CN112557413B - 一种光伏电池板隐裂检测相机及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光伏电池板隐裂检测相机及检测方法，解决现有隐裂检测相机作业时，对光照环境的强约束导致应用较为局限的问题。该相机包括共孔径光学镜头、偏振消光组件、分光棱镜、可见光成像组件、短波红外成像组件及成像控制组件；共孔径光学镜头将入射光束汇聚后进入偏振消光组件；偏振消光组件接收控制信号执行偏振消光动作；分光棱镜将偏振消光后的光束分为2路，分别进入可见光成像组件和短波红外成像组件；可见光成像组件用于获得不同偏振方向下的可见光场景图像；成像控制组件接收不同偏振方向下的可见光场景图像，产生控制偏振消光组件动作的控制信号；短波红外成像组件获得短波红外场景图像，并生成光伏电池板的短波红外图像。

Description

一种光伏电池板隐裂检测相机及检测方法

技术领域

本发明涉及一种光伏电池板检测技术，具体涉及一种光伏电池板隐裂检测相机及检测方法。

背景技术

光伏组件巡检是光伏电站运维过程中的重要环节。光伏电池板产生的电流主要靠表面相互垂直的栅线收集和导出。当隐裂产生并导致细栅线断裂时，光伏电池板上电流将无法被有效输送至主栅线，从而导致电池板局部乃至整片失效，引起光伏组件的功率衰减，因此在光伏组件生产和电站运维过程中，对光伏电池板检测至关重要。

目前，对光伏电池板的检测采用隐裂检测相机，但传统隐裂检测相机通常需要微光或无光环境下进行检测作业，很大程度上制约了隐裂检测的作业效率及普适性。因此，对于大规模光伏电站而言，急需一种能够全天时或准全天时作业的光伏电池板隐裂检测相机。

发明内容

为了解决现有隐裂检测相机作业时，对光照环境的强约束导致应用较为局限的技术问题，本发明提供了一种光伏电池板隐裂检测相机及检测方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种光伏电池板隐裂检测相机，其特殊之处在于：包括共孔径光学镜头、偏振消光组件、分光棱镜、可见光成像组件、短波红外成像组件以及成像控制组件；

所述共孔径光学镜头用于将入射的光束汇聚后进入偏振消光组件；

所述偏振消光组件接收控制信号执行偏振消光动作；

所述分光棱镜将偏振消光后的光束分为2路，分别进入所述可见光成像组件和短波红外成像组件；

所述可见光成像组件对接收的光束进行光电转换，获得偏振消光组件不同偏振方向下的可见光场景图像；

所述成像控制组件接收偏振消光组件不同偏振方向下的可见光场景图像，产生控制偏振消光组件动作的所述控制信号；

所述短波红外成像组件用于偏振消光组件执行偏振消光动作后，获得短波红外场景图像，短波红外场景图像经所述成像控制组件进行图像数据压缩编码处理后生成光伏电池板的短波红外图像。

进一步地，所述偏振消光组件包括偏振镜和驱动偏振镜转动的电机；

所述偏振镜位于共孔径光学镜头的出射光路上；

所述电机接收成像控制组件产生的控制信号，并根据该控制信号控制偏振镜转动。

进一步地，所述成像控制组件包括图像编码单元和分析计算单元；

所述图像编码单元用于接收不同偏振方向下的可见光场景图像，进行图像数据压缩编码处理，生成不同偏振方向下的可见光图像并输出至分析计算单元，以及对短波红外场景图像进行图像数据压缩编码处理；

所述分析计算单元根据接收的不同偏振方向下的可见光图像，得到相应杂反光区域图像，以杂反光区域图像的像素总数最小值对应的可见光图像，确定偏振镜的偏振方向，根据偏振方向产生所述控制信号。

进一步地，所述可见光成像组件包括可见光图像探测器和设置在可见光图像探测器入射面的可见光截止滤光片；

所述短波红外成像组件包括短波红外图像探测器和设置在短波红外图像探测器入射面的短波红外截止滤光片。

进一步地，所述共孔径光学镜头的入射面设有第一截止滤光膜，第一截止滤光膜的截止光谱段为450nm～1150nm；

所述可见光截止滤光片的截止光谱段为450nm～650nm；

所述短波红外截止滤光片的截止光谱段为950nm～1150nm。

进一步地，所述可见光成像组件位于分光棱镜的透射光路上，短波红外成像组件位于分光棱镜的反射光路上。

进一步地，所述共孔径光学镜头内表面染黑并进行消光纹处理。

同时，本发明提供了一种光伏电池板隐裂检测方法，其特殊之处在于，采用上述光伏电池板隐裂检测相机，所述检测方法为：使偏振消光组件的偏振镜旋转一周，根据可见光成像组件所成图像中反射区域杂光光斑面积，寻找光斑面积最小的偏振镜方向，在该偏振镜方向下，通过短波红外成像组件检测光伏电池板是否有隐裂。

进一步地，所述检测方法具体包括以下步骤：

1)获得场景图像

1.1)对光伏电池板的光束进行汇聚；

1.2)利用偏振消光组件在不同偏振方向下，对汇聚光束进行偏振消光；

1.3)将偏振消光后的光束分束为两路，分别为可见光初始数据及短波红外初始数据；

1.4)通过可见光成像组件对不同偏振方向下可见光初始数据进行光电转换，获得不同偏振方向下的可见光场景图像；

2)确定最优位置处的短波红外图像

2.1)成像控制组件接收不同偏振方向下的可见光场景图像，进行图像数据压缩编码处理，生成不同偏振方向下的可见光图像；

2.2)根据不同偏振方向下可见光图像，得到相应杂反光区域图像，以杂反光区域图像的像素总数最小值对应的可见光图像，确定偏振镜的偏振方向；

2.3)根据步骤2.2)确定偏振镜的偏振方向产生控制信号，控制偏振消光组件执行偏振消光动作；

2.4)通过短波红外成像组件对偏振消光组件执行偏振消光动作后的短波红外初始数据进行光电转换，获得短波红外场景图像，并经成像控制组件进行图像数据压缩编码处理后，输出光伏电池板的短波红外图像，作为最优位置处的短波红外图像；

3)光伏电池板检测

根据步骤2.4)最优位置处的短波红外图像判定光伏电池板是否有隐裂。

进一步地，步骤2.1)中，所述生成不同偏振方向下的可见光图像具体为：

成像控制组件生成不同偏振方向下图像分辨率为M_V×N_V的可见光图像；

步骤2.2)具体为：

2.2.1)设偏振消光组件中偏振镜在n个不同偏振方向下所处的位置分别为P(1),P(2),……,P(n)，n为大于1的整数；设位置P(1),P(2),……,P(n)对应的可见光图像分别为Im_VIS(1),Im_VIS(2),……,Im_VIS(n)；

2.2.2)将位置P(1)时可见光图像Im_VIS(1)，在YCbCr色彩空间下分量描述为：Im_YY1、Im_Cb1、Im_Cr1；通过以下公式计算可见光图像Im_VIS(1)的杂反光区域图像Reg1(x,y)：

其中：

α为色差系数，β为高光系数；

max(Im_YY1)为图像Im_YY1中的最大值；

2.2.3)通过以下公式计算杂反光区域图像Reg1(x,y)的像素总数Sum_Reg(1)：

2.2.4)利用步骤2.2.2)和步骤2.2.3)的方法，计算可见光图像Im_VIS(2),……,可见光图像Im_VIS(n)对应的像素总数Sum_Reg(2),……,像素总数Sum_Reg(n)；

2.2.5)通过以下公式确定消光最优位置P₀：

以消光最优位置P₀对应的可见光图像，确定偏振镜的偏振方向。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明检测相机及方法，采用偏振镜偏振滤光方式对环境杂光进行消除，能够实现准全天时作业；同时采用可见光和红外双光探测方式，自动判定杂光区域与最优偏振方向，可获得最优短波红外图像，进行光伏电池板隐裂检测，提高检测准确性。

2、本发明偏振消光组件包括偏振镜和电机，控制电机完成360°全向偏振图像检测，输出杂光最小的、最优短波红外图像，从而实现在阴天、多云、微光等多种光照条件下，进行巡检作业中光伏电池板隐裂的检测。

3、本发明短波红外成像组件采用短波红外图像探测器并加装截止滤光片，在光伏电池板电致发光950nm-1150nm有效波段内，具有较高的灵敏度和良好的成像效果。

4、本发明成像控制组件完成2路图像源处理，能够实时解算图像信息，图像输出延迟较小，能够满足巡检过程中的移动拍摄。

附图说明

图1是本发明光伏电池板隐裂检测相机的架构示意图；

图2是本发明光伏电池板隐裂检测方法中确定最优位置处的短波红外图像的流程图；

其中，附图标记如下：

1-共孔径光学镜头，2-偏振消光组件，3-分光棱镜，4-可见光成像组件，5-短波红外成像组件，6-成像控制组件。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，一种光伏电池板隐裂检测相机，包括共孔径光学镜头1、偏振消光组件2、分光棱镜3、可见光成像组件4、短波红外成像组件5以及成像控制组件6。

共孔径光学镜头1用于将入射的光束汇聚后进入偏振消光组件2，为后端可见光成像组件4和短波红外成像组件5提供汇聚的光能量，使光线清晰的汇聚在各自成像探测器靶面。共孔径光学镜头1内表面染黑并进行消光纹处理，共孔径光学镜头1的入射面首片玻璃上镀第一截止滤光膜，第一截止滤光膜的截止光谱段为450nm～1150nm。

分光棱镜3采用半透半反设计，将偏振消光后的光束分为2路，分别进入可见光成像组件4和短波红外成像组件5，从而在不同成像组件上获取清晰图像。

可见光成像组件4和短波红外成像组件5分别接收外部光后，经过光电转换，获得不同光谱段的场景图像，该场景图像为消杂光处理提供图像数据源，是消杂光分析计算的基础。短波红外成像组件5和可见光成像组件4须集成配合使用，可见光成像组件4位于分光棱镜3的透射光路上，短波红外成像组件5位于分光棱镜3的反射光路上。

可见光成像组件4对接收的光束进行光电转换，获得偏振消光组件2不同偏振方向下的可见光场景图像，可见光成像组件4用于拍摄环境光在光伏电池板上的反光特性，为成像控制组件6提供计算图像源；其包括可见光图像探测器、成像驱动电路、二次电源转换模块以及加装在可见光图像探测器入射面的可见光截止滤光片；可见光截止滤光片的截止光谱段为450nm～650nm。

偏振消光组件2接收控制信号并执行偏振消光动作；偏振消光组件2包括偏振镜、第一电位计以及驱动偏振镜转动的电机，偏振镜位于共孔径光学镜头1和分光棱镜3之间，且位于共孔径光学镜头1的出射光路上；电机接收成像控制组件6产生的控制信号，并根据该控制信号控制偏振镜转动，实现消杂光功能，第一电位计用于检测不同转动角度。

短波红外成像组件5在偏振消光组件2执行偏振消光动作后，输出光伏电池板的短波红外场景图像。短波红外成像组件5用于接收外部短波光源信号，探测光伏电池板隐裂。短波红外成像组件5包括InGaAs短波红外图像探测器、成像驱动电路、二次电源转换模块以及加装在短波红外图像探测器入射面的短波红外截止滤光片，短波红外截止滤光片的截止光谱段为950nm～1150nm。

基于上述光伏电池板隐裂检测相机，本实施例提供了一种光伏电池板隐裂检测方法，包括以下步骤：

1)获得场景图像

1.1)共孔径光学镜头1对光伏电池板的光束进行汇聚；

1.2)利用偏振消光组件2在不同偏振方向下，对汇聚光束进行偏振消光；

1.3)将偏振消光后的光束分束为两路，分别为可见光初始数据及短波红外初始数据；

1.4)通过可见光成像组件4对不同偏振方向下可见光初始数据进行光电转换，获得不同偏振方向下的可见光场景图像；

2)确定最优位置处的短波红外图像

如图2所示，成像控制组件6接收偏振消光组件2不同偏振方向下的可见光场景图像，基于该图像进行杂光分析，产生控制偏振消光组件2动作的控制信号；成像控制组件6包括图像编码单元、分析计算单元和电源管理单元，电源管理单元向图像编码单元和分析计算单元供电；

2.1)图像编码单元接收不同偏振方向下的可见光场景图像，进行图像数据压缩编码处理，生成不同偏振方向下图像分辨率为M_V×N_V的可见光图像Im_VIS，并输出至分析计算单元；

2.2)分析计算单元根据不同偏振方向下可见光图像Im_VIS检测光伏电池板反光区域，确定偏振镜的偏振方向，具体如下：

2.2.1)设偏振消光组件2中偏振镜在n个不同偏振方向下所处的位置分别为P(1),P(2),……,P(n)，n为大于1的整数，P(1)为偏振镜初始位置；

设位置P(1),P(2),……,P(n)对应的可见光图像分别为第1帧Im_VIS(1),第2帧Im_VIS(2),……,第n帧Im_VIS(n)；

2.2.2)初始位置P(1)时，Im_VIS(1)在YCbCr色彩空间下分量描述为：Im_YY1、Im_Cb1、Im_Cr1；分别进行分量图像遍历计算，得到杂反光区域图像Reg1(x,y)：

其中：

α为色差系数，β为高光系数；

max(Im_YY1)为图像Im_YY1中的最大值；

2.2.3)通过以下公式计算杂反光区域图像Reg1(x,y)的像素总数Sum_Reg(1)：

2.2.4)利用步骤2.2.2)和步骤2.2.3)的方法，计算可见光图像Im_VIS(2),……,可见光图像Im_VIS(n)对应的像素总数Sum_Reg(2),……,像素总数Sum_Reg(n)；

本实施例中，偏振消光组件2能够接收成像控制组件6发出的电机控制指令，根据第一电位计的位置反馈信号驱动电机转动，使偏振镜转动到达位置P(n)；位置数n建议选择范围[6,12,36]；在偏振镜上镀单一偏振方向的偏振膜，偏振镜支撑结构具有齿轮，能够与电机上的第一电位计配合，实现不同转角的转动

偏振消光组件2转动位置与启停控制配合以下：

a.初始位置为P(1)，成像控制组件6生成Sum_Reg(1)；

b.电机单向转动，使偏振镜转动至不同方向，依次到达位置P(2)……P(n)，成像控制组件6分别生成Sum_Reg(2)……Sum_Reg(n)；

2.2.5)确定像素总数Sum_Reg(1),……,像素总数Sum_Reg(n)中的最小值，即消光最优位置P₀：

以消光最优位置P₀对应的可见光图像，确定偏振镜的偏振方向；

2.3)根据步骤2.2)确定偏振镜的偏振方向产生控制信号，控制偏振消光组件2执行偏振消光动作；

2.4)当偏振镜转动到最优位置，偏振消光组件2停止转动，偏振消光组件2执行偏振消光动作后，此时，短波红外成像组件5对短波红外初始数据进行光电转换，获得短波红外场景图像；

2.5)成像控制组件6对步骤2.4)短波红外场景图像进行图像数据压缩编码处理，输出光伏电池板的短波红外图像Im_SW，作为最优位置处的短波红外图像，即为消杂光后输出的最优图像；

3)光伏电池板检测

根据步骤2.4)最优位置处的短波红外图像中，可人眼识别判定光伏电池板是否有隐裂。

当拍摄场景变换时，本实施例相机重新计算并寻找消光最优位置；此时，短波红外图像Im_SW即为消杂光后输出的最优图像。

本实施例通过旋转偏振镜方向，反射区域杂光光斑面积随偏振方向不同发生变化，偏振镜旋转一周时，寻找光斑面积最小的偏振镜方向，短波红外成像组件5实时捕获目标图像，该图像即为消杂光后的最优短波输出图像。

本实施例采用偏振滤光方式对环境杂光进行消除，能够实现准全天时作业；以及采用可见光和可红外双光探测方式，自动判定杂光区域与最优偏振方向，获得最优短波红外图像，进行光伏电池板隐裂检测，提高检测准确性。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (9)

1.一种光伏电池板隐裂检测相机，其特征在于：包括共孔径光学镜头(1)、偏振消光组件(2)、分光棱镜(3)、可见光成像组件(4)、短波红外成像组件(5)以及成像控制组件(6)；

所述共孔径光学镜头(1)用于将入射的光束汇聚后进入偏振消光组件(2)；

所述偏振消光组件(2)接收控制信号执行偏振消光动作；

所述分光棱镜(3)将偏振消光后的光束分为2路，分别进入所述可见光成像组件(4)和短波红外成像组件(5)；

所述可见光成像组件(4)对接收的光束进行光电转换，获得偏振消光组件(2)不同偏振方向下的可见光场景图像；

所述成像控制组件(6)接收偏振消光组件(2)不同偏振方向下的可见光场景图像，产生控制偏振消光组件(2)动作的所述控制信号；

所述短波红外成像组件(5)用于偏振消光组件(2)执行偏振消光动作后，获得短波红外场景图像，短波红外场景图像经所述成像控制组件(6)进行图像数据压缩编码处理后生成光伏电池板的短波红外图像；

所述成像控制组件(6)包括图像编码单元和分析计算单元；

所述图像编码单元用于接收不同偏振方向下的可见光场景图像，进行图像数据压缩编码处理，生成不同偏振方向下的可见光图像并输出至分析计算单元，以及对短波红外场景图像进行图像数据压缩编码处理；

所述分析计算单元根据接收的不同偏振方向下的可见光图像，得到相应杂反光区域图像，以杂反光区域图像的像素总数最小值对应的可见光图像，确定偏振镜的偏振方向，根据偏振方向产生所述控制信号。

2.根据权利要求1所述光伏电池板隐裂检测相机，其特征在于：所述偏振消光组件(2)包括偏振镜和驱动偏振镜转动的电机；

所述偏振镜位于共孔径光学镜头(1)的出射光路上；

所述电机接收成像控制组件(6)产生的控制信号，并根据该控制信号控制偏振镜转动。

3.根据权利要求1或2所述光伏电池板隐裂检测相机，其特征在于：所述可见光成像组件(4)包括可见光图像探测器和设置在可见光图像探测器入射面的可见光截止滤光片；

所述短波红外成像组件(5)包括短波红外图像探测器和设置在短波红外图像探测器入射面的短波红外截止滤光片。

4.根据权利要求3所述光伏电池板隐裂检测相机，其特征在于：所述共孔径光学镜头(1)的入射面设有第一截止滤光膜，第一截止滤光膜的截止光谱段为450nm～1150nm；

所述可见光截止滤光片的截止光谱段为450nm～650nm；

所述短波红外截止滤光片的截止光谱段为950nm～1150nm。

5.根据权利要求4所述光伏电池板隐裂检测相机，其特征在于：所述可见光成像组件(4)位于分光棱镜(3)的透射光路上，短波红外成像组件(5)位于分光棱镜(3)的反射光路上。

6.根据权利要求1所述光伏电池板隐裂检测相机，其特征在于：所述共孔径光学镜头(1)内表面染黑并进行消光纹处理。

7.一种光伏电池板隐裂检测方法，其特征在于，采用权利要求1所述光伏电池板隐裂检测相机，所述检测方法为：使偏振消光组件(2)的偏振镜旋转一周，根据可见光成像组件(4)所成图像中反射区域杂光光斑面积，寻找光斑面积最小的偏振镜方向，在该偏振镜方向下，通过短波红外成像组件(5)检测光伏电池板是否有隐裂。

8.根据权利要求7所述光伏电池板隐裂检测方法，其特征在于，所述检测方法具体包括以下步骤：

1)获得场景图像

1.1)对光伏电池板的光束进行汇聚；

1.2)利用偏振消光组件(2)在不同偏振方向下，对汇聚光束进行偏振消光；

1.3)将偏振消光后的光束分束为两路，分别为可见光初始数据及短波红外初始数据；

1.4)通过可见光成像组件(4)对不同偏振方向下可见光初始数据进行光电转换，获得不同偏振方向下的可见光场景图像；

2)确定最优位置处的短波红外图像

2.1)成像控制组件(6)接收不同偏振方向下的可见光场景图像，进行图像数据压缩编码处理，生成不同偏振方向下的可见光图像；

2.2)根据不同偏振方向下可见光图像，得到相应杂反光区域图像，以杂反光区域图像的像素总数最小值对应的可见光图像，确定偏振镜的偏振方向；

2.3)根据步骤2.2)确定偏振镜的偏振方向产生控制信号，控制偏振消光组件(2)执行偏振消光动作；

2.4)通过短波红外成像组件(5)对偏振消光组件(2)执行偏振消光动作后的短波红外初始数据进行光电转换，获得短波红外场景图像，并经成像控制组件(6)进行图像数据压缩编码处理后，输出光伏电池板的短波红外图像，短波红外成像组件(5)作为最优位置处的短波红外图像；

3)光伏电池板检测

根据步骤2.4)最优位置处的短波红外图像判定光伏电池板是否有隐裂。

9.根据权利要求8所述光伏电池板隐裂检测方法，其特征在于，

步骤2.1)中，所述生成不同偏振方向下的可见光图像具体为：

成像控制组件(6)生成不同偏振方向下图像分辨率为M_V×N_V的可见光图像；

步骤2.2)具体为：

2.2.1)设偏振消光组件(2)中偏振镜在n个不同偏振方向下所处的位置分别为P(1),P(2),……,P(n)，n为大于1的整数；设位置P(1),P(2),……,P(n)对应的可见光图像分别为Im_VIS(1),Im_VIS(2),……,Im_VIS(n)；

2.2.2)将位置P(1)时可见光图像Im_VIS(1)，在YCbCr色彩空间下分量描述为：Im_YY1、Im_Cb1、Im_Cr1；通过以下公式计算可见光图像Im_VIS(1)的杂反光区域图像Reg1(x,y)：

其中：

α为色差系数，β为高光系数；

max(Im_YY1)为图像Im_YY1中的最大值；

2.2.3)通过以下公式计算杂反光区域图像Reg1(x,y)的像素总数Sum_Reg(1)：

2.2.4)利用步骤2.2.2)和步骤2.2.3)的方法，计算可见光图像Im_VIS(2),……,可见光图像Im_VIS(n)对应的像素总数Sum_Reg(2),……,像素总数Sum_Reg(n)；

2.2.5)通过以下公式确定消光最优位置P₀：

以消光最优位置P₀对应的可见光图像，确定偏振镜的偏振方向。

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