CN102722183B - 双筒多视场太阳光度计图像跟踪***及算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双筒多视场太阳光度计图像跟踪***及算法，包括有成像光筒、CCD图像传感器、图像采集模块、运动控制模块、工控机、转台，工控机控制运动控制模块使得转台能够自动在水平和俯仰方向两个自由度上正确回到初始位置，用户通过工控机首先下发粗跟踪命令后，由运动控制模块控制转台转动使成像光筒对着太阳，太阳平行光经成像光筒在CCD耙面上成像，工控机通过程序命令图像采集模块采集传感器输出的太阳图像并将太阳图像传回给工控机，工控机再下发精跟踪命令后，由运动控制模块控制转台精准跟踪太阳，跟踪精度高于1角分。本发明解决了传统太阳光度计当有不均匀云时利用四象限光强的分布来跟踪太阳会不准的局限性问题。

Description

双筒多视场太阳光度计图像跟踪***及算法

技术领域

本发明涉及大气科学中太阳直接辐射强度测量仪的太阳跟踪技术领域，具体为一种双筒多视场太阳光度计图像跟踪***及算法。

背景技术

在大气科学中，通过对窄视场窄波段太阳直接辐射强度的测量可获得大气气溶胶和卷云的光学性质，大气气溶胶和卷云在大气辐射、光学工程应用和气候变化研究中都占有重要地位，通过直接和间接效应影响大气中的能量平衡以及大气中空间目标物的探测，传统的单筒单视场太阳光度计被广泛应用于气溶胶光学性质的测量，其测量应用严重依赖于无云天气条件，而安徽光机所近期研制的双筒多视场太阳光度计不仅可以测量晴朗无云天气条件下的气溶胶光学性质，也可通过不同视场角太阳直接辐射强度的测量来反演卷云的光学性质，并用来区别卷云和气溶胶，而太阳光度计测量太阳直接辐射强度的关键是能否精准跟踪太阳。

传统的单筒单视场太阳光度计采用四象限探测器进行跟踪，四象限探测器根据太阳光斑在四个象限能量分布的差值来跟踪太阳，无云天气条件下太阳光斑均匀分布四象限探测器能精准跟踪太阳，而在有云天气条件下太阳光斑由于受卷云影响光强分布不均匀不能精准跟踪太阳，太阳光度计对太阳的跟踪精度要求较高，如果采用四象限探测器跟踪会影响测量结果，本发明将CCD图像传感器跟踪技术运用到双筒多视场太阳光度计中并结合天文视日轨迹跟踪方法实现太阳光度计的全天候精准跟踪。

近些年，太阳的图像跟踪技术多被用于太阳能发电的太阳***中，多是采用小孔成像或较大视场的鱼眼镜头通过图像处理技术确定太阳的位置进而跟踪太阳，跟踪精度都较低，王红睿等人根据小孔成像设计的智能双模式太阳***跟踪精度大于10角分，徐晓冰等根据鱼眼图像识别修正设计的太阳跟踪发电***跟踪精度也在0.1°以内，这些跟踪精度达不到太阳光度计的要求，本发明采用透镜成像，将天文视日轨迹跟踪方法和图像处理技术相结合达到更高的跟踪精度，适于双筒多视场太阳光度计用于测量卷云光学性质，也可应用于其它对太阳跟踪精度要求较高的场合。

发明内容

本发明目的是提供一种双筒多视场太阳光度计图像跟踪***及算法，以解决现有技术太阳光度计中太阳跟踪***测量不便具有局限性的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

双筒多视场太阳光度计图像跟踪***，其特征在于：包括有成像光筒、CCD图像传感器、图像采集模块、运动控制模块、工控机、转台，所述的转台包括转动部件、俯仰步进电机、水平步进电机、零位定位装置、底座箱，所述的转动部件包括垂直安装于底座箱的水平转动臂、平行于底座箱的俯仰转动臂，所述的俯仰转动臂安装在水平转动臂的两支撑臂之间，俯仰转动臂外套有探测器盒，探测器盒前端下部安装有两个大光筒，探测器盒前端上部安装有与下部两个大光筒严格平行的成像光筒，所述的成像光筒内壁涂黑，前端开孔并嵌有衰减滤光片，成像光筒内部含有由胶合正负透镜组成的双胶合透镜，后端开孔且带有外螺纹，所述的CCD图像传感器的正面设有CCD靶面，CCD靶面处有涂黑且带有内螺纹的镜头圈，镜头圈与所述成像光筒连接，CCD图像传感器的背面包括电源插座和BNC图像输出插头，所述的CCD图像传感器位于探测器盒中端内俯仰转动臂上侧；所述的俯仰步进电机安装于俯仰转动臂左侧和水平转动臂左支撑臂上侧，所述的水平步进电机位于水平转动臂下底座箱内，所述的零位定位装置包括水平零位定位光电开关和俯仰零位定位光电开关，分别位于俯仰步进电机和水平步进电机旁，与运动控制模块限位信号结合实现俯仰和水平零位定位，所述的底座箱内还包括有步进电机驱动器、电源转换模块，底座箱上表面安装有水平仪，所述的步进电机驱动器的驱动端与俯仰步进电机、水平步进电机连接分别驱动水平转动臂、俯仰转动臂，所述的步进电机驱动器的控制端与运动控制模块连接，所述的运动控制模块的PCI插头与工控机的PCI插槽相连，CCD图像传感器的电源插座通过电源线与电源转换模块相连，所述的图像采集模块的BNC图像输入插头通过BNC连接线与所述的CCD图像传感器的BNC图像输出插头相连，图像采集模块的PCI插头与工控机PCI插槽相连。

所述的底座箱下表面带有三个可螺的支撑脚，呈三角形。

所述成像光筒的通光孔径为13mm，内部的双胶合透镜组合焦距为110.3mm，胶合透镜前面光筒长为83mm，成像光筒前端内的衰减滤光片用于衰减入射的太阳光，衰减后的平行太阳光经双胶合透镜成像于CCD传感器的CCD靶面上，形成太阳图像光斑。

所述的CCD靶面尺寸为宽6.4mm，高4.8mm，对角线8mm。CCD图像传感器直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，最后输出数字图像信号，有效像素440K，CCD图像传感器与成像光筒通过螺纹副连接可完全将太阳光斑成像于CCD靶面上。

所述电源转换模块将市电AC220V转换为DC12V、DC24V，分别为CCD图像传感器、步进电机驱动器供电。

所述图像采集模块采用OK系列图像采集卡，带有PCI插槽与工控机连接，提供便于各类语言编程的库函数，所述的运动控制模块采用四轴步进电机控制卡PCI-8144，各轴带有限位信号，可用于俯仰和水平转动的初始位置定位，便于太阳全自动跟踪的实现，带有PCI插槽与所述的工控机连接，提供便于各类语言编程的库函数。

所述两大光筒通过图像跟踪***跟准太阳后接收太阳辐射强度，两大光筒与成像光筒严格平行，等间距位于成像光筒下侧。

一种双筒多视场太阳光度计图像跟踪算法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）实验室内利用平行光管找到CCD图像传感器视场中心坐标(x′,y′)，以CCD图像传感器视场中心坐标为中心设定一矩形区间M×M；

（2）通过观察底座箱上水平仪和指南针使转台正面朝南水平摆放；

（3）运动控制模块驱动俯仰和水平步进电机运转并实时检测限位信号找到初始位置，并让起始太阳高度角θ′=0，太阳方位角

（4）读取工控机内部时间和当地经纬度，根据天文视日轨迹跟踪方法计算太阳高度角和方位角，并记录下太阳高度角和方位角分别为

得到太阳高度角差Δθ=θ-θ′和方位角差

将太阳高度角差和方位角差分别转换为俯仰电机驱动步数和水平电机驱动步数，运动控制模块根据驱动步数分别驱动俯仰步进电机和水平步进电机运转，让处于初始位置的成像光筒对着太阳，令 θ′=θ， 

（5）太阳平行光经成像光筒前端内的衰减滤光片衰减并通过双胶合透镜聚焦成像于CCD图像传感器的CCD耙面；

（6）CCD图像传感器经背面BNC图像输出插头输出太阳图像到图像采集模块，工控机程序控制图像采集模块进行图像采集，图像采集模块将采集到的太阳图像传送至工控机中；

（7）在工控机程序中对采集到的太阳图像进行检测，检测图像中是否有太阳光斑，无太阳光斑，循环（4）（5）（6）（7）；

（8）有太阳光斑，利用图像处理技术圆弧中心法计算太阳光斑中心坐标(x,y)，将太阳光斑中心坐标与CCD图像传感器视场中心坐标进行比较，得到俯仰像素间距Δx= x- x′和水平像素间距Δy=y- y′，将两像素间距转换为电机驱动步数，两像素间距大于矩形区一半时，快速驱动俯仰和水平步进电机使太阳光斑进入矩形区内，两间距小于矩形区一半时，精细调整俯仰和水平步进电机直至太阳光斑中心与传感器视场中心像素间距在设定的±3像素内；

（9）由太阳视场角约为32角分，CCD耙面上太阳光斑直径像素有164，设定的跟踪像素为±3，可计算图像实际跟踪精度如下：

$\mathrm{\η}=\frac{\±3}{164}\×{32}^{\′}=\±0.585^{\′}$

***的俯仰转动和水平转动由步进电机驱动蜗杆转动，蜗杆与蜗轮啮合，其传动比为1:120，当蜗杆随步进电机转动一个步距角1.8°且步进电机2细分时，蜗轮只转动0.45′，考虑太阳光斑直径像素计算误差及步距角等误差，可认为***最低跟踪精度高于1角分；

（10）循环步骤（7）（8），能够全天侯跟踪太阳且跟踪精度高于1角分，结束跟踪时运动控制模块结合零位定位装置通过检测限位信号驱动俯仰和水平步进电机运转至初始位置。

本发明的原理是：

双筒多视场太阳光度计图像跟踪***使用前需在实验室内借助平行光管找到CCD图像传感器光敏面的视场中心，工作时其转台须正面朝南水平摆放，工控机控制运动控制模块使得转台能够自动在水平和俯仰方向两个自由度上正确回到初始位置，用户通过工控机的天文视日轨迹跟踪方法首先下发粗跟踪命令后，由运动控制模块控制转台转动使成像光筒对着太阳，太阳平行光经成像光筒在CCD图像传感器耙面上成像，工控机通过程序发命令给图像采集模块，图像采集模块采集传感器输出的太阳图像并将太阳图像传回给工控机，工控机通过图像处理技术跟踪方法下发精跟踪命令后，由运动控制模块控制转台精准跟踪太阳，跟踪精度高于1角分。

与现有技术相比本发明具有的积极效果在于：

1）太阳的图像跟踪技术首次被用于大气科学领域太阳直接辐射强度测量仪器中；

2）采用天文视日轨迹跟踪方法和图像处理技术跟踪方法相结合的双模式跟踪技术，可实现非阴雨天气的全天候全自动跟踪，跟踪精度高于1角分；

3）解决了传统太阳光度计当有不均匀云时利用四象限光强的分布来跟踪太阳会不准的局限性问题；

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的成像光筒结构示意图。

图3为本发明的转台总体结构示意图。

图4为本发明的算法流程图。

图5为图像跟踪效果图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示。双筒多视场太阳光度计图像跟踪***，包括有成像光筒16、CCD图像传感器3、图像采集模块11、运动控制模块12、工控机13、转台1，成像光筒16位于转台1探测器盒25前端，内壁涂黑，前端开孔并嵌有衰减滤光片14，内部含有由胶合正负透镜组成的双胶合透镜15，后端开孔且带有外螺纹， CCD图像传感器3位于转台1探测器盒25中端内，正面CCD靶面5处有涂黑且带有内螺纹的镜头圈4，与成像光筒16螺纹副连接，背面包括电源插座6和BNC图像输出插头7，电源插座6通过电源线与电源转换模块2相连，电源转换模块2在转台1底座箱23内，图像采集模块11左侧带有BNC图像输入插头，通过BNC连接线与CCD图像传感器3 BNC图像输出插头7相连，底侧是PCI插头，与工控机13 PCI插槽相连，运动控制模块12左侧是68针孔插座，底侧是PCI插头，与工控机13 PCI插槽相连，工控机13包括多个PCI插槽，内部插有图像采集模块11和运动控制模块12，用于在程序引导下获取太阳图像、发控制命令给运动控制模块12和接收由运动控制模块12传回的信号，转台1包括转动部件、俯仰步进电机8、水平步进电机9、零位定位装置、底座箱21，转动部件包括垂直于底座箱21的水平转动臂18、平行于底座箱21的俯仰转动臂19，俯仰转动臂19安装在水平转动臂18的两支撑臂之间，俯仰转动臂19外套有探测器盒23，探测器盒23前端上部安装有与下部两大光筒17严格平行的成像光筒16，与成像光筒16相连的CCD图像传感器3位于探测器盒23中端内俯仰转动臂19上侧，俯仰步进电机8安装于俯仰转动臂19左侧和水平转动臂18左支撑臂上侧，水平步进电机9位于水平转动臂18下底座箱21内，零位定位装置包括俯仰零位定位光电开关和水平零位定位光电开关，分别位于俯仰步进电机8和水平步进电机9旁，与运动控制模块12限位信号结合实现俯仰和水平零位定位，底座箱21内包括水平步进电机9、水平零位定位光电开关、步进电机驱动器10、电源转换模块2，底座箱21上表面装有水平仪20，下表面带有三个可螺的支撑脚22，呈三角形，步进电机驱动器10一方面与俯仰步进电机8、水平步进电机9连接分别驱动水平转动臂18、俯仰转动臂19，另一方面与运动控制模块12连接。

成像光筒16通光孔径为13mm，内部的双胶合透镜15组合焦距为110.3mm，双胶合透镜15前面光筒长为83mm，成像光筒16前端内的衰减滤光片14用于衰减入射的太阳光，衰减后的平行太阳光经双胶合透镜15成像于CCD图像传感器3的CCD靶面5上，形成太阳图像光斑。

CCD图像传感器3直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，最后输出数字图像信号，有效像素440K，CCD靶面5尺寸为宽6.4mm，高4.8mm，对角线8mm， CCD图像传感器3与成像光筒16通过螺纹副连接可完全将太阳光斑成像于CCD靶面5。

电源转换模块2将市电AC220V转换为DC12V、DC24V，分别为CCD图像传感器3、步进电机驱动器10供电。

图像采集模块11采用OK系列图像采集卡，带有PCI插槽与工控机13连接，提供便于各类语言编程的库函数，运动控制模块12采用四轴步进电机控制卡PCI-8144，各轴带有限位信号，与俯仰零位定位光电开关和水平零位定位光电开关相结合，可用于俯仰和水平转动的初始位置定位，初始位置指转台1上成像光筒16水平对准正南，当检测到限位信号为0时运动控制模块12驱动俯仰和水平步进电机8、9转动，当检测到限位信号为1时停止转动，找到初始位置，便于太阳全自动跟踪的实现，带有PCI插槽与工控机13连接，提供便于各类语言编程的库函数。

两个大光筒17通过图像跟踪***跟准太阳后接收太阳辐射强度，两个大光筒17与成像光筒16严格平行，等间距位于成像光筒16下侧。

如图4所示，双筒多视场太阳光度计图像跟踪算法流程如下：

（1）双筒多视场太阳光度计图像跟踪***使用前须实验室内利用平行光管找到CCD图像传感器3视场中心坐标(x′,y′)，以CCD图像传感器3视场中心坐标为中心设定一矩形区间M×M；

（2） 须通过观察底座箱21上水平仪20和指南针让转台1正面朝南水平摆放；

（3）***通电开机后，工控机13在程序引导下下发跟踪命令，运动控制模块12检测限位信号，当检测到限位信号为0时，运动控制模块12驱动俯仰和水平步进电机8、9转动并实时检测限位信号，当检测到限位信号为1时停止转动，找到初始位置，并让初始位置太阳高度角θ′=0，太阳方位角

即转台1上成像光筒水平对准正南；

（4）读取工控机13内部时间和当地经纬度，根据天文视日轨迹跟踪方法计算太阳高度角和方位角，并记录下太阳高度角和方位角分别为得到太阳高度角差Δθ=θ-θ′和方位角差将太阳高度角差和方位角差分别转换为俯仰电机驱动步数和水平电机驱动步数，运动控制模12块根据驱动步数分别驱动俯仰步进电机8和水平步进电机9运转，让处于初始位置的成像光筒16对着太阳， 并让θ′=θ， 

（5）太阳平行光经成像光筒16前端内的衰减滤光片14衰减并通过双胶合透镜15聚焦成像于CCD图像传感器3 CCD耙面5；

（6）CCD图像传感器3经背面BNC图像输出插头7输出太阳图像到图像采集模块11，工控机13程序控制图像采集模块11进行图像采集，图像采集模块11将采集到的太阳图像传送至工控机13中；

（7）在工控机13程序中对采集到的太阳图像进行检测，检测图像中是否有太阳光斑，无太阳光斑，循环（4）（5）（6）（7）；

（8）有太阳光斑，利用图像处理技术圆弧中心法计算太阳光斑中心坐标(x,y)，将太阳光斑中心坐标与传感器视场中心坐标进行比较，得到俯仰像素间距Δx= x- x′和水平像素间距Δy=y- y′，将两像素间距转换为电机驱动步数，两像素间距大于矩形区一半时，快速驱动俯仰和水平步进电机8、9使太阳光斑进入矩形区内，两间距都小于矩形区一半时，精细调整俯仰和水平步进电机8、9直至太阳光斑中心与传感器视场中心像素间距在设定的±3像素内，跟准太阳，跟踪效果图如图5所示；

（9）继续跟踪，循环步骤（7）（8），能够全天侯跟踪太阳且跟踪精度高于1角分，结束跟踪时运动控制模块12结合零位定位装置通过检测限位信号驱动俯仰和水平步进电机8、9运转使成像光筒16水平对准正南，回到初始位置。

Claims (7)

1.双筒多视场太阳光度计图像跟踪***，其特征在于：包括有成像光筒、CCD图像传感器、图像采集模块、运动控制模块、工控机、转台，所述的转台包括转动部件、俯仰步进电机、水平步进电机、零位定位装置、底座箱，所述的转动部件包括垂直安装于底座箱的水平转动臂、平行于底座箱的俯仰转动臂，所述的俯仰转动臂安装在水平转动臂的两支撑臂之间，俯仰转动臂外套装有探测器盒，探测器盒前端下部安装有两个大光筒，探测器盒前端上部安装有与下部两个大光筒严格平行的成像光筒，所述的成像光筒内壁涂黑，前端开孔并嵌有衰减滤光片，成像光筒内部含有由胶合正负透镜组成的双胶合透镜，成像光筒后端开孔且带有外螺纹，所述的CCD图像传感器的正面设有CCD靶面，CCD靶面处有涂黑且带有内螺纹的镜头圈，镜头圈与所述成像光筒连接，CCD图像传感器的背面包括电源插座和BNC图像输出插头，所述的CCD图像传感器位于探测器盒中端内俯仰转动臂上侧；所述的俯仰步进电机安装于俯仰转动臂左侧和水平转动臂左支撑臂上侧，所述的水平步进电机位于水平转动臂下底座箱内，所述的零位定位装置包括水平零位定位光电开关和俯仰零位定位光电开关，分别位于俯仰步进电机和水平步进电机旁；所述的底座箱内还包括有步进电机驱动器、电源转换模块，底座箱上表面安装有水平仪，所述的步进电机驱动器的驱动端与俯仰步进电机、水平步进电机连接分别驱动水平转动臂、俯仰转动臂，所述的步进电机驱动器的控制端与运动控制模块连接，所述的运动控制模块的PCI插头与工控机的PCI插槽相连，CCD图像传感器的电源插座通过电源线与电源转换模块相连，所述的图像采集模块的BNC图像输入插头通过BNC连接线与所述的CCD图像传感器的BNC图像输出插头相连，图像采集模块的PCI插头与工控机的PCI插槽相连。

2.根据权利要求1所述的双筒多视场太阳光度计图像跟踪***，其特征在于：所述的底座箱下表面带有三个可螺的支撑脚，呈三角形。

3.根据权利要求1所述的双筒多视场太阳光度计图像跟踪***，其特征在于：所述成像光筒的通光孔径为13mm，内部的双胶合透镜组合焦距为110.3mm，胶合透镜前面光筒长为83mm。

4.根据权利要求1所述的双筒多视场太阳光度计图像跟踪***，其特征在于：所述的CCD靶面尺寸为宽6.4mm，高4.8mm，对角线8mm。

5.根据权利要求1所述的双筒多视场太阳光度计图像跟踪***，其特征在于：所述电源转换模块将市电AC220V转换为DC12V、DC24V，分别为CCD图像传感器、步进电机驱动器供电。

6.根据权利要求1所述的双筒多视场太阳光度计图像跟踪***，其特征在于：所述图像采集模块采用OK系列图像采集卡，所述的运动控制模块采用四轴步进电机控制卡PCI-8144，各轴带有限位信号。

7.基于权利要求1的一种双筒多视场太阳光度计图像跟踪算法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）实验室内利用平行光管找到CCD图像传感器视场中心坐标(x′,y′)，以CCD图像传感器视场中心坐标为中心设定一矩形区间M×M；

（2）通过观察底座箱上水平仪和指南针使转台正面朝南水平摆放；

（3）运动控制模块驱动俯仰和水平步进电机运转并实时检测限位信号找到初始位置，并让起始太阳高度角θ′=0，太阳方位角

（4）读取工控机内部时间和当地经纬度，根据天文视日轨迹跟踪方法计算太阳高度角和方位角，并记录下太阳高度角和方位角分别为θ和

，得到太阳高度角差△θ=θ-θ′和方位角差

将太阳高度角差和方位角差分别转换为俯仰电机驱动步数和水平电机驱动步数，运动控制模块根据驱动步数分别驱动俯仰步进电机和水平步进电机运转，让处于初始位置的成像光筒对着太阳，令θ′=θ，

（5）太阳平行光经成像光筒前端内的衰减滤光片衰减并通过双胶合透镜聚焦成像于CCD图像传感器的CCD耙面；

（6）CCD图像传感器经背面BNC图像输出插头输出太阳图像到图像采集模块，工控机程序控制图像采集模块进行图像采集，图像采集模块将采集到的太阳图像传送至工控机中；

（7）在工控机程序中对采集到的太阳图像进行检测，检测图像中是否有太阳光斑，无太阳光斑，循环步骤（4）（5）（6）（7）；

（8）有太阳光斑，利用图像处理技术圆弧中心法计算太阳光斑中心坐标(x,y)，将太阳光斑中心坐标与CCD图像传感器视场中心坐标进行比较，得到俯仰像素间距△x=x-x′和水平像素间距△y=y-y′，将两像素间距转换为电机驱动步数，两像素间距大于矩形区一半时，快速驱动俯仰和水平步进电机使太阳光斑进入矩形区内，两间距小于矩形区一半时，精细调整俯仰和水平步进电机直至太阳光斑中心与传感器视场中心像素间距在设定的±3像素内；

（9）由太阳视场角约为32角分，CCD耙面上太阳光斑直径像素有164，设定的跟踪像素为±3，可计算图像实际跟踪精度如下：

$\mathrm{\η}=\frac{\±3}{164}\×{32}^{\′}=\±{0.585}^{\′}$

***的俯仰转动和水平转动由步进电机驱动蜗杆转动，蜗杆与蜗轮啮合，其传动比为1:120，当蜗杆随步进电机转动一个步距角1.8°且步进电机2细分时，蜗轮只转动0.45′，考虑太阳光斑直径像素计算误差及步距角的误差，可认为***最低跟踪精度高于1角分；

（10）循环步骤（7）（8），能够全天侯跟踪太阳且跟踪精度高于1角分，结束跟踪时运动控制模块结合零位定位装置通过检测限位信号驱动俯仰和水平步进电机运转至初始位置。

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