Luận án tiến sĩ vật lí nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh thu bởi camera ảnh nhiệt vùng 8 12m

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: GS.TS Nguyễn Đại Hƣng TS Tạ Văn Tuân Hà Nội – 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sỹ “Nghiên cứu phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh bất đồng ảnh thu camera ảnh nhiêt vùng 12 m” cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu tài liệu luận án trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu Tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Tác giả luận án Nguyễn Quang Minh LỜI CẢM ƠN Luận án đƣợc hoàn thành Viện Vật lý (IoP), Học viện Khoa học Công nghệ (GUST), Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt nam (VAST) Nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể giảng viên, nhà khoa học, cán quản lý Viện Vật lý, Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Việt nam tận tình giảng dạy, giúp đỡ, hƣớng dẫn nghiên cứu sinh trình thực luận án Nghiên cứu sinh biết ơn quan tâm bàn luận, nhận xét phản biện sâu sắc chuyên môn hƣớng dẫn tận tình GS.TS Nguyễn Đại Hƣng, Viện Vật lý, suốt trình học tập nghiên cứu, thực luận án Nghiên cứu sinh trân trọng dẫn ý tƣởng phƣơng pháp nghiên cứu, hiệu đính chất lƣợng TS Tạ Văn Tuân, Hội Vật lý Việt nam, nội dung luận án Xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Viện Ứng dụng Công nghệ (NACENTECH) - Bộ Khoa học Công nghệ tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh thủ tục, giúp đỡ thực đầy đủ khối lƣợng học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án Kết luận án tách rời hỗ trợ chuyên môn, hợp tác hiệu đồng nghiệp cơng tác Trung tâm Tích hợp Cơng nghệ (CSEi), Viện Ứng dụng Công nghệ nghiên cứu thực nghiệm Luận án thành mà tơi muốn gửi tặng gia đình, ngƣời thân bạn bè, chỗ dựa vững chắc, nguồn động viên, hỗ trợ vô bờ bến tôi, giúp tơi vƣợt đƣợc 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 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 xạ nhiệt 19 1.1.1 Công suất xạ 19 1.1.2 Độ trƣng xạ 19 1.1.3 Độ thoát xạ 21 1.1.4 Cƣờng độ xạ 21 1.1.5 Độ rọi xạ 21 1.2 Hấp thụ, phản xạ, truyền qua xạ 22 1.3 Bức xạ vật đen tuyệt đối 23 1.3.1 Năng suất phát xạ đơn sắc 23 1.3.2 Đặc trƣng phổ xạ 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 xạ nguồn giả vật đen 25 1.4.1 Phát xạ vật thực 25 1.4.2 Hốc phát xạ nguồn xạ giả vật đen 26 1.4.2.1 Kiểu dạng hốc phát xạ 27 1.4.2.2 Dòng xạ từ bề mặt hốc phát xạ 28 1.4.2.3 Hệ số phát xạ hiệu dụng 30 1.4.2.4 Nhiệt độ xạ 31 1.4.2.5 Tính bất đẳng nhiệt hốc phát xạ thực 32 1.5 Kết luận Chƣơng 34 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG BỨC XẠ CỦA HỐC PHÁT XẠ VẬT ĐEN 35 2.1 Phƣơng pháp tính tốn tất định 36 2.1.1 Các biểu thức tính toán gần 36 2.1.2 Phƣơng pháp giải tích 39 2.1.2.1 Phƣơng trình tích phân 39 2.1.2.2 Các phƣơng trình tính hệ số phát xạ hiệu dụng hốc hình trụ - đáy nón lõm 42 2.2 Phƣơng pháp mô Monte Carlo 45 2.2.1 Phƣơng pháp Monte Carlo đo lƣờng xạ 46 2.2.1.1 Mô hình hóa ngẫu nhiên tính chất quang học bề mặt 47 2.2.1.2 Xác suất trình lan truyền tƣơng tác 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 Monte Carlo tính tốn đặc trƣng xạ hốc phát xạ .56 2.2.2.1 Phƣơng pháp mô dựa phát xạ 56 2.2.2.2 Phƣơng pháp mô dựa hấp thụ 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 laser 62 2.3.1.2 Đo phản xạ nguồn xạ dải rộng 63 2.3.2 Đo lƣờng trắc xạ nguồn 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 xạ (spectroradiometers) 66 2.3.3 Đo nhiệt độ 67 2.4 Kết luận chƣơng 68 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN HỆ SỐ PHÁT XẠ THEO HƢỚNG HIỆU DỤNG CỦA HỐC HÌNH TRỤ - ĐÁY NĨN LÕM 70 3.1 Nghiên cứu tính tốn hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm kỹ thuật đa thức nội suy 70 3.1.1 Tính hệ số góc phƣơng trình hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng đáy nón 72 3.1.1.1 Biến đổi biểu thức hệ số góc 72 3.1.1.2 Xử lý điểm kỳ dị 74 3.1.2 Tính tốn hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng đáy nón 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 đáy nón .77 3.2 Nghiên cứu tính tốn hệ số phát xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng hốc hình trụ - đáy nón lõm phƣơng pháp mơ Monte Carlo 81 3.2.1 Mơ hình hóa hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm 83 3.2.1.1 Giả định đặc trƣng quang học hốc phát xạ 83 3.2.1.2 Mơ hình phân bố phản xạ bề mặt hốc 85 3.2.2 Xác định đặc trƣng xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng hốc phát xạ 87 3.2.3 Mô lan truyền xạ hốc phát xạ 88 3.2.4 Xây dựng giải thuật mô 91 3.3 Kết luận chƣơng 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 NĨN LÕM CHO HIỆU CHỈNH BẤT ĐỒNG NHẤT ẢNH CỦA CAMERA ẢNH NHIỆT 99 4.1 Các yêu cầu 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 xạ 100 4.1.2.3 Kích thƣớc độ 100 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 tham số thiết kế hốc phát xạ 102 4.2.1.1 Khảo sát phân bố củae,n nhƣ hàm tỷ số R/r 103 4.2.1.2 Khảo sát phân bố củae,n nhƣ hàm tỷ số L/R 106 4.2.1.3 Khảo sát phân bố củae,n nhƣ hàm góc  108 4.2.1.4 Xác định tham số thiết kế hốc phát xạ 111 4.2.1.5 Đánh giá tham số thiết kế hệ thống 114 4.2.2 Lựa chọn vật liệu phát xạ 115 4.3 Giải pháp cấp nhiệt điều khiển nhiệt độ 117 4.3.1 Yêu cầu nguồn nhiệt 117 4.3.2 Điều khiển nhiệt độ đáy nón 121 4.4 Đánh giá đặc trƣng nguồn xạ giả vật đen 122 4.4.1 Nguồn 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 xạ phổ kế xạ 128 4.5 Xử lý bất đồng ảnh nhiệt 132 4.5.1 Mơ hình đáp ứng tuyến tính camera 133 4.5.2 Hiệu chỉnh tuyến tính chuẩn hóa 134 4.5.3 Nghiên cứu ứng dụng hiệu chỉnh NUC ảnh nhiệt vùng LWIR 137 4.6 Kết luận Chƣơng 145 KẾT LUẬN CHUNG 146 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 148 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN 149 TÀI LIỆU THAM KHẢO 150 PHỤ LỤC 163 P1 Biến đổi 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 d2Fy0,x 165 P1.4 Giá trị hệ số góc điểm kỳ dị 167 P2 Đặc trƣng phát xạ số vật liệu 169 P3 Nguồn giả vật đen 171 P3.1 Thiết kế khí khối nguồn xạ 171 P3.2 Mô tả nguồn giả vật đen 177 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU A Diện tích bề mặt xạ b Hằng số Wien c Tốc độ ánh sáng chân không c1,c2 Các số xạ d Đƣờng kính/Khoảng cách D Độ khuếch tán d2F Hệ số góc vi phân E Độ rọi 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 xạ k Hằng số Boltzmann L Độ trƣng/độ chói xạ L,l Độ dài M Năng suất phát xạ/ Độ thoát xạ O,o Hệ số bù Q Năng lƣợng xạ điện từ R,r Bán kính r,T Năng suất phát xạ đơn sắc S,s Diện tích T Nhiệt độ tuyệt đối (P1.17) P1.4 Giá trị hệ số góc điểm kỳ dị Các giá trị hệ số góc điểm kỳ dị xác định đƣợc cách áp dụng quy tắc L’Hôpital, sử dụng đạo hàm để tính tốn giới hạn có dạng vô định [29,93] Quy tắc L’Hôpital sử dụng đạo hàm để tính giới hạn có dạng vơ định Giả sử cần tìm giới hạn , mà hàm số tồn đạo hàm Với , ; số thực mở rộng : (P1.18) Theo đó, điểm kỳ dị thứ hệ số góc có giá trị là: (P1.19) Tại điểm kỳ dị thứ hai, giá trị hạn đƣợc xác định nhƣ sau: Xét giới (P1.11) , ta có (P1.20) Giới hạn tìm đƣợc là: (P1.9) (P1.21) 167 Giới hạn (P1.16) là: (P1.22) 168 P2 Đặc trƣng phát xạ số vật liệu Bảng P2.1: Hệ số phát xạ phổ số vật liệu phổ biến [109] Vật liệu Dải phổ [m]  Carbon tinh khiết 8-14 0.80 Bột than củi, muội than 8-14 0.96 Đất sét nung 8-14 0.91 Bê tông 2-5.6 0.92-0.97 Sơn mài 8-14 0.90 Thủy tinh 8-14 0.92 Bột đá granite 8-14 0.97 Thạch cao 8-18 0.85 Thép rỉ 2-5.6 0.91-0.96 Đá vôi 0.96 P.V.C 2-5.6 0.91-0.93 Sơn 3M đen 9560 3/10 @1.00 Sơn Acme #801 3/10 0.959/0.945 Sơn Dupont Duco #71 3/10 0.982/0.897 Sơn Krylon 3/10 0.95/0.956 Sơn dầu 8-14 0.94 Plastic đen 2-5.6 0.95 Cao su 8-14 0.95 169 Bảng P2.2: Hệ số phát xạ theo nhiệt độ số bề mặt [110] Nhiệt độ,C  200/500 0.90/0.97 100 0.55 25/100/500 0/81/0.81/0.81 20-400 0.96 20 0.90 Đồng oxy hóa 50/200/500 0.6-0.7/0.60/0.88/ Thủy tinh mờ 0-200 0.95 Thủy tinh perex 0-300 0.90 Sắt oxy hóa 40/250 0.95/0.95 Sơn lacquer đen, xám 0-100 0.95 Sơn dầu 38-93 0.960-0.980 50 0.95-0.98 Vật liệu Hợp kim 20Ni-25Cr-55Fe, oxy hóa Nhơm anode hóa Carbon Muội than Gốm thơ Thép , bề mặt thô nhám Bảng P2.3: Hệ số phát xạ tổng số vật liệu phủ [111] Vật liệu  Carbon Black Paint NS-7 0.88 Catalac Balck Paint 0.88 Chemglaze Black Paint Z306 0.91 GSFC Black Silicate MS-94 0.89 GSFC Black Paint 313-1 0.86 Houghson Black Paint H322 0.86 Houghson Black Paint L-300 0.84 Martin Black Paint N-150-1 0.94 Martin Black Velvet Paint 0.94 3M Black Velvet Paint 0.91 Parsons Black Paint 0.91 170 P3 Nguồn giả vật đen P3.1 Thiết kế khí khối nguồn xạ 171 172 173 174 175 176 P3.2 Mô tả nguồn giả vật đen Tính năng, tác dụng: Nguồn giả vật đen đƣợc dùng với vai trò nguồn xạ chuẩn phục vụ kỹ thuật hiệu chỉnh bất đồng (NUC) cho camera ảnh nhiệt điều kiện phịng thí nghiệm điều kiện thực địa Thông số kỹ thuật chính: Kiến trúc hình học Hình trụ, đáy nón lõm Dải phổ hoạt động 8-12 µm 120 mm Đƣờng kính độ ra,  Hệ số phát xạ hƣớng pháp tuyến 0,973 hiệu dụng Dải nhiệt độ điều khiển 10 50 ( 1C) Chế độ cấp nhiệt Chênh lệch nhiệt độ bề mặt đáy nón Làm lạnh/Làm nóng  0,3C Nguồn ni 220VAC/12 VDC Kích thƣớc (D x R x C) 430 x 150 x 155 mm Trọng lƣợng 3,5 kg Thành phần cấu tạo Nguồn giả vật đen đƣợc chế tạo bao gồm phận (Hình 1): (1) Khối điều khiển (2) Khối nguồn xạ Hình 1: Nguồn giả vật đen 177 Bố trí mặt máy Khối điều khiển đƣợc mơ tả Hình Hình Hình 2: Mặt trƣớc Khối điều khiển Bộ điều khiển nhiệt độ SDC15 Đèn thị chế độ làm nóng Cơng tắc chọn chế độ làm việc Đèn thị chế độ làm lạnh Đèn thị nguồn cấp cho module Quạt phát nhiệt TE 12 11 13 Hình 3: Mặt sau Khối điều khiển Công tắc nguồn đèn thị 12 Quat 10 Lối rơ le điều khiển 13 Dây nguồn 11 Cầu đấu dây tín hiệu cảm biến Khối nguồn xạ đƣợc mô tả chi tiết Hình 178 10 16 14 15 18 17 19 Hình 4: Khối nguồn xạ 14 Màn chắn độ 17 Cáp tín hiệu cảm biến nhiệt độ 15 Khẩu độ xạ 18 Module phát nhiệt TE AC-027 16 Bao che 19 Cáp nguồn module phát nhiệt TE Hướng dẫn vận hành - Kiểm tra cơng tắc nguồn (9) vị trí OFF - Kết nối cáp tín hiệu cảm biến nhiệt độ (17) vào cầu đấu (11), ý đấu chiều tín hiệu 179 - Nối cáp nguồn (19) module phát nhiệt AC-027 vào giắc lối rơole điều khiển (10) Module AC-027 đƣợc thiết lập trƣớc hệ số tỷ lệ Kp, Ki Kd hoạt động chế độ tự động (Auto) - Nối nguồn 220VAC, sử dụng dây nguồn (13) - Bật công tắc nguồn (9) vị trí ON, đèn thị nguồn cơng tắc sáng, báo hiệu điện áp 220VAC đƣợc cấp cho Khối điều khiển Trên điều khiển nhiệt độ SDC15, LED PV hiển thị nhiệt độ thời đáy nón Quạt (8) (12) chạy - Đặt nhiệt độ làm việc cho Khối nguồn xạ điều khiển nhiệt độ Yamatake SDC15 (3), LED thị SV hiển thị nhiệt độ đặt (xem hƣớng dẫn sử dụng SDC15 nhà sản xuất) - Tùy thuộc nhiệt độ đặt thấp hơn/ cao nhiệt độ môi trƣờng, dùng công tắc (4) lựa chọn chế độ Làm lạnh (Cool Mode)/Làm nóng (Heat Mode), đèn thi chế độ hoạt động tƣơng ứng (7)/(6) sáng - Chuyển SDC15 chế độ hoạt động (RUN), module AC-027 (18) đƣợc cấp điện tƣơng ứng với chế độ làm việc chọn công tắc (4), đèn thị (5) sáng, quạt tỏa nhiệt AC-027 chạy Nhiệt độ đo đƣợc (PV) thay đổi đạt nhiệt độ đặt (SV) ± 1C (Hình 5) Chú ý, để giảm thiểu tác động khơng khí, ta nên che kín độ thời gian AC-027 cấp nhiệt cho đáy nón) Hình 5: Nhiệt độ đáy nón đạt nhiệt độ đặt - Khi khơng có nhu cầu sử dụng, tắt cơng tắc nguồn (9) vị trí OFF 180 Sử dụng nguồn giả vật đen để NUC camera ảnh nhiệt - Đặt camera đồng trục với nguồn giả vật đen, cho ống kính camera đối diện với độ hốc phát xạ khoảng cách gần tốt - Khởi động camera, ảnh video nhận đƣợc ảnh xạ độ hốc phát xạ - Vận hành cho nguồn giả vật đen hoạt động - Điều khiển camera lần lƣợt chụp ảnh độ xạ nhiệt độ khác - Chạy giải thuật NUC cho camera Bảng hệ số nhân hệ số cộng đƣợc cập nhật - Lặp lại trình NUC chất lƣợng ảnh chƣa đạt yêu cầu, - Sử dụng camera sau NUC cho yêu cầu quan sát ngƣời dùng 181 ... đen cho hiệu chỉnh bất đồng ảnh thu camera ảnh nhiệt vùng 8- 12 m” Mục tiêu luận án tạo phƣơng pháp cơng cụ tính hiệu để thiết kế chế tạo nguồn xạ giả vật đen dựa hốc phát xạ phục vụ cho kỹ thu? ??t... chuẩn…[ 28] Để thu? ??n tiện, khơng có giải đặc biệt, luận án sử dụng thu? ??t ngữ “nguồn giả vật đen? ?? để nguồn xạ chuẩn nói trên, hốc phát xạ dùng nguồn giả vật đen đƣợc gọi “hốc phát xạ vật đen? ?? Tùy thu? ??c... R/r =1, 08;  = 55) với giá trị  = 0,7; 0 ,8; 0,9 0,92 115 Bảng 4.7: Phân bố nhiệt độ bề mặt đáy nón 126 Bảng 4 .8: Thông số kỹ thu? ??t module IR1 18 1 38 Bảng 4.9: Thông số kỹ thu? ??t