(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 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


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


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


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)

K(ωm)

Hệ số phụ thuộc vào tần số điều biến (cơng thức 3.14)
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


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


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


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


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


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


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