(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

ho tro tai file :


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

ho tro tai file :


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

ho tro tai file :


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

ho tro tai file :


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

ho tro tai file :


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 khơng 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 môđun 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 Mơ 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

ho tro tai file :


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 MƠ-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

ho tro tai file :


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

λ

Bước sóng điện từ trường, μm

α (λ)

Hệ số hấp thụ theo bước sóng

ρ(λ)

Hệ số phản xạ theo bước sóng

κ(λ)

Hệ số truyền theo bước sóng

ε(λ)

Hệ số phát xạ theo bước sóng

Ω

Góc khối, sr - steradian

Γ

Năng lượng bức xạ, J

Φ

Thông lượng (công suất) bức xạ, W

I

Cường độ bức xạ, W/sr

M

Độ thoát (độ phát), W/cm2

E

Bức xạ, W/cm2

L

Độ rọi, W/(cm2.sr)

PIR

Pyroelectric Infrared sensor - Cảm biến hồng ngoại thụ động
Pyroelectric

FOV

Field Of View - Trường nhìn của hệ thống quang học,

θx, θy

Góc theo phương ngang, dọc của trường nhìn của hệ thống

quang học

T

Nhiệt độ nói chung, oK hoặc oC

Ts

Nhiệt độ bề mặt nguồn nghiệt tham chiếu, oK hoặc oC

Tb

Nhiệt độ mơi trường nền, oK hoặc 0C

Tob

Nhiệt độ trung bình của bề mặt đối tượng đo, oK hoặc 0C

V(t)

Tín hiệu điện áp đầu ra theo thời gian của mô-đun cảm biến
PIR, V

VO

Biên độ điện áp đầu ra của mô-đun cảm biến PIR, V
Kỳ vọng của một đại lượng ngẫu nhiên

Rxy(η)

Tương quan chéo của hai dữ liệu ngẫu nhiên x(t), y(t) tại độ trễ η

ζ.

Độ lệch chuẩn của một đại lượng ngẫu nhiên

f

Tiêu cự của thấu kính, mm

vi

ho tro tai file :


Al

Tiết diện của thấu kính

t

Đại lượng theo thời gian, s

η

Độ trễ theo thời gian của hai tín hiệu đầu ra, s

fs

Tần số lấy mẫu, Hz

u(.)

Độ không đảm bảo đo của đại lượng độc lập

uc(.)

Độ không đảm bảo đo của đại lượng kết hợp

d

Khoảng cách giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến PIR
Hàm Lambertain tại nhiệt độ T, W/cm2

fm

Tần số điều biến màn trập, Hz

ωm

Tần số điều biến góc, bằng 2πfm

Q(Ts, Tb)

Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt và nền (công
thức 3.14)
Hệ số phụ thuộc vào tần số điều biến (cơng thức 3.14)

K(ωm)

Góc lệch giữa vị trị quang trục của mô-đun cảm biến PIR và
trục đối xứng của mặt phẳng mục tiêu (mục 3.2)
CCF

Cross-Correlation Function - Hàm tương quan chéo cổ điển

CCFHT

Cross-Correlation Function with Hilbert Transform - Hàm
tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert

DFT

Discrete Fourier Transform - Biến đổi Fourier rời rạc thuận

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform - Biến đổi Fourier rời rạc
ngược

FFT

Fast Fourier Transform - Biến đồi Fourier nhanh

vii

ho tro tai file :


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các công nghệ cảm biến ứng dụng trong giám xác và xác định vận tốc
phương tiện giao thông ............................................................................................... 6
Bảng 2.1 Các đơn vị bức xạ ...................................................................................... 24
Bảng 4.1 Thông số phục vụ mô phỏng. .................................................................... 74
Bảng 4.2 Độ khơng đảm bảo đo vị trí góc của mơ-đun cảm biến PIR ..................... 84
Bảng 4.3 Kết quả thực nghiệm đo vị trí góc của quang trục hai mô-đun cảm biến
PIR so với nguồn nhiệt tham chiếu. .......................................................................... 87
Bảng 4.4 Một số thơng số bố trí thí nghiệm.............................................................. 90
Bảng 4.5 Các thông số cài đặt phục vụ tính tốn mơ phỏng SNR của mơ-đun cảm
biến PIR ..................................................................................................................... 91

viii

ho tro tai file :


DANH MỤC HÌNH VẼ
nh

Bố trí thí nghiệm trong nghiên cứu của Z. Zhang và cộng sự [15] ............. 9

nh

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

trong nghiên cứu của Z. Zhang [15] ........................................................................... 9
nh

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] ................................. 10
nh

Sơ đồ hệ thống theo dõi con người trong nghiên cứu của B.Yang [17] .... 11

nh

Sơ đồ nút cảm biến trong nghiên cứu của B.Yang [17] ............................. 11

nh

Sơ đồ bố trí cảm biến hồng ngoại nhiệt điện (PIR) và tín hiệu đầu ra trong

nghiên cứu của Yun [19] ........................................................................................... 12
nh

Minh họa thiết lập đo lường trong công bố của Brian Donovan [21] ...... 13

nh

Triển khai thiết lập đo lường trong nghiên cứu của Enas Odat [22] ........ 14

nh

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] ...................................... 15
nh

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] ............................................ 16
nh

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

nh

Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống đo ............................................ 18

nh

Mô tả khái niệm góc khối ........................................................................... 24

nh

Cường độ bức xạ trên bề mặt dạng Lambertian ........................................ 25

nh

Phổ phát xạ của vật đen ở các nhiệt độ khác nhau.................................... 27

nh

Mô tả đặc điểm khơng gian góc của đối tượng nguồn nhiệt...................... 29

nh

Sơ đồ mạch điện tương đương cho cảm biến PIR...................................... 31

nh

Mô tả cấu hình hệ quang học cho mơ-đun cảm biến PIR .......................... 32

nh

Đặc điểm không gian mô tả cho đối tượng nguồn nhiệt và cảm biến PIR 34

nh

Thấu kính phẳng lồi so với Thấu kính Fresnel .......................................... 35

nh

Nguyên lý hoạt động của thấu kính Fresnel với cảm biến hồng ngoại thụ

động. .......................................................................................................................... 35
nh

Phân loại dữ liệu ngẫu nhiên ................................................................... 38

nh

Mô tả các hàm lấy mẫu của dữ liệu ngẫu nhiên [40] .............................. 39

ix

ho tro tai file :

nh

Tổng quan kiến trúc hệ đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng hai mô-đun cảm

biến PIR ..................................................................................................................... 45
nh

Sự phụ thuộc của độ không đảm bảo đo tương đối của vận tốc vào độ

không đảm bảo đo độ song song giữa hai mơ-đun cảm biến PIR. ........................... 47
nh

Ảnh hưởng của góc nghiêng giữa hai trục quang đến kết quả đo ............. 48

nh

Minh họa quang trục của mô-đun cảm biến PIR căn chỉnh hồn hảo (a) và

căn chỉnh khơng hồn hảo (b) ................................................................................... 51
nh

Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo vị trí quang trục của mô-đun cảm biến PIR so

với nguồn nhiệt tham chiếu. ...................................................................................... 53
nh

Mơ tả hình học về ảnh hưởng của độ lệch trục quang học của mô-đun cảm

biến ............................................................................................................................ 55

nh

Mô tả đồ thị của (a) àm tương quan chéo - CCF và (b) àm tương quan

chéo kết hợp biến đổi Hilbert - CCFHT.................................................................... 62
nh

Hình dạng (trên) và hình cắt 3D (dưới) của mô-đun cảm biến PIR .......... 75

nh

Thiết kế 3D (trên) và hình ảnh thực (dưới) của hệ thống xác định/căn

chỉnh vị trí quang trục của mơ-đun cảm biến PIR .................................................... 76
nh

Mô tả hệ số truyền của cửa sổ quang học cảm biến PIR [59] ................... 77

nh

Mô tả hệ số truyền của thấu kính Fresnel [60].......................................... 77

nh

Giá trị hàm Lambertian

của hệ quang học của mô-đun cảm biến PIR

trong nghiên cứu tại các nhiệt độ bề mặt T khác nhau ............................................. 79
nh

Mơ tả hình chiếu bằng bề mặt các phần tử cảm PIR [53] ......................... 80

nh

Đồ thị giá trị hệ số Q theo nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt, khi nhiệt độ môi

trường nền Tb= 25 0C ................................................................................................ 81
nh

Giá trị hệ số đáp ứng K(ω) theo tần số ω .................................................. 82

nh

Mơ tả tín hiệu được quan sát trong thời gian cố định ............................... 84

nh

Tín hiệu điện áp đầu ra của mô-đun cảm biến PIR phần tử kép theo thời

gian ở các góc quay khác nhau. ................................................................................ 86
nh

Kết quả thử nghiệm của PSD chuẩn hóa và biên độ phổ chuẩn hóa ở tần

số điều biến qua các góc quay khác nhau cho hai mơ-đun cảm biến PIR ................ 88
nh

Bố trí hệ thống hai (02) mô-đun hồng ngoại PIR phục vụ đo vận tốc

nguồn nhiệt: Nhìn từ trên xuống (h nh trên) và nh n đối diện (h nh dưới)............... 89

x

ho tro tai file :


nh

Sơ đồ khối hệ thống xử lý tín hiệu đo của hệ mô-đun cảm biến PIR ....... 90

nh

Mô tả vị trí tương đối của nguồn nhiệt với trường nhìn của cảm biến PIR

tại khoảng cách R. ..................................................................................................... 92
nh

Mơ hình tốn học tính tốn tín hiệu điện áp đầu ra trên nền tảng Matlab-

Simulink ..................................................................................................................... 92
nh

Mơ tả tín hiệu đầu ra của cảm biến PIR với v = 90 km/h và Tob = 330C 93

nh

Đồ thị giá trị tỷ lệ tín hiệu/nhiễu SNR của mô-đun cảm biến PIR trong

các trường hợp mục tiêu di chuyển với các tốc độ khác nhau và chênh lệch nhiệt độ

so với môi trường khác nhau. .................................................................................... 93
nh

Độ không đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ theo phương pháp tương

quan chéo .................................................................................................................. 94
nh

Độ không đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ theo phương pháp tương

quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert. .......................................................................... 94
nh

So sánh độ không đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ giữa hai phương

pháp. .......................................................................................................................... 95
nh

Mô tả dữ liệu thu nhận từ 02 mô-đun cảm biến PIR................................ 96

nh

Kết quả thử nghiệm đo vận tốc sử dụng hai phương pháp CCF và

CCFHT ...................................................................................................................... 97
nh

Sai lệch trong phép đo vận tốc sử dụng hai phương pháp CCF và

CCFHT so với phương pháp tham chiếu sử dụng camera. ...................................... 97

nh

ản vẽ thiết kế các hình chiếu của vỏ mơ-đun cảm biến hồng ngoại PIR ... 108

nh

nh ảnh vỏ mô-đun cảm biến hồng ngoại sau khi được chế tạo ........... 110

nh

Sơ đồ mạch điện biến đổi của mô-đun cảm biến PIR .............................. 111

nh

nh ảnh bo mạch biến đổi tín hiệu sau khi được chế tạo ...................... 112

nh C

Một số hình ảnh bố trí hệ thống hiệu chuẩn trục quang học của mô-đun

cảm biến PIR ........................................................................................................... 113
nh

Giao diện phần mềm thu nhận dữ liệu đo được viết trên nền tảng Qt .... 114

xi

ho tro tai file :

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Việc theo dõi chuyển động của các nguồn nhiệt (con người, động vật, phương
tiện giao thơng, v.v) bằng thơng tin của tín hiệu bức xạ hồng ngoại được áp dụng
trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giao thông, y tế, an ninh,v.v. Các hệ thống giám
sát tín hiệu hồng ngoại như vậy có thể hoạt động các điều kiện khác nhau về không
gian (trong nhà/ngoài trời) và thời gian (ban ngày/ban đêm). Sử dụng cảm biến bức
xạ hồng ngoại trong những điều kiện khác nhau như vậy có một số ưu điểm như:
giảm chi phí thiết lập hệ thống theo dõi và giảm thiểu u cầu về phần cứng phục
vụ cho việc tính tốn.
Đặc biệt, trong lĩnh vực giao thơng vận tải, bài tốn liên quan đến việc kiểm
soát lưu lượng, vận tốc phương tiện giao thông đã và đang nhận được nhiều sự quan
tâm. Trong đó, các hệ thống cảm biến bức xạ hồng ngoại được ứng dụng một cách
hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Trong kỷ nguyên số và cuộc cách mạng công
nghiệp 4.0, ở các đô thị thông minh, hệ thống kiểm sốt giao thơng được xây dựng
với những nút đo lường bố trí trên khắp các vị trí. Các hệ thống được lắp đặt thiết bị
cảm biến như vậy sẽ mang tính linh động, di động và dễ dàng được tích hợp trong
mạng lưới cảm biến.
Thống kê cho thấy, những nghiên cứu gần đây tập trung vào tín hiệu đầu ra
của các cảm biến bức xạ hồng ngoại để xác định gần đúng vị trí, hướng và tốc độ
chuyển động của nguồn nhiệt, phụ thuộc vào đối tượng mục tiêu nguồn nhiệt và vị
trí lắp đặt (trong nhà / ngồi trời). Tuy nhiên, những nghiên cứu đó chủ yếu tập
trung vào các vấn đề phát hiện sự xuất hiện của nguồn nhiệt, phát hiện hướng di
chuyển của nguồn nhiệt. Có rất ít nghiên cứu quan tâm đến việc ước lượng tốc độ di
chuyển và đưa ra các phân tích đánh giá độ chính xác của phép đo. Do đó, bài tốn
xác định vận tốc chuyển động của nguồn nhiệt bằng tín hiệu bức xạ hồng ngoại vẫn
cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu nhằm nâng cao độ chính xác đo lường sử
dụng cảm biến hồng ngoại.

1

ho tro tai file :


Trong một số nghiên cứu gần đây, các cấu trúc và các thông số của hệ thống
quang học (bao gồm thấu kính và cảm biến) đã được đề xuất, cùng với nhiều giải
pháp lắp đặt cảm biến trong các ứng dụng khác nhau. Các nghiên cứu cũng cung
cấp các thuật tốn xử lý tín hiệu bức xạ hồng ngoại thu nhận từ cảm biến được lắp
đặt trong môi trường hoạt động thực tế. Trên cơ sở đó, luận án đã tổng hợp, phân
tích, kế thừa các kết quả nghiên cứu trên thế giới, đề ra giải pháp khắc phục các tồn
tại mà hướng nghiên cứu đo vận tốc sử dụng cảm biến hồng ngoại chưa đề cập tới,
sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường cũng như cải tiến hệ thống cơ khí lắp
đặt cảm biến để đạt được mục tiêu:
―Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển
bằng bức xạ hồng ngoại‖.
2. Mục tiêu của luận án:
Mục tiêu của đề tài luận án nhằm đưa ra các giải pháp để nâng cao độ chính
xác đo vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại, bao gồm:
Thứ nhất, luận án cần đưa ra các phân tích nguyên lý hoạt động và ứng dụng
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 (máy móc,
phương tiện giao thơng, con người, v.v.) để làm thông tin và đưa ra kết quả đo vận
tốc di chuyển của các đối tượng nguồn nhiệt này.
Thứ hai, luận án cung cấp giải pháp xử lý hai bài tốn về các yếu tố ảnh hưởng
chính đến hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại
PIR: (1) Độ song song giữa hai quang trục của hai mô-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.
Thứ ba, luận án cung cấp các phương pháp, mơ hình toán học và các thuật
toán để xử lý các bài tốn nêu trên và đưa các phân tích độ khơng đảm bảo đo của

hệ thống thông qua các phương pháp, mơ hình tốn học và các thuật tốn này.
3. Nội dung nghiên cứu.
- Nội dung 1: Nghiên cứu xây dựng hệ quang-điện tử là các mô-đun cảm biến
hồng ngoại thụ động phục vụ cho việc đo vận tốc đối tượng nguồn nhiệt.

2

ho tro tai file :


- Nội dung 2: Nghiên cứu phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo, đặc
biệt là việc đảm bảo độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến
hồng ngoại.
- Nội dung 3: Nghiên cứu các phương pháp, mơ hình tốn học để giải quyết
bài tốn xác định vận tốc nguồn nhiệt thơng qua xác định độ trễ giữa hai tín hiệu
đầu ra của hai mô-đun cảm biến.
4. Đối tƣợng nghiên cứu.
Hệ thống đo lường vận tốc di chuyển của nguồn nhiệt sử dụng cảm biến bức
xạ hồng ngoại thụ động – cảm biến hồng ngoại pyroelectric. Các nguồn nhiệt hướng
đến trong ứng dụng thực tế: phương tiện giao thông, con người, v.v.
Các đại lượng, yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác đo vận tốc di chuyển
bằng nguồn nhiệt bức xạ hồng ngoại cũng được đề cập và nghiên cứu.
5. Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng. Trên cơ sở nghiên
cứu lý thuyết, các tài liệu trong nước và ngoài nước về đo vận tốc di chuyển bằng
nguồn nhiệt bức xạ hồng ngoại, tác giả tiến hành phân tích, đánh giá các nội dung
còn tồn tại để nghiên cứu giải pháp khắc phục. Theo đó, tác giả xây dựng mơ hình
thực nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo vận tốc di chuyển
bằng nguồn nhiệt bức xạ hồng ngoại.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án đã phân tích và xác định mức độ ảnh hưởng của các yếu tố quan trọng
nhất đến độ chính xác đo vận tốc di chuyển bằng nguồn nhiệt bức xạ hồng ngoại.
Bên cạnh đó, luận án đã đưa ra phương pháp căn chỉnh hệ thống quang học cho môđun cảm biến hồng ngoại PIR. Luận án cũng đưa ra các đánh giá về độ chính xác
của việc ứng dụng các thuật toán xử lý dữ liệu áp dụng trong bài toán cụ thể đối với
hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng cảm biến hồng ngoại PIR.
Các kết quả nghiên cứu này là cơ sở khoa học cho việc chế tạo hệ thống đo
vận tốc sử dụng cảm biến hồng ngoại, đồng thời là nguồn tài liệu học thuật cho
những nghiên cứu tiếp theo.
3

ho tro tai file :


7. Những đóng góp mới của luận án
Những điểm mới của luận án được đề cập dưới đây chưa được thể hiện trong bất
kỳ công bố khoa học nào khác
Thứ nhất, luận án xây dựng được hệ thống thực nghiệm đo vận tốc nguồn
nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại với cấu tạo từ hai mô-đun cảm biến
Pyroelectric và đề cập hai bài toán liên quan đến hai yếu tố chính ảnh hưởng đến kết
quả phép đo: (1) Độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến và (2)
độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra theo thời gian của hai mô-đun cảm biến.
Thứ hai, luận án thiết lập phương pháp xác định vị trí quang trục của mô-đun
cảm biến PIR dựa trên nguồn nhiệt tiêu chuẩn được điều biến – nhằm xác định độ
song song giữa hai quang trục của hai mô-đun và các phân tích liên quan đến độ
khơng đảm bảo đo và độ phân giải của phép đo. Trong điều kiện một số yếu tố được
lý tưởng hóa, với các mơ-đun cảm biến được chế tạo, phép đo vị trí quang trục của
mơ-đun cảm biến hồng ngoại có thể đạt 0,0175o khi nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt
tiêu chuẩn là 50 oC. Theo đó, với các thiết bị được xây dựng trong thực tế, phép đo
vị trí quang trục của mơ-đun cảm biến hồng ngoại có thể đạt đến độ phân giải 0,02 o.
Thứ ba, luận án đã phát triển và áp dụng các thuật tốn xử lý tín hiệu ngẫu

nhiên để giải quyết bài tốn xác định độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra theo thời gian
của hai mô-đun cảm biến hồng ngoại PIR, để từ đó xác định được vận tốc của
nguồn nhiệt di chuyển. Kết quả đo đạc thực tế cho thấy, với nguồn nhiệt di chuyển
ở khoảng cách 5 m ÷ 10 m so với vị trí cài đặt hệ đo trong dải vận tốc 20 km/h ÷
100 km/h có sai lệch đạt tới 3,5% so với kết quả đo khi sử dụng phương pháp đo
tham chiếu khác - sử dụng thiết bị ghi hình.
8. Cấu trúc luận án
Luận án được chia thành 4 chương và phần kết luận với các nội dung chính
được tóm tắt như sau:
Chương 1. Tổng quan về đo vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ
hồng ngoại. Trong chương này, tác giả đề cập đến bài toán đo vận tốc nguồn nhiệt
bằng bức xạ hồng ngoại và các nghiên cứu liên quan, để từ đó phân tích những kết
quả đã đạt được nhằm tiếp tục kế thừa, cũng như chỉ ra các điểm chưa được đề cập
4

ho tro tai file :


để làm cơ sở khơng gian nghiên cứu. Theo đó, tác giả cung cấp mô tả ban đầu về hệ
thống đo, bao gồm nguyên lý đo, các yếu tố cấu thành hệ thống đo, các yếu tố ảnh
hưởng chính đến độ chính xác hệ thống đo, để hình thành các bài toán cụ thể cho
nghiên cứu.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt di
chuyển bằng bức xạ hồng ngoại. Chương này trình bày các lý thuyết phục vụ cho
việc giải quyết bài toán được đề xuất: Lý thuyết liên quan bức xạ hồng ngoại, cảm
biến hồng ngoại PIR, thấu kính cho cảm biến hồng ngoại; và các lý thuyết liên quan
đến tín hiệu ngẫu nhiên – là đặc trưng cho tín hiệu của cảm biến PIR. Các lý thuyết
được đưa ra trong chương này là những lý thuyết liên quan trực tiếp đến việc xây
dựng phương pháp, mơ hình tốn học được đề cập trong chương 3.
Chương 3. Các phương pháp nâng cao độ chính xác trong phép đo vận tốc

nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại. Trong chương này, các phương pháp nghiên
cứu để giải quyết các bài tốn chính của nghiên cứu phục vụ cho việc xây dựng, căn
chỉnh và xử lý dữ liệu cho hệ thống đo, được đề xuất. Theo đó, tác giả đã cung cấp
các lý luận phân tích nhằm đưa ra các mơ hình tốn học và các công thức đánh giá
cho các phương pháp được đề xuất. Đây là chương hàm chứa các nội dung liên
quan đến các cơ sở khoa học chính mà luận án đóng góp.
Chương 4. Tính tốn thực nghiệm. Chương này cung cấp các tính tốn liên
quan đến thiết kế hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt. Đặc biệt, trong chương này, các
kết quả tính tốn liên quan đến việc áp dụng các phương pháp, mơ hình tốn học và
thuật tốn xử lý dữ liệu đo ở chương 3 vào hệ thống đo được thiết kế chế tạo, nhằm
đưa ra các kết quả đánh giá liên quan đến mục đích nghiên cứu của luân án.
Kết luận. Chương này tổng kết, đánh giá các kết quả đã đạt được. Bên cạnh đó,
các đề xuất hướng nghiên cứu mở rộng cũng được trình bày trong chương này.

5

ho tro tai file :


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
-

Nhóm các cơng nghệ cảm biến khơng
tiếp xúc
- Camera hình ảnh
- Camera hồng ngoại
- RADAR (RAdio Detection and
Ranging - Dị tìm và định vị bằng
sóng vơ tuyến).
- LIDAR
(Laser
Imaging,
Detection, and Ranging – Dị tìm
và định vị bằng laser)
- Cảm biến hồng ngoại thụ động
- Cảm biến siêu âm
- …

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

ho tro tai file :


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

ho tro tai file :


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

ho tro tai file :


nh

nh

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

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

ho tro tai file :


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

ho tro tai file :


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

ho tro tai file :


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

ho tro tai file :