CN112930475B - 用于确定测量面的相对反射率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定测量面的相对反射率的方法，包括以下方法步骤：A.向测量面施加测量辐射，使得在测量面上产生测量斑，B.根据第一轨迹运动，使测量斑在测量面上至少沿着为直线的第一测量斑轨迹运动，C.在根据步骤B的第一轨迹运动期间，拍摄测量面的多个位置分辨图像的第一图像集，以及D.确定测量面的多个位置点的相对反射率。

Description

用于确定测量面的相对反射率的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定测量面的相对反射率的方法。
背景技术
对于许多应用来说，期望以空间分辨的方式确定测量面的反射率。可以在建筑中找到用于测量外立面的反射的应用示例，尤其是太阳辐射的反射。同样，期望测量内部空间中的反射率，尤其是墙壁和内部区域中的其它大面积建筑结构对象的反射率。此外，在科学领域中存在用于测量平面样品的反射率的应用。这包括针对例如植物或其它生物对象的静态样品和动态样品。
此外，确定太阳能热塔发电站中的辐射接收器的反射率也是必要的：为了利用太阳能，已知借助多个反射器将太阳辐射聚集到一个辐射接收器上。在太阳能热塔发电站中，入射的太阳辐射借助构造为定日镜的反射器被集中到辐射接收器上。为了确定辐射接收器的质量、为了检测辐射接收器在运行期间的缺陷以及为了优化对阳光的使用，对辐射接收器的吸收面的反射率进行空间分辨测量是期望的：由DE 10 2016 119 000 A1公知了一种太阳能热塔发电站和一种用于对塔发电站的定日镜进行定向的校准方法。由DE 102016226 033A1公知了一种用于确定太阳能热塔发电站的辐射接收器的吸收面的相对反射率的方法。在此，借助定日镜使光斑在辐射接收器上运动。在该运动期间，借助摄像头拍摄多个空间分辨图像。辐射接收器的吸收面被划分为多个截面，并且对于每个截面，基于来自摄像头的图像确定最大灰度值。根据最大灰度值，每个节段被分配相对反射率。
发明内容
本发明的目标在于，能够实现相比于现有技术更快的相对反射率的确定或具有更高的空间分辨率的确定。
该目标通过用于确定测量面的相对反射率的方法来实现。有利的实施方式可以在从属方案中得到。
根据本发明的用于确定测量面的相对反射率的方法包括以下方法步骤：
在方法步骤A中，向测量面施加测量辐射，使得在测量面上产生测量斑。在方法步骤B中，根据第一轨迹运动，使测量斑沿至少一个为直线的第一测量斑轨迹运动。在方法步骤C中，在根据步骤B的第一轨迹运动期间拍摄测量面的多个空间分辨图像的第一图像集，并且在方法步骤D中，确定测量面的多个位置点的相对反射率。
如在上述由现有技术已知的方法中那样，由此，测量斑在测量面上运动，并且在该轨迹运动期间拍摄测量面的多个空间分辨图像。
重要的是，在根据本发明的方法中，在方法步骤B中，在第二轨迹运动中，测量斑还至少沿着不平行于第一测量斑轨迹的为直线的第二测量斑轨迹运动，使得在第一轨迹运动期间被测量斑扫过的测量面的第一测量轨迹区域至少与在第二轨迹运动期间被测量斑扫过的测量面的第二测量轨迹区域重叠。
在方法步骤C中，在根据步骤B的第二轨迹运动期间拍摄测量面的多个空间分辨图像的第二图像集。
在方法步骤D中，在交点上进行评估。所述交点在测量面上的位置由评估线限定，其中，预先给定和/或确定在第一测量轨迹区域内的第一组直线评估线和在第二测量轨迹区域内的至少第二组直线评估线。至少第一组直线评估线具有至少两条彼此间隔的评估线。第一组直线评估线中的评估线平行于第一测量斑轨迹，并且第二组直线评估线中的一条或多条评估线平行于第二测量斑轨迹。优选地，第二组直线评估线也具有至少两条评估线。
第一组直线评估线中的每条评估线与第二组直线评估线中的至少一条评估线、优选与第二组直线评估线中的每条评估线相交。
对于每个图像集，分别至少针对每个交点确定最大灰度值。在方法步骤D中，根据这些最大灰度值至少在交点的子集上确定测量面的相对反射率。
因此，根据本发明的方法使用在先前描述的评估线的交点上的最大灰度值，以便至少在交点的位置上确定相对反射率。由此，通过恰当地选择评估线可以实现更高的测量点密度，从而能够实现相比于现有技术更快的方法或者以更高的空间分辨率确定相对反射率。此外，对强度分布提出较低的要求，尤其是也可以使用具有多个局部极大值的测量斑。
优选地，测量面上的交点位置被预先给定。由此，也已知评估线并且可以以不复杂的方式进行评估。此外，优选地，第一测量斑轨迹和第二测量斑轨迹也在测量面上被预先给定。因此，在该有利的实施方式中，通过对用于移动测量斑的元件进行校准控制，可以以简单的方式执行该方法。
在另一个有利的实施方式中，从空间分辨图像中确定至少一条轨迹运动、优选两条轨迹运动的走向。由此得到的优点是，相应的测量斑轨迹不必或者至少不必精确地预先已知，并且尤其，校准的不精确性和误差也不会影响相对反射率的确定结果。尤其有利的是，相对于轨迹运动的走向预先给定评估线的走向。由此，可以通过简单的指定，例如对一个或多个平行于测量斑轨迹延伸的评估线的距离的指定，预先给定用于执行该方法所需的信息。
评估线的每个点在至少一个时间点上被测量斑的强度分布的局部极大值作用，所述局部极大值与评估线相交。所有局部极大值沿运动方向以相同的速度运动，并且通过测量斑的强度分布形成所有平行于运动方向布置的截面的局部极大值的前部。对于平行于运动方向的评估线，局部极大值的前部描述了对于每条评估线的全局最大值。当局部最大值的前部经过评估线上的位置点(例如交点)时，则在该时间点对于该位置点存在最大的灰度值。
优选地，从所配设的图像集中确定至少一条测量斑轨迹，特别优选地，确定两条测量斑轨迹，尤其是如下所描述的那样：为了确定测量斑轨迹，对于每个位置点确定在拍摄的时间段上出现最大灰度值的时间点。优选地，通过与实际时间成比例的拍摄的索引来定义时间点。沿着运动方向确定在数值上上升的时间点，相应于用局部极大值的前部施加的时间顺序。该值基础对应于用于由Bradski和Davis(G.R.Bradski和J.W.Davis,“MotionSegmentation and pose recognition with motion history gradients”,MachineVision and Applications 13(3),174-184(2002))所介绍的用于区分运动和确定运动方向的方法的输入参数。因此，基于时间梯度来确定测量斑轨迹的运动方向。
有利地，每组评估线具有至少五条、尤其至少十条、优选至少五十条评估线。根据本发明的方法的一个特别的优点在于，能够以小的耗费实现关于相对反射率的高的信息密度。评估线彼此之间或者与所配设的测量斑轨迹之间的距离和数量在此可以与相应的测量情况和测量斑的大小相适配。预先给定的评估线越多，则得到越多的交点，这些交点是用于确定相对反射率的基础。
然而，除了确定在交点处的相对反射率外，根据本发明的方法还提供了连续地沿着至少一条、优选地所有评估线指定相对反射率的可能性。这通过如下方式实现，即，基于在交点上相交的评估线可以建立方程组，该方程组能够实现沿着每条评估线的相对反射率的指定。
为了简化评估，有利的是，每个图像集的图像分别从相同的拍摄位置被拍摄。尤其，为了简化，有利的是，第一图像集的图像和第二图像集的图像的拍摄位置是相同的。
第一图像集的图像和第二图像集的图像优选摄像头、尤其优选借助空间分辨的电子摄像头拍摄。有利地，在拍摄图像之前进行摄像头的图像传感器的图像传感器校准、尤其是暗图像校正和/或白图像校正和/或线性化。由此简化了对来自摄像头的测量数据的评估。
根据本发明的方法具有的显著优点是，在不被测量斑的绝对强度最大值扫过的区域中也能够评估相对反射率。测量斑的其它强度分布，例如高斯分布、恒定的强度分布或在测量斑区域内的不规则的、不均匀的强度分布也不妨碍根据本发明的方法的应用。由此得到的优点是，在选择用于产生测量斑的光源方面仅存在很小的限制。
在一种有利的实施方式中，使用反射器作为用于对测量面施加测量辐射的源，尤其是相对于测量面可旋转的、优选可围绕多个轴线旋转的反射器。因此，在这种情况下，测量辐射由至少一个、优选地恰好一个光源产生，并且借助于反射器使测量斑在测量面上运动。这在根据本发明的方法用于确定太阳能热塔发电站的吸收区的反射率时是特别有利的，因为在此能够以简单方式使用已有的定日镜中的一种定日镜作为反射器。
因此，使用太阳作为用于产生测量辐射的光源尤其在本发明的范围中。
同样在本发明的范围中的是，使用轮廓辐射器(Profilstrahler)作为测量辐射的源。尤其是，优选可以使用在至少垂直于测量斑轨迹的方向上具有高强度的尽可能大的延展的轮廓辐射器，使得在测量斑沿着测量斑轨迹运动时扫过大的面积。
优选地，使用激光器作为测量辐射的源，尤其优选地，借助于激光器产生的激光射束借助于光学扩展元件被扩展、尤其是被扩展成线分布。在该有利的实施方式中，还优选地，横向于线分布的纵向延伸进行测量斑的运动，从而如前所述，在测量斑运动时扫过大的面积。
在另一个优选实施方式中，用于产生测量辐射的光源相对于测量面运动，以使测量斑沿着测量斑轨迹运动。这尤其在如下应用中是有利的，在所述应用中具有聚焦的测量射束的测量源可以以不复杂的方式沿着测量面运动，以产生测量斑。
在另一种有利的实施方式中，对至少两个不同的拍摄位置执行方法步骤A至D，并且在总体评估中针对交点的至少一个子集确定取决于角度的相对反射率。因此，通过不同的拍摄位置不仅获得关于测量面的相对反射率的分布的空间分辨信息，而且此外还确定关于反射角的相关性。为此尤其有利的是，对于多个拍摄位置分别执行方法步骤A至D。
根据本发明的方法尤其适用于确定大面积的相对反射率，例如太阳能热塔发电站的前述吸收面或建筑物的外立面。同样，根据本发明的方法可以以较小的规模、尤其是在实验室规模中使用，例如用于确定合成制造的表面或生物表面的相对反射率。
附图说明
下面借助附图和示例性实施例阐述其它优选的特征和实施方式。在此示出：
图1示出太阳能热塔发电站的示意图，其中，借助根据本发明的方法的示例性实施例来确定太阳能塔的吸收面的相对反射率；
图2至图4是用于阐述根据本发明的方法的示例性实施例的示意图。
附图标记列表
1 反射器
2 辐射接收器
3 摄像头
4 评估单元
5空间分辨图像的第一图像集
6测量面
7a、7b测量斑
8a 第一测量斑轨迹
8b 第二测量斑轨迹
9 重叠区域
10a、10b评估线
具体实施方式
附图示出示意的、不是按比例的视图。附图中相同的附图标记表示相同的或作用相同的元件。
图1示出太阳能热塔发电站的示意图。构造为定日镜的一组反射器1借助于马达式器件被安装在桥塔上，以便沿双轴旋转。塔发电站还具有辐射接收器2，该辐射接收器2布置在塔上并且具有矩形的辐射孔径。辐射接收器在矩形的辐射孔径内具有完全填充该辐射孔径的吸收器，该吸收器的吸收面与用于传热流体的线路导热地连接。
借助传热流体，通过借助反射器1将太阳光聚集到辐射接收器2上而获得的热量被导出以用于进一步的应用，在此，被导入用于发电的高能循环过程中。
塔发电站还具有位置固定的摄像头3，该摄像头3与辐射接收器对准，以便拍摄辐射接收器的空间分辨图像，并且该摄像头3与评估单元4(在此是具有处理器、数据存储器、程序存储器、输入设备(如键盘和鼠标)以及输出设备(如屏幕和扬声器)的计算单元)连接。
为此，评估单元4通过数据线缆与摄像头3连接，以便一方面控制摄像头3的拍摄，并且另一方面接收来自摄像头3的测量图像。此外，评估单元4通过无线电与用于定位反射器1的马达式器件连接。
为了运行太阳能发电站，评估单元4被构造为，一方面作为跟踪单元在变化的太阳位置跟踪反射器1，从而始终将太阳光集中到辐射接收器2上，而与太阳位置无关。另一方面，评估单元4被构造为执行下面描述的根据本发明的方法的示例性实施例，该方法用于空间分辨地确定辐射接收器2的吸收器的相对反射率：
在根据本发明的方法的一个实施例中，借助评估单元4控制反射器1，使得被反射的太阳光沿着直线的、水平的轨迹扫过吸收面，在当前示例中，所述吸收面表示测量面。其余的反射器1以没有太阳光被反射到测量面上的方式进行定向。
因此，借助反射器1反射到测量面上的光表示测量斑，并且之前描述的直线的水平运动表示第一测量斑轨迹。
接着，借助于反射器1，测量斑还沿着垂直的直线运动在测量面上被引导，使得该为直线的第二测量斑轨迹与第一测量斑轨迹相交。这在图2中示意地示出：
测量斑7a沿着第一测量斑轨迹8a运动。测量斑7a被示出在第一测量斑轨迹8a的起点和终点上。接着，测量斑沿着第二测量斑轨迹8b运动。在此，还示出第二测量斑轨迹8b的起点和终点上的测量斑7b。箭头表示相应的运动方向。第一测量斑轨迹和第二测量斑轨迹重叠，使得在重叠区域9中，测量面6不仅被测量斑7a扫过，而且被测量斑7b扫过。
在测量斑7a沿着第一测量斑轨迹8a运动的第一轨迹运动期间，借助于摄像头3拍摄空间分辨图像的第一图像集5。这些在图1中示意地示出。在本示例中，第一图像集的图像以40Hz的频率拍摄。
同样，在测量斑7b沿着第二测量斑轨迹8b运动的第二轨迹运动期间，以相同的频率拍摄空间分辨图像的第二图像集。
在本示例性实施例中，第一测量斑轨迹和第二测量斑轨迹的运动方向以及起点和终点存储在评估单元4中，并且被转发到反射器1的马达式器件，使得反射器1执行相应的旋转运动。
空间分辨图像的第一图像集和第二图像集表示测量数据，基于该测量数据，按照如下方式确定相对反射率：
基于评估线的交点进行所述确定，其中，该评估线平行且等距地布置在测量斑轨迹两侧：这些线在图2中用虚线示出。示例性地，第一组评估线中的两个靠外的评估线10a和第二组评估线中的两个靠外的评估线10b被标出。这些靠外的评估线分别处于所关联的测量轨迹区域的边界上。在本示例中，评估线彼此相距7mm。在本示例中，测量斑覆盖大约5m的面积。
在重叠区域9中，评估线相互交叉，使得第一组评估线中的每条评估线与第二组评估线中的每条评估线交叉。
测量斑典型地具有不均匀的强度分布。
在图3中，透视地示出了测量斑的理想化的强度分布，其具有中心强度最大值。虚线表示沿着由箭头指示的运动方向的评估线。实线表示相同强度水平。对于图3中所示的时间点，通过点划线示出在运动方向上运动时的局部极大值的前部。当局部极大值的前部经过评估线上的位置点(例如交点)时，则在该时间点对于该位置点存在最大的灰度值。
然而在实际应用中，很少实现这种均匀的强度分布。本发明的一个优点是，该方法同样可以应用于非均匀的和未知的强度分布。因此，在图1和图4中，测量斑7a、7b被示出为不规则的同心环。这些环形线分别象征性表示保持恒定强度水平。同样，在图2和图4中，沿着运动方向的局部极大值的前部分别由虚线表示。由于不均匀的强度分布，该前部通常不是直线。
沿着运动方向依次排列的点构成了入射分布的同一截面。因此，在测量斑的入射的辐射密度分布保持恒定的前提下，在处于该线上的点处反射辐射密度函数的相同的局部极大值。因此，在第一轨迹运动期间，例如，第一组评估线中的评估线的所有交点的最大强度对应于第一测量斑7a的最大前部所关联的局部极大值。因此，沿着评估线，加载该评估线的点和尤其是在该评估线上的交点所用的绝对强度未知。然而，已知将这些点在第一轨迹运动期间施加测量辐射所用的最大强度在上述前提下是相同的。
这相应地适用于第二轨迹运动。
如果(在理想情况下)测量面沿着评估线具有恒定的反射率，则在评估该测量点所关联的图像集中的所有图像时，沿着评估线可预期恒定的最大反射强度和相应地恒定的最大灰度值。因此，根据该最大灰度值，尤其是交点的最大灰度值，也可以推断出在局部不均匀的反射率情况下的相对反射率：
图4中示意地示出用于具有局部不均匀的反射率的非理想测量面的测量结果：测量斑7a沿着第一测量斑轨迹8a在由箭头指示的方向上运动。局部极大值的前部在时间点ti扫过点Px,y。示例性地示出了时间点t0、tk、tn-m和tn(对于具有n+1个图像(i＝0、...、n)的图像集)，其分别具有相关联的局部极大值的前部，由虚线示出。由箭头来参考针对这些时间点的相对强度Li,rel。
如图2所示，评估线也以虚线示出。在下部区域中，示意地示出了针对评估线10a上的每个点的最大灰度值，所述最大灰度值针对相应的点根据第一图像集确定。在完全均匀的吸收器的情况下，期望水平的直线。在非均匀的吸收器的实际情况下，期望最大灰度值的相应波动，如图4中在下部区域示意性示出的那样。因此，根据第一图像集，给沿着评估线10a的每个点Px,y分配最大灰度值，该最大灰度值对应于反射的光强度。因此，两个不同的点的最大灰度值彼此间的比例反映了这两个点的反射率的比例。
因此，在评估线i上，在执行第一轨迹运动时的最大反射辐射强度对应于最大测量波束强度与在该点Px,y上的反射率ρ(Px,y)的乘积。最大测量波束强度又除了比例因子ai以外对应于该点的最大灰度值。
重要的是，对于每个交点，可以根据第一轨迹运动以及第二轨迹运动建立如上所述的等式。在此，在第一轨迹运动和第二轨迹运动的情况下，在交点上的反射率是相同的，因为被施加的面的在交点上的反射率不改变。另一方面，如前所述，最大辐射强度对于处于评估线上的所有点都是相同的。反射的最大强度除了比例因子外由在相应的图像集中确定的对于该点的最大灰度值得出。
在每组评估线仅有两条评估线并因此有四个交点的系统中，已经存在超定方程组，该方程组能够针对每个交点确定相对反射率。
由于在轨迹运动期间测量斑的强度或强度分布的测量误差或波动，有利的是，通过超定方程组利用本身已知的数学方法(例如通过误差最小化)来确定交点处的相对反射率。
因此，在执行该方法之后，至少对于交点存在相对反射率。可以以本身已知的方式进行标准化，以确定绝对反射率，在本示例中，例如通过确定直接法线辐射(DNI)以及使用DNI值对最大灰度值进行标准化。在此，优选考虑在轨迹运动期间DNI值的变化，从而在测量期间校正由于强度波动引起的误差。
可替换地，可以通过将先前以实验室中的已知器件测量的参考样品布置在测量面中来进行标准化，相对反射率与该参考样品相关。
如前所述，超定方程组的解能够实现交点处的相对反射率的确定。然而，沿着评估线，两个不同的点的最大灰度值的比例如同样在上文中描述的那样对应于相对反射率的比例。因此，借助于本方法，能够以简单的方式不仅沿着评估线给出在交点上的相对反射率，而且沿着所有的图像点(在所述图像点上进行了灰度值的测量)给出。

Claims (12)

1.一种用于确定测量面(6)的相对反射率的方法，所述方法包括以下方法步骤：
A.向所述测量面(6)施加测量辐射，使得在所述测量面(6)上产生测量斑(7a、7b)，
B.根据第一轨迹运动，使所述测量斑在所述测量面(6)上沿着至少一个为直线的第一测量斑轨迹(8a)运动，
C.在根据步骤B的所述第一轨迹运动期间，拍摄所述测量面(6)的多个空间分辨图像的第一图像集，以及
D.确定所述测量面(6)的多个位置点的相对反射率，其特征在于，
在方法步骤B中，在第二轨迹运动中，所述测量斑(7a、7b)在所述测量面(6)上还至少沿着不平行于所述第一测量斑轨迹(8a)的为直线的第二测量斑轨迹(8b)运动，使得在所述第一轨迹运动期间被所述测量斑(7a、7b)扫过的所述测量面(6)的第一测量轨迹区域至少与在所述第二轨迹运动期间被所述测量斑(7a、7b)扫过的所述测量面(6)的第二测量轨迹区域重叠，使得在方法步骤C中，在根据步骤B的所述第二轨迹运动期间拍摄所述测量面(6)的多个空间分辨图像的第二图像集，并且
在方法步骤D中，在交点上进行评估，所述交点在所述测量面(6)上的位置由评估线(10a、10b)限定，其中，预先给定和/或确定在所述第一测量轨迹区域内的第一组直线评估线和在所述第二测量轨迹区域内的至少第二组直线评估线，其中，至少所述第一组直线评估线具有至少两条彼此间隔的评估线，所述第一组直线评估线中的评估线平行于所述第一测量斑轨迹，并且所述第二组直线评估线中的一条或多条评估线平行于所述第二测量斑轨迹，并且所述第一组直线评估线中的每条评估线与所述第二组直线评估线中的至少一条评估线相交，
其中，对于每个图像集，分别至少针对每个交点确定最大灰度值，并且
在方法步骤D中，根据所述最大灰度值至少在所述交点的子集上确定所述测量面(6)的相对反射率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预先给定所述测量面(6)上的所述交点的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述空间分辨图像中确定至少一条轨迹运动的走向。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每组评估线(10a、10b)具有至少5条评估线(10a、10b)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个图像集的所述图像分别从相同的拍摄位置被拍摄。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助摄像头(3)拍摄所述图像集的图像，并且在拍摄所述图像之前对所述摄像头(3)的图像传感器进行图像传感器校准。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用反射器作为用于对所述测量面(6)施加测量辐射的源。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用轮廓辐射器作为所述测量辐射的源。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用激光器作为所述测量辐射的源。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于产生所述测量辐射的光源相对于所述测量面(6)运动。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对至少两个不同的拍摄位置执行方法步骤A至D，并且在总体评估中针对交点的至少一个子集确定取决于角度的相对反射率。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其特征在于，借助于所述方法确定太阳能塔的吸收面的相对反射率。
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