CN107678448B - 一种基于天体图像的追日校正系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于天体图像的追日校正系统及其方法，其系统包括图像采集模块，用于采集视场中的天体的图像，然后发送给数据分析模块，数据分析模块分析在图像坐标系中天体像与图像中心的偏差值，将偏差值传递给校正计算模块，校正计算模块根据追日镜的转动方式将偏差分解到相应的转动轴，获得每个转动轴的误差角；数据存储模块用于存储追日镜的校正结果和追日镜的单校正周期控制命令列表，通信模块从数据存储模块读取单校正周期控制命令列表，将此列表发送给追日镜，同时根据追日镜的转动周期控制图像采集模块进行拍摄。本发明以规律运动且具有一定亮度的天体为标志物，在日间和夜间都能进行校正工作，在降低对发电效率影响的同时提高校正效率。

Description

一种基于天体图像的追日校正系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种基于天体图像的追日校正系统及其方法，属于追日境校正技术领域。
背景技术
在一个太阳能热发电站中，利用一定数量的追日镜将一个区域内的太阳光反射到一个吸热器区域内，通过将太阳光汇聚获得发电所需要的能量。然而，太阳的位置是随着时间而不断改变的，因此追日镜需要不断地进行运动以修正反射光的出射方向，使得光斑能够准确地落在吸热器区域内，提高整个太阳能热发电站的工作效率。
运动规律且具有一定亮度的天体（如太阳、月亮、一等恒星等）的位置可以通过相应的天文公式进行精确计算，即任意确定时刻的入射矢量是已知的。吸热器区域和追日镜的空间位置是相对固定的，即任意时刻的反射矢量是已知的。所以，对于安装位置确定的追日镜，理论上可以精确计算其在任意确定时刻的镜面法线矢量，再根据追日镜的转动方式分解成相应转轴的旋转角度，以实现追日镜的精准机械运动。
虽然在设计上已经保证了追日镜具有足够的机械运动精度，但是在加工制造、运输安装以及日常运行等过程会引入各种新的误差，如：追日镜的转轴倾斜、地基变形、安装姿态偏差、支撑结构变形等，使得初装完成的追日镜无法满足设计需求，其反射光斑位置会发生偏移，从而直接影响发电效率。因此，在追日镜安装完成后，需要先对其进行校正以确保机械运动的准确性，然后才能满足追日镜正常工作的需求，这也是太阳能热发电站常规的工作流程。
目前追日镜的校正技术是要是针对其反射光斑的识别和处理。中国专利CN102937814B先将光斑照射到载体上，再通过图像采集、处理的方式计算追日镜精度，最后根据结果对追日镜进行校正。中国专利CN103345261B在集热器的正下方同朝向设置感光阵列，根据输出信号强度计算光斑中心偏差，最后修正追日镜的转角。中国专利CN103728983A在塔顶安装图像采集装置对特定的追日镜进行拍摄，通过采集所得的光斑位置计算实际转动角度和理论转动角度之间的偏差。虽然上述三种方法都是传统的追日镜校正方法，但是由于它们所使用的光斑载体（白板、感光阵列、图像采集装置等）是安装在塔上，数量是有限，所以在同一时间内能够进行校正的追日镜数量也是有限的。
在现代的太阳能热发电站中，追日镜的数量通常是以千计，而追日镜的校正用数据点需要尽可能覆盖机械运动量程才能获得最佳的校正效果。显而易见，低效率的传统校正方法通常需要花费很长的时间才能使得整个太阳能热发电站中的追日镜达到最佳的工作状态，已经无法满足现代太阳能热发电站的运营需求。因此，需要一种高效率、高精度、便捷的追日镜校正方法，能够满足任意数量的追日镜在同一时刻进行精确校正。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前技术不能满足现有的需要，提供一种基于天体图像的追日校正系统及其方法，以规律运动且具有一定亮度的天体（如太阳、月亮、一等恒星等）为标志物，不仅能够在日间进行校正工作，还能实现夜间的校正工作，降低对发电效率的影响，同时提高校正效率。
本发明所采用的技术方案是：一种基于天体图像的追日校正系统，包括追日镜，追日镜固定在转动轴上，所述追日镜的反射镜面上设有追日校正系统，所述的追日校正系统包括图像采集模块、数据分析模块、校正计算模块、数据存储模块和通信模块；所述的图像采集模块由光强调节设备、成像光路和数字图像传感器组成，图像采集模块的光轴矢量与追日镜镜面法线矢量平行，用于采集视场中规律运动且具有一定亮度的天体的图像，然后发送给数据分析模块，数据分析模块分析在图像坐标系中天体像与图像中心的偏差值，将偏差值传递给校正计算模块，校正计算模块根据追日镜的转动方式将偏差分解到相应的转动轴，获得每个转动轴的误差角；数据存储模块用于存储单台追日镜的校正结果和追日镜的单校正周期控制命令列表，通信模块从数据存储模块读取单校正周期控制命令列表，然后将此列表发送给追日镜，同时根据追日镜的转动周期控制图像采集模块进行拍摄。
在本发明中：所述的图像采集模块的光轴矢量与追日镜镜面法线矢量平行；图像采集模块与追日镜反射面同向，即同时面对天体或其它标志物；图像采集模块坐标系与追日镜坐标系相对应。
在本发明中：所述校正计算模块根据单个校正周期的所有误差角数据实施的校正方法包括两种：
方法1：根据追日镜的理论数学模型推导出基于多种误差参数的误差校正模型，将一个时间序列对应的误差角数据代入误差校正模型，获得更优的误差参数值；
方法2：根据图像采集时间确定天体的精确位置，获得单个校正周期内各个轴基于时间的理想转动角序列，然后通过采集的时间序列与误差角序列建立联系，为每个转动轴生成一张误差角补偿表。
一种基于天体图像的追日校正方法，包括如下步骤：
（1）、在追日镜上安装追日校正系统，保证追日校正系统中图像采集模块的光轴矢量与追日镜镜面法线矢量平行、图像采集模块与追日镜1反射面同向和图像采集模块坐标系与追日镜坐标系相对应或偏差角已知，图像采集模块经过标定；
（2）、将待校正追日镜的单校正周期控制命令列表导入数据存储模块，如果是第一次进行校正，则将测绘测量所得的初始参数代入追日镜数学模型生成初始的控制命令列表；如果已进行过校正，则根据前一次的校正结果替换生成新的控制命令列表；
（3）、当环境条件满足校正需求时，通信模块读取数据存储模块的单校正周期控制命令列表并发送给追日镜，使得追日镜按照预设周期调整各个轴的转动角度；
（4）、待校正追日镜每完成一次调整就向通信模块反馈，通信模块再控制图像采集模块拍摄天体图像；
（5）、图像采集模块将拍摄的天体图像传输给数据分析模块，由数据分析模块计算在图像坐标系下天体像中心与图像中心的偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和/>
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
（6）、校正计算模块根据追日镜的转动方式将偏差分解到相应的转动轴，获得每个转动轴的误差角，如果图像采集模块的光轴矢量与追日镜镜面法线矢量间存在偏差角，或者图像采集模块坐标系与追日镜1坐标系间存在偏差角，则需要先对这两种偏差角进行修正后再进行校正；
（7）、在积累单个校正周期的所有误差角数据后，校正计算模块对追日镜进行校正处理；
（8）、校正计算模块将追日镜的校正结果存储至数据存储模块，并对原有的追日镜单校正周期控制命令列表进行迭代替换，生成下个校正周期的控制命令列表；
（9）、校正周期结束后，通信模块通知追日镜切换至正常工作状。
在本发明中：所述步骤（6）中的偏差角进行修正方式如下：
追日镜的镜面是绕两根正交的X轴和Y轴进行转动，其中Y轴位置保持固定不变，X轴随镜面一起绕Y轴转动；该种转动方式的误差角，即X轴的误差角
Figure DEST_PATH_IMAGE006
和Y轴的误差角/>
Figure DEST_PATH_IMAGE008
满足如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
式中Pix表示图像采集模块的像元尺寸，f表示图像采集模块的焦距。
在本发明中：所述步骤（6）中的偏差角进行修正方式如下：
追日镜的镜面是绕两根正交的Z轴和Y轴进行转动,其中Z轴位置保持固定不变，Y轴随镜面一起绕Z轴转动；该种转动方式的误差角，即Z轴的误差角
Figure DEST_PATH_IMAGE012
和Y轴的误差角/>
Figure 904014DEST_PATH_IMAGE008
满足如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
式中Pix表示图像采集模块的像元尺寸，f表示图像采集模块的焦距。
在本发明中：所述步骤（7）中校正的方法包括如下两种：
方法1：根据追日镜的理论数学模型推导出基于多种误差参数的误差校正模型，将一个时间序列对应的误差角数据代入误差校正模型，获得更优的误差参数值，使得修正后的追日镜数学模型更接近真实的机械运动情况；
方法2：根据图像采集时间确定天体的精确位置，获得单个校正周期内各个轴基于时间的理想转动角序列，然后通过采集的时间序列与误差角序列建立联系，为每个转动轴生成一张误差角补偿表，使得追日镜法线矢量与天体入射矢量间的夹角尽可能的小。
本发明的有益效果：
1. 以规律运动且具有一定亮度的天体（如太阳、月亮、一等恒星等）为标志物，在日间和夜间都能进行校正工作，在降低对发电效率影响的同时提高校正效率；
2. 以规律运动且具有一定亮度的天体为标志物，将追日镜的镜面法线直接对准天体中心，然后通过图像采集模块计算镜面法线矢量与入射矢量的夹角，计算追日镜机械运动的偏差，使得所有待校正的追日镜都能分别通过一个独立的追日校正系统同时、并行地进行校正流程，大大提高校正效率；
3.单个追日校正系统只负责一台追日镜的校正工作，不同追日镜上的校正系统间相互独立，所以某个追日校正系统出现故障只会影响其所属的那台追日镜，不会影响太阳能热发电站追日镜的校正工作进度；
4.追日校正系统包括图像采集模块、数据分析模块、校正计算模块、数据存储模块和通信模块，单个追日校正系统就可以独立完成单台追日镜的全部校正工作，能够保证追日镜校正工作的效率；
5.通信模块可以将更新后的单校正周期控制命令列表发送给追日镜，而不需要将数据传回上位机处理后再由上位机发送，减少出错的可能性；
6.可以直接安装在追日镜的反射镜面上，并且模块化设计的追日校正系统出现故障可以直接更换，设备维护的难度小、成本低。
附图说明
图1是本发明的系统示意图；
图2是本发明的检测示意图；
图3是本发明中图像坐标系偏差计算示意图；
图4是本发明中追日镜的转动方式示意图；
图5是图4的转动方式的误差角分解示意；
图6是本发明中追日镜的另一转动方式示意图；
图7是图6的转动方式的误差角分解示意。
图中：1、追日镜；2、追日校正系统；3、准天体；4、图像采集模块；5、数据分析模块；6、校正计算模块；7、数据存储模块；8、通信模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种基于天体图像的追日校正系统，包括追日镜1，追日镜1固定在转动轴上，所述追日镜1的反射镜面上设有追日校正系统2，本发明中追日校正系统2包括图像采集模块4、数据分析模块5、校正计算模块6、数据存储模块7和通信模块8，用于太阳能光热发电站中追日镜1的日常校正工作。图像采集模块4由光强调节设备（中性衰减片或其它能够调节天体入射光强的设备）、成像光路（透镜或小孔等）和数字图像传感器组成，图像采集模块4的光轴矢量与追日镜1镜面法线矢量平行或偏差角已知，用于采集视场中规律运动且具有一定亮度的天体（如太阳、月亮、一等恒星等）的图像，然后发送给数据分析模块5。数据分析模块5分析在图像坐标系中天体像与图像中心的偏差值，将偏差值传递给校正计算模块6。校正计算模块6根据追日镜1的转动方式将偏差分解到相应的转动轴，获得每个转动轴的误差角，然后校正的方法至少包括两种：1)根据追日镜1的理论数学模型推导出基于多种误差参数的误差校正模型，将一个时间序列对应的误差角数据代入误差校正模型，获得更优的误差参数值，使得修正后的追日镜1数学模型更接近真实的机械运动情况；2)根据图像采集时间确定天体的精确位置，获得单个校正周期内各个轴基于时间的理想转动角序列，然后通过采集的时间序列与误差角序列建立联系，为每个转动轴生成一张误差角补偿表，使得追日镜1法线矢量与天体光入射矢量间的夹角尽可能的小。数据存储模块7用于存储单台追日镜1的校正结果和追日镜1的单校正周期控制命令列表，其中追日镜1的单校正周期控制命令列表设有初始值，根据校正结果以迭代的方式进行替换修正。通信模块8从数据存储模块7读取单校正周期控制命令列表，然后将此列表发送给追日镜1，同时根据追日镜1的转动周期控制图像采集模块4进行拍摄。
如图2所示，太阳能热发电站内的每个追日镜1都有一个独立的追日校正系统2，每个追日校正系统2都分别对准天体3进行校正流程。相对于天体至地球的距离，追日校正系统2在镜面上的位置改变对校正精度的影响是可以忽略的，所以追日校正系统2可以安装在追日镜1反射镜面的任意位置，但需要保证：1) 追日校正系统2中图像采集模块4的光轴矢量与追日镜1镜面法线矢量平行或偏差角已知；2) 追日校正系统2中图像采集模块4与追日镜1反射面同向，即同时面对天体或其它标志物；3) 图像采集模块4坐标系与追日镜1坐标系相对应或偏差角已知。
本发明中的单台追日镜1单个校正流程包括如下步骤：
（1）、在追日镜1上安装追日校正系统2，保证追日校正系统2中图像采集模块4的光轴矢量与追日镜镜面法线矢量平行，图像采集模块4与追日镜1反射面同向，图像采集模块4坐标系与追日镜1坐标系相对应或偏差角已知，图像采集模块4经过标定。
（2）、将待校正追日镜1的单校正周期控制命令列表导入数据存储模块7，如果是第一次进行校正，则将测绘测量所得的初始参数代入追日镜1数学模型生成初始的控制命令列表；如果已进行过校正，则根据前一次的校正结果替换生成新的控制命令列表。
（3）、当环境条件满足校正需求时，通信模块8读取数据存储模块7的单校正周期控制命令列表并发送给追日镜1，使得追日镜1按照预设周期调整各个轴的转动角度。
（4）、待校正追日镜1每完成一次调整就向通信模块8反馈，通信模块8再控制图像采集模块4拍摄天体图像。
（5）、如图3所示，图像采集模块4将拍摄的天体图像传输给数据分析模块5，由数据分析模块5计算在图像坐标系下天体像中心与图像中心的偏差
Figure 870702DEST_PATH_IMAGE002
和/>
Figure 203594DEST_PATH_IMAGE004
。
（6）、校正计算模块6根据追日镜1的转动方式将偏差分解到相应的转动轴，获得每个转动轴的误差角，如果图像采集模块4的光轴矢量与追日镜1镜面法线矢量间存在偏差角，或者图像采集模块4坐标系与追日镜1坐标系间存在偏差角，则需要先对这两种偏差角进行修正后再进行校正。
图4为一种追日镜1的转动方式示意图，追日镜1的镜面是绕两根正交的X轴和Y轴进行转动，其中Y轴位置保持固定不变，X轴随镜面一起绕Y轴转动；该种转动方式的误差角分解如图5所示，则X轴的误差角
Figure 549125DEST_PATH_IMAGE006
和Y轴的误差角/>
Figure 27380DEST_PATH_IMAGE008
满足如下关系：
Figure 232096DEST_PATH_IMAGE010
式中Pix表示图像采集模块的像元尺寸，f表示图像采集模块的焦距；
图6为另外一种追日镜1的转动方式示意图，追日镜1的镜面是绕两根正交的Z轴和Y轴进行转动,其中Z轴位置保持固定不变，Y轴随镜面一起绕Z轴转动；该种转动方式的误差角分解如图7所示，则Z轴的误差角
Figure 962155DEST_PATH_IMAGE012
和Y轴的误差角/>
Figure 817984DEST_PATH_IMAGE008
满足如下关系：/>
Figure 217873DEST_PATH_IMAGE014
式中Pix表示图像采集模块的像元尺寸，f表示图像采集模块的焦距。
（7）、在积累单个校正周期的所有误差角数据后，校正计算模块6对追日镜1进行校正处理；
校正的方法包括两种：
方法1：根据追日镜1的理论数学模型推导出基于多种误差参数的误差校正模型，将一个时间序列对应的误差角数据代入误差校正模型，获得更优的误差参数值，使得修正后的追日镜1数学模型更接近真实的机械运动情况；
方法2：根据图像采集时间确定天体的精确位置，获得单个校正周期内各个轴基于时间的理想转动角序列，然后通过采集的时间序列与误差角序列建立联系，为每个转动轴生成一张误差角补偿表，使得追日镜1法线矢量与天体入射矢量间的夹角尽可能的小。
（8）、校正计算模块6将追日镜1的校正结果存储至数据存储模块7，并对原有的追日镜1单校正周期控制命令列表进行迭代替换，生成下个校正周期的控制命令列表。
（9）、单个校正周期结束后，通信模块8通知追日镜1切换至正常工作状。
通过上述具体实施方式可知：
一、本发明的追日校正系统是以规律运动且具有一定亮度的天体（如太阳、月亮、一等恒星等）为标志物，将追日镜的镜面法线直接对准天体中心，然后通过图像采集模块计算镜面法线矢量与入射矢量的夹角，获得追日镜机械运动的偏差。因此，所有待校正的追日镜都可以分别通过一个独立的追日校正系统同时、并行地进行校正流程，提高校正效率；
二、本发明的追日校正系统是以规律运动且具有一定亮度的天体（如太阳、月亮、一等恒星等）为标志物，不仅能够在日间进行校正工作，还能实现夜间的校正工作，降低对发电效率的影响，同时提高校正效率；
三、本发明中单个追日校正系统只负责一台追日镜的校正工作，不同追日镜上的校正系统间相互独立，所以某个追日校正系统出现故障只会影响其所属的那台追日镜，并且模块化设计的追日校正系统出现故障也可以直接更换，不会影响整个太阳能热发电站追日镜的校正工作进度；
四、本发明的追日校正系统包括图像采集模块、数据分析模块、校正计算模块、数据存储模块和通信模块，单个追日校正系统就可以单台追日镜的全部校正工作，并且模块化设计的追日校正系统出现故障也可以直接更换，不会影响整个太阳能热发电站追日镜的校正工作进度；
五、本发明的追日校正系统包括通信模块，可以将更新后的单校正周期控制命令列表发送给追日镜，而不需要将数据传回上位机处理后再由上位机发送，减少出错的可能性；
六、本发明的追日校正系统直接安装在追日镜的反射镜面上，并且模块化设计的追日校正系统出现故障可以直接更换，设备维护的难度小、成本低。
以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本发明并不限于以上描述。对于本领域的技术人员而言，任何对本技术方案的同等修改和替代都是在本发明的范围之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种基于天体图像的追日校正方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、在追日镜上安装追日校正系统，保证追日校正系统中图像采集模块的光轴矢量与追日镜镜面法线矢量平行、图像采集模块与追日镜反射面同向和图像采集模块坐标系与追日镜坐标系相对应或偏差角已知，图像采集模块经过标定；
（2）、将待校正追日镜的单校正周期控制命令列表导入数据存储模块，如果是第一次进行校正，则将测绘测量所得的初始参数代入追日镜数学模型生成初始的控制命令列表；如果已进行过校正，则根据前一次的校正结果替换生成新的控制命令列表；
（3）、当环境条件满足校正需求时，通信模块读取数据存储模块的单校正周期控制命令列表并发送给追日镜，使得追日镜按照预设周期调整各个轴的转动角度；
（4）、待校正追日镜每完成一次调整就向通信模块反馈，通信模块再控制图像采集模块拍摄天体图像；
（5）、图像采集模块将拍摄的天体图像传输给数据分析模块，由数据分析模块计算在图像坐标系下天体像中心与图像中心的偏差
Figure QLYQS_1
和/>
Figure QLYQS_2
；
（6）、校正计算模块根据追日镜的转动方式将偏差分解到相应的转动轴，获得每个转动轴的误差角，如果图像采集模块的光轴矢量与追日镜镜面法线矢量间存在偏差角，或者图像采集模块坐标系与追日镜坐标系间存在偏差角，则需要先对这两种偏差角进行修正后再进行校正；
其中：所述的偏差角进行修正方式如下：
追日镜的镜面是绕两根正交的X轴和Y轴进行转动，其中Y轴位置保持固定不变，X轴随镜面一起绕Y轴转动；该种转动方式的误差角，即X轴的误差角
Figure QLYQS_3
和Y轴的误差角/>
Figure QLYQS_4
满足如下关系：
Figure QLYQS_5
式中Pix表示图像采集模块的像元尺寸，f表示图像采集模块的焦距；
或所述的偏差角进行修正方式如下：
追日镜的镜面是绕两根正交的Z轴和Y轴进行转动,其中Z轴位置保持固定不变，Y轴随镜面一起绕Z轴转动；该种转动方式的误差角，即Z轴的误差角
Figure QLYQS_6
和Y轴的误差角/>
Figure QLYQS_7
满足如下关系：
Figure QLYQS_8
式中Pix表示图像采集模块的像元尺寸，f表示图像采集模块的焦距；
（7）、在积累单个校正周期的所有误差角数据后，校正计算模块对追日镜进行校正处理；所述校正的方法包括如下两种：
方法1：根据追日镜的理论数学模型推导出基于多种误差参数的误差校正模型，将一个时间序列对应的误差角数据代入误差校正模型，获得更优的误差参数值，使得修正后的追日镜数学模型更接近真实的机械运动情况；
方法2：根据图像采集时间确定天体的精确位置，获得单个校正周期内各个轴基于时间的理想转动角序列，然后通过采集的时间序列与误差角序列建立联系，为每个转动轴生成一张误差角补偿表，使得追日镜法线矢量与天体入射矢量间的夹角尽可能的小;
（8）、校正计算模块将追日镜的校正结果存储至数据存储模块，并对原有的追日镜单校正周期控制命令列表进行迭代替换，生成下个校正周期的控制命令列表；
（9）、校正周期结束后，通信模块通知追日镜切换至正常工作状态；
其中所述的校正系统包括追日镜，追日镜固定在转动轴上，所述追日镜的反射镜面上设有追日校正系统，所述的追日校正系统包括图像采集模块、数据分析模块、校正计算模块、数据存储模块和通信模块；所述图像采集模块的光轴矢量与追日镜镜面法线矢量平行，用于采集视场中规律运动且具有一定亮度的天体的图像，然后发送给数据分析模块，数据分析模块分析在图像坐标系中天体像与图像中心的偏差值，将偏差值传递给校正计算模块，校正计算模块根据追日镜的转动方式将偏差分解到相应的转动轴，获得每个转动轴的误差角；数据存储模块用于存储追日镜的校正结果和追日镜的单校正周期控制命令列表，通信模块从数据存储模块读取单校正周期控制命令列表，然后将此列表发送给追日镜，同时根据追日镜的转动周期控制图像采集模块进行拍摄。
2.根据权利要求1所述的一种基于天体图像的追日校正方法，其特征在于：所述的图像采集模块的光轴矢量与追日镜镜面法线矢量平行；图像采集模块与追日镜反射面同向，即同时面对天体或其它标志物；图像采集模块坐标系与追日镜坐标系相对应。
3.根据权利要求1所述的一种基于天体图像的追日校正方法，其特征在于：所述的图像采集模块由光强调节设备、成像光路和数字图像传感器组成。
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