高光譜成像技術在紡織布料分選上的應用

隨著紡織行業多年的技術發展與進步，市面上紡織品種類琳瑯滿目，而眾多的產品也衍生出品質參差不齊，魚目混珠、以次充好等問題。其中紡織品的成分分析尤為重要，是現代紡織品質量控制的重要檢測項目之一，結果可以直接影響紡織品定價。

紡織品成分種類繁多，通常可分為纖維素類、蛋白質類、合成纖維類等。其中纖維素類纖維包括棉纖維、麻纖維等，蛋白質纖維包括蠶絲纖維、各種毛類纖維，而合成纖維類包括滌綸、錦綸、聚乙烯纖維等。

紡織品材料成分分析目前依據的標準主要有國內的FZ/T 01057 - 2007《紡織纖維鑒別試驗方法》標準和GB/T 2910 - 2009《紡織品定量化學分析》標準、美國的AATCC 20 - 2018 (E2019) :Test Method for Fiber Analysis: Qualitative 和AATCC20A - 2020: Test Method for Fiber Analysis: Quantitative、歐洲的ISO 1833 - 2006: Textiles Quantitative chemical analysis 系列標準等。

對于紡織品成分分析，傳統的定性方法包括手感和視覺鑒定、燃燒法、顯微鏡觀察法、化學試劑法，傅里葉變換紅外（FTIR）光譜分析方法等。這些方法往往伴隨著鑒別精度低、鑒別效率低、需要損壞樣品、制樣繁瑣、無法獲得空間信息等缺點。

高光譜成像技術（Hyper Spectral Imaging, HSI）經過近年的快速發展，已經在遙感監測、食品檢測、精準農業，垃圾分類等多個領域進行應用，不同于傳統的傅里葉變換光譜分析方法，其光譜數據被存儲在所采集的高光譜圖像的每一像素點中，因此同時保留了空間信息和光譜信息。

使用SPECIM FX17高光譜成像系統能夠將紡織品的空間信息和光譜信息同時存儲于高光譜圖像中，在精細鑒別中具有應用價值，同時具備實現大批量在線檢測的優勢。

圖1：FX17e+Labscanner實驗平臺

測試方法及分析

對于材質完全不同紡織布料來說，以A和B兩種樣品布為例：

圖2：A布（藍色區域）和B布（紅色區域）樣品測試及分析示意圖

使用FX17e+Labscanner實驗平臺分別對樣品A布和B布進行測試，選擇圖2中示意區域進行分析，圖3是被選區域光譜反射率歸一化處理后的曲線，可以明顯看出在1200nm區域范圍，B布具有明顯的特征波峰，同時在其他波段范圍內也有不同程度的特征，與A布的光譜曲線表現出明顯差別，這說明對于完全不同材質的布料來說，在900~1700nm波段范圍內，材質完全不同的紡織樣品布料可以進行辨別與分析。

圖3：完全不同材質布料A和B的900~1700nm光譜反射率歸一化處理后的曲線

對于有部分材質相同的布料，以C和D兩種樣品布為例：

圖4：C布（綠色區域）和D布（藍色區域）樣品測試及分析示意圖

使用FX17e+Labscanner實驗平臺分別對樣品C布和D布進行測試，選擇圖4中示意區域進行分析，圖5是被選區域光譜反射率歸一化處理后的曲線，可以看出C布與D布在1400~1600nm 波段范圍反射率曲線出現了趨勢不同的差異，而在1660nm波段區域均有特征波峰出現，但強度有明顯差異，這說明對于部分材質相同的紡織樣品布料來說，在 900~1700nm可以進行辨別與分析。

圖5：部分材質相同布料C和D的900~1700nm光譜反射率歸一化處理后的曲線

對于多種組分混合組成的布料，以完全不同材質的E、 F及其兩者混合布料G三種樣品布為例：

圖6：E布（黃色區域）、F布（藍色區域）和兩者混合布料G布（綠色區域）樣品及分析區域示意圖

使用FX17e+Labscanner實驗平臺分別對樣品E布、F布和G布進行測試，選擇圖6中示意區域進行分析，如圖7所示， E布和兩者混合布料G布的光譜反射率曲線特征在紅色波段范圍得到了保留。同時可以看到隨著混合布料G中F布料成分比例的變化，其特征峰強度在白色波段范圍內減弱。這說明在900~1700nm范圍內，對于多種組分混合組成的布料，使用SPECIM高光譜成像技術仍能準確識別，并具有分析其組分的潛力。

圖7：完全不同材質的E、 F及其兩者混合布料G的900~1700nm光譜反射率歸一化處理后的曲線

通過以上幾種測試可以看出，對于被測樣品布料，SPECIM FX17高光譜成像系統可以在900~1700nm的波段范圍較好的區分完全不同材質、部分不同材質以及混合材質布料。

將標準品布料逐一測試建立布料數學模型，并使用Insight高光譜成像數據軟件對數學模型進行訓練與數據庫擴充。在進行一定的訓練后，使用所建立的布料數學模型對圖8中三種目視相似布料進行鑒別。鑒別結果如圖9所示，可以快速、無損的進行布料區分，黃色和藍色為不同材質布料，綠色為混合布料。

圖8：不同材質布料樣品測試區域示意圖

圖9：使用Insight高光譜成像數據軟件建立紡織布料數學模型進行鑒別

SPECIM高光譜成像技術可以同時獲得紡織品的圖像和光譜信息，通過獲取其不同區域的高光譜數據，從而達到對紡織品布料的顏色、材質、類別等特征的快速無損檢測。