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

Đặc trưng bức xạ của các nguồn giả vật đen được mô tả bởi đại lượng 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

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

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

LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học

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 được 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, hướng 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 hướng dẫn tận tình của GS.TS Nguyễn Đại Hưng, 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 tưởng và phương pháp nghiên cứu, những hiệu đính chất lượng của TS Tạ Văn Tuân, Hội Vật lý Việt nam, trong từng nội dung của luận án

Xin được 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 lượng 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, người thân và bạn bè, luôn là chỗ dựa vững chắc, là nguồn động viên, hỗ trợ vô bờ bến đối với tôi, giúp tôi vượt được mọi khó khăn, trở ngại, đạt được 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

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ VẬT ĐEN 19

1.1 Các đại lượng đặc trưng bức xạ nhiệt 19

1.1.1 Công suất bức xạ 19

1.1.2 Độ trưng bức xạ 19

1.1.3 Độ thoát xạ 21

1.1.4 Cường 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 trưng 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 Chương 1 34

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG BỨC XẠ CỦA HỐC PHÁT XẠ VẬT ĐEN 35

2.1 Phương pháp tính toán tất định 36

2.1.1 Các biểu thức tính toán gần đúng 36

2.1.2 Phương pháp giải tích 39

2.1.2.1 Phương trình tích phân cơ bản 39

2.1.2.2 Các phương trình tính hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm 42

2.2 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo 45

2.2.1 Phương pháp Monte Carlo trong đo lường 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 tương 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 trưng bức xạ của hốc phát xạ 56

2.2.2.1 Phương pháp mô phỏng dựa trên phát xạ 56

2.2.2.2 Phương pháp mô phỏng dựa trên hấp thụ bức xạ 58

2.3 Phương pháp đo lường thực nghiệm 60

2.3.1 Các phương 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 lường 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 chương 2 68

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HỆ SỐ PHÁT XẠ THEO HƯỚNG HIỆU DỤNG CỦA HỐC HÌNH TRỤ - ĐÁY NÓN LÕM 70

3.1 Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng của hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm bằng kỹ thuật đa thức nội suy 70

3.1.1 Tính các hệ số góc trong phương trình hệ số phát xạ địa phương

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 phương 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 phương hiệu dụng của đáy nón 77

3.2 Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ theo hướng pháp tuyến hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm bằng phương 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 trưng 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 trưng bức xạ theo hướng 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 chương 3 96

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG 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 thước khẩu độ ra 100

4.1.2.4 Hệ số phát xạ theo hướng 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 như là hàm của tỷ số R/r 103

4.2.1.2 Khảo sát phân bố củae,n như là hàm của tỷ số L/R 106

4.2.1.3 Khảo sát phân bố củae,n như 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 trưng nguồn bức xạ giả vật đen 122

4.4.1 Nguồn bức xạ giả vật đen được chế tạo 122

4.4.2 Khảo sát nhiệt độ bề mặt đáy nón 125

4.4.3 Đánh giá đặc trưng 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 Chương 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

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 d2 Fy0,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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

 Góc giữa đáy nón và vách trụ

(,) Các góc tọa độ trong hệ tọa độ cầu

,,b,,s Các số giả ngẫu nhiên

 Công suất/ Thông lƣợng quang học/bức xạ

CCD Charge Couple Devices Linh kiện liên kết điện tích CDF Cumulative Distribution

FPGA Field-Programmable Gate

Array

Mảng tích hợp cỡ lớn khả trình

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 Phương pháp hốc tích hợp

LWIR Long Wavelength Infrared Hồng ngoại bước sóng dài

PC Personal Computer Máy tính cá nhân

Bộ tạo số giả ngẫu nhiên

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

Detector

Cảm biến nhiệt điện trở

SNR Signal - to - Noise Ratio Tỷ số tín/tạp

USD Uniform Specular Diffuse Tính khuếch tán gương đồng

nhất

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Đa thức nội suy của hàm tích phân d 2

F yo,x dF x,ap với hệ số phát xạ

bề mặt  = 0,7 79

Bảng 3.2: So sánh các giá trị trung bình của hàm số dF y0,ap và của tích phân dF 2 y0,ap dF x,ap, được tính bằng kỹ thuật đa thức nội suy áp dụng trong luận án và được tính bằng phương 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 hướng 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 (trường hợp L/R = 6,  = 0,7) 105

Bảng 4.3: Giá trị e,n của hốc phát xạ cho hai trường 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 (trường 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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Độ trưng 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 trưng 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 thước và hệ số phát xạ bề mặt của hốc phát xạ hình trụ (2.7) 38

Hình 2.2: Xây dựng phương 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 lưỡng hướng BRDF [77] 49

Hình 2.5: Độ nhám bề mặt và các hiện tượng phản xạ [80] 49

Hình 2.6: Mô hình phản xạ bề mặt khuếch tán –gương 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 gương 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 hướng 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 hướng [101] 85

Hình 3.4: Chu trình dò tìm các điểm tương tác 92

Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán mô phỏng Monte Carlo 98

Hình 4.1: Mô hình tối ưu các tham số thiết kế của hốc phát xạ 102

Hình 4.2: Phân bố của e,n như là hàm của R/r (L/R= 6,  = 60) 103

Hình 4.3: Hàm e,n (R/r) phụ thuộc tỷ số L/R ( trường hợp  =60,  = 0,7) 103

Hình 4.4: Hàm e,n (R/r) phụ thuộc góc  ( trường hợp L/R = 6,  = 0,7) 103

Hình 4.5: Phân bố của e,n như là hàm của tỷ số L/R (R/r =1) 106

Hình 4.6: Hàm e,n (L/R) phụ thuộc R/r ( trường hợp  = 55,  = 0,7) 106

Hình 4.7: Phân bố của e,n như 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 như 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 được 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 T TB và nhiệt độ đặt T SV 127

Hình 4.21: Sơ đồ quang học phổ kế bức xạ SR 5000 [118] 128

Hình 4.22: Khảo sát đặc trưng bức xạ nguồn giả vật đen được 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 trước (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 trước (a) và sau NUC(b) 141

Hình 4.31: Hình ảnh cảnh quan trước và sau khi NUC 143Hình 4.32: Bố trí thực nghiệm hiệu chỉnh NUC cho camera ảnh nhiệt trong phòng thí nghiệm 143Hình 4.33: Nguồn giả vật đen được triển khai sử dụng cho kỹ thuật NUC ảnh nhiệt ở điều kiện thực địa 144

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 trường nhìn của ống kính vật dưới dạng ảnh nhìn thấy hai chiều (2D) [4-6] Với đặc điểm này, camera ảnh nhiệt được 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 dưới 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 lượng 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 trưng là ảnh hiển thị lối ra thường bị ảnh hưởng của tạp kiểu hoa văn cố định (FPN) [2,4,5,11,15] Nguyên nhân của hiện tượng 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 tượng 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 tượng có kích thước nhỏ ở khoảng cách lớn, hiện tượng các tạp FPN hiển thị chồng chập trên ảnh bức xạ cảnh quan sẽ ảnh hưởng tới chất lượng thông tin được đăng tải trên ảnh nhận được, làm suy giảm mức tín/tạp tới mức khó nhận dạng ảnh [5,15] Để nhận được ảnh bức xạ nhiệt có chất lượng phù hợp với mục đích sử dụng, cần phải có biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố sinh ra FPN Kỹ thuật phổ biến được áp dụng là hiệu chỉnh bất đồng nhất (NUC), dựa trên chuẩn hóa các đặc trưng đáp ứng của các thành phần và

hệ thống của camera ảnh nhiệt [2,5,16-21] Hiện có 2 kỹ thuật chính được sử

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) được sử dụng rất rộng rãi do tính chính xác và đơn giản của nó Phần lớn các camera ảnh nhiệt thương mại dùng cho mục đích quan sát đều cho phép người 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 được 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 như: 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 được gọi là

“hốc phát xạ vật đen” Tùy thuộc vào các yêu cầu ứng dụng mà các hốc phát

xạ vật đen được 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 trưng bức xạ của các nguồn giả vật đen được mô tả bởi đại lượng 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 hướng quan sát bức xạ [26,28] Nguồn giả vật đen có hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng càng gần với đơn vị, bức xạ ra của

nó trên hướng ấy có đặc trưng càng gần giống hơn với bức xạ của nguồn vật đen tuyệt đối (hay bức xạ mô tả được bởi luật bức xạ Plank) [26,28] Trong quá trình thiết kế và khảo sát đặc trưng bức xạ của các nguồn giả vật đen, tính toán là phương pháp phổ biến để xác định đại lượng vật lý quan trọng này Hai phương pháp tính toán chủ yếu được áp dụng là: Phương 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 phương pháp hốc tích hợp ICM - Integrative Cavity Method), và phương 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 thương 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

USD) Cho đến nay, các nguồn giả vật đen được nhập ngoại về nước ta chủ yếu phục vụ cho các nghiên cứu đo lường 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 bước sóng dài (LWIR), với những ưu điểm là không cần làm lạnh, giá thành thấp, bảo đảm kỹ thuật

dễ dàng với chi phí thấp đang được 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 được đặt ra nhằm tạo ảnh hiển thị của bức xạ nhiệt có chất lượng đáp ứng được các yêu cầu ứng dụng chuyên dụng như phát hiện, phân biệt và nhận dạng ảnh đối tượng có kích thước 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 trưng bức xạ đáp ứng được yêu cầu hiệu chỉnh NUC bằng chuẩn hóa cho camera ảnh nhiệt, triển khai ứng dụng được 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 nước ta Ở trong nước, việc nghiên cứu chế tạo các nguồn giả vật đen tương tự chưa 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 phương 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 được 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 Ưu điểm của nguồn bức xạ kiểu này là có chi phí chế tạo thấp; hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng của hốc phát xạ cao; bức

xạ ra có xu hướng chuẩn trực, phân bố đều trên khẩu độ; khẩu độ ra bức xạ lớn, trong khi chiều dài tổng thể của hốc tương đối ngắn phù hợp với nhiều

ứng dụng cơ động [29,38-40] Trở ngại lớn trong nghiên cứu chế tạo và phát triển nguồn giả vật đen ở điều kiện nước ta là thiếu hoặc không có các công

cụ tính toán thiết kế Về nguyên tắc, chúng ta có thể tính toán hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng của hốc phát xạ một cách trực tiếp bằng cách áp dụng các biểu thức giải tích mô tả trao đổi trao đổi nhiệt bức xạ giữa các bề mặt hốc (thường là dưới dạng các tích phân bội phức tạp) của các nghiên cứu trước đây [39,40], nhưng cách làm này tốn rất nhiều thời gian, phức tạp và dễ nhầm lẫn Hiện đã có các công cụ phần mềm dựa trên phương pháp mô phỏng Monte Carlo dùng để tính toán hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng của các hốc phát xạ Đặc điểm chung của các phần mềm này là có giao diện trực quan, thao tác dễ dàng, rất phù hợp với công việc thiết kế hốc phát xạ [41,42] Tuy nhiên, những phần mềm thương mại như vậy thường có giá thành cao, khó áp dụng cho quá trình thiết kế hốc phát xạ ở điều kiện trong nước Vì vậy,

việc nghiên cứu, xây dựng các phương pháp và công cụ tính toán phù hợp,

cho phép xác định hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ cần chế tạo, là một vấn đề có ý nghĩa công nghệ quan trọng trong quá trình thiết kế nguồn giả vật đen quan tâm

Trên cơ sở đó, nội dung nghiên cứu chính của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu quá trình trao đổi bức xạ nhiệt trong hốc phát xạ thực và các đặc trưng bức xạ của hốc

- Nghiên cứu các phương pháp tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ và các phương pháp đặc trưng hóa nguồn bức xạ vật đen

- Nghiên cứu xây dựng công cụ và kỹ thuật tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng trong trường hợp hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm Nghiên cứu ứng dụng nguồn giả vật đen được chế tạo thực hiện NUC cho camera ảnh nhiệt

Ngoài mở đầu và kết luận, các nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương như sau:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết về bức xạ vật đen

Chương 2: Các phương pháp xác định đặc trưng bức xạ của hốc phát xạ vật đen

Chương 3: Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ hướng pháp tuyến hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm

Chương 4: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đánh giá đặc trưng nguồn giả vật đen dựa trên hốc hình trụ - đáy nón lõm cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh của camera ảnh nhiệt

Các nghiên cứu của luận án sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm Những đóng góp chính của luận án về mặt khoa học và thực tiễn là:

- Sử dụng kỹ thuật đa thức nội suy bậc 2 để tính hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm trên cơ sở phương trình tích phân mô tả tương tác bức xạ trong hốc khuếch tán hoàn toàn và đẳng nhiệt Phương pháp tiếp cận này chưa thấy công bố trong các công trình khoa học liên quan tới tính toán thiết kế và chế tạo các hốc phát xạ vật đen

- Xây dựng giải thuật tính hệ số phát xạ hướng pháp tuyến hiệu dụng của hốc dạng hình trụ - đáy nón lõm đẳng nhiệt dựa trên kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo cho các quá trình bức xạ Mô hình bề mặt phản xạ khuếch tán theo hướng trên mặt phẳng hai chiều được sử dụng trong các phép mô phỏng Đây là một đóng góp mới trong mô phỏng Monte Carlo để tính toán, thiết kế

hệ thống cho các hốc phát xạ vật đen

- Thiết kế và chế tạo được một thiết bị nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm cho bức xạ ra ở vùng 8-12 m và đạt các yêu cầu kỹ thuật đề ra

- Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở để thiết kế, chế tạo các nguồn giả vật đen dạng vật lý, phục vụ các nghiên cứu về kỹ thuật NUC cho camera ảnh nhiệt trong điều kiện phòng thí nghiệm cũng như trong điều kiện khai thác thực tế của các thiết bị này Đây là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn và có nhu cẩu rất cao trong nghiên cứu - phát triển, ứng dụng và đảm bảo kỹ thuật cho các camera ảnh nhiệt chuyên dụng ở điều kiện Việt nam

- Các kết quả và nội dung nghiên cứu của luận án còn được thể hiện ở các công trình được công bố trong các tạp chí và các hội nghị khoa học chuyên ngành trong nước và quốc tế

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ VẬT ĐEN

Bức xạ nhiệt là hiện tượng biến đổi nhiệt năng (hay nội năng của vật) thành năng lượng sóng điện từ (dải phổ từ 0,1 đến 1.000 m) Mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0 độ tuyệt đối đều phát xạ bức xạ nhiệt Bức xạ nhiệt phát ra bởi một bề mặt bao gồm một dải bước sóng liên tục, với đặc trưng cơ bản là năng lượng bức xạ phân bố phụ thuộc bước sóng và hướng [26,28,43] Bức xạ nhiệt lan truyền trong không gian và tương tác với các môi trường quang tuân thủ các định luật của quang học Trong chương này, chúng tôi trình bày tổng lược về các đặc trưng bức xạ, lý thuyết bức xạ của nguồn vật đen tuyệt đối và nguồn bức xạ giả vật đen

trong đó Q là năng lượng bức xạ, (J); t là thời gian, (s)

Để mô tả phân bố công suất bức xạ theo bước sóng, người ta sử dụng đại lượng công suất bức xạ phổ (spectral radiant power) hay thông lượng phổ (spectral flux), được định nghĩa là công suất bức xạ tại bước sóng  trên một

[26,43-45,47]:

(1.3) với  là bước sóng,  và  là các tọa độ góc trong hệ tọa độ cầu (Hình 1.2)

Từ (1.3), độ trưng bức xạ L được tính như là tích phân của L, theo mọi bước sóng, hay là Do độ trưng phổ luôn mang tính chất

là đại lượng đặc trưng về hướng của bức xạ, nên trong luận án, để thuận tiện, tác giả sử dụng ký hiệu thay vì để biểu diễn độ trưng bức xạ phổ

1.1.3 Độ thoát xạ

Để đặc trưng cho bức xạ rời khỏi bề mặt, người ta sử dụng đại lượng

độ thoát xạ phổ (spectral exitance), M (W.m-2

.m-1), được tính bởi công suất bức xạ phổ thoát khỏi một đơn vị diện tích [26,44]:

xạ ấy là khuếch tán, từ phương trình (1.4) chúng ta có:

(1.7) Tích phân của độ thoát xạ phổ theo mọi bước sóng,

, được gọi là độ thoát xạ tổng của một bề mặt, đặc trưng cho quá trình phát xạ (emission) của bề mặt ấy Độ thoát xạ thường được sử dụng để mô tả phát xạ của bề mặt khuếch tán hoàn toàn hay bề mặt của vật đen tuyệt đối

1.1.4 Cường độ bức xạ

Đại lượng cường độ bức xạ (radiant intensity) I biểu diễn phần thông lượng bức xạ trên một đơn vị góc khối, là một đại lượng có đặc trưng hướng, cũng rất hay được sử dụng trong nghiên cứu đo lường quang bức xạ [45,47]:

trong đó ký hiệu i để chỉ bức xạ chiếu (irradiation) Trong (1.9), là độ trưng phổ của bức xạ có thông lượng chiếu tới một đơn vị của bề mặt chặn theo hướng xác định bởi tọa độ góc tới , trên góc khối xung quanh hướng tới

Để đặc trưng cho bức xạ chiếu trên bề mặt, đại lượng độ rọi phổ

(spectral irradiance) E() (W.m-2.m-1) được sử dụng Trong hệ tọa độ cầu đại lượng này được xác định tương tự (1.4) [26]:

(1.10) Cũng như vậy, độ rọi xạ tổng (iradiance) (W.m -2) được tính

bằng cách lấy tích phân của độ rọi phổ E() (1.10) trên toàn bộ dải bước

sóng

1.2 Hấp thụ, phản xạ, truyền qua bức xạ

Giả sử một bức xạ bị chặn lại bởi một môi trường quang học (chất rắn hoặc chất lỏng) trên đường lan truyền của nó, bức xạ này có thể bị phản xạ, hấp thụ bởi môi trường hoặc truyền qua môi trường ấy Ở trạng thái cân bằng bức xạ trong môi trường đang xét, quy luật bảo toàn năng lượng phải được tuân thủ Hay là [44,45]:

(1.11) trong đó , , , và là thông lượng bức xạ tới, phản xạ, bức xạ

bị hấp thụ và bức xạ truyền qua môi trường tương ứng Chia cả hai vế của (1.11) cho , ta có:

(1.12) được gọi là hệ số phản xạ phổ, hệ số hấp thụ phổ và hệ số truyền qua bức xạ phổ (hay các hệ số bức xạ đơn sắc) của môi trường đang xét, tương ứng Các đại lượng này cũng có tính chất đặc trưng theo hướng

Để mô tả cho tính chất hay khả năng bức xạ nói chung của vật liệu thì , , được gọi là độ phản xạ, độ hấp thụ, độ truyền qua của vật liệu ấy nhằm phân biệt với các hệ số kể trên vốn liên quan tới hệ vật lý cụ thể

1.3 Bức xạ của vật đen tuyệt đối

1.3.1 Năng suất phát xạ đơn sắc

Năng suất phát xạ đơn sắc của một vật r,T là năng lượng bức xạ từ một đơn vị diện tích của vật trong một đơn vị thời gian trên một khoảng bước

sóng d Như vậy, năng suất phát xạ đơn sắc của một bề mặt vật lý chính là

độ thoát xạ phổ M,T của bề mặt ấy [44,45,47]

Đối với vật có khả năng hấp thụ và phát bức xạ nhiệt, theo định luật về bức xạ nhiệt cân bằng của Kirchhoff [26,45,48], ta có tỷ số giữa năng suất

phát xạ đơn sắc r,T và hệ số hấp thụ đơn sắc của một vật bất kỳ ở trạng thái bức xạ nhiệt cân bằng thì không phụ thuộc vào bản chất của vật đó, mà

chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T của vật và bước sóng bức xạ 

(1.13) Hàm là chung cho mọi vật nên được gọi là hàm phổ biến Đối với trường hợp vật có hệ số hấp thụ đơn sắc bằng đơn vị ( ), thì hàm phổ biến chính là năng suất phát xạ đơn sắc của nó ( )

1.3.2 Đặc trưng phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối

Vật đen tuyệt đối (hay còn gọi là vật đen lý tưởng) là vật có khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng mọi bức xạ điện từ tới nó ở mọi nhiệt độ, bất kể bước sóng và hướng tới [26,43-45,47,50] Nói cách khác, theo (1.12) thì vật đen là vật ở trạng thái cân bằng nhiệt động, tương ứng với trường hợp

Bức xạ vật đen tuyệt đối có những đặc tính: đẳng hướng và đồng nhất (bức xạ Lambert); không phân cực, phổ bức xạ liên tục; bức xạ vật đen tại một bước sóng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ Hai vật đen tuyệt đối bất kỳ bức

xạ như nhau ở cùng một nhiệt độ và vật đen tuyệt đối có bức xạ lớn nhất so với bất kỳ vật thể thực nào ở cùng nhiệt độ Trường bức xạ bên trong hốc quang học ở trạng thái cân bằng nhiệt động cũng được coi là bức xạ có đặc tính của vật đen tuyệt đối [26,44,50]

Phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nó, năng lượng trong phổ tuân theo quy luật phân bố bức xạ Plank [26,47]:

(1.14)

trong đó r,T là năng suất phát xạ đơn sắc; h= 6,626 x 10−34(J⋅s) là hằng số

Plank; c=2,998x108 (m⋅s−1) là tốc độ ánh sáng trong chân không;  là bước sóng bức xạ, (m); k = 1,381×10−23(J.K-1) là hằng số Boltzmann; T là nhiệt độ

tuyệt đối

Theo (1.13) thì đối với vật đen tuyệt đối, ta có , với

là độ thoát xạ phổ của vật đen tuyệt đối Do bức xạ vật đen tuyệt đối là bức xạ Lambert, từ (1.14) và (1.7) ta có thể biểu diễn độ trưng bức xạ phổ của vật đen tuyệt đối thông qua phân bố Plank như sau [26]:

(1.15) trong đó là độ trưng bức xạ phổ của vật đen tuyệt đối, c1 = 2hc =3,742 x

10-16 (W.m2) và c2 = hc/k = 1,439× 10-2 (m.K) được gọi là các hằng số bức xạ thứ nhất và thứ hai tương ứng Trên Hình 1.3 trình bày các đường cong đặc trưng phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối ở các nhiệt độ T =280K, 290K và

300K tính theo công thức Plank (1.15) [ 50]

Hình 1.3: Phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối (1.15)

1.3.3 Định luật Stefan - Boltzmann

Từ biểu thức (1.14), ta nhận được giá trị độ thoát xạ tổng (hay năng suất phát xạ toàn phần) của vật đen tuyệt đối bằng cách lấy tích phân đại lượng (hay r,T) trên toàn thang bước sóng ở một nhiệt độ cho trước [26,28]:

9,64  m 9,98  m 10,3  m

(1.16) với  = 5,670×10−8(W.m-2.K-4) là hằng số Stefan - Bolztmann Biểu thức (1.16) cho thấy năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối phụ thuộc vào lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ và là nội dung của định luật Stefan - Boltzmann Điều này cũng giải thích hiện tượng biên độ của các đường cong đặc trưng phổ (Hình 1.3) tăng rất nhanh trên mọi bước sóng nếu nhiệt độ tăng [50]

1.3.4 Định luật Wien

Ứng với mỗi nhiệt độ, đường cong đặc trưng phổ của vật đen tuyệt đối

có một cực đại bước sóng max(T) hoàn toàn xác định Giá trị max nhận được bằng cách tìm cực trị đạo hàm của hay r,T (1.14) theo  [26,28,50]:

(1.17)

trong đó b = 2,898 ×10-3

(m.K) là hằng số Wien Biểu thức (1.17) là nội dung của định luật Wien, mô tả quan hệ tỷ lệ nghịch giữa bước sóng max (T) ứng với cực đại bức xạ của vật đen tuyệt đối và nhiệt độ bức xạ Trên Hình 1.3

nhiệt độ T càng tăng, max (T) càng dịch về phía bước sóng ngắn hơn

1.4 Cơ sở lý thuyết bức xạ nguồn giả vật đen

1.4.1 Phát xạ của vật thực

Trong thực tế không tồn tại vật đen tuyệt đối Một bề mặt đặc ( ) không cho bức xạ truyền qua nhưng vẫn phản xạ một phần bức xạ tới Đối với mặt thực, ta luôn có hay Các bề mặt phát xạ hoặc phản

xạ khuếch tán đều theo bán cầu phía trên bề mặt được gọi là các bề mặt khuếch tán hay bề mặt Lambert [26,28,45,47,50]

Xét một hốc phát xạ đẳng nhiệt có vách hốc là vật liệu đặc, định luật Kirchhoff cho rằng, tại một điểm trên bề mặt hốc ở nhiệt độ và bước sóng bức

xạ bất kỳ, hệ số phát xạ phổ theo hướng của nó thì bằng hệ số hấp thụ phổ tại điểm đó đối với bức xạ tới theo hướng ngược lại [48]:

(1.18)

Sử dụng công thức (1.13), ta có quan hệ:

(1.19)

với là độ thoát xạ phổ của vật đen tuyệt đối, là độ thoát xạ phổ của vật phát xạ, là hệ số hấp thụ đơn sắc của vật Như vậy, từ (1.18) và (1.19), để đặc trưng cho khả năng phát xạ của các vật thực, người ta sử dụng đại lượng hệ số phát xạ, ký hiệu là [26,28,47]:

(1.20) Giá trị của cho biết sự sai khác giữa đặc trưng bức xạ của vật thực và đặc trưng bức xạ của vật đen tuyệt đối, hay đặc trưng cho “độ đen” của vật thực Có thể thấy, đối với vật đen tuyệt đối thì hệ số phát xạ của nó cho mọi nhiệt độ và bước sóng bức xạ, không phụ thuộc hướng Vật xám là một trường hợp riêng của các vật phát xạ thực, có đặc trưng phân bố phổ giống với vật đen tuyệt đối và có hệ số phát xạ không phụ thuộc hướng, nhiệt độ và bước sóng, nhưng giá trị luôn nhỏ hơn đơn vị ( ) Đối với các vật thực nói chung, hệ số phát xạ của chúng có tính chất phụ thuộc hướng, nhiệt độ và bước sóng bức xạ, và Vì thế, đặc trưng bức xạ của các vật thực chỉ gần giống với đặc trưng bức xạ của vật đen tuyệt đối ở những dải bước sóng và nhiệt độ nhất định [51,52] (Hình 1.4)

Hình 1.4: Đặc trưng phân bố phổ của các nguồn bức xạ [51]

1.4.2 Hốc phát xạ của nguồn bức xạ giả vật đen

Nguồn bức xạ nhiệt là thiết bị chuẩn không thể thiếu trong đo lường bức xạ Hiện có 2 kiểu nguồn bức xạ nhiệt thương mại được sử dụng phổ biến, đó là: i) nguồn bức xạ dựa trên các hốc phát xạ, và ii) nguồn bức xạ dựa trên các tấm phẳng phát xạ [28,30] Nguồn bức xạ dựa trên hốc phát xạ có hệ



Vật đen tuyệt đối,  = 1

Vật thực,  (  ,T) < 1 Vật xám, < 1

số phát xạ cao hơn các nguồn bức xạ dạng tấm phẳng, tính chất chùm bức xạ

ra của hốc phát xạ có thể điều chỉnh được theo yêu cầu ứng dụng bằng cách thiết kế các dạng hốc tương ứng Do vậy, các nguồn bức xạ nhiệt dựa trên hốc phát xạ (còn gọi là các nguồn giả vật đen) ngày càng được ứng dụng phổ biến, mặc dù chúng có thiết kế phức tạp và giá thành cao hơn so với các tấm phát

Hình 1.5: Một số dạng hốc phát xạ có khẩu độ ra lớn [26]

Các nguồn giả vật đen có khẩu độ ra lớn được quan tâm trong lĩnh vực

kỹ thuật ảnh nhiệt và hầu hết chúng có thiết kế thân hình trụ Xét các hốc phát

xạ điển hình như mô tả trên Hình 1.5 với cùng kích thước L/R (với L là chiều dài, R là bán kính khẩu độ ra) và cùng ở cùng một điều kiện hoạt động, có

một số nhận xét sau [26,41,53]:

- Các hốc có dạng hình học cơ bản như hình nón và hình trụ rất thuận tiện cho gia công Hốc hình nón cho bức xạ ra có góc mở lớn, mô phỏng các bức xạ có tính chất khuếch tán, tuy nhiên hệ số phát xạ của bề mặt khẩu độ ra

có phân bố ít đồng đều nhất trong 4 dạng hốc, giảm nhanh tính từ trục đối xứng của hình nón ra biên khẩu độ Hốc hình trụ cho bức xạ ra có hướng vuông góc với bề mặt khẩu độ (hướng pháp tuyến), chất lượng chùm bức xạ phụ thuộc mạnh vào chiếu dài của hốc, với phân bố hệ số phát xạ đều nhất

trong số các hốc phát xạ đang xét, tăng nhẹ từ tâm đối xứng đến biên hình trụ Tuy nhiên, hốc hình trụ có hệ số phát xạ trung bình thấp hơn hốc hình trụ đáy nón lõm

- Hai dạng hốc lai trụ - nón được quan tâm nhiều trong thực tiễn Điểm mạnh của các dạng hốc kiểu lai là cho phép chế tạo nguồn bức xạ với chiều dài ống trụ ngắn, phù hợp với các ứng dụng cơ động, đồng thời vẫn tận dụng được các ưu điểm của các dạng hốc cơ bản Hốc hình trụ - nón cho bức

xạ ra có xu hướng hội tụ trong không gian, trong khi đó, hốc hình trụ - đáy nón lõm cho bức xạ ra có xu hướng song song (chuẩn trực tương đối) Hệ số phát xạ của hốc hình trụ - nón có tính chất của hốc hình nón, giảm dần từ tâm

ra ngoài, nhưng phân bố phát xạ của hốc khá đồng đều, chỉ đứng sau hốc có kiến trúc hình trụ Trong khi đó, bức xạ của hốc hình trụ - đáy nón lõm có tính chất bức xạ của hình trụ, nhưng với góc mở nhỏ hơn và hệ số phát xạ cao hơn,

độ đồng đều bức xạ tốt hơn kiến trúc nón [41]

Trên cơ sở đó, luận án định hướng lựa chọn hốc phát xạ có dạng hình trụ - đáy nón lõm là đối tượng nghiên cứu để thiết kế và chế tạo nguồn giả vật đen quan tâm

1.4.2.2 Dòng bức xạ từ một bề mặt hốc phát xạ

Xét một hốc phát xạ bất kỳ có khẩu độ mở với kích thước nhất định (Hình 1.6) Dòng bức xạ từ diện tích bề mặt của vách hốc tới khẩu độ ra theo hướng bao gồm 2 thành phần: i) Thành phần tự phát xạ (hay còn gọi là phát xạ thuần) bởi chính bề mặt theo hướng phụ thuộc hệ số phát xạ thuần của vật liệu  và nhiệt độ T của bề mặt ấy; và ii) Thành phần bức xạ

hình thành bởi sự phản xạ theo hướng đối với các bức xạ từ các bề mặt còn lại trong hốc tới , phụ thuộc tính chất phản xạ của bề mặt Cụ thể, trên

Hình 1.6, phần bức xạ phát từ bề mặt A 1 bị phản xạ một lần tại theo hướng

và thoát ra ngoài khẩu độ Tương tự, phần bức xạ phát từ bề mặt bị phản

xạ một lần tại , tiếp tục bị phản xạ lần 2 tại và cũng đóng góp vào dòng bức xạ từ thoát ra ngoài khẩu độ theo hướng Như vậy, độ trưng bức xạ thoát ra từ bề mặt đang xét chính là tổng của độ trưng thành phần phát xạ thuần và độ trưng thành phần phản xạ của bề mặt

ấy [26]:

(1.21) trong đó, theo (1.20) thì thành phần phát xạ thuần của bề mặt là:

là độ trưng bức xạ rọi, là góc tới, là góc đặc xung quanh hướng bức

xạ rọi Nếu bề mặt hốc là khuếch tán hoàn toàn (bề mặt Lambert) và đẳng nhiệt, các bức xạ rọi từ các bề mặt còn lại trong hốc tới bề mặt quan tâm có

thể được biểu diễn thông qua các hệ số góc, đặc trưng cho góc đặc mà bề mặt

đang xét “nhìn” các bề mặt khác trong hốc Ta cũng nhận thấy rằng các hệ số góc sẽ phụ thuộc vào hình dạng của hốc phát xạ [26,28,39,40,45,50]

Hình 1.6: Bức xạ thoát ra từ bề mặt của hốc phát xạ vật đen

Thay (1.22) và (1.23) vào (1.21), ta có dòng bức xạ thoát ra từ một đơn

vât liệu cấu tạo vách hốc Dòng bức xạ này luôn lớn hơn phát xạ của một đơn

vị diện tích bề mặt phát xạ phẳng, được làm từ cùng vật liệu và ở cùng một nhiệt độ, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng hốc Mặt khác, sự có mặt của khẩu độ làm cho quá trình phát xạ thuần và phản xạ của hốc ít hơn so với hốc vật đen lý tưởng vốn là một hốc kín hoàn toàn Vì vậy, công suất bức xạ của khẩu độ hốc phát xạ vật đen là luôn nhỏ hơn công suất bức xạ của vật đen tuyệt đối, và tồn tại sự khác biệt trong phân bố phổ của các đặc trưng bức xạ (Hình 1.4) [26,28]

Hệ số phát xạ phổ địa phương theo hướng hiệu dụng là đại lượng đặc trưng quan trọng nhất cho nguồn giả vật đen [26,28,47]:

các đại lượng đặc trưng bức xạ khác như độ thoát xạ hay cường độ bức xạ của hốc phát xạ và vật đen tuyệt đối ở cùng điều kiện

Hệ số phát xạ địa phương tổng theo hướng hiệu dụng tính được bằng cách lấy tích phân (1.25) trên toàn dải phổ Áp dụng công thức Steffan – Boltzmann (1.16), ta có:

(1.26) Trường hợp bề mặt hốc là khuếch tán (bề mặt Lambert), người ta sử dụng khái niệm hệ số phát xạ phổ bán cầu địa phương hiệu dụng

được xác định thông qua đại lượng độ thoát xạ phổ địa phương và tích phân góc khối theo bán cầu:

(1.27) Tích phân (1.27) trên toàn dải phổ, nhận được hệ số phát xạ bán cầu địa phương tổng hiệu dụng của hốc khuếch tán:

(1.28)

1.4.2.4 Nhiệt độ bức xạ

Từ công thức (1.25), ta có thể mô tả độ trưng phổ theo hướng của một hốc phát xạ ở nhiệt độ bức xạ thực trong quan hệ với hệ số phát xạ phổ theo hướng hiệu dụng của hốc và độ trưng phổ của vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ tham chiếu :

(1.29) Việc thêm biến số vào hàm độ trưng phổ theo hướng của hốc phát

xạ nhằm làm rõ một thực tế, đó là hốc phát xạ ở nhiệt độ có độ trưng phổ theo hướng tương đương độ trưng phổ của vật đen tuyệt đối ở cùng bước sóng với nhiệt độ nhân với hệ số phát xạ phổ hiệu dụng theo hướng ở nhiệt độ Như vậy, được gọi là nhiệt độ của độ trưng bức xạ của hốc phát xạ Do

tính được bằng công thức Plank (1.15), ta có [28]:

(1.30)

Trong thực tế, người ta hay sử dụng khái niệm nhiệt độ bức xạ được

xác định dựa trên các công thức tính hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ theo các đại lượng độ thoát xạ (1.20), (1.28) [28]:

(1.31)

1.4.2.5 Tính bất đẳng nhiệt của hốc phát xạ thực

Trạng thái cân bằng nhiệt động lý tưởng chỉ có thể tồn tại trong một hốc kín hoàn toàn, có thành hốc được làm từ vật liệu thuần nhất ở nhiệt độ đồng đều, như bên trong một quả cầu đóng kín [26,28,43,47] Các vật thực có nhiệt độ bề mặt không đổi theo thời gian thì được coi là ở trạng thái cân bằng nhiệt, bức xạ đo được ở trạng thái này có tính chất đẳng nhiệt [26,28,47]

Thực tế thì các nguồn bức xạ đẳng nhiệt là rất khó chế tạo do yêu cầu chất lượng đòi hỏi rất cao Các hốc phát xạ thực thường có tính chất bất đẳng nhiệt nào đó, với sự tồn tại các gradient nhiệt độ của vách hốc theo không gian và theo thời gian, làm tăng tính bất định của dòng bức xạ thoát ra từ bề mặt hốc phát xạ, nên khó xác định chính xác hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc Trong trường hợp này, người ta có thể biểu diễn hệ số phát xạ phổ địa phương theo hướng hiệu dụng của một hốc phát xạ ở điều kiện bất đẳng nhiệt

dưới dạng [28,57,58]:

(1.32) trong đó số hạng thứ nhất vế phải là hệ số phát xạ phổ địa phương theo hướng hiệu dụng của hốc phát xạ ở điều kiện đẳng nhiệt, số hạng thứ hai

là lượng hiệu chỉnh ở điều kiện bất đẳng nhiệt, phụ thuộc nhiệt độ vách hốc

Do bức xạ nhiệt là sóng điện từ, lan truyền tuân thủ quy luật thuận nghịch quang học [26,28,52,59], có thể coi độ trưng bức xạ trên khẩu độ hốc phát xạ của bức xạ thoát khỏi một phần bề mặt trong của hốc chính là độ trưng bức xạ rọi có cùng giá trị đi qua diện tích khẩu độ theo chiều ngược lại tới diện tích bề mặt đang xét Trong trường hợp đó, số hạng

của (1.32) có thể được tính toán dựa trên kỹ thuật theo dấu

tia (ray tracing) Theo đó, khi theo dấu một tia đi từ điểm quan sát vào hốc phát xạ, người ta xác định được tọa độ các điểm phản xạ của nó trên vách hốc Tại các điểm này, độ trưng phổ của hốc phát xạ được tính toán theo công thức Planck (1.15) ở nhiệt độ của điểm ấy Ta có [28]:

(1.33)

với là hệ số phản xạ và hệ số phát xạ thuần của bề mặt vách hốc; i

=1, ,N là số lần phản xạ của tia bị theo dấu trên vách hốc; là

nhiệt độ vách hốc tại điểm phản xạ thứ i

Mặt khác, đối với nguồn giả vật đen hoạt động ở nhiệt độ phòng, hệ số phát xạ phổ địa phương theo hướng hiệu dụng của hốc phát xạ ở điều kiện bất đẳng nhiệt còn chịu ảnh hưởng của bức xạ phông nền [28,58]:

(1.34)

trong đó là hệ số phát xạ phổ địa phương theo hướng hiệu dụng

ở điều kiện bất đẳng nhiệt; là hệ số phát xạ phổ địa phương theo hướng hiệu dụng ở điều kiện đẳng nhiệt; là nhiệt độ phông nền

Hệ số phát xạ tổng theo hướng hiệu dụng xét trong điều kiện bất đẳng nhiệt và có ảnh hưởng của bức xạ phông nền được tính bằng cách tích phân (1.34) theo toàn bộ bước sóng [28]:

(1.35) Như vậy, các đại lượng hệ số phát xạ hiệu dụng của một hốc là các hàm

số của các tham số hốc: kiến trúc hình học (tọa độ ), đặc trưng phát xạ của vật liệu ( ), và nhiệt độ bề mặt hốc phát xạ ( ) ((1.25) -(1.35)) Để

có thể nhận được bức xạ ra của hốc phát xạ vật đen có đặc trưng càng giống với đặc trưng của bức xạ vật đen tuyệt đối càng tốt, hốc phát xạ phải được thiết kế và chế tạo tối ưu cho các tham số này Trong quá trình thiết kế hốc phát xạ, các đặc trưng bức xạ của hốc đang thiết kế luôn được xem xét trước

tiên ở điều kiện đẳng nhiệt Các lượng hiệu chỉnh ở điều kiện bất đẳng nhiệt hay ảnh hưởng phông nền thường được xác định trong quá trình hiệu chỉnh, hoàn thiện thiết kế và đặc trưng hóa nguồn bức xạ, nếu cần thiết

1.5 Kết luận Chương 1

Chương 1 trình bày tổng lược về các cơ sở lý thuyết của nhiệt bức xạ, bức xạ của vật đen tuyệt đối và bức xạ của vật thực, đặc biệt là bức xạ của hốc phát xạ Nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm cho bức xạ ra có tính định hướng, hệ số phát xạ cao và phân bố bức xạ đồng đều, phù hợp với ứng dụng chuẩn hóa ảnh nhiệt

Dòng bức xạ thoát ra từ bề mặt hốc phát xạ bao gồm thành phần phát

xạ thuần và thành phần phản xạ Do hiệu ứng này, hốc phát xạ được đặc trưng bởi các đại lượng hệ số phát xạ hiệu dụng Hệ số phát xạ phổ theo hướng hiệu dụng là đại lượng đặc trưng bức xạ quan trọng nhất của một hốc phát xạ vật đen, có tính chất phụ thuộc vào kiến trúc hình học, đặc trưng quang học của vật liệu làm vách và phân bố nhiệt độ của bề mặt hốc phát xạ Để đánh giá chất lượng của một hốc phát xạ vật đen trong quá trình thiết kế nó, việc tính toán hệ số phát xạ phổ theo hướng hiệu dụng của hốc ở điều kiện đẳng nhiệt

là một bước bắt buộc

Bằng cách tạo ra các hốc phát xạ có kiến trúc hình học và phân bố nhiệt

độ bề mặt của hốc hợp lý, người ta có thể nhận được bức xạ ra của hốc ấy có đặc trưng xấp xỉ đặc trưng của bức xạ vật đen tuyệt đối, đáp ứng được yêu cầu ứng dụng cụ thể

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG BỨC

XẠ CỦA HỐC PHÁT XẠ VẬT ĐEN

Hệ số phát xạ phổ theo hướng hiệu dụng là đặc trưng quan trọng nhất cần phải xác định cho hốc phát xạ, nhất là trong quá trình thiết kế hốc [26,28,39,40,60-62] Các đặc trưng bức xạ khác của hốc phát xạ đều có thể xác định thông qua đại lượng này

Để xác định hệ số phát xạ phổ theo hướng hiệu dụng của một hốc phát

xạ, người ta có thể sử dụng các phương pháp [26,28]:

- Phương pháp tính toán;

- Phương pháp đo lường thực nghiệm

Phương pháp đo lường thực nghiệm được sử dụng để đo các đặc trưng vật lý của vật liệu phát xạ và để đặc trưng hóa nguồn bức xạ nhiệt bằng thực nghiệm, trong đó có xác định hệ số phát xạ hiệu dụng của nguồn giả vật đen Phương pháp thực nghiệm đòi hỏi sử dụng hệ thống thiết bị đắt tiền và bố trí

mô hình đo lường rất phức tạp, thường chỉ có thể tiến hành đo lường các đại lượng đăc trưng bức xạ của nguồn giả vật đen một cách gián tiếp [28,63]

Hiện nay, tính toán vẫn là phương pháp chủ yếu để xác định các đặc

trưng bức xạ của hốc phát xạ, đặc biệt là trong các công đoạn của quá trình

thiết kế Các phương pháp tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng thường được sử

dụng bao gồm [26,28,31]: i) Phương pháp tính toán tất định, bao gồm các phương pháp tính toán gần đúng và giải tích; và ii) Phương pháp tính toán không tất định, dựa trên mô phỏng bức xạ bằng phương pháp Monte Carlo Các tính toán tất định (i) thường chỉ được tiến hành đối với các hốc phát xạ có dạng tiêu chuẩn và có các bề mặt khuếch tán hoàn toàn (bề mặt Lambert) [39,40,56,60,61] Đối với các hốc có hình dạng phức tạp, bề mặt không khuếch tán hoàn toàn (khuếch tán - gương), thì phương pháp tính toán tất định trở nên hết sức khó khăn Phương pháp mô phỏng Monte Carlo (ii) được coi

là có tính vạn năng trong tính toán hệ số phát xạ phổ hiệu dụng cho mọi dạng hình học của hốc với các bề mặt có tính chất quang học khác nhau [28,43,64]

2.1 Phương pháp tính toán tất định

2.1.1 Các biểu thức tính toán gần đúng

Dưới góc độ công nghệ, phương pháp tính toán gần đúng hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ rất tiện dụng trong bước thiết kế sơ bộ bởi tính đơn giản của nó Các biểu thức tính gần đúng mô tả các quy luật bức xạ nhiệt cơ bản, hốc phát xạ thường được xem xét dưới những điều kiện lý tưởng hóa [26,28,52] như có tính chất phát xạ và phản xạ bức xạ khuếch tán (xấp xỉ Lambert) ở điều kiện đẳng nhiệt Trong các hốc đó, định luật Kirchhoff là áp dụng được cho các đặc trưng bức xạ hiệu dụng theo hướng Nếu

là hệ số hấp thụ, phản xạ và phát xạ theo hướng pháp tuyến (với bề mặt khẩu độ) hiệu dụng của hốc, trường hợp các bề mặt hốc là đặc, ta

Nếu coi mọi bức xạ từ các bề mặt còn lại trong hốc rọi tới diện tích bề mặt đang xét chỉ bị phản xạ một lần theo hướng quan tâm rồi sẽ bị hấp thụ hoàn toàn ở lần tương tác tiếp theo và lưu ý là khẩu độ hốc không phát xạ nên thành phần phản xạ thoát khỏi diện tích đang xét sẽ không có sự đóng góp của phần bức xạ này, có thể tính hệ số phát xạ tổng theo hướng pháp tuyến hiệu dụng của hốc bằng công thức [28]:

(2.1) trong đó là độ phản xạ bán cầu của bề mặt vách hốc, là góc khối bị chặn bởi khẩu độ ra, nhìn từ tâm điểm của một đơn vị diện tích bị rọi bởi tia mảnh

vô cùng Theo (2.1), có tính chất phụ thuộc kích thước khẩu độ ra của hốc: với không đổi, khẩu độ ra càng nhỏ thì hệ số phát xạ theo hướng pháp tuyến hiệu dụng càng gần tới đơn vị

Giả thiết phản xạ có phân bố đều về hướng sau mỗi lần bức xạ rọi tương tác với bề mặt, ta thấy sẽ chỉ có một phần thông lượng phản xạ được thoát ra ngoài qua khẩu độ Bằng cách xét tổng tất cả các thành phần phản xạ

đó, ta có một công thức đơn giản cho phép tính toán hệ số phát xạ tổng hiệu dụng của một hốc phát xạ bất kỳ như sau [28]:

(2.2)