсивности. При использовании более простого измерителя с более узким динамическим диапазоном заключение о подлинности оказывается недостаточно достоверным. Все это определяет область применения известного метода, главным образом, для исследований экспертного класса, проводимых в ограниченном количестве исследовательских центров.
Существенную помеху для устройств идентификации, опирающихся на контроль послесвечения, создает попадание постороннего излучения на фотодетектор, называемое внешней засветкой. Особенно сильно помеха влияет на измерение слабого уровня послесвечения в моменты времени, далеко отстоящие от завершения возбуждающего импульса. Внешняя засветка, чаще всего, является постоянной либо изменяется по периодическому закону. Постоянную засветку создает проникновение солнечной радиации, а также излучение других источников света, применяемых в системе для обработки объектов с защитными метками. Светильники в рабочих помещениях являются мощными источниками засветки, изменяющейся по периодическому закону синхронно с переменным напряжением промышленной электрической сети. Частота такой засветки обычно равна или кратна частоте промышленной сети. Например, в России это частота 50 Гц (для энергосберегающих ламп) и ее гармоники: 100 Гц (люминесцентные лампы и лампы накаливания) и 300 Гц (люминесцентные лампы в трехфазном включении). Внешняя засветка в том или ином виде присутствует в большинстве возможных конструкций устройств идентификации. Уровень внешней засветки наиболее высок в устройствах для массового применения, в которых специальные конструктивные меры по защите от внешних засветок экономически нецелесообразны.
Известно детекторное устройство, описанное в международной заявке WO 02/071347 (опубл. 12.09.2002, МПК G07D 7/12), в соответствии со способом работы которого, во время возбуждения и послесвечения люминофора, проводят серию измерений испускаемого им излучения. Для исключения влияния внешней засветки вычитают результаты одного измерения в серии из другого и используют полученное значение для характеризации люминофора. Этот способ, действительно, позволяет исключить влияние постоянной внешней засветки, но не может компенсировать влияние периодической засветки. Кроме того, известное техническое решение не предполагает какой-либо компенсации изменений уровня излучения люминесценции, которые характерны для различных экземпляров одной и той же метки. Различия в уровне излучения вызываются износом и загрязнением метки, а также технологическим разбросом при их производстве. Отсутствие компенсации этого разброса снижает надежность идентификации.
Способ определения подлинности метки, описанный в патенте US 7067824, выбран в качестве ближайшего аналога.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения подлинности меток. Задачей, решаемой заявленным техническим решением, является проведение достоверной проверки защитной метки с помощью доступного измерительного оборудования.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в способе идентификации защитной метки, содержащей люминофор, обладающий послесвечением, выполняется следующая последовательность действий: оказывают возбуждающее воздействие, направленное на возбуждение люминофора, содержащегося в метке, проводят серию измерений энергии, излученной защитной меткой, при этом в каждом измерении при помощи фотодетектора накопительного типа измеряют количество энергии, излученной в течение интервала времени, задаваемого индивидуально для каждого измерения, так что, по мере проведения серии измерений хотя бы для части измерений соответствующие им заданные интервалы увеличиваются, затем создают вектор признаков метки, отдельные компоненты которого вычисляют как функции, каждая из которых зависит от результатов, по меньшей мере, двух измерений энергии в серии, и на основе полученного вектора признаков проводят распознавание метки, в результате распознавания делают вывод о принадлежности метки к одному из заранее определенных классов либо о том, что метка не принадлежит ни к одному из таких классов.
Функции для вычисления компонентов вектора признаков могут быть выбраны таким образом, что их значение не изменяется при одновременном изменении значения всех результатов измерения в серии в одно и то же число раз.
При этом в дополнение к основной серии измерений может быть проведена дополнительная серия измерений энергии, при этом каждому измерению основной серии соответствует измерение в дополнительной серии, такое, что для соответствующих измерений идентичными являются длительности интервала измерения энергии, а также задержки относительно предыдущего измерения в серии, и прежде создания вектора признаков уменьшают результат каждого измерения в основной серии на величину соответствующего ему результата измерений в дополнительной серии.
Временной сдвиг между началом основной и дополнительной серии измерений может быть равен либо кратен периоду основной частоты излучения внешней засветки, попадающего на защитную метку.
Вдобавок к основной и дополнительной серии измерений могут быть повторены основная и дополнительная серии измерений еще, по меньшей мере, один раз, и при этом учтены результаты повторных серий измерений при вычислении компонентов вектора признаков.
Для учета результатов повторных серий измерений к результатам основной и дополнительной серии, перед их использованием для вычисления компонентов вектора признаков, могут быть прибавлены результаты соответствующих измерений в повторных сериях.
Для абсолютных либо относительных измерений излученной энергии применяются так называемые детекторы накопительного типа, устройство которых хорошо известно специалистам (иногда такие детекторы называют интегрирующими). Отличительной чертой их является то, что в них выходной электрический сигнал изменяется пропорционально энергии излучения, поданного на оптический вход детектора в течение заданного интервала времени. В детекторе накопительного типа под действием излучения происходит накопление определенного физического фактора, например, электрического заряда или тепла. Накопленная величина преобразуется в выходной электрический сигнал детектора.
Одним из видов таких устройств является фотоприемник с зарядовой связью. Другим видом накопительного детектора является фотодиод либо фототранзистор, включенный в схему с измерением заряда. В этих полупроводниковых детекторах электрический заряд, накапливаемый под действием энергии излучения, подается на измерительный конденсатор, являющийся отдельным элементом детектора либо неотъемлемой частью его структуры. Напряжение на этом конденсаторе является выходным напряжением детектора. Еще одним типом подобного фотодетектора является микроболометр, в котором накапливается тепло, преобразуемое в электрическое напряжение при помощи системы терморезисторов. Для накопительных детекторов характерны малые погрешности, возникающие в процессе накопления и преобразования в выходной электрический сигнал. Это обусловлено высокой линейностью и малыми потерями как электрических емкостей, так и тепловых цепей.
Энергия, излученная защитной меткой в течение заданного интервала времени, пропорциональна как длительности этого интервала, так и средней интенсивности излучения. Относительная точность измерения энергии растет по мере роста уровня выходного сигнала. Поэтому, чтобы измерять энергию с высокой точностью, следует выбирать более длительный интервал измерения для тех измерений, в которых ожидается более низкий уровень интенсивности. Длительность временного интервала может быть задана с очень высокой точностью и практически не влияет на точность измерений. За счет этого накопительные детекторы обеспечивают требуемую точность измерения в значительно более широком диапазоне интенсивностей излучения, в сравнении с измерителями интенсивности аналогичной конструкции.
Процесс послесвечения в люминофорах иногда может содержать участок постоянного уровня или даже роста интенсивности, однако он всегда завершается спадом интенсивности во времени. Поэтому для оптимального задания интервалов измерения энергии нужно по мере проведения измерений в серии хотя бы для части измерений обеспечить увеличение соответствующих им интервалов.
Кривая послесвечения подлинной метки хорошо известна, что позволяет выбрать оптимальную длительность интервала времени для каждого измерения. Таким образом, измеритель энергии способен точно регистрировать излучение метки как при высокой его интенсивности в самом начале кривой послесвечения, так и при низкой интенсивности в момент времени, существенно удаленный от окончания возбуждающего воздействия.
В сравнении с прототипом заявленное изобретение не предъявляет высоких требований к динамическому диапазону измерительного устройства. Это устройство может иметь более простую конструкцию, что определяет его низкую стоимость и доступность для массового использования. В то же время за счет возможности проведения множества измерений на протяжении времени, в течение которого интенсивность послесвечения уменьшается на порядки, оказывается возможным достигнуть высокой достоверности определения подлинности защитной метки.
В качестве элемента вектора признаков выбирают функцию, зависящую, по меньшей мере, от результатов двух измерений в серии. Таким образом, становится возможным использовать различия между измерениями в серии в качестве значений, характеризующих метку. Значения, вычисленные таким образом, позволяют исключить влияние многих факторов, искажающих результаты измерений, например, внешней засветки либо загрязнения метки. Вычитание одного результата измерения энергии из другого позволяет исключить влияние постоянной внешней засветки. Деление одного результата измерения на другое позволяет исключить влияние загрязнения метки.
Вектор признаков подается в качестве входных данных для процедуры распознавания. Процедура распознавания выносит заключение о принадлежности метки к одному из заранее известных классов либо о том, что метка не принадлежит ни к одному классу. В прототипе для принятия решения производят сравнение измеренной зависимости интенсивности от времени с эталонной зависимостью. Как известно из теории распознавания, сравнение с эталоном далеко не во всех случаях позволяет надежно определить принадлежность объекта к тому или иному классу. Процедура распознавания, в общем виде, основывается на обучении распознаванию на основе большого количества примеров, относящихся к определенным классам. За счет этого она способна должным образом учесть всевозможные характерные отличия между элементами одного и того же класса. Поэтому процедура распознавания позволяет более точно вынести суждение о принадлежности метки к определенному классу, чем это может быть сделано на основе сравнения с эталоном.
На фиг.1 показана схема устройства, используемого для идентификации. На фиг.2 изображены временные диаграммы изменения напряжений в характерных точках электрической схемы устройства. На фиг.3a показана зависимость интенсивности послесвечения от времени. На фиг.3b показана зависимость измеренной энергии от времени. Для практической реализации способа может быть применено устройство идентификации защитной метки, содержащее лазерный источник возбуждающего излучения и интегрирующий фотодетектор. Лазерный источник возбуждающего излучения представляет собой полупроводниковый лазер 1, излучение которого имеет мощность от 50 до 100 милливатт на длине волны около 980 нм. Излучение лазера фокусируется в малое пятно, располагающееся в том месте, куда при проверке помещается защитная 3 метка. Питание источника возбуждающего излучения включается контроллером 2. Фотодетектор выполнен на фототранзисторе 4, на который при помощи собирающей оптической системы (на рисунке не показана) собирается излучение, испускаемое защитной 3 меткой из точки фокусировки лазерного источника. Фототранзистор 4 включен в типовую схему измерения заряда, содержащую измерительный конденсатор 5, ключ 6 сброса и аналого-цифровой преобразователь 7. Конденсатор 5 включен последовательно с фототранзистором 4, так что заряд на конденсаторе 5 оказывается пропорционален заряду, индуцированному в фототранзисторе 4 падающим на него излучением. Ключ 6 сброса подключен параллельно конденсатору 5 и позволяет обнулить заряд конденсатора перед началом следующего измерения. Напряжение с измерительного конденсатора 5 подается на аналоговый вход Ain аналого-цифрового преобразователя 7. Контроллер 2 вырабатывает сигнал Strobe, управляющий замыканием ключа 6 сброса и запуском аналого-цифрового преобразования в преобразователе 7. Результат преобразования в виде цифрового кода передается с преобразователя 7 на входы ADC0..7 контроллера 2. Контроллер 2 реализует последовательность действий для реализации заявленного способа и сообщает результат идентификации по каналу связи (на рисунке не показан).
Когда измерение энергии не проводится, контроллер 2 поддерживает на линии Strobe постоянно высокий логический уровень. Этот логический уровень удерживает ключ 6 сброса в замкнутом состоянии, за счет чего напряжение на измерительном конденсаторе 5 остается равным 0. Для измерения энергии контроллер 2 переводит линию Strobe в низкий уровень и удерживает ее в этом состоянии в течение заданного интервала времени, после чего возвращает Strobe в высокое состояние. В течение этого интервала времени ключ 6 остается в разомкнутом состоянии, а напряжение на измерительном конденсаторе 5 растет пропорционально заряду, протекшему через фототранзистор 4 с момента начала интервала. Преобразование запускается по фронту логического уровня на линии Strobe. В этот момент, соответствующий завершению заданного интервала измерения энергии, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 фиксирует уровень напряжения на входе Ain, затем производит его оцифровку и выставляет соответствующий цифровой двоичный код на шину ADC0..7. Код с шины ADC0..7 поступает на контроллер 2 для проведения анализа. Заряд, протекший в измерительный конденсатор 5 в течение заданного интервала времени, пропорционален энергии излучения, попавшего за это время на фототранзистор 4. Таким образом, напряжение на входе Ain и соответствующий ему двоичный код на шине ADC0..7 также оказываются пропорциональны энергии излучения.
1
2
N
Для проведения идентификации защитной метки ее размещают в точке фокусировки излучения лазерного источника 1. Процесс идентификации периодически запускается контроллером 2. В момент времени Т0 контроллер 2 включает лазерный источник 1 возбуждающего излучения и в момент времени Т1 выключают его. Люминофор, находящийся в метке 3, возбуждается и по завершении возбуждающего импульса начинает испускать излучение послесвечения. Вслед за этим контроллер 2 проводит серию измерений энергии излучения, испускаемого меткой. В момент Т2 он переводит линию Strobe в низкий уровень. Ключ 6 закрывается и напряжение на конденсаторе 5 начинает расти. В момент времени Т3 контроллер 2 переводит линию Strobe в высокий уровень. По этому перепаду аналого-цифровой преобразователь 7 начинает измерение напряжения, достигнутого на конденсаторе 5 за интервал времени Т2-Т3. По завершении преобразования двоичный код, пропорциональный энергии излучения, считывается контроллером 2. Дальнейшие измерения в серии проводятся аналогичным образом в интервалы Т4-Т5, Т6-Т7, Т8-Т9, Т-10,Т-11. Длительность этих интервалов, а также промежутки между ними задаются заранее определенным образом. В результате измерений получаются значения энергии E, E,…Е, выражаемые в относительных единицах (для определенности, на Фиг.2 показаны 5 измерений в серии).
1
2
N-1
1
2
N
Для составления вектора признаков F вычисляют его компоненты F, F,…F как отношения между текущим и последующим значением энергии в серии: . Вектор признаков может быть использован для отнесения метки к тому или иному известному классу при помощи различных хорошо известных методов теории распознавания, таких как применение персептрона, машины опорных векторов либо радиальных базисных функций. В каждом из этих методов, относящихся к так называемым нейронным сетям, первоначально необходимо получить определенное количество векторов признаков, соответствующих подлинным защитным меткам, для каждого из известных классов. Эти векторы используются для обучения нейронной сети. После проведения обучения, нейронная сеть становится способной в ответ на представленный ей новый вектор F, соответствующий исследуемой метке, сообщить о классе, к которому относится исследуемая метка. Таким образом, перед применением заявленного способа устройство должно быть обучено на определенной выборке подлинных меток каждого из известных классов. Важно отметить, что за счет износа защитных меток и технологических отличий между подлинными метками одного класса, возникающими в процессе изготовления, уровень энергии E, E,…E для всех измерений в серии может уменьшаться либо увеличиваться практически в одно и то же число раз (от метки к метке). Однако при этом отношения  между уровнями энергии в серии, то есть компоненты вектора F, мало изменяются для подлинных меток одного и того же класса. Описанный выбор способа получения вектора признаков за счет малых различий между векторами в пределах одного класса подлинных меток улучшает надежность распознавания.
i
1
2
N
Вообще говоря, при применении такого метода распознавания, как персептрон, вектор признаков может быть составлен из значений F, вычисленных без должной компенсации вышеописанного эффекта однородного изменения энергии E, E,…E в серии. Так как при обучении персептрон строит разделяющие гиперплоскости между классами, то однородное увеличение или уменьшение всех компонентов вектора признаков будет адекватно отрабатываться персептроном, не ухудшая точности распознавания. Вместе с тем, для персептрона свойственен ряд неустранимых недостатков. В частности, персептрон может сделать неверный вывод в том случае, если метка относится к тому классу, которому персептрон не был обучен.
В качестве метода распознавания определенные преимущества имеют такие методы, которые основаны на оценке степени близости между классом и вектором признаков. Для них можно гарантировать уверенное обнаружение метки, не относящейся к тем классам, которым была обучена нейронная сеть. Примером такого метода является метод радиальных базисных функций. Для подобных методов предпочтительным является такой способ получения вектора признаков, на который мало влияет износ меток и технологический разброс в процессе их производства (например, описанный выше). В конкретной реализации нейронная сеть с радиальной базисной функцией в ответ на представленный ей вектор признаков F дает ответ о том, к какому из известных классов относится защитная метка, а также о том, что метка не относится ни к одному из известных классов. Последний ответ выдается, в частности, в случае обнаружения фальшивой метки.
Реализация метода распознавания выполняется чисто алгоритмическим путем в программе, выполняемой контроллером. После завершения распознавания контроллер отправляет его результат по каналу связи. В зависимости от конфигурации системы, в которой используется устройство, этот результат может быть сообщен пользователю либо использован для дальнейшей автоматизированной обработки объектов, содержащих защитную метку.
Следует отметить, что для улучшения достоверности распознавания в вектор признаков могут быть добавлены дополнительные компоненты, не зависящие напрямую от кривой послесвечения и характеризующие иные физические свойства метки. Например, это может быть значение доминантной длины волны излучения метки, определяемое в каком-либо измерении из серии.
1
2
N
Длительность заданных интервалов, в течение которых измеряется энергия послесвечения, выбираются таким образом, чтобы, по возможности, уменьшить относительную погрешность всех измерений в серии. Для этого нужно обеспечить такой уровень значений энергии E, E,…Е, который существенно превосходит уровень абсолютной погрешности детектора. Поскольку уровень интенсивности послесвечения быстро спадает во времени, следует увеличивать длительность интервала измерения по мере движения от начала серии к ее концу. В этом случае значения энергии не будут убывать столь же быстро, как и интенсивность послесвечения. Конкретный выбор закономерности для интервалов измерения зависит от того, какие именно классы меток будут определяться.
На фиг.3a и 3b представлены результаты экспериментальных измерений, проведенных для двух широко распространенных классов защищенных меток, условно обозначенных Метка1 и Метка2. Предполагается, что устройство должно идентифицировать каждую из этих меток, а также выявлять метки, не относящиеся ни к одному из этих классов. Графики построены в экспоненциальной системе координат, поэтому экспоненциальной зависимости соответствует прямая линия. Фиг.3a показывает зависимость интенсивности от времени, в то время как фиг.3b показывает зависимость энергии. Оба графика сняты при помощи одного и того же, достаточно точного, накопительного детектора.
Накопительный детектор, помимо измерения энергии, может также применяться и для измерения интенсивности. Чтобы получить значения интенсивности на фиг.3a, накопительный детектор использовался в режиме с одним и тем же интервалом измерения, равным 20 мкс. Для измерений энергии применялись различные интервалы измерения, от 20 до 331 мкс, показанные на графике при помощи серых полос. Момент времени, для которого производится каждое измерение в серии, выбирают исходя из характерных особенностей хода кривой послесвечения, важных для распознавания. На Фиг.3a видно, что Метка1 имеет практически экспоненциальную характеристику спада послесвечения, а для Метки 2 характерен существенно более быстрый спад на начальном участке (до 1000 мкс) и более медленный - на оставшейся части кривой. Важно, что в обоих случаях спад на начальном участке идет более быстро. Поэтому на начальном участке кривой следует более часто производить измерения, чем на более поздних участках. Эта закономерность характерна для большинства меток, поскольку обычно их характеристика послесвечения является экспонентой или комбинацией нескольких экспонент. Как показал опыт, для уверенной характеризации метки кривая послесвечения должна быть прослежена на протяжении, по меньшей мере, от полутора до двух порядков спада интенсивности.
1
2
N
При выборе интервалов измерения важно обеспечить, чтобы для всех известных классов меток не происходило выхода измерителя из линейного режима, что в данном примере происходит при значениях энергии выше 200 единиц. Поскольку наиболее высокие значения интенсивности дает Метка1, то интервалы измерения были выбраны таким образом, чтобы для нее получить постоянный уровень энергии во всех измерениях E, E,…E, близкий к максимально допустимому. Это значение (120 единиц) выбрано с определенным запасом на случай отклонений отдельных экземпляров подлинных меток в сторону более высокого уровня послесвечения. Запас также необходим, чтобы избежать выхода из линейного режима при появлении паразитной внешней засветки. Для Метки 2 уровни энергии оказываются заведомо ниже и не превышают допустимого предела. График напряжения на входе Ain АЦП 7, показанный на Фиг.2, толстой линией иллюстрирует измерение энергии для Метки1 и тонкой линией - для Метки 2 при выбранных длительностях интервалов измерения.
Величина σ=3 единицы соответствует типовой погрешности измерения (1,5%), характерной для несложных накопительных детекторов, пригодных для массового применения. Эта погрешность обусловлена шумами, нелинейностью и дрейфом измерительной системы детектора. Наиболее существенно погрешность влияет на идентификацию Метки 2, поскольку для нее характерны меньшие величины интенсивности, достигаемые за время серии измерений. Из Фиг.3а видно, что при измерении интенсивности только первые 3 измерения из 6 будут достоверными, в то время как другие 3 оказываются примерно равными либо даже меньшими, чем уровень погрешности σ. В результате измерения интенсивности не позволяют надежно увидеть отклонение кривой послесвечения Метки 2 от экспоненциальной зависимости, которое является важным отличительным признаком при идентификации.
На Фиг.3b значения энергии для Метки 2 для всех 6 измерений находятся на уровне, более чем в 3 раза превышающем погрешность σ. Поэтому все эти измерения могут быть использованы для надежной идентификации Метки 2, в том числе и по отклонению ее кривой послесвечения от экспоненты. Это показывает, каким образом заявленный способ улучшает идентификацию метки.
1
2
N
1
2
N
Влияние как постоянной, так и периодической внешней засветки может быть практически полностью компенсировано за счет проведения двух серий измерений энергии. Обе серии идентичны по числу измерений, моменту их проведения и длительностям интервалов измерения. Основная серия проводится после подачи возбуждающего импульса на источник 1, как это было описано выше. Дополнительная серия измерений проводится после первой, с задержкой, достаточной для полного спада излучения послесвечения. Результаты первой серии E, E,…E содержат сумму энергии излучения послесвечения и энергии внешней засветки. Результаты второй серии E', Е',…E' содержат только энергию внешней засветки.
i
i
Для исключения влияния внешней засветки нужно вычесть из результатов основной серии результаты дополнительной серии. Тогда i-я компонента вектора признаков F будет определяться как . Эта компенсация эффективна для компенсации постоянной внешней засветки, поскольку уровень этой засветки не изменяется от первой серии ко второй. Однако эта компенсация также эффективна и для компенсации периодической внешней засветки, при том условии, что моменты начала первой и второй серии измерений задержаны друг относительно друга на один либо несколько периодов частоты засветки. Подобный метод синхронизации измерений обеспечивает равенство условий внешней засветки как при измерениях Е, так и Е', для любого i.
Обычно период внешней засветки можно выбрать в соответствии с периодом промышленной сети в стране применения устройства. Например, в России это 20 мс, в США - 16,667 мс. Если же частота внешней засветки заранее неизвестна, то контроллер 2, перед началом работы, может инициировать специальную серию измерений уровня внешней засветки, провести Фурье-анализ полученной серии и определить основную частоту помехи. Методика проведения подобного анализа хорошо известна специалистам. Этот же метод можно применить в том случае, когда частота внешней засветки может существенно изменяться во времени, например, при питании от локального электрогенератора. В этом случае определение частоты нужно производить не только перед началом работы, но и периодически во время ее.
11
12
1N
21
22
2N
M1
M2
MN
1
2
N
i
1i
2i
Mi
1
2
N
Если же внешняя засветка содержит случайный компонент либо шумовая компонента погрешности детектора очень высока, то для компенсации их влияния может быть применен метод накопления. Вместо проведения одной серии измерений последовательно проводят идентичные серии измерений и поэлементно суммируют их результаты. Например, вместо проведения одной основной серии измерений проводят М серий измерений в тех же самых условиях. В результате получают М наборов результатов E, E,…E; E, E,…E;…; E, E,…E. Из них получают одну суммарную серию E, E,…E при помощи поэлементного суммирования: E=E+Е+…+Е. Аналогично поступают и для дополнительной суммарной серии E', Е',…Е'. Случайная компонента в отсчетах суммарной серии вырастает в  раз, в то время как уровень измеряемой величины растет в М раз. Таким образом, влияние случайной погрешности на результат измерения уменьшается в  раз. При использовании описанного способа для борьбы одновременно как с периодическими, так и случайными помехами важно соблюдать описанные выше требования к взаимной задержке между повторяющимися сериями основных и дополнительных измерений.
Хотя описанная реализация способа ориентирована на работу с метками, содержащими антистоксовские люминофоры, он может быть применен и для других видов люминофоров, обладающих продолжительным послесвечением. Естественно, при этом способ возбуждения люминофора должен выбираться в соответствии со свойствами применяемого люминофора.
Заявленный способ не конкретизирует спектральные характеристики излучения люминесценции. Однако при необходимости он может быть дополнен идентификацией метки по спектральным характеристикам. Для этого имеются две возможности. В соответствии с первой возможностью при измерении энергии, излученной защитной меткой, учитывают только ту ее часть, которая попадает в заданный диапазон длин волн. Это позволяет надежно отличить метки, излучение которых не попадает в заданный диапазон. Такой способ может быть реализован в устройстве, оснащенном полосовым светофильтром, установленным перед фотодетектором. Если требуется идентифицировать несколько меток, различающихся по диапазону излучения люминесценции, то светофильтр может быть выполнен с возможностью перестройки на несколько диапазонов излучения, а идентификация может проводиться повторением заявленного способа для каждого из этих диапазонов. Вторая возможность может быть реализована, если устройство имеет несколько фотодетекторов, каждый из которых регистрирует излучение только в одном диапазоне длин волн. В этом случае заявленный способ может параллельно выполняться в отдельности для каждого диапазона. При этом этап возбуждения люминофора в метке является общим для всех диапазонов, а дальнейшие действия согласно заявленному способу для каждого из диапазонов производятся независимо друг от друга. Если обнаруживается совпадение результатов распознавания, полученных на основе диапазона данных каждого из диапазонов, то этот совпавший результат и является результатом применения способа. Когда результаты для различных диапазонов отличаются, то заключают, что метка не относится ни к одному из известных классов. При использовании второй возможности векторы признаков, полученные для каждого из диапазонов, могут быть объединены в вектор соответствующей повышенной размерности. К такому вектору процедура распознавания должна применяться однократно, а ее результат является результатом выполнения метода. Увеличение размерности вектора увеличивает вычислительные затраты и время на процедуру распознавания. Однако при этом также увеличивается и достоверность распознавания.