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

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

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.

- 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
,

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

(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


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 ;

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)

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.

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

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

:


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

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


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


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)

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
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


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:




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


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 (r
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


0,00016967
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


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

(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