Nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh thu bởi camera ảnh nhiệt cùng 8 12 µm tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

……..….***…………

NGUYỄN QUANG MINH

Nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh bất đồng
nhất ảnh thu bởi camera ảnh nhiệt vùng 8 - 12 m

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 9440110

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội – 2017


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1.
Nguyen Quang Minh, Nguyen Van Thanh, and Nguyen Ba Thi, "NonUniformity of Infrared Imaging Systems using FPA and some Its Correction
Techniques," in Hội nghị Hội nghị Quang học, Quang phổ Toàn quốc lần thứ VII,
Session C: Optics, Laser and Applications, C-24, HCMC, Vietnam, 2012.

Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS. Nguyễn Đại Hưng

Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Tạ Văn Tuân

2.
Nguyen Quang Minh, Ta Van Tuan, and Nguyen Van Binh, "Design
Considerations of a Simple Optical LWIR Imaging System," in Hội nghị Quang học,
Quang phổ Toàn quốc lần thứ VII, Session C: Lasers, Optics and Applications, C-32,
HCMC, Vietnam, 2012.
3.
Nguyễn Quang Minh and Tạ Văn Tuân, "Thiết kế ống kính tạo ảnh hồng ngoại
xa cho một camera ảnh nhiệt không làm lạnh," Tạp chí Nghiên cứu khoa học và
công nghệ quân sự, ISSN 1859-1043, (2013) pp. 104-112.

Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện
Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi
… giờ ..’, ngày … tháng … năm 201….

4.
Tạ Văn Tuân and Nguyễn Quang Minh, "Phân tích một hệ quang vô tiêu vùng
hồng ngoại xa," Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, ISSN 18591403, (2013) pp. 96-103.
5.
Nguyen Quang Minh and Ta Van Tuan, "Evaluation of the Emissivity of an
Isothermal Diffuse Cylindro-Inner-Cone Blackbody Simulator Cavity" in
Proceedings of The 3rd Academic Conference on Natural Science for Master and
PhD Students from ASEAN Countries, CASEAN, Phnompenh, Cambodia, (2014) pp.
397-405. ISBN 978-604-913-088-5.
6.

Nguyen Quang Minh and Ta Van Tuan, "Design of a Cylinder-Inner-Cone
Blackbody Simulator Cavity based on Absorption of Reflected Radiation Model," in
Proceedings of The 3rd Academic Conference on Natural Science for Master and
PhD Students from Asean Countries, CASEAN, Phnompenh, Cambodia, (2014),
pp.111-121. ISBN 978-604-913-088-5.
7.
Ta Van Tuan and Nguyen Quang Minh, "Calculation of Effective Emissivity of
the Conical Base of Isotherrmal Diffuse Cylindrical-Inner-Cone Cavity using
Polynomial Interpolation Technique" Communications in Physics, vol. 26, no. 4, pp.
335-343, (2016). ISSN 0868-3166, Viện Hàn lâm KH&CN VN.

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam

8.
Nguyen Quang Minh and Nguyen Van Binh, "Evaluation of Average
Directional Effective Emissivity of Isotherrmal Cylindrical-inner-cone Cavities Using
Monte-Carlo Method" Communications in Physics, vol. 27, no. 4, pp.357-367,
(2017).ISSN 0868-3166. Viện Hàn lâm KH&CN VN.


24

1

dụng nguồn phát nhiệt TE AC-027, được điều khiển bởi bộ điều khiển nhiệt độ
Yamatake SDC15 và cảm biến nhiệt độ Omron E52-CA1DY.
Kết quả thực nghiệm cho thấy nguồn giả vật đen được thiết kế, chế tạo đáp
ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu sử dụng đặt ra. Kết quả NUC ảnh nhiệt

vùng LWIR cho thấy giá trị NU của ảnh giảm khoảng 17 lầnso với trước khi hiệu
chỉnh, đạt 1,8%. Nguồn giả vật đen được ứng dụng cho NUC camera ảnh nhiệt ở điều
kiện thực địa, không phụ thuộc điều kiện môi trường.
KẾT LUẬN
Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trong nghiên cứu và ứng dụng camera ảnh
nhiệt ở Việt nam, luận án đã chọn đề tài "Nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen
cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh thu bởi camera ảnh nhiệt vùng 8 - 12 m".
Luận án đã thu được các kết quả và có những đóng góp mới sau đây:
- Đã sử dụng kỹ thuật đa thức nội suy cho các tích phân hệ số góc mô tả tương
tác bức xạ trong hốc hình trụ - đáy nón lõm ở điều kiện khuếch tán và đẳng nhiệt, trên
cơ sở đó tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc ấy. Kết quả nhận được có độ
chính xác xấp xỉ so với các kết quả của tác giả khác tính bằng phương pháp giải tích.
Cách tiếp cận này là khá mới mẻ trong tính toán đặc trưng của hốc phát xạ, chưa thấy
công bố trong các công trình khoa học liên quan.
- Đã xây dựng được một giải thuật mô phỏng Monte Carlo cho hấp thụ bức xạ,
sử dụng mô hình phản xạ bề mặt khuếch tán theo hướng trên mặt phẳng hai chiều,
phục vụ thiết kế hốc vật đen dạng hình trụ - đáy nón lõm. Giải thuật có thể xác định
hệ số phát xạ hướng pháp tuyến hiệu dụng của hốc ở điều kiện đẳng nhiệt với các
tham số hệ thống hốc bất kỳ. Giải thuật được phát triển trên môi trường LabView gọn
nhẹ, tính toán đơn giản và phù hợp với thực tiễn thiết kế hốc phát xạ.
- Đã nghiên cứu thiết kế hốc dạng hình trụ - đáy nón lõm bằng cách sử dụng
giải thuật Monte Carlo của luận án. Các tham số thiết kế của hốc được xác định bằng
phương pháp tối ưu dựa trên mô phỏng. Kết quả tính bằng mô phỏng được kiểm
chứng bằng kỹ thuật đa thức nội suy, cho thấy độ tin cậy đạt yêu cầu.
- Đã chế tạo thiết bị nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy
nón lõm có thiết kế hệ thống đã được xác định. Thiết bị đã được đặc trưng hóa bằng
thực nghiệm, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Nguồn giả vật đen được ứng dụng
trong NUC 2 điểm cho camera ảnh nhiệt trong điều kiện phòng và trên thực địa.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo nguồn giả vật đen phục vụ cho NUC camera ảnh

nhiệt vùng hồng ngoại trung (MWIR).
- Phát triển và hoàn thiện giải thuật NUC 2 điểm cho camera ảnh nhiệt được
nghiên cứu và phát triển tại Viện Ứng dụng Công nghệ.

MỞ ĐẦU
Camera ảnh nhiệt dựa trên cảm biến hồng ngoại dạng mảng tiêu diện phẳng
(IR FPA) được sử dụng ngày càng rộng rãi cho các hệ thống quan sát ngày đêm. Trên
thực tế, ảnh nhiệt chịu tác động tiêu cực của tạp kiểu hoa văn cố định (FPN). Giải
pháp kỹ thuật thông dụng nhằm hạn chế ảnh hưởng của FPN và nâng cao chất lượng
ảnh nhiệt là hiệu chỉnh bất đồng nhất (NUC) bằng hiệu chuẩn tuyến tính dựa trên các
nguồn giả vật đen.
Đối với các hệ thống quan sát ngày đêm, NUC ảnh nhiệt một cách chủ động là
một nhu cầu thực tiễn, đòi hỏi phải có các nguồn giả vật đen hoạt động được ở điều
kiện thực địa. Các nguồn giả vật đen nhập khẩu có giá thành khá cao, không phù hợp
với điều kiện trang bị trong nước. Luận án lựa chọn đề tài "Nghiên cứu và phát triển
nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh thu bởi camera ảnh nhiệt vùng 8 12 µm" để giải quyết nhu cầu nói trên. Đây là vấn đề nghiên cứu mới ở trong nước.
Mục đích của luận án là tạo các phương pháp và công cụ tính hiệu quả để thiết
kế, chế tạo nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm phục
vụ cho kỹ thuật hiệu chỉnh bất đồng nhất cho camera ảnh nhiệt vùng phổ 8-14 µm
(LWIR), phù hợp với điều kiện khai thác thực tế của các thiết bị này.
Nội dung nghiên cứu chính của luận án:
- Nghiên cứu quá trình trao đổi bức xạ nhiệt trong hốc phát xạ thực và các đặc
trưng bức xạ của hốc.
- Nghiên cứu các phương pháp tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát
xạ và các phương pháp đặc trưng hóa nguồn bức xạ vật đen.
- Nghiên cứu xây dựng công cụ và kỹ thuật tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng
cho hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm.
- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ dạng
hình trụ - đáy nón lõm. Nghiên cứu ứng dụng nguồn giả vật đen được chế tạo thực
hiện NUC cho camera ảnh nhiệt.

Ngoài mở đầu và kết luận, luận án bao gồm 4 chương như sau:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết về bức xạ vật đen.
Chương 2: Các phương pháp xác định đặc trưng bức xạ của hốc phát xạ vật đen.
Chương 3: Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ hướng pháp tuyến hiệu dụng của
hốc dạng hình trụ - đáy nón lõm.
Chương 4: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đánh giá đặc trưng nguồn giả vật
đen dựa trên hốc dạng hình trụ - đáy nón lõm cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh của
camera ảnh nhiệt.
Các nghiên cứu của luận án sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp
với nghiên cứu thực nghiệm. Những đóng góp chính của luận án về mặt khoa học và
thực tiễn là:
- Sử dụng kỹ thuật đa thức nội suy bậc 2 để tính hệ số phát xạ hiệu dụng của
hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm trên cơ sở phương trình tích phân mô tả
tương tác bức xạ trong hốc khuếch tán hoàn toàn và đẳng nhiệt. Phương pháp tiếp cận


2

23

này chưa thấy công bố trong các công trình khoa học liên quan tới tính toán thiết kế
và chế tạo các hốc phát xạ vật đen.
- Mô phỏng tương tác bức xạ trong hốc dạng hình trụ - đáy nón lõm đẳng
nhiệt trên cơ sở mô hình phản xạ khuếch tán theo hướng trên mặt phẳng hai chiều để
xây dựng giải thuật tính hệ số phát xạ hướng pháp tuyến hiệu dụng dựa trên mô
phỏng Monte Carlo. Đây là một đóng góp mới trong mô phỏng Monte Carlo để tính
toán, thiết kế hệ thống cho các hốc phát xạ vật đen.
- Thiết kế và chế tạo được một thiết bị nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ
dạng hình trụ - đáy nón lõm cho bức xạ ra ở vùng 8-12 m và đạt các yêu cầu kỹ
thuật đề ra.

- Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở để thiết kế, chế tạo các nguồn giả
vật đen dạng vật lý, phục vụ các nghiên cứu về kỹ thuật NUC cho camera ảnh nhiệt
trong điều kiện phòng thí nghiệm cũng như trong điều kiện khai thác thực tế của các
thiết bị này. Đây là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn và có nhu cẩu rất cao trong nghiên
cứu - phát triển, ứng dụng và đảm bảo kỹ thuật cho các camera ảnh nhiệt chuyên
dụng ở điều kiện Việt nam.
- Các kết quả và nội dung nghiên cứu của luận án còn được thể hiện ở các
công trình được công bố trong các tạp chí và các hội nghị khoa học chuyên ngành
trong nước và quốc tế.
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ VẬT ĐEN
1.1. Các đại lượng đặc trưng bức xạ nhiệt
Bức xạ nhiệt phát ra bởi một bề mặt bao gồm một dải bước sóng liên tục, với
đặc trưng cơ bản là năng lượng bức xạ phân bố phụ thuộc bước sóng và hướng
[26,28,43]. Bức xạ nhiệt lan truyền trong không gian và tương tác với các môi trường
quang tuân thủ các định luật của quang học. Các đại lượng đặc trưng bức xạ nhiệt
như công suất (thông lượng) bức xạ , độ trưng bức xạ , độ thoát xạ , cường độ
bức xạ và độ rọi xạ được trình bày. Trong đó, độ trưng bức xạ phổ trong hệ tọa độ
cầu được định nghĩa là [26,43-45,47]:
(1.3)
là công suất phát xạ bởi một đơn vị diện tích bề mặt
vào một đơn vị góc khối
xung quanh hướng ,  là bước sóng, và là các tọa độ góc trong hệ tọa độ cầu.
1.2. Hấp thụ, phản xạ, truyền qua bức xạ
Ở trạng thái cân bằng bức xạ trong môi trường quang học, theo luật bảo toàn
năng lượng [44,45]:
với

(1.12)
trong đó
,

,
và
lần lượt là thông lượng của bức xạ tới, phản xạ, bức
xạ bị hấp thụ, và bức xạ truyền qua môi trường;
là hệ số phản xạ, hệ số hấp
thụ và hệ số truyền qua bức xạ phổ (hay các hệ số bức xạ đơn sắc) của môi trường
đang xét, tương ứng.

(a)

(b)

Hình 4.29: Ảnh bức xạ hốc vật đen ở 20C trước (a) và sau khi NUC (b).

(b)

(a)

Hình 4.30: Biểu độ phân bố mức xám của ảnh bức xạ hốc vật đen ở 20C trước (a) và
sau NUC(b).
Bảng 4.10: Đánh giá bất đồng nhất ảnh.
STT
1
2
3
4
5
6
7

Nhiệt độ nguồn giả
vật đen TPV (C)
27
25
22
20
18
15
12
NU Trung bình

NU(/mean),(%)
Trước NUC
28,6
29,1
29,8
30,3
30,9
31,7
32,6
30,4

Sau NUC
1,9
1,9
1,7
1,5
1,9
1,8
1,9

1,8

4.6. Kết luận Chương 4
Các tham số thiết kế hệ thống của hốc phát xạ được xác định bằng phương
pháp tối ưu dựa trên mô phỏng thông qua khảo sát quy luật phân bố của đại lượng
theo các tham số hốc. Kết quả tính bằng mô phỏng được đánh giá bằng kỹ thuật
đa thức nội suy, cho thấy độ tin cậy đạt yêu cầu.Nguồn giả vật đen được chế tạo sử


22

3
1.3. Bức xạ của vật đen tuyệt đối
Vật đen tuyệt đối có khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng mọi bức xạ điện
từ tới nó ở mọi nhiệt độ, bất kể bước sóng và hướng tới. Phổ bức xạ của vật đen tuyệt
đối chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nó (phân bố Plank). Độ trưng bức xạ phổ của vật
đen tuyệt đối được mô tả là [26,50]:
(1.15)

Hình 4.22: Khảo sát đặc trưng bức xạ nguồn giả vật đen được chế tạo.
4.5. Xử lý bất đồng nhất ảnh nhiệt
Giá trị số hóa của mỗi điểm ảnh lối ra của camera ảnh nhiệt có thể được biểu
diễn bởi quan hệ tuyến tính [5,18,20,29,122,123]:
(4.10)
trong đó
là dữ liệu ảnh đầu vào tại vị trí (r,c),
là các hệ số nhân và
hệ số cộng. Để hiệu chỉnh bất đồng nhất, cần giải quyết bài toán cập nhật các hệ số
nhân và hệ số bù trong (4.10) để chuẩn hóa các giá trị ảnh đầu ra.
Mô hình hệ camera ảnh nhiệt bao gồm module thu không làm lạnh IR118

(384 x 288 a-Si microbolometer FPA), hệ quang vô tiêu hồng ngoại [35], cửa điều
chỉnh độ mở ống kính (1,0...41,3 mm), và ống kính dựng ảnh hồng ngoại [36] được
xây dựng trong phòng thí nghiệm. Độ đồng nhất ảnh được đánh giá qua tiêu chí NU.
Ảnh video ra của IR118 được số hóa bởi bo mạch frame grabber PX610
(CyberOptic) được biểu diễn:
(4.12)
Nguồn giả vật đen đặt đối diện khẩu độ quang của camera ảnh nhiệt để thí
nghiệm đánh giá hiệu quả NUC hai điểm, sử dụng hai bức xạ
và
ở hai
nhiệt độ T1T2. Với
là các giá trị mức xám chuẩn hóa,
và
tìm được bằng cách giải phương trình:
(4.13)
Ảnh có tạp FPN ở 20C và phân bố mức xám của ảnh trình bày trên Hình 4.29(a)
và Hình 4.30 (a). Kết quả NUC trình bày trên Hình 4.29(b), 4.30(b) và Bảng 4.10.
Nguồn giả vật đen đã được ứng dụng để thực hiện NUC cho các camera ảnh nhiệt
chuyên dụng trên thực địa, không phụ thuộc điều kiện thời tiết.

với c1 và c2 là các hằng số bức xạ,
và
là độ thoát xạ phổ và độ trưng bức xạ
phổ của vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ T.
Bức xạ của vật đen tuyệt đối còn được mô tả bởi định luật Stefan - Boltzmann
(năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối phụ thuộc vào lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ)
và định luật Wien (cực đại bước sóng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ).
1.4. Cơ sở lý thuyết bức xạ nguồn giả vật đen
1.4.1. Phát xạ của vật thực
Khả năng phát xạ của vật thực được đặc trưng bởi đại lượng hệ số phát

xạ
, được định nghĩa là tỷ số giữa các đại lượng đặc trưng bức xạ của vật thực
ở nhiệt độ T và các đại lượng đặc trưng bức xạ tương ứng của vật đen tuyệt đối ở
cùng nhiệt độ, cho biết “độ đen” vật thực so với vật đen tuyệt đối [26,28,47]:
(1.20)
Đặc trưng bức xạ của các vật thực chỉ gần giống với đặc trưng bức xạ của vật
đen tuyệt đối ở những dải bước sóng và nhiệt độ nhất định [51,52].
1.4.2. Hốc phát xạ của nguồn bức xạ giả vật đen
Hiện có hai kiểu nguồn bức xạ thông dụng: (i) Nguồn giả vật đen dựa trên hốc
phát xạ, và (ii) nguồn bức xạ dạng tấm phẳng [26,28,30,43,50].
1.4.2.1. Kiểu dạng hốc phát xạ
Các hốc phát xạ đẳng nhiệt có thể tạo ra bức xạ có đặc trưng gần giống với bức
xạ của vật đen tuyệt đối [26,30,47]. Hốc dạng hình trụ - đáy nón lõm cho bức xạ tại
khẩu độ ra có tính chuẩn trực tương đối, có tính chất bức xạ của hốc hình trụ nhưng
với góc mở nhỏ hơn và hệ số phát xạ cao hơn, độ đồng đều bức xạ tốt hơn hốc dạng
nón, có thể chế tạo với kích thước gọn nhẹ, khẩu độ ra lớn với chiều dài ống trụ
ngắn[26,41,53], thích hợp với mục đích của luận án.
1.4.2.2. Dòng bức xạ từ một bề mặt hốc phát xạ
Độ trưng bức xạ
thoát ra từ bề mặt
theo hướng
(Hình 1.6) là
tổng của độ trưng thành phần phát xạ thuần
và độ trưng thành phần phản
xạ
của bề mặt ấy [26]:
(1.21)
với
(1.22)

4

21
(1.23)

trong đó
là hệ số phát xạ thuần của bề mặt,
là hàm phân bố độ
phản xạ bề mặt (hàm phân bố độ phản xạ lưỡng hướng - BRDF) [26,28,5456],
là độ trưng phổ của bức xạ vật đen ở nhiệt độ T,
là độ trưng bức
xạ rọi, là góc tới, là góc đặc xung quanh hướng bức xạ rọi.Nếu bề mặt là khuếch
tán hoàn toàn, các bức xạ rọi tới bề mặt
có thể được biểu diễn thông qua các hệ số
góc, đặc trưng cho góc đặc mà bề mặt đang xét “nhìn” các bề mặt khác trong hốc
[26,28,39,40,45,50]. Bức xạ thoát ra từ bề mặt hốc luôn lớn hơn phát xạ thuần của bề
mặt phát xạ phẳng ở cùng điều kiện (hiệu ứng hốc) [26,28].
A1

Hình 1.6: Bức xạ thoát ra từ bề mặt của hốc phát xạ vật đen.
1.4.2.3. Hệ số phát xạ hiệu dụng
Bức xạ của nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ được đặc trưng bởi hệ số
phát xạ hiệu dụng, ký hiệu là để phân biệt với hệ số phát xạ thuần của vật liệu ().
Hệ số phát xạ phổ địa phương theo hướng hiệu dụng là đại lượng đặc trưng
quan trọng nhất cho nguồn giả vật đen [26,28,47]:
(1.25)
trong đó
là độ trưng bức xạ phổ địa phương theo hướng của một diện
tích bề mặt hốc phát xạ vật đen ở tọa độ ;

là độ trưng bức xạ phổ của
nguồn vật đen tuyệt đối ở nhiệt độtham chiếu .
Các đại lượng đặc trưng bức xạ khác như hệ số phát xạ địa phương tổng theo
hướng hiệu dụng
, hệ số phát xạ phổ bán cầu địa phương hiệu
dụng
, và hệ số phát xạ bán cầu địa phương tổng hiệu dụng
có
thể tính được từ định nghĩa (1.25)
1.4.2.4. Nhiệt độ bức xạ
Nhiệt độ của độ trưng bức xạ của hốc phát xạ [28]:

4.4. Đánh giá đặc trưng nguồn bức xạ giả vật đen
Nguồn giả vật đen được chế tạo bao gồm 2 bộ phận: 1) Khối điều khiển bao
gồm nguồn điện, bộ điều khiển nhiệt độ SDC15 và bảng điều khiển; và 2) Khối
nguồn bức xạ bao gồm hốc phát xạ, module phát nhiệt AC-027, cảm biến nhiệt độ
E52-CA1DY, cơ khí gá và bao che.
Bảng 4.7: Phân bố nhiệt độ bề mặt đáy nón.
TSV (C)
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10

TP1 (C)
28,5 (+0,3/-0,1)
26,5 (+0,1/-0,2)
24,5 (+0,1/-0,2)
22,4 (± 0,2)
20,5 (+0/-0,1)
18,7 (± 0,2)
16,7 (+0,2/-0,1)
14,8 (± 0,2)
13,0 (+0,1/-0,2)
11,2 (+0,1/-0,2)

TP2 (C)
28,4 (+0,1/-0,2)
26,5 (+0,1/-0,2)
24,5 (+0,2/-0,1)
22,3 (± 0,2)
20,4 (± 0,2)
18,6 (+0,2/-0,1)
16,6 (± 0,1)
14,7 (+0,3/-0,1)
12,9 (± 0,2)
11,1(± 0,2)

TP3 (C)
28,4 (+0,3/-0,2)
26,4 (± 0,2)
24,3 (± 0,2)
22,3 (± 0,1)
20,4 (± 0,2)

18,5(± 0,2)
16,5 (± 0,2)
14,6 (+0,3/-0,2)
12,7 (± 0,2)
10,9 (+0,1/-0,3)

TTB (C)
28,4
26,5
24,4
22,3
20,4
18,6
16,6
14,7
12,9
11,1

Nguồn giả vật đen làm việc được trong dải nhiệt độ từ 10C-50C. Sử dụng
máy đo nhiệt độ bức xạ hồng ngoại cầm tay kiểu IT-545 của hãng Horiba đo đại diện
nhiệt độ trên 3 vùng của đáy nón: vùng cận đỉnh nón (P1), vùng giữa khối hình nón
(P2) và vùng cận đáy nón (P3).Trên bảng 4.7, chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng
trong khoảng 0,1C...0,3C, phân bố nhiệt độ trên bề mặt đáy nón được đánh giá là
khá đồng đều. Nhiệt độ TTB cao hơn TSV do sự khác biệt của mật độ dòng dẫn nhiệt tại
các vùng khác nhau của đáy nón, đáng kể khi chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt
khối đáy nón lớn. Sự chênh lệch nằm trong sai lệch cho phép (1K [16]). Do hốc trụ
ngắn và có màn chắn, bức xạ của phần vách trụ có trọng số nhỏ, có thể bỏ qua.
Đặc trưng bức xạ của nguồn giả vật đen được đánh giá bằng thiết bị phổ kế bức
xạ SR-5000 (CI Systems). Dữ liệu ra của SR-5000 là độ trưng phổ bức xạ
của

mẫu đo (Hình 4.22) (TSV =16, bước sóng đỉnh  =10,2m), tương ứng với nhiệt độ
tham chiếu của vật đen T = 290K, max = 10 m. Ở vùng phổ 5,5m  8,0 m và
 12,0 m, độ trưng bức xạ đo trên thực nghiệm giảm mạnh, có thể liên quan tới sự
hấp thụ của hơi nước trong quá trình thực nghiệm. Hệ số phát xạ hiệu dụng hướng
pháp tuyến trung bình của hốc nghiên cứu được tính bởi:
(4.8)
Tại lân cận =10m, hệ số phát xạ hiệu dụng đạt 0,999, phù hợp với tính toán
lý thuyết. Trên dải phổ
,
đạt 0,973, thỏa
mãn yêu cầu (Bảng 4.1).


20

5

càng trở nên đáng kể, ngược lại nếu
càng lớn , e,n càng ít thay đổi trong
một dải rộng các giá trị của .
Để đáp ứng tiêu chí về đặc trưng bức xạ, giá trị các tham số thiết kế được chọn
sao cho e,n có giá trị lớn (≥0,97). Đồng thời, trên cơ sở các kết quả khảo sát phân bố
giá trị e,n, các tham số thiết kế còn phải thỏa mãn tiêu chí gọn nhẹ của nguồn giả vật
đen:
- Do khẩu độ ra phải đạt  110mm, tỷ số R/r không được quá lớn.
- Bán kính trụ R phải đủ nhỏ và có tỷ số L/R nhỏ nhất có thể.
- Góc  cần được chọn để khối lượng phần đáy nón nhỏ nhất có thể.
- Hệ số phát xạ thuần nên được chọn lớn nhất có thể.
Kết quả tối ưu nhận được : r = 60 mm, R = 65 mm (R/r = 1,08), L = 195 mm,
(L/R = 3),  = 55,  > 0,9.

Tính e,n của hốc phát xạ có các tham số hệ thống như trên bằng kỹ thuật đa
thức nội suy, ta thấy sai lệch so với kết quả tính bằng mô phỏng Monte Carlo trong
khoảng 10-4. Có thể cho rằng kết quả nhận được bởi hai cách tính là như nhau, nếu
chúng ta làm tròn số đến 10-3 (Bảng 4.6). Các tham số hệ thống được xác định được
đánh giá là đạt yêu cầu đặt ra.
Để đảm bảo hệ số phát xạ thuần của vách hốc >0,9, giải pháp kỹ thuật được
áp dụng là sử dụng vật liệu bằng kim loại có độ dẫn nhiệt cao được phủ một lớp vật
liệu (sơn đen) có độ phát xạ thuần cao (= 0,90-0,95).
Bảng 4.6: Hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ (L/R =3; R/r =1,08;  =
55) với các giá trị = 0,7; 0,8; 0,9 và 0,92.
Hệ số phát xạ e,n tính bằng giải thuật mô phỏng
thuần của
Monte Carlo (D = 1)
vách hốc
0,7
0,971202 (=3,34E-05)
0,8
0,9823652(=2,74889E-05)
0,9
0,9919636 ((=1,2063E-05)
0,92
0.9936954 (=1.05001E-05)

(y0)tb tính bằng kỹ thuật nội
suy đa thức bậc 2
0,971476
0,982244
0,991752
0,993502

4.3. Giải pháp cấp nhiệt và điều khiển nhiệt độ
Nhiệt độ làm việc của nguồn bức xạ nghiên cứu nằm trong khoảng 10-50C,
tương ứng với cực đại bước sóng trong dải LWIR, như nêu trong yêu cầu kỹ thuật (Bảng
4.1). Để cung cấp nhiệt độ thấp hơn môi trường cho đáy nón, luận án sử dụng máy phát
nhiệt dựa trên nguyên lý điện - nhiệt Peltier (TE). Các tham số làm việc của máy phát
nhiệt TE được tính dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn [112], kết quả là luận án lựa
chọn máy nhiệt TE AC-027 của Hãng TE Technology [114] với các thông số kỹ thuật
phù hợp yêu cầu. Nhiệt độ của đáy nón được điều khiển tự động, dựa trên bộ điều khiển
tỷ lệ P.I.D thương mại (Yamatake SDC15) và cảm biến cặp nhiệt điện (TC) kiểu K
(Omron E52-CA1DY).

(1.30)
Trong thực tế, khái niệm nhiệt độ bức xạ được sử dụng phổ biến hơn [28]:
(1.31)
1.4.2.5. Tính bất đẳng nhiệt của hốc phát xạ thực
Các hốc phát xạ thực thường có tính chất bất đẳng nhiệt, có hệ số phát xạ phổ
địa phương theo hướng hiệu dụng được mô tả dưới dạng [28,57,58]:
(1.32)
là hệ số phát xạ phổ địa phương theo hướng hiệu dụng của hốc phát xạ ở
điều kiện đẳng nhiệt,
là lượng hiệu chỉnh ở điều kiện bất đẳng
nhiệt, phụ thuộc nhiệt độ vách hốc.
Các đại lượng hệ số phát xạ hiệu dụng của một hốc phụ thuộc cấu tạo (kiến
trúc hình học, đặc trưng quang học của vật liệu) và phân bố nhiệt độ của hốc.Trong
quá trình thiết kế hốc phát xạ, các đặc trưng bức xạ luôn được xem xét trước tiên ở
điều kiện đẳng nhiệt.
1.5. Kết luận Chương 1
Chương 1 trình bày tổng lược về các khái niệm cơ bản của nhiệt bức xạ, bức xạ
của vật đen tuyệt đối và bức xạ của vật thực, đặc biệt là bức xạ của hốc phát xạ.
Nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm cho bức xạ ra có

tính định hướng, hệ số phát xạ cao và phân bố bức xạ đồng đều, phù hợp với ứng
dụng chuẩn hóa ảnh nhiệt.
Dòng bức xạ thoát ra từ bề mặt hốc phát xạ bao gồm thành phần phát xạ thuần
và thành phần phản xạ. Do hiệu ứng này, hốc phát xạ được đặc trưng bởi các đại
lượng hệ số phát xạ hiệu dụng. Hệ số phát xạ phổ theo hướng hiệu dụng là đại lượng
đặc trưng bức xạ quan trọng nhất của một hốc phát xạ vật đen, có tính chất phụ thuộc
vào kiến trúc hình học, đặc trưng quang học của vật liệu làm vách và phân bố nhiệt
độ của bề mặt hốc phát xạ. Trong quá trình thiết kế một hốc phát xạ vật đen, việc tính
toán hệ số phát xạ phổ theo hướng hiệu dụng ở điều kiện hốc đẳng nhiệt là một bước
bắt buộc.
Bằng cách tạo ra các hốc phát xạ có kiến trúc hình học và phân bố nhiệt độ bề
mặt của hốc hợp lý, người ta có thể nhận được bức xạ ra của hốc ấy có đặc trưng xấp
xỉ đặc trưng của bức xạ vật đen tuyệt đối, đáp ứng được yêu cầu ứng dụng cụ thể.
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG BỨC XẠ CỦA
HỐC PHÁT XẠ VẬT ĐEN
Để xác định hệ số phát xạ phổ theo hướng hiệu dụng của một hốc phát xạ,
người ta có thể sử dụng các phương pháp [26,28]:
- Phương pháp tính toán;
- Phương pháp đo lường thực nghiệm.
Phương pháp thực nghiệm sử dụng hệ thống thiết bị phức tạp, được sử dụng để
đo lường các đại lượng đăc trưng bức xạ của nguồn giả vật đen [28,63]. Các phương


6

19

pháp tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng sử dụng trong thiết kế cũng như trong đánh
giá đặc trưng bức xạ của hốc phát xạ vật đen bao gồm: i) Phương pháp tính toán tất
định,và ii) Phương pháp tính toán không tất định (mô phỏng bức xạ bằng phương

pháp Monte Carlo) [26,28,31,39,40,43,56,60,61,64].
2.1. Phương pháp tính toán tất định
2.1.1. Các biểu thức tính toán gần đúng
Phương pháp tính gần đúng có đặc điểm là đơn giản và tiện dụng, cho phép
đánh giá được hệ số phát xạ hiệu dụng của một hốc thông qua kiến trúc hình học của
hốc như: kích thước khẩu độ ra, tỷ lệ diện tích bề mặt khẩu độ và diện tích bề mặt
hốc, tỷ lệ giữa chiều dài hốc trụ và bán kính khẩu độ ra. Trong mọi biểu thức tính gần
đúng, sự phụ thuộc của hệ số phát xạ hiệu dụng vào tính chất bức xạ của bề mặt hốc
(hệ số phát xạ thuần và hệ số phản xạ thuần của bề mặt) được mô tả. Các biểu
thức tính toán gần đúng chỉ cho phép đánh giá sơ bộ hệ số phát xạ hiệu dụng của một
số hốc phát xạ có kiến trúc tiêu chuẩn với độ chính xác ở mức chấp nhận được.
2.1.2. Phương pháp giải tích
2.1.2.1. Phương trình tích phân cơ bản
Hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ có thể tính bằng phương pháp giải tích,
dựa trên việc giải các hệ phương trình tích phân mô tả trao đổi nhiệt bức xạ giữa các bề
mặt, trong trường hợp hốc đẳng nhiệt khuếch tán hoàn toàn và định luật Kirchhoff áp
dụng được cho các đặc trưng bức xạ của bề mặt hốc [48]. Theo (1.21), dòng bức xạ của
diện tích bề mặt hốc có tọa độ được tính [68]:
(2.8)
Nếu đặc trưng bức xạ không phụ thuộc phổ và nhiệt độ, (2.8) trở thành:
(2.9)

Hình 4.5: Phân bố của e,n như là hàm của tỷ số L/R (R/r =1).

Độ rọi

được biểu diễn qua các hệ số góc

:

Hình 4.7: Phân bố của e,nnhư là hàm của (L/R =3, R/r =1).
(2.11)

Thay (2.11) vào (2.9), thay
(định luật Stefan - Boltzmann), ta có:



(định luật Kirchhoff), chia cả hai vế cho

(2.13)
Hay trong điều kiện đẳng nhiệt (2.13) được rút gọn thành:
(2.14)
Phương trình (2.14) là phương trình cơ bản cho hệ số phát xạ địa phương hiệu
dụng của một hốc phát xạ, có dạng của phương trình tích phân Fredholm loại hai.

Tất cả các kích thước còn lại của hốc phát xạ phải được xác định theo trị số của
bán kính khẩu độ r. Với
xác định,
tăng dần tới xấp xỉ đơn vị khi
tỷ số
tăng, tốc độ tăng lớn nhất trong khoảng
từ 1 đến 2 (Hình 4.2). Kết quả
khảo sát cũng cho thấy,
có giá trị càng cao, nếu các tham số
càng
lớn. Riêng đối với góc ,
có sự phụ thuộc không tuyến tính.
Với
không đổi,

xác định, giá trị
tăng khi
tăng (Hình
4.5). Tồn tại những giá trị
"tới hạn", tại đó
tiệm cận giá trị lớn nhất có
thể. Giá trị
có sự phụ thuộc vào tỷ số
, góc và hệ số phát xạ thuần .
Góc nhỏ sẽ cho phép lựa chọn giá trị
bé. Hệ số càng lớn, tỷ số
có thể
lựa chọn càng nhỏ nhưng vẫn đảm bảo giá trị
đáp ứng yêu cầu (Hình 4.5).
Trên Hình 4.7 quan sát thấy có hai dải giá trị của góc cho giá trị
cao:  =
33... 40 và  = 50...60. Góc  lớn không mang lại giá trị
cao, hay sự tồn tại
của đáy nón trong hốc hình trụ làm tăng đáng kể hệ số phát xạ hiệu dụng. Trường hợp
còn ghi nhận cực tiểu của
lân cận giá trị = 45. Hàm
có sự phụ
thuộc vào các tham số
và :
càng nhỏ, sự phụ thuộc của e,n vào 


18

7

được các nhu cầu công việc liên quan tới thiết kế hệ thống cho hốc hình trụ - đáy nón
lõm, phục vụ hiệu quả cho quá trình chế tạo nguồn giả vật đen của luận án.

2.1.2.2. Các phương trình tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc hình trụ đáy nón lõm
Nếu hốc phát xạ khuếch tán hoàn toàn, đóng kín và đẳng nhiệt, mọi diện tích
vách hốc sẽ phát xạ giống hệt vật đen tuyệt đối với cường độ là
. Theo De Vos
[70], dòng phản xạ từ một diện tích
sẽ thiếu hụt: i) phần phát xạ từ diện tích
khẩu độ
rọi tới nó, và ii) phần phát xạ từ
bị phản xạ bởi các diện tích
rồi
[60]:

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC
TRƯNG NGUỒN GIẢ VẬT ĐEN DỰA TRÊN HỐC DẠNG HÌNH TRỤ - ĐÁY
NÓN LÕM CHO HIỆU CHỈNH BẤT ĐỒNG NHẤT ẢNH CỦA CAMERA
ẢNH NHIỆT
4.1. Các yêu cầu đối với nguồn giả vật đen
Nguồn giả vật đen được chế tạo có vai trò là nguồn bức xạ chuẩn dùng cho kỹ
thuật NUC ảnh nhiệt, có kích thước xách tay được và hoạt động được ở điều kiện
thực địa.
Bảng 4.1: Yêu cầu kỹ thuật hệ thồng.
STT
1
2
3
4

5
6

Yêu cầu kỹ thuật
Đơn vị đo
Kiến trúc hình học
Dải phổ hoạt động
m
Đường kính khẩu độ ra, 
mm
Hệ số phát xạ hướng pháp tuyến
hiệu dụng
Dải nhiệt độ điều khiển
Nguồn nuôi

C
VDC

Cần đạt
Hình trụ, đáy nón lõm
8-12
 110
 0,9650,005

(2.16)
phần trong ngoặc vế phải của phương trình (2.16) chính là độ phát xạ hiệu dụng
của hốc phát xạ theo (1.25),
và
là các hệ số góc.
y

ds=rdrd



r

O

R0 R 1.0



10 ...50 ( 1C)
12

4.2. Nghiên cứu thiết kế hốc phát xạ

X = 2R/tan

x
L

Hình 2.3: Kiến trúc hình học hốc hình trụ, đáy nón lõm [39].
Xét hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõmkhuếch tán và đẳng nhiệt, thỏa
mãn
(Hình 2.3). Dựa trên (2.16), Z. Chu [39] đã xây dựng các phương
trình tính hệ số phát xạ địa phương hiệu dụng tại 3 phần khác nhau của hốc. Cụ thể,
phương trình hệ số phát xạ địa phương hiệu dụng cho đáy nón có dạng [39]:
(2.17)

Hình 4.2: Phân bố của e,n như là hàm của R/r (L/R= 6,  = 60).
Các tham số thiết kế hệ thống của hốc phát xạ nghiên cứu
(Hình
3.2) được xác định bằng kỹ thuật tối ưu hóa dựa trên mô phỏng [107,108], sử dụng
công cụ tính dựa trên mô phỏng Monte Carlo để khảo sát phân bố của
như là hàm
của các kích thước tỷ lệ
, của góc và hệ số phát xạ thuần . Các tiêu chí
đánh giá quan trọng nhất là : i) Yêu cầu về độ gọn nhẹ của nguồn giả vật đen, và ii)
Yêu cầu về giá trị của hệ số phát xạ theo hướng pháp tuyến hiệu dụng e,n của hốc
phát xạ.

Bài toán tìm hệ số phát xạ hiệu dụng trước tiên trở thành bài toán xác định các
hệ số góc như
trong (2.17). Do hốc có kiến trúc hình học phức
tạp, việc xác định các hệ số góc là rất khó khăn với khối lượng tính toán lớn. Các tính
toán của Z. Chu [39] cho thấy:
- Để tăng hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ dạng hình trụ, không nhất
thiết phải kéo dài ống trụ, nếu có sự có mặt của đáy nón lõm. Điều này cũng sẽ làm
đơn giản hóa việc duy trì phân bố nhiệt độ đều trên phần ống trụ.
- Hệ số phát xạ hiệu dụng trên đáy nón là khá đồng nhất cho các trường hợp
hốc phát xạ thực tế, nghĩa là có hệ số phát xạ vật liệu bề mặt cao, khẩu độ ra đủ nhỏ
và độ dài trụ đủ lớn.


8

17

- Trị số của hệ số phát xạ hiệu dụng trên đáy nón có thể đạt xấp xỉ đơn vị khi
lựa chọn các tham số hình học phù hợp.
Các tính toán giải tích cũng được thực hiện cho các điều kiện khác nhau của
hốc phát xạ có bề mặt không khuếch tán hoàn toàn nhưng với những khó khăn nhất
định trong quá trình tính toán [39,40,56,60,61].
2.2. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo
Mô phỏng Monte Carlo hoàn toàn có thể được áp dụng trong nghiên cứu các
quá trình quang bức xạ như là các quá trình có tính ngẫu nhiên [73,75,76].
2.2.1. Phương pháp Monte Carlo trong đo lường bức xạ
2.2.1.1. Mô hình hóa ngẫu nhiên các tính chất quang học của bề mặt
Tính chất phản xạ của bề mặt được mô hình hóa bởi hàm phân bố phản xạ
lưỡng hướng (BRDF) như đề cập tại (1.23),có tính chất tuân thủ nguyên tắc thuận
nghịch quang học [57,58,64,68,72,77], và trong hệ tọa độ cầu (Hình 2.4) có dạng
[28,54,55]:

giữa quỹ đạo bức xạ và bề mặt hốc và ii) xác định hướng của phản xạ. Số lượng tia bức
xạ cần mô phỏng
để đảm bảo sai số thống kê < 10-4 [28,90]. Xác suất xảy ra
phản xạ khuếch tán hoặc phản xạ kiểu gương được xác định bằng tỷ số khuếch tán
. Hướng của phản xạ được xác định theo các hàm mật độ phân bố
tương ứng. Quỹ đạo bức xạ được coi là chấm dứt nếu giao cắt với khẩu độ hoặc trọng
số thống kê của nó sau k lần phản xạ
rất nhỏ cho trước. Giải thuật được xây
dựng trên môi trường LabView.
Đối với mỗi tổ hợp tham số
của hốc, thuật toán mô phỏng MC tính
được một giá trị
theo (3.30) và (3.31). So sánh kết quả tính
cho hốc đẳng
nhiệt ở cùng điều kiện bằng thuật toán mô phỏng của luận án và phần mềm STEEP3

của Virial Inc. trong [41] (Bảng 3.4), ta thấy sai khác trung bình nằm trong khoảng
10-4, cho thấy giải thuật mô phỏng đủ tin cậy để sử dụng trong tính toán đặc trưng
bức xạ và thiết kế hốc phát xạ vật đen. Điểm mạnh của công cụ tính này là thời gian
tính rất nhanh và cho kết quả trực quan, có ý nghĩa thực tiễn trong việc thiết kế hốc
phát xạ quan tâm.
Bảng 3.4: Hệ số phát xạ theo hướng pháp tuyến hiệu dụng của hốc hình trụ đáy nón lõm (L/R = 6, R/r =1,  = 60).

(2.21)

Hệ số phát xạ
thuần của
vách hốc, ( )
0.7
0.8
0.9

Hình 2.4: Hàm phân bố độ phản xạ lưỡng hướng BRDF [77].
Không có bề mặt thực nào có tính chất phản xạ khuếch tán hoặc phản xạ gương
lý tưởng [26]. Tính chất phản xạ của bề mặt có thể được phân loại dựa trên độ nhám
bề mặt [54,77,78,79,80]. Các bề mặt thực thường có tính chất phản xạ khuếch tán gương, phản xạ bề mặt có thể được mô hình hóa như là tổ hợp tuyến tính của các
phản xạ thành phần.
Mô hình phản xạ khuếch tán - gương đồng nhất (USD) khá phổ biến, nhưng có
nhiều hạn chế. BRDF của mô hình USD được viết là [21,57,58,81]:
(2.25)
Mô hình BRDF 3 thành phần (3C BRDF) mô tả gần đúng tính chất phản xạ của
bề mặt thực hơn so với mô hình USD, tuy nhiên khối lượng tính toán là rất lớn [64,77]:
(2.26)

Hệ số phát xạ theo hướng pháp tuyến hiệu dụng,
Kết quả của J.Wang (2013)

[41]
0.99125
0.99475
0.99757

Kết quả tính toán bằng mô phỏng
MC của luận án
0.991084 ( = 2.62E-05)
0.994903 ( = 1.79E-05)
0.997723 ( = 1.44E-05)

3.3. Kết luận Chương 3
Luận án đã sử dụng kỹ thuật đa thức nội suy bậc 2 để tính hệ số phát xạ hiệu
dụng hướng pháp tuyến cho hốc hình trụ - đáy nón lõm dựa trên các biểu thức hệ số
góc đã được xử lý, biến đổi và đưa về dạng tường minh. Kết quả tính có độ chính xác
phù hợp với các kết quả nhận được bằng phương pháp giải tích số với sai lệch trung
bình nằm trong khoảng 10-4.
Luận án đã nghiên cứu, xây dựng công cụ tính toán hệ số phát xạ theo hướng
pháp tuyến hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm trên cơ sở một giải thuật mô
phỏng Monte Carlo dựa trên hấp thụ bức xạ. Trong giải thuật này, tính chất phản xạ
khuếch tán theo hướng của bề mặt hốc được mô hình hóa dựa trên mô hình phản xạ
bề mặt của B.T. Phong sửa đổi và sự lan truyền bức xạ theo hướng bên trong hốc
được mô phỏng và khảo sát trên mặt phẳng 2 chiều. Điều này cho phép giảm thiểu
được khối lượng và độ phức tạp tính toán trong quá trình theo dấu bức xạ bằng kỹ
thuật vẽ sơ đồ tia. Kết quả nhận được là phù hợp với kết quả tính của tác giả khác
[41], với sai lệch nằm trong khoảng 10-4.
Với ưu điểm là thời gian tính toán nhanh, độ chính xác và độ tin cậy đạt yêu
cầu, các kỹ thuật tính toán được nghiên cứu trong nội dung của Chương 3 đáp ứng

16

9

dụng mô hình phản xạ khuếch tán theo hướng (Mô hình Phong sửa đổi) để mô tả
phân bố phản xạ bề mặt (Hình 3.3) [101]:

với
là BRDF của thành phần phản xạ khuếch tán (Diffuse), gương
(Specular), kiểu gương (Quasi-Specular) và bóng (Ghost).

(3.27)
với
và
hàm BRDF của bề mặt.

, số

mô tả dạng búp phản xạ kiểu gương,

Phản xạ
gương

là

y
A(0, R)

B(L,R)
C(L,r)

i(,b)
y0

G(R/tan,0)

(0,0)

F(0,-R)

Hình 2.8: Mô hình phản xạ kiểu gương do chiếu sáng của Phong [86].

x

(X’,Y’)
r(,,s)



B.T.Phong (1975) đề xuất mô hình phản xạ bề mặt dựa trên kinh nghiệm, thành
phần phản xạ gương trong (2.25) được mô tả dưới dạng (Hình 2.8) [83]:
(2.29)

D(L,-r)



E(L,-R)

Hình 3.2: Mô hình hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm nghiên cứu.

i
Phản xạ
khuếch tán

s

g

Búp phản
xạ gương

r

Hình 3.3: Mô hình phản xạ khuếch tán theo hướng [101].
Hệ số hấp thụ hướng pháp tuyến hiệu dụng của hốc được tính nếu thực hiện mô
phỏng N tia bức xạ có trọng số thống kê ban đầu
:
(3.30)
với k = 1,2,...,m là số lần phản xạ của tia thứ i. Trọng số

được tính là:
(3.31)

trong đó:
và
là hàm mật độ phân bố của
phản xạ khuếch tán và phản xạ gương tương ứng. Áp dụng (3.22), ta tính được
.
Mô phỏng và khảo sát lan truyền bức xạ trong hốc phát xạ được thực hiện dựa
trên kỹ thuật vẽ sơ đồ tia ngược thông qua hai bước cơ bản: i) dò tìm các điểm giao cắt

trong đó
là tỷ số giữa phần phản xạ gương và bức xạ rọi, số mũ k mô hình hóa
kích thước búp phản xạ kiểu gương, được điều chỉnh sao cho khớp với dữ liệu thực
nghiệm [54,79,83-85]. Năng lượng của phản xạ có tính chất phụ thuộc góc. Mô hình
Phong rất được ưa chuộng trong đồ họa máy tính bởi tính đơn giản và hiệu quả của
nó.
Phân bố của một dòng bức xạ theo không gian và tọa độ góc còn được thay thế
bằng các hàm mật độ xác suất (PDF) đối với biến ngẫu nhiên tương ứng [28].
2.2.1.2. Xác suất các quá trình lan truyền và tương tác bức xạ
Tương tác giữa bức xạ và môi trường quang học có quy luật
(1.12). Trong mô phỏng Monte Carlo, các trị số
là xác suất xảy ra các hiện
tượng hấp thụ, phản xạ, hay truyền qua của bức xạ trong tương tác của nó với môi
trường. Nếu trong (2.25) kd + ks =1 và trong (2.26) kd + kqs + kg =1 (0 kd , kqs ,kg
,1), thì
cũng như
được sử dụng như là các xác suất xảy ra dạng
phản xạ tương ứng trong các mô hình đã nêu.
2.2.1.3. Vẽ sơ đồ tia
Trong mô phỏng Monte Carlo thường sử dụng kỹ thuật vẽ sơ đồ tia nghịch đảo
để khảo sát quỹ đạo và tương tác của bức xạ với các bề mặt trong không gian. Tại
mỗi điểm tương tác, dạng tương tác của bức xạ tới và bề mặt được xác định theo các
xác suất biết trước và hướng của phản xạ trong hệ tọa độ cầu xác định được dựa trên
các hàm BRDF. Quá trình vẽ sơ đồ tia được thực hiện lặp lại một cách liên tục cho
đến khi quỹ đạo tia kết thúc.
2.2.1.4. Kỹ thuật gán trọng số thống kê
Theo nguyên tắc bảo toàn năng lượng thì sau mỗi lần tương tác với bề mặt,
năng lượng bức xạ ban đầu sẽ bị hấp thụ một phần và phần còn lại bị phản xạ [70].

10

15

Nếu bức xạ có năng lượng ban đầu là E, sau phản xạ k lần trên bề mặt , năng lượng
còn lại của nó là [78]:
(2.34)
Nếu
thì
, tương ứng với bức xạ được coi là bị hấp thụ hoàn toàn.
Trong mô phỏng bức xạ, nếu mỗi bức xạ nguyên phát được gán một trọng số thống
kê
, quá trình vẽ sơ đồ tia cho bức xạ đó được dừng lại nếu sau k lần phản xạ,
trọng số của bức xạ
( rất nhỏ cho trước). Điều này có ý nghĩa lớn
trong việc kiểm soát tính hội tụ của giải thuật mô phỏng [75].
2.2.2. Mô phỏng Monte Carlo trong tính toán đặc trưng bức xạ của hốc
phát xạ
2.2.2.1. Phương pháp mô phỏng dựa trên phát xạ
Phương pháp này dựa trên định nghĩa về thông lượng dòng bức xạ thoát ra khỏi
bề mặt phát xạ khuếch tán (1.17). Việc xác định dòng bức xạ thoát ra khỏi một bề mặt
trở thành việc xác định số lượng các phản xạ 1 lần, 2 lần, 3 lần,... tại bề mặt ấy [89]:

Bảng 3.3: Hệ số phát xạ trung bình hiệu dụng của đáy nón (e)tb của hốc phát
xạ hình trụ - đáy nón lõm có hệ số phát xạ bề mặt = 0,7.

(2.36)
Nếu mỗi bề mặt phát xạ năng lượng
[53], ta cũng có thể tính được:

và

là năng lượng dòng bức xạ ra
(2.38)

trong đó S là tổng diện tích bề mặt trong hốc, s là diện tích khẩu độ, N là tổng số
“hạt” bức xạ được phát xạ bởi toàn bộ bề mặt hốc, Nout là tổng số "hạt" thoát ra khỏi
khẩu độ.
Mô phỏng dựa trên phát xạ cho phép xác định được hệ số phát xạ địa phương
hiệu dụng của hốc bất đẳng nhiệt một cách trực tiếp, rất có ý nghĩa trong thiết kế
phân bố nhiệt độ của hốc phát xạ. Hạn chế của phương pháp là đòi hỏi phải tính toán
các hàm phân bố phát xạ cho từng bề mặt, khối lượng tính toán chung là rất lớn và có
độ phức tạp cao.
2.2.2.2. Phương pháp mô phỏng dựa trên hấp thụ bức xạ
Có thể xác định thông qua hệ số phản xạ hiệu dụng hay hệ số hấp thụ hiệu
dụng
nếu hốc phát xạ thỏa mãn định luật Kirchhoff
. Nếu hốc
có bề mặt đặc, xám, khuếch tán và đẳng nhiệt, ta có [53]:
(2.40)
với là độ phản xạ của bề mặt vách hốc, là vị trí của đơn vị diện tích bề mặt hốc,
có bản chất là các hệ số góc.
Nếu trong số " hạt" bức xạ rọi từ khẩu độ có
"hạt" thoát khỏi hốc sau k lần
phản xạ, hệ số phản xạ bán cầu trung bình hiệu dụng của khẩu độ được tính [53]:

L

R0



8
8
8
8
12
12
12
12

0,25
0,25
0,5
0,5
0,25
0,25
0,5
0,5

30o
60o
20o
60o
20o
30o
30o
60o

Kết quả tính bằng đa thức
nội suy bậc 2 trong luận án
0,99980951470
0,99970362889
0,99938567800
0,99882927670
0,99994055869
0,99992127221
0,99969312250
0,99950666248

Kết quả dùng các giá trị tính
toán của Z.Chu [39]
0,999793
0,999694
0,999283
0,998815
0,999931
0,999901
0,999673
0,999484

Các giá trị của dFy0,ap tính trực tiếp và tính bằng đa thức nội suy là tương đương
nhau với sai số trong khoảng 10-7 đến 10-8 (Bảng 3.2). So sánh với kết quả của Z.Chu
[39], các giá trị dFy0,ap và tích phân dF2y0,ap dFx,ap tính bằng đa thức nội suy được cho
là trùng khớp trong khoảng 4.10-4.
Kết quả tính hệ số phát xạ trung bình hiệu dụng của đáy nón bằng kỹ thuật đa
thức nội suy được so sánh với kết quả tính theo phương pháp của [39], với sai lệch
nằm trong khoảng 10-4 (Bảng 3.3).
Kỹ thuật đa thức nội suy bậc 2 cho phép tính được hệ số phát xạ hiệu dụng của

đáy nón một cách nhanh chóng và tiện dụng, có tính ứng dụng cao trong quá trình
thiết kế hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm, mặc dù vẫn đòi hỏi những kỹ năng tính
nhất định [98].
3.2. Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ theo hướng pháp tuyến hiệu dụng của
hốc hình trụ - đáy nón lõm bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
Xây dựng giải thuật mô phỏng Monte Carlodựa trên hấp thụ bức xạ dùng để
tính hệ số phát xạ phổ theo hướng pháp tuyến hiệu dụng
của hốc dạng hình trụ đáy nón lõm ở điều kiện đẳng nhiệt.
Trên Hình 3.2 mô tả một hốc dạng hình trụ - đáy nón lõm, L là độ dài phần
hình trụ, R là bán kính trong hình trụ, r là bán kính khẩu độ ra (rđáy nón và vách trụ.
Bề mặt hốc được giả định là có tính chất phản xạ khuếch tán - gương, các đặc
trưng bức xạ thuần là hằng số tại mọi điểm trong hốc, không phụ thuộc phổ, nhiệt độ
và hướng bức xạ,
. Hốc đẳng nhiệt, đặc trưng bức xạ hướng pháp
tuyến hiệu dụng thỏa mãn điều kiện Kirchhoff và nguyên tắc thuận nghịch quang
học:
(3.22)
Do tính chất đối xứng quay của hốc, để xác định đặc trưng bức xạ hướng pháp
tuyến hiệu dụng của hốc bằng mô phỏng Monte Carlo, ta chỉ cần khảo sát quá trình
lan truyền và tương tác của bức xạ trên một mặt cắt của hốc nghiên cứu [101]. Sử


14

11

[97,98], giải được bằng các phương pháp tính số hay tính tích phân bằng phương
pháp tính số, nhưng vẫn phức tạp và mất nhiều thời gian.
3.1.2. Tính toán hệ số phát xạ địa phương hiệu dụng của đáy nón bằng kỹ

thuật đa thức nội suy
Tích phân số hạng bậc 2 của (2.17) có dạng phức tạp, mặc dù các hệ số góc đã được
đưa về dạng tường minh (3.5) và (3.7). Nếu đặt
liên tục với
, ta luôn tìm được một hàm đa thức duy nhất có dạng [98]:
(3.12)
trong đó
là đa thức Newton bậc m nội suy các giá trị của hàm
nằm giữa
các điểm nút biết trước, m được xác định dựa trên sai số nội suy [98,99]. Với sai số
nội suy < 10-5 thì m = 2 là đạt yêu cầu. Các hệ số
của đa thức (3.12)
tìm được dựa trên 3 giá trị
(Bảng 3.1).
Bảng 3.1: Đa thức nội suy của hàm tích phân d2Fyo,x dFx,ap với hệ số phát xạ bề
mặt  = 0,7.
L

R0



8
8
12
12

0,25
0,5
0,25

0,5

30o
60o
20o
45o

0,00020418 (1-y0 tan)2- 0,00057577 (1-y0 tan)+ 0,00054582
- 0,0000502749 (1-y0 tan)2 - 0,000648663 (1-y0 tan) + 0,0017787
0,0000547286 (1-y0 tan)2- 0,000143944 (1-y0 tan) + 0,00013545
0,00001404 (1-y0 tan)2- 0,00018342 (1-y0 tan)+ 0,00044535

Bảng 3.2: So sánh các giá trị trung bình của hàm số dFy0,ap và của tích phân
dF y0,ap dFx,ap, được tính bằng kỹ thuật đa thức nội suy áp dụng trong luận án và được
tính bằng phương pháp giải tích ở cùng điều kiện (=0,7).
2

L

8
8
8
8
12
12
12
12

R0

0,25
0,25
0,5
0,5
0,25
0,25
0,5
0,5


30o
60o
20o
60o
20o
30o
30o
60o

Kết quả của luận án
Tích phân
Nội suy
0,00054976
0,000549766
0,00086890
0,000868895
0,0016611
0,00166115
0,0034652
0,00346522

0,00016967
0,000169667
0,00023417
0,000234167
0,00093534
0,000935335
0,0015318
0,00153181

Z.Chu[39]
0,0006
0,0009
0,0020
0,0035
0,0002
0,0003
0,0010
0,0016

Kết quả tính nội
suy của luận án
0,00028397
0,000396679
0,0012888
0,00145737
0,0000948923
0,0000941865
0,00029195
0,000375528

Z.Chu[39
]
0,0003
0,0004
0,0013
0,0015
0,0001
0,0001
0,0003
0,0004

(2.42)
Nếu là số lượng "hạt" bức xạ bị hấp thụ hoàn toàn, ta cũng có thể tính hệ số
phát xạ hiệu dụng của hốc thông qua hệ số hấp thụ hiệu dụng [90]:
(2.45)
So với mô phỏng dựa trên phát xạ, phương pháp hấp thụ bức xạ đơn giản hơn
nhiều, khối lượng tính toán nhỏ, thời gian tính nhanh. Tuy nhiên, phương pháp này
không thể cung cấp thông tin về phân bố nhiệt độ của hốc.
2.3. Phương pháp đo lường thực nghiệm
Hiện có 2 phương pháp đo lường thực nghiệm chính là phương pháp đo phản
xạ dựa trên các phản xạ kế và đo lường trắc xạ dựa trên các bức xạ kế [63].
Phân bố nhiệt độ của các hốc phát xạ được xác định bằng các nhiệt kế. Có hai
phương pháp đo nhiệt độ phổ biến là: phương pháp đo tiếp xúc và phương pháp đo
không tiếp xúc (nhiệt kế bức xạ).
2.4. Kết luận Chương 2
Các phương pháp tính toán, bao gồm tính tất định và không tất định, được áp
dụng phổ biến trong quá trình thiết kế hốc phát xạ, trong một số trường hợp cũng
được sử dụng để đánh giá đặc trưng bức xạ của một hốc phát xạ có sẵn.
Trong các phương pháp tính toán tất định cho nghiên cứu hốc vật đen, phương
pháp tính gần đúng và phương pháp giải tích dựa trên phương trình tích phân được đề

cập. Tính gần đúng cho phép xác định các giá trị trung bình của các hệ số phát xạ
hiệu dụng của một số hốc phát xạ đẳng nhiệt và khuếch tán có hình dạng tiêu chuẩn
một cách sơ bộ. Phương pháp giải tích cho phép tính toán được hầu hết các đại lượng
đặc trưng bức xạ của hốc phát xạ với độ chính xác rất cao, với đặc điểm là phần lớn
khối lượng tính tập trung vào việc xác định các hệ số góc mô tả trao đổi bức xạ giữa
các bề mặt trong hốc khuếch tán. Đây là công việc có độ phức tạp cao, tốn rất nhiều
thời gian cho dù có sự trợ giúp của máy tính. Phương pháp giải tích cũng rất khó áp
dụng cho tính các hốc vật đen có dạng hình học phức tạp, bề mặt hốc không khuếch
tán.
Phương pháp tính không tất định dựa trên mô phỏng Monte Carlo ngày càng
chiếm ưu thế trong tính toán thiết kế các hốc phát xạ vật đen, trong đó các đặc trưng
bức xạ của hốc phát xạ được xác định thông qua các mô hình mô tả quá trình phát xạ
hoặc hấp thụ bức xạ của hốc. Đối với các hốc có kiến trúc hình học phức tạp và bề
mặt không khuếch tán thì phương pháp mô phỏng MC gần như là phương pháp duy
nhất và có tính chất vạn năng để khảo sát đặc trưng bức xạ của chúng. Mặc dù vậy,
các phương pháp tính tất định vẫn có vị trí nhất định trong nghiên cứu các đại lượng
bức xạ của hốc phát xạ, cung cấp cơ sở lý thuyết chặt chẽ cho phương pháp mô
phỏng Monte Carlo và kiểm định các kết quả mô phỏng.
Các phương pháp thực nghiệm để đặc trưng hóa các nguồn giả vật đen có cùng
đặc điểm chung là đòi hỏi bố trí thiết bị và phương pháp đo lường phức tạp, tốn kém,


12

13

chỉ thực hiện được trong các phòng thí nghiệm đo lường bức xạ được trang bị tốt.
Tuy nhiên, đây là phương pháp tin cậy nhất để xác định trực tiếp các đặc trưng của
nguồn bức xạ vật lý.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HỆ SỐ PHÁT XẠ THEO HƯỚNG

HIỆU DỤNG CỦA HỐC HÌNH TRỤ - ĐÁY NÓN LÕM
Chương 3 trình bày các nghiên cứu tính toán,xác định hệ số phát xạ hướng
pháp tuyến hiệu dụng của hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm dựa trên kỹ thuật đa
thức nội suy và kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo.
3.1. Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng của hốc
phát xạ hình trụ - đáy nón lõm bằng kỹ thuật đa thức nội suy
Theo định nghĩa dòng bức xạ (1.21), có thể đánh giá hệ số phát xạ theo hướng
pháp tuyến hiệu dụng
của hốc dạng hình trụ - đáy nón lõm thông qua hệ số
phát xạ địa phương hiệu dụng
của đáy nón (2.17) [97,98]. Để giải (2.17) cần
xác định được tất cả các hệ số góc có trong phương trình.
3.1.1. Xác định các hệ số góc trong phương trình hệ số phát xạ địa phương
hiệu dụng của đáy nón
Các công thức tính hệ số góc trong công thức (2.17) [39]:

(3.7)

(3.1)
(3.2)
(3.3)

Các mẫu số có trong (3.7) là:

trong (3.3) , giới hạn tích phân có dạng:
x ≥ 2/tanθ
1/tanθ 0 ≤ x ≤ 1/ tanθ

(3.8)

(3.4)

Việc tính trực tiếp các biểu thức (3.1) - (3.3) là rất khó khăn trên thực tế.Luận
án thực hiện biến đổi các công thức trên về dạng tường minh và khả tích (xem Phụ
lục P1.1 - P1.3), qua đó tính hệ số phát xạ địa phương hiệu dụng của đáy nón theo
(2.17) một cách dễ dàng hơn [97,98]. Kết quả nhận được là:
(3.5)

Để tính các biểu thức (3.5), (3.6) và (3.7), cần lưu ý tới các điểm kỳ dị gặp
phải, tại đó
là bất định: i)
trong (3.5); ii)
trong
(3.6) và (3.7). Giá trị của các hệ số góc tại các điểm kỳ dị có thể tìm được bằng cách
áp dụng quy tắc L'Hôpital [28,98]. Các tính toán liên quan được trình bày tại Phụ lục
P1.4. Kết quả là:
(3.9)
(3.10)

(3.6)

(3.11)
Thay thế các biểu thức (3.5), (3.6),(3.7) và các giá trị (3.9),(3.10), (3.11) vào
(2.17) nhận được phương trình chứa các tích phân một lớp xác định tường minh