Nghiên cứu & Phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh camera ảnh nhiệt vùng 8-12µm

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. 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. 14 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ VẬT ĐEN.

Các đại lƣợng đặc trƣng bức xạ nhiệt. Công suất bức xạ. Độ trƣng bức xạ. Cƣờng độ bức xạ.

Hấp thụ, phản xạ, truyền qua bức xạ. Bức xạ của vật đen tuyệt đối. Năng suất phát xạ đơn sắc. Đặc trƣng phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối.

Định luật Stefan - Boltzmann. Định luật Wien. Cơ sở lý thuyết bức xạ nguồn giả vật đen. Phát xạ của vật thực.

Hốc phát xạ của nguồn bức xạ giả vật đen. Kiểu dạng hốc phát xạ. Dòng bức xạ từ một bề mặt hốc phát xạ. Hệ số phát xạ hiệu dụng.

Nhiệt độ bức xạ. Tính bất đẳng nhiệt của hốc phát xạ thực. Kết luận Chƣơng 1. 34 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG BỨC XẠ CỦA HỐC PHÁT XẠ VẬT ĐEN.

Phƣơng pháp tính toán tất định. Các biểu thức tính toán gần đúng. Phƣơng pháp giải tích. Phƣơng trình tích phân cơ bản.

Các phƣơng trình tính hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm. Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo. Phƣơng pháp Monte Carlo trong đo lƣờng bức xạ. Mô hình hóa ngẫu nhiên các tính chất quang học của bề mặt 47 2.

Xác suất các quá trình lan truyền và tƣơng tác bức xạ. Kỹ thuật gán trọng số thống kê. Mô phỏng Monte Carlo trong tính toán đặc trƣng bức xạ của hốc phát xạ. Phƣơng pháp mô phỏng dựa trên phát xạ.

Phƣơng pháp mô phỏng dựa trên hấp thụ bức xạ. Phƣơng pháp đo lƣờng thực nghiệm. Các phƣơng pháp đo phản xạ. Đo phản xạ bằng laser.

Đo phản xạ bằng nguồn bức xạ dải rộng. Đo lƣờng trắc xạ các nguồn bức xạ vật đen. Các thiết bị đo trắc xạ (radiometers). Các máy đo phổ kế bức xạ (spectroradiometers).

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. 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. Tính các hệ số góc trong phƣơng trình hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón.

Biến đổi các biểu thức hệ số góc. Xử lý các điểm kỳ dị. Tính toán hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón bằng kỹ thuật đa thức nội suy. Lựa chọn dạng đa thức nội suy.

Nghiên cứu tính hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón. 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. Mô hình hóa hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm. Giả định các đặc trƣng quang học của hốc phát xạ.

Mô hình phân bố phản xạ của bề mặt hốc. Xác định đặc trƣng bức xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc phát xạ. Mô phỏng lan truyền bức xạ trong hốc phát xạ. Xây dựng giải thuật mô phỏng.

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. Các yêu cầu đối với nguồn giả vật đen. Yêu cầu sử dụng.

Các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu. Kiểu dạng hốc phát xạ. Dải phổ bức xạ. Kích thƣớc khẩu độ ra.

Hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng. Nhiệt độ làm việc. Nguồn điện cung cấp. Yêu cầu thiết kế.

Nghiên cứu thiết kế hốc phát xạ. Nghiên cứu xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ. Khảo sát phân bố củae,n nhƣ là hàm của tỷ số R/r. Khảo sát phân bố củae,n nhƣ là hàm của tỷ số L/R.

Khảo sát phân bố củae,n nhƣ là hàm của góc . Xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ. Đánh giá các tham số thiết kế hệ thống. Lựa chọn vật liệu phát xạ.

Giải pháp cấp nhiệt và điều khiển nhiệt độ. Yêu cầu về nguồn nhiệt. Điều khiển nhiệt độ của đáy nón. Đánh giá đặc trƣng nguồn bức xạ giả vật đen.

Nguồn bức xạ giả vật đen đƣợc chế tạo. Khảo sát nhiệt độ bề mặt đáy nón. Đánh giá đặc trƣng bức xạ bằng phổ kế bức xạ. Xử lý bất đồng nhất ảnh nhiệt.

Mô hình đáp ứng tuyến tính của camera. Hiệu chỉnh tuyến tính bằng chuẩn hóa. Nghiên cứu ứng dụng hiệu chỉnh NUC ảnh nhiệt vùng LWIR. 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.

Biến đổi các biểu thức hệ số góc .1 Biến đổi biểu thức hệ số góc dFx,ap .2Biến đổi biểu thức hệ số góc dFy0,ap .3 Biến đổi biểu thức hệ số góc d2Fy0,x .4 Giá trị của các hệ số góc tại các điểm kỳ dị. Đặc trƣng phát xạ của một số vật liệu. Nguồn giả vật đen. Thiết kế cơ khí khối nguồn bức xạ.

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 Hàm phân bố độ phản xạ Distribution Function lƣỡng hƣớng CCD Charge Couple Devices Linh kiện liên kết điện tích CDF Cumulative Distribution Hàm phân bố tích lũy Function CMOS Complementary Metal-Oxide- Bán dẫn ô xít kim loại bù Semiconductor CTIA Capacitive Trans Impedance Bộ khuếch đại trở kháng Amplifier CVF Circular Variable Filter Bộ lọc vòng biến đổi DHR Directional - Hemispherical Độ phản xạ bán cầu theo Reflectance hƣớng FPA Focal Plane Array Mảng tiêu diện phẳng FPGA Field-Programmable Gate Mảng tích hợp cỡ lớn khả Array trình FPN Fixed Pattern Noise Tạp kiểu hoa văn cố định FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng toàn phần nửa cực đại HSR Heat Sink Resistance 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.D Proportional-Integral- Tính vi tích phân tỷ lệ Derivative 8 PC Personal Computer Máy tính cá nhân PDF Probability Distribution Hàm phân bố xác suất Function PRNG Pseudo-Random Number Bộ tạo số giả ngẫu nhiên Generator PWM Pusle Width Modulation Điều biến độ rộng xung RNG Random Number Generator Bộ tạo số ngẫu nhiên ROIC Read-out Integrated Circuit Mạch đọc RTD Resistance Temperature Cảm biến nhiệt điện trở Detector SNR Signal - to - Noise Ratio Tỷ số tín/tạp TE Thermo-Electric Thuộc điện - nhiệt USD Uniform Specular Diffuse Tính khuếch tán gƣơng đồng nhất 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.