CN109508044B - 一种定日镜二次反射指向校正***及方法 - Google Patents

一种定日镜二次反射指向校正***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种定日镜二次反射指向校正***及方法，至少包括目标、图像采集***和上位机，所述的目标安装在吸热器的焦平面中心，目标照射范围覆盖二次反射镜盘，图像采集***固定在定日镜的镜面上，视场方向与定日镜的反射面同向，图像采集***的光轴矢量与定日镜的镜面法线矢量平行，所述的上位机连接所有的定日镜与图像采集***，用于获取图像采集***的数据和控制定日镜的转动。本发明是通过安装在定日镜镜面上的图像采集***拍摄吸热器焦平面处的目标（高亮度光源或标志物）进行定日镜二次反射指向校正，可以满足整个镜场内所有已安装图像采集***的定日镜同时进行校正。

Description

一种定日镜二次反射指向校正***及方法
技术领域
本发明涉及一种定日镜二次反射指向校正***及方法，属于定日镜二次反射指向校正技术领域。
背景技术
二次反射式太阳能热发电技术属于新型的塔式太阳能发电技术，二次反射式太阳能热发电站镜场中心安装了一座二次反射塔，在塔上安装二次反射镜盘。定日镜将太阳光斑反射至二次反射镜盘，完成一次反射，再经过二次反射镜盘反射至安装在地面附近的吸热器，完成二次反射，获得更高能量密度的太阳能用于发电，所以塔式二次反射镜盘是影响发电效率的关键因素之一。二次反射式太阳能热发电站中的反射用光学器件主要是定日镜和二次反射镜盘，其中定日镜属于运动机构，可以通过其它校正方法获得低偏差的指向精度和跟踪精度，而二次反射镜盘属于固定机构，安装完成后几乎不会变化。由于二次反射镜盘在安装时会产生偏差，使得实际姿态与设计姿态不同，降低二次反***度，可能会导致经过二次反射的太阳光无法准确照射至吸热器中，从而影响发电效率。因此，需要一种校正定日镜二次反射指向的检测方法。
由于二次反射式太阳能热发电技术属于新型技术，目前定日镜的二次反射指向主要通过测量二次反射镜盘的实际姿态进行间接校正。由于二次反射镜盘安装在高空，其姿态信息主要通过测距的形式获得，即通过二次反射镜盘上各点至观测点的距离信息和角度信息拟合二次反射镜盘的实际空间姿态。用于二次反射镜盘的常用测距方法主要有飞时测距法和双目测距法。飞时测距是通过激光脉冲发出时间和返回时间的差值计算观测点到被测点的距离。该方法属于点测量方法，测量空间尺度大的二次反射镜盘需要耗费大量的工时，并且不适用对表面具有高反射率特性的二次反射镜盘进行直接测量，需要在二次反射镜盘表面布置具有漫反射特性的标志点。双目测距法是基于双目视差原理，通过同一个待测点在两台图像采集器视场中的位置差计算该点的相对空间位置。该方法基于图像采集，可以对对表面具有高反射率特性的二次反射镜盘进行直接测量，但是二次反射镜盘距离观测点的距离较远，导致测量精度降低。上述两种方法都属于间接方法，需要先拟合二次反射镜盘的空间姿态，再根据定日镜中心坐标和吸热器中心坐标解算每台定日镜的二次反射指向，在计算过程中容易引入新的误差。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前技术不能满足现有的需要，提供一种定日镜二次反射指向校正***及方法，利用光路可逆原理，通过安装在定日镜镜面上的图像采集***拍摄安装在吸热器焦平面中心处的目标，实现一种高精度、高效率、能够并行的二次反射指向校正***及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种定日镜二次反射指向校正***，至少包括目标、图像采集***和上位机，所述的目标安装在吸热器的焦平面中心，目标照射范围覆盖二次反射镜盘，图像采集***固定在定日镜的镜面上，视场方向与定日镜的反射面同向，图像采集***的光轴矢量与定日镜的镜面法线矢量平行，所述的上位机连接所有的定日镜与图像采集***，用于获取图像采集***的数据和控制定日镜的转动。
在本发明中：所述的图像采集***包括成像光路和数字图像传感器；所述的成像光路为透镜或小孔。
在本发明中：所述的目标为高亮度光源或标志物；所述的图像采集***中包括计算模块和存储模块，图像数据的计算直接在图像采集***中完成，然后图像采集***将计算结果传送至上位机。
在本发明中：所述的图像采集***中不设计算模块和存储模块，图像数据直接传送至上位机，然后图像数据计算在上位机中完成，结果存储在上位机。
一种定日镜二次反射指向校正方法，包括如下步骤：
(1)、定日镜已校正指向精度和跟踪精度，定日镜运动模型已知；
(2)、在定日镜上安装二次反射指向校正***，保证图像采集***视场方向与定日镜反射面同向，图像采集***光轴矢量与定日镜镜面法线矢量平行；
(3)、在吸热器焦平面中心布置目标，调整目标以满足覆盖二次反射镜盘的要求；
(4)、在上位机中建立图像采集***与定日镜的对应关系；
(5)、上位机根据无误差状态下定日镜二次反射指向调整定日镜姿态；
(6)、定日镜转动完毕后，图像采集***拍摄图像；
(7)、图像计算方式包括两种：
方式1：图像采集***中带有计算模块和存储模块，图像数据的计算直接在图像采集***中完成，然后图像采集***将计算结果传送至上位机；
方式2：图像采集***中没有计算模块和存储模块，图像数据直接传送至上位机，然后图像数据计算在上位机中完成，结果存储在上位机；
(8)、在图像坐标系中计算中目标中心与图像中心的偏差值[Δy Δx]，其中Δy表示行偏差(单位：像素)，Δx表示列偏差(单位：像素)；
(9)、计算定日镜两轴偏差角
Figure GDA0003425842180000041
式中P表示像元大小(单位：m)，f表示图像采集***焦距；
(10)、获得修正后的定日镜转角
Figure GDA0003425842180000042
(11)、当定日镜两轴偏差角大于预设临界值时，重复步骤(6)步至步骤(10)；当定日镜两轴偏差角小于或等于预设临界值时，将两轴转角θ′y和θ′x代入运动模型，获得校正后的定日镜二次反射指向
N′＝Mnum(θ′y,θ′x)
式中Mnum()表示编号为num的定日镜运动模型；
(12)、在上位机中保存校正后的定日镜二次反射指向；
(13)、如果有多台定日镜同时作二次反射指向校正，参照步骤(1)至步骤(12)执行。
本发明的有益效果：
1.本发明是通过安装在定日镜镜面上的图像采集***拍摄吸热器焦平面处的目标(高亮度光源或标志物)进行定日镜二次反射指向校正，可以满足整个镜场内所有已安装图像采集***的定日镜同时进行校正；
2.本发明基于光路可逆原理，可以将吸热器焦平面中心的目标(高亮度光源或标志物)出射的光通过二次反射镜盘反射至整个镜场，对二次反射镜盘的高反射率特性进行充分利用，不需要对二次反射镜盘进行额外处理；
3.本发明基于光路可逆原理，通过将目标(高亮度光源或标志物)在图像采集***像平面所成的像调整至像平面中心，实现二次反射指向的解算，目标距定日镜越远时，二次反***度越高；
4.本发明基于光路可逆原理，通过图像采集***直接拍摄安装在吸热器中心的目标解算定日镜的二次反射指向，属于直接测量过程，不需要对二次反射镜盘的空间姿态进行拟合，有效优化校正步骤，提供校正精度。
附图说明
图1是本发明的***示意图；
图2是本发明的检测状态示意图。
图中：1.目标；2.图像采集***；3.上位机；4.吸热器；5.二次反射镜盘；6.定日镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1-2所示，一种定日镜二次反射指向校正***，至少包括目标1(高亮度光源或标志物)、图像采集***2和上位机3，所述的目标1安装在吸热器4的焦平面中心，目标1照射范围覆盖二次反射镜盘5，图像采集***2固定在定日镜6的镜面上，视场方向与定日镜6的反射面同向，图像采集***2的光轴矢量与定日镜6的镜面法线矢量平行，所述的上位机3连接所有的定日镜6与图像采集***2，用于获取图像采集***2的数据和控制定日镜6的转动。所述的图像采集***2包括成像光路和数字图像传感器；所述的成像光路为透镜或小孔。
在本发明中：所述的图像采集***2中包括计算模块和存储模块，图像数据的计算直接在图像采集***2中完成，然后图像采集***2将计算结果传送至上位机3。
在本发明中：所述的图像采集***2中不设计算模块和存储模块，图像数据直接传送至上位机3，然后图像数据计算在上位机3中完成，结果存储在上位机3。
一种定日镜二次反射指向校正方法，包括如下步骤：
(1)、定日镜已校正指向精度和跟踪精度，定日镜运动模型已知；
(2)、在定日镜上安装二次反射指向校正***，保证图像采集***视场方向与定日镜反射面同向，图像采集***光轴矢量与定日镜镜面法线矢量平行；
(3)、在吸热器焦平面中心布置目标，调整目标以满足覆盖二次反射镜盘的要求；
(4)、在上位机中建立图像采集***与定日镜的对应关系；
(5)、上位机根据无误差状态下定日镜二次反射指向调整定日镜姿态；
(6)、定日镜转动完毕后，图像采集***拍摄图像；
(7)、图像计算方式包括两种：
方式1：图像采集***中带有计算模块和存储模块，图像数据的计算直接在图像采集***中完成，然后图像采集***将计算结果传送至上位机；
方式2：图像采集***中没有计算模块和存储模块，图像数据直接传送至上位机，然后图像数据计算在上位机中完成，结果存储在上位机；
(8)、在图像坐标系中计算中目标中心与图像中心的偏差值[Δy Δx]，其中Δy表示行偏差(单位：像素)，Δx表示列偏差(单位：像素)；
(9)、计算定日镜两轴偏差角
Figure GDA0003425842180000081
式中P表示像元大小(单位：m)，f表示图像采集***焦距；
(10)、获得修正后的定日镜转角
Figure GDA0003425842180000082
(11)、当定日镜两轴偏差角大于预设临界值时，重复步骤(6)步至步骤(10)；当定日镜两轴偏差角小于或等于预设临界值时，将两轴转角θ′y和θ′x代入运动模型，获得校正后的定日镜二次反射指向
N′＝Mnum(θ′y,θ′x)
式中Mnum()表示编号为num的定日镜运动模型；
(12)、在上位机中保存校正后的定日镜二次反射指向；
(13)、如果有多台定日镜同时作二次反射指向校正，参照步骤(1)至步骤(12)执行。
通过上述技术方案，本发明通过安装在定日镜镜面上的图像采集***拍摄吸热器焦平面处的目标(高亮度光源或标志物)进行定日镜二次反射指向校正，可以满足整个镜场内所有已安装图像采集***的定日镜同时进行校正；而时测距法属于点测量方法；
本发明基于光路可逆原理，可以将吸热器焦平面中心的目标(高亮度光源或标志物)出射的光通过二次反射镜盘反射至整个镜场，对二次反射镜盘的高反射率特性进行充分利用，不需要对二次反射镜盘进行额外处理；而时测距法通过激光脉冲发出时间和返回时间的差值计算观测点到被测点的距离，不适用对表面具有高反射率特性的二次反射镜盘进行直接测量，需要在二次反射镜盘表面布置具有漫反射特性的标志点；
本发明基于光路可逆原理，通过将目标(高亮度光源或标志物)在图像采集***像平面所成的像调整至像平面中心，实现二次反射指向的解算，目标距定日镜越远时，二次反***度越高；而双目测距法测量远距离的被测物时，测量精度会降低；
本发明基于光路可逆原理，通过图像采集***直接拍摄安装在吸热器中心的目标解算定日镜的二次反射指向，属于直接测量过程，不需要对二次反射镜盘的空间姿态进行拟合，有效优化校正步骤，提供校正精度；而时测距法和双目测距法都属于间接方法，需要先拟合二次反射镜盘的空间姿态，再根据定日镜中心坐标和吸热器中心坐标解算每台定日镜的二次反射指向，在计算过程中容易引入新的误差。
以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本发明并不限于以上描述。对于本领域的技术人员而言，任何对本技术方案的同等修改和替代都是在本发明的范围之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (1)

1.一种定日镜二次反射指向校正***及方法，其特征在于：该***至少包括目标(1)、图像采集***(2)和上位机(3)，所述的目标(1)安装在吸热器(4)的焦平面中心，目标(1)照射范围覆盖二次反射镜盘(5)，图像采集***(2)固定在定日镜(6)的镜面上，视场方向与定日镜(6)的反射面同向，图像采集***(2)的光轴矢量与定日镜(6)的镜面法线矢量平行，所述的上位机(3)连接所有的定日镜(6)与图像采集***(2)，用于获取图像采集***(2)的数据和控制定日镜(6)的转动；
所述的目标(1)为高亮度光源或标志物，所述的图像采集***(2)包括成像光路和数字图像传感器；所述的成像光路为透镜或小孔；
所述的图像采集***(2)中包括计算模块和存储模块，图像数据的计算直接在图像采集***(2)中完成，然后图像采集***(2)将计算结果传送至上位机(3)；
所述的图像采集***(2)中不设计算模块和存储模块，图像数据直接传送至上位机(3)，然后图像数据计算在上位机(3)中完成，结果存储在上位机(3)；
其中，该方法包括如下步骤：
(1)、定日镜已校正指向精度和跟踪精度，定日镜运动模型已知；
(2)、在定日镜上安装二次反射指向校正***，保证图像采集***视场方向与定日镜反射面同向，图像采集***光轴矢量与定日镜镜面法线矢量平行；
(3)、在吸热器焦平面中心布置目标，调整目标以满足覆盖二次反射镜盘的要求；
(4)、在上位机中建立图像采集***与定日镜的对应关系；
(5)、上位机根据无误差状态下定日镜二次反射指向调整定日镜姿态；
(6)、定日镜转动完毕后，图像采集***拍摄图像；
(7)、图像计算方式包括两种：
方式1：图像采集***中带有计算模块和存储模块，图像数据的计算直接在图像采集***中完成，然后图像采集***将计算结果传送至上位机；
方式2：图像采集***中没有计算模块和存储模块，图像数据直接传送至上位机，然后图像数据计算在上位机中完成，结果存储在上位机；
(8)、在图像坐标系中计算中目标中心与图像中心的偏差值[ΔyΔx]，其中Δy表示行偏差(单位：像素)，Δx表示列偏差(单位：像素)；
(9)、计算定日镜两轴偏差角
Figure FDA0003425842170000021
式中P表示像元大小(单位：m)，f表示图像采集***焦距；
(10)、获得修正后的定日镜转角
Figure FDA0003425842170000031
(11)、当定日镜两轴偏差角大于预设临界值时，重复步骤(6)步至步骤(10)；当定日镜两轴偏差角小于或等于预设临界值时，将两轴转角θ′y和θ′x代入运动模型，获得校正后的定日镜二次反射指向
N′＝Mnum(θ′y,θ′x)
式中Mnum()表示编号为num的定日镜运动模型；
(12)、在上位机中保存校正后的定日镜二次反射指向；
(13)、如果有多台定日镜同时作二次反射指向校正，参照步骤(1)至步骤(12)执行。
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