CN115205104A - 一种圆柱形靶光斑校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能热发电技术领域，具体为一种圆柱形靶光斑校验方法，具体包括如下步骤：标注→安装校验相机→采集背景图像→定位标识点→标定相机平动和转动参数→按照就近可及原则分配定日镜反射到对应校验区域；→按定日镜当前参数旋转定日镜到反射位置→计算光斑中心→计算指向误差。本发明针对圆柱形靶，给出光斑中心的确认、各种误差因素的影响的去除等的解决方案，可以利用吸热塔上现成的圆柱体来作为靶来进行定日镜的光斑校验，直接使用吸热塔的圆柱塔身作为靶来进行定日镜校验；并分别给出正方标注和正方成像标注两种校验方案。

Description

一种圆柱形靶光斑校验方法

技术领域

本发明涉及太阳能热发电技术领域，具体为一种圆柱形靶光斑校验方法。

背景技术

塔式太阳能热发电系统利用实时跟踪太阳的定日镜将太阳光反射到吸热塔上的吸热器面屏上，加热吸热器中的热介质，进而实现发电。如果不能将光准确反射到吸热器上，会造成聚光损失，还可能因为光线在吸热器上分布不均匀而使吸热器表面温度分布不均匀，造成吸热器损坏。因此，需要对定日镜进行定期校验，判断定日镜精度。如果发现精度严重下降，则要及时进行校正。

目前，最常用的定日镜校验方法是让定日镜将光线反射到指定正方形平面靶上，根据光斑中心偏离靶心的程度来进行校验，偏离越大，则说明精度越低。这种方法需要在吸热塔上额外建设4个正方形平面靶，施工要求高，并增加了额外费用。

公开(公告)号：CN102937814B公开了一种塔式太阳能热发电系统的定日镜精度动态校验方法与系统，该方法具体为对镜场中的光斑成像装置设置光斑校验位置轨迹，并将光斑校验位置轨迹转化为对应的定日镜转角轨迹，并据此控制定日镜的转动，在定日镜转动过程中，光斑采集装置实时采集光斑成像装置上的光斑图像，并实时发送给图像处理装置进行实时处理，识别出定日镜光斑实际运动轨迹，并将光斑的实际运动轨迹与设定的理论运动轨迹对应起来，结合定日镜位置信息计算出被校验定日镜的精度，精度达到设定值则校验通过，该方法及系统突破了定日镜精度静态校验的观念，通过对动态定日镜光斑的识别和处理来计算定日镜精度，可有效提高定日镜校验效率及结果的准确性。上述专利使用4个正方形平面靶来进行进行定日镜校验的，施工要求高，并增加了额外费用。

事实上，为了提高抗风性能，吸热塔一般用混凝土建造，塔身一般为圆台形，因为吸热塔很高，吸热器下方的塔身可以认为是圆柱形的。那么直接利用吸热器下方的吸热塔身作为靶来进行定日镜校验就可以减少施工难度，降低成本。这种方案的难点在于，圆柱形靶光斑中心确定、精度测算都较平面靶复杂很多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆柱形靶光斑校验方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种圆柱形靶光斑校验方法，具体包括如下步骤：

S10标注：对吸热器下方的吸热塔柱面进行正方标注，共在柱面上标注4组，共16个点，每组点在圆柱拓扑平面上为正方形，对同一组点ABFE进行了标识，且AB＝BF＝FE＝EA＝圆柱半径，柱面上ABFE四边形区域作为靶面进行后续的校验，其它3组点也分别形成3个校验区域；

S20安装校验相机：确保相机正对校验区域，相机高度与校验区域中心位于同一高度，调整相机焦距，使相机画面的大部分区域为校验区域，且校验区域位于画面中央，其它校验区域不要出现在画面中；

S30采集背景图像：在无定日镜的情况下将阳光反射到校验区域，使用校验相机采集图像；

S40定位标识点：若校验相机为彩色相机，则先将图像灰度化，选择合适阈值，将灰度图进行二值化，大于该阈值的像素置为0，小于该阈值的置为255，二值图上出现4个白色小方块或小圆斑计算连通域，得到4个斑点区域各自对应的像素坐标集合，求各自像素坐标的平均值就可以定位这4个标识点，即步骤S10中标注的A、B、F、E点；

S50标定相机平动和转动参数：以正常情况为对比，柱子与相机间的相对运动为相机的平动和转动，引入6个参数来表示相机运动，而4个标记点给出8个方程，对此6个参数进行求解，求解后，对柱面任意一点都可从像素坐标推导出空间坐标，进而求得指向误差；

S60：按照就近可及原则分配定日镜反射到对应校验区域；

S70：按定日镜当前参数旋转定日镜到反射位置；

S80：计算光斑中心；

S90：计算指向误差；

作为优选，步骤S10中所述正方标注是指在圆柱拓扑平面上标注正方形顶点的标注方法。

作为优选，步骤S10中所述正方标注也可采用正方成像标注。

作为优选，步骤S60具体操作为：根据当前时刻太阳位置计算当前定日镜反射到各校验区域的反射角，与定日镜位于吸热塔不同侧的校验区域不参与计算，选择反射角最小的校验区域进行校验。

作为优选，步骤S70具体操作为：定日镜将阳光反射到校验区域，若定日镜完全精准且无其它误差，则光斑中心与校验区域中心重合。

作为优选，步骤S80具体操作为：若校验相机为彩色相机，则先将图像灰度化，灰度图上的像素值如果小于阈值则置为0，如果大于这个阈值，则不变，阀值取200

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本圆柱形靶光斑校验方法针对圆柱形靶，给出光斑中心的确认、各种误差因素的影响的去除等的解决方案，可以利用吸热塔上现成的圆柱体来作为靶来进行定日镜的光斑校验，直接使用吸热塔的圆柱塔身作为靶来进行定日镜校验；并分别给出正方标注和正方成像标注两种校验方案。

附图说明

图1为本发明正方标注的流程图；

图2为本发明圆柱形靶的正方标注的立体示意图；

图3为本发明圆柱形靶的正方标注的拓扑示意图；

图4为本发明圆柱形靶的正方标注的无偏差情况示意图；

图5为本发明圆柱形靶的正方标注的左右偏移情况示意图；

图6为本发明圆柱形靶的正方标注的水平指偏情况示意图；

图7为本发明圆柱形靶的正方标注的竖直指偏情况示意图；

图8为本发明圆柱形靶的正方标注的绕光轴旋转情况示意图；

图9为本发明圆柱形靶的正方成像标注的正常情况示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种圆柱形靶光斑校验方法，具体包括如下步骤：

1)对吸热器下方(如果吸热塔上方柱面空间足够也可选择)的吸热塔柱面进行正方标注。正方标注是指在圆柱拓扑平面上标注正方形顶点的标注方法。如图2所示，共在柱面上标注4组，共16个点。每组点在圆柱拓扑平面上都是一个正方形(圆柱形靶正方标注的拓扑示意图见图3)。图2和图3中对同一组点ABFE进行了标识。在图3中，AB＝BF＝FE＝EA＝圆柱半径(这里也可以选择小于圆柱半径的边长。边长越长可容纳的光斑越大)。柱面上ABFE四边形区域作为靶面进行后续的校验。其它3组点也分别形成了3个校验区域。

2)安装校验相机。确保相机尽量正对校验区域，相机高度接近校验区域中心高度。调整相机焦距，使相机画面的大部分区域为校验区域，且校验区域位于画面中央。其它校验区域不要包含到画面中。

3)采集背景图像。在无定日镜将阳光反射到校验区域的情况下，使用校验相机采集图像。

4)定位标识点。若校验相机为彩色相机，则先将图像灰度化。选择合适阈值(因为标识点为黑色，应该选择接近0的阈值，比如50)，将灰度图进行二值化。大于该阈值的像素置为0，小于该阈值的置为255。二值图上出现4个白色小方块(或小圆斑。根据标注时使用的标识样式确定)。计算连通域，可以得到4个斑点区域各自对应的像素坐标集合。求各自像素坐标的平均值就可以定位这4个标识点，即下文所述的A、B、F、E点。

5)标定相机平动和转动参数。

以正常情况为对比，柱子与相机间的相对运动都可以认为是相机的平动和转动。那么，需要引入6个参数来表示相机运动，而4个标记点可以给出8个方程，因此这6个参数是可以求解的。求解后，对柱面任意一点都可从像素坐标推导出空间坐标，进而求得指向误差。

首先考虑相机中心O与A、B点构成的平面垂直于柱中心轴的情况，如图4所示，其中OAB平面垂直于圆柱的中心轴线。这里采用相机坐标系，所以O点是坐标系原点。为方便分析，我们先只考虑两个标注点A和B，求得它们的坐标就可以推导出它们成像后像素坐标。现在已知相机到柱子中心的距离为d，也就是|OC|＝d；圆柱半径为r；正方形边长为a,则：

OC为x轴方向，它的当前平面内垂线为z轴，面外方向y轴，则B点坐标为

同理，A点坐标为

A点、B点和D点在图像上坐标分别表示为

这里设D点对应着图像的中心。

对应着图像水平坐标的中心点(这里只是为了方便表示，并不需要从D点出发去计算，比如水平分辨率为1920，水平中心坐标为960)，那么

以及

因此，如果A、B两点在图像上对称分布，也就是满足

并且

显而易见，另外两个标注点(E和F)也应该满足同样的条件，并且

而且，

此时，可以认为相机与柱子的相对位置无偏移。最后一个条件不满足，其它条件满足时，相机与柱子的相对位置存在上下偏移。

在无偏移情况下，柱面上一点P的坐标x_p(光轴方向为z轴方向)与像素坐标

的关系为

其中，θ为∠PCO。可得

对于y坐标

这样就可以通过光斑中心的图像坐标计算出相机坐标系坐标，进而求出指向误差。令

这里的c是一个常数，其值可以通过图像上B、D坐标和柱的参数求得。

则

令

则

那么

也就是

理想情况下，相机正对标注正方形的几何中心。只要把A、B两点分别替换成AE中点和BF中点即可。

在实际情况下，相机相对理想情况会存在平动和转动。平动，也就是平移，具体可以分为左右偏移，如图5所示、上下偏移、前后偏移。设这三个偏移量分别为Δx、Δy、Δz。一般来说αz相对相机与柱子中心的距离d要小得多，甚至带来的影响还没有图像上的像素误差大，所以从数学上是可解的，但是没必要考虑这一因素。

不考虑转动，对于同时存在左右和上下偏移的平移情况，

αx和αy可以通过上两式求得。有柱面一点P(θ,αy_p)，Δy_p表示P点与标注区域中心沿圆柱轴向的距离，则

通过第一个式子之一即可求出θ，

然后P点坐标为

转动可以分为水平指偏(对应相机绕世界坐标系z轴旋转，也就是正常情况下相机坐标系的y轴，如图6所示)、竖直指偏(对应相机绕世界坐标系x轴旋转，也就是正常情况下相机坐标系的x轴，如图7所示)、绕光轴旋转，如图8所示(对应相机绕世界坐标系y轴旋转，也就是正常情况下相机坐标系的z轴)三种情况。设它们的旋转角分别为α、β、γ，在单纯存在水平指偏(对应相机绕世界坐标系z轴旋转，也就是正常情况下相机坐标系的y轴)的情况下，设柱面相对旋转角度为α。该角度一般不会很大，我们先假设其大小范围不会超过±15°。A点坐标表示为

B点坐标表示为

E点坐标表示为

F点坐标表示为

这里设D点对应着图像的中心。A、B、E、F点与D点像素坐标差分别与下面各坐标成正比

那么

这样即可求出P(θ,Δy_p)。有柱面一点P(θ,Δy_p)，Δy_p表示P点与标注区域中心沿圆柱轴向的距离，则

在单纯存在竖直指偏(对应相机绕世界坐标系x轴旋转，也就是正常情况下相机坐标系的x轴)的情况下，AE与相机坐标y轴夹角为β，则A、B、E、F四点坐标分别为

这里设D点对应着图像的中心。A、B、E、F点与D点像素坐标差分别与下面各坐标成正比

那么

这样即可求出β。有柱面一点P(θ,Δy_p)，Δy_p表示P点与标注区域中心沿圆柱轴向的距离，

则

在单纯存在旋转的情况(对应相机绕世界坐标系y轴旋转，也就是正常情况下相机坐标系的z轴)下，设旋转角度为γ。该角度一般不会很大，我们先假设其大小范围不会超过±15°。旋转矩阵为

旋转前A、B、E、F四点坐标分别为

很容易得到旋转后A、B、E、F四点坐标，

进而对比像素坐标求出γ。柱面一点P(θ,Δy_p)，Δy_p表示P点与标注区域中心沿圆柱轴向的距离。很容易求出

求出θ和Δy_p后，就可以计算出P点相机坐标系坐标。

考虑3种旋转情况(按水平指偏、竖直指偏、光轴旋转顺序)后，A、B、E、F四点坐标表示为

这里设D点对应着图像的中心。A、B、E、F点与D点像素坐标差可以表示为

其中，c为比例系数，是一常数,4个未知数，8个方程，可解,进而，对于柱面一点P，也就很容易求出相机坐标系坐标。

相机和柱子间相对运动都可以分解为相机和柱子的平动和转动的组合。考虑3种旋转情况(按水平指偏、竖直指偏、光轴旋转顺序)和2种平移，并且先旋转后平移，则A、B、E、F四点坐标表示为

这里设D点对应着图像的中心。A、B、E、F点与D点像素坐标差可以表示为

对于这8个方程组成的非线性方程组，很难进行数值求解。可以使用牛顿法或梯度下降法等来进行数值求解。

当求解得到5个参数后，对于柱面一点P(θ,Δy_p)，Δy_p表示P点与标注区域中心沿圆柱轴向的距离。P点的像素坐标则可以表示为

求解出θ和Δy_p后，就可以求出P点空间坐标。进而可以计算指向误差。通过指向误差就可以判断定日镜指向精度。

另外，一般来说相机和柱子间的相对运动幅度不会很大，因此也可以采用近似算法，不去求解上述五参数模型。ABFE是空间中的一个长方形，它在相机中的成像为一个四边形，正常情况下是一个长方形。如果变形不大，可以只考虑平移情况进行计算。

6)按照就近可及原则分配定日镜反射到对应校验区域。也就是说，根据当前时刻太阳位置计算当前定日镜反射到各校验区域的反射角。与定日镜位于吸热塔不同侧的校验区域不参与计算。选择反射角最小的校验区域进行校验。

7)按定日镜当前参数旋转定日镜到反射位置。定日镜会将阳光反射到校验区域。若定日镜完全精准且无其它误差，光斑中心与校验区域中心重合。

8)计算光斑中心。若校验相机为彩色相机，则先将图像灰度化。灰度图上的像素值如果小于一定阈值(因为要保留光斑，该阈值要接近255，比如200)则置为0，如果大于这个阈值，则不变。对阈值化处理后的图像求亮度“质心”，即

这里，

表示求得的光斑中心，比如(u,v)。m_i表示像素值。x_i表示像素坐标。这个式子即为对像素坐标加权平均，权重为像素值大小。

9)计算指向误差。将求得的光斑中心满足下式

其中，(u,v)为光斑中心的图像坐标。(u_D,v_D)为图像中心坐标，分别为图像宽和高的一半。求解出θ和Δy_p后，则可确定指向误差。无指向误差时，θ＝0且Δy_p＝0。

实施例2

一种圆柱形靶光斑校验方法，正方成像标注的标注方式与实施例1不同，求解方式类似。4个标注点在相机中形成一个正方形，因此取名为正方成像标注。

在不考虑相机和柱间的平动和转动的正常情况下，如图9所示，设相机到柱子中心的距离为d，也就是|OC|＝d；圆柱半径为r；正方形ABFE边长为a。

OC为x轴方向，它的当前平面内垂线为z轴，面外方向y轴，则B点坐标为

同理，A点坐标为

这里设D点对应着图像的中心。A、B、E、F点与D点像素坐标差分别与下面各坐标成正比

在无偏移情况下，柱面坐标x_p(光轴方向为z轴方向)与像素坐标

的关系为

则

对于y坐标

这样就可以通过光斑中心的图像坐标计算出相机坐标系坐标，进而求出指向误差。

考虑平动与转动的情况的求解方法与实施例1类似。

值得说明的是，依据本发明方案进行其它类似标注，比如正方标注除四个顶点外，还可以同时标注几何中心或各边中点。其它几何图形的标注在事先测得尺寸的情况下也可依据该技术方案的原理求得指向误差。

本发明的圆柱形靶光斑校验方法针对圆柱形靶，给出光斑中心的确认、各种误差因素的影响的去除等的解决方案，可以利用吸热塔上现成的圆柱体来作为靶来进行定日镜的光斑校验，直接使用吸热塔的圆柱塔身作为靶来进行定日镜校验；并分别给出正方标注和正方成像标注两种校验方案。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种圆柱形靶光斑校验方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

S10标注：对吸热器下方的吸热塔柱面进行正方标注，共在柱面上标注4组，共16个点，每组点在圆柱拓扑平面上为正方形，对同一组点ABFE进行了标识，且AB＝BF＝FE＝EA＝圆柱半径，柱面上ABFE四边形区域作为靶面进行后续的校验，其它3组点也分别形成3个校验区域；

S20安装校验相机：确保相机正对校验区域，相机高度与校验区域中心位于同一高度，调整相机焦距，使相机画面的大部分区域为校验区域，且校验区域位于画面中央，其它校验区域不要出现在画面中；

S30采集背景图像：在无定日镜的情况下将阳光反射到校验区域，使用校验相机采集图像；

S40定位标识点：若校验相机为彩色相机，则先将图像灰度化，选择合适阈值，将灰度图进行二值化，大于该阈值的像素置为0，小于该阈值的置为255，二值图上出现4个白色小方块或小圆斑计算连通域，得到4个斑点区域各自对应的像素坐标集合，求各自像素坐标的平均值就可以定位这4个标识点，即步骤S10中标注的A、B、F、E点；

S50标定相机平动和转动参数：以正常情况为对比，柱子与相机间的相对运动为相机的平动和转动，引入6个参数来表示相机运动，而4个标记点给出8个方程，对此6个参数进行求解，求解后，对柱面任意一点都可从像素坐标推导出空间坐标，进而求得指向误差；

S60：按照就近可及原则分配定日镜反射到对应校验区域；

S70：按定日镜当前参数旋转定日镜到反射位置；

S80：计算光斑中心；

S90：计算指向误差。

2.根据权利要求1所述的圆柱形靶光斑校验方法，其特征在于：步骤S10中所述正方标注是指在圆柱拓扑平面上标注正方形顶点的标注方法。

3.根据权利要求1所述的圆柱形靶光斑校验方法，其特征在于：步骤S10中所述正方标注也可采用正方成像标注。

4.根据权利要求1所述的圆柱形靶光斑校验方法，其特征在于：步骤S60具体操作为：根据当前时刻太阳位置计算当前定日镜反射到各校验区域的反射角，与定日镜位于吸热塔不同侧的校验区域不参与计算，选择反射角最小的校验区域进行校验。

5.根据权利要求1所述的圆柱形靶光斑校验方法，其特征在于：步骤S70具体操作为：定日镜将阳光反射到校验区域，若定日镜完全精准且无其它误差，则光斑中心与校验区域中心重合。

6.根据权利要求1所述的圆柱形靶光斑校验方法，其特征在于：步骤S80具体操作为：若校验相机为彩色相机，则先将图像灰度化，灰度图上的像素值如果小于阈值则置为0，如果大于这个阈值，则不变，阀值取200。

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