CN109458951A - 一种定日镜面形现场检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定日镜面形现场检测系统及方法,至少包括图像采集系统、图像采集系统的安装支架、计算服务器和定日镜控制服务器，图像采集系统通过安装支架固定在支撑上，其视场覆盖镜场中的多台目标定日镜，用于采集目标定日镜在不同姿态下的镜面图像；计算服务器用于接收图像采集系统的图像数据，再利用数学算法和像平面标定两种方法求解目标定日镜各个区域的法线矢量，获得目标定日镜镜面面形信息并保存至定日镜控制服务器的定日镜参数数据库；定日镜控制服务器根据定日镜参数数据库中目标定日镜的参数自动计算检测用面形用运营表，并根据该运营表控制目标定日镜进行转动，使得图像采集系统能够获得定日镜在不同预设姿态下的镜面图像。

Description

一种定日镜面形现场检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种定日镜面形现场检测系统及方法，属于定日镜面形检测技术领域。

背景技术

无论在二次反射式太阳能热发电站还是在传统塔式太阳能热发电站中，定日镜都是核心模块，其职责是将照射至其表面的太阳光反射至目标区域或吸热器中。所以，定日镜的面形直接决定目标区域或吸热器处太阳能量的汇聚程度，从而影响太阳能热电站的发电效率。

基于定日镜的功能，其镜面应为具有汇聚特性的高精度离散曲面或高精度连续曲面。而在实际的加工、生成和安装过程中会引入多种误差，导致定日镜的面形出现各种程度的变形情况，使得定日镜面形精度降低，影响太阳能量的汇聚效果。因此，需要一种能够在现场对定日镜的面形进行精确测量的系统和方法，以保证二次反射式太阳能热发电站或传统塔式太阳能热发电站的发电效率。

目前定日镜面形检测技术主要分为接触式和非接触式。接触式的面形检测方法基于位移传感器、探针或倾角仪等，不适用于精密的光学镜面及微小角度测量，并且检测时对镜面产生的作用力容易影响检测精度。现有主要的非接触式的面形检测方法包括：摄影测量法、三维扫描法、条纹反射法等。摄像测量法是在定日镜镜面上布置一定数量的编码点和标志点，再通过采集大量的定日镜照片数据解算被测定日镜编码点或标志点的三维信息。该方法实际是作点测量，不能反映整个镜面的完整信息，并且编码点或标志点的布置和撤除需要耗费大量的时间和人力。三维扫描法是通过两台标定的相机采集投影至定日镜镜面上的多组编码图像，然后解算条纹照射区域的定日镜面形信息。由于定日镜镜面的反射率高，需要将被测面处理成漫镜面(喷粉或贴膜)，增加工序；并且单次三维扫描的有效区域较小，需要多次拼接才能获得完整镜面信息，容易引入拼接误差。条纹反射法是在定日镜一侧布置条纹编码板，在另一侧布置图像采集系统，通过采集定日镜镜面中条纹编码板的虚像，识别变形区域及变形程度，解算定日镜面形信息。该方法每次检测前需要根据定日镜调节图像采集器、定日镜和条纹编码板间的相对位置，以便于获得完整的条纹图像，同时对检测环境要求较高，被测定日镜镜面易受到杂散光的干扰，影响条纹图像的对比度和正确性。上述方法均对检测环境有一定要求，适用于室内环境检测；并且上述方法均只适用单台定日镜的面形检测，无法实现多台定日镜面形的并行检测。因此，需要一种高精度、高效率的定日镜面形现场检测系统及方法。

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，提供一种定日镜面形现场检测系统及方法，以解决上述的技术问题。

本发明所采用的技术方案是：一种定日镜面形现场检测系统，至少包括图像采集系统、图像采集系统的安装支架、计算服务器和定日镜控制服务器，所述的图像采集系统通过安装支架固定在支撑上，使得图像采集系统高于定日镜镜面中心，图像采集系统通过图像采集系统安装支架进行俯仰角和方位角调节；所述图像采集系统的视场覆盖镜场中的多台目标定日镜，用于采集目标定日镜在不同姿态下的镜面图像；所述计算服务器用于接收图像采集系统的图像数据，识别目标定日镜不同区域的亮度变化情况，再利用数学算法(迭代算法、启发式算法、群优化算法和进化算法等)和像平面标定两种方法求解目标定日镜各个区域的法线矢量，获得目标定日镜镜面面形信息并保存至定日镜控制服务器的定日镜参数数据库；所述定日镜控制服务器根据定日镜参数数据库中目标定日镜的参数自动计算检测用面形用运营表，并根据该运营表控制目标定日镜进行转动，使得图像采集系统能够获得定日镜在不同预设姿态下的镜面图像。

在本发明中：所述图像采集系统由光强调节设备、成像光路、数字图像传感器和防护外壳组成；其中所述的光强调节设备为中性衰减片或其它能够调节入射光强的设备；所述的成像光路为透镜或小孔。

在本发明中：所述定日镜控制服务器根据运营表控制目标定日镜进行转动，使得目标定日镜中各个区域在图像采集系统采集的图像中均至少被点亮一次，该情况视为一次有效检测，其中求解目标定日镜各个区域法线矢量的方法包括两种：

第一种：所有图像采集系统不需要通过工程测量获得镜场坐标系中的精确坐标信息，以定日镜中心为原点建立定日镜坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

当单台定日镜至少完成m次有效检测(m≥2)时，在计算服务器对目标定日镜的镜面图像信息进行处理，与目标定日镜的参数信息和运营表信息汇总成观测数据其中Data_num表示编号为num的定日镜的观测数据，表示目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮的时间，H_i表示目标定日镜中第i个区域的基本参数，表示目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮时的定日镜转角信息，表示第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，表示第i个区域在第m次被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

在定日镜相对坐标系中，根据反射定律中入射角等于反射角的特性，获得第i个区域被点亮时的关系式：

式中Ang_incidence表示入射角，An_grefraction表示反射角，<>表示两个矢量的夹角目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，为第i个区域在第m次被点亮时该区域的法线矢量，表示第i个区域第m次被点亮时的反射矢量；

基于m组观测数据Data_num和第i个区域被点亮时的关系式，由计算服务器通过数学算法(迭代算法、启发式算法、群优化算法和进化算法等)求解目标定日镜所有区域在定日镜相对坐标系中的法线矢量，根据定日镜的数学模型获得目标定日镜的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜镜面法线误差；

第二种：所有图像采集系统需要通过工程测量获得镜场坐标系中的精确坐标信息，以镜场中心为原点建立镜场坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

当单台定日镜至少完成1次有效检测时,在计算服务器4中对目标定日镜的镜面图像信息进行处理，与运营表信息汇总成观测数据Data_num＝[t_i H_i A_i Rayin_i P_i]，其中Data_num表示编号为num的定日镜的观测数据，t_i表示目标定日镜中第i个区域被点亮的时间，H_i表示目标定日镜中第i个区域的基本参数，A_i表示目标定日镜7中第i个区域被点亮时的定日镜转角信息，Rayin_i表示第i个区域被点亮时的入射矢量，P_i表示第i个区域被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

根据编号为num的定日镜镜面中心镜场坐标系坐标H_num和编号为cnum的图像采集系统中心镜场坐标系坐标Cam_cnum计算基准矢量

再根据定日镜镜面中心在图像像平面中的坐标P₀和图像采集系统的安装姿态对像平面进行标定，获得以某个像素点为起点、过图像采集系统中心的矢量的镜场坐标系表述；

根据标定结果，由第i个区域的观测数据中P_i可计算该区域被点亮时的反射矢量为Rayout_i，再由反射定律可知该时刻第i个区域的法线矢量的镜场坐标系表述为

在获得目标定日镜所有区域的法线矢量的镜场坐标系表述后，根据定日镜的数学模型获得目标定日镜的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜镜面法线误差。

在上述第一种情况下：一种定日镜面形现场检测方法，包括如下步骤：

(1)、图像采集系统通过安装支架固定在支撑上，图像采集系统高于定日镜镜面中心，图像采集系统通过安装支架进行俯仰角和方位角调节使得视场对准镜场中的多台目标定日镜；

(2)、根据镜场中定日镜的分布情况安装多个图像采集系统，使得镜场中的所有定日镜都能被图像采集系统的视场覆盖；

(3)、所有图像采集系统不需要通过工程测量获得精确的坐标信息；

(4)、以定日镜中心为原点建立定日镜坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

(5)、当定日镜镜面处于水平状态时，对图像采集系统的视场进行标定，获得每个图像采集系统中各台定日镜的编号信息；

(6)、定日镜控制服务器和图像采集系统时钟进行同步；

(7)、定日镜控制服务器根据定日镜参数数据库中目标定日镜的参数自动计算检测用面形用运营表；

(8)、当气象条件满足光热发电需求时(晴天或少云天气)，定日镜控制服务器根据运营表控制目标定日镜进行转动，使得目标定日镜完成一次有效检测，即目标定日镜各个区域在图像采集系统采集的图像中均至少被点亮一次，同时转动的目标定日镜的数量为n台，n≥1；

(9)、图像采集系统以固定时间间隔采集目标定日镜在不同姿态下的镜面图像信息，存储至计算服务器；

(10)、重复步骤(8)和(9)，使得单台定日镜至少完成m次有效检测,m≥2；

(11)、在计算服务器中对目标定日镜的镜面图像信息进行处理，与目标定日镜的参数信息和运营表信息汇总成观测数据其中Data_num表示编号为num的定日镜的观测数据，表示目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮的时间，H_i表示目标定日镜中第i个区域的基本参数，表示目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮时的定日镜转角信息，表示第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，P_i ^m表示第i个区域在第m次被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

在定日镜相对坐标系中，根据反射定律中入射角等于反射角的特性，获得第i个区域被点亮时的关系式：

式中Ang_incidence表示入射角，Ang_refraction表示反射角，<>表示两个矢量的夹角目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，为第i个区域在第m次被点亮时该区域的法线矢量，表示第i个区域第m次被点亮时的反射矢量；

基于m组观测数据Data_num和第i个区域被点亮时的关系式，由计算服务器通过数学算法(迭代算法、启发式算法、群优化算法和进化算法等)求解目标定日镜所有区域在定日镜相对坐标系中的法线矢量，根据定日镜的数学模型获得目标定日镜的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜镜面法线误差；

(12)、同时转动的n台目标定日镜的镜面面形解算均按照步骤(11)执行；

(13)、在计算服务器中解算目标定日镜镜面信息，并将结果保持至定日镜控制服务器。

在上述第二种情况下：一种定日镜面形现场检测方法，包括如下步骤：

(1)、图像采集系统通过安装支架固定在支撑上，图像采集系统高于定日镜镜面中心，图像采集系统通过安装支架进行俯仰角和方位角调节使得视场对准镜场中的多台目标定日镜；

(2)、根据镜场中定日镜的分布情况安装多个图像采集系统，使得镜场中的所有定日镜都能被图像采集系统的视场覆盖；

(3)、所有图像采集系统需要通过工程测量获得精确的坐标信息；

(4)、以镜场中心为原点建立镜场坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

(5)、当定日镜镜面处于水平状态时，对图像采集系统的视场进行标定，获得每个图像采集系统中各台定日镜的编号信息；

(6)、定日镜控制服务器和图像采集系统时钟进行同步；

(7)、定日镜控制服务器根据定日镜参数数据库中目标定日镜的参数自动计算检测用面形用运营表；

(8)、当气象条件满足光热发电需求时(晴天或少云天气)，定日镜控制服务器根据运营表控制目标定日镜进行转动，使得目标定日镜完成一次有效检测，即目标定日镜各个区域在图像采集系统采集的图像中均至少被点亮一次，同时转动的目标定日镜的数量为n台，n≥1；

(9)、图像采集系统以固定时间间隔采集目标定日镜在不同姿态下的镜面图像信息，存储至计算服务器；

(10)、在计算服务器中对目标定日镜的镜面图像信息进行处理，与运营表信息汇总成观测数据Data_num＝[t_i H_i A_i Rayin_i P_i]，其中Data_num表示编号为num的定日镜的观测数据，t_i表示目标定日镜中第i个区域被点亮的时间，H_i表示目标定日镜中第i个区域的基本参数，A_i表示目标定日镜中第i个区域被点亮时的定日镜转角信息，Rayin_i表示第i个区域被点亮时的入射矢量，P_i表示第i个区域被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

根据编号为num的定日镜镜面中心镜场坐标系坐标H_num和编号为cnum的图像采集系统中心镜场坐标系坐标Cam_cnum计算基准矢量

再根据定日镜镜面中心在图像像平面中的坐标P₀和图像采集系统的安装姿态对像平面进行标定，分别计算图像中特定位置像素点和图像采集系统中心所在三维矢量的镜场坐标系表述，图像中特定位置的像素点为三维矢量的起点；

根据标定结果，由第i个区域的观测数据中P_i可计算该区域被点亮时的反射矢量为Rayout_i，再由反射定律可知该时刻第i个区域的法线矢量的镜场坐标系表述为

在获得目标定日镜所有区域的法线矢量的镜场坐标系表述后，根据定日镜的数学模型获得目标定日镜的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜镜面法线误差；

(11)、同时转动的n台目标定日镜的镜面面形解算均按照步骤

(10)执行；

(12)、解算完成的目标定日镜镜面面形信息通过计算服务器定日镜控制服务器的定日镜参数数据库。

本发明的有益效果：

1.是一种非接触式定日镜镜面面形检测系统及方法，不会对定日镜产生作用力，并且能够实现对光学镜面及微小角度的精确测量，获得定日镜的高精度面形信息；

2.无需对定日镜镜面作额外处理，只需定日镜按照预设运营表转动，再通过图像采集系统获取目标定日镜在不同姿态下的镜面图像信息进行计算，获得目标定日镜镜面的面形信息，有效降低时间和人力的消耗，减少检测环节，提高检测效率；

3.不需要设置额外的编码板或其它标志物，直接采集目标定日镜在不同姿态下的镜面图像信息，在定日镜相对坐标系下通过数学算法(迭代算法、启发式算法、群优化算法和进化算法等)和像平面标定两种方法求解目标定日镜各个目标区域的法线矢量，从而获得目标定日镜镜面面形信息，系统结构简单且高效；

4.基于反射定律，通过数学算法(迭代算法、启发式算法、群优化算法和进化算法等)和像平面标定两种方法解算采集所得的目标定日镜在不同姿态下的镜面图像信息，可以适用于室外环境下太阳能热发电站镜场内的定日镜镜面面形检测，是一种高精度、高效率的定日镜面形现场检测系统及方法；

5.可以同时处理图像采集系统有效视场内的多台定日镜镜面面形，实现多台定日镜镜面面形的并行检测，有效提高检测效率。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明中图像采集系统示意图；

图3是本发明中点亮状态的示意图；

图4是本发明的第二种定日镜面形现场检测方法的示意图。

图中：1.图像采集系统；2.安装支架；3.支撑；4.计算服务器；5.定日境控制服务器；6.镜场；7.目标定日镜；8.光强调节设备；9.成像光路；10.数字图像传感器；11.防护外壳。

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，一种定日镜面形现场检测系统，至少包括图像采集系统1、安装支架2、计算服务器4和定日镜控制服务器5。图像采集系统1通过安装支架2固定在支撑3(传统集热塔、二次反射塔或其它能够将图像采集系统1固定在预设位置的结构)上，使得图像采集系统1高于定日镜镜面中心，图像采集系统1可以通过安装支架2进行俯仰角和方位角调节。图像采集系统1的视场覆盖镜场6中的多台目标定日镜7，用于采集目标定日镜7在不同姿态下的镜面图像。计算服务器4用于接收图像采集系统1的图像数据，识别目标定日镜7不同区域的亮度变化情况，再求解目标定日镜各个区域的法线矢量，获得目标定日镜镜面面形信息并保存至定日镜控制服务器5的定日镜参数数据库。定日镜控制服务器5根据定日镜参数数据库中目标定日镜7的参数自动计算检测用面形用运营表，并根据该运营表控制目标定日镜7进行转动，使得图像采集系统1能够获得定日镜7在不同预设姿态下的镜面图像。

如图2所示，图像采集系统1由光强调节设备8(中性衰减片或其它能够调节入射光强的设备)、成像光路9(透镜或小孔等)、数字图像传感器10和防护外11壳组成。

定日镜控制服务器5根据运营表控制目标定日镜7进行转动，使得目标定日镜7中各个区域在图像采集系统1采集的图像中均至少被点亮(即该区域有太阳光被反射至图像采集系统1的数字图像传感器10，如图3所示)一次，该情况视为一次有效检测。求解目标定日镜各个区域法线矢量的方法包括两种：

方法1：所有图像采集系统1不需要通过工程测量获得镜场坐标系中的精确坐标信息，以定日镜中心为原点建立定日镜坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

当单台定日镜至少完成m次有效检测(m≥2)时，在计算服务器4中对目标定日镜7的镜面图像信息进行处理，与目标定日镜7的参数信息和运营表信息汇总成观测数据其中Data_num表示编号为num的定日镜7的观测数据，表示目标定日镜7中第i个区域在第m次被点亮的时间，H_i表示目标定日镜7中第i个区域的基本参数(包括：初始法线矢量、尺寸信息、位置信息等)，表示目标定日镜7中第i个区域在第m次被点亮时的定日镜转角信息，表示第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，P_i ^m表示第i个区域在第m次被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

在定日镜相对坐标系中，根据反射定律中入射角等于反射角的特性，获得第i个区域被点亮时的关系式：

式中Ang_incidence表示入射角，Angre_fractio_n表示反射角，<>表示两个矢量的夹角目标定日镜7中第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，为第i个区域在第m次被点亮时该区域的法线矢量，表示第i个区域第m次被点亮时的反射矢量；

基于m组观测数据Data_num和第i个区域被点亮时的关系式，由计算服务器4通过数学算法(迭代算法、启发式算法、群优化算法和进化算法等)求解目标定日镜7所有区域在定日镜相对坐标系中的法线矢量，再根据定日镜的数学模型获得目标定日镜7的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜7镜面法线误差；

方法2：所有图像采集系统1需要通过工程测量获得镜场坐标系中的精确坐标信息，以镜场中心为原点建立镜场坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

当单台定日镜至少完成1次有效检测时,在计算服务器4中对目标定日镜7的镜面图像信息进行处理，与运营表信息汇总成观测数据Data_num＝[t_i H_i A_i Rayin_i P_i]，其中Data_num表示编号为num的定日镜7的观测数据，t_i表示目标定日镜7中第i个区域被点亮的时间，H_i表示目标定日镜7中第i个区域的基本参数(包括：初始法线矢量、尺寸信息、位置信息等)，A_i表示目标定日镜7中第i个区域被点亮时的定日镜转角信息，Rayin_i表示第i个区域被点亮时的入射矢量，P_i表示第i个区域被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

根据编号为num的定日镜7镜面中心镜场坐标系坐标H_num和编号为cnum的图像采集系统1中心镜场坐标系坐标Cam_cnum计算基准矢量

再根据定日镜7镜面中心在图像像平面中的坐标P₀和图像采集系统1的安装姿态对像平面进行标定，分别计算图像中特定位置像素点和图像采集系统中心所在三维矢量的镜场坐标系表述，图像中特定位置的像素点为三维矢量的起点；

根据标定结果，由第i个区域的观测数据中P_i可计算该区域被点亮时的反射矢量为Rayout_i，再由反射定律可知该时刻第i个区域的法线矢量的镜场坐标系表述为

在获得目标定日镜7所有区域的法线矢量的镜场坐标系表述后，根据定日镜的数学模型获得目标定日镜的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜镜面法线误差。

针对第一种求解目标定日镜各个区域法线矢量的方法，一种定日镜面形现场检测方法，包括如下步骤：

(1)、图像采集系统1通过图像采集系统安装支架2固定在支撑3(传统集热塔、二次反射塔或其它能够将图像采集系统1固定在预设位置的结构)上，图像采集系统1高于定日镜镜面中心，图像采集系统1通过图像采集系统安装支架2进行俯仰角和方位角调节使得视场对准镜场6中的多台目标定日镜7；

(2)、根据镜场6中定日镜7的分布情况安装多个图像采集系统1，使得镜场6中的所有定日镜7都能被图像采集系统1的视场覆盖；

(3)、所有图像采集系统1不需要通过工程测量获得精确的坐标信息；

(4)、以定日镜中心为原点建立定日镜坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

(5)、当定日镜镜面处于水平状态时，对图像采集系统1的视场进行标定，获得每个图像采集系统1中各台定日镜7的编号信息；

(6)、定日镜控制服务器5和图像采集系统1时钟进行同步；

(7)、定日镜控制服务器5根据定日镜参数数据库中目标定日镜7的参数自动计算检测用面形用运营表；

(8)、当气象条件满足光热发电需求时(晴天或少云天气)，定日镜控制服务器5根据运营表控制目标定日镜7进行转动，使得目标定日镜7完成一次有效检测，即目标定日镜7各个区域在图像采集系统1采集的图像中均至少被点亮(即该区域有太阳光被反射至图像采集系统1的数字图像传感器10，如图3所示)一次，同时转动的目标定日镜7的数量为n台，n≥1；

(9)、图像采集系统1以固定时间间隔采集目标定日镜7在不同姿态下的镜面图像信息，存储至计算服务器4；

(10)、重复步骤(8)和(9)，使得单台定日镜至少完成m次有效检测,m≥2；

(11)、在计算服务器4中对目标定日镜7的镜面图像信息进行处理，与目标定日镜7的参数信息和运营表信息汇总成观测数据其中Data_num表示编号为num的定日镜7的观测数据，表示目标定日镜7中第i个区域在第m次被点亮的时间，H_i表示目标定日镜7中第i个区域的基本参数(包括：初始法线矢量、尺寸信息、位置信息等)，表示目标定日镜7中第i个区域在第m次被点亮时的定日镜转角信息，表示第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，P_i ^m表示第i个区域在第m次被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

在定日镜相对坐标系中，根据反射定律中入射角等于反射角的特性，获得第i个区域被点亮时的关系式：

式中Ang_incidence表示入射角，Ang_refraction表示反射角，<>表示两个矢量的夹角目标定日镜7中第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，为第i个区域在第m次被点亮时该区域的法线矢量，表示第i个区域第m次被点亮时的反射矢量；

基于m组观测数据Data_num和第i个区域被点亮时的关系式，由计算服务器4通过数学算法(迭代算法、启发式算法、群优化算法和进化算法等)求解目标定日镜7所有区域在定日镜相对坐标系中的法线矢量，根据定日镜的数学模型获得目标定日镜7的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜7镜面法线误差；

(12)、同时转动的n台目标定日镜7的镜面面形解算均按照步骤(11)执行；

(13)、在计算服务器4中解算目标定日镜7镜面信息，并将结果保持至定日镜控制服务器5。

针对第二种求解目标定日镜各个区域法线矢量的方法，一种定日镜面形现场检测方法，包括如下步骤：

(1)、图像采集系统1通过图像采集系统安装支架2固定在支撑3(传统集热塔、二次反射塔或其它能够将图像采集系统1固定在预设位置的结构)上，图像采集系统1高于定日镜镜面中心，图像采集系统1通过图像采集系统安装支架2进行俯仰角和方位角调节使得视场对准镜场6中的多台目标定日镜7；

(2)、根据镜场6中定日镜7的分布情况安装多个图像采集系统1，使得镜场6中的所有定日镜7都能被图像采集系统1的视场覆盖；

(3)、所有图像采集系统1需要通过工程测量获得精确的坐标信息；

(4)、以镜场中心为原点建立镜场坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

(5)、当定日镜镜面处于水平状态时，对图像采集系统1的视场进行标定，获得每个图像采集系统1中各台定日镜7的编号信息；

(6)、定日镜控制服务器5和图像采集系统1时钟进行同步；

(7)、定日镜控制服务器5根据定日镜参数数据库中目标定日镜7的参数自动计算检测用面形用运营表；

(8)、当气象条件满足光热发电需求时(晴天或少云天气)，定日镜控制服务器5根据运营表控制目标定日镜7进行转动，使得目标定日镜7完成一次有效检测，即目标定日镜7各个区域在图像采集系统1采集的图像中均至少被点亮(即该区域有太阳光被反射至图像采集系统1的数字图像传感器10，如图3所示)一次，同时转动的目标定日镜7的数量为n台，n≥1；

(9)、图像采集系统1以固定时间间隔采集目标定日镜7在不同姿态下的镜面图像信息，存储至计算服务器4；

(10)、在计算服务器4中对目标定日镜7的镜面图像信息进行处理，与运营表信息汇总成观测数据Data_num＝[t_i H_i A_i Rayin_i P_i]，其中Data_num表示编号为num的定日镜7的观测数据，t_i表示目标定日镜7中第i个区域被点亮的时间，H_i表示目标定日镜7中第i个区域的基本参数(包括：初始法线矢量、尺寸信息、位置信息等)，A_i表示目标定日镜7中第i个区域被点亮时的定日镜转角信息，Rayin_i表示第i个区域被点亮时的入射矢量，P_i表示第i个区域被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

根据编号为num的定日镜7镜面中心镜场坐标系坐标H_num和编号为cnum的图像采集系统1中心镜场坐标系坐标Cam_cnum计算基准矢量

再根据定日镜7镜面中心在图像像平面中的坐标P₀和图像采集系统1的安装姿态对像平面进行标定，分别计算图像中特定位置像素点和图像采集系统中心所在三维矢量的镜场坐标系表述，图像中特定位置的像素点为三维矢量的起点；

根据标定结果，由第i个区域的观测数据中P_i可计算该区域被点亮时的反射矢量为Rayout_i，再由反射定律可知该时刻第i个区域的法线矢量的镜场坐标系表述为

在获得目标定日镜7所有区域的法线矢量的镜场坐标系表述后，根据定日镜的数学模型获得目标定日镜7的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜7镜面法线误差；

(11)、同时转动的n台目标定日镜7的镜面面形解算均按照步骤(10)执行；

(12)、解算完成的目标定日镜7镜面面形信息通过计算服务器4定日镜控制服务器5的定日镜参数数据库。

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 (5)

1.一种定日镜面形现场检测系统，其特征在于：至少包括图像采集系统、图像采集系统的安装支架、计算服务器和定日镜控制服务器，所述的图像采集系统通过安装支架固定在支撑上，使得图像采集系统高于定日镜镜面中心，图像采集系统通过图像采集系统安装支架进行俯仰角和方位角调节；所述图像采集系统的视场覆盖镜场中的多台目标定日镜，用于采集目标定日镜在不同姿态下的镜面图像；所述计算服务器用于接收图像采集系统的图像数据，识别目标定日镜不同区域的亮度变化情况，再利用数学算法和像平面标定两种方法求解目标定日镜各个区域的法线矢量，获得目标定日镜镜面面形信息并保存至定日镜控制服务器的定日镜参数数据库；所述定日镜控制服务器根据定日镜参数数据库中目标定日镜的参数自动计算检测用面形用运营表，并根据该运营表控制目标定日镜进行转动，使得图像采集系统能够获得定日镜在不同预设姿态下的镜面图像。

2.根据权利要求1所述的一种定日镜面形现场检测系统，其特征在于：所述图像采集系统由光强调节设备、成像光路、数字图像传感器和防护外壳组成；其中所述的光强调节设备为中性衰减片或其它能够调节入射光强的设备；所述的成像光路为透镜或小孔。

3.根据权利要求1所述的一种定日镜面形现场检测系统，其特征在于：所述定日镜控制服务器根据运营表控制目标定日镜进行转动，使得目标定日镜中各个区域在图像采集系统采集的图像中均至少被点亮一次，该情况视为一次有效检测，其中求解目标定日镜各个区域法线矢量的方法包括两种：

第一种：所有图像采集系统不需要通过工程测量获得镜场坐标系中的精确坐标信息，以定日镜中心为原点建立定日镜坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

当单台定日镜至少完成m次有效检测(m≥2)时，在计算服务器对目标定日镜的镜面图像信息进行处理，与目标定日镜的参数信息和运营表信息汇总成观测数据其中Data_num表示编号为num的定日镜的观测数据，表示目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮的时间，H_i表示目标定日镜中第i个区域的基本参数，表示目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮时的定日镜转角信息，表示第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，P_i ^m表示第i个区域在第m次被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

在定日镜相对坐标系中，根据反射定律中入射角等于反射角的特性，获得第i个区域被点亮时的关系式：

式中Ang_incidence表示入射角，Ang_refraction表示反射角，<>表示两个矢量的夹角目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，为第i个区域在第m次被点亮时该区域的法线矢量，表示第i个区域第m次被点亮时的反射矢量；

基于m组观测数据Data_num和第i个区域被点亮时的关系式，由计算服务器通过数学算法求解目标定日镜所有区域在定日镜相对坐标系中的法线矢量，再根据定日镜的数学模型获得目标定日镜的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜镜面法线误差；

第二种：所有图像采集系统需要通过工程测量获得镜场坐标系中的精确坐标信息，以镜场中心为原点建立镜场坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

当单台定日镜至少完成1次有效检测时,在计算服务器中对目标定日镜的镜面图像信息进行处理，与运营表信息汇总成观测数据Data_num＝[t_i H_i A_i Rayin_i P_i]，其中Data_num表示编号为num的定日镜的观测数据，t_i表示目标定日镜中第i个区域被点亮的时间，H_i表示目标定日镜中第i个区域的基本参数，A_i表示目标定日镜中第i个区域被点亮时的定日镜转角信息，Rayin_i表示第i个区域被点亮时的入射矢量，P_i表示第i个区域被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

根据编号为num的定日镜镜面中心镜场坐标系坐标H_num和编号为cnum的图像采集系统中心镜场坐标系坐标Cam_cnum计算基准矢量

再根据定日镜镜面中心在图像像平面中的坐标P₀和图像采集系统的安装姿态对像平面进行标定，分别计算图像中特定位置像素点和图像采集系统中心所在三维矢量的镜场坐标系表述，图像中特定位置的像素点为三维矢量的起点；

根据标定结果，由第i个区域的观测数据中P_i可计算该区域被点亮时的反射矢量为Rayout_i，再由反射定律可知该时刻第i个区域的法线矢量的镜场坐标系表述为

在获得目标定日镜所有区域的法线矢量的镜场坐标系表述后，根据定日镜的数学模型获得目标定日镜的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜镜面法线误差。

4.一种定日镜面形现场检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、图像采集系统通过安装支架固定在支撑上，图像采集系统高于定日镜镜面中心，图像采集系统通过安装支架进行俯仰角和方位角调节使得视场对准镜场中的多台目标定日镜；

(2)、根据镜场中定日镜的分布情况安装多个图像采集系统，使得镜场中的所有定日镜都能被图像采集系统的视场覆盖；

(3)、所有图像采集系统不需要通过工程测量获得精确的坐标信息；

(4)、以定日镜中心为原点建立定日镜坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

(5)、当定日镜镜面处于水平状态时，对图像采集系统的视场进行标定，获得每个图像采集系统中各台定日镜的编号信息；

(6)、定日镜控制服务器和图像采集系统时钟进行同步；

(7)、定日镜控制服务器根据定日镜参数数据库中目标定日镜的参数自动计算检测用面形用运营表；

(8)、当气象条件满足光热发电需求时(晴天或少云天气)，定日镜控制服务器根据运营表控制目标定日镜进行转动，使得目标定日镜完成一次有效检测，即目标定日镜各个区域在图像采集系统采集的图像中均至少被点亮一次，同时转动的目标定日镜的数量为n台，n≥1；

(9)、图像采集系统以固定时间间隔采集目标定日镜在不同姿态下的镜面图像信息，存储至计算服务器；

(10)、重复步骤(8)和(9)，使得单台定日镜至少完成m次有效检测,m≥2；

(11)、在计算服务器中对目标定日镜的镜面图像信息进行处理，与目标定日镜的参数信息和运营表信息汇总成观测数据其中Data_num表示编号为num的定日镜的观测数据，表示目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮的时间，H_i表示目标定日镜中第i个区域的基本参数，表示目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮时的定日镜转角信息，表示第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，P_i ^m表示第i个区域在第m次被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

在定日镜相对坐标系中，根据反射定律中入射角等于反射角的特性，获得第i个区域被点亮时的关系式：

式中Ang_incidence表示入射角，Ang_refraction表示反射角，<>表示两个矢量的夹角目标定日镜中第i个区域在第m次被点亮时的入射矢量，为第i个区域在第m次被点亮时该区域的法线矢量，表示第i个区域第m次被点亮时的反射矢量；

基于m组观测数据Data_num和第i个区域被点亮时的关系式，由计算服务器通过数学算法求解目标定日镜所有区域在定日镜相对坐标系中的法线矢量，根据定日镜的数学模型获得目标定日镜7的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜7镜面法线误差；

(12)、同时转动的n台目标定日镜的镜面面形解算均按照步骤(11)执行；

(13)、在计算服务器中解算目标定日镜镜面信息，并将结果保持至定日镜控制服务器。

5.一种定日镜面形现场检测方法，其特征在于：包括如下步骤:

(1)、图像采集系统通过安装支架固定在支撑上，图像采集系统高于定日镜镜面中心，图像采集系统通过安装支架进行俯仰角和方位角调节使得视场对准镜场中的多台目标定日镜；

(2)、根据镜场中定日镜的分布情况安装多个图像采集系统，使得镜场中的所有定日镜都能被图像采集系统的视场覆盖；

(3)、所有图像采集系统需要通过工程测量获得精确的坐标信息；

(4)、以镜场中心为原点建立镜场坐标系，其中x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴竖直指向天空；

(5)、当定日镜镜面处于水平状态时，对图像采集系统的视场进行标定，获得每个图像采集系统中各台定日镜的编号信息；

(6)、定日镜控制服务器和图像采集系统时钟进行同步；

(7)、定日镜控制服务器根据定日镜参数数据库中目标定日镜的参数自动计算检测用面形用运营表；

(8)、当气象条件满足光热发电需求时(晴天或少云天气)，定日镜控制服务器根据运营表控制目标定日镜进行转动，使得目标定日镜完成一次有效检测，即目标定日镜各个区域在图像采集系统采集的图像中均至少被点亮一次，同时转动的目标定日镜的数量为n台，n≥1；

(9)、图像采集系统以固定时间间隔采集目标定日镜在不同姿态下的镜面图像信息，存储至计算服务器；

(10)、在计算服务器中对目标定日镜的镜面图像信息进行处理，与运营表信息汇总成观测数据Data_num＝[t_i H_i A_i Rayin_i P_i]，其中Data_num表示编号为num的定日镜的观测数据，t_i表示目标定日镜中第i个区域被点亮的时间，H_i表示目标定日镜中第i个区域的基本参数，A_i表示目标定日镜中第i个区域被点亮时的定日镜转角信息，Rayin_i表示第i个区域被点亮时的入射矢量，P_i表示第i个区域被点亮时点亮区域中心在图像坐标系中的坐标；

根据编号为num的定日镜镜面中心镜场坐标系坐标H_num和编号为cnum的图像采集系统中心镜场坐标系坐标Cam_cnum计算基准矢量

再根据定日镜镜面中心在图像像平面中的坐标P₀和图像采集系统的安装姿态对像平面进行标定，分别计算图像中特定位置像素点和图像采集系统中心所在三维矢量的镜场坐标系表述，图像中特定位置的像素点为三维矢量的起点；

根据标定结果，由第i个区域的观测数据中P_i可计算该区域被点亮时的反射矢量为Rayout_i，再由反射定律可知该时刻第i个区域的法线矢量的镜场坐标系表述为

在获得目标定日镜所有区域的法线矢量的镜场坐标系表述后，根据定日镜的数学模型获得目标定日镜的镜面面形信息，其中x₁和x₂表示两个转轴的倾斜误差，x₃表示两个转轴轴线的夹角，x₄和x₅表示两个转轴的零位误差，x₆和x₇表示两个转轴的转动比例系数，x₈和x₉表示定日镜镜面法线误差；

(11)、同时转动的n台目标定日镜的镜面面形解算均按照步骤(10)执行；

(12)、解算完成的目标定日镜镜面面形信息通过计算服务器定日镜控制服务器的定日镜参数数据库。