CN112504162A - 一种定日镜面形快速解算系统及方法 - Google Patents

一种定日镜面形快速解算系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定日镜面形快速解算系统及方法，针对定日镜面形反射指向精度要求高的特点，基于经过定日镜面形反射的直条纹图案，利用几何关系的解算算法，以定日镜镜面两个正交方向的反射法线偏差角分布表征定日镜镜面的相对面形，实现一种高精度的定日镜面形快速解算系统。所述定日镜面形快速解算系统，由接收板、条纹投影仪、图像采集系统和核心单元组成，通过细化后的条纹与参考直线间的偏差量计算条纹对应待测面区域两个正交方向的反射法线偏差角，用于表征待测镜面的相对姿态，实现定日镜面形检测，面形解算复杂程度较低，运算效率较快。

Description

一种定日镜面形快速解算系统及方法
技术领域
本发明属于太阳能热发电领域，具体公开了一种定日镜面形快速解算系统及方法。
背景技术
定日镜是塔式光热发电站中的核心设备，其作用是将不断运动的太阳光精确地反射至目标区域，同时反射的光束不能发散，以保证定日镜的工作效率，否则目标区域汇聚的能量密度会变得较低或者无法满足设计需求。单台定日镜反射光束的汇聚程度由其面形决定，而定日镜的面形是由多面子平面镜组成的离散凹面镜，每面子平面镜均存在特定的姿态角。定日镜的生成加工会引入面形误差，使得每面子平面镜的姿态与设计值不符，可能导致反射光束的汇聚程度无法满足要求，甚至是出现反射光束发散情况。因此，需要一种室内用的定日镜面形检测系统，同时需要具有较高的检测效率，以满足定日镜生成效率的要求。
中国专利CN108627121B《一种镜面面形检测装置及其检测方法》中公布了一种基于投影仪、标定相机、测量相机组以及计算机的条纹反射镜面面形检测系统。该专利中，1)通过测量相机依次采集待测镜面反射过的、不同频率的条纹图像虚像图，同时标定相机依次采集投影幕上的条纹图像；2)通过相位解包裹算法解包条纹图像，分别获得投影在幕布上条纹图像的相位分布和测量相机采集的条纹图像虚像的相位分布；3)在统一坐标系后，根据反射定律利用最小二乘法拟合获得条纹图像虚像图中各个像素在待测镜面上对应点的法向量。首先，该方法除了拍摄待测镜面的测量相机外，还需要拍摄投影幕布的标定相机，两种相机需要同步拍摄，系统复杂程度较高；其次需要使用相位解包算法获得条纹图像的相位分布，需要使用最小二乘法拟合待测面上各对应点的法向量，计算的复杂程度较高。对于工厂等室内环境，不适宜布置复杂的系统，且较为复杂的计算会影响面形解算的效率，从而影响面形检测的效率。
发明内容
本发明针对定日镜面形反射指向精度要求高的特点，基于经过定日镜面形反射的直条纹图案，利用几何关系的解算算法，以定日镜镜面两个正交方向的反射法线偏差角分布表征定日镜镜面的相对面形，实现一种高精度的定日镜面形快速解算系统。
本发明一种定日镜面形快速解算系统，由接收板、条纹投影仪、图像采集系统和核心单元组成。
所述接收板为表面具有漫反射率特性的平板，用于接收条纹投影仪投影的条纹图像。
所述条纹投影仪受核心单元控制，能够投影不同条纹周期的条纹。
所述图像采集系统由至少一个相机组成，所述图像采集系统的成像光路对准被测定日镜镜面的反射面，用于采集经过被测定日镜镜面反射的条纹虚像。
所述相机由成像光路(小孔或镜头)、图像传感器组成。
所述图像采集系统的相机数量由定日镜镜面尺寸决定，图像采集系统的视场能够覆盖整个被测定日镜镜面。
所述核心单元用于控制条纹投影仪投影不同条纹周期的条纹图像、控制图像采集系统采集图像、解算被测定日镜面形。
本发明还公开了一种定日镜面形快速解算方法，包括如下步骤：
(1)将被测定日镜镜面移动至目标区域，使得图像采集系统视场内待测面形区域能够被接收板虚像覆盖；
(2)测量待测镜面至接收板的距离H2和图像采集系统至待测镜面的距离H1；
(3)条纹投影仪先后投影全黑和全白的图像，图像采集系统同步采集相应的待测镜面图像，基于全黑图像对应的照片Pblack和全白图像对应的照片Pwhite计算照片中待测镜面的有效区域ROI；
(4)条纹投影仪将水平直条纹投影至接收板，水平直条纹的条纹周期为d1；
(5)图像采集系统采集该时刻的定日镜待测镜面图像，获得经过定日镜待测镜面反射的水平直条纹虚像；
(6)核心单元从图像采集系统获得该时刻的定日镜待测镜面图像，基于照片中待测镜面的有效区域ROI提取有效水平直条纹虚像，然后进行图像预处理，包括灰度化处理、二值化处理、异常区域剔除、条纹细化、去毛刺处理和细化后条纹编号排序等；
(7)在图像中，在所有细化后条纹的最左侧选择一个点作为端点A序列；
(8)在所有细化后的条纹中选择变化最平缓的一个条纹，在该条纹的最右端选择一个点作为端点B[x2,y2]linenum，其中linenum表示条纹编号，x2表示端点B在图像中的行坐标，y2表示端点B在图像中的列坐标，基于该条纹对应的端点A[x1,y1]linenum，建立基准直线
Figure BDA0002818118480000021
式中a＝x2-x1，b＝y2-y1；
(9)基于所有细化条纹的端点A序列[x1,y1]linenum、基准直线中的a和b，为每一条细化后的条纹建立对应的参考直线；
(10)分别计算所有细化条纹上每个点与对应的参考直线间的像素偏差序列[Δhn]linenum，式中linenum表示条纹编号，Δhn表示该细化条纹上第n个点的像素偏差；
(11)将像素偏差序列代入水平直条纹解算模型，计算细化条纹上各点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量：
Figure BDA0002818118480000031
式中
Figure BDA0002818118480000032
表示第linenum条细化条纹上第n个点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量，Δhn表示该细化条纹第n个点的像素偏差，θ表示图像采集系统光轴矢量与接收板法向的夹角，H2表示待测镜面至接收板的距离；
(12)在同一图像中，通过插值的方法获得相邻细化条纹间像素点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量；
(13)条纹投影仪将竖直直条纹投影至接收板，竖直直条纹的条纹周期为d2；
(14)重复执行第5步至第10步，获得所有细化条纹上每个点与对应的参考直线间的像素偏差序列[Δln]linenum，式中linenum表示条纹编号，Δln表示该细化条纹上第n个点的像素偏差；
(15)将像素偏差序列代入竖直直条纹解算模型，计算细化条纹上各点垂直于竖直直条纹方向的法线偏差角分量：
Figure BDA0002818118480000033
式中
Figure BDA0002818118480000034
表示第linenum条细化条纹上第n个点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量，Δln表示该细化条纹第n个点的像素偏差；接收板法向与垂直于竖直直条纹方向矢量构成二维平面，φ表示理想光线在该平面的投影与接收板法向的夹角，H2表示待测镜面至接收板的距离；
(16)在同一图像中，通过插值的方法获得相邻细化条纹间像素点垂直于竖直直条纹方向的法线偏差角分量。
本发明的有益效果：
(1)本发明不需要拍摄投影幕布的标定相机，直接通过拍摄待测镜面的测量相机即可完成待测面形的解算，系统复杂程度低，环境适应性较好；
(2)本发明计算细化后的条纹与参考直线间的偏差量，不需要对条纹进行相位解包运算，运算效率较快；
(3)本发明通过细化后的条纹与参考直线间的偏差量计算条纹对应待测面区域两个正交方向的反射法线偏差角，用于表征待测镜面的相对姿态，实现定日镜面形检测，面形解算复杂程度较低，运算效率较快。
附图说明
图1为本发明实施例1解算系统的示意图；
图2为本发明实施例2中的水平直条纹示意图；
图3为本发明实施例2中的水平直条纹解算模型示意图；
图4为本发明实施例2中的竖直直条纹示意图；
图5为本发明实施例2中的竖直直条纹解算模型示意图。
图中：1-接收板、2-条纹投影仪、3-图像采集系统、4-核心单元、5-被测定日镜镜面。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本发明一种定日镜面形快速解算系统，由接收板1、条纹投影仪2、图像采集系统3和核心单元4组成。接收板1为表面具有漫反射率特性的平板，用于接收条纹投影仪2投影的条纹图像。条纹投影仪2受核心单元4控制，能够投影不同条纹周期的条纹。图像采集系统3由至少1个相机组成，相机由成像光路(小孔或镜头)、图像传感器组成，图像采集系统3的成像光路对准被测定日镜镜面5的反射面，用于采集经过被测定日镜镜面5反射的条纹虚像，图像采集系统3的相机数量由定日镜镜面尺寸决定，图像采集系统3的视场能够覆盖整个被测定日镜镜面5。核心单元4用于控制条纹投影仪2投影不同条纹周期的条纹图像、控制图像采集系统3采集图像、解算被测定日镜镜面5面形。
实施例2
本发明一种定日镜面形快速解算方法，包括如下步骤：
(1)将被测定日镜镜面5移动至目标区域，使得图像采集系统3视场内待测面形区域能够被接收板1虚像覆盖；
(2)测量待测镜面至接收板1的距离H2和图像采集系统3至待测镜面的距离H1；
(3)条纹投影仪2先后投影全黑和全白的图像，图像采集系统3同步采集相应的待测镜面图像，基于全黑图像对应的照片Pblack和全白图像对应的照片Pwhite计算照片中待测镜面的有效区域ROI；
(4)如图2所示，条纹投影仪2将水平直条纹投影至接收板1，水平直条纹的条纹周期为d1；
(5)图像采集系统3采集该时刻的定日镜待测镜面图像，获得经过定日镜待测镜面反射的水平直条纹虚像；
(6)核心单元4从图像采集系统3获得该时刻的定日镜待测镜面图像，基于照片中待测镜面的有效区域ROI提取有效水平直条纹虚像，然后进行图像预处理，包括灰度化处理、二值化处理、异常区域剔除、条纹细化、去毛刺处理和细化后条纹编号排序等；
(7)在图像中，在所有细化后条纹的最左侧选择一个点作为端点A序列；
(8)在所有细化后的条纹中选择变化最平缓的一个条纹，在该条纹的最右端选择一个点作为端点B[x2,y2]linenum，其中linenum表示条纹编号，x2表示端点B在图像中的行坐标，y2表示端点B在图像中的列坐标，基于该条纹对应的端点A[x1,y1]linenum，建立基准直线
Figure BDA0002818118480000051
式中a＝x2-x1，b＝y2-y1；
(9)基于所有细化条纹的端点A序列[x1,y1]linenum、基准直线中的a和b，为每一条细化后的条纹建立对应的参考直线；
(10)分别计算所有细化条纹上每个点与对应的参考直线间的像素偏差序列[Δhn]linenum，式中linenum表示条纹编号，Δhn表示该细化条纹上第n个点的像素偏差；
(11)如图3所示，将像素偏差序列代入水平直条纹解算模型，计算细化条纹上各点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量：
Figure BDA0002818118480000052
式中
Figure BDA0002818118480000053
表示第linenum条细化条纹上第n个点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量，Δhn表示该细化条纹第n个点的像素偏差，θ表示图像采集系统光轴矢量与接收板法向的夹角，H2表示待测镜面至接收板的距离；
(12)在同一图像中，通过插值的方法获得相邻细化条纹间像素点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量；
(13)如图4所示，条纹投影仪2将竖直直条纹投影至接收板1，竖直直条纹的条纹周期为d2；
(14)重复执行第5步至第10步，获得所有细化条纹上每个点与对应的参考直线间的像素偏差序列[Δln]linenum，式中linenum表示条纹编号，Δln表示该细化条纹上第n个点的像素偏差；
(15)如图5所示，将像素偏差序列代入竖直直条纹解算模型，计算细化条纹上各点垂直于竖直直条纹方向的法线偏差角分量：
Figure BDA0002818118480000061
式中
Figure BDA0002818118480000062
表示第linenum条细化条纹上第n个点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量，Δln表示该细化条纹第n个点的像素偏差；接收板1法向与垂直于竖直直条纹方向矢量构成二维平面，φ表示理想光线在该平面的投影与接收板法向的夹角，H2表示待测镜面至接收板的距离；
(16)在同一图像中，通过插值的方法获得相邻细化条纹间像素点垂直于竖直直条纹方向的法线偏差角分量。

Claims (3)

1.一种定日镜面形快速解算系统，其特征在于：由接收板、条纹投影仪、图像采集系统和核心单元组成；
所述接收板为表面具有漫反射率特性的平板，用于接收条纹投影仪投影的条纹图像；
所述条纹投影仪受核心单元控制，能够投影不同条纹周期的条纹；
所述图像采集系统由至少一个相机组成，所述图像采集系统的成像光路对准被测定日镜镜面的反射面，用于采集经过被测定日镜镜面反射的条纹虚像；
所述核心单元用于控制条纹投影仪投影不同条纹周期的条纹图像、控制图像采集系统采集图像、解算被测定日镜面形。
2.根据权利要求1所述的定日镜面形快速解算系统，其特征在于：所述图像采集系统的相机数量由定日镜镜面尺寸决定，图像采集系统的视场能够覆盖整个被测定日镜镜面。
3.一种定日镜面形快速解算方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将被测定日镜镜面移动至目标区域，使得图像采集系统视场内待测面形区域能够被接收板虚像覆盖；
(2)测量待测镜面至接收板的距离H2和图像采集系统至待测镜面的距离H1；
(3)条纹投影仪先后投影全黑和全白的图像，图像采集系统同步采集相应的待测镜面图像，基于全黑图像对应的照片Pblack和全白图像对应的照片Pwhite计算照片中待测镜面的有效区域ROI；
(4)条纹投影仪将水平直条纹投影至接收板，水平直条纹的条纹周期为d1；
(5)图像采集系统采集该时刻的定日镜待测镜面图像，获得经过定日镜待测镜面反射的水平直条纹虚像；
(6)核心单元从图像采集系统获得该时刻的定日镜待测镜面图像，基于照片中待测镜面的有效区域ROI提取有效水平直条纹虚像，然后进行图像预处理；
(7)在图像中，在所有细化后条纹的最左侧选择一个点作为端点A序列；
(8)在所有细化后的条纹中选择变化最平缓的一个条纹，在该条纹的最右端选择一个点作为端点B[x2,y2]linenum，其中linenum表示条纹编号，x2表示端点B在图像中的行坐标，y2表示端点B在图像中的列坐标，基于该条纹对应的端点A[x1,y1]linenum，建立基准直线
Figure FDA0002818118470000011
式中a＝x2-x1，b＝y2-y1；
(9)基于所有细化条纹的端点A序列[x1,y1]linenum、基准直线中的a和b，为每一条细化后的条纹建立对应的参考直线；
(10)分别计算所有细化条纹上每个点与对应的参考直线间的像素偏差序列[Δhn]linenum，式中linenum表示条纹编号，Δhn表示该细化条纹上第n个点的像素偏差；
(11)将像素偏差序列代入水平直条纹解算模型，计算细化条纹上各点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量：
Figure FDA0002818118470000021
式中
Figure FDA0002818118470000022
表示第linenum条细化条纹上第n个点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量，Δhn表示该细化条纹第n个点的像素偏差，θ表示图像采集系统光轴矢量与接收板法向的夹角，H2表示待测镜面至接收板的距离；
(12)在同一图像中，通过插值的方法获得相邻细化条纹间像素点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量；
(13)条纹投影仪将竖直直条纹投影至接收板，竖直直条纹的条纹周期为d2；
(14)重复执行第5步至第10步，获得所有细化条纹上每个点与对应的参考直线间的像素偏差序列[Δln]linenum，式中linenum表示条纹编号，Δln表示该细化条纹上第n个点的像素偏差；
(15)将像素偏差序列代入竖直直条纹解算模型，计算细化条纹上各点垂直于竖直直条纹方向的法线偏差角分量：
Figure FDA0002818118470000023
式中
Figure FDA0002818118470000024
表示第linenum条细化条纹上第n个点垂直于水平直条纹方向的法线偏差角分量，Δln表示该细化条纹第n个点的像素偏差；接收板法向与垂直于竖直直条纹方向矢量构成二维平面，φ表示理想光线在该平面的投影与接收板法向的夹角，H2表示待测镜面至接收板的距离；
(16)在同一图像中，通过插值的方法获得相邻细化条纹间像素点垂直于竖直直条纹方向的法线偏差角分量。
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