CN103267495A - 塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法及检测系统 - Google Patents

Abstract

一种塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法及检测系统，利用条纹反射和相移技术，在白屏表面投影正弦分布的条纹图像，用照相机采集单元镜反射的变形条纹图像，经过图像数据处理获取单元镜的面形。采用本发明检测方法的检测系统，由白屏（1）、DLP投影仪（2）、CCD相机（3）和计算机（4）组成。CCD相机（3）通过图像采集卡（5）与计算机（4）相连，DLP投影仪（2）固定在支架上，通过数据线与计算机（4）相连。

Description

塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法及检测系统

技术领域

本发明涉及一种塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法和系统。

背景技术

塔式太阳能热发电是一种由大量定日镜和位于高塔上的吸热器组成的太阳能热发电方式。塔式太阳能热发电站可实现较高的聚光比，具备提高电站年均效率的潜力。定日镜系统利用数量众多的定日镜将太阳光反射并汇聚到位于高塔上的吸热器，通过吸热器将光能转换成热能，再经过热力循环来发电。定日镜是塔式太阳能热发电站中的核心部件，是实现系统高效光热转换的载体，其通用结构为由多面单元镜拼接而成。因此，高精度单元镜面形是保证定日镜反射太阳辐射能够准确地到达吸热器的前提，精确的单元镜面形对塔式太阳能热发电站的发电效率和发电成本至关重要。目前，单元镜面形检测技术主要分为接触式和非接触式。相比而言，非接触式检测技术由于在检测范围和检测效率上的优势，在单元镜面形检测中应用较广。单元镜面形检测技术中非接触式检测技术包括激光扫描采点法、摄影测量法和结构光方法。激光扫描采点法由于要求将粉末等材料喷涂在镜面表面，改变其反射特性为漫反射，然后进行逐点扫描，其检测时间较长、效率较低，且对于较大面积的镜面检测系统成本较高。摄影测量法要求在镜面按照一定的空间分布贴数目众多的反光片，不利于镜面面形的高效检测。结构光检测技术可以分为点结构光检测技术、线结构光检测技术和面结构光检测技术。利用点结构光检测技术或线结构光检测技术检测单元镜，由于一次测量只能获得镜面中的一个点或者一条线上的数据，因此测量时间长，需通过专用旋转、移动装置才能完成整个镜面面形的检测。面结构光检测技术可分为编码图案投影法和条纹反射法。编码图案投影法通常把某种编码图案投射到被测物体上，利用受物体表面形貌调制的变形图案获取物体的面形信息，但该技术匹配像素和光源出射点的算法比较复杂，通常对被测面面形和成像模型增加一定的约束来简化难度，造成检测精度不高，应用范围有限。条纹检测方法是通过CCD相机采集被测物体镜面反射后的变形条纹，根据条纹相位与被测镜面面形的对应映射关系，实现面形重构。与编码图案投影法相比，条纹反射检测方法具有检测速度快、系统组成简单、抗干扰强、检测精度较高等优点。中国专利CN1945204公开了一种镜面物体表面三维轮廓测量装置和方法，此系统采用移动平板显示器显示条纹图像，利用摄像机采集平板显示器在两个不同位置时镜面物体反射的变形条纹图像进行处理，获取条纹图像的相位分布；根据像素坐标和摄像机参数确定镜面表面的出射光线方向；根据像素对应的两个相位值和平板显示器参数确定镜面表面的入射光线方向；最终由出射光线和入射光线的交点坐标获取镜面表面的坐标。但是，采用此移动平板显示器测量装置主要针对小面积的镜面类物体的面形检测，由于塔式太阳能热发电用单元镜镜面面积较大，若采用此方法系统较为复杂，实施难度较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术检测面积较大的塔式太阳能热发电用单元镜镜面操作不便的不足，提出一种简易、快速、高效的塔式太阳能热发电用单元镜镜面面形检测方法即检测装置。本发明不依赖参考标准平面镜获取参考相位，而是采用投影仪与白屏代替平板显示器，从而不用移动平板显示器就可实现检测。本发明利用计算机生成虚拟参考平面的相位分布。

本发明采用以下技术方案：

本发明检测方法利用投影仪将多幅条纹图像投影至投影幕，利用CCD相机采集单元镜反射的变形条纹图像获取镜面相位分布，通过计算机模拟虚拟参考平面的相位信息获得塔式太阳能热发电用单元镜面条纹相位偏移量，根据确定的白屏、CCD相机和待测单元镜的空间几何关系，利用相移技术和时间解包裹技术对采集的待测单元镜变形条纹进行图像处理所获取的待测单元镜上各点相位分布信息，以及待测单元镜面条纹相位偏移量-镜面斜率的映射关系计算单元镜面的斜率分布，通过将斜率积分的方法获得单元镜面的面形信息。

采用本发明方法的检测装置的结构如下：

太阳能热发电用单元镜面形检测系统，由白屏、DLP投影仪、CCD相机和计算机组成。所述的白屏垂直固定在白屏支架上。所述的DLP投影仪通过数据线与计算机连接，将由计算机生成的多幅正弦条纹图像投影至白屏上，在白屏上呈现由DLP投影仪投影的正弦条纹图像。待测单元镜垂直固定在单元镜支架上，位于白屏前方，白屏上的正弦条纹反射到待测单元镜上；所述的CCD相机通过图像采集卡与计算机连接，CCD相机采集待测单元镜所反射的正弦条纹的变形图像，并将所采集的变形图像信息传输至计算机进行处理；所述的计算机将采集的变形图像经过数据处理获取待测单元镜的面形。

本发明的塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法和系统，系统设置简易，检测精度较高，检测速度较快，易于操作。

采用所述的太阳能热发电用单元镜面形检测系统检测单元镜面形方法的步骤如下：

（1）安装检测设备：

架设本发明检测系统的设备，利用黑白棋盘标定板获取CCD相机的内外参数。所述的内参数为：相机焦距、主点、相机像平面坐标轴倾斜系数，以及畸变系数；外参数为旋转矩阵和平移矩阵、虚拟参考平面位置，以及CCD相机的拍摄角度。

利用黑白棋盘标定板确定白屏、待测单元镜和CCD相机的空间几何映射参数：首先，利用标定的CCD相机外参数获取CCD相机坐标系与世界坐标系的映射关系；利用投影仪将黑白棋盘格投影至白屏上，将一面平面镜竖直放置在待测单元镜前方；CCD相机采集平面镜反射的黑白棋盘格图像，通过图像分析和最小二乘算法获取白屏坐标系与世界坐标系的映射关系。

由CCD相机采集通过投影仪投影在白屏上的条纹图像序列，通过图像处理获取条纹的包裹相位图，由包裹相位图确定条纹周期。

（2）采集图像：

首先将计算机产生的多幅正弦条纹图像通过数据线传输至DLP投影仪，DLP投影仪向白屏分别投影X、Y两个方向上的正弦条纹序列，由CCD相机采集待测单元镜反射的变形条纹图像。

（3）图像处理：

结合本发明检测系统的标定参数及CCD相机采集的图像，经计算机进行图像处理，获得待测单元镜的面形。

步骤（3）中所述的图像处理方法为：

1）计算机对CCD相机采集的变形图像进行滤波及掩膜处理，将图像中的无效背景信息滤去；

2）根据步骤（1）确定的虚拟参考平面位置，利用计算机生成虚拟参考平面上的相位分布；

3）利用时间相位解包裹技术计算变形图像的解包裹相位，结合步骤2）得到的虚拟参考平面相位分布获取镜面条纹相位偏移量；

4）根据步骤（1）中的系统参数：CCD相机的内外参数及拍摄角度以及条纹周期，结合建立的镜面条纹相位偏移量与镜面表面斜率的映射关系获取待测单元镜表面斜率分布，通过积分计算单元镜镜面信息。

本发明具有如下优点：

1、结构简单、易操作，不需要参考标准平面镜及移动平板显示器获取镜面条纹相位分布，整个检测过程属于非接触测量，在保证测量精度的前提下，可有效地提高检测效率。

2、通过DLP投影仪投影多组正弦条纹图像至白屏上，CCD相机采集变形条纹，结合相移技术和时间解包裹方法，不仅能够很好地处理待测单元镜镜面边界信息，而且可消除环境因素，如背景光照、镜面反射等，对检测精度的影响。

3、该检测方法和检测系统不仅可用于检测塔式、槽式、碟式、线性菲涅尔式等类型聚光器单元镜的面形，而且可检测其它任意几何形状的类镜面面形。

附图说明

图1本发明检测系统的结构示意图；

图2本发明检测方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的太阳能热发电用单元镜面形检测系统由白屏1、DLP投影仪2、CCD相机3和计算机4组成。白屏1垂直固定在白屏支架上，待测单元镜垂直固定在单元镜支架上，竖直放置在白屏1前方，由计算机4生成的多幅正弦条纹图像通过数据线传输至DLP投影仪2投影至白屏1上；CCD相机3采集待测单元镜反射的变形条纹图像，并通过图像采集卡5将图像信息传输至计算机4进行数据处理，最终获取待测单元镜的面形信息。

本发明利用条纹反射法检测镜面面形的方法主要是通过分析条纹的偏移量来获取待测物的面形。另外，待测物反射沿某一方向的条纹只能得到此方向上的条纹偏移量，因此最少需要两个不同方向的条纹图像才能得到足够的信息，用以构建待测单元镜的面形。本发明检测方法分别使用沿X方向和沿Y方向的条纹图来分析反射变形条纹的偏移量。

如图2所示，本发明的检测方法依据以下原理：

CCD相机3的光轴与Z轴夹角为α，待测单元镜与置于待测单元镜下方的参考标准平面镜之间的距离为h，白屏与参考标准平面镜的距离为L。首先利用投影仪2向白屏1分别投影X、Y两个方向上的正弦条纹序列，CCD相机3采集经参考标准平面镜反射的X、Y方向上的正弦条纹序列，经计算机解包裹处理后获得X、Y方向上的参考相位。然后，将待测单元镜放置在参考标准平面镜的位置，CCD相机采集待测单元镜反射的变形条纹图像，获取X、Y方向上的镜面条纹相位分布。对于CCD像平面中的同一像素点，CCD相机通过参考标准平面镜可观测到白屏上条纹图像中的A点；由于待测单元镜面形的变化通过待测单元镜CCD相机观测到白屏上条纹图像偏移至B点。因此待测单元镜上各点与参考标准平面镜的高度差h所造成的条纹偏移量为x_AB：x_AB＝2h·tgα，α为CCD相机拍摄角度。当CCD相机观测待测单元镜时，若待测单元镜镜面沿Y方向上有斜率变化量β，则在测待测单元镜反射时会产生2β的角度偏移，即此时CCD相机观测到的测待测单元镜上的B点偏移至C点，此时偏移量为x_BC：x_BC＝(L-h)·[tg(α+2β)-tgα]。则由于待测单元镜镜面高度差h和斜率变化量β引起的总偏移量为：dx＝(L-h)·[tg(α+2β)-tgα]-2htgα。若L＞＞h，则总偏移量：dx＝L·[tg(α+2β)-tgα]。待测单元镜镜面沿Y方向上的斜率变化量β可由下式确定：

其中p_y为条纹在Y方向上的间距，为Y方向条纹偏移量。

同理，若待测单元镜镜面沿X方向上有斜率变化量θ，则由下式确定：

其中p_x为条纹在X方向上的间距，

为X方向条纹偏移量。将测得的斜率变化量θ、β分别沿X、Y方向进行积分，获得待测单元镜的面形，即：

$\left\{\begin{array}{c}H\left(x\right)=\∫\mathrm{\βdx}\\ H\left(y\right)=\∫\mathrm{\βdy}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中的CCD相机拍摄角度α为相机标定时获得，条纹周期p_x和p_y在测量前已确定。

检测时，首先利用黑白棋盘标定板标定CCD相机3的内外参数及虚拟参考平面位置，根据虚拟参考平面位置利用计算机分别生成虚拟参考平面在X和Y方向上的相位分布

式中f为CCD相机的焦距，f₀为条纹频率，(x₀,z₀)为白屏上条纹相位为零的平面坐标，(X_f,Z_f)为CCD光学中心，(X₀,Z₀)为CCD图像中心，γ为CCD像平面与x轴的夹角，(x_c,y_c)为CCD像平面上的点与CCD图像中心(X₀,Z₀)的距离。

如图1所示，投影仪先后投影由计算机产生的X、Y方向正弦条纹序列至白屏。计算机生成的X、Y方向正弦条纹为：

$\begin{array}{c}{I0}_x(i,j,k,t)=\{0.5+0.5\cos [2\mathrm{\π}(\frac{p\left(t\right)(i-m/2-1)}{m}+\frac{k-1}{4})\left]\right\}\\ {I0}_y(i,j,k,t)=\{0.5+0.5\cos [2\mathrm{\π}(\frac{p\left(t\right)(j-n/2-1)}{n}+\frac{k-1}{4})\left]\right\}\end{array}---\left(6\right)$

(i,j)为像素点坐标，1≤i≤m,1≤j≤n，p(t)＝[1,4,16]为条纹周期，k＝1,2,3,4为相移步数。CCD依次采集镜面反射的变形条纹图像：

I1_x(x,y,k),I1_y(x,y,k)分别为X、Y方向上变形条纹的光强值，a和b分别为背景光及对比度，

和

分别为镜面面形调制的条纹相位，利用相移技术和时间相位解包裹技术获取镜面条纹在X、Y方向上的相位分布

和

，结合公式(3)和(4)获得条纹在X、Y方向上的镜面条纹相位偏移量

结合系统参数CCD相机与虚拟参考平面的距离L、CCD拍摄角度α、白屏上条纹周期p_x及p_y，根据公式(1)和(2)求解镜面表面在X、Y方向上的斜率分布θ,β；最后根据公式(3)计算镜面面形。

Claims (8)

1.一种塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法，其特征在于：所述的检测方法利用投影仪将多幅条纹图像投影至投影幕，利用CCD相机采集单元镜反射的变形条纹图像获取镜面相位分布，通过计算机模拟虚拟参考平面的相位信息获得塔式太阳能热发电用单元镜面条纹相位偏移量，采用黑白棋盘标定板标定CCD相机，结合CCD相机与虚拟参考平面的距离L、CCD拍摄角度α、白屏上的条纹周期p_x与p_y，以及待测单元镜面条纹相位偏移量-镜面斜率的映射关系计算单元镜面的斜率分布，通过将斜率积分的方法获得单元镜面的面形信息。 

2.如权利要求1所述的塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法，其特征在于：所述方法的步骤如下： 

1）架设检测设备：架设检测设备白屏（1）、DLP投影仪（2）和CCD相机（3）；然后利用黑白棋盘标定板标定，确定白屏（1）、CCD相机（3）和待测单元镜的空间位置关系，通过白屏（1）上的条纹图像分析确定条纹周期p_x与p_y； 

2）采集图像：计算机（4）生成的多组正弦条纹依次经由DLP投影仪（2）投影至白屏（1）上，CCD相机（3）采集经所述待测单元镜所反射的变形条纹图像，通过图像采集卡（5）传输至计算机（4）； 

3）图像处理：由检测设备之间的空间位置关系及条纹周期参数和CCD相机（3）采集的变形图像，经过数据处理获得待测单元镜的面形。 

3.如权利要求2所述的塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法，其特征在于：所述的步骤1）中确定白屏（1）、CCD相机（3）和待测单元镜的空间位置关系的方法是将白屏坐标系与CCD相机坐标系转换到世界坐标系中，步骤为： 

1）利用黑白棋盘标定板确定CCD相机坐标系与世界坐标系的映射关系，即CCD相机的外参数：转移矩阵和平移矩阵； 

2）将白屏上的像素坐标转换为实际物理坐标：将黑白棋盘标定板竖直放置，紧贴在白屏前，利用CCD相机采集黑白棋盘标定板的图像，通过最小二乘方法确定白屏像素坐标与实际物理坐标的映射关系； 

3）确定白屏坐标系与世界坐标系的映射关系：将一平面镜竖直放置在待测单元镜前方，通过投影仪将计算机生成的黑白棋盘格图像投影至白屏上，通过CCD相机采集经由平面镜反射的黑白棋盘格图像，通过图像处理及最小二乘法获取白屏坐标系与世界坐标系的映射关 系。 

4.如权利要求2所述的塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法，其特征在于：所述的步骤1）中通过白屏（1）上的条纹图像分析确定条纹周期的方法为由CCD相机采集白屏上的条纹图像序列，通过图像处理获取条纹的包裹相位图，由包裹相位图确定条纹周期p_x与p_y。 

5.如权利要求2所述的塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法，其特征在于：所述的步骤3）中的图像处理方法为： 

1）计算机（4）首先对所述待测单元镜所反射的变形条纹图像进行掩膜处理，将所述图像中的无效背景信息滤去；计算变形条纹图像的包裹相位； 

2）根据白屏（1）、CCD相机（3）和待测单元镜的空间几何关系、利用相移技术和时间解包裹技术对采集的待测单元镜变形条纹进行图像处理所获取的待测单元镜上各点相位分布信息，以及待测单元镜面条纹相位偏移量-镜面斜率的映射关系，计算单元镜面的斜率分布，计算待测单元镜的面形。 

6.如权利要求5所述的塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法，其特征在于：所述的步骤2）中的待测单元镜面条纹相位偏移量-镜面斜率的映射关系，由于待测单元镜镜面高度差h和斜率变化量β引起的总偏移量为：dx＝(L-h)·[tg(α+2β)-tgα]-2htgα；若L＞＞h，则总偏移量：dx＝L·[tg(α+2β)-tgα]；待测单元镜镜面沿Y方向上的斜率变化β由下式确定： 

其中p_y为条纹在Y方向上的间距，

为Y方向条纹偏移量； 

若待测单元镜镜面沿X方向上有斜率变化θ，则由下式确定所述的斜率变化θ： 

其中p_x为条纹在X方向上的间距，为X方向条纹偏移量； 

将测得的斜率变化量θ、β分别沿X、Y方向进行积分，获得待测单元镜的面形。 

7.采用权利要求1所述的塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法的检测系统，其特征在于：所述检测系统由白屏（1）、DLP投影仪（2）、CCD相机（3）和计算机（4）组成；所述的白屏（1）垂直固定在支架上；所述的DLP投影仪（2）通过数据线（5）与计算机（4）连接，将计算机（4）生成的正弦条纹图像投影至白屏（1）上；待测单元镜垂直固定在单元 镜支架上，位于白屏（1）的前方，白屏（1）上的正弦条纹反射到待测单元镜上；所述的CCD相机（3）通过图像采集卡（5）与计算机（4）连接，CCD相机采集经由待测单元镜所反射的正弦条纹的变形图像，通过图像采集卡（5）将变形图像传输至计算机（4）进行数据处理。 

8.如权利要求7所述的塔式太阳能热发电用单元镜面形检测方法的检测系统，其特征在于：所述的白屏（1）为漫反射屏。 

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