本發(fā)明涉及生物特征識別領(lǐng)域，具體為一種基于血管網(wǎng)絡(luò)的光聲成像身份識別方法。

背景技術(shù)：

隨著Internet網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)、電子產(chǎn)品、建筑通道等的安全性要求日趨嚴(yán)格，人們對身份認(rèn)證技術(shù)的安全性和準(zhǔn)確性等要求也越來越高，傳統(tǒng)的基于知識和物品的身份認(rèn)證手段已難以滿足需求，例如：密碼和口令等知識型認(rèn)證手段容易被忘記，而身份卡、鑰匙、智能卡等物品型認(rèn)證手段容易丟失和被復(fù)制。

相對于傳統(tǒng)的身份識別技術(shù)，生物特征識別采用諸如指紋、掌紋、虹膜、人臉、靜脈等人體固有特征進行身份識別，具有不會丟失、遺忘等優(yōu)點，且相對較高的仿冒難度達到了更安全的身份識別。

但各種不同的生物特征識別方法有不同的優(yōu)缺點，例如：指紋和掌紋識別技術(shù)由于用戶每次使用時都會在在采集器上留下印痕，存在非常容易被用來復(fù)制的可能性，且某些人或某些群體存在指紋和掌紋特征信息少而達不到建檔的要求；虹膜識別技術(shù)的精度相對較高，但采集過程不方便且會給用戶帶來不舒適感；人臉識別技術(shù)具有非接觸、采集簡單且隱蔽的優(yōu)點，但在很多場合受環(huán)境光線、人臉角度等因素影響較大；靜脈識別技術(shù)由于靜脈位于人體表皮以下，具有唯一性、穩(wěn)定性和非接觸等優(yōu)點，但紅外線由于人體組織的強散射影響，所獲靜脈圖像具有質(zhì)量不穩(wěn)定、信噪比低和分辨率較低等缺點，且由于靜脈網(wǎng)絡(luò)相對簡單且血管直徑較大，目前正面臨著各種人工偽造靜脈圖像等風(fēng)險的威脅和攻擊。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述不足提供一種識別準(zhǔn)確度高且難以人工偽造的基于血管網(wǎng)絡(luò)的光聲成像身份識別方法。

本發(fā)明一種基于血管網(wǎng)絡(luò)的光聲成像身份識別方法，包括以下步驟：

將一個或多個波長的激光通過輻照在皮下血管網(wǎng)絡(luò)上，激發(fā)光聲信號；

接收光聲信號并重建光聲圖像，從中提取皮下血管網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能特征，所述結(jié)構(gòu)和功能特征包括空間幾何結(jié)構(gòu)、血氧飽和度和血液流速；

將提取的結(jié)構(gòu)和功能特征分別進行匹配識別，并做出最終身份判定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明利用人體皮下內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與功能特征進行認(rèn)證，每個人的皮下血管網(wǎng)絡(luò)是唯一的，并不會像指紋和掌紋一樣存在磨損的可能。

(2)本發(fā)明利用光聲技術(shù)對皮下血管網(wǎng)絡(luò)進行空間幾何結(jié)構(gòu)的成像，其成像分辨率在顯微模式下可達幾百納米至幾十微米，在層析模式下為上百微米，對于最小的毛細血管即可輕松再現(xiàn)，高精細度的二維或三維血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖像可使身份識別的準(zhǔn)確度大大提高。

(3)本發(fā)明利用光聲技術(shù)對皮下血管網(wǎng)絡(luò)進行血氧飽和度和血液流速的成像，其血氧飽和度參數(shù)可區(qū)分動脈和靜脈血管，而血液流速亦是活體生物的特征之一，增加了人工偽造模型的難度通過。

(4)本發(fā)明采用的光聲技術(shù)是接收超聲信號，替代了傳統(tǒng)純光學(xué)技術(shù)的接收散射光子，從原理上避開了組織強散射的影響，且不受環(huán)境光線、溫度、人體體溫等因素的影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的聲學(xué)分辨式光聲成像身份識別裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的光學(xué)分辨式光聲成像身份識別裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的雙模式光聲成像身份識別裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例進一步說明本發(fā)明。

實施例1

聲學(xué)分辨式光聲成像身份識別裝置，本實施例的結(jié)構(gòu)如圖1所示，各元件的名稱為：激發(fā)光源1、光纖2、探測光源3、分光鏡4、二維掃描振鏡5、掃描透鏡6、楔形平板7、下層玻璃板8、震動薄膜9、上層玻璃板10、光電探測器11、中央處理器12。

其中，下層玻璃板8的上表面和上層玻璃板10的下表面分別鍍有高反膜；下層玻璃板8的上部、上層玻璃板10的下部緊貼有震動薄膜9；下層玻璃板8的下方緊貼有楔形平板7；楔形平板7的下方設(shè)有掃描透鏡6；掃描透鏡6下方設(shè)有二維掃描振鏡5；中央處理器12分別與激發(fā)光源1、探測光源3、光電探測器11導(dǎo)線相連；激發(fā)光源1為脈沖型或連續(xù)調(diào)制型的激光器，工作在紫外至紅外范圍內(nèi)選擇的一個或多個波長；探測光源3為連續(xù)型的半導(dǎo)體激光器；下層玻璃板8和上層玻璃板10的高反膜對激發(fā)光源1發(fā)射的激光束具有高透過性，而對探測光源3發(fā)射的光束具有高反射性；楔形平板7對激發(fā)光源1和探測光源3發(fā)射的激光束都具有高透過性；二維掃描振鏡5可對探測光源3發(fā)射的激光束進行二維掃描。

優(yōu)選地，本實施例子中，激發(fā)光源1為德國GWU公司的versaScan120型OPO可調(diào)諧激光器，波長調(diào)諧范圍為410-2500nm，脈寬為3ns，重復(fù)頻率為100Hz；探測光源3為美國Thorlabs公司的L1550P5DFB型連續(xù)激光二極管，波長為1550nm，輸出功率為5mW；震動薄膜9為40μm厚的聚對二甲苯高分子薄膜，其頻帶寬度約為350KHz-22MHz，故系統(tǒng)的空間分辨率約為100μm(計算公式為：1.02*c*F/f，其中c為聲速，F(xiàn)為超聲傳感的F-number，f為超聲傳感的帶寬)。

本實施例具體操作步驟為：

1)激發(fā)光源1發(fā)射的激光束通過光纖2射出，依次穿過楔形平板7、下層玻璃板8、震動薄膜9、上層玻璃板10照射進手掌的皮下血管網(wǎng)絡(luò)上，激發(fā)出光聲信號；光聲信號穿過上層玻璃板10引起震動薄膜9的震動，導(dǎo)致上層玻璃板10和下層玻璃板8之間的間距產(chǎn)生變化；

2)探測光源3發(fā)射的激光束依次經(jīng)過分光鏡4、二維掃描振鏡5、掃描透鏡6、楔形平板7、下層玻璃板8、震動薄膜9、上層玻璃板10，并由下層玻璃板8和上層玻璃板10的高反膜引起多次反射相干涉，相干光經(jīng)原路返回并由分光鏡4反射到光電探測器11上；

3)中央處理器12接收到光電探測器11的電信號；

4)二維掃描振鏡5帶動探測光源3的激光束掃描下一個位置，并最終完成二維或三維的空間掃描；

5)中央處理器12對接收到的所有信號通過算法反演出手掌的皮下血管網(wǎng)絡(luò)的二維或三維空間幾何結(jié)構(gòu)、血氧飽和度和血液流速，再分別與數(shù)據(jù)庫中已有的特征予以匹配識別，并做出最終的身份判定。

本實施例可以通過改變震動薄膜的厚度來調(diào)整其頻帶寬度的范圍。

本發(fā)明利用光聲技術(shù)對皮下血管網(wǎng)絡(luò)進行空間幾何結(jié)構(gòu)的成像，其空間分辨率最高可達幾十微米，主要由超聲傳感的震動薄膜的主頻和帶寬決定，高精度的二維或三維血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖像可使身份識別的準(zhǔn)確度大大提高；對皮下血管網(wǎng)絡(luò)進行血氧飽和度和血液流速的成像，其血氧飽和度參數(shù)可區(qū)分動脈和靜脈血管，而血液流速亦是活體生物的特征之一，增加了人工偽造模型的難度通過；通過純光學(xué)的方法探測超聲信號，替代了傳統(tǒng)采用壓電陶瓷探頭的方法，光聲的激發(fā)和傳感易于設(shè)置成背向模式，且快速的光學(xué)掃描極大的提高了系統(tǒng)成像速度，系統(tǒng)實用性和使用便捷度更強。

實施例2

光學(xué)分辨式光聲成像身份識別裝置，本實施例的結(jié)構(gòu)如圖2所示，各元件的名稱為：激發(fā)光源1、探測光源2、第一分光鏡、第二分光鏡、二維掃描振鏡5、掃描透鏡6、壓縮透鏡7、楔形平板8、下層玻璃板9、震動薄膜10、上層玻璃板11、光電探測器12、中央處理器13。

其中，下層玻璃板9的上表面和上層玻璃板11的下表面分別鍍有高反膜；下層玻璃板9的上部、上層玻璃板11的下部緊貼有震動薄膜10；下層玻璃板9的下方緊貼有楔形平板8；楔形平板8的下方設(shè)有壓縮透鏡7；壓縮透鏡7下方設(shè)有掃描透鏡6；掃描透鏡6下方設(shè)有二維掃描振鏡5；中央處理器13分別與激發(fā)光源1、探測光源2、光電探測器12導(dǎo)線相連；激發(fā)光源1為脈沖型或連續(xù)調(diào)制型的激光器，工作在紫外至紅外范圍內(nèi)選擇的一個或多個波長；探測光源2為連續(xù)型的半導(dǎo)體激光器；下層玻璃板9和上層玻璃板11的高反膜對激發(fā)光源1發(fā)射的激光束具有高透過性，而對探測光源2發(fā)射的光束具有高反射性；楔形平板8對激發(fā)光源1和探測光源3發(fā)射的激光束都具有高透過性；二維掃描振鏡5可對探測光源2發(fā)射的激光束進行二維掃描。

優(yōu)選地，本實施例子中，激發(fā)光源1為日本三菱公司的ML101J23型激光二極管，波長為650nm，輸出功率為150mW，脈寬為100ns，重復(fù)頻率為10KHz；探測光源2為美國Thorlabs公司的L1550P5DFB型連續(xù)激光二極管，波長為1550nm，輸出功率為5mW；掃描透鏡6與壓縮透鏡7的有效總數(shù)字孔徑約為0.51，故系統(tǒng)的空間分辨率約為650nm(計算公式：0.51*λ/NA，其中為λ激發(fā)光源波長，NA為光路的有效總數(shù)值孔徑)，其中壓縮透鏡7為美國Thorlabs公司的LA1207-A型平凸透鏡；震動薄膜10為40μm厚的聚對二甲苯高分子薄膜，其頻帶寬度約為350KHz-22MHz。

本實施例具體操作步驟為：

1)激發(fā)光源1發(fā)射的激光束經(jīng)第一分光鏡反射后，依次經(jīng)過第二分光鏡、二維掃描振鏡5、掃描透鏡6、壓縮透鏡7、楔形平板8、下層玻璃板9、震動薄膜10、上層玻璃板11，照射進手指的皮下血管網(wǎng)絡(luò)上，激發(fā)出光聲信號；光聲信號穿過上層玻璃板11引起震動薄膜10的震動，導(dǎo)致上層玻璃板11和下層玻璃板9之間的間距產(chǎn)生變化；

2)探測光源2發(fā)射的激光束依次經(jīng)過第一分光鏡、第二分光鏡、二維掃描振鏡5、掃描透鏡6、壓縮透鏡7、楔形平板8、下層玻璃板9、震動薄膜10、上層玻璃板11，并由下層玻璃板9和上層玻璃板11的高反膜引起多次反射相干涉，相干光經(jīng)原路返回并由第二分光鏡反射到光電探測器12上；

3)中央處理器13接收到光電探測器12的電信號；

4)二維掃描振鏡5同時帶動激發(fā)光源1和探測光源2的激光束掃描下一個位置，并最終完成二維或三維的空間掃描；

5)中央處理器13對接收到的所有信號通過算法反演出手指的皮下血管網(wǎng)絡(luò)的二維或三維空間幾何結(jié)構(gòu)、血氧飽和度和血液流速，再分別與數(shù)據(jù)庫中已有的特征予以匹配識別，并做出最終的身份判定。

本實施例可以通過改變震動薄膜的厚度來調(diào)整其頻帶寬度的范圍。

本發(fā)明利用光聲技術(shù)對皮下血管網(wǎng)絡(luò)進行空間幾何結(jié)構(gòu)的成像，其空間分辨率最高可達幾百納米(主要由激發(fā)光源的波長和光路數(shù)值孔徑?jīng)Q定)，高精度的二維或三維血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖像可使身份識別的準(zhǔn)確度大大提高；對皮下血管網(wǎng)絡(luò)進行血氧飽和度和血液流速的成像，其血氧飽和度參數(shù)可區(qū)分動脈和靜脈血管，而血液流速亦是活體生物的特征之一，增加了人工偽造模型的難度通過；通過純光學(xué)的方法探測超聲信號，替代了傳統(tǒng)采用壓電陶瓷探頭的方法，光聲的激發(fā)和傳感易于設(shè)置成背向模式，激發(fā)光源和探測光源發(fā)射的激光束可同時快速光學(xué)掃描極大的提高了系統(tǒng)成像速度，系統(tǒng)實用性和使用便捷度更強。

實施例3

雙模式光聲成像身份識別裝置，本實施例的結(jié)構(gòu)如圖3所示，各元件的名稱為：激發(fā)光源1、整形光路2、二維掃描振鏡3、掃描透鏡4、壓縮透鏡5、匹配薄膜6、超聲探頭7、預(yù)處理電路8、中央處理器9。

其中，匹配薄膜6下面設(shè)有超聲探頭7；超聲探頭7的下方設(shè)有壓縮透鏡5；壓縮透鏡5下方設(shè)有掃描透鏡4；掃描透鏡4下方設(shè)有二維掃描振鏡3；中央處理器9分別與激發(fā)光源1、預(yù)處理電路8導(dǎo)線相連；超聲探頭7與預(yù)處理電路8導(dǎo)線相連；激發(fā)光源1為脈沖型或連續(xù)調(diào)制型的激光器，工作在紫外至紅外范圍內(nèi)選擇的一個或多個波長；整形光路2可實現(xiàn)光束的聚焦或準(zhǔn)直；二維掃描振鏡3可對激發(fā)光源1發(fā)射的激光束進行二維掃描；匹配薄膜6對激發(fā)光源1發(fā)射的激光束具有高透過性；超聲探頭7為高頻的微型超聲傳感器、中空型聚焦超聲傳感器或中空型多環(huán)超聲傳感器。

優(yōu)選地，本實施例子中，激發(fā)光源1為德國GWU公司的versaScan120型OPO可調(diào)諧激光器，波長調(diào)諧范圍為410-2500nm，脈寬為3ns，重復(fù)頻率為100Hz；超聲探頭7為廣州多浦樂電子科技有限公司的50MHz微型超聲傳感器，尺寸為0.5*0.6mm，帶寬為100％。

本實施例具體操作步驟為：

1)激發(fā)光源1發(fā)射的激光束通過整形光路2準(zhǔn)直或聚焦后，依次穿過二維掃描振鏡3、掃描透鏡4、壓縮透鏡5、匹配薄膜6照射進手指的皮下血管網(wǎng)絡(luò)上，激發(fā)出光聲信號；

2)光聲信號經(jīng)過匹配薄膜6的超聲耦合到超聲探頭7轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)預(yù)處理電路8完成濾波、放大、隔離、采樣等功能后輸出到中央處理器9；

3)二維掃描振鏡3帶動激發(fā)光源1的激光束掃描下一個位置，并最終完成二維或三維的空間掃描；

4)中央處理器9對接收到的所有信號通過算法反演出手指的皮下血管網(wǎng)絡(luò)的二維或三維空間幾何結(jié)構(gòu)、血氧飽和度和血液流速，再分別與數(shù)據(jù)庫中已有的特征予以匹配識別，并做出最終的身份判定。

本發(fā)明利用光聲技術(shù)對皮下血管網(wǎng)絡(luò)進行空間幾何結(jié)構(gòu)的成像，其空間分辨率最高由聚焦光斑的直徑(光學(xué)分辨模式，最高可到幾百納米)或超聲探頭的主頻/帶寬(聲學(xué)分辨模式，最高可到幾十微米)決定，高精度的二維或三維血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖像可使身份識別的準(zhǔn)確度大大提高；對皮下血管網(wǎng)絡(luò)進行血氧飽和度和血液流速的成像，其血氧飽和度參數(shù)可區(qū)分動脈和靜脈血管，而血液流速亦是活體生物的特征之一，增加了人工偽造模型的難度通過。

實施例4

側(cè)向接收的雙模式光聲成像身份識別裝置，與實施例3結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于：超聲探頭7置于手指的側(cè)下方，通過光學(xué)棱鏡將光聲信號反射至超聲探頭7上而被接收；激光光源1發(fā)射的激光束需透過光學(xué)棱鏡照射進手指的皮下血管網(wǎng)絡(luò)上。