CN109508043B - 一种基于图像的定日镜二次反射指向校正现场系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像的定日镜二次反射指向校正现场系统及方法，包括图像采集系统和上位机系统，图像采集系统安装在吸热器的焦平面中心处，其成像光路光轴垂直于吸热器的焦平面，图像采集系统视场覆盖整个二次反射镜盘，所述的上位机连接图像采集系统和定日镜，用于控制定日镜转动和控制图像采集系统采集图像和完成图像识别计算。本发明通过安装在吸热器焦平面中心处的图像采集系统即可完成对整个镜场多台定日镜的并行检测，有效提高检测效率，基于图像识别技术和二次反射镜盘特性实现对定日镜二次反射指向校正的直接测量，利用实际的二次反射光路特性，不易引入新的测量误差。

Description

一种基于图像的定日镜二次反射指向校正现场系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于图像的定日镜二次反射指向校正现场系统及方法，属于定日镜二次反射指向校正技术领域。

背景技术

在二次反射式太阳能热发电站中，太阳光经过定日镜和二次反射镜盘的两次反射后照射至吸热器处。相较于传统塔式太阳能热发电站，该系统的光路更长，对定日镜的指向精度要求更高。二次反射镜盘是安装在镜场中心的高处，属于非运动光学设备，而定日镜是运动机构，所以需要对定日镜的指向精度和跟踪精度进行修正以保证太阳光能量的汇聚效率。定日镜的一次反射指向精度和跟踪精度可通过标定白板等方法校正，主要是针对定日镜的安装和生产误差进行修正。定日镜的二次反射指向精度是受二次反射镜盘的安装误差影响。由于安装高度高等因素很难实现对二次反射镜盘的直接测量，可能会使定日镜的实际二次反射指向存在偏差，导致经过二次反射的太阳光无法有效汇聚至吸热器中，从而影响电站工作效率。因此，需要一种能够校正定日镜二次反射指向的方法。

按照现有的方法，定日镜二次反射指向的校正主要通过对二次反射镜盘实际安装姿态进行间接校正，而二次反射镜盘的实际安装姿态主要通过测距的方式获得，即通过二次反射镜盘上各点至观测点的距离信息和角度信息拟合二次反射镜盘的实际空间姿态。常用的远距离测距方法主要包括飞时测距法和双目测距法。飞时测距法的本质是通过计算激光脉冲发出和返回的时间差来获得设备到被测点的距离。该方法属于点测量方法，由于需要接收激光脉冲的回波信号，不适用于表面反射率较高的物体，即不适用于二次反射镜盘的直接检测，需要布置漫反射标志点。二次镜盘通常安装在高空，布置和清除标志点的难点较大，会影响检测效率。双目测距法的本质是利用双目视差原理，即被测物上的某个特征点在两台图像采集器的像平面上所处的位置不同，根据位置偏差和图像采集器的参数信息解算被测点的空间坐标。双目测距法的测距精度受图像采集器参数和物距相关。测量远距离的物体时，需要使用长焦精通，但是有效视场会变小，导致测量二次反射镜盘时需要多次调整设备位置。上述两种方法均属于间接方法，需要先通过各个测点拟合二次反射镜盘的空间姿态，再根据定日镜中心坐标和吸热器中心坐标解算每台定日镜的二次反射指向，在计算过程中容易引入新的误差。

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，提供一种基于图像的定日镜二次反射指向校正现场系统及方法,利用图像识别技术修正定日镜的二次反射指向偏差，实现一种高精度、高效率、能够并行的、基于图像的定日镜二次反射指向现场校正系统及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于图像的定日镜二次反射指向校正现场系统，包括图像采集系统和上位机系统，图像采集系统安装在吸热器的焦平面中心处，其成像光路光轴垂直于吸热器的焦平面，图像采集系统视场覆盖整个二次反射镜盘，所述的上位机连接图像采集系统和定日镜，用于控制定日镜转动和控制图像采集系统采集图像和完成图像识别计算。

在本发明中：所述的图像采集系统由光强调节设备、成像光路和数字图像传感器组成；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。

一种基于图像的定日镜二次反射指向校正现场的方法，包括如下步骤：

(1)、以吸热器焦平面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；

(2)、在吸热器焦平面中心安装图像采集系统，使得图像采集系统的成像光路光轴垂直于吸热器焦平面，图像采集系统视场覆盖整个二次反射镜盘，图像行方向与镜场坐标系x轴平行，图像列方向与镜场坐标系y轴平行；

(3)、上位机控制定日镜转动至镜面处于水平状态，然后控制图像采集系统拍摄标定图像；

(4)、上位机对标定图像进行识别操作，定日镜编号与该定日镜中心在图像坐标系坐标的对应关系；

(5)、上位机控制n台(n≥2)定日镜正常工作，根据初始参数将太阳光发射至吸热器区域；

(6)、当定日镜处于正常工作状态后，上位机控制图像采集系统拍摄t时刻二次反射镜盘上的反射光斑图像；

(7)、其中单台定日镜二次反射指向校正的方式有如下三种：

第一种：通过人工调节的方式使得目标定日镜虚像中心与该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心重合，单台定日镜二次反射指向校正结束；

第二种：通过自动搜索的方式，通过上位机控制定日镜按预设路径连续转动，直至目标定日镜虚像中心与该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心重合，单台定日镜二次反射指向校正结束；

第三种：通过预估偏差的方式，不断调整定日镜两轴转角，直至直至目标定日镜虚像中心与该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心重合，单台定日镜二次反射指向校正结束；

(8)、同时工作的n台定日镜均按照步骤(7)进行二次反射指向校正。

其中，所述步骤(7)中的预估偏差方式的具体算法包括如下步骤：

(1)、单台定日镜虚像中心在图像坐标系坐标为H_num＝(u_num,v_num)，其中num表示定日镜编号，(u_num,v_num)分别表示图像坐标系行坐标和列坐标，该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心在图像坐标系坐标为

(2)、计算定日镜虚像中心在镜场坐标系的表述H′_num＝(R_num,θ_num)，其中

式中R表示二次反射镜盘在图像坐标系中的半径值(单位：像素)，coeff表示像素与实际长度的转换关系；

(3)、定日镜虚像中心在镜场坐标系的表述代入无误差状态下二次反射镜盘面形方程，获得定日镜虚像中心的镜场坐标系坐标Haxis_num＝F(H′_num)＝(x_num,y_num,z_num)，其中F()表示无误差状态下二次反射镜盘面形方程，Haxis_num表示编号为num的定日镜虚像中心的镜场坐标系坐标，(x_num,y_num,z_num)表示定日镜虚像中心的镜场坐标系坐标；

(4)、该定日镜的目标二次反射指向为

式中Helio_num表示编号为num的定日镜中心的镜场坐标系坐标；

(5)、同理，该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心在镜场坐标系的表示

其中

该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心的镜场坐标系坐标

该定日镜实际的二次反射指向为

(6)、编号为num的定日镜二次反射指向偏差角为

式中Δα表示方位角偏差值，Δβ表示俯仰角偏差值，α′表示该定日镜实际二次反射指向的方位角，β′表示该定日镜实际二次反射指向的俯仰角，α表示该定日镜目标二次反射指向的方位角，β表示该定日镜目标二次反射指向的俯仰角。

本发明的有益效果：

1.本发明通过安装在吸热器焦平面中心处的图像采集系统即可完成对整个镜场多台定日镜的并行检测，有效提高检测效率；

2.本发明基于图像识别的方法对定日镜的二次反射指向进行识别和校正，可利用表面具有高反射率特性的二次反射镜盘进行直接校正，系统结构简单高效；

3.本发明通过图像识别的方法将定日镜虚像中心与二次反射镜盘上的光斑中心调整至重合状态，测量精度高，且测量精度不受定日镜到二次反射镜盘的距离影响；

4.本发明基于图像识别技术和二次反射镜盘特性实现对定日镜二次反射指向校正的直接测量，利用实际的二次反射光路特性，不易引入新的测量误差。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明的矫正图像示意图；

图3是本发明的偏差计算示意图。

图中：1.图像采集系统；2.上位机系统；3.定日镜；4.吸热器；5.二次反射镜盘。

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1-3所示，一种基于图像的定日镜二次反射指向校正现场系统，包括图像采集系统1和上位机系统2，图像采集系统1安装在吸热器4的焦平面中心处，其成像光路光轴垂直于吸热器4的焦平面，图像采集系统1视场覆盖整个二次反射镜盘5，所述的上位机2连接图像采集系统1和定日镜3，用于控制定日镜3转动和控制图像采集系统1采集图像和完成图像识别计算。所述的图像采集系统1由光强调节设备、成像光路和数字图像传感器组成；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。

一种基于图像的定日镜二次反射指向校正现场的方法，包括如下步骤：

(1)、以吸热器焦平面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；

(2)、在吸热器焦平面中心安装图像采集系统，使得图像采集系统的成像光路光轴垂直于吸热器焦平面，图像采集系统视场覆盖整个二次反射镜盘，图像行方向与镜场坐标系x轴平行，图像列方向与镜场坐标系y轴平行；

(3)、上位机控制定日镜转动至镜面处于水平状态，然后控制图像采集系统拍摄标定图像；

(4)、上位机对标定图像进行识别操作，定日镜编号与该定日镜中心在图像坐标系坐标的对应关系；

(5)、上位机控制n台(n≥2)定日镜正常工作，根据初始参数将太阳光发射至吸热器区域；

(6)、当定日镜处于正常工作状态后，上位机控制图像采集系统拍摄t时刻二次反射镜盘上的反射光斑图像；

(7)、其中单台定日镜二次反射指向校正的方式有如下三种：

第一种：通过人工调节的方式使得目标定日镜虚像中心与该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心重合，单台定日镜二次反射指向校正结束；

第二种：通过自动搜索的方式，通过上位机控制定日镜按预设路径连续转动，直至目标定日镜虚像中心与该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心重合，单台定日镜二次反射指向校正结束；

第三种：通过预估偏差的方式，不断调整定日镜两轴转角，直至直至目标定日镜虚像中心与该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心重合，单台定日镜二次反射指向校正结束；

(8)、同时工作的n台定日镜均按照步骤(7)进行二次反射指向校正。

其中，所述步骤(7)中的预估偏差方式的具体算法包括如下步骤：

(1)、如图2所示，单台定日镜虚像中心在图像坐标系坐标为H_num＝(u_num,v_num)，其中num表示定日镜编号，(u_num,v_num)分别表示图像坐标系行坐标和列坐标，该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心在图像坐标系坐标为

(2)、如图3所示，计算定日镜虚像中心在镜场坐标系的表述H′_num＝(R_num,θ_num)，其中

式中R表示二次反射镜盘在图像坐标系中的半径值(单位：像素)，coeff表示像素与实际长度的转换关系；

(3)、定日镜虚像中心在镜场坐标系的表述代入无误差状态下二次反射镜盘面形方程，获得定日镜虚像中心的镜场坐标系坐标Haxis_num＝F(H′_num)＝(x_num,y_num,z_num)，其中F()表示无误差状态下二次反射镜盘面形方程，Haxis_num表示编号为num的定日镜虚像中心的镜场坐标系坐标，(x_num,y_num,z_num)表示定日镜虚像中心的镜场坐标系坐标；

(4)、该定日镜的目标二次反射指向为

式中Helio_num表示编号为num的定日镜中心的镜场坐标系坐标；

(5)、同理，该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心在镜场坐标系的表示

其中

该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心的镜场坐标系坐标

该定日镜实际的二次反射指向为

(6)、编号为num的定日镜二次反射指向偏差角为

式中Δα表示方位角偏差值，Δβ表示俯仰角偏差值，α′表示该定日镜实际二次反射指向的方位角，β′表示该定日镜实际二次反射指向的俯仰角，α表示该定日镜目标二次反射指向的方位角，β表示该定日镜目标二次反射指向的俯仰角。

本发明通过安装在吸热器焦平面中心处的图像采集系统即可完成对整个镜场多台定日镜的并行检测，有效提高检测效率；而飞时测距法属于点测量方法；本发明不需要对二次反射镜盘作额外布置，基于图像识别的方法对定日镜的二次反射指向进行识别和校正，可利用表面具有高反射率特性的二次反射镜盘进行直接校正，系统结构简单高效；而飞时测距法通过激光脉冲发出时间和返回时间的差值计算观测点到被测点的距离，不适用对表面具有高反射率特性的二次反射镜盘进行直接测量，需要在二次反射镜盘表面布置具有漫反射特性的标志点；

本发明通过图像识别的方法将定日镜虚像中心与二次反射镜盘上的光斑中心调整至重合状态，测量精度高，且测量精度不受定日镜到二次反射镜盘的距离影响；而双目测距法测量远距离的被测物时，测量精度会降低；

本发明基于图像识别技术和二次反射镜盘特性实现对定日镜二次反射指向校正的直接测量，利用实际的二次反射光路特性，不易引入新的测量误差；而飞时测距法和双目测距法都属于间接方法，需要先拟合二次反射镜盘的空间姿态，再根据定日镜中心坐标和吸热器中心坐标解算每台定日镜的二次反射指向，在计算过程中容易引入新的误差。

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 (2)

1.一种基于图像的定日镜二次反射指向校正现场方法，其特征在于：基于图像的定日镜二次反射指向校正现场系统包括图像采集系统(1)和上位机系统(2)，图像采集系统(1)安装在吸热器(4)的焦平面中心处，其成像光路光轴垂直于吸热器(4)的焦平面，图像采集系统(1)视场覆盖整个二次反射镜盘(5)，所述的上位机系统(2)连接图像采集系统(1)和定日镜(3)，用于控制定日镜(3)转动和控制图像采集系统(1)采集图像和完成图像识别计算；

所述的图像采集系统(1)由光强调节设备、成像光路和数字图像传感器组成；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；

其方法包括如下步骤：

(1)、以吸热器焦平面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；

(2)、在吸热器焦平面中心安装图像采集系统，使得图像采集系统的成像光路光轴垂直于吸热器焦平面，图像采集系统视场覆盖整个二次反射镜盘，图像行方向与镜场坐标系x轴平行，图像列方向与镜场坐标系y轴平行；

(3)、上位机控制定日镜转动至镜面处于水平状态，然后控制图像采集系统拍摄标定图像；

(4)、上位机对标定图像进行识别操作，定日镜编号与该定日镜中心在图像坐标系坐标的对应关系；

(5)、上位机控制n台，其中n≥2，定日镜正常工作，根据初始参数将太阳光发射至吸热器区域；

(6)、当定日镜处于正常工作状态后，上位机控制图像采集系统拍摄t时刻二次反射镜盘上的反射光斑图像；

(7)、其中单台定日镜二次反射指向校正的方式有如下三种：

第一种：通过人工调节的方式使得目标定日镜虚像中心与该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心重合，单台定日镜二次反射指向校正结束；

第二种：通过自动搜索的方式，通过上位机控制定日镜按预设路径连续转动，直至目标定日镜虚像中心与该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心重合，单台定日镜二次反射指向校正结束；

第三种：通过预估偏差的方式，不断调整定日镜两轴转角，直至直至目标定日镜虚像中心与该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心重合，单台定日镜二次反射指向校正结束；

(8)、同时工作的n台定日镜均按照步骤(7)进行二次反射指向校正。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像的定日镜二次反射指向校正现场方法，其特征在于：所述步骤(7)中的预估偏差方式的具体算法包括如下步骤：

(1)、单台定日镜虚像中心在图像坐标系坐标为H_num＝(u_num,v_num)，其中num表示定日镜编号，(u_num,v_num)分别表示图像坐标系行坐标和列坐标，该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心在图像坐标系坐标为

(2)、计算定日镜虚像中心在镜场坐标系的表述H′_num＝(R_num,θ_num)，其中

式中R表示二次反射镜盘在图像坐标系中的半径值，coeff表示像素与实际长度的转换关系；

(3)、定日镜虚像中心在镜场坐标系的表述代入无误差状态下二次反射镜盘面形方程，获得定日镜虚像中心的镜场坐标系坐标Haxis_num＝F(H′_num)＝(x_num,y_num,z_num)，其中F()表示无误差状态下二次反射镜盘面形方程，Haxis_num表示编号为num的定日镜虚像中心的镜场坐标系坐标，(x_num,y_num,z_num)表示定日镜虚像中心的镜场坐标系坐标；

(4)、该定日镜的目标二次反射指向为

式中Helio_num表示编号为num的定日镜中心的镜场坐标系坐标；

(5)、同理，该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心在镜场坐标系的表示

其中

该定日镜t时刻二次反射镜盘上的光斑中心的镜场坐标系坐标

该定日镜实际的二次反射指向为

(6)、编号为num的定日镜二次反射指向偏差角为

式中Δα表示方位角偏差值，Δβ表示俯仰角偏差值，α′表示该定日镜实际二次反射指向的方位角，β′表示该定日镜实际二次反射指向的俯仰角，α表示该定日镜目标二次反射指向的方位角，β表示该定日镜目标二次反射指向的俯仰角。

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