Tài liệu Nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh thu bởi camera ảnh nhiệt cùng 8 12 µm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN QUANG MINH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN NGUỒN GIẢ VẬT ĐEN CHO HIỆU CHỈNH BẤT ĐỒNG NHẤT ẢNH THU BỞI CAMERA ẢNH NHIỆT VÙNG 8-12m LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÀ NỘI – 2017 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ……..….***………… NGUYỄN QUANG MINH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN NGUỒN GIẢ VẬT ĐEN CHO HIỆU CHỈNH BẤT ĐỒNG NHẤT ẢNH THU BỞI CAMERA ẢNH NHIỆT VÙNG 8-12m LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 9440110 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Nguyễn Đại Hƣng 2. TS. Tạ Văn Tuân Hà Nội – 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sỹ “Nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh thu bởi camera ảnh nhiêt vùng 8 12 m” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Tác giả luận án Nguyễn Quang Minh LỜI CẢM ƠN Luận án đƣợc hoàn thành tại Viện Vật lý (IoP), Học viện Khoa học và Công nghệ (GUST), Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam (VAST). Nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các giảng viên, các nhà khoa học, các cán bộ quản lý của Viện Vật lý, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Việt nam đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ, hƣớng dẫn nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh biết ơn sự quan tâm bàn luận, những nhận xét phản biện sâu sắc về chuyên môn và sự hƣớng dẫn tận tình của GS.TS. Nguyễn Đại Hƣng, Viện Vật lý, trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh trân trọng những chỉ dẫn về ý tƣởng và phƣơng pháp nghiên cứu, những hiệu đính chất lƣợng của TS. Tạ Văn Tuân, Hội Vật lý Việt nam, trong từng nội dung của luận án. Xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Viện Ứng dụng Công nghệ (NACENTECH) - Bộ Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh về thủ tục, giúp đỡ tôi thực hiện đầy đủ các khối lƣợng học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án này. Kết quả của luận án không thể tách rời sự hỗ trợ về chuyên môn, sự hợp tác rất hiệu quả của các đồng nghiệp đang công tác tại Trung tâm Tích hợp Công nghệ (CSEi), Viện Ứng dụng Công nghệ trong các nghiên cứu và thực nghiệm. Luận án này cũng là thành quả mà tôi muốn gửi tặng gia đình, ngƣời thân và bạn bè, luôn là chỗ dựa vững chắc, là nguồn động viên, hỗ trợ vô bờ bến đối với tôi, giúp tôi vƣợt đƣợc mọi khó khăn, trở ngại, đạt đƣợc mục tiêu đề ra./. MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................... 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ ................................................. 10 MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 14 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ VẬT ĐEN ...................... 19 1.1. Các đại lƣợng đặc trƣng bức xạ nhiệt ................................................. 19 1.1.1. Công suất bức xạ .......................................................................... 19 1.1.2. Độ trƣng bức xạ ............................................................................ 19 1.1.3. Độ thoát xạ ................................................................................... 21 1.1.4. Cƣờng độ bức xạ .......................................................................... 21 1.1.5. Độ rọi xạ ....................................................................................... 21 1.2. Hấp thụ, phản xạ, truyền qua bức xạ .................................................. 22 1.3. Bức xạ của vật đen tuyệt đối .............................................................. 23 1.3.1. Năng suất phát xạ đơn sắc ............................................................ 23 1.3.2. Đặc trƣng phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối................................. 23 1.3.3. Định luật Stefan - Boltzmann ....................................................... 24 1.3.4. Định luật Wien ............................................................................. 25 1.4. Cơ sở lý thuyết bức xạ nguồn giả vật đen .......................................... 25 1.4.1. Phát xạ của vật thực ..................................................................... 25 1.4.2. Hốc phát xạ của nguồn bức xạ giả vật đen................................... 26 1.4.2.1. Kiểu dạng hốc phát xạ............................................................ 27 1.4.2.2. Dòng bức xạ từ một bề mặt hốc phát xạ ................................ 28 1.4.2.3. Hệ số phát xạ hiệu dụng ........................................................ 30 1.4.2.4. Nhiệt độ bức xạ ...................................................................... 31 1.4.2.5. Tính bất đẳng nhiệt của hốc phát xạ thực .............................. 32 1.5. Kết luận Chƣơng 1 .......................................................................... 34 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG BỨC XẠ CỦA HỐC PHÁT XẠ VẬT ĐEN .................................................................. 35 1 2.1. Phƣơng pháp tính toán tất định........................................................... 36 2.1.1. Các biểu thức tính toán gần đúng ................................................. 36 2.1.2. Phƣơng pháp giải tích................................................................... 39 2.1.2.1. Phƣơng trình tích phân cơ bản ............................................... 39 2.1.2.2. Các phƣơng trình tính hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm.................................................................................... 42 2.2. Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo ................................................ 45 2.2.1. Phƣơng pháp Monte Carlo trong đo lƣờng bức xạ ...................... 46 2.2.1.1. Mô hình hóa ngẫu nhiên các tính chất quang học của bề mặt 47 2.2.1.2. Xác suất các quá trình lan truyền và tƣơng tác bức xạ .......... 53 2.2.1.3. Vẽ sơ đồ tia ............................................................................ 53 2.2.1.4. Kỹ thuật gán trọng số thống kê ............................................. 55 2.2.2. Mô phỏng Monte Carlo trong tính toán đặc trƣng bức xạ của hốc phát xạ .....................................................................................................56 2.2.2.1. Phƣơng pháp mô phỏng dựa trên phát xạ .............................. 56 2.2.2.2. Phƣơng pháp mô phỏng dựa trên hấp thụ bức xạ .................. 58 2.3. Phƣơng pháp đo lƣờng thực nghiệm .................................................. 60 2.3.1. Các phƣơng pháp đo phản xạ ....................................................... 61 2.3.1.1. Đo phản xạ bằng laser ............................................................ 62 2.3.1.2. Đo phản xạ bằng nguồn bức xạ dải rộng ............................... 63 2.3.2. Đo lƣờng trắc xạ các nguồn bức xạ vật đen ................................. 65 2.3.2.1. Các thiết bị đo trắc xạ (radiometers)...................................... 65 2.3.2.2. Các máy đo phổ kế bức xạ (spectroradiometers)................... 66 2.3.3. Đo nhiệt độ ................................................................................... 67 2.4. Kết luận chƣơng 2 .............................................................................. 68 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HỆ SỐ PHÁT XẠ THEO HƢỚNG HIỆU DỤNG CỦA HỐC HÌNH TRỤ - ĐÁY NÓN LÕM ............ 70 3.1. Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng của hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm bằng kỹ thuật đa thức nội suy .................... 70 2 3.1.1. Tính các hệ số góc trong phƣơng trình hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón .............................................................................. 72 3.1.1.1. Biến đổi các biểu thức hệ số góc ........................................... 72 3.1.1.2. Xử lý các điểm kỳ dị .............................................................. 74 3.1.2. Tính toán hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón bằng kỹ thuật đa thức nội suy ............................................................................ 75 3.1.2.1. Lựa chọn dạng đa thức nội suy .............................................. 75 3.1.2.2. Nghiên cứu tính hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón.........................................................................................................77 3.2. Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm bằng phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo.............................................................................................................81 3.2.1. Mô hình hóa hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm ......................... 83 3.2.1.1. Giả định các đặc trƣng quang học của hốc phát xạ ............... 83 3.2.1.2. Mô hình phân bố phản xạ của bề mặt hốc ............................. 85 3.2.2. Xác định đặc trƣng bức xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc phát xạ ................................................................................................ 87 3.2.3. Mô phỏng lan truyền bức xạ trong hốc phát xạ ........................... 88 3.2.4. Xây dựng giải thuật mô phỏng ..................................................... 91 3.3. Kết luận chƣơng 3 .............................................................................. 96 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƢNG NGUỒN GIẢ VẬT ĐEN DỰA TRÊN HỐC DẠNG HÌNH TRỤ ĐÁY NÓN LÕM CHO HIỆU CHỈNH BẤT ĐỒNG NHẤT ẢNH CỦA CAMERA ẢNH NHIỆT ................................................................................. 99 4.1. Các yêu cầu đối với nguồn giả vật đen............................................... 99 4.1.1. Yêu cầu sử dụng ........................................................................... 99 4.1.2. Các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu ....................................................... 99 4.1.2.1. Kiểu dạng hốc phát xạ............................................................ 99 4.1.2.2. Dải phổ bức xạ ..................................................................... 100 4.1.2.3. Kích thƣớc khẩu độ ra .......................................................... 100 3 4.1.2.4. Hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng ................................... 100 4.1.2.5. Nhiệt độ làm việc ................................................................. 100 4.1.2.6. Nguồn điện cung cấp ........................................................... 101 4.1.3. Yêu cầu thiết kế .......................................................................... 101 4.2. Nghiên cứu thiết kế hốc phát xạ ....................................................... 102 4.2.1. Nghiên cứu xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ ....... 102 4.2.1.1. Khảo sát phân bố củae,n nhƣ là hàm của tỷ số R/r ............. 103 4.2.1.2. Khảo sát phân bố củae,n nhƣ là hàm của tỷ số L/R............ 106 4.2.1.3. Khảo sát phân bố củae,n nhƣ là hàm của góc  ................. 108 4.2.1.4. Xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ .................... 111 4.2.1.5. Đánh giá các tham số thiết kế hệ thống ............................... 114 4.2.2. Lựa chọn vật liệu phát xạ ........................................................... 115 4.3. Giải pháp cấp nhiệt và điều khiển nhiệt độ ...................................... 117 4.3.1. Yêu cầu về nguồn nhiệt .............................................................. 117 4.3.2. Điều khiển nhiệt độ của đáy nón ................................................ 121 4.4. Đánh giá đặc trƣng nguồn bức xạ giả vật đen .................................. 122 4.4.1. Nguồn bức xạ giả vật đen đƣợc chế tạo ..................................... 122 4.4.2. Khảo sát nhiệt độ bề mặt đáy nón .............................................. 125 4.4.3. Đánh giá đặc trƣng bức xạ bằng phổ kế bức xạ ......................... 128 4.5. Xử lý bất đồng nhất ảnh nhiệt .......................................................... 132 4.5.1. Mô hình đáp ứng tuyến tính của camera .................................... 133 4.5.2. Hiệu chỉnh tuyến tính bằng chuẩn hóa ....................................... 134 4.5.3. Nghiên cứu ứng dụng hiệu chỉnh NUC ảnh nhiệt vùng LWIR . 137 4.6. Kết luận Chƣơng 4............................................................................ 145 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 146 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 148 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ................. 149 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 150 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 163 P1. Biến đổi các biểu thức hệ số góc ......................................................... 163 4 P1.1 Biến đổi biểu thức hệ số góc dFx,ap .............................................. 163 P1.2Biến đổi biểu thức hệ số góc dFy0,ap ............................................. 164 P1.3 Biến đổi biểu thức hệ số góc d2Fy0,x ............................................ 165 P1.4 Giá trị của các hệ số góc tại các điểm kỳ dị ................................ 167 P2. Đặc trƣng phát xạ của một số vật liệu ................................................. 169 P3. Nguồn giả vật đen ................................................................................ 171 P3.1. Thiết kế cơ khí khối nguồn bức xạ ................................................ 171 P3.2. Mô tả nguồn giả vật đen ................................................................ 177 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU A Diện tích bề mặt bức xạ b Hằng số Wien c Tốc độ ánh sáng trong chân không c1,c2 Các hằng số bức xạ d Đƣờng kính/Khoảng cách D Độ khuếch tán d2F Hệ số góc vi phân E Độ rọi bức xạ f Tiêu cự f Hàm phân bố phản xạ F,dF Hệ số góc G,g Hệ số khuếch đại/Hệ số nhân h Hằng số Plank I Cƣờng độ bức xạ k Hằng số Boltzmann L Độ trƣng/độ chói bức xạ L,l Độ dài M Năng suất phát xạ/ Độ thoát xạ O,o Hệ số bù Q Năng lƣợng bức xạ điện từ R,r Bán kính r,T Năng suất phát xạ đơn sắc S,s Diện tích T Nhiệt độ tuyệt đối 6  Góc giữa đáy nón và vách trụ  Bƣớc sóng (,) Các góc tọa độ trong hệ tọa độ cầu ,,b,,s Các số giả ngẫu nhiên  Công suất/ Thông lƣợng quang học/bức xạ  Góc khối chùm bức xạ  Góc mở bức xạ ra của hốc phát xạ r Góc phản xạ s Góc phản xạ kiểu gƣơng i Góc tới  Hằng số Stefan-Boltzmann ,e Hệ số hấp thụ, Hệ số hấp thụ hiệu dụng , e Hệ số phản xạ, Hệ số phản xạ hiệu dụng , e Hệ số phát xạ, Hệ số phát xạ hiệu dụng Hàm phổ biến  Hệ số truyền qua  Tần số bức xạ điện từ  Trọng số thống kê Vector chỉ phƣơng Vector vị trí 7 CÁC CHỮ VIẾT TẮT BFL Back Focal Length Tiêu cự sau BRDF Bi-directional Reflectance Distribution Function Charge Couple Devices Hàm phân bố độ phản xạ lƣỡng hƣớng Linh kiện liên kết điện tích Cumulative Distribution Function Complementary Metal-OxideSemiconductor Capacitive Trans Impedance Amplifier Circular Variable Filter Hàm phân bố tích lũy Directional - Hemispherical Reflectance Focal Plane Array Độ phản xạ bán cầu theo hƣớng Mảng tiêu diện phẳng FPN Field-Programmable Gate Array Fixed Pattern Noise Mảng tích hợp cỡ lớn khả trình Tạp kiểu hoa văn cố định FWHM Full Width at Half Maximum HSR Heat Sink Resistance Độ rộng toàn phần nửa cực đại Trở nhiệt của tấm thu nhiệt ICM Integrative Cavity Method Phƣơng pháp hốc tích hợp IR Infrared Hồng ngoại LWIR Long Wavelength Infrared Hồng ngoại bƣớc sóng dài MC Monte Carlo Monte Carlo MCM Monte Carlo Method Phƣơng pháp Monte Carlo MCU Micro-Controller Unit Bộ vi điều khiển NU Non-Uniformity Độ bất đồng nhất NUC Non-Uniformity Correction Hiệu chỉnh bất đồng nhất P.I.D Proportional-IntegralDerivative Tính vi tích phân tỷ lệ CCD CDF CMOS CTIA CVF DHR FPA FPGA 8 Bán dẫn ô xít kim loại bù Bộ khuếch đại trở kháng Bộ lọc vòng biến đổi PC Personal Computer Máy tính cá nhân PDF Hàm phân bố xác suất PWM Probability Distribution Function Pseudo-Random Number Generator Pusle Width Modulation RNG Random Number Generator Bộ tạo số ngẫu nhiên ROIC Read-out Integrated Circuit Mạch đọc RTD Cảm biến nhiệt điện trở SNR Resistance Temperature Detector Signal - to - Noise Ratio TE Thermo-Electric Thuộc điện - nhiệt USD Uniform Specular Diffuse Tính khuếch tán gƣơng đồng nhất PRNG Bộ tạo số giả ngẫu nhiên Điều biến độ rộng xung Tỷ số tín/tạp 9 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Đa thức nội suy của hàm tích phân d2Fyo,x dFx,ap với hệ số phát xạ bề mặt  = 0,7. ................................................................................................. 79 Bảng 3.2: So sánh các giá trị trung bình của hàm số dFy0,ap và của tích phân dF2y0,ap dFx,ap, đƣợc tính bằng kỹ thuật đa thức nội suy áp dụng trong luận án và đƣợc tính bằng phƣơng pháp giải tích ở cùng điều kiện ( =0,7). ............. 80 Bảng 3.3: Hệ số phát xạ trung bình hiệu dụng của đáy nón (e)tb của hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm có hệ số phát xạ bề mặt  = 0,7. ............................ 81 Bảng 3.4: Hệ số phát xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc hình trụ đáy nón lõm (L/R = 6, R/r =1,  = 60). ......................................................... 95 Bảng 4.1: Yêu cầu kỹ thuật hệ thồng. ........................................................... 101 Bảng 4.2: Giá trị e,n phân bố theo R/r tính cho các góc  khác nhau (trƣờng hợp L/R = 6,  = 0,7). .................................................................................... 105 Bảng 4.3: Giá trị e,n của hốc phát xạ cho hai trƣờng hợp L/R=6 và L/R=3 (R/r =1;  = 0,7;  = 25...60). ............................................................................ 107 Bảng 4.4: Trị số góc  “tới hạn” phụ thuộc tỷ số L/R ( = 0,7, R/r =1)....... 110 Bảng 4.5: So sánh hệ số phát xạ hiệu dụng e,n của hốc phát xạ nghiên cứu (trƣờng hợp R/r = 1 và R/r =1,08). ............................................................... 112 Bảng 4.6: Hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ (L/R =3; R/r =1,08;  = 55) với các giá trị  = 0,7; 0,8; 0,9 và 0,92. ................................................. 115 Bảng 4.7: Phân bố nhiệt độ bề mặt đáy nón. ................................................ 126 Bảng 4.8: Thông số kỹ thuật chính của module IR118 ................................ 138 Bảng 4.9: Thông số kỹ thuật các hệ quang học hồng ngoại ......................... 139 Bảng 4.10: Đánh giá bất đồng nhất ảnh. ....................................................... 142 10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Độ trƣng bức xạ [47]. ...................................................................... 20 Hình 1.2: Hệ tọa độ cầu và đơn vị góc khối d [47]. ..................................... 20 Hình 1.3: Phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối (1.15)......................................... 24 Hình 1.4: Đặc trƣng phân bố phổ của các nguồn bức xạ [51]. ....................... 26 Hình 1.5: Một số dạng hốc phát xạ có khẩu độ ra lớn [26]. ........................... 27 Hình 1.6: Bức xạ thoát ra từ bề mặt của hốc phát xạ vật đen. ........................ 29 Hình 2.1: Hệ số phát xạ hiệu dụng phụ thuộc kích thƣớc và hệ số phát xạ bề mặt của hốc phát xạ hình trụ (2.7). ................................................................. 38 Hình 2.2: Xây dựng phƣơng trình tích phân cơ bản cho hệ số phát xạ hiệu dụng. ................................................................................................................ 39 Hình 2.3: Kiến trúc hình học hốc hình trụ, đáy nón lõm [39]. ....................... 43 Hình 2.4: Hàm phân bố độ phản xạ lƣỡng hƣớng BRDF [77]. ...................... 49 Hình 2.5: Độ nhám bề mặt và các hiện tƣợng phản xạ [80]. .......................... 49 Hình 2.6: Mô hình phản xạ bề mặt khuếch tán –gƣơng đồng nhất (USD) [81]. ......................................................................................................................... 50 Hình 2.7: Mô hình phản xạ bề mặt 3 thành phần (3C BRDF) [81]. ............... 51 Hình 2.8: Mô hình phản xạ kiểu gƣơng do chiếu sáng của Phong [86]. ........ 52 Hình 2.9: Mô phỏng dựa trên phát xạ. ............................................................ 57 Hình 2.10: Sơ đồ hệ thống đo bức xạ phản xạ dùng nguồn laser [63]............ 62 Hình 2.11: Đo phản xạ laser sử dụng quả cầu tích phân [92]. ........................ 63 Hình 2.12: Sơ đồ đo bức xạ phản xạ dùng đèn sợi đốt ( = 400...700nm) [67]. ......................................................................................................................... 63 Hình 2.13: Sơ đồ đo phản xạ trong dải phổ hồng ngoại dài [93]. ................... 64 Hình 2.14: Sơ đồ khối thiết bị đo trắc xạ [63]. ............................................... 66 Hình 2.15: Sơ đồ khối máy đo phổ kế bức xạ [30]. ........................................ 66 Hình 3.1: Bức xạ hƣớng pháp tuyến của hốc hình trụ - đáy nón lõm. ............ 71 Hình 3.2: Mô hình hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm nghiên cứu. .............. 83 Hình 3.3: Mô hình phản xạ khuếch tán theo hƣớng [101]. ............................. 85 Hình 3.4: Chu trình dò tìm các điểm tƣơng tác............................................... 92 Hình 3.5: Lƣu đồ thuật toán mô phỏng Monte Carlo. .................................... 98 Hình 4.1: Mô hình tối ƣu các tham số thiết kế của hốc phát xạ.................... 102 Hình 4.2: Phân bố của e,n nhƣ là hàm của R/r (L/R= 6,  = 60). ............... 103 11 Hình 4.3: Hàm e,n (R/r) phụ thuộc tỷ số L/R ( trƣờng hợp  =60,  = 0,7).103 Hình 4.4: Hàm e,n (R/r) phụ thuộc góc  ( trƣờng hợp L/R = 6,  = 0,7)..... 103 Hình 4.5: Phân bố của e,n nhƣ là hàm của tỷ số L/R (R/r =1). .................... 106 Hình 4.6: Hàm e,n (L/R) phụ thuộc R/r ( trƣờng hợp  = 55,  = 0,7). ..... 106 Hình 4.7: Phân bố của e,n nhƣ là hàm của  (L/R =3, R/r =1). .................... 108 Hình 4.8: Hàm e,n ( ) phụ thuộc tỷ số L/R (R/r = 1,  = 0,7). .................... 109 Hình 4.9: Phân bố e,n theo góc  phụ thuộc tỷ số R/r (L/R = 3,  = 0,7) .... 110 Hình 4.10: Phân bố e,n nhƣ là hàm của hệ số phát xạ bề mặt  (r=60 mm, R/r =1,08, L/R =3 và  = 55) ............................................................................. 114 Hình 4.11: Phụ thuộc phổ của hệ số hấp thụ và hệ số phản xạ pháp tuyến của một số vật liệu đục [68]. ................................................................................ 116 Hình 4.12: Sơ đồ cấu tạo chung của máy phát nhiệt TE [112]. .................... 117 Hình 4.13: Biểu đồ xác định các tham số cực đại của máy phát nhiệt TE hoạt động ở chế độ làm lạnh trong điều kiện tiêu chuẩn [112]. ........................... 119 Hình 4.14: Đặc tuyến hoạt động của module AC-027 [114]. ....................... 120 Hình 4.15: Sơ đồ vòng điều khiển nhiệt độ. ................................................. 122 Hình 4.16: Nguồn bức xạ giả vật đen đƣợc chế tạo. ..................................... 123 Hình 4.17: Sơ đồ mặt cắt ngang của khối nguồn bức xạ. ............................. 124 Hình 4.18: Sơ đồ đấu dây hệ thống của thiết bị nguồn giả vật đen. ............. 124 Hình 4.19: Phân vùng khảo sát phân bố nhiệt độ bề mặt đáy nón. ............... 126 Hình 4.20: Chênh lệch giữa nhiệt độ bức xạ trung bình của bề mặt đáy nón TTB và nhiệt độ đặt TSV. .................................................................................. 127 Hình 4.21: Sơ đồ quang học phổ kế bức xạ SR 5000 [118]. ........................ 128 Hình 4.22: Khảo sát đặc trƣng bức xạ nguồn giả vật đen đƣợc chế tạo. ...... 130 Hình 4.23: Cửa sổ truyền qua của khí quyển đối với phổ hồng ngoại [51]. . 131 Hình 4.24: Thành phần cấu tạo camera ảnh nhiệt sử dụng IR FPA[18]. ...... 132 Hình 4.25: Hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh cho camera ảnh nhiệt (NUC). ..... 134 Hình 4.26: Hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh bằng chuẩn hóa 2 điểm [4]. ........ 135 Hình 4.27: Sơ đồ bố trí thực nghiệm đánh giá hiệu quả NUC. .................... 138 Hình 4.28: Module IR 118 không làm lạnh. ................................................. 138 Hình 4.29: Ảnh bức xạ hốc vật đen ở 20C trƣớc (a) và sau khi NUC (b)... 141 Hình 4.30: Biểu độ phân bố mức xám của ảnh bức xạ hốc vật đen ở 20C trƣớc (a) và sau NUC(b)................................................................................ 141 12 Hình 4.31: Hình ảnh cảnh quan trƣớc và sau khi NUC. ............................... 143 Hình 4.32: Bố trí thực nghiệm hiệu chỉnh NUC cho camera ảnh nhiệt trong phòng thí nghiệm. .......................................................................................... 143 Hình 4.33: Nguồn giả vật đen đƣợc triển khai sử dụng cho kỹ thuật NUC ảnh nhiệt ở điều kiện thực địa. ............................................................................. 144 13 MỞ ĐẦU Khoa học và công nghệ hồng ngoại là một lĩnh vực mới nổi trong những thập niên gần đây do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vật liệu bán dẫn, công nghệ quang tử, quang điện tử và các công nghệ tích hợp hiện đại [1,2]. Một số lớn các ứng dụng về hồng ngoại (IR) đều dựa vào ảnh nhiệt, liên quan tới tạo ảnh hồng ngoại [2-4]. Các thiết bị camera ảnh nhiệt (thermal cameras) có khả năng thu nhận và hiển thị phân bố bức xạ nhiệt của cảnh quan trong trƣờng nhìn của ống kính vật dƣới dạng ảnh nhìn thấy hai chiều (2D) [4-6]. Với đặc điểm này, camera ảnh nhiệt đƣợc sử dụng ngày càng phổ biến cho các yêu cầu nhìn đêm hay phục vụ cho các hệ thống quang điện tử hiện đại có tính năng hoạt động ngày đêm [1,3,7-9]. Các camera ảnh nhiệt sử dụng cảm biến vùng hồng ngoại dƣới dạng mảng tiêu diện phẳng (IR FPA) giữ vị trí thống lĩnh trong các ứng dụng ảnh hồng ngoại hiện nay [2,3,5,6,10-13]. Cấu tạo chung của IR FPA bao gồm một ma trận tích hợp một số lƣợng lớn các phần tử thu, một mạch đọc điện tử (ROIC) với cơ chế dồn kênh và một số các kênh khuếch đại song song [2,5,11-13]. Vì vậy, các camera ảnh nhiệt có bản chất là hệ thu nhận và xử lý tín hiệu đa kênh với tín hiệu lối vào có mức tín hiệu/tạp (SNR) rất thấp [14]. Các thiết bị này có một hạn chế mang tính đặc trƣng là ảnh hiển thị lối ra thƣờng bị ảnh hƣởng của tạp kiểu hoa văn cố định (FPN) [2,4,5,11,15]. Nguyên nhân của hiện tƣợng FPN là: i) Bất đồng nhất đáp ứng của các thành phần cảm biến (các phần tử thu trên FPA và mạch đọc ROIC) do hạn chế của công nghệ chế tạo cảm biến, ii) Hiện tƣợng phản xạ nhiệt bên trong hệ quang cơ của camera do sai sót trong thiết kế, chế tạo, và iii) Sự suy biến các tham số làm việc của hệ thống do nhiệt độ và thời gian khai thác [4,5,16-19]. Đối với các camera ảnh nhiệt chuyên dụng có tính năng quan sát, phát hiện đối tƣợng có kích thƣớc nhỏ ở khoảng cách lớn, hiện tƣợng các tạp FPN hiển thị chồng chập trên ảnh bức xạ cảnh quan sẽ ảnh hƣởng tới chất lƣợng thông tin đƣợc đăng tải trên ảnh nhận đƣợc, làm suy giảm mức tín/tạp tới mức khó nhận dạng ảnh [5,15]. Để nhận đƣợc ảnh bức xạ nhiệt có chất lƣợng phù hợp với mục đích sử dụng, cần phải có biện pháp giảm thiểu ảnh hƣởng của các yếu tố sinh ra FPN. Kỹ thuật phổ biến đƣợc áp dụng là hiệu chỉnh bất đồng nhất (NUC), dựa trên chuẩn hóa các đặc trƣng đáp ứng của các thành phần và hệ thống của camera ảnh nhiệt [2,5,16-21]. Hiện có 2 kỹ thuật chính đƣợc sử 14 dụng cho mục đích xử lý NUC ảnh nhiệt [5,16-18,21-24], đó là: i) Hiệu chuẩn tuyến tính (linear calibration) dựa trên các phông nền bức xạ chuẩn (chuẩn hóa 1 điểm, 2 điểm hoặc đa điểm), và ii) Hiệu chuẩn thích nghi (adaptive calibration) bằng cách xử lý ảnh hiển thị theo phông nền bức xạ tự nhiên. Trong thực tiễn, kỹ thuật (i) đƣợc sử dụng rất rộng rãi do tính chính xác và đơn giản của nó. Phần lớn các camera ảnh nhiệt thƣơng mại dùng cho mục đích quan sát đều cho phép ngƣời dùng thực hiện quy trình NUC ảnh nhiệt dựa trên kỹ thuật hiệu chuẩn tuyến tính [16,19,25]. Các nguồn bức xạ chuẩn dựa trên hốc phát xạ có khẩu độ ra bức xạ lớn đƣợc sử dụng cho kỹ thuật hiệu chuẩn tuyến tính [13,17,26,27]. Hiện có nhiều tên gọi khác nhau để chỉ các nguồn bức xạ chuẩn dựa trên hốc phát xạ, ví dụ nhƣ: vật đen kỹ thuật, nguồn giả vật đen, nguồn vật đen mẫu, nguồn bức xạ nhiệt chuẩn…[28]. Để thuận tiện, nếu không có chú giải đặc biệt, trong luận án này sẽ sử dụng thuật ngữ “nguồn giả vật đen” để chỉ các nguồn bức xạ chuẩn nói trên, và các hốc phát xạ dùng trong nguồn giả vật đen đƣợc gọi là “hốc phát xạ vật đen”. Tùy thuộc vào các yêu cầu ứng dụng mà các hốc phát xạ vật đen đƣợc thiết kế để có thể tạo ra chùm bức xạ tại khẩu độ ra của hốc có tính chất là chuẩn trực, hội tụ, phân kỳ hoặc khuếch tán đều [17,27,29,30]. Đặc trƣng bức xạ của các nguồn giả vật đen đƣợc mô tả bởi đại lƣợng hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng có tính chất phụ thuộc vật liệu cấu tạo, cấu trúc hình học của các hốc phát xạ và hƣớng quan sát bức xạ [26,28]. Nguồn giả vật đen có hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng càng gần với đơn vị, bức xạ ra của nó trên hƣớng ấy có đặc trƣng càng gần giống hơn với bức xạ của nguồn vật đen tuyệt đối (hay bức xạ mô tả đƣợc bởi luật bức xạ Plank) [26,28]. Trong quá trình thiết kế và khảo sát đặc trƣng bức xạ của các nguồn giả vật đen, tính toán là phƣơng pháp phổ biến để xác định đại lƣợng vật lý quan trọng này. Hai phƣơng pháp tính toán chủ yếu đƣợc áp dụng là: Phƣơng pháp toán học dựa trên mô tả trao đổi trao đổi nhiệt bức xạ giữa các bề mặt hốc bằng giải tích (hay còn gọi là phƣơng pháp hốc tích hợp ICM - Integrative Cavity Method), và phƣơng pháp Monte Carlo (MCM - Monte Carlo Method) dựa trên cách tiếp cận ngẫu nhiên đối với các quá trình bức xạ [31]. Hiện nay, các nguồn giả vật đen thƣơng mại dựa trên hốc phát xạ dùng để hiệu chuẩn camera ảnh nhiệt với khẩu độ ra bức xạ lớn (100 - 500) và hệ số phát xạ hiệu dụng cao ( 0,9xx) có giá thành khá cao (hàng chục nghìn 15 USD). Cho đến nay, các nguồn giả vật đen đƣợc nhập ngoại về nƣớc ta chủ yếu phục vụ cho các nghiên cứu đo lƣờng bức xạ trong phòng thí nghiệm, không phù hợp cho các ứng dụng trên thực địa. Những năm gần đây, Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học và Công nghệ đã triển khai nghiên cứu và ứng dụng ảnh nhiệt trên các hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu tự động hoạt động ngày đêm [8,9,32-36]. Để giải quyết các yêu cầu quan sát tầm gần (<10 km), các camera ảnh nhiệt sử dụng micrrobolometer FPA, hoạt động ở vùng hồng ngoại bƣớc sóng dài (LWIR), với những ƣu điểm là không cần làm lạnh, giá thành thấp, bảo đảm kỹ thuật dễ dàng với chi phí thấp... đang đƣợc quan tâm và tập trung nghiên cứu tại Viện. Trong quá trình phát triển và ứng dụng các camera kể trên, yêu cầu xử lý NUC hình ảnh dựa trên kỹ thuật hiệu chỉnh bằng chuẩn hóa đƣợc đặt ra nhằm tạo ảnh hiển thị của bức xạ nhiệt có chất lƣợng đáp ứng đƣợc các yêu cầu ứng dụng chuyên dụng nhƣ phát hiện, phân biệt và nhận dạng ảnh đối tƣợng có kích thƣớc nhỏ trong chuỗi ảnh nhiệt video [18,29,37]. Vấn đề tự thiết kế, chế tạo một kiểu nguồn giả vật đen có các đặc trƣng bức xạ đáp ứng đƣợc yêu cầu hiệu chỉnh NUC bằng chuẩn hóa cho camera ảnh nhiệt, triển khai ứng dụng đƣợc trong điều kiện khai thác thực tế, là yêu cầu cấp thiết cho nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các camera ảnh nhiệt tại nƣớc ta. Ở trong nƣớc, việc nghiên cứu chế tạo các nguồn giả vật đen tƣơng tự chƣa thấy công bố. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh thu bởi camera ảnh nhiệt vùng 8-12 m”. Mục tiêu của luận án là tạo các phƣơng pháp và công cụ tính hiệu quả để thiết kế và chế tạo nguồn bức xạ giả vật đen dựa trên hốc phát xạ phục vụ cho kỹ thuật hiệu chỉnh bất đồng nhất bằng hiệu chuẩn tuyến tính cho camera ảnh nhiệt vùng LWIR, phù hợp với điều kiện khai thác thực tế của các thiết bị này. Chúng tôi lựa chọn một kiểu dạng hốc phát xạ đƣợc sử dụng rộng rãi trong các nguồn bức xạ giả vật đen - đó là hốc hình trụ, đáy nón lõm - để nghiên cứu cho mục đích trên. Ƣu điểm của nguồn bức xạ kiểu này là có chi phí chế tạo thấp; hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng của hốc phát xạ cao; bức xạ ra có xu hƣớng chuẩn trực, phân bố đều trên khẩu độ; khẩu độ ra bức xạ lớn, trong khi chiều dài tổng thể của hốc tƣơng đối ngắn phù hợp với nhiều 16