CN102506811A - 基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法，首先，通过摄像机拍摄待校正定日镜及该定日镜中的太阳光斑图像，对获得图像进行处理，并判断该太阳光斑图像是否位于定日镜的中心位置，如果位于中心位置，则判断摄像机与待校正定日镜对正；否则，通过太阳光斑图像与定日镜中心位置的偏移量，计算该定日镜的反射角偏差θ，控制定日镜的法线方向向消除偏差的方向转动θ/2；其次，计算定日镜对正摄像机与定日镜对正集热器之间的偏角θ′，将已与摄像机对正的定日镜向集热器方向转动θ′/2。本发明方法能实现镜场安装时的定日镜与集热器的准确对正，且能对镜场长期运行中对因机械变形和地基沉降产生的误差进行校正。

Description

基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法

技术领域

本发明属于塔式太阳能聚热发电系统技术领域，具体涉及一种基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法。

背景技术

太阳能发电分为太阳能直接发电和太阳能间接聚热发电两种形式，其中塔式太阳能聚热发电是间接聚热发电的一种重要方法。塔式太阳能聚热发电是建造一个顶端装有集热器的集热塔，在塔下一定范围内布置大量反射镜，通过反射镜将太阳辐射能汇聚在集热器上加热工质，产生高温高压蒸汽，进而驱动发电机产生电能的发电技术。

由于太阳光线入射角度随天体运动不断变化，为了保证反射镜始终将来自太阳的光能准确反射到集热器上，就必须使用自动控制系统对反射镜角度进行连续调节，锁定太阳、镜面、集热器三者之间的反射关系。专业上将这种具有自动调节镜面角度使其跟踪太阳运动，保证能量汇聚点不变的反射镜称为“定日镜”，而大量定日镜构成的集合被称为“定日镜场”或“镜场”。

为保证集热器高效工作，需要不断调整镜场中各个定日镜的旋转角和俯仰角，使得定日镜场能把太阳辐射能最大化反射到集热器上，这就需要借助自动控制系统对镜面角度进行实时控制。定日镜角度控制的实现分为以下几个步骤：首先利用天文计算法或仪器测量法，获得整个镜场的太阳光线入射角；然后再根据各个定日镜与集热器的位置关系，分别计算将光线反射到集热器的定日镜理想镜面反射角；最终由控制系统根据计算结果，驱动电机对镜架机械支撑系统的转角进行调整，进而对镜面角度进行控制。

因此定日镜角度的自动跟踪控制以及整个镜场的协调控制，是塔式太阳能聚热发电装置的关键技术之一。

由于不能方便的检测光线反射角，因而无法对其进行直接控制。常见的定日镜控制系统是通过对镜架转轴角度(包括旋转和俯仰)的测量和控制来间接实现镜面角度控制。由于缺乏对最终控制结果的检验，这种控制方法从严格意义上讲是一个开环控制系统，实际控制效果会受到以下因素影响：

一、镜架旋转运动轴的旋转角和镜面实际反射角之间存在一个基准零点问题，在设备初始安装和维修后需要对镜面角度进行校正，才能保证两者的一致性。由于定日镜数量巨大，对其进行手动校正的工作量也非常大，拖延了光热电站的调试时间，也增加了整个系统的建设和运行维护成本。

二、当定日镜架发生机械变形或者地基沉陷等问题时，在镜架转轴旋转角不变的情况下，实际反射角却会发生变化。由于塔式聚热发电对定日镜反射角的控制精度要求高，一旦产生这种误差，就会使聚热镜场发生严重的散焦问题，影响聚热效果和发电效率。由于镜场长期运行中的机械变形和地基沉降难以避免，所以如何在电站运行中在线校正镜面控制误差，是关系到电站长期稳定运行的关键。

定日镜的机械旋转角度与镜面反射光角度变化的关系，也就是角度转换系数，由机械系统的传动比确定，是严格准确的。而上述机械变形和地基沉降的影响，只是表现在俯仰和旋转两个角度的检测及控制系统的零点偏移量方面。因此定日镜的标定和校准都是对控制系统的零点偏差进行的。

在某些定日镜控制系统中，在每个定日镜前方正对集热器的光路上安装一个光学传感器，用于检测反射光角度与集热器的方位是否一致，从而实现反射光线角度的闭环控制。由于定日镜数量巨大，为每个定日镜安装光学测量装置的成本巨大，且不便于安装和维护，因此没有被广泛采用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法，能实现镜场安装时的定日镜与集热器的准确对正，且能对镜场长期运行中对因机械变形和地基沉降产生的误差进行校正。

本发明所采用的技术方案是，一种基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法，其特征在于，具体步骤如下：

首先，通过摄像机拍摄待校正定日镜及该定日镜中的太阳光斑图像，对获得图像进行处理，得到太阳光斑图像在该定日镜中的相对位置，判断该太阳光斑图像是否位于定日镜的中心位置，如果位于中心位置，则判断摄像机与待校正定日镜对正；否则，通过太阳光斑图像与定日镜中心位置的偏移量，计算太阳反射光与反射轴之间的角度偏差，并定义为该定日镜的反射角偏差θ，控制定日镜的法线方向向消除偏差的方向转动θ/2，可实现该定日镜与摄像机的对正；

其次，通过已知的集热器与摄像机、以及待校正定日镜与集热塔的位置关系，计算定日镜对正摄像机与定日镜对正集热器之间的偏角θ′，将已与摄像机对正的定日镜的法线方向向集热器方向转动θ′/2，可实现该定日镜与集热器对正。

进一步地，定日镜的反射角偏差θ的计算公式为：

其中，γ为太阳光斑图像与定日镜中心位置的偏移量，f为摄像机焦距。

进一步地，摄像机安装在集热器的正下方，将已与摄像机对正的定日镜的法线方向向上转动θ′/2，可实现该定日镜与集热器的对正。

本发明方法的有益效果是：

一、直接以太阳光反射光线的角度为检测依据，属于闭环效验方法，效验结果直接可靠。

二、可以把定日镜角度效验的误差控制在0.1°以内，保证了镜场聚光系统的精度，大大改善定日镜场的聚光效果和运行效率。

三、可采用分时工作方法，使用单台摄像机对多台定日镜的反射角度进行校正，提高了设备使用效率。避免了在每台定日镜上安装光学测量系统的麻烦，降低了镜面校正系统设备的整体成本。

四、使用本发明方法对待测定日镜进行校正时，不会影响镜场中其它定日镜的工作，能在聚热发电系统工作时进行定日镜反射角度的在线校正。

五、借助智能图像处理系统，本发明方法可以采用计算机控制系统自动实现，提高了镜场的自动化水平，降低调试和维护工作量。

附图说明

图1是本发明集热器、摄像机以及定日镜的位置关系示意图；

图2是本发明中太阳光斑图像在定日镜中的相对位置关系示意图；

图3是本发明中定日镜镜面角度与太阳反射光的反射角关系示意图；

图4是本发明中太阳入射光偏角与定日镜上太阳光斑位置关系示意图；

图5是本发明中的摄像机焦距、物距与成像大小的关系示意图。

其中，1.集热器，2.摄像机，3.定日镜。

具体实施方式

本发明一种基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法，具体步骤如下：如图1所示，首先，通过摄像机2拍摄待校正定日镜3及该定日镜3中的太阳光斑图像，并对获得图像进行处理，得到太阳光斑图像在该定日镜3中的相对位置，判断该太阳光斑图像是否位于定日镜3的中心位置，如果该太阳光斑图像位于定日镜中心位置，则判断摄像机与待校正定日镜3对正；否则，通过太阳光斑图像与定日镜中心位置的偏移量，计算太阳反射光与反射轴之间的角度偏差，并定义为该定日镜的反射角偏差θ，控制定日镜的法线方向向消除偏差的方向转动θ/2，此时，太阳光斑图像调整到定日镜中心位置时，实现该定日镜3与摄像机的对正。

从摄像机镜头中心到定日镜反射面中心的连接线为反射轴，对正是指反射轴处于镜面反射光所形成的光路中心。在定日镜处于摄像机视野范围中心时，反射轴与摄像机光轴重合。由于本发明方法此处针对的是定日镜与太阳光斑的相对位置关系，其适用条件并不需要反射轴与摄像机光轴完全重合，允许反射轴与摄像机光轴存在一定误差。

由于集热器1与摄像机2之间的位置固定，对于给定安装位置的定日镜3，在实现与摄像机2对正后，只需通过简单的几何计算获取零点偏移量，并进行零点迁移操作后即可将定日镜3的对正目标由摄像机2调整到集热器3，从而实现精确的聚光控制。

本发明方法基于的光学原理为：如图2所示，用摄像机拍摄定日镜时，可以获取定日镜图像。当定日镜反射的太阳光线直接进入摄像机镜头时，在摄像机中可以同时观察到定日镜图像和定日镜中的太阳光斑图像。当定日镜反射的太阳光线平行于反射轴时，太阳反射光形成的图像即太阳光斑图像处于定日镜的中心位置；当反射的太阳光线在不平行于反射轴的一定角度范围内时，太阳反射光斑图像将偏离定日镜中心，且偏离量与反射光入射角的变化呈近似线性关系，光线偏角越大光斑位置偏离也越大。当偏差过大，摄像机脱离定日镜反射光所形成的光路范围后，太阳光斑图像从定日镜图像中消失。矩形方框表示定日镜图像，当太阳光斑图像为A时，其处于定日镜的中心位置，此时，判断摄像机与待校正定日镜3对正；当太阳光斑图像为A′时，其不在定日镜的中心位置，此时，判断摄像机与待校正定日镜3不对正。

采用计算机图像处理技术对摄像机拍摄的定日镜即该定日镜中的太阳光斑图像进行处理，获得定日镜边沿外框及太阳光斑图像中心点，通过检测定日镜边沿外框的中心以及太阳光斑图像中心点两者的偏差，即可检测太阳反射光与反射轴之间的角度偏差。又由于定日镜的法线方向与反射光线成一定夹角，并不垂直摄像机光轴，因此原本为矩形的定日镜边框在所拍摄的图像中呈平行四边形。

本发明方法的原理还包括：“太阳反射光偏角”与“图像偏差”之间的关系，并以此作为控制系统对定日镜反射光偏角进行校正的依据。

反射轴与太阳反射光之间的夹角受两个因素影响，其一是太阳光入射角变化，其二是定日镜面反射角变化。依据光线在镜面上的反射原理，定日镜法线方向为入射光与反射光之间的角平分线。如图3所示，在太阳入射光线角度不变的情况下，镜面在位置一时定日镜3法线方向为N，定日镜旋转α角后到达镜面位置二，此时定日镜3法线方向为N′，x为太阳光入射光线，y为镜面位置一时的太阳光反射光线，y′为镜面位置二时的太阳光反射光线。此时，反射光角度变化量为定日镜法线角度变化量的二倍，变化量为2α。为方便表述，将此关系称为“二倍反射角”关系。由于存在上述二倍反射角关系，镜面角度变化对反射光出射角的影响可以折算到太阳光入射角的变化上。因此后续偏移角与像素距离的计算只考虑太阳入射角变化的情况，对于镜面角度变化的情况可以通过折算获得。

如图4所示，m为定日镜3中太阳光斑的实际成像面，n为近似成像面，z为摄像机视野。太阳光线在镜面反射后进入摄像机成像，为了方便计算，假设在定日镜背面以镜面延伸线为对称轴的位置上，安装虚拟的等效摄像机2′。该等效摄像机2′与定日镜镜面的距离和真实摄像机2相同，等效摄像机2′光轴与摄像机2光轴沿定日镜3镜面对称。根据光学原理，太阳在等效摄像机2′中的成像关系与摄像机2相同，为方便分析，后续计算方法推导针对这个等效摄像机进行。

等效摄像机2′与定日镜3镜面中心的距离为l，当太阳入射光线与“反射轴”(摄像机镜头中心与定日镜中心的连接线)的夹角发生变化时，太阳反射光斑会在反射镜面上移动。由于反光太阳光时，反射镜面与虚拟摄像机光轴不垂直，反射光斑沿镜面移动时光斑与摄像机的距离是变化的，但是此变化量Δl与镜面距离摄像机的距离l相比很小(通常小于1％)，因此可以近似认为光斑沿镜面移动时与摄像机的距离始终等于l。基于上述近似，在图4中，当太阳入射光线与“反射轴”偏差一个角度θ时，太阳光斑在摄像机视野中形成的偏移距离β＝l×tan(θ)，此时在精度允许的情况下，假设摄像机成像面始终为与等效摄像机距离为l，且垂直等效摄像机光轴的平面。距离β就是在这个近似成像面n上的偏移量。

在摄像机中距离的单位是像素pix，物体大小在摄像机中的成像尺寸由图5所示的成像关系确定。其中，摄像机焦距为f，物距为l，则实际物体(如定日镜3中的太阳光斑)移动距离β后在摄像机中的移动距离γ等于：

$\mathrm{\γ}=\frac{f}{l}\×\mathrm{\β}\⇒\mathrm{\γ}=\frac{f}{l}\×l\×\tan \left(\mathrm{\θ}\right)\⇒\mathrm{\γ}=f\×\tan \left(\mathrm{\θ}\right)\⇒\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\γ}}{f}\right)$

由上述推理可得到定日镜的反射角偏差θ的计算公式为：此时，γ为太阳光斑图像与定日镜中心位置的偏移量，f为摄像机焦距。

在定日镜3与摄像机光轴对正后，通过已知的集热器与摄像机、以及待校正定日镜与集热塔的位置关系，计算定日镜3对正摄像机2时反射轴与定日镜3对正集热器1时反射轴之间的夹角θ′，该角度为定日镜反射目标由摄像机指向集热器的角度变化量。通过调整定日镜架驱动系统，将已经与摄像机对正的定日镜反射光路向对正集热器的方向调整θ′，此时镜架法线方向的转动量为θ′/2，使该定日镜与集热器对正。

本实施例中，摄像机安装在集热塔上，且位于集热器的正下方，因此只需调节定日镜的俯仰角度，即可将已经与摄像机对正的定日镜调整到与集热器对正。

本实施例中镜场系统技术参数如下：

集热器尺寸5×5米，定日镜尺寸4×4米，定日镜面距离集热器直线距离150米。摄像机焦距200mm，所采用CMOS图像传感器规格为300万像素，感光面尺寸1/2英寸，图像传感器上每像素pix的尺寸为3.2μm×3.2μm。

已知从地球观测太阳的张角为0.5度，由此可求解太阳在距离地面150米的位置上的太阳光斑直径大小为：2×150×tan0.25＝1.30m＝1300mm。

直径为1300毫米的太阳光斑在相机成像平面上的大小为：1300×(200/150000)＝1.73mm，在上述像素元尺寸为3.2μm×3.2μm的CMOS图像传感器上1.73mm折合成像素为：1.73/0.0032＝540.625pix，此时，太阳直径约为541像素。

0.1度的光线输入偏角在成像平面形成的偏差为：γ＝f×tan(θ)＝200×tan(0.1)＝0.349mm，折合像素为0.349/0.0032＝109pix，对于分辨率1pix的图像系统，该偏差很容易精确分辨。

外轮廓4米物体在成像平面上的大小为：4000×(200/150000)＝5.33mm，即5.33/0.0032＝1665.625pix。因此，定日镜垂直摄像机光轴时在像平面上的大小为5.33mm×5.33mm。由于工作时，镜面法线方向不指向摄像机，所以从摄像机上观察定日镜时，定日镜成像尺寸小于上述最大值。由于本方法依据的是太阳光斑与定日镜中心的偏差，矩形定日镜在摄像机中发生几何变形并缩小后并不影响其中心位置的计算，因此不影响校正方法和结果。

在某次校正中，太阳光斑图像处于定日镜中心位置的上部，像素偏差为323pix，则定日镜反射角度偏低，该定日镜的反射角偏差的角度为： $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\γ}}{f}\right)=\arctan \left(\frac{323\×0.0032}{200}\right)=\arctan \left(0.005168\right)=0.296$ 度，根据二倍角关系，向消除偏差的方向(即向上)调整定日镜法线角度0.148度，即可实现定日镜与摄像机对正。其次，计算定日镜对正摄像机时反射轴与定日镜对正集热器是反射轴之间的夹角θ′为1.5279度，则定日镜法线角度向上偏移1.5279/2＝0.76395度，此时，该定日镜与集热器对正。其中，定日镜的偏移动作是通过校正系统向定日镜控制器下达偏移指令，并由定日镜控制系统驱动定日镜架的俯仰与旋转电机来实现。

由于定日镜的机械变形和地基沉降是一个偶然发生和缓慢变化的过程。因此可以设置一个摄像机，使用本发明方法对多面定日镜进行分时的检测和校正(例如数千面定日镜)。为了保证在校正不同定日镜时摄像机能够正确拍摄定日镜，可将摄像机安装在移动的云台上。在实施本发明方法时，转动云台使摄像机光轴指向待校正定日镜。摄像机光轴指向定日镜的效果，可以利用待校正定日镜在摄像机视野中的位置来检查。当定日镜图像处于摄像机图像视野的中心位置附近时，说明摄像机光轴已经指向待检测定日镜，由于本发明方法检测的是镜面中心与太阳光斑之间的相对位置，不是光斑或者镜面的绝对位置，校正时允许定日镜位置与摄像机视野中心存在一定误差。

若待校正定日镜没有零点偏差，则对正后太阳光斑图像出现在定日镜的中心位置，无需校正；若待校正定日镜存在微小零点偏差，则太阳光斑图像将偏离定日镜中心，根据本发明方法实现校正。若偏差过大，则定日镜中不出现太阳光斑图像，此时需要定日镜控制系统适当摆动定日镜发射面，粗略搜寻正确的发射角度，待定日镜镜面出现太阳光斑图像后再按照本发明方法进行校正。

为提高标定和校正的速度，还可按适当间距在集热塔上分散布置多个摄像机，同时对整个镜场进行分片区的覆盖，各摄像机对其监控范围内的所有定日镜，按预定顺序进行逐一的检测和校正。

Claims (3)

1.一种基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法，其特征在于，具体步骤如下：

首先，通过摄像机拍摄待校正定日镜及该定日镜中的太阳光斑图像，对获得图像进行处理，得到太阳光斑图像在该定日镜中的相对位置，判断该太阳光斑图像是否位于定日镜的中心位置，如果位于中心位置，则判断摄像机与待校正定日镜对正；否则，通过太阳光斑图像与定日镜中心位置的偏移量，计算太阳反射光与反射轴之间的角度偏差，并定义为该定日镜的反射角偏差θ，控制定日镜的法线方向向消除偏差的方向转动θ/2，可实现该定日镜与摄像机的对正；

其次，通过已知的集热器与摄像机、以及待校正定日镜与集热塔的位置关系，计算定日镜对正摄像机与定日镜对正集热器之间的偏角θ′，将已与摄像机对正的定日镜的法线方向向集热器方向转动θ′/2，可实现该定日镜与集热器对正。

2.按照权利要求1所述的基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法，其特征在于，定日镜的反射角偏差θ的计算公式为：

其中，γ为太阳光斑图像与定日镜中心位置的偏移量，f为摄像机焦距。

3.按照权利要求1或2所述的基于图像检测的定日镜反射角度在线检测及校正方法，其特征在于，所述摄像机安装在集热器的正下方，将已与摄像机对正的定日镜的法线方向向上转动θ′/2，可实现该定日镜与集热器的对正。

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