一种定日镜光斑校验中风致误差的去除方法及校验系统与流程

本发明属于定日镜光斑校验，具体涉及一种定日镜光斑校验中风致误差的去除方法及校验系统。

背景技术：

1、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。

2、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。比如，专利《cn102937814b-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》。

3、然而，在当前已有方法中没有考虑由风导致的吸热塔和定日镜的摆动引起的校验误差。一般而言，对于目前的商用镜场，吸热塔高度在200米左右，靶位于吸热塔上，高约180米左右。靶受风影响而产生的摆动的幅度能达到0.7米左右，而正方形靶的边长为20米左右，这个摆动幅度会带来3.5％的误差。另一方面，虽然校验相机安装得不是很高，但是相机摆动而引起的图像偏移也很大。那么，由风导致的校验误差是不应该被忽略的。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种定日镜光斑校验中风致误差的去除方法及校验系统；所述方法使用吸热塔上安装的相机和地面标识评估靶偏离程度，再结合靶图像区域提取来进行处理的图像处理方法，用于去除由风导致的校验误差。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种定日镜光斑校验中风致误差的校验系统，所述校验系统包括：定日镜、安装在吸热塔上的校验靶、安装在吸热塔上且设置于所述校验靶下方的定位相机、设置在地面的校验相机、地面标识物；

4、校验时，所述定日镜将阳光反射到所述校验靶上形成光斑；

5、所述校验相机拍摄所述校验靶上的所述光斑；

6、所述定位相机拍摄地面的对应标识物，用于确定所述校验靶的偏移量。

7、进一步地，所述校验系统包括1-4组校验单元；每组校验单元包括一个所述校验靶、一个所述校验相机、一个所述定位相机及一个所述地面标识物；所述校验靶安装在吸热塔正东方向、正南方向、正西方向或正北方向；所述定位相机安装在相应校验单元中的所述校验靶的下方，用于采集包含相应地面标识物的图像；所述地面标识物安装在相应校验单元中的所述定位相机的前方地面上；所述校验相机用于拍摄采集相应校验单元中所述校验靶的图像；

8、当所述校验单元的数量为四个时；

9、所述校验靶包括分别安装在吸热塔正东方向、正南方向、正西方向和正北方向的第一校验靶、第二校验靶、第三校验靶、第四校验靶；第一校验靶、第二校验靶、第三校验靶、第四校验靶为面积相同的正方形；

10、所述校验相机的数量为四个，四个所述校验相机设置于同一水平面上；包括第一校验相机、第二校验相机、第三校验相机和第四校验相机；所述第一校验相机、所述第二校验相机、所述第三校验相机和所述第四校验相机分别用于拍摄采集包含所述第一校验靶、所述第二校验靶、所述第三校验靶和所述第四校验靶的图像；

11、所述定位相机的数量为四个，包括分别安装在所述第一校验靶、所述第二校验靶、所述第三校验靶、第四校验靶下方的第一定位相机、第二定位相机、第三定位相机和第四定位相机；

12、所述地面标识物的数量为四个，包括第一标识物、第二标识物、第三标识物和第四标识物；所述第一标识物、所述第二标识物、所述第三标识物和所述第四标识物分别和所述第一定位相机、所述第二定位相机、所述第三定位相机、所述第四定位相机一一对应，且分别安装在各定位相机的前方地面上；

13、所述第一定位相机、所述第二定位相机、所述第三定位相机、所述第四定位分别用于采集包含所述第一标识物、所述第二标识物、所述第三标识物和所述第四标识物的图像。

14、一种定日镜光斑校验中风致误差的去除方法，采用所述校验系统，所述去除方法包括：

15、(1)评估靶偏离程度：计算地面标识物的几何中心对应像素坐标；计算定位相机偏离程度；根据定位相机偏离程度计算获得校验靶的偏离；

16、(2)去除校验相机位置偏离带来的误差：通过靶图像区域提取来去除校验相机位置偏离带来的误差；

17、(3)光斑中心确定：在无定日镜将光斑投射到校验靶的情况下，对采集的校验靶背景图像进行平均化处理；控制定日镜将反射的太阳光线的光斑投射到校验靶上，获取光斑中心的像素坐标，计算光斑中心在校验靶上的相对坐标；

18、(4)光斑形状的正态分布拟合：进行光斑中心位置和光斑亮度的正态分布拟合；

19、(5)残余误差去除：计算无偏移情况下光斑中心在校验靶上的相对坐标；

20、(6)确定光束质量；根据光斑总能量比例阈值确定光斑形状和尺寸。

21、进一步地，步骤(1)具体包括：

22、s1.计算地面标识物的几何中心对应像素坐标：

23、在无风天气下，使用各个定位相机采集包含相应标识物的图片，并计算标识物的几何中心对应的像素坐标：

24、

25、

26、其中，uc是标识物的几何中心横坐标，vc是标识物的几何中心纵坐标；ui是标识物像素点i的横坐标，vi是标识物像素点i的纵坐标，n是标识物像素点的个数；

27、s2.定位相机偏离程度计算

28、在无风天气下，第一定位相机的坐标为(xcam1,ycam1,zcam1)；第一定位相机的姿态参数为(αcam1,βcam1,γcam1)；αcam1,βcam1,γcam1分别代表第一定位相机绕x、y、z轴旋转的角度；(这三个轴是以相机中心为原点，正东方向为x轴，正北方向为y轴，竖直向方向为z轴)；并且姿态参数受风的影响较小，可认为有风无风情况下不发生变化。

29、在有风天气下，设第一定位相机的x、y坐标变化量分别为δx和δy；此时，第一定位相机的坐标为(xcam1+δx,ycam1+δy,zcam1)；

30、第一定位相机对应的第一标识物的几何中心点p1的镜场坐标(xm1,ym1,zm1)转换到相机坐标表示为：

31、

32、其中，rcam是旋转矩阵，表示为

33、

34、则第一标识物的几何中心点p1在第一定位相机中对应的像素点坐标为

35、

36、其中，um1、vm1分别是像素点的横纵坐标；fx、fy分别是第一定位相机的x和y方向的焦距；cx和cy是第一定位相机拍摄图片的中心点对应的x和y方向的像素坐标；

37、(xcam1,ycam1,zcam1)、(αcam1,βcam1,γcam1)和(xm1,ym1,zm1)在无风天气下进行标定；

38、联立(xcam1,ycam1,zcam1)、(αcam1,βcam1,γcam1)、(xm1,ym1,zm1)和(um1,vm1)进行计算，求出第一定位相机对应的x、y坐标的变化量δx和δy；

39、s3.靶偏离程度计算：

40、第一定位相机的高度为zcam1；校验靶上靶心高度为ztar，以靶心的偏离作为靶偏离的标准，计算出靶的偏离为

41、

42、

43、采用所述步骤s2的方法分别计算获得第二定位相机、第三定位相机、第四定位相机对应的x、y坐标的变化量δx和δy；取四个定位相机对应的x、y坐标的变化量的平均数作为最终求解的δx和δy，以提高精度。

44、进一步地，步骤(2)具体为：

45、第一校验相机拍摄获得包含第一校验靶的校验图像；

46、第一校验相机的坐标为(xcal1,ycal1,zcal1)，姿态参数为(αcal1,βcal1,γcal1)；αcal1,βcal1,γcal1分别代表第一校验相机绕x、y、z轴旋转的角度；

47、第一校验相机对应的第一校验靶的中心坐标为(xtar1,ytar1,ztar)；第一校验靶的边长为l；在第一校验相机的坐标系下，第一校验靶的中心坐标表示为

48、

49、其中，rcal是旋转矩阵，表示为

50、

51、第一校验靶的中心在第一校验相机拍摄的所述校验图像中的像素坐标为

52、

53、其中，(utar1,vtar1)是第一校验靶的中心在第一校验相机拍摄的所述校验图像中的像素坐标；fcal,x、fcal,y分别是第一校验相机的x坐标和y坐标方向的焦距；ccal,x和ccal,y是第一校验相机拍摄图片的中心点对应的x和y方向的像素坐标；

54、第一校验靶的边长l在校验图像中的像素长度为：

55、

56、校验图像中第一校验靶的四个顶点的像素坐标分别为(utar1-0.5a,vtar1+0.5a)、(utar1+0.5a,vtar1+0.5a)、(utar1+0.5a,vtar1-0.5a)、(utar1-0.5a,vtar1-0.5a)；进而确定第一校验靶的四边；

57、在第一校验靶无偏移情况下，求出四个顶点的像素坐标；前文有已经描述了在有偏移情况下，靶四个顶点的像素坐标与偏移量的关系，那么偏移量为0时，也就是没风的情况下就可以直接求出四个顶点的像素坐标。

58、当有风时，在图像中第一校验靶位置附近范围内进行直线识别，通过直线识别算法计算得到4条直线段构成第一校验靶在图像中的4条边；提取靶图像区域，即由4条直线段交点确定第一校验靶在图像中的4个顶点的坐标：(utar1,vex,1,vtar1,vex,1)、(utar1,vex,2,vtar1,vex,2)、(utar1,vex,3,vtar1,vex,3)、(utar1,vex,4,vtar1,vex,4)；

59、进而可以确定靶中心为：

60、

61、进一步地，步骤(3)具体为：

62、在无定日镜将光斑投射过来的情况下，对校验靶进行短时背景图像采集；对采集的靶背景图像进行平均化处理，对于每个像素点亮度有：

63、

64、式中，是平均化的靶背景图像的像素点；t代表对校验靶进行短时背景图像采集的图像数量，t代表图像的序号，j和i分别代表像素点横、纵坐标；pt,i,j代表序号t图像在i,j位置上的像素点亮度。

65、控制指定的定日镜将反射的太阳光线的光斑投射到校验靶上，然后采集一张靶图像，与步骤s2进行定位相机偏移量计算的图片在同一时刻拍摄；靶图像的像素点亮度记为进行帧差处理可得：

66、

67、式中，是帧差处理后的对应像素点亮度；

68、对帧差图像进行阈值化处理，阈值σ取20～80；具体取值可根据实施效果调整，优先50；

69、

70、式中，代表阈值化处理后图像的像素点(i,j)的亮度；

71、光斑中心的像素坐标用下式来计算：

72、

73、

74、式中，xc和yc代表光斑中心的像素坐标，j和i分别代表像素点横、纵坐标，n和m分别代表图像横纵方向的分辨率；

75、计算光斑中心在靶上的相对坐标为：

76、

77、式中，(x'c,y'c)代表光斑中心在靶上的相对坐标。

78、进一步地，步骤(4)具体为：

79、进行光斑中心位置和光斑亮度的正态分布拟合：

80、

81、其中，(x,y)代表校验靶平面上各点坐标，f(x,y)表示在点(x,y)上的相对亮度；σ1表示x方向相对亮度的标准差，σ2表示y方向相对亮度的标准差，ρ表示x和y的相关系数；(μ1,μ2)是二维正态分布的中心点。

82、进一步地，步骤(5)具体为：

83、在镜场的世界坐标系中，x轴正方向指向正东方向，y轴正方向指向正北方向；第一校验靶、第二校验靶、第三校验靶、第四校验靶靶面的法线方向分别指向东、南、西、北4个方向；吸热塔在靶心高度偏移量为δxtar和δytar；

84、第一校验靶的法线方向指向东方，则靶心偏移为δytar；假设δytar>0，在第一校验相机拍摄的图像中表现为靶面向右偏移，光斑中心相对靶心向左偏移，光斑中心对应的偏移量为：

85、

86、式中，δu1代表第一校验靶光斑中心对应像素坐标的横向偏移量；

87、对应的无偏移情况下的光斑中心在第一校验靶上的相对坐标为：

88、

89、x"c、y"c即校正后的光斑中心在靶上的相对坐标；对于δytar<0，上面两式同样成立。

90、第二校验靶的法线方向指向南方，第二校验靶的靶心偏移为δxtar；假设δxtar>0，在第二校验相机拍摄的图像中表现为靶面向右偏移，光斑中心相对靶心向左偏移；则

91、

92、式中，δu2代表第二校验靶光斑中心对应像素坐标的横向偏移量；

93、校正后的光斑中心在第二校验靶上的相对坐标为：

94、

95、第三校验靶的法线方向指向西方，第三校验靶的靶心偏移为δytar；假设δytar>0，在第三校验相机拍摄的图像中表现为靶面向左偏移，光斑中心则相对靶心向右偏移；则

96、

97、式中，δu3代表第三校验靶光斑中心对应像素坐标的横向偏移量；

98、校正后的光斑中心在靶上的相对坐标为：

99、

100、第四校验靶的法线方向指向北方，第四校验靶的靶心偏移为δxtar；假设δxtar>0，那么在第四校验相机拍摄的图像中表现为靶面向左偏移，光斑中心相对靶心向右偏移，则

101、

102、式中，δu4代表第四校验靶光斑中心对应像素坐标的横向偏移量；

103、校正后的光斑中心在靶上的相对坐标为：

104、

105、对于靶法线方向并非正指向东、南、西、北四个方向的情况，设靶法线方向与世界坐标x方向的逆时针偏角为τ，图像上靶心偏移量为

106、

107、对应的无偏移情况下的光斑中心在靶上的相对坐标为：

108、

109、x"c、y"c代表校正后的光斑中心在靶上的相对坐标；x'c、y'c代表校正前的光斑中心在靶上的相对坐标。

110、进一步地，步骤(6)具体为：

111、根据光斑总能量比例阈值q确定光斑形状和尺寸，即

112、

113、上式左侧表示对f(x,y)进行积分；其中，c为正数，[-cσ1,cσ1]为x方向的积分范围，[-cσ2,cσ2]为y方向的积分范围；积分当c→∞时，总积分→1；右侧的q代表光斑总能量比例阈值，为一常数；

114、校正后的光斑中心相对靶心的偏移大小对应在指向角度误差，即

115、

116、其中，r是定日镜中心到靶心的距离；l代表校验靶的边长；a代表校验靶的边长在校验图像中的像素长度。

117、进一步地，所述总能量比例阈值q选择0.8～1之间取值，优选0.97。

118、本发明的有益技术效果：

119、本发明提供的定日镜光斑校验中风致误差的去除方法通过吸热塔上定位相机和地面标识物来确定吸热塔偏离程度来去除风导致的吸热塔偏移带来的光斑校验误差；通过提取靶的位置和光斑中心在靶上的相对坐标，去除校验相机偏移导致的光斑校验误差；且由其他因素导致的吸热塔偏移和校验相机偏移而带来的误差也可通过这一方法去除。