实验所用的纸币为2005版百元人民币, 其中假币由北京国联康瑞电子技术有限公司提供, 其制作工艺十分讲究, 逼真度很高, 伪装性极好, 从肉眼上观察其外部特征与真币别无二致。 经专家鉴定为“ 高仿” 人民币。 实验中, 我们选定正版百元人民币及假版百元人民币中两处相同的防伪特征区域(如图1黑框所示), 分别进行太赫兹成像。

图1

Fig.1

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	图1 百元人民币的安全线区域(上)和白水印区域(下)Fig.1 White watermark area (bottom) and Safety line area (up) of hundred RMB

(1)全息磁性半植半露式安全线

2005版百元人民币的安全线为全息磁性半植半露式, 纸张中埋入了一根有磁性涂层的金属线。 其正面为全植入式, 背面为半植半露式(亦称开窗式)安全线, 宽度为2 mm。 同时, 背面露出部分可以看到有与票面面额相对应的全息缩微文字, 100元为“ ￥100” , 采用微透镜微图形组合薄膜技术。 此次用的假钞, 造假人员在正面印刷一个深色线条, 背面采用烫印方式把带有“ ￥100” 字样的镀铝全息膜转移到背面票面上, 形成与真钞类似的开窗式结构。 鉴于他们采用的镀铝膜材料, 表面有一层极薄的金属铝, 这使得假钞的视觉感受非常接近真钞, 迷惑性极强。

(2)白水印

钞票水印技术通常是在制造钞纸的过程中将压榨部丝网上安装设计好的水印图文进行印版或利用滚筒压制而成。 实验所选择的白水印区域是通过压印一侧的水印图文, 使得受压区域的水平方向上发生较大的位移从而在透光情况下呈现水印的图文。 而实验所用假钞使用的是非专用钞纸的水印, 即将刻好的印模沾取白色胶状物附加印盖在假币水印的正面和背面, 假钞的白水印仅在视觉效果上与真钞相似, 但其纸浆密度与钞纸并无不同。

采用逐点扫描式太赫兹脉冲成像系统来对真假钞进行成像, 其装置信息、 原理以及激光等仪器参数参考文献[10, 11, 12], 有效光谱波段范围为0.1~3.0 THz, 信号时域峰值处的信噪比超过600。 为确保测量时的环境与实际鉴定时的环境一致, 太赫兹光谱测量与成像在未充氮气的条件下进行, 湿度约为23%, 温度为20 ℃。 逐点扫描太赫兹成像技术的显著特点是信息量大, 任意一个测量点对应一个太赫兹时域信号数据, 对时域波形进行傅里叶变换又可得到每一点的太赫兹频域信号数据。 这一特点并不单单意味着太赫兹成像可以表达成各种形式, 重要的是不同的形式可以解释不同特征, 以提供更多的物体信息, 从而实现对人民币真伪的多维度准确鉴别^[13]。

首先, 分别将真伪百元人民币固定到扫描平台上, 选定图1黑框内的白水印和安全线区域作为扫描范围, 确保真钞和假钞的成像区域相同。 为了得到包含样品信息的透射时域波形, 需要对不同位置点的时间延迟进行扫描, 选取合适的时域扫描窗口, 获得数据结构为x× y× t的时域信息。 然后, 打开太赫兹成像系统控制软件, 进行对应的参数设置和扫描, 数据的扫描时间由扫描的范围、 时间、 空间点数、 锁相放大器的积分时间等决定。 将每一个成像点的数据保存至相应的文件夹内, 利用基于MATLAB语言自主开发的可视化太赫兹图像重构软件进行数据处理。 接下来, 根据式(1)把每一成像点的时域波形进行傅里叶变换得到对应的THz频率响应谱, 从光谱中提取出振幅或相位信息。

Esam(ω)=FFT[fx, y(t)](1)

最后, 对得到的每一个二维(x× y)点阵进行成像^{[14, 15]}。 将真币与待测纸币相同扫描区域上重构的太赫兹图像特征进行对比, 以鉴别待鉴别纸币的真伪。

(1)时域显示模式

时域模式成像是在太赫兹波的时域信号数据中提取出反映样品信息的数据进行成像。 任一时域信息的变化, 都是样品所有频率成分影响的综合反映, 是一个平均的效果, 因此通常有较好的成像效果。 图2为在最大值和最小值时域显示模式下真伪钞安全线区域的成像结果对比图。 真钞的安全线实际为内埋的一根金属线, 采用特殊工艺形成正面全埋、 背面的开窗式的结构。 由于THz波不能穿透金属材料, 几乎不能透过安全线。 成像结果显示, THz波不仅能识别出真币背面开窗区域外露的金属线, 而且也可以对内埋在钞纸内的金属线进行成像, 形成连续的安全线。 而假钞安全线仅为印刷的深色线条, 内部并无任何磁性金属线结构, 背面为烫印的镀铝全息膜。 成像结果表明, THz波只能识别假币外露的镀铝全息膜, 而内埋安全线区域和周围钞纸没有任何区别, 形成间断的安全线, 与真币形成了巨大的反差。

图2

Fig.2

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	图2 真伪百元纸币“ 安全线” 区域在时域显示模式下THz图像Fig.2 Time-domain display modes of real money and counterfeit money in safety line area

(2)频域显示模式

频域模式是在太赫兹波的频域信号数据中提取出反应样品信息, 针对频谱中某一特定频率所对应的振幅、 功率、 相位、 吸收系数或折射率等数据进行成像。 图3所示为不同频率下真假钞票安全线区域的振幅成像结果对比图。 在1.4~2.2 THz频率范围内, 真币与假币的安全线轮廓区别明显, 真币为连续分布金属线, 而假币为不连续分布金属线, 与图2中时域显示结果一致。

图3

Fig.3

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	图3 真伪百元纸币“ 安全线” 区域在频域显示模式下THz图像Fig.3 Frequency-domain display modes of real money and counterfeit money in safety line area

(1)时域显示模式

图4为在最大值和最小值时域显示模式下真伪钞白水印区域的成像结果对比图。 根据水印防伪的制作原理, 真钞的白水印区域的纸浆密度与其他区域不同, 密度的不同引起透射振幅值的不同, 所以在最大值和最小值显示模式下均可观察到数字“ 100” 的轮廓。 而本实验所用假钞的白水印是后期加的, 即在假钞的正面和背面相应位置处加印白色胶状物, 但其纸浆密度与钞纸并无不同。 因此假钞白水印在以上两种时域显示模式下都无法区分出数字“ 100” 的轮廓。

图4

Fig.4

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	图4 真伪百元纸币“ 白水印” 区域在时域显示模式下THz图像 (2)频域显示模式Fig.4 Time-domain display modes of real money and counterfeit money in white watermark area

图5所示为不同频率下真假钞票白水印区域的成像结果对比图。 对于真钞, 可以看到, 在2.4, 2.2, 2.0和1.7 THz这4个频率处其对应的振幅成像可以明显地识别出白水印“ 100” 的轮廓, 其显示效果优于时域显示模式。 对比真钞, 假钞在0.1~3 THz频率范围的全部FFT成像均无法识别水印区域。 其水印区域的成像结果与钞纸的FFT成像结果别无二致。 由此可知, 我们可以利用THz波在真假钞白水印区域的不同成像效果来鉴别2005版真伪人民币。

图5

Fig.5

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	图5 真伪百元纸币“ 白水印” 区域在频域显示模式下THz图像Fig.5 Frequency-domain display modes of real money and counterfeit money in white watermark area

根据安全线和白水印两个防伪特征区域的太赫兹成像结果, 可以看出由于真币与假币中采用的防伪载体材料与防伪技术不同, 两个防伪特征区对太赫兹波具有不同的透射和吸收特性, 使太赫兹成像图能够充分、 直观的展示对比区域的差别信息, 更好的体现出对比区域之间的细节特征, 实现对纸币真伪的准确鉴别。 其中, 白水印区域采用频域显示模式效果较为明显; 而安全线区域在频域和时域显示模式下都非常明显, 实验中我们可以将时间延迟线固定在最大值或最小值位置, 仅改变样品位置即可获得数据结构为x× y的强度信息分布图, 大大缩短了扫描时间, 实现真伪纸币的快速鉴别。