Nghiên cứu phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh ảnh nhiệt

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

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

1.1. Các đại lƣợng đặc trƣng bức xạ nhiệt

1.1.1. Công suất bức xạ

1.1.2. Độ trƣng bức xạ

1.1.3. Cƣờng độ bức xạ

1.2. Hấp thụ, phản xạ, truyền qua bức xạ

1.3. Bức xạ của vật đen tuyệt đối

1.3.1. Năng suất phát xạ đơn sắc

1.3.2. Đặc trƣng phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối. Định luật Stefan - Boltzmann

1.3.3. Định luật Wien

1.4. Cơ sở lý thuyết bức xạ nguồn giả vật đen

1.4.1. Phát xạ của vật thực

1.4.2. Hốc phát xạ của nguồn bức xạ giả vật đen. Kiểu dạng hốc phát xạ

1.4.3. Dòng bức xạ từ một bề mặt hốc phát xạ

1.4.4. Hệ số phát xạ hiệu dụng

1.4.5. Nhiệt độ bức xạ

1.4.6. Tính bất đẳng nhiệt của hốc phát xạ thực

1.5. Kết luận Chƣơng 1

2. CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG BỨC XẠ CỦA HỐC PHÁT XẠ VẬT ĐEN

2.1. Phƣơng pháp tính toán tất định. Các biểu thức tính toán gần đúng

2.2. Phƣơng pháp giải tích. Phƣơng trình tích phân cơ bản

2.2.1. Các phƣơng trình tính hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm

2.3. Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo

2.3.1. Phƣơng pháp Monte Carlo trong đo lƣờng bức xạ

2.3.2. Mô hình hóa ngẫu nhiên các tính chất quang học của bề mặt

2.3.3. Xác suất các quá trình lan truyền và tƣơng tác bức xạ

2.3.4. Kỹ thuật gán trọng số thống kê

2.3.5. Mô phỏng Monte Carlo trong tính toán đặc trƣng bức xạ của hốc phát xạ

2.3.5.1. Phƣơng pháp mô phỏng dựa trên phát xạ

2.3.5.2. Phƣơng pháp mô phỏng dựa trên hấp thụ bức xạ

2.4. Phƣơng pháp đo lƣờng thực nghiệm

2.4.1. Các phƣơng pháp đo phản xạ

2.4.1.1. Đo phản xạ bằng laser

2.4.1.2. Đo phản xạ bằng nguồn bức xạ dải rộng

2.4.2. Đo lƣờng trắc xạ các nguồn bức xạ vật đen

2.4.2.1. Các thiết bị đo trắc xạ (radiometers)

2.4.2.2. Các máy đo phổ kế bức xạ (spectroradiometers)

2.5. Kết luận chƣơng 2

3. CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HỆ SỐ PHÁT XẠ THEO HƢỚNG HIỆU DỤNG CỦA HỐC HÌNH TRỤ - ĐÁY NÓN LÕM

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

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

3.1.2. Biến đổi các biểu thức hệ số góc

3.1.3. Xử lý các điểm kỳ dị

3.1.4. Tính toán hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón bằng kỹ thuật đa thức nội suy

3.1.4.1. Lựa chọn dạng đa thức nội suy

3.1.4.2. Nghiên cứu tính hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón

3.2. Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm bằng phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo

3.2.1. Mô hình hóa hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm

3.2.2. Giả định các đặc trƣng quang học của hốc phát xạ

3.2.3. Mô hình phân bố phản xạ của bề mặt hốc

3.2.4. Xác định đặc trƣng bức xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc phát xạ

3.2.5. Mô phỏng lan truyền bức xạ trong hốc phát xạ

3.2.6. Xây dựng giải thuật mô phỏng

3.3. Kết luận chƣơng 3

4. CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƢNG NGUỒN GIẢ VẬT ĐEN DỰA TRÊN HỐC DẠNG HÌNH TRỤ - ĐÁY NÓN LÕM CHO HIỆU CHỈNH BẤT ĐỒNG NHẤT ẢNH CỦA CAMERA ẢNH NHIỆT

4.1. Các yêu cầu đối với nguồn giả vật đen

4.1.1. Yêu cầu sử dụng

4.1.2. Các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu

4.1.2.1. Kiểu dạng hốc phát xạ

4.1.2.2. Dải phổ bức xạ

4.1.2.3. Kích thƣớc khẩu độ ra

4.1.2.4. Hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng

4.1.2.5. Nhiệt độ làm việc

4.1.2.6. Nguồn điện cung cấp

4.1.3. Yêu cầu thiết kế

4.2. Nghiên cứu thiết kế hốc phát xạ

4.2.1. Nghiên cứu xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ

4.2.1.1. Khảo sát phân bố của e,n nhƣ là hàm của tỷ số R/r

4.2.1.2. Khảo sát phân bố của e,n nhƣ là hàm của tỷ số L/R

4.2.1.3. Khảo sát phân bố của e,n nhƣ là hàm của góc 

4.2.1.4. Xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ

4.2.2. Đánh giá các tham số thiết kế hệ thống

4.2.3. Lựa chọn vật liệu phát xạ

4.2.4. Giải pháp cấp nhiệt và điều khiển nhiệt độ

4.2.4.1. Yêu cầu về nguồn nhiệt

4.2.4.2. Điều khiển nhiệt độ của đáy nón

4.3. Đánh giá đặc trƣng nguồn bức xạ giả vật đen

4.3.1. Nguồn bức xạ giả vật đen đƣợc chế tạo

4.3.2. Khảo sát nhiệt độ bề mặt đáy nón

4.3.3. Đánh giá đặc trƣng bức xạ bằng phổ kế bức xạ

4.4. Xử lý bất đồng nhất ảnh nhiệt

4.4.1. Mô hình đáp ứng tuyến tính của camera

4.4.2. Hiệu chỉnh tuyến tính bằng chuẩn hóa

4.4.3. Nghiên cứu ứng dụng hiệu chỉnh NUC ảnh nhiệt vùng LWIR

4.5. Kết luận Chƣơng 4

KẾT LUẬN CHUNG

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về nguồn giả vật đen

Nguồn giả vật đen là một thiết bị quan trọng trong lĩnh vực hồng ngoại, đặc biệt là trong việc hiệu chỉnh ảnh nhiệt. Nguồn giả vật đen được thiết kế để mô phỏng bức xạ của vật đen tuyệt đối, giúp cải thiện độ chính xác của các camera ảnh nhiệt. Các nguồn này thường được sử dụng trong các ứng dụng như quan sát, phát hiện và nhận dạng đối tượng trong điều kiện ánh sáng yếu. Đặc điểm nổi bật của nguồn giả vật đen là khả năng phát xạ bức xạ nhiệt với hệ số phát xạ gần với 1, điều này giúp giảm thiểu các sai số trong quá trình đo lường. Việc phát triển nguồn giả vật đen có thể được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm thiết kế hình học của hốc phát xạ và lựa chọn vật liệu phù hợp.

1.1. Tầm quan trọng của hiệu chỉnh ảnh nhiệt

Hiệu chỉnh ảnh nhiệt là một bước quan trọng trong quy trình xử lý tín hiệu của camera ảnh nhiệt. Hiệu chỉnh ảnh nhiệt giúp loại bỏ các tạp nhiễu và bất đồng nhất trong ảnh thu được, từ đó nâng cao chất lượng hình ảnh. Các camera ảnh nhiệt thường gặp phải hiện tượng tạp kiểu hoa văn cố định (FPN), gây ảnh hưởng đến độ chính xác của thông tin thu được. Để khắc phục vấn đề này, việc sử dụng nguồn giả vật đen để thực hiện hiệu chỉnh bất đồng nhất (NUC) là rất cần thiết. Kỹ thuật này cho phép chuẩn hóa các đặc trưng đáp ứng của các thành phần trong hệ thống camera, đảm bảo rằng các ảnh thu được có độ chính xác cao và đáng tin cậy.

II. Cơ sở lý thuyết về bức xạ vật đen

Bức xạ vật đen là một khái niệm quan trọng trong vật lý nhiệt. Theo định luật Stefan-Boltzmann, công suất bức xạ của một vật đen tỷ lệ với bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối. Bức xạ vật đen được mô tả bởi các đặc trưng như độ trưng bức xạ và cường độ bức xạ. Đặc biệt, định luật Wien cung cấp thông tin về tần số tối đa của bức xạ phát ra từ vật đen. Việc hiểu rõ các đặc trưng này là cần thiết để thiết kế và phát triển nguồn giả vật đen có hiệu suất cao. Các hốc phát xạ được sử dụng trong nguồn giả vật đen cần phải được thiết kế sao cho có thể phát xạ bức xạ gần giống với bức xạ của vật đen tuyệt đối, từ đó đảm bảo tính chính xác trong các ứng dụng thực tế.

2.1. Đặc trưng bức xạ của vật đen

Đặc trưng bức xạ của vật đen được xác định bởi hệ số phát xạ, một đại lượng quan trọng trong việc đánh giá khả năng phát xạ bức xạ nhiệt của vật liệu. Hệ số phát xạ của vật đen tuyệt đối là 1, trong khi các vật liệu thực tế thường có hệ số phát xạ nhỏ hơn 1. Việc nghiên cứu và tính toán hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng của các hốc phát xạ là cần thiết để phát triển nguồn giả vật đen. Các phương pháp tính toán như phương pháp hốc tích hợp (ICM) và phương pháp Monte Carlo (MCM) thường được áp dụng để xác định các đặc trưng bức xạ này. Sự hiểu biết về các phương pháp này sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và cải thiện hiệu suất của nguồn giả vật đen.

III. Phương pháp nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen

Nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen bao gồm nhiều bước từ thiết kế, chế tạo đến đánh giá hiệu suất. Các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu cần được xác định rõ ràng, bao gồm kích thước, dải phổ bức xạ và hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng. Việc lựa chọn vật liệu phát xạ cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này. Các hốc phát xạ cần được thiết kế sao cho có thể tạo ra bức xạ đồng nhất và ổn định. Đánh giá đặc trưng bức xạ của nguồn giả vật đen được thực hiện thông qua các phương pháp đo lường thực nghiệm, giúp xác định tính chính xác và độ tin cậy của nguồn bức xạ. Kết quả từ các nghiên cứu này sẽ cung cấp cơ sở cho việc ứng dụng nguồn giả vật đen trong các hệ thống camera ảnh nhiệt.

3.1. Thiết kế và chế tạo hốc phát xạ

Thiết kế hốc phát xạ là một bước quan trọng trong việc phát triển nguồn giả vật đen. Hốc phát xạ cần được thiết kế sao cho có thể tối ưu hóa khả năng phát xạ bức xạ nhiệt. Các yếu tố như hình dạng, kích thước và vật liệu cấu tạo của hốc phát xạ đều ảnh hưởng đến hiệu suất phát xạ. Việc sử dụng các công nghệ hiện đại trong thiết kế và chế tạo hốc phát xạ sẽ giúp nâng cao chất lượng và độ chính xác của nguồn giả vật đen. Các nghiên cứu thực nghiệm cũng cần được thực hiện để đánh giá hiệu suất của hốc phát xạ, từ đó điều chỉnh thiết kế cho phù hợp với yêu cầu ứng dụng thực tế.

IV. Ứng dụng của nguồn giả vật đen trong hiệu chỉnh ảnh nhiệt

Nguồn giả vật đen có vai trò quan trọng trong việc hiệu chỉnh ảnh nhiệt, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Kỹ thuật hiệu chỉnh bất đồng nhất (NUC) sử dụng nguồn giả vật đen để chuẩn hóa các đặc trưng đáp ứng của camera ảnh nhiệt. Điều này giúp giảm thiểu các tạp nhiễu và cải thiện chất lượng hình ảnh. Các camera ảnh nhiệt hiện đại thường sử dụng nguồn giả vật đen để thực hiện quy trình NUC, đảm bảo rằng các ảnh thu được có độ chính xác và đáng tin cậy. Việc phát triển và ứng dụng nguồn giả vật đen trong các hệ thống camera ảnh nhiệt sẽ góp phần nâng cao hiệu suất và khả năng hoạt động của các thiết bị này trong thực tế.

4.1. Hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh nhiệt

Hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh nhiệt là một quy trình quan trọng trong việc xử lý tín hiệu của camera ảnh nhiệt. Quy trình này giúp loại bỏ các tạp nhiễu và bất đồng nhất trong ảnh thu được, từ đó nâng cao chất lượng hình ảnh. Việc sử dụng nguồn giả vật đen trong quy trình NUC cho phép chuẩn hóa các đặc trưng đáp ứng của các thành phần trong hệ thống camera. Kỹ thuật này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác của ảnh thu được mà còn đảm bảo rằng các thông tin quan trọng được truyền tải một cách rõ ràng và chính xác. Sự phát triển của nguồn giả vật đen sẽ đóng góp tích cực vào việc nâng cao chất lượng và hiệu suất của các camera ảnh nhiệt trong các ứng dụng thực tế.

Luận án về phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh ảnh thu từ camera nhiệt