高光谱成像技术在纺织布料分选上的应用

随着纺织行业多年的技术发展与进步，市面上纺织品种类琳琅满目，而众多的产品也衍生出品质参差不齐，鱼目混珠、以次充好等问题。其中纺织品的成分分析尤为重要，是现代纺织品质量控制的重要检测项目之一，结果可以直接影响纺织品定价。

纺织品成分种类繁多，通常可分为纤维素类、蛋白质类、合成纤维类等。其中纤维素类纤维包括棉纤维、麻纤维等，蛋白质纤维包括蚕丝纤维、各种毛类纤维，而合成纤维类包括涤纶、锦纶、聚乙烯纤维等。

纺织品材料成分分析目前依据的标准主要有国内的FZ/T 01057 - 2007《纺织纤维鉴别试验方法》标准和GB/T 2910 - 2009《纺织品定量化学分析》标准、美国的AATCC 20 - 2018 (E2019) :Test Method for Fiber Analysis: Qualitative 和AATCC20A - 2020: Test Method for Fiber Analysis: Quantitative、欧洲的ISO 1833 - 2006: Textiles Quantitative chemical analysis 系列标准等。

对于纺织品成分分析，传统的定性方法包括手感和视觉鉴定、燃烧法、显微镜观察法、化学试剂法，傅里叶变换红外（FTIR）光谱分析方法等。这些方法往往伴随着鉴别精度低、鉴别效率低、需要损坏样品、制样繁琐、无法获得空间信息等缺点。

高光谱成像技术（Hyper Spectral Imaging, HSI）经过近年的快速发展，已经在遥感监测、食品检测、精准农业，垃圾分类等多个领域进行应用，不同于传统的傅里叶变换光谱分析方法，其光谱数据被存储在所采集的高光谱图像的每一像素点中，因此同时保留了空间信息和光谱信息。

使用SPECIM FX17高光谱成像系统能够将纺织品的空间信息和光谱信息同时存储于高光谱图像中，在精细鉴别中具有应用价值，同时具备实现大批量在线检测的优势。

图1：FX17e+Labscanner实验平台

测试方法及分析

对于材质完全不同纺织布料来说，以A和B两种样品布为例：

图2：A布（蓝色区域）和B布（红色区域）样品测试及分析示意图

使用FX17e+Labscanner实验平台分别对样品A布和B布进行测试，选择图2中示意区域进行分析，图3是被选区域光谱反射率归一化处理后的曲线，可以明显看出在1200nm区域范围，B布具有明显的特征波峰，同时在其他波段范围内也有不同程度的特征，与A布的光谱曲线表现出明显差别，这说明对于完全不同材质的布料来说，在900~1700nm波段范围内，材质完全不同的纺织样品布料可以进行辨别与分析。

图3：完全不同材质布料A和B的900~1700nm光谱反射率归一化处理后的曲线

对于有部分材质相同的布料，以C和D两种样品布为例：

图4：C布（绿色区域）和D布（蓝色区域）样品测试及分析示意图

使用FX17e+Labscanner实验平台分别对样品C布和D布进行测试，选择图4中示意区域进行分析，图5是被选区域光谱反射率归一化处理后的曲线，可以看出C布与D布在1400~1600nm 波段范围反射率曲线出现了趋势不同的差异，而在1660nm波段区域均有特征波峰出现，但强度有明显差异，这说明对于部分材质相同的纺织样品布料来说，在 900~1700nm可以进行辨别与分析。

图5：部分材质相同布料C和D的900~1700nm光谱反射率归一化处理后的曲线

对于多种组分混合组成的布料，以完全不同材质的E、 F及其两者混合布料G三种样品布为例：

图6：E布（黄色区域）、F布（蓝色区域）和两者混合布料G布（绿色区域）样品及分析区域示意图

使用FX17e+Labscanner实验平台分别对样品E布、F布和G布进行测试，选择图6中示意区域进行分析，如图7所示， E布和两者混合布料G布的光谱反射率曲线特征在红色波段范围得到了保留。同时可以看到随着混合布料G中F布料成分比例的变化，其特征峰强度在白色波段范围内减弱。这说明在900~1700nm范围内，对于多种组分混合组成的布料，使用SPECIM高光谱成像技术仍能准确识别，并具有分析其组分的潜力。

图7：完全不同材质的E、 F及其两者混合布料G的900~1700nm光谱反射率归一化处理后的曲线

通过以上几种测试可以看出，对于被测样品布料，SPECIM FX17高光谱成像系统可以在900~1700nm的波段范围较好的区分完全不同材质、部分不同材质以及混合材质布料。

将标准品布料逐一测试建立布料数学模型，并使用Insight高光谱成像数据软件对数学模型进行训练与数据库扩充。在进行一定的训练后，使用所建立的布料数学模型对图8中三种目视相似布料进行鉴别。鉴别结果如图9所示，可以快速、无损的进行布料区分，黄色和蓝色为不同材质布料，绿色为混合布料。

图8：不同材质布料样品测试区域示意图

图9：使用Insight高光谱成像数据软件建立纺织布料数学模型进行鉴别

SPECIM高光谱成像技术可以同时获得纺织品的图像和光谱信息，通过获取其不同区域的高光谱数据，从而达到对纺织品布料的颜色、材质、类别等特征的快速无损检测。