(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------

VŨ VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC
ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN
BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Vũ Tồn Thắng

Hà Nội - 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------

VŨ VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC
ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN
BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Vũ Tồn Thắng

Hà Nội - 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Những
nội dung, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công
bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu,
phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam.
Các kết quả này chưa có tác giả nào cơng bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày 14 tháng 03 năm 2022
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

PGS. TS. Vũ Toàn Thắng

Vũ Văn Quang

i


LỜI CẢM ƠN

Trong q trình thực hiện luận án, tơi đã được sự hướng dẫn tận tình của tập
thể hướng dẫn khoa học, được tạo điều kiện của Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ
khí, các Giảng viên thuộc Bộ mơn Cơ khí Chính xác và Quang học – Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi được các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ và đồng nghiệp góp ý, tư vấn nhiều
ý kiến và cung cấp một số tài liệu liên quan đến nội dung của đề tài. Đồng thời, tôi
cũng được các Nghiên cứu sinh của Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, cũng
như của Viện Cơ khí đã chia sẻ, động viên trong q trình hồn thành các thủ tục,
nội dung của luận án.
Tơi xin được chân thành cảm ơn sâu sắc các tập thể, cá nhân đã hướng dẫn,
giúp đỡ, tạo điều kiện trong thời gian qua, đặc biệt tôi xin được bày tỏ sự biết ơn
đến thầy giáo hướng dẫn: PGS. Vũ Toàn Thắng.
Tôi xin được cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, cảm ơn
người vợ thương yêu đã chia sẻ, tạo thuận lợi trong thời gian tôi thực hiện đề tài
nghiên cứu.
Xin trân trọng cám ơn!

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT............................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ.................................................................................................................. ix
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài........................................................................................................................ 1
2. Mục tiêu của luận án:................................................................................................................ 2
3. Nội dung nghiên cứu................................................................................................................. 2
4. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................................... 3
5. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu............................................................................ 3

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn............................................................................................... 3
7. Những đóng góp mới của luận án........................................................................................ 4
8. Cấu trúc luận án.......................................................................................................................... 4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐO VẬN TỐC CỦA NGUỒN NHIỆT DI
CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI......................................................................... 6
1.1 Bài toán đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại và các nghiên cứu
liên quan.............................................................................................................................................. 6
1.2 Mô tả hệ thống đo được đề xuất....................................................................................... 17
1.3 Mục tiêu, khó khăn và các đóng góp dự kiến............................................................. 20
Kết luận chương 1......................................................................................................................... 21
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO VẬN TỐC
NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI........................... 22
2.1 Các lý thuyết liên quan đến bức xạ hồng ngoại......................................................... 22
2.1.1 Các đơn vị bức xạ.......................................................................................................... 23
2.1.2 Đặc điểm không gian của đối tượng nguồn nhiệt và nền hồng ngoại.......28
2.2 Các thành phần trong hệ thống thực nghiệm đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng
các mô-đun cảm biến PIR......................................................................................................... 29
2.2.1 Cảm biến nhiệt điện pyroelectric............................................................................ 30
2.2.2 Thấu kính Fresnel.......................................................................................................... 34
2.3 Các lý thuyết tín hiệu ngẫu nhiên cơ bản và bài toán xác định thời gian trễ. . 36

iii


2.3.1 Dữ liệu xác định và dữ liệu ngẫu nhiên................................................................ 36
2.3.2 Các thuộc tính thống kê cơ bản................................................................................ 41
Kết luận chương 2......................................................................................................................... 43
CHƢƠNG 3. MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG
PHÉP ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI.........44
3.1 Phân tích các sai số và độ không đảm bảo đo của hệ thống đo vận tốc nguồn

nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại................................................................................................... 44
3.2 Giải pháp xác định và hiệu chỉnh

độ song song hai quang trục của hai mơ-

đun cảm biến PIR.......................................................................................................................... 47
3.2.1 Thiết lập thí nghiệm vị trí quang trục của

mơ-đun cảm biến PIR so với

bề mặt mục tiêu của nguồn nhiệt tham chiếu được điều biến.................................. 49
3.2.2 Phân tích độ nhạy của phép đo................................................................................. 53
3.2.3 Xác định độ khơng đảm bảo đo vị trí quang trục của từng mô-đun cảm
biến PIR và độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến PIR 57

3.3 Các giải pháp nâng cao độ chính xác trong việc xác định độ trễ giữa hai tín
hiệu đầu ra của hai mô-đun cảm biến PIR........................................................................... 60
3.3.1 Phương pháp tương quan chéo cổ điển................................................................. 63
3.3.2. Phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert.............................. 66
3.3.3 Ứng dụng biến đổi Fourier cho các đánh giá tương quan.............................. 69
Kết luận chương 3......................................................................................................................... 72
CHƢƠNG 4. CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ THỰC NGHIỆM......................74
4.1 Khảo sát hệ thống xác định vị trí quang trục của mơ-đun cảm biến PIR.........74
4.1.1 Thí nghiệm xác định và hiệu chỉnh vị trí quang trục mơ-đun PIR.............76
4.1.2 Khảo sát độ không đảm bảo đo của phương pháp xác định quang trục
mô-đun cảm biến PIR............................................................................................................. 82
4.1.3. Thực nghiệm đo vị trí quang trục của các mơ-đun cảm biến PIR.............85
4.2 Thực nghiệm đo giá trị vận tốc......................................................................................... 89
4.2.1 Mô tả bố trí thí nghiệm................................................................................................ 89
4.2.2 Phân tích độ khơng đảm bảo đo cho thời gian trễ với các phương pháp số

khác nhau..................................................................................................................................... 90
4.2.3 Thực nghiệm đo vận tốc với các đối tượng thực tế.......................................... 95

iv


Kết luận chương 4......................................................................................................................... 98
KẾT LUẬN......................................................................................................................................... 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................... 102
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN..................107
PHỤ LỤC A. THIẾT KẾ MÔ-ĐUN CẢM BIẾN PIR................................................ 108
PHỤ LỤC B. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU CHO MÔ-ĐUN
CẢM BIẾN....................................................................................................................................... 111
PHỤ LỤC C. THIẾT KẾ HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN TRỤC QUANG HỌC
CỦA MÔ-ĐUN CẢM BIẾN PIR........................................................................................... 113
PHỤ LỤC D. GIAO DIỆN PHẦN MỀM THU NHẬN DỮ LIỆU ĐO...............114
PHỤ LỤC E. LƢỢC TRÍCH MỘT SỐ CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN,
ĐIỀU KHIỂN VÀ THU NHẬN TÍN HIỆU...................................................................... 115

v


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT
DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI
1.1 Bài toán đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại và các nghiên
cứu liên quan
Giám sát chuyển động của nguồn nhiệt bằng thơng tin của tín hiệu bức xạ hồng
ngoại được áp dụng các mơi trường kháu nhau (trong nhà và ngồi trời), trong các
điều kiện thời tiết khác nhau (ngày và đêm). Việc sử dụng cảm biến hồng ngoại
trong các ứng dụng này có thể dẫn đến việc giảm chi phí thiết lập hệ thống theo dõi

(thay thế cho các hệ thống camera và các loại cảm biến khác) và giảm thiểu năng
lượng tiêu thụ mà thiết bị yêu cầu cho việc tính tốn. Các hệ thống được cài đặt cảm
biến bức xạ hồng ngoại thụ động sẽ được định hướng là các thiết bị có tính di động
cao và dễ dàng tích hợp trong các mạng cảm biến.
Một lĩnh vực mà ứng dụng các cảm biến bức xạ hồng ngoại có thể kể đến là
trong việc giám sát và xác định vận tốc của các phương tiện giao thông. Tổng quan,
trong lĩnh vực này, các công nghệ giám sát phương tiện giao thơng được chia thành
hai nhóm chính: Cơng nghệ cảm biến tiếp xúc (intrusive technology) và công nghệ
cảm biến khơng tiếp xúc (non-intrusive technology) [1] (Bảng 1.1). Theo đó, công
nghệ sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại nằm trong nhóm thứ hai.
ảng 1 Các cơng nghệ cảm biến ứng dụng trong giám sát và xác
định vận tốc phương tiện giao thơng
Nhóm các cơng nghệ cảm biến tiếp xúc
-

Đường ống khí nén
Vịng cảm ứng
Cáp áp điện
Cảm biến từ tính
Tấm cân chuyển động
Cảm biến áp điện
Cảm biến tải trọng (Loadcell)
…

6


Mặc dù hiện nay có nhiều cơng nghệ cảm biến hiện đang được sử dụng để thu
thập dữ liệu lưu lượng giao thông để xác định các tham số như vận tốc, lưu lượng,
vị trí của đối tượng mục tiêu; mỗi một cơng nghệ lại có một số ưu điểm và nhược

điểm riêng [1]. Ví dụ, cảm biến âm thanh đã được sử dụng để phân loại các phương
tiện giao thông [2], [3] và xác định vận tốc di chuyển của phương tiện [4]. Công
nghệ RADARvà LIDAR (bảng 1.1) được sử dụng để phát hiện và đo vận tốc của
phương tiện giao thông [5], [6]. Tuy nhiên, các phương pháp vừa đề cập có thể
khơng cho kết quả chính xác nếu hướng của của thiết bị đo không trùng với hướng
của đối tượng di chuyển. Một số phương pháp phân loại phương tiện và xác định
vận tốc của chúng khác dựa trên các thiết bị ghi hình thơng thường [7] và thiết bị
ghi hình hồng ngoại [8]. Nhược điểm của những thiết bị cảm biến hình ảnh này là
chúng chịu ảnh hưởng tương đối lớn của điều kiện thời tiết và tầm nhìn của chúng
thường bị hạn chế. Tiếp theo có thể kể đến, các cơng nghệ cảm biến tiếp xúc như
các vòng cảm ứng [9], [10], cảm biến từ [11], cáp áp điện và ống khí nén, cũng
được sử dụng để phát hiện và xác định vận tốc của phương tiện giao thông. Trong
thực tế, việc triển khai các cảm biến này thường rất khó khăn, chi phí tốn kém cho
việc triển khai và bảo trì, bởi các cảm biến cần được bố trí trên bề mặt di chuyển và
tiếp xúc trực tiếp với đối tượng đo – phương tiện giao thơng. Bên cạnh đó, một số
cơng nghệ cảm biến giao thông cũng đang nhận được nhiều sự quan tâm là sử dụng
chính các phương tiện làm cảm biến chuyển động [12] hoặc sử dụng các thiết bị hỗ
trợ hệ thống định vị toàn cầu GPS như điện thoại thông minh [13]. Trong các hệ
thống này, dữ liệu về vị trí được gửi đến một máy chủ trung tâm để xử lý thông qua
mạng internet, tuy nhiên việc này có thể dẫn đến các vấn đề liên quan đến bảo mật
cá nhân vì chúng có thể là mục tiêu của các cuộc tấn cơng mạng.
Trong nhóm các cơng nghệ cảm biến không tiếp xúc phục vụ đo các tham số
giao thông, cảm biến hồng ngoại thụ động cũng được sử dụng bởi đối tượng đo –
phương tiện giao thông được coi là một nguồn nhiệt di động. Để phát hiện bức xạ
hồng ngoại, cảm biến hồng ngoại hoạt động dựa trên hiệu ứng photon và dựa trên
hiệu ứng nhiệt [14]. Nhóm cảm biến hồng ngoại hoạt động theo hiệu ứng photon có
độ nhạy cao hơn và thời gian đáp ứng nhanh - dưới 1 μs, tuy nhiên chúng làm việc ở
dải quang phổ hạn chế và luôn cần thiết bị làm mát có chi phí cao đi kèm. Mặt khác,
7

các cảm biến hồng ngoại theo hiệu ứng nhiệt có thể hoạt động ở nhiệt độ thông
thường và không yêu cầu đi kèm với các thiết bị làm mát. Trong nhóm này, cảm
biến hồng ngoại Pyroelectric (PIR- Pyroelectric Infrared) được cấu tạo từ các vật
liệu nhiệt điện, như TGS, BaTiO3, v.v., cung cấp một tín hiệu điện áp đầu ra phụ
thuộc vào sự thay đổi của lượng bức xạ hồng ngoại đến bề mặt cảm biến [14]. Trong
nội dung nghiên cứu, tác giả tập trung vào việc ứng dụng cảm biến hồng ngoại
Pyroelectric (PIR) để phục vụ giải quyết bài toán đo vận tốc nguồn nhiệt chuyển
động bằng bức xạ hồng ngoại. Dưới đây, một số nghiên cứu liên quan đế việc ứng
dụng cảm biến PIR được đề cập.
Trong các cơng trình được cơng bố, cảm biến PIR chủ yếu được sử dụng cho
các ứng dụng phát hiện và định vị đối tượng nguồn nhiệt (con người) với điều kiện
cài đặt trong nhà. Trong nghiên cứu của Z. Zhang [15], một hệ thống ma trận gồm 8
nút cảm biến và một trạm xử lý trung tâm được bố trí trong khơng gian phịng thí
nghiệm (hình 1.1) để phát hiện và định vị mục tiêu nguồn nhiệt di chuyển. Trên
từng nút cảm biến, một hệ thống quang học bao gồm cảm biến hồng ngoại PIR và
thấu kính trong suốt với bước sóng hồng ngoại 5 ÷ 14 μm, được sử dụng để thu
nhận tín hiệu bức xạ hồng ngoại phát ra từ mục tiêu (hình 1.2). Dựa trên tín hiệu
điện áp đầu ra của các nút cảm biến, Z. Zhang và các cộng sự đã phát triển thuật
toán với việc cài đặt một ngưỡng tín hiệu khơng đổi để phát hiện mục tiêu di
chuyển.

8


nh 1 Bố trí thí nghiệm trong nghiên cứu của Z. Zhang và cộng sự [15]

nh

2 Mô tả thành phần trong nút cảm biến thu nhận tín hiệu bức xạ hồng ngoại

trong nghiên cứu của Z. Zhang [15]
P.

Zappi và cộng sự [16] sử dụng một cặp cảm biến PIR để phát hiện sự hiện

diện của nguồn nhiệt đang di chuyển, xác định hướng chuyển động của mục tiêu và
khoảng cách của nó tới cặp cảm biến PIR. Trong thiết lập của họ, mỗi cảm biến PIR
9


sẽ trích xuất một tập hợp các đặc tính: biên độ tín hiệu, thời lượng tín hiệu và gửi nó
đến máy tính xử lý trung tâm. Đầu xử lý trung tâm sử dụng trực tiếp các đặc tính
này để xuất ra một vectơ đặc trưng có kích thước thấp hơn, để tối ưu khả năng tính
tốn của các nút cảm biến bố trí trong các hệ thống khơng dây.

nh

3 Tín hiệu đầu ra của cảm biến PIR khi kết hợp với thấu kính (a) và ở
các khoảng cách khác nhau (b) trong nghiên cứu của Zappi [16]
Trong một số nghiên cứu, khi khả năng tính tốn của hệ thống được đáp ứng,

các nhà khoa học đã phát triển các thuật toán học máy để định vị, xác định vận tốc
của nguồn nhiệt dựa trên các đặc trưng tín hiệu đầu ra của các nút cảm biến PIR. Ví
dụ, B.Yang và cộng sự [17] đã sử dụng thuật toán phân lớp Naive Bayes để phân
tích kết quả đo của hệ thống nút cảm biến PIR với mục đích định vị con người trong
nhà. Hình 1.4 mơ tả hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu trong nghiên cứu của họ và
hình 1.5 mô tả cấu trúc của một nút cảm biến trong hệ thống đó.

10

nh 4 Sơ đồ hệ thống theo dõi con người trong nghiên cứu của B.Yang [17]

nh 5 Sơ đồ nút cảm biến trong nghiên cứu của B.Yang [17]
Tương tự, trong nghiên cứu [18], một loạt cảm biến PIR được triển khai để
tăng độ tin cậy của việc phát hiện nguồn nhiệt mục tiêu. Li và cộng sự đã áp dụng
phương pháp tổng hợp các đặc trưng để phát hiện mục tiêu. Theo đó, bộ lọc SDF
(Symbolic Dynamic Filtering) được sử dụng để trích xuất các đặc trưng từ các tín
hiệu ra của các cảm biến PIR khác nhau. Sau đó, các đặc trưng này được phân loại
thành hai nhóm: mục tiêu / không phải mục tiêu, dựa trên các phương pháp khác
nhau như phân cụm K-means, phân cụm phân cấp (hierarchical clustering) hoặc
11


phân cụm dựa trên phổ đồ thị (spectral clustering). Trong nghiên cứu [19], một tập
hợp các phương pháp học máy bao gồm máy hỗ trợ véc-tơ (Support Vector
Machine), cây quyết định (Decision Tree) và phân lớp Naive Bayes được sử dụng
để phân loại hướng chuyển động của đối tượng nguồn nhiệt (qua lại), tốc độ của
nguồn nhiệt (chậm, trung bình, nhanh), khoảng cách nguồn nhiệt đến các cảm biến
PIR. Trong nghiên cứu của mình, Yun và các cộng sự cũng đã chỉ ra các đặc điểm
của tín hiệu đầu ra của cảm biến khi nguồn nhiệt đi qua vùng phát hiện của cảm
biến (hình 1.6)

nh 6 Sơ đồ bố trí cảm biến hồng ngoại nhiệt điện (PIR) và tín hiệu
đầu ra trong nghiên cứu của Yun [19]
Như vậy, các nghiên cứu chủ yếu dựa vào tín hiệu đầu ra của các cảm biến bức
xạ hồng ngoại PIR để ước lượng vị trí theo thời gian, hướng và tốc độ chuyển động
của nguồn nhiệt, phụ thuộc vào nguồn nhiệt (độ dài sóng hồng ngoại) và lắp đặt hệ
thống (trong nhà / ngoài trời, mảng cảm biến / cảm biến đơn). Tuy nhiên, những
nghiên cứu đó chủ tập trung vào các vấn đề phát hiện sự xuất hiện của đối tượng

nguồn nhiệt, phát hiện hướng di chuyển, mà một số lượng tương đối ít các nghiên
cứu quan tâm đến việc xác định vận tốc di chuyển của nguồn nhiệt cũng nhưng
phân tích độ chính xác của phép đo vận tốc. Do đó, bài toán xác định vận tốc
12


của nguồn nhiệt di chuyển (con người, phương tiện giao thơng) bằng tín hiệu bức xạ
hồng ngoại có thể được coi là còn một khoảng trống lớn các nghiên cứu cho vấn đề
này.
Với các nghiên cứu liên quan trực tiếp đến việc xác định vận tốc di chuyển của
nguồn nhiệt bằng cảm biến PIR, có thể kể đến nghiên cứu [16], trong đó cảm biến
PIR, cảm biến và cảm biến âm thanh cũng được sử dụng kết hợp với nhau để phát
hiện, phân loại và theo dõi chuyển động người và phương tiện giao thơng. Một ví dụ
khác, nhóm nghiên cứu của Brian Donovan [21] sử dụng một dãy 03 cảm biến PIR
(Melexis MLX90614), mỗi cảm biến có trường nhìn FOV 10 độ (với sự trợ giúp của
thấu kính) và hệ thống có góc mở 120 độ. Hệ thống cảm biến được triển khai bên lề
đường như mô tả trong hình 1.7.

nh 1.7 Minh họa thiết lập đo lường trong công bố của Brian Donovan [21]
Hướng tới mục tiêu tương tự trong công việc của Brian Donovan, Enas Odat
trong nghiên cứu [22] đã trình bày việc triển khai nút cảm biến giao thơng phía trên
đường ở độ cao H và khu vực phát hiện được bao phủ bởi góc nhìn một dãu gồm 03
cảm biến PIR, như trong hình 1.8.

13


nh 8 Triển khai thiết lập đo lường trong nghiên cứu của Enas Odat [22]
Trong nghiên cứu của mình, ngồi việc phân loại phương tiện, Enas Odat và
các cộng sự đã đề xuất áp dụng các thuật toán dựa trên tín hiệu đầu ra của cảm biến

PIR Melexis MLX90614 để ước lượng. Theo đó, tốc độ của phương tiện có thể
được xác định bằng cách xác định khoảng thời gian mà đối tượng đi qua trường
nhìn của các cảm biến, hay chính là độ trễ ηij – là một số nguyên lần thời gian lấy
mẫu giữa hai cảm biến PIR i và j, như sau:

Trong đó: δij là khoảng cách giữa hai quang trục tương ứng với FOV của 2
cảm biến i và j (hình 1.8), f s là tốc độ lấy mẫu [mẫu / giây]. Như vậy, theo Enas
Odat, khi độ cao H từ dãy cảm biến đến đối tượng di chuyển được xác định (sử
dụng cảm biến siêu âm), khoảng cách δif được xác định:

14


(

)

– trường nhìn của cảm biến thứ i. Theo đó, vận tốc có thể xác định theo độ trễ ηij.

nh

9 Các tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến PIR, được tạo ra khi xe đi qua
với các tốc độ khác nhau trong nghiên cứu của Odat [22]
Để xác định hệ số trễ tín hiệu τ(si, sj) giữa hai tín hiệu từ cảm biến si và sj,

Odat và cộng sự đề xuất hai phương pháp:
- Phương pháp một: Giải bài toán cực trị tương quan chéo:
( )

∫

với fi(t) – tín hiệu ra của cảm biến si theo thời gian, tstart÷tend – khoảng thời gian
xem xét.

15


- Phương pháp hai: ước tính độ trễ dựa trên biến đổi sóng con liên tục (CWTcontinuous wavelet transform) để thực hiện các phân tích trong miền tần số - thời
gian. Phương pháp bắt đầu bằng việc tìm các hệ số của biến đổi sóng con liên tục,
áp dụng cho tín hiệu đầu ra của các cảm biến PIR với các tỷ lệ và thời điểm khác
nhau.
√

∫

(

)

với a- tỷ lệ, b- độ dịch thời gian, x(t) – tín hiệu đầu ra của cảm biến PIR, ψ – sóng
con.

nh

10 Kết quả các phép đo thô của cảm biến PIR (trái) và Các phép đo biến
đổi sóng con (phải) trong nghiên cứu của Enas Odat [22]
Hình 1.10 cho thấy các giá trị cực đại của các hệ số biến đổi sóng con ở mỗi tỷ
lệ, xuất hiện tại các vị trí tương ứng với điểm bắt đầu hoặc kết thúc của một sự kiện
nguồn nhiệt đi vào trong tín hiệu đầu ra của cảm biến PIR.Vị trí của các cực đại, có
thể thay đổi trên các tỷ lệ khác nhau trong biến đổi sóng con, được sử dụng để giải

quyết vấn đề tối ưu hóa để xác định thời gian trễ.
Cũng với mục đích xác định vận tốc di chuyển của các phương tiện giao thông
và cách thiết lập hệ thống cảm biến thụ động tương tự, trong nghiên cứu của mình,
Vytautas [23] đã đề xuất các thuật toán xác định vận tốc di chuyển của đối tượng đo
dựa trên tín hiệu ra của cặp hai cảm biến từ tính, cụ thể như sau:
-

Phương pháp 1: Xác định vị trí cực đại của hàm tương quan chéo trong miền

thời gian
16


-

Phương pháp 2 - vị trí của cực tiểu của tổng hàm số chênh lệch tuyệt đối

trong miền thời gian
-

Phương pháp 3 - vị trí của cực đại của tích chập trịn của hai chuỗi tín hiệu

(sử dụng thuật tốn Biến đổi Fourier rời rạc thuận và nghịch - DFT và IDFT)
- Phương pháp 4: Xác định sự khác biệt về trọng tâm của hai tín hiệu rời rạc.
Đây cũng có thể coi là các gợi ý về thuật tốn xử lý tín hiệu đo để tác giả có
thể áp dụng phát triển hệ thống đo với cảm biến hồng ngoại thụ động PIR sau này.
1.2 Mô tả hệ thống đo đƣợc đề xuất
Tương tự như các hệ thống đo vận tốc bằng các cảm biến thụ động, hệ thống
đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại được xây dựng bao gồm 2 mô-đun
cảm biến Pyroeleric. Hai mô-đun cảm biến được đặt song song và cách nhau một

khoảng d cố định và quang trục của hai mô-đun cảm biến vng góc với phương
chuyển động của đối tượng nguồn nhiệt (hình 1.11). Trong nghiên cứu này ―mơđun‖ cảm biến được dùng để chỉ hệ quang học bao gồm cảm biến, thấu kính và bộ
vỏ, nhằm phân biệt với cảm biến riêng rẽ.
Vận tốc của một đối tượng là một đại lượng có hướng – véc tơ . Trong nội dung nghiên cứu này, cũng như
trong hầu hết các trường hợp ứng dụng thực tế, độ lớn của hình chiếu của véc tơ vận tốc lên phương di chuyển cố
định được quan tâm.

nh 11 Mơ tả bố trí của hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt
17


Mơ hình thực nghiệm đo vận tốc nguồn nhiệt, sử dụng hai mô-đun cảm biến
hồng ngoại thụ động PIR được xây dựng trong nghiên cứu có thể đạt được những
tính chất sau đây: (1) Có tính linh động cao, dễ dàng cài đặt và di chuyển để phục
vụ thực nghiệm đo vận tốc các phương tiện giao thông; (2) Cho phép đo vận tốc của
các đối tượng nguồn nhiệt di chuyển ở một dải khoảng cách nhất định đến vị trí cài
đặt hệ thống (từ 5 m đến 10 m); (3) Các mơ hình tốn học cho phép đo vận tốc di
chuyển của các đối tượng nguồn nhiệt có kích thước khác nhau và phân bố nhiệt
khác nhau trên bề mặt đối tượng.
Về nguyên lý hoạt động, hệ thống đo sử dụng dãy hai mô-đun cảm biến hồng
ngoại PIR, áp dụng cho các nguồn nhiệt với bức xạ đặc trưng cỏc bc súng 5 ữ
14 àm l di bước sóng làm việc của mơ-đun cảm biến PIR. Dải bước sóng này
o

o

đặc trưng cho các đối tượng có nhiệt độ bề mặt trong khoảng -66 C ÷ 306 C (theo
định luật Wien, công thức (2.7) – xem chương 2). Trong khi đó, nhiệt độ cơ thể
o

người bình thường nói riêng, khoảng 36,5 C, đặc trưng bởi bước sóng hồng ngoại
9,36 μm, nằm trong khoảng bước sóng làm việc của mô-đun cảm biến PIR được đề
xuất. Khi nguồn nhiệt đi qua trường nhìn (FOV - Field of View) của các mơ-đun
cảm biến, một tín hiệu điện áp đẩu ra của cảm biến xuất hiện – ta thu được được hai
ctín hiệu theo thời gian tương ứng (Hình 1.12).

nh 12 Mơ tả nguyên lý hoạt động của hệ thống đo

18


Nếu hai mơ-đun cảm biến hồng ngoại PIR có hệ quang học và hệ biến đổi tín
hiệu là giống nhau thì tín hiệu đầu ra của chúng sẽ tương tự nhau, khi nguồn nhiệt đi
qua trường nhìn của các mơ-đun cảm biến, mà chỉ dịch pha nhau 1 lượng thời gian
nnhất định. Khi đó, độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra chính là là khoảng thời gian dịch
chuyển của nguồn nhiệt cắt qua hai quang trục của hai mô-đun cảm biến. Việc xác
định độ trễ này cho phép xác định vận tốc của nguồn nhiệt với công thức:

với d – là khoảng cách của hai trục quang học của hai cảm biến; – độ trễ giữa hai tín
hiệu.
Để đảm bảo độ chính xác của phép đo đại lượng vận tốc v một số giả thiết sau
được coi là đúng, mà vẫn khơng làm ảnh hưởng đến tính ứng dụng của bài tốn:
(i)

Vận tốc nguồn nhiệt khơng đổi khi di chuyển qua trường nhìn của các cảm

biến. Nguồn nhiệt di chuyển vng góc với hai trục quang của hai cảm biến.
(ii)
đề

Góc FOV của hai mơ-đun cảm biến là như nhau. Các góc FOV được

cập ở đây là các góc khối (mục 2.1).
(iii) Hệ biến đổi tín hiệu cho hai mơ-đun cảm biến là như nhau.
Trên thực tế và trong lý thuyết, các thành phần nhiễu xuất hiện trong hai chuỗi
thời gian này là khơng thể tránh khỏi, do đó, nghiên cứu sẽ tập trung giải quyết hai
vấn đề lớn sau đây:
Bài toán 1: Đảm bảo / kiểm soát độ song song của hai trục quang của hai môđun cảm biến PIR, theo đó, khoảng cách d được bảo tồn trong khoảng giá trị cho
phép của khoảng cách đối tượng nguồn nhiệt đến hệ cảm biến.
Bài toán 2: Giải quyết bài tốn xác định độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra theo
thời gian của hai mô-đun cảm biến PIR, trong điều kiện có nhiễu.
Các nội dung bài tốn 1 và 2 cũng như các hướng tiếp cận và giải quyết vấn đề
cho hai bài toán này sẽ được đề cập trong chương 3.

19


1.3 Mục tiêu, khó khăn và các đóng góp dự kiến
Mục tiêu: Xây dựng hệ thống thực nghiệm đo vận tốc di chuyển nguồn nhiệt
theo bức xạ hồng ngoại, sử dụng các mơ-đun cảm biến PIR. Theo đó hai bài tốn
cần được giải quyết đó là: (1) Đảm bảo độ song song giữa hai quang trục của hai
mô-đun cảm biến PIR và (2) Xây dựng phương pháp/ thuật toán tối ưu xác định độ
trễ giữa hai tín hiệu đầu ra của hai mơ-đun cảm biến PIR.
Khó khăn dự kiến
Một khó khăn lớn đầu tiên cần kể đến đó là việc thiết kế và chế tạo hệ quangcơ cho mô-đun cảm biến PIR. Theo yêu cầu đặt ra, hai mô-đun cảm biến PIR cần
giống nhau, được bố trí sao cho quang trục của chúng song song nhau. Do đó việc
thiết kế và gia cơng cơ khí chính xác với dung sai cho phép. Trong đó việc đảm bảo
giả thiết đối tượng không thay đổi vận tốc khi đi qua FOV của hệ cảm biến và
khơng có đối tượng khác tham gia vào thời điểm đó dẫn đến cầu khoảng cách d đủ
nhỏ và trường nhìn FOV của các mơ-đun cảm biến đủ nhỏ. Ngồi ra, cần đảm bảo

yếu tố chi phí thiết bị tốt vì đó là một lợi thế lớn của việc sử dụng PIR trong việc
giám sát chuyển động so với các phương pháp sử dụng các loại cảm biến khác.
Khó khăn thứ hai là việc xác định quang trục của mô-đun cảm biến hồng ngoại
PIR. Trong điều kiện lý tưởng, quang trục của mô-đun trùng với trục cơ khí của vỏ
mơ-đun hoặc trục chính của vật kính. Nhưng việc gá đặt các thành phần trong hệ
quang học (cảm biến PIR và thấu kính) khơng thể tránh được các sai số liên quan
đến sai lệch giữa quang trục và trục cơ khí của mơ-đun. Mặt khác, cảm biến PIR là
cảm biến hồng ngoại không ảnh, nên việc xác định quang trục của mơ-đun cảm biến
được dự đốn là một thách thức lớn.
Khó khăn thứ ba có thể kể đến là việc việc xây dựng hệ thu nhận tín hiệu. Với
khoảng cách d nhỏ, để đảm bảo độ chính xác và độ phân giải của phép đo, tốc độ
lấy mẫu đủ lớn. Đây chính là một hạn chế lớn trong nghiên cứu của Odat [22], khi
mà hệ thống của họ có tốc độ lấy mẫu thấp, 16Hz, buộc họ phải mở rộng khoảng
cách giữa các FOV của các cảm biến bằng cách xếp chúng nghiêng một góc 120 độ.
Mặt khác, trong nghiên cứu, việc xây dựng thiết kế một hệ thống biến đổi và thu

20


nhận tín hiệu riêng và đồng thời đảm bảo hệ này có mức tiêu thụ năng lượng thấp là
bắt buộc.
Khó khắn thứ tư, nhưng khơng phải là cuối cùng, đó là đóng góp về thuật tốn
tối ưu xác định độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra theo thời gian của hai mơ-đun cảm
biến để hệ thống có thể hoạt động trong điều kiện thực tế có nhiễu.
Kết luận chƣơng 1
Các nguồn nhiệt trong tự nhiên, với nhiệt độ tuyệt đối trên 0 độ K, đều phát ra
bức xạ hồng ngoại. Thông tin về sự di chuyển của các nguồn nhiệt (con người, động
vật, máy móc, phương tiện giao thơng, v.v.) có thể thu được thơng qua các cảm biến
hồng ngoại. Trong các cảm biến như vậy, cảm biến hồng ngoại thụ động PIR đã
được sử dụng trong các ứng dụng giao thơng, an ninh, v.v. với mục đích giảm thiểu

chi phí và hạn chế mức tiêu thụ tính tốn. Tuy nhiên, các ứng dụng và các nghiên
cứu của các nhóm nghiên cứu trên thế giới liên quan đến việc sử dụng cảm biến PIR
trong việc phân tích xác định vận tốc di chuyển của nguồn nhiệt vẫn còn hạn chế.
Một số nghiên cứu nhất định đã cung cấp những kết quả hữu ích về việc cài đặt
các hệ cảm biến và phân tích tín hiệu đầu ra của hệ cảm biến đó để xác định sự hiện
diện của vật nóng cũng như vị trí của vật nóng trong một khơng gian xác định. Đặc
biệt một số nhóm đã đưa ra những phương pháp tính tốn xác định vận tốc của
nguồn nhiệt.
Tác giả nhận thấy rằng, vẫn tồn tại một khơng gian lớn cho việc nghiên cứu
các tính chất thơng tin đầu ra của các cảm biến hồng ngoại đối với đối tượng nguồn
nhiệt di chuyển và cần nâng cao tính chính xác trong việc xác định vận tốc nguồn
nhiệt dựa trên các thông tin này. Nghiên cứu sinh cũng kỳ vọng nghiên cứu của
mình sẽ có những đóng góp nhất định về mặt lý thuyết cũng như trong ứng dụng
thực tế.

21


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ THỐNG
ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ
HỒNG NGOẠI
Trong chương này, các cơ sở lý thuyết liên quan đến bài toán xác định vận tốc
nguồn nhiệt di chyển bằng bức xạ hồng ngoại được đề cập. Trong giới hạn của
nghiên cứu, việc đề cập tới phần lớn các lý thuyết bức xạ hồng ngoại là khơng thể.
Vì vậy, tác giả chỉ đề cập các lý thuyết cơ bản của bức xạ hồng ngoại liên quan trực
tiếp đến mục tiêu nghiên cứu của đề tải.
Tiếp theo, tác giả mô tả về các thành phần của hệ thống thực nghiệm được cấu
tạo từ hai mô-đun cảm biến hồng ngoại pyroelectric (PIR). Nguyên lý hoạt động của
cảm biến dựa trên các hiện tượng bức xạ hồng ngoại và hệ thống quang học của môđun cảm biến được mô tả cụ thể.
Các lý thuyết liên quan đến tín hiệu ngẫu nhiên cũng được đề cập vì chúng là

tiền đề để giải quyết bài tốn xác định độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra của hai mô-đun
cảm biến PIR.
2.1 Các lý thuyết liên quan đến bức xạ hồng ngoại
Bốn hoạt động quang tử có thể xảy ra trên bề mặt vật thể. Các đại lượng đặc
trưng cho các hành động này là hệ số hấp thụ (α), hệ số phản xạ (ρ), hệ số truyền (κ)
và hệ số phát xạ (ε). Các định nghĩa của ba đại lượng đầu tiên liên quan đến khả
năng hấp thụ năng lượng hồng ngoại, khả năng phản xạ và khả năng truyền năng
lượng hồng ngoại của vật liệu. Định luật bảo toàn năng lượng [24] thể hiện rằng:

Thấy rằng vế trái của phương trình (2.1) là một hàm của bước sóng. Phần lớn
các vật liệu khơng cho bước sóng hồng ngoại đi qua, với . Một số vật liệu cho bước
sóng hồng ngoại đi qua có thể lấy ví dụ như kẽm selenua, xa-phia, đá spinel và
germani. Hầu hết các vật liệu cho bước sóng quang điện tử đi qua như thủy tinh,
nhựa, v.v. nhưng lại không cho bước sóng hồng ngoại đi qua.

22


Trong thế giới hồng ngoại, các bức xạ chủ yếu đến từ nguồn nhiệt và là phản
o

xạ nền của bức xạ vật đen [25]. Tất cả các vật thể trên nhiệt độ 0 K đều phát ra bức
xạ hồng ngoại dưới dạng sóng điện từ. Nhiệt trong vật thể gây ra dao động phân tử,
do đó gây ra dao động của các electron. Các dao động electron này tạo ra bức xạ.
Lượng bức xạ được phát ra phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ vật thể và đặc điểm bề mặt
(độ phát xạ) của vật thể. Vật thể nóng hơn phát ra nhiều bức xạ hơn so với vật thể
lạnh; và vật thể có bề mặt gồ ghề phát ra nhiều bức xạ hơn so với vật thể có bề mặt
nhẵn hơn.
2.1.1 Các đơn vị bức xạ
Các khái niệm bức xạ là cần thiết cho việc xác định về thông lượng (cơng suất)

tới các cảm biến và đầu dị hồng ngoại. Các khái niệm này cho phép xác định mức
năng lượng hồng ngoại được thu nhận trên bề mặt cảm biến. Thông lượng phát ra từ
của cả nguồn nhiệt và môi trường nền. Khi đó, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR –
Signal to Noise Ratio) cho cảm biến liên quan đến tỷ lệ giữa thông lượng hồng
ngoại từ nguồn nhiệt mục tiêu và môi trường nền. Mặt khác, hai giả thiết quan trọng
được đưa ra trong đo bức xạ hồng ngoại: (1) Các nguồn phát xạ là không kết hợp,
nên có thể bỏ qua hiện tượng giao thoa; và (2) nhiễu xạ được bỏ qua nên bức xạ
hồng ngoại được coi là truyền theo đường thẳng.
Góc khối là một tham số mà nhiều đơn vị đo bức xạ được đưa ra liên quan đến
nó. Một góc khối có đơn vị là steradian (sr) và là góc đặc trưng một diện tích trên bề
mặt hình cầu nhìn từ tâm của hình cầu. Giá trị của góc khối là diện tích cho trước
trên mặt cầu chia cho bình phương bán kính mặt cầu, được cho bởi công thức:

23