CN102116604A - 利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量方法及装置，装置包括：漫反射板，用于对定日镜反射的太阳光成像，漫反射板的中心设为定日镜的理论聚光点；摄像机，用于采集漫反射板上的太阳光斑图像；发射光端机，用于将所述摄像机采集到的太阳光斑图像传送给远程的接收光端机；接收光端机，用于接收所述发射光端机传送的太阳光斑图像，并将该太阳光斑图像传送给具有图像分析模块的PC机；具有图像分析模块的PC机，用于计算定日镜的跟日误差。本发明能够测量太阳能热发电系统中定日镜的跟日误差，从而可以控制每台定日镜在初装时的定日精度，提高定日镜的安装调试效率，同时为实施定日镜的控制角度补偿提供参考数据。

Description

利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量方法及装置。

背景技术

太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电。其中塔式太阳能热发电系统是利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的高温集热器上，加热工质产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。在塔式太阳能热发电中，定日镜的定日精度是比较关键的参数，只有定日镜的定日精度足够高，才能保证太阳光斑能量准确聚集到集热器上，保证热发电系统有较高的光热转换效率，进而保障热发电系统的工作效率。

定日镜有两个运动控制轴：水平方向360度转动(pan)和垂直方向的俯仰运动(tilt)。电机的转动通过传动机构和连接器传送到定日镜的支架，伺服系统的运动中心和定日镜的运动中心存在一个固定的位置偏移，这会给定日镜的跟日角度带来一个固定的控制偏差。除此之外，定日镜的定日精度还受其它多方面因素的影响，比如太阳模型带来的偏差，利用太阳模型计算跟日角度所涉及多个参数的测量误差，定日镜运动轴的安装偏差，定日镜支架的制造误差，定日镜支架的水平安装偏差，定日镜镜面制造的几何误差，定日镜镜面的整体安装误差以及伺服系统的控制误差等等。这些误差都可以看作静态误差。除了静态误差外，定日镜的定日精度还受到动态误差源的影响，这主要是外界环境和外界环境变化导致的影响，比如大风引起的抖动，气流扰动产生的几何形变，定日镜支架和反射玻璃在温度变化下的形变等等。

由上可见，定日镜的跟日误差总是存在的，误差越大，定日镜的聚光效率越低，通过测量定日镜的跟日误差可以控制每台定日镜在初装时的定日精度，提高定日镜的安装调试效率，同时为实施定日镜的控制角度补偿提供参考数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置及方法，能够测量太阳能热发电系统中定日镜的跟日误差，从而可以控制每台定日镜在初装时的定日精度，提高定日镜的安装调试效率，同时为实施定日镜的控制角度补偿提供参考数据。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置，包括：

漫反射板，用于对定日镜反射的太阳光斑成像，所述漫反射板的中心设为定日镜的理论聚光点；

摄像机，用于采集所述漫反射板上的太阳光斑图像；

发射光端机，用于将所述摄像机采集到的太阳光斑图像传送给远程的接收光端机；

接收光端机，用于接收所述发射光端机传送的太阳光斑图像，并将该太阳光斑图像传送给具有图像分析模块的PC机；

具有图像分析模块的PC机，用于通过图像分析模块对太阳光斑图像进行分析处理，获得定日镜反射光斑中心位置，并与理论聚光点的位置进行比较，得出定日镜在不同时刻的光斑中心偏移量，根据一设定时间段内记录下来的定日镜跟日过程中的光斑中心偏移量和定日镜中心到所述漫反射板中心的距离计算出定日镜的跟日误差。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述图像分析模块的分析处理包括对太阳光斑图像进行剪裁、滤波、归一化，以及用相关运算确定反射光斑的中心。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，，所述相关运算的模板由一个二维高斯函数构成，形式如下：

$g(x,y)=e^{-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}$

其中，σ是太阳光斑的标准差。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，对所述相关运算的模板离散化，然后进行相关运算，所述相关运算的结果是一个二维矩阵，用R表示：

$R=\underset{m=1}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}F(m,n)G(i+m,j+n)$

其中的w和h分别表示图像的行维和列维，矩阵R中的最大值的位置即是定日镜反射光斑的中心。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述相关运算为分别求取图像信号和高斯模板的傅里叶频谱，然后在频域下求两个频谱的乘积，再进行反傅里叶变换，获得相关结果。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述相关运算为对图像进行空域滤波，空域滤波算子根据脉冲响应特性和高斯窗口函数构成。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述根据一设定时间段内记录下来的定日镜跟日过程中的光斑中心偏移量和定日镜中心到所述漫反射板中心的距离计算出定日镜的跟日误差具体为：

设在设定时间段内记录下来的定日镜跟日过程中的光斑中心在X方向和Z方向的偏移量的标准差分别记为σ_X，σ_Z，取两者中大值的3倍作为定日镜反射光斑中心的线性误差σ，定日镜中心点距离漫反射板中心点的距离为d，定日镜跟日误差为e，则e＝2atan(3σ/d)。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述漫反射板表面有均匀涂层，涂层材料为具有良好漫反射特性的白色防水涂料，所述涂层上用黑色防水颜料刷有用于校准摄像机参数的图案。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述摄像机为数字摄像机。

为解决上述技术问题，本发明还提出了一种利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量方法，包括：

用漫反射板对定日镜反射的太阳光斑成像，所述漫反射板的中心设为定日镜的理论聚光点；

采集所述漫反射板上的太阳光斑图像，通过远程的接收光端机传送给具有图像分析模块的PC机；

用具有图像分析模块的PC机通过图像分析模块对太阳光斑图像进行分析处理，获得定日镜反射光斑中心位置，并与理论聚光点的位置进行比较，得出定日镜在不同时刻的光斑中心偏移量，根据一设定时间段内记录下来的定日镜跟日过程中的光斑中心偏移量和定日镜中心到所述漫反射板中心的距离计算出定日镜的跟日误差。

本发明能够测量太阳能热发电系统中定日镜的跟日误差，从而可以控制每台定日镜在初装时的定日精度，提高定日镜的安装调试效率，同时为实施定日镜的控制角度补偿提供参考数据。

附图说明

图1是本发明利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置的结构图；

图2是本发明利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置的工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1是本发明利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置的结构图，如图1所示，本发明的定日镜跟日误差的测量装置包括漫反射板11、摄像机12、发射光端机13、接收光端机14和具有图像分析模块的PC机15，其中，漫反射板11用于对定日镜反射的太阳光斑成像，漫反射板11的中心设为定日镜的理论聚光点；摄像机12用于采集漫反射板11上的太阳光斑图像；发射光端机13用于将摄像机12采集到的太阳光斑图像传送给远程的接收光端机14；接收光端机14用于接收发射光端机传送的太阳光斑图像，并将该太阳光斑图像传送给具有图像分析模块的PC机15；具有图像分析模块的PC机15用于通过图像分析模块对太阳光斑图像进行分析处理，获得定日镜反射光斑中心位置，并与理论聚光点的位置进行比较，得出定日镜在不同时刻的光斑中心偏移量，根据一设定时间段内记录下来的定日镜跟日过程中的光斑中心偏移量和定日镜中心到所述漫反射板中心的距离计算出定日镜的跟日误差。

其中，图像分析模块的分析处理包括对太阳光斑图像进行剪裁、滤波、归一化，以及用相关运算确定反射光斑的中心，其中相关运算的模板由一个二维高斯函数构成，形式如下：

$g(x,y)=e^{-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}$

其中，σ是太阳光斑中心测量值的标准差，可以通过估计方式获得。因为图像是一个离散的二维信号F，需要对上述的模板函数进行离散化，得到模板矩阵G，然后进行相关运算，运算结果还是一个二维矩阵，用R表示。

$R=\underset{m=1}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}F(m,n)G(i+m,j+n)$

其中的w和h分别表示图像的行维和列维。矩阵R中的最大值的位置就是定日镜反射光斑的中心。相关运算可以直接利用上述公式完成，也可以分别求取图像信号和高斯模板的傅里叶频谱，然后在频域下求两个频谱的乘积，再进行反傅里叶变换，获得相关结果。

上述相关运算的另外一种表达方式是对图像进行空域滤波，空域滤波算子可以根据特定的脉冲响应函数和一维高斯窗口函数构成。这里的脉冲响应函数是二维频率空间(u，v)的一个矩阵，矩阵的中心点对应零频率成分(u＝0，v＝0)，矩阵元素的值按照滤波器的频率特性要求来设定。一维高斯窗口函数是一个一维矢量，矢量中每个元素的值根据高斯函数来确定，比如具有N个点的高斯窗口函数，其元素的值根据下式

$w[k+1]=e^{-\frac{1}{2}{\left(\frac{1}{\mathrm{\σ}}\frac{k-N/2}{N/2}\right)}^2}$

来确定，其中0≤k≤N，σ是估计的标准差。空域滤波算子还可以直接由二维高斯窗口函数生成。二维高斯窗口函数是一个二维矩阵，其元素的值根据所在位置和二维高斯函数来确定， $w[i+1,j+1]=e^{-\frac{{(i-N/2)}^2+{(j-N/2)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}.$

漫反射板采用铝合金材料制作，其表面有均匀涂层，涂层材料为具有良好漫反射特性的白色防水涂料，该涂层上用黑色防水颜料刷有用于校准摄像机参数的图案。

其中，摄像机12可以为数字摄像机，能够程序控制摄像机的采集模式和采集频率，能够根据光照的强度利用程序自动调节摄像机的曝光时间，采集的图像在计算机上进行保存，采集的图像、每帧图像分析得到的数据、采集的时间、定日镜编号等数据一起保存在一个数据库里。

图2是本发明利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置的工作原理示意图。下面我们结合图2，说明本发明利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置的工作原理。

如图2所示，在聚光塔的吸热器正下方恰当位置安置一块适当大小的白色漫反射板21，漫反射板21上涂有用来校准摄像头的图案。太阳23发出的太阳光24经过定日镜26的反射后，反射太阳光25在漫反射板21上成像。漫反射板21上的圆为太阳光斑成像点22。在聚光塔的正北方大约300米位置(此距离可相应调整)暨镜场中央正面面向靶标(即漫反射板，以下相同，不再赘述)的地面上安置一带望远镜头的高分辨率工业数字CCD(ChargeCoupled Device，电荷耦合器件)摄像机27，CCD摄像头瞄准漫反射板21，采集定日镜26反射的太阳光斑图像，并把该太阳光斑图像数据通过数字光端机(包括发射光端机和接收光端机)传送到远程的控制室中配有图像采集卡的PC机。图像采集卡的PC机通过局域网和OPC(OLE for Process Control，用于过程控制的OLE)协议与一台用于镜场控制的电脑进行通讯，当需要测量某个定日镜的跟日误差时，镜场控制电脑把漫反射板的中心位置设定为该定日镜的理论聚光位置，启动定日镜的跟日程序，并把定日镜编号传给带图像采集卡的PC机。定日镜控制器控制定日镜(按理论计算值)运动使定日镜的聚光光斑落在靶标上。带图像采集卡的PC机上有相应的应用程序，该应用程序可以读入太阳光斑图像，并利用数字图像处理技术对反射光斑进行分析，获得反射光斑中心在图像坐标系下的坐标。

漫反射板(靶标)中心在每一帧图像坐标系下的位置可以通过分割出靶标上的固有图案进行图像处理并分析得到，这样就可以计算出光斑中心在X方向和Z方向相对于靶标中心的偏差ΔX和ΔZ(以像素为单位)。由于相机具有固定焦距，且物体在规定距离处成像，相机在X方向和Z方向的放大倍数是确定的。像空间和物空间尺度上的比例关系可以通过摄像机标定求出，因此光斑中心的物理坐标以及光斑中心相对漫反射板中心的物理偏移量可以计算出。

假设以聚光塔底部的中心为原点，建立世界坐标系，漫反射板的中心位置为(xt，yt，zt)，漫反射板上设计的四个角点坐标也是确定的。假设摄像机的坐标为(xc，yc，zc)，摄像机的旋转角为(Rx，Ry，Rz)。图像平面上的坐标(以像素为单位)与世界坐标系下的实际三维场景点坐标存在如下关系：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1/\mathrm{dX}& 0& u_0\\ 0& 1/\mathrm{dY}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cccc}f/\mathrm{dX}& 0& u_0& 0\\ 0& f/\mathrm{dY}& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]$

其中f为摄像机的焦距，dX和dY代表像元的尺寸(以mm为单位)，u₀，v₀是图像中心的坐标。R是摄像机的旋转变换矩阵，t是摄像机的平移变换量，u₀，v₀是已知的，因此一共有6个未知参数。取漫反射板上的8个特征点作标定，根据上面的关系建立6个未知参数的方程组，进而得到方程的解，这样我们通过实验方法可以获得摄像机的内外参数的准确值。当然也可以通过其他测量手段获得摄像机的外部参数然后通过实验标定摄像机的内部参数。

一旦摄象机的内外参数确定，由图像中的光斑中心位置可以计算出定日镜聚光光斑中心点的实际物理坐标。比较光斑中心坐标与漫反射板中心点坐标，可以求得光斑中心的偏移量Δx和Δz(以mm为单位)。

应用软件自动记录一段时间内该定日镜的反射光斑数据，保存在数据库里，进行统计分析，计算该段时间内太阳反射光斑在X方向和Z方向偏移量(单位是毫米)的标准差，分别记为σ_X，σ_Z，取其中的较大值的3倍作为定日镜反射光斑中心的线性误差σ，由于定日镜中心点距离漫反射板中心点的距离d是确定且可测的，可以得到以毫弧为单位的定日镜跟日误差e，具体地说，e＝2a tan(3σ/d)。

本发明的利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置能够测量太阳能热发电系统中定日镜的跟日误差，从而可以控制每台定日镜在初装时的定日精度，提高定日镜的安装调试效率，同时为实施定日镜的控制角度补偿提供参考数据。

以上述的利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置为基础，本发明还提出了一种利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量方法，包括：

用漫反射板对定日镜反射的太阳光斑成像，该漫反射板的中心设为定日镜的理论聚光点；

采集所述漫反射板上的太阳光斑图像，通过远程的接收光端机传送给具有图像分析模块的PC机；

用具有图像分析模块的PC机通过图像分析模块对太阳光斑图像进行分析处理，获得定日镜反射光斑中心位置，并与理论聚光点的位置进行比较，得出定日镜在不同时刻的光斑中心偏移量，根据一设定时间段内记录下来的定日镜跟日过程中的光斑中心偏移量和定日镜中心到所述漫反射板中心的距离计算出定日镜的跟日误差。

本发明的利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量方法能够测量太阳能热发电系统中定日镜的跟日误差，从而可以控制每台定日镜在初装时的定日精度，提高定日镜的安装调试效率，同时为实施定日镜的控制角度补偿提供参考数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置，其特征在于，包括：

漫反射板，用于对定日镜反射的太阳光成像，所述漫反射板的中心为定日镜的理论聚光点；

摄像机，用于采集所述漫反射板上的太阳光斑图像；

发射光端机，用于将所述摄像机采集到的太阳光斑图像传送给远程的接收光端机；

接收光端机，用于接收所述发射光端机传送的太阳光斑图像，并将该太阳光斑图像传送给具有图像分析模块的PC机；

具有图像分析模块的PC机，用于通过图像分析模块对太阳光斑图像进行分析处理，获得定日镜反射光斑中心位置，并与理论聚光点的位置进行比较，得出定日镜在不同时刻的光斑中心偏移量，根据一设定时间段内记录下来的定日镜跟日过程中的光斑中心偏移量和定日镜中心到所述漫反射板中心的距离计算出定日镜的跟日误差。

2.根据权利要求1所述的利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置，其特征在于，所述图像分析模块的分析处理包括对太阳光斑图像进行剪裁、滤波、归一化，以及采用相关运算确定反射光斑的中心。

3.根据权利要求2所述的利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置，其特征在于，所述相关运算的模板由一个二维高斯函数构成，形式如下：

$g(x,y)=e^{-\frac{x^2+y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}$

其中，σ是太阳光斑中心位置变化的估计标准差。

4.根据权利要求3所述的利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置，其特征在于，对所述相关运算的模板离散化，然后进行相关运算，所述相关运算的结果是一个二维矩阵，用R表示：

$R=\underset{m=1}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}F(m,n)G(i+m,j+n)$

其中的w和h分别表示图像的行维和列维，矩阵R中的最大值的位置即是定日镜反射光斑的中心。

5.根据权利要求2所述的利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置，其特征在于，所述相关运算为分别求取图像信号和高斯模板的傅里叶频谱，然后在频域下求两个频谱的乘积，再进行反傅里叶变换，获得相关结果。

6.根据权利要求2所述的利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置，其特征在于，所述相关运算为对图像进行空域滤波，空域滤波算子根据频率响应特性和高斯窗口函数构成。

7.根据权利要求1所述的利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置，其特征在于，所述根据一设定时间段内记录下来的定日镜跟日过程中的光斑中心偏移量和定日镜中心到所述漫反射板中心的距离计算出定日镜的跟日误差具体为：

设在设定时间段内记录下来的定日镜跟日过程中的光斑中心在X方向和Z方向的偏移量的标准差分别记为σ_X，σ_Z，取两者中大值的3倍作为定日镜反射光斑中心的线性误差σ，定日镜中心点距离漫反射板中心点的距离为d，定日镜跟日误差为e，则e＝2atan(3σ/d)。

8.根据权利要求1所述的利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置，其特征在于，所述漫反射板表面有均匀涂层，涂层材料为具有良好漫反射特性的白色防水涂料，所述涂层上用黑色防水颜料刷有用于校准摄像机参数的图案。

9.根据权利要求1所述的利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量装置，其特征在于，所述摄像机为数字摄像机。

10.一种利用图像分析技术的定日镜跟日误差的测量方法，其特征在于，包括：

用漫反射板对定日镜反射的太阳光斑成像，所述漫反射板的中心设为定日镜的理论聚光点；

采集所述漫反射板上的太阳光斑图像，通过远程的接收光端机传送给具有图像分析模块的PC机；

用具有图像分析模块的PC机通过图像分析模块对太阳光斑图像进行分析处理，获得定日镜反射光斑中心位置，并与理论聚光点的位置进行比较，得出定日镜在不同时刻的光斑中心偏移量，根据一设定时间段内记录下来的定日镜跟日过程中的光斑中心偏移量和定日镜中心到所述漫反射板中心的距离计算出定日镜的跟日误差。