8. Cấu trúc luận án
4.2.1 Mơ tả bố trí thí nghiệm
Hệ thống đo bao gồm hai mơ-đun cảm biến chuyển động hồng ngoại, sử dụng cảm biến IRA-S230ST01 của hãng Murata [59] kết hợp thấu kính Fresnel F50.9 của Kube [60]. Việc sử dụng thấu kính cho cảm biến làm tăng mật độ hội tự năng lượng bức xạ hồng ngoại, và giảm trường nhìn (xấp xỉ 3,37 o) dẫn đến việc giảm ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ nền. Hệ thống vỏ và lắp ghép cơ khí cho thấu kính và cảm biến được chế tạo theo thiết kế thể hiện ở Phụ lục A. Hai mơ-đun cảm biến được hiệu chỉnh về vị trí quang trục dựa theo phương pháp được mơ tả ở mục 3.2.1 và với độ khơng đảm bảo đo được phân tích tính tốn ở mục 4.1.2. Hai mơ-đun cảm biến này được gá cố định trên một bàn nhơm phẳng (Hình 4.10) với kỳ vọng trục quang học của hai cảm biến song song với nhau ở khoảng cách d =1000 mm.
nh 12 Bố trí hệ thống hai (02) mơ-đun hồng ngoại PIR phục vụ đo vận tốc nguồn nhiệt: Nhìn từ trên xuống (h nh trên) và nh n đối diện (hình dưới).
Hình 4.13 mơ tả sơ đồ khối hệ thống biến đổi và thu nhận tín hiệu đo của 02 mơ-đun cảm biến PIR. Tín hiệu điện áp đầu ra của các cảm biến hồng ngoại được đưa đến bo mạch biến đổi tín hiệu (hình 4.10) với mức khuếch đại 60 dB trong băng thơng 0,3 Hz ÷ 100 Hz và sau đĩ được lấy mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự sang số 12-bit của vi điều khiển STM32L433 với tần số lấy mẫu là 1000 Hz. Sơ đồ mạch
giá trị điện áp sau khi được lượng tử hĩa sẽ được tiếp tục gửi về lưu trữ trên máy tính theo đường truyền UART.
nh 13 Sơ đồ khối hệ thống xử lý tín hiệu đo của hệ mơ-đun cảm biến PIR
Bảng 4.4 thể hiện một số thơng số cơ bản cho việc bố trí hệ thống thực nghiệm đo.
ảng 4 Một số thơng số bố trí thực nghiệm
Khoảng cách giữa hai mơ-đun cảm biến d 1 m Tần số lấy mẫu, fs 1000 Hz Khoảng cách từ hệ thống đến đường di chuyển của mục
tiêu, R
5 m ÷ 10 m
Dải vận tốc đo 20 km/h ÷ 100 km/h
Phân tích độ khơng đảm bảo đo cho thời gian trễ với các phương pháp số khác nhau
Như đã đề cập trong chương 3, mục 3.3, một số ước lượng về độ khơng đảm bảo đo trong phép xác định thời gian trễ giữa hai tín hiệu cảm biến hồng ngoại PIR bằng các phương pháp khác nhau. Các ước lượng này trong các phương pháp đã cho được thực hiện trên cơ sở tính chất ngẫu nhiên dừng của tín hiệu đầu ra cảm biến PIR. Các cơng thức (3.53), (3.54), (3.71), (3.72), (3.73) và (3.74) thể hiện kết quả các phép ước lượng thời gian trễ này. Theo đĩ độ khơng đảm bảo đo cho thời gian trễ phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Dải tần làm việc của mơ-đun cảm biến B. Đối với cảm biến được sử dụng trong thí nghiệm, và với hầu hết các cảm biến PIR trong ứng dụng phát hiện sự xâm nhập của nguồn nhiệt, dải tần làm việc của chúng là 0,1 Hz ÷ 10 Hz [55]. Do đĩ cĩ thể coi B = 10 Hz trong ứng dụng này.
- Thời gian quan sát tín hiệu và tần số lấy mẫu – các đại lượng liên quan đến số mẫu tín hiệu quan sát Ntotal. Mặt khác, thời gian quan sát tín hiệu cũng sẽ ảnh hưởng đến đại lượng cơng suất tín hiệu cĩ nghĩa (theo đĩ ảnh hưởng đến hệ số SNR); bởi tín hiệu mục tiêu di chuyển với tốc độ cao cĩ thể chỉ xuất hiện trong một khoảng thời gian ngắn so với thời gian quan sát tín hiệu.
- Hệ số tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (SNR) của mơ-đun cảm biến hồng ngoại. Hệ số này khơng chỉ phụ thuộc vào năng lượng nhiễu đặc trưng bởi giá trị σn (đề cập ở mục 4.1), mà cịn phụ thuộc vào tín hiệu cĩ nghĩa – do mục tiêu gây ra. Điều đặc biệt, năng lượng của tín hiệu cĩ nghĩa phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt, diện tích bề mặt nguồn nhiệt, khoảng cách nguồn nhiệt tới cảm biến và vận tốc của nguồn nhiệt đĩ. Để đánh giá được giá trị SNR cần cĩ những phân tích đánh giá nhất định.
Tính tốn mơ phỏng SNR của mơ-đun cảm biến đối với tín hiệu mục tiêu.
Trong mục này, để xác định giá trị SNR của mơ-đun cảm biến, một số thơng số đầu vào sao đây được cho là các thơng số cài đặt làm việc:
ảng 5 Các thơng số cài đặt phục vụ tính tốn mơ phỏng SNR của mơ-đun cảm biến PIR
Nhiệt độ mơi trường nền, Tb 30 oC Khoảng cách từ mục tiêu đến hệ 02 mơ-đun cảm biến, R 10 m Chiều dài của mục tiêu, W 5 m
Dải vận tốc khảo sát 20 km/h ÷ 100 km/h Để cho việc khảo sát được dễ dàng mà khơng làm mất tính tổng quát, cĩ thể coi bề mặt đối tượng nguồn nhiệt được mơ hình hĩa dưới dạng một hình chữ nhật với chiều dài W (được cho trong bảng 4.5) và cĩ nhiệt độ trung bình trên tồn bề mặt là giống nhau Tob. Trong thực tế, nhiệt độ Tob sẽ cĩ độ chênh lệch khơng lớn so với Tb, chỉ khoảng vài độ C. Tín hiệu đầu ra của cảm biến PIR phụ thuộc vào vị trí của đối tượng nguồn nhiệt trong trường nhìn FOV của các phần tử cảm (hình 4.14).
nh 14 Mơ tả vị trí tương đối của nguồn nhiệt với trường nhìn của cảm biến PIR tại khoảng cách R.
Tương tự như các phân tích trong mục (4.1), chênh lệch thơng lượng bức xạ hồng ngoại đến các phần tử cảm của cảm biến PIR bằng:
( )
( )
f – tiêu cự của thấu kính; he – chiều cao của phần tử cảm; Al– tiết diện của thấu kính Fresnel; – hàm Lambertain theo nhiệt độ T; – phần chiều dài của đối tượng mục tiêu nằm trong trường nhìn của các phần tử cảm ở khoảng cách R.
Để xác định tín hiệu điện áp đầu ra tương ứng với hàm chênh lệch thơng lượng bức xạ hồng ngoại đến các phần tử cảm PIR theo cơng thức (4.9), một mơ hình tốn học được xây dựng trên nền tảng Matlab-Simulink (hình 4.15).
nh 15 Mơ hình tốn học tính tốn tín hiệu điện áp đầu ra trên nền tảng Matlab-Simulink
Hình 4.16 mơ tả tín hiệu đầu ra của mơ-đun cảm biến PIR trong trường hợp mục tiêu di chuyển với vận tốc 90 km/h và nhiệt độ bề mặt Tob = Tbk + 30C = 330C.
nh 16 Mơ tả tín hiệu đầu ra của cảm biến PIR với v = 90 km/h và Tob = 330C
Nhận thấy rằng, độ lớn của biên độ tín hiệu mục tiêu và thời gian ―tồn tại‖ của tín hiệu mục tiêu phụ thuộc vào: vận tốc di chuyển của mục tiêu, nhiệt độ chênh lệch giữa nhiệt độ bề mặt mục tiêu và nhiệt độ nền (hình 4.17)
nh 17 Đồ thị giá trị tỷ lệ tín hiệu/nhiễu SNR của mơ-đun cảm biến PIR trong các trường hợp mục tiêu di chuyển với các tốc độ khác nhau và chênh lệch nhiệt độ
Theo đĩ, trong dải vận tốc đối tượng mục tiêu quan tâm, giá trị SNR càng thấp khi vận tốc nguồn nhiệt di chuyển càng lớn. Xét trường hợp chênh lệch nhiệt độ ΔT = 3 oC, SNR90 = 2,76. Độ khơng đảm bảo đo cho việc ước lượng thời gian trễ xác định theo phương pháp tương quan chéo cổ điển (mục 3.3.1) và phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert (mục 3.3.2) phụ thuộc vào vận tốc đối tượng nguồn nhiệt và theo các tần số lấy mẫu (Hình 4.18, 4.19).
nh 18 Độ khơng đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ theo phương pháp tương quan chéo
nh 4.19 Độ khơng đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ theo phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert.
nh 20 So sánh độ khơng đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ giữa hai phương pháp.
Từ đồ thị hình 4.20 nhận thấy rằng, ước lượng thời gian trễ bằng phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert cho độ khơng đảm bảo đo luơn nhỏ hơn (khoảng 7 lần) so với việc sử dụng phương pháp tương quan chéo cổ điển.
4.2.3 Thực nghiệm đo vận tốc với các đối tượng thực tế.
Nguồn nhiệt trong các trường hợp thực nghiệm đo là các phương tiện giao thơng. Hệ thống thực nghiệm đo vận tốc được đặt bên lề đường sao cho các trục quang học của cảm biến vuơng gĩc với hướng di chuyển của các đối tượng phương tiện giao thơng. Một máy quay video cĩ tốc độ 200 khung hình / giây được sử dụng để đánh giá vận tốc của xe từ các điểm tham chiếu – là các vạch kẻ đường cách nhau 5 m. Vận tốc tham chiếu được xác định bằng thời điểm – tương ứng với các khung hình, phương tiện chạm vào các vạch kẻ. Sai số của phép đo vận tốc sử dụng máy quay làm tham chiếu đạt 2 % cho dải vận tốc mục tiêu trong khoảng 20 km/h ÷ 100 km/h. Trong quá trình thực nghiệm, các phương tiện mục tiêu của hệ thống đo cĩ chiều dài và hình dạng khác nhau, từ xe gắn máy đến xe hơi và xe tải, di chuyển với vận tốc từ 20 km/h lên đến 100 km/h. Khoảng cách từ làn di chuyển của xe đến hệ thống đo thay đổi từ 5 m đến 10 m. Dữ liệu tín hiệu đo thu được với các phương
khơng cĩ sự tham gia của các đối tượng nguồn nhiệt khác (hình 4.21). Một điều cần lưu ý ở đây là, mặc dù tần số lấy mẫu của hệ vi điều khiển được cài đặt là 1000 Hz (do hạn chế của tốc độ truyền dữ liệu về máy tính), nhưng bằng kỹ thuật FFT Pruning được đề cập trong mục 3.3 để nâng cao tần số nội suy cho hệ thống, dữ liệu tín hiệu đầu ra của hai mơ-đun cảm biến được xử lý ở tần số lấy mẫu 4000 Hz.
nh 21 Mơ tả dữ liệu thu nhận từ 02 mơ-đun cảm biến PIR
Kết quả thể hiện ở hình 4.22, 4.23 cho thấy, sai lệch giữa vận tốc đo được và vận tốc tham chiếu của các phương tiện khác nhau khơng vượt quá 5 % trong dải vận tốc 20 km/h ÷ 100 km/h khi sử dụng phương pháp tương quan chéo cổ điển; và khơng vượt quá 3,5 % khi sử dụng phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert.
nh 22 Kết quả thử nghiệm đo vận tốc sử dụng hai phương pháp CCF và CCFHT
nh 4.23 Sai lệch trong phép đo vận tốc sử dụng hai phương pháp CCF và CCFHT so với phương pháp tham chiếu sử dụng camera.
nhau, cĩ sự khác biệt trong trường nhìn của cảm biến, hoặc hướng di chuyển của mục tiêu khơng hồn tồn vuơng gĩc với trục quang học của cảm biến. (ii) Sai số do sự khơng đồng nhất của các thơng số cảm biến: các sai khác về các thơng số thời gian ηTh và ηe cũng dẫn đến sự sai khác về dạng tín hiệu tương tự đầu ra của các cảm biến. (iii) Sai số ngẫu nhiên do yếu tố mơi trường: mặc dù các tín hiệu đã được lọc ở băng thơng đặc trưng cho đối tượng mục tiêu, nhưng những ảnh hưởng từ các yếu tối mơi trường như sự thay đổi của nhiệt độ nền, giĩ, mưa, hay sự xuất hiện của một nguồn nhiệt khơng mong muốn trong quá trình đo v.v là khĩ tránh khỏi. (iv) Sai số do độ tần số lấy mẫu: việc tính tốn vận tốc dựa trên thời gian trễ giữa hai tín hiệu như cơng thức (4) cho thấy khi mục tiêu di chuyển với vận tốc lớn, phép đo cĩ thể cho sai số tương đối đáng kể nếu tần số lấy mẫu khơng đủ lớn. Một cách trực quan, việc này cĩ thể khắc cĩ thể khắc phục bằng cách tăng tần số lấy mẫu (sử dụng các kỹ thuật nội suy như FFT Pruning), tương ứng với việc tăng số điểm lấy mẫu trong khoảng thời gian xem xét, nhưng việc tính tốn hàm tương quan chéo sẽ trở nên cồng kềnh.
Kết luận chƣơng 4
Trong chương này, tác giả đã trình bày các tính tốn liên quan đến việc đánh giá kết quả xác định gĩc lệch quang trục của mơ-đun cảm biến hồng ngoại được đề cập; và việc ứng dụng các thuật tốn xử lý dữ liệu đo để xác định thời gian trễ giữa hai tín hiệu đầu ra của hai mơ-đun cảm biến. Kết quả tính tốn cho thấy các phương pháp và thuật tốn được đề xuất ở chương 3 là phù hợp với đối tượng nghiên cứu cụ thể của luận án.
KẾT LUẬN
Các kết quả đạt được của luận án sau quá trình nghiên cứu như sau:
Luận án đã đề xuất và đưa ra các phương pháp tiếp cận giải quyết bài tốn xử lý 2 yếu tố ảnh hưởng chính đến hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại PIR: (1) Đảm bảo độ song song giữa hai quang trục của hai mơ- đun cảm biến PIR và (2) Xác định thời gian trễ dựa trên hai chuỗi thời gian là hai tín hiệu đầu ra của hai cảm biến. Cụ thể:
Thứ nhất, luận án xây dựng được hệ thống thực nghiệm và các phân tích để xác định và hiệu chỉnh vị trí quang trục của từng mơ-đun cảm biến hồng ngoại so với mặt phẳng mục tiêu của nguồn nhiệt được điều biến. Đây là bước quan trọng nhằm đảm bảo độ song song giữa hai quang trục của hai mơ-đun cảm biến PIR. Theo đĩ, các phân tích đã đánh giá được các hệ số ảnh hưởng đến độ phân giải của phép đo.
Thứ hai, luận án đã thực hiện giải quyết bài tốn xác định độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra theo thời gian của hai mơ-đun cảm biến, bằng việc xây dựng mơ hình tốn học cho các tín hiệu theo thời gian của các mơ-đun cảm biến dưới gĩc nhìn của các dữ liệu ngẫu nhiên dừng, nhằm giải quyết các bài tốn này một cách đặc thù và cĩ thể tiếp cận trong thực tế. Luận án ứng dụng hai phương pháp xử lý tín hiệu gồm: kỹ thuật tương quan chéo cổ điển và tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert, đồng thời áp dụng biến đổi Fourier nhằm giảm khối lượng tính tốn cũng như loại bỏ được các yếu tố nhiễu trong tín hiệu xuất hiện ở các tần số cao khơng mong muốn. Đồng thời đã đánh giá về độ khơng đảm bảo đo trong việc xác định độ trễ giữa hai tín hiệu.
Luận án đã xây dựng mơ hình hệ thống thực nghiệm đo vận tốc di chuyển của nguồn nhiệt với hai (02) mơ-đun hệ thống quang học với cảm biến bức xạ hồng ngoại pyroelectric (PIR) vào việc thu nhận tín hiệu bức xạ hồng ngoại từ các nguồn nhiệt trong tự nhiên. Các mơ-đun cảm biến hồng ngoại được chế tạo hồn thiện kết hợp giữa các yếu tố quang-cơ-điện tử, với các thơng số chính: cảm biến PIR làm việc ở dải bước sĩng 5 µm ÷ 14 µm; thấu kính Fresnel với đường kính 50 mm, tiêu
cự 50,9 mm; và bộ chuyển đổi tương tự sang số với tần số lấy mẫu cĩ thể lên đến 4000 Hz. Kết quả này là tiền đề để phát triển các thiết bị đo vận tốc di chuyển của nguồn nhiệt sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại tại Việt Nam.
Các đánh giá tính tốn liên quan đến kết quả hai bài tốn được đề ra cho thấy sự hợp lý của các mơ hình tốn học và hệ thống đo được thiết kế chế tạo. Cụ thể, hệ hiệu chỉnh xác định vị trí quang trục của mơ-đun cảm biến hồng ngoại đạt tới 0,0175 o nếu cài đặt nhiệt độ vật đen ở 50 oC và đạt tới 0,0014 o
nếu cài đặt nhiệt độ vật đen ở 200 oC, trong trường hợp một số điều kiện được lý tưởng hĩa. Độ khơng đảm bảo đo thời gian trễ giữa hai tín hiệu của hai mơ-đun cảm biến cĩ thể đạt tới 5 × 10-4 s khi sử dụng phương pháp tích hợp tương quan chéo với biến đổi Hilbert ở tần số lấy mẫu 4000 Hz. Trong phép đo thực tế, đối với các đối tượng nguồn nhiệt là phương tiện giao thơng khác nhau, các thí nghiệm cho thấy, sai lệch kết quả của hệ đo so với một phương pháp đo tham chiếu (sử dụng camera ghi hình) là dưới 3,5 % trong dải vận tốc 20 km/h ÷ 100 km/h.