Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí với đề tài "Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Vũ Văn Quang dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Vũ Toàn Thắng tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (năm 2022, chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, mã số: 9520103).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo trình bày của tác giả, việc theo dõi chuyển động của các nguồn nhiệt (con người, động vật, phương tiện giao thông) thông qua tín hiệu bức xạ hồng ngoại là bài toán quan trọng trong nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, y tế và an ninh. Trong bối cảnh phát triển đô thị thông minh và mạng lưới cảm biến của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, các nút đo lường kiểm soát lưu lượng và tốc độ phương tiện đòi hỏi tính linh động cao, dễ tích hợp và chi phí phần cứng thấp. Cảm biến bức xạ hồng ngoại thụ động (PIR - Pyroelectric Infrared sensor) sở hữu nhiều ưu điểm về mặt tiêu thụ năng lượng và chi phí chế tạo so với hệ thống ghi hình quang học hoặc cảm biến chủ động.

Tuy nhiên, khoảng trống nghiên cứu thực tế nằm ở chỗ: đa số các công trình trước đây chỉ tập trung vào việc phát hiện sự hiện diện hoặc nhận diện hướng di chuyển của nguồn nhiệt trong không gian hẹp (chủ yếu là môi trường trong nhà). Rất ít nghiên cứu đi sâu vào việc ước lượng chính xác vận tốc di chuyển của nguồn nhiệt ngoài trời và cung cấp các phân tích toán học hoàn chỉnh về độ không đảm bảo đo. Các hệ thống hiện có thường gặp hạn chế do tốc độ lấy mẫu thấp, sự sai lệch giữa trục cơ khí và trục quang học của cảm biến, cũng như ảnh hưởng của thành phần nhiễu tín hiệu trong môi trường thực tế làm giảm độ chính xác của phép ước lượng thời gian trễ.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là đề xuất các giải pháp kỹ thuật và thuật toán nhằm nâng cao độ chính xác đo vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại. Các mục tiêu cụ thể được đánh số theo văn bản bao gồm:

  1. Phân tích nguyên lý hoạt động và ứng dụng hệ thống quang học kết hợp cảm biến bức xạ hồng ngoại nhiệt điện (PIR) nhằm thu nhận tín hiệu bức xạ từ các nguồn nhiệt trong tự nhiên (phương tiện giao thông, con người, máy móc) để làm dữ liệu xác định vận tốc di chuyển.
  2. Cung cấp giải pháp xử lý hai bài toán về các yếu tố ảnh hưởng chính đến độ chính xác của hệ thống: (1) Đảm bảo và kiểm soát độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến PIR; (2) Xác định thời gian trễ dựa trên hai chuỗi thời gian là tín hiệu điện áp đầu ra của hai cảm biến trong điều kiện có nhiễu.
  3. Cung cấp các phương pháp, mô hình toán học và thuật toán xử lý dữ liệu cho hai bài toán nêu trên, đồng thời thiết lập các phân tích định lượng về độ không đảm bảo đo của toàn bộ hệ thống.

Nội dung nghiên cứu

Luận án triển khai 3 nội dung nghiên cứu chính:

  • Nội dung 1: Nghiên cứu xây dựng hệ quang - điện tử dưới dạng các mô-đun cảm biến hồng ngoại thụ động chuyên dụng phục vụ việc đo vận tốc đối tượng nguồn nhiệt.
  • Nội dung 2: Nghiên cứu phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo, tập trung vào việc xác định và hiệu chỉnh độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến hồng ngoại.
  • Nội dung 3: Nghiên cứu các phương pháp và mô hình toán học giải quyết bài toán xác định vận tốc nguồn nhiệt thông qua tính toán độ trễ thời gian giữa hai tín hiệu đầu ra của các mô-đun cảm biến.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đo lường vận tốc di chuyển của nguồn nhiệt sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại thụ động dạng nhiệt điện (PIR). Đối tượng nguồn nhiệt mục tiêu trong ứng dụng thực tế là các phương tiện giao thông đường bộ và con người. Các đại lượng và yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sai số đo vận tốc (góc lệch quang trục, độ trễ tín hiệu, tỷ số tín hiệu trên nhiễu).
  • Phạm vi không gian: Nguồn nhiệt di chuyển trong dải khoảng cách từ 5 m đến 10 m so với vị trí bố trí hệ thống cảm biến.
  • Phạm vi quang phổ và nhiệt độ: Bức xạ hồng ngoại có bước sóng làm việc đặc trưng trong dải $\lambda = 5 \div 14\ \mu\text{m}$, tương ứng với nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt trong khoảng $-66\ ^\circ\text{C} \div 306\ ^\circ\text{C}$ (theo định luật dịch chuyển Wien). Nhiệt độ cơ thể người khoảng $36{,}5\ ^\circ\text{C}$ có bước sóng bức xạ cực đại tại $9{,}36\ \mu\text{m}$ nằm trọn trong dải hoạt động này.
  • Phạm vi vận tốc khảo sát: Dải vận tốc di chuyển của nguồn nhiệt từ $20\ \text{km/h}$ đến $100\ \text{km/h}$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Trong lĩnh vực giám sát phương tiện giao thông, tác giả phân loại các công nghệ thành hai nhóm chính: công nghệ cảm biến tiếp xúc (intrusive) và công nghệ cảm biến không tiếp xúc (non-intrusive), được hệ thống hóa trong Bảng 1.

Nhóm công nghệ tiếp xúc Nhóm công nghệ không tiếp xúc
- Đường ống khí nén
- Vòng cảm ứng từ (Inductive loops)
- Cáp áp điện
- Cảm biến từ tính
- Tấm cân chuyển động (WIM)
- Cảm biến áp điện
- Cảm biến tải trọng (Loadcell)		 - Camera quang học hình ảnh thông thường
- Camera ảnh nhiệt hồng ngoại
- Hệ thống RADAR
- Hệ thống LIDAR
- Cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR)
- Cảm biến siêu âm

Luận án điểm lại các công trình tiêu biểu liên quan đến từng nhóm công nghệ:

  • Cảm biến âm thanh được sử dụng để phân loại phương tiện (nghiên cứu [2], [3]) và đo vận tốc (nghiên cứu [4]).
  • Công nghệ RADAR và LIDAR được ứng dụng để phát hiện và đo tốc độ phương tiện ([5], [6]), tuy nhiên độ chính xác suy giảm khi hướng di chuyển không trùng với trục đo.
  • Thiết bị ghi hình thông thường [7] và ghi hình hồng ngoại [8] có nhược điểm là tầm nhìn bị hạn chế bởi thời tiết xấu, đồng thời đòi hỏi cấu hình phần cứng xử lý ảnh phức tạp.
  • Các công nghệ tiếp xúc như vòng cảm ứng ([9], [10]), cảm biến từ tính [11], ống khí nén có chi phí lắp đặt, bảo trì cao do phải cắt xẻ mặt đường và tiếp xúc trực tiếp với tải trọng xe.
  • Phương pháp dùng xe làm cảm biến di động [12] hoặc điện thoại thông minh kết nối GPS [13] đối mặt với nguy cơ bảo mật dữ liệu cá nhân khi truyền dữ liệu qua Internet.

Về hướng nghiên cứu sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại, tác giả phân tích cơ chế vật lý: cảm biến photon có độ nhạy cao và thời gian đáp ứng dưới $1\ \mu\text{s}$ nhưng đòi hỏi hệ thống làm mát tốn kém; trong khi cảm biến nhiệt (tiêu biểu là cảm biến pyroelectric PIR) hoạt động ở nhiệt độ phòng, không cần làm mát [14]. Các nghiên cứu trước về cảm biến PIR bao gồm:

  • Z. Zhang và cộng sự [15]: Thiết lập mạng 8 nút cảm biến PIR kết hợp thấu kính dải sóng $5 \div 14\ \mu\text{m}$ trong phòng thí nghiệm, sử dụng ngưỡng biên độ cố định để phát hiện mục tiêu.
  • Zappi và cộng sự [16]: Sử dụng cặp cảm biến PIR trích xuất biên độ và thời lượng tín hiệu, tạo vectơ đặc trưng rút gọn gửi về trạm trung tâm để xác định hướng và khoảng cách.
  • B. Yang và cộng sự [17]: Kết hợp hệ thống nút cảm biến PIR với thuật toán phân lớp Naive Bayes để theo dõi và định vị con người trong nhà.
  • Li và cộng sự [18]: Triển khai bộ lọc động học biểu tượng (Symbolic Dynamic Filtering - SDF) kết hợp phân cụm K-means, phân cụm phân cấp và phân cụm phổ đồ thị để phát hiện nguồn nhiệt.
  • Yun và cộng sự [19]: Ứng dụng tập hợp mô hình học máy gồm máy vectơ hỗ trợ (SVM), cây quyết định (Decision Tree) và Naive Bayes để phân loại tốc độ nguồn nhiệt thành các mức chậm, trung bình, nhanh.
  • Brian Donovan [21]: Lắp đặt hệ thống gồm 3 cảm biến PIR (Melexis MLX90614) bên lề đường với thấu kính tạo góc nhìn $\text{FOV} = 10^\circ$, hệ thống mở góc $120^\circ$.
  • Enas Odat và cộng sự [22]: Bố trí 3 cảm biến PIR Melexis MLX90614 trên giá treo trên cao ở độ cao $H$, kết hợp cảm biến siêu âm xác định khoảng cách để tính vận tốc xe. Odat áp dụng hai giải thuật tìm độ trễ: giải bài toán cực trị hàm tương quan chéo và biến đổi sóng con liên tục (CWT). Tuy nhiên, hệ thống của Odat có tốc độ lấy mẫu thấp ($16\ \text{Hz}$), buộc phải mở rộng góc giữa các cảm biến thành $120^\circ$.
  • Vytautas [23]: Đề xuất 4 giải thuật ước lượng độ trễ cho cặp cảm biến từ tính gồm cực đại tương quan chéo miền thời gian, cực tiểu tổng chênh lệch tuyệt đối, cực đại tích chập tròn qua biến đổi Fourier rời rạc thuận/nghịch (DFT/IDFT) và xác định độ lệch trọng tâm tín hiệu.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Hầu hết các nghiên cứu trước đây chỉ dừng lại ở bài toán định tính (phát hiện mục tiêu, phân loại dải tốc độ thô) hoặc sử dụng các cảm biến thương mại với tần số lấy mẫu thấp ($16\ \text{Hz}$). Luận án lựa chọn giải quyết các khoảng trống kỹ thuật cụ thể:

  1. Thiếu mô hình lý thuyết và giải pháp thực nghiệm để xác định chính xác quang trục của mô-đun PIR (vốn là cảm biến không ảnh) nhằm triệt tiêu sai số góc lệch và đảm bảo độ song song giữa hai trục quang.
  2. Cần thiết kế mô-đun cảm biến quang - điện tử độc lập có tần số lấy mẫu đủ cao, mức tiêu thụ năng lượng thấp và kích thước gọn nhẹ.
  3. Thiếu các đánh giá định lượng về độ không đảm bảo đo thời gian trễ khi áp dụng các giải thuật tương quan chéo cải tiến (kết hợp biến đổi Hilbert và Fourier) trên tín hiệu PIR thực tế có chứa nhiễu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết bức xạ hồng ngoại và cảm biến nhiệt điện

Nghiên cứu dựa trên các định luật vật lý cơ bản về bức xạ nhiệt và trường sóng điện từ:

  • Định luật bảo toàn năng lượng cho bức xạ bề mặt: $$\alpha(\lambda) + \rho(\lambda) + \kappa(\lambda) = 1$$ Trong đó $\alpha(\lambda)$ là hệ số hấp thụ, $\rho(\lambda)$ là hệ số phản xạ, $\kappa(\lambda)$ là hệ số truyền qua. Phần lớn vật liệu thông thường có $\kappa(\lambda) = 0$, chỉ một số vật liệu đặc thù như kẽm selenua (ZnSe), xa-phia, đá spinel, germani (Ge) mới cho tia hồng ngoại truyền qua.
  • Hình học bức xạ và bề mặt Lambertian: Khái niệm góc khối $\Omega = A / R^2\ \text{(sr)}$. Bề mặt nguồn nhiệt được mô hình hóa theo dạng bề mặt phát xạ khuếch tán Lambertian, có cường độ bức xạ tuân theo quy tắc cosin: $I(\theta) = I_n \cos\theta$. Mối quan hệ giữa độ phát $M$ và độ rọi $L$ trên bề mặt Lambertian là $M = \pi L$.
  • Bức xạ vật đen và định luật phân bố phổ:
    • Định luật Planck mô tả mật độ thông lượng phổ bức xạ của vật đen: $$M(\lambda, T) = \frac{c_1}{\lambda^5 \left(e^{\frac{c_2}{\lambda T}} - 1\right)}$$ Với $c_1 = 2\pi h c^2$, $c_2 = hc/k$.
    • Định luật dịch chuyển Wien xác định bước sóng có thông lượng phát xạ cực đại: $\lambda_{\max} T = 2898\ \mu\text{m}\cdot\text{K}$.
    • Định luật Stefan-Boltzmann cho tổng công suất bức xạ trên toàn dải phổ của vật đen: $M = \sigma T^4$, trong đó hằng số Stefan-Boltzmann $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-12}\ \text{W/(cm}^2\cdot\text{K}^4)$. Đối với vật xám, bức xạ được điều chỉnh bởi hệ số phát xạ trung bình $\varepsilon < 1$.

Các đại lượng và đơn vị đo bức xạ được tác giả tổng hợp trong Bảng 2.

Ký hiệu Đại lượng Định nghĩa Đơn vị đo
$\Gamma$ Năng lượng bức xạ Tổng năng lượng phát ra hoặc hấp thụ $\text{J}$
$\Phi$ Thông lượng (công suất) bức xạ Năng lượng trên một đơn vị thời gian $\text{W}$
$I$ Cường độ bức xạ Thông lượng trên một đơn vị góc khối $\text{W/sr}$
$M$ Độ thoát (độ phát xạ) Thông lượng phát ra từ một đơn vị diện tích $\text{W/cm}^2$
$E$ Bức xạ (độ rọi tới) Thông lượng tới trên một đơn vị diện tích $\text{W/cm}^2$
$L$ Độ rọi (độ chói bức xạ) Cường độ bức xạ trên một đơn vị diện tích biểu kiến $\text{W/(cm}^2\cdot\text{sr)}$

  • Mô hình toán học của cảm biến nhiệt điện PIR: Cảm biến PIR hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt điện trên màng mỏng vật liệu (như TGS, $\text{BaTiO}_3$). Sự thay đổi thông lượng bức xạ $\Phi(t)$ tạo ra sự biến thiên nhiệt độ $T(t)$, sinh ra dòng điện $I_p(t) = p A \frac{dT}{dt}$ và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp $V(t)$ qua mạch khuếch đại tương đương. Quá trình này được mô hình hóa bằng hệ phương trình vi phân và sơ đồ tương đương ba giai đoạn:

    • Khối nhiệt: $C_{th} \frac{dT}{dt} + G_{th} T = \eta \Phi(t)$, với hằng số thời gian nhiệt $\tau_{th} = C_{th} / G_{th}$.
    • Khối biến đổi nhiệt - điện: sinh dòng nhiệt điện $I_p(t)$.
    • Khối mạch điện: $C \frac{dV}{dt} + \frac{V}{R} = I_p(t)$, với hằng số thời gian điện $\tau_e = RC$.

    Hàm truyền tương ứng của một phần tử cảm biến có dạng: $$H(s) = \frac{V(s)}{\Phi(s)} = \frac{R, p A, s}{(1 + s \tau_{th})(1 + s \tau_e) G_{th}}$$ Cảm biến PIR trong nghiên cứu sử dụng cấu trúc phần tử kép (dual-element), tín hiệu điện áp đầu ra cuối cùng là hiệu đại số giữa hai điện áp của hai phần tử: $V(t) = V_1(t) - V_2(t)$.

  • Hệ quang học thấu kính Fresnel: Do cảm biến trần chỉ làm việc ở cự ly ngắn (dưới vài mét), hệ thống tích hợp thấu kính Fresnel mỏng nhằm tập trung chùm tia hồng ngoại song song vào tiêu cự $f$, vừa hạn chế tổn hao hấp thụ vừa mở rộng tầm phát hiện của mô-đun lên hàng chục mét.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng:

  • Phương pháp lý thuyết và mô hình hóa: Sử dụng lý thuyết tín hiệu ngẫu nhiên, mô tả tín hiệu đầu ra của cảm biến PIR dưới dạng chuỗi thời gian ngẫu nhiên có chứa thành phần thông tin và nhiễu: $$x(t) = s(t) + n_x(t);\quad y(t) = s(t - \eta) + n_y(t)$$ Xây dựng mô hình hình học không gian mô tả ảnh hưởng của góc lệch quang trục đến khoảng cách đo thực tế $d$ và vận tốc $v = d / \eta$.
  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập mô hình toán học và kiểm tra thuật toán trên nền tảng MATLAB - Simulink nhằm khảo sát tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) và độ không đảm bảo đo thời gian trễ.
  • Phương pháp xử lý tín hiệu số:
    1. Hàm tương quan chéo cổ điển (CCF - Cross-Correlation Function): tìm vị trí cực đại của $R_{xy}(\eta)$.
    2. Hàm tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert (CCFHT - Cross-Correlation Function with Hilbert Transform) nhằm tạo tín hiệu giải tích, làm mịn đỉnh tương quan và nâng cao độ phân giải xác định độ trễ.
    3. Ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc thuận/nghịch (DFT/IDFT) và thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT) để tăng tốc độ tính toán tương quan trong miền tần số.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế và gia công cơ khí hệ thống giá gá, chế tạo mạch điện tử khuếch đại/lọc tín hiệu, xây dựng phần mềm thu nhận dữ liệu viết trên nền tảng Qt. Sử dụng nguồn nhiệt tham chiếu chuẩn kết hợp màn trập điều biến cơ học để hiệu chuẩn góc quang trục. Thiết lập hệ đo kiểm chứng thực tế và so sánh kết quả đo vận tốc với hệ thống tham chiếu sử dụng camera ghi hình.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đo vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại

Chương 1 trình bày tổng quan về các phương pháp giám sát giao thông tiếp xúc và không tiếp xúc, phân tích ưu nhược điểm của từng loại công nghệ. Tác giả đi sâu tổng hợp các công trình quốc tế sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại nhiệt điện (PIR) trong việc phát hiện, định vị nguồn nhiệt và ước lượng chuyển động (như các nghiên cứu của Z. Zhang [15], Zappi [16], B. Yang [17], Li [18], Yun [19], Brian Donovan [21], Enas Odat [22]).

Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất kiến trúc hệ thống đo vận tốc gồm 2 mô-đun cảm biến PIR bố trí song song, cách nhau một khoảng cách cố định $d$, quang trục vuông góc với quỹ đạo chuyển động của nguồn nhiệt. Vận tốc được xác định theo biểu thức: $$v = \frac{d}{\eta}$$ Trong đó $\eta$ là thời gian trễ giữa hai tín hiệu điện áp đầu ra. Chương này nêu rõ 4 khó khăn kỹ thuật cần giải quyết:

  1. Thiết kế và chế tạo hệ quang - cơ khí chính xác để đảm bảo độ song song của hai quang trục và giữ góc trường nhìn FOV đủ hẹp.
  2. Xác định vị trí quang trục thực của mô-đun PIR không ảnh để triệt tiêu sai lệch lắp ráp cơ học.
  3. Thiết kế hệ thống phần cứng thu nhận tín hiệu có tần số lấy mẫu đủ lớn và tiết kiệm điện năng.
  4. Phát triển thuật toán tối ưu hóa ước lượng độ trễ thời gian $\eta$ trong điều kiện tín hiệu thực nghiệm bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại

Chương 2 cung cấp hệ thống lý thuyết nền tảng cho việc thiết kế và tính toán hệ đo:

  • Trình bày các định luật bức xạ sóng điện từ (định luật bảo toàn năng lượng, định luật Lambertian, định luật Planck, định luật dịch chuyển Wien, định luật Stefan-Boltzmann).
  • Phân tích 3 phương pháp mô tả đặc điểm không gian của nguồn nhiệt và nền: mô tả trên mặt phẳng đối tượng $M(\lambda, x, y)$, mô tả trong không gian góc $M(\lambda, \theta_x, \theta_y)$, và mô tả trên mặt phẳng hình ảnh máy dò $M(\lambda, x R/f, y R/f)$.
  • Trình bày cấu tạo, nguyên lý biến đổi năng lượng 3 giai đoạn và mô hình mạch điện tương đương của phần tử cảm biến nhiệt điện pyroelectric. Xây dựng phương trình hàm truyền đạt điện áp theo thông lượng bức xạ đối với cảm biến phần tử kép.
  • Phân tích đặc tính tập trung quang học của thấu kính Fresnel phẳng - lồi dạng rãnh, giúp giảm hao hụt bức xạ do hấp thụ vật liệu và mở rộng cự ly đo.
  • Tổng hợp lý thuyết tín hiệu ngẫu nhiên, phân loại dữ liệu tiền định và không tiền định, các khái niệm hàm lấy mẫu, tính dừng và hàm tương quan chéo làm tiền đề toán học cho các phân tích ở Chương 3.

Chương 3: Một số giải pháp nâng cao độ chính xác trong phép đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại

Chương 3 tập trung xây dựng cơ sở toán học và đề xuất các giải pháp kỹ thuật để giải quyết hai bài toán cốt lõi của luận án:

  • Phân tích sai số và độ không đảm bảo đo: Thiết lập mô hình sai số của phép đo vận tốc. Phân tích ảnh hưởng của góc nghiêng giữa hai trục quang đến khoảng cách hiệu dụng $d$, chỉ ra rằng độ không đảm bảo đo của vận tốc phụ thuộc trực tiếp vào độ không đảm bảo đo độ song song giữa hai mô-đun cảm biến PIR.
  • Giải pháp xác định và hiệu chỉnh độ song song quang trục: Đề xuất mô hình thực nghiệm sử dụng một nguồn nhiệt tham chiếu chuẩn có nhiệt độ bề mặt $T_s$, đặt trước môi trường nền nhiệt độ $T_b$, được điều biến bức xạ cơ học bằng màn trập quay với tần số $f_m$ (tần số góc $\omega_m = 2\pi f_m$).
    • Tác giả xây dựng phương trình điện áp đáp ứng của mô-đun cảm biến phụ thuộc vào góc lệch $\delta$ giữa quang trục và tâm nguồn nhiệt: $$V(t) \propto Q(T_s, T_b) \cdot K(\omega_m)$$ Trong đó $Q(T_s, T_b)$ là hệ số phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ nguồn nhiệt và nền, $K(\omega_m)$ là hệ số đáp ứng tần số.
    • Phân tích độ nhạy và xác định độ không đảm bảo đo của góc quang trục: Kết quả tính toán lý thuyết cho thấy khi nhiệt độ nguồn nhiệt tham chiếu đạt $50\ ^\circ\text{C}$, độ không đảm bảo đo vị trí quang trục của mô-đun chế tạo có thể đạt mức lý tưởng là $0{,}0175^\circ$.
  • Giải pháp nâng cao độ chính xác ước lượng độ trễ thời gian:
    • Áp dụng phương pháp tương quan chéo cổ điển (CCF) tìm độ trễ tại vị trí đỉnh cực đại.
    • Đề xuất phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert (CCFHT): Biến đổi Hilbert tạo ra tín hiệu bao bọc pha trực giao, giúp đường cong tương quan có cực đại rõ nét, giảm thiểu hiện tượng đa đỉnh hoặc dịch đỉnh do nhiễu tần số thấp.
    • Tích hợp biến đổi Fourier nhanh (FFT) để chuyển phép tính tích chập tương quan trong miền thời gian sang phép nhân trong miền tần số, giảm khối lượng tính toán số và nâng cao độ phân giải thời gian.

Chương 4: Các kết quả phân tích và thực nghiệm

Chương 4 trình bày toàn bộ kết quả chế tạo phần cứng, mô phỏng và đo đạc thực nghiệm:

  • Chế tạo hệ thống thực nghiệm:
    • Thiết kế và chế tạo vỏ cơ khí chính xác cho mô-đun PIR, tích hợp cảm biến pyroelectric phần tử kép và thấu kính Fresnel.
    • Chế tạo mạch điện biến đổi và lọc/khuếch đại tín hiệu có mức nhiễu thấp.
    • Thiết kế hệ thống giá xoay vi cấp phục vụ việc căn chỉnh và hiệu chuẩn trục quang học.
    • Xây dựng phần mềm thu nhận dữ liệu đo thời gian thực trên nền tảng Qt.
  • Thực nghiệm xác định quang trục:
    • Khảo sát tín hiệu điện áp ra và mật độ phổ công suất (PSD) chuẩn hóa của mô-đun PIR khi quét qua các góc quay khác nhau trước nguồn nhiệt điều biến.
    • Xác định vị trí góc của quang trục hai mô-đun cảm biến PIR so với nguồn nhiệt tham chiếu, khẳng định hệ thống thực tế đạt độ phân giải đo vị trí góc quang trục là $0{,}02^\circ$.
  • Mô phỏng SNR và kiểm tra độ trễ:
    • Xây dựng mô hình toán trên MATLAB - Simulink mô phỏng tín hiệu ra của cảm biến PIR khi phương tiện di chuyển với các tốc độ khác nhau (khảo sát tới $v = 90\ \text{km/h}$, nhiệt độ bề mặt $T_{ob} = 33\ ^\circ\text{C}$).
    • Đánh giá tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) và độ không đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ của hai phương pháp CCF và CCFHT, chứng minh CCFHT cho độ không đảm bảo đo thời gian trễ nhỏ hơn rõ rệt so với CCF cổ điển.
  • Thực nghiệm đo vận tốc phương tiện giao thông thực tế:
    • Bố trí hệ đo bên đường, thu nhận tín hiệu từ hai mô-đun PIR khi phương tiện giao thông di chuyển cắt qua ở khoảng cách $5\ \text{m} \div 10\ \text{m}$ trong dải vận tốc $20\ \text{km/h} \div 100\ \text{km/h}$.
    • So sánh kết quả vận tốc tính toán từ tín hiệu PIR (sử dụng CCF và CCFHT) với phương pháp tham chiếu sử dụng camera ghi hình tốc độ cao.
    • Kết quả thực nghiệm khẳng định sai lệch đo vận tốc giữa phương pháp đề xuất so với phương pháp tham chiếu đạt mức dưới $3{,}5%$.

Bảng 3 tổng hợp các thông số kỹ thuật và kết quả đo đạc chính thu được từ hệ thống thực nghiệm của luận án.

Thông số / Chỉ tiêu kỹ thuật Giá trị thực nghiệm công bố trong luận án
Dải bước sóng làm việc của mô-đun $5\ \mu\text{m} \div 14\ \mu\text{m}$
Dải nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt tương ứng $-66\ ^\circ\text{C} \div 306\ ^\circ\text{C}$
Dải khoảng cách đo thực nghiệm $5\ \text{m} \div 10\ \text{m}$
Dải vận tốc nguồn nhiệt đo đạc $20\ \text{km/h} \div 100\ \text{km/h}$
Độ không đảm bảo đo góc quang trục lý thuyết ($T_s = 50\ ^\circ\text{C}$) $0{,}0175^\circ$
Độ phân giải đo vị trí góc quang trục trên hệ thiết bị thực tế $0{,}02^\circ$
Sai lệch đo vận tốc thực tế (so với camera ghi hình tham chiếu) Tới $3{,}5%$

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình hệ thống thực nghiệm đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển sử dụng cặp mô-đun cảm biến hồng ngoại nhiệt điện PIR; xác lập cơ sở lý thuyết chứng minh hai yếu tố ảnh hưởng trọng yếu nhất đến độ chính xác phép đo là: (1) Độ song song giữa hai trục quang học của hai mô-đun cảm biến và (2) Độ chính xác ước lượng thời gian trễ giữa hai tín hiệu điện áp đầu ra.
  2. Thiết lập phương pháp lý thuyết và mô hình toán học xác định vị trí quang trục của mô-đun cảm biến hồng ngoại không ảnh PIR dựa trên nguồn nhiệt tiêu chuẩn được điều biến cơ học. Đưa ra công thức tính toán độ nhạy, phân tích độ không đảm bảo đo và độ phân giải của góc quang trục; chứng minh trên mô hình tính toán độ không đảm bảo đo có thể đạt $0{,}0175^\circ$ ở nhiệt độ nguồn nhiệt $50\ ^\circ\text{C}$, và đạt độ phân giải đo thực tế là $0{,}02^\circ$.
  3. Phát triển và ứng dụng tổ hợp các thuật toán xử lý tín hiệu ngẫu nhiên (kết hợp tương quan chéo CCF, biến đổi Hilbert CCFHT và biến đổi Fourier) để giải quyết bài toán tối ưu hóa ước lượng thời gian trễ của tín hiệu PIR trong môi trường có nhiễu; thiết lập các phân tích định lượng về độ không đảm bảo đo thời gian trễ giữa các thuật toán.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Chế tạo thành công hệ thống phần cứng đo vận tốc hoàn chỉnh gồm: 02 mô-đun cảm biến PIR kèm thấu kính Fresnel và vỏ cơ khí gá đặt chuẩn xác, mạch khuếch đại xử lý tín hiệu tương tự, cơ cấu cơ khí hiệu chỉnh góc quang học vi cấp, hệ thu nhận tín hiệu số và giao diện phần mềm hiển thị dữ liệu đo trên nền tảng Qt.
  2. Kiểm nghiệm thành công hệ thống trên các đối tượng thực tế (phương tiện giao thông) trong điều kiện ngoài trời ở cự ly $5\ \text{m} \div 10\ \text{m}$ và dải vận tốc $20\ \text{km/h} \div 100\ \text{km/h}$. Kết quả chứng minh sai số của phép đo chỉ đạt tối đa $3{,}5%$ khi đối chiếu với hệ thống tham chiếu ghi hình bằng camera.
  3. Đề xuất quy trình công nghệ hiệu chuẩn độ song song quang trục cho các thiết bị đo quang học không ảnh, cung cấp giải pháp kỹ thuật thay thế hiệu quả cho các hệ thống radar, lidar hoặc camera trong bài toán giám sát tốc độ giao thông với chi phí chế tạo thấp và tiêu thụ ít năng lượng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

Theo phạm vi và các giả thiết được nêu trong văn bản luận án, hệ thống còn tồn tại một số giới hạn kỹ thuật:

  • Phép đo giả định phương tiện di chuyển với vận tốc không đổi khi cắt qua trường nhìn của hai cảm biến và chuyển động theo phương vuông góc với hai quang trục. Nếu phương tiện tăng tốc, giảm tốc đột ngột hoặc chuyển làn chéo góc, sai số đo sẽ gia tăng.
  • Mô hình giả định trong thời điểm đo chỉ có duy nhất một đối tượng nguồn nhiệt di chuyển qua trường nhìn FOV; chưa giải quyết triệt để bài toán tách tín hiệu khi có nhiều phương tiện xuất hiện đồng thời trong cùng một khoảng thời gian lấy mẫu.
  • Cự ly đo thực nghiệm bị giới hạn trong khoảng từ $5\ \text{m}$ đến $10\ \text{m}$, phụ thuộc vào khẩu độ quang học của thấu kính Fresnel chế tạo và mức chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt với môi trường nền ($T_{ob} - T_b$).

Hướng nghiên cứu mở rộng

Tác giả đề xuất các hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng thuật toán xử lý tín hiệu để nhận diện và đo vận tốc trong trường hợp nhiều mục tiêu di chuyển đan xen hoặc các phương tiện chuyển động không vuông góc với quang trục.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc hệ quang học (cải tiến thiết kế thấu kính Fresnel đa vùng hoặc hệ thấu kính phản xạ hỗn hợp) nhằm tăng cự ly phát hiện xa hơn $10\ \text{m}$ và nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
  • Tích hợp mô-đun cảm biến vào mạng lưới cảm biến không dây phục vụ các hệ thống giao thông thông minh (ITS) quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại nhiều giá trị khoa học và thực tiễn chuyên môn cho các nhóm đối tượng cụ thể:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Đo lường và Cơ kỹ thuật: Luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp mô hình hóa toán học các hệ thống đo quang - điện tử sử dụng cảm biến bức xạ nhiệt. Đặc biệt, nội dung Chương 2 và Chương 3 cung cấp cơ sở lý thuyết mạch tương đương của cảm biến pyroelectric và phương pháp phân tích độ không đảm bảo đo theo tiêu chuẩn đo lường học.
  • Đối với các kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) thiết bị quang học và cảm biến: Các bản vẽ thiết kế vỏ cơ khí mô-đun PIR, sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại biến đổi tín hiệu, cơ cấu hiệu chuẩn trục quang học và mã nguồn phần mềm thu nhận dữ liệu bằng Qt (trình bày tại phần Phụ lục) có thể trực tiếp kế thừa trong việc chế tạo các cảm biến công nghiệp chi phí thấp.
  • Đối với các nhà quản lý giao thông và đơn vị phát triển giải pháp Đô thị thông minh: Cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi để giám sát vận tốc phương tiện với chi phí đầu tư thiết bị thấp, lắp đặt gọn nhẹ bên lề đường, không phá hủy kết cấu mặt đường như vòng từ hay cáp áp điện, đồng thời khắc phục nguy cơ xâm phạm quyền riêng tư hình ảnh của người tham gia giao thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cảm biến hồng ngoại PIR (Pyroelectric) lại đo được vận tốc của phương tiện giao thông?

Cảm biến nhiệt điện PIR hoạt động dựa trên sự thay đổi của thông lượng bức xạ hồng ngoại theo thời gian. Mọi phương tiện giao thông có động cơ và ma sát bề mặt đều phát ra bức xạ nhiệt ở dải bước sóng $5 \div 14\ \mu\text{m}$. Khi xe chuyển động cắt ngang qua trường nhìn của hai mô-đun cảm biến PIR đặt cách nhau một khoảng cách cố định $d$, hai tín hiệu điện áp biến thiên sẽ xuất hiện liên tiếp. Bằng cách áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu để trích xuất chính xác độ trễ thời gian $\eta$ giữa hai tín hiệu này, vận tốc của phương tiện được xác định trực tiếp qua công thức $v = d / \eta$.

2. Thách thức lớn nhất khi xác định trục quang học của mô-đun cảm biến PIR là gì và tác giả đã giải quyết thế nào?

Thách thức lớn nhất là cảm biến PIR thuộc dạng cảm biến không ảnh (non-imaging sensor), không tạo ra khung hình thị giác như camera để quan sát trực tiếp tâm quang học. Do đó, việc lắp ráp thủ công thấu kính và linh kiện cảm biến vào vỏ cơ khí luôn tạo ra sai lệch giữa quang trục thực tế và trục hình học cơ khí. Tác giả đã giải quyết thách thức này bằng cách thiết lập một hệ thống chuẩn gồm một nguồn nhiệt tham chiếu chuẩn đặt sau màn trập điều biến cơ học với tần số góc $\omega_m$. Bằng cách quét góc vi cấp mô-đun cảm biến và theo dõi mật độ phổ công suất (PSD) cũng như biên độ điện áp đáp ứng cực đại, vị trí quang trục thực của từng mô-đun được định vị với độ phân giải lên tới $0{,}02^\circ$.

3. Phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert (CCFHT) có ưu điểm gì so với phương pháp tương quan chéo cổ điển (CCF)?

Trong điều kiện thực tế, tín hiệu PIR thu được từ phương tiện chuyển động thường bị lẫn nhiễu nền và dao động nhiệt độ ngẫu nhiên, khiến hàm tương quan chéo cổ điển (CCF) dễ xuất hiện hiện tượng nhiều đỉnh phụ hoặc đỉnh cực đại bị bè rộng, dẫn đến sai lệch khi xác định độ trễ thời gian. Phương pháp CCFHT kết hợp biến đổi Hilbert để tạo ra tín hiệu phân tích trực giao, giúp làm nổi bật đường bao phong bì của hàm tương quan, loại bỏ các đỉnh giả và làm đỉnh tương quan trở nên sắc nhọn hơn. Nhờ đó, độ không đảm bảo đo của thời gian trễ giảm xuống đáng kể, nâng cao độ chính xác đo vận tốc.

4. Hệ thống thực nghiệm đo vận tốc của luận án đạt được độ chính xác và phạm vi hoạt động như thế nào trong điều kiện thực tế?

Hệ thống thực nghiệm được bố trí đo phương tiện giao thông di chuyển trong dải khoảng cách từ $5\ \text{m}$ đến $10\ \text{m}$ với dải vận tốc từ $20\ \text{km/h}$ đến $100\ \text{km/h}$. Khi đối chiếu với hệ thống đo tham chiếu chuẩn sử dụng camera ghi hình tốc độ cao, sai lệch kết quả đo vận tốc của hệ thống hai mô-đun PIR đạt mức tối đa là $3{,}5%$. Độ phân giải đo vị trí góc quang trục của hệ thống đạt mức $0{,}02^\circ$.

Kết luận

Luận án của tác giả Vũ Văn Quang đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại thông qua hệ thống hai mô-đun cảm biến thụ động PIR. Bằng việc phân tích sâu sắc các cơ sở vật lý bức xạ, mô hình hóa mạch tương đương của cảm biến nhiệt điện và áp dụng lý thuyết tín hiệu ngẫu nhiên, nghiên cứu đã đề xuất thành công phương pháp hiệu chuẩn quang trục đạt độ phân giải $0{,}02^\circ$ và giải thuật tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert (CCFHT) nhằm tối ưu hóa phép ước lượng thời gian trễ. Các kết quả thực nghiệm ngoài trời trên phương tiện giao thông ở dải vận tốc $20 \div 100\ \text{km/h}$ với sai lệch dưới $3{,}5%$ đã khẳng định tính đúng đắn khoa học, cung cấp cơ sở vững chắc cho việc ứng dụng cảm biến nhiệt điện giá thành thấp trong các hệ thống đo lường và giám sát giao thông hiện đại.