基于圖像的二次反射鏡面形質(zhì)量快速檢測方法

孫 楠, 閆克丁

(1.上海晶電新能源有限公司, 上海 201112; 2.西安工業(yè)大學(xué), 陜西 西安 710021)

二次反射塔式技術(shù)是聚光太陽能熱發(fā)電(Concentrated Solar Power,CSP)技術(shù)[1]中的一種新型方法。國家能源局于2016年啟動的第一批20個光熱發(fā)電示范項目中的玉門某塔式5萬kW光熱發(fā)電項目,就是全球首個商用的二次反射塔式聚光太陽能熱發(fā)電站[2-4]。二次反射塔式技術(shù)通過安裝在地面處的定日鏡,將太陽光反射至安裝在高處的二次反射鏡,再通過二次反射鏡將太陽光反射至安裝在地面處的吸熱器中,實現(xiàn)太陽光的匯聚[5-7]。相對于傳統(tǒng)的塔式聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù),二次反射塔式技術(shù)具有能量密度高、維護成本低等優(yōu)點,缺點是二次反射鏡的面形精度要求更高,二次反射塔式技術(shù)需要一種快速的面形檢測技術(shù)以保證聚光效率和發(fā)電效率[8]。

常規(guī)的工程用鏡面面形檢測技術(shù)包括雙目測距方法[9-10]、條紋反射方法[11-13]和接觸式測量方法[14-15]等。雙目測距方法利用視差原理,通過2臺圖像采集器實現(xiàn)被測面的面形檢測,但受限于特征點匹配、檢測視場等因素,難以實現(xiàn)高效率的面形檢測。條紋反射方法使用不同周期的條紋圖像對待測面進行檢測,系統(tǒng)布置相對復(fù)雜,易受振動等環(huán)境因素影響檢測精度。接觸式檢測方法采用如關(guān)節(jié)臂測量機等設(shè)備對被測面進行逐點檢測,獲得被測面的三維點云數(shù)據(jù),再通過求解特定點曲面法線的方法間接獲得該點的鏡面法線,但耗時較長,且接觸二次反射鏡鏡面易對反射面造成損壞。

本文通過檢測系統(tǒng)與待測面的幾何關(guān)系建立近似的面形解算模型,通過2種條紋方向相互正交的直條紋圖像獲得2個正交方向的像素偏差值,代入模型后將像素偏差轉(zhuǎn)換成鏡面反射法線的偏差角數(shù)據(jù),以實現(xiàn)二次反射鏡面形的快速檢測,保證高效的工程效率,確保二次反射塔式站的聚光效率和發(fā)電效率。

1 快速檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

二次反射鏡鏡面形質(zhì)量快速檢測系統(tǒng)利用二次反射鏡鏡面反射率高的特性[16],實現(xiàn)了基于直條紋圖像對二次反射鏡鏡面質(zhì)量的快速檢測。該檢測系統(tǒng)如圖1所示,包括投影儀、標(biāo)定板、圖像采集器和核心單元(計算機)。投影儀將檢測用條紋圖像投影至標(biāo)定板上,圖像采集器的視場對準(zhǔn)待測面并拍攝經(jīng)過待測面反射的標(biāo)定板虛像,而核心單元控制投影儀投影圖像,控制圖像采集器采集圖像,處理圖像并解算二次反射鏡面形。

圖1 快速檢測系統(tǒng)示意

利用直條紋對垂直于條紋方向的變化量最敏感的特性來實現(xiàn)二次反射鏡鏡面面形質(zhì)量檢測。將二次反射鏡面形質(zhì)量分解為2個正交方向的變化量,每個方向的變化量分別通過對應(yīng)的直條紋圖案進行檢測。根據(jù)直條紋的彎曲程度可以評估對應(yīng)位置二次反射鏡鏡面的凹凸變形情況,通過方向相互正交的直條紋圖案(水平直條紋和豎直直條紋)能夠表述整個面形的變形情況。條紋圖案如圖2所示。

圖2 條紋圖案示意

1.2 系統(tǒng)坐標(biāo)系說明

系統(tǒng)各個部分空間關(guān)系如圖3所示。以待測面中心點為原點,x軸和y軸所組成的平面平行于水平面,z軸垂直于水平面且方向向上。圖像采集器與水平面呈一定的夾角,其中像平面列方向與y軸同向,像平面行方向與x軸同向。標(biāo)定板基本與水平面平行,其中水平直條紋的條紋方向與y軸平行,豎直直條紋的條紋方向與x軸平行。

圖3 系統(tǒng)坐標(biāo)系示意

2 面形快速檢測算法

基于相位解包的條紋解算常規(guī)算法需要采集基準(zhǔn)平面的條紋圖案,但在實際的工廠檢測環(huán)境中難以實現(xiàn)?；鶞?zhǔn)平面通常以基準(zhǔn)板的形式出現(xiàn),在實際檢測中需要在基準(zhǔn)板和被測二次反射鏡鏡面間進行切換。受限于空間尺寸、檢測效率等因素的影響,難以將基于相位解包的條紋解算算法應(yīng)用于實際的工程項目中。二次反射鏡鏡面快速檢測算法基于一些基本的空間位置測量,可以實現(xiàn)待測面變化的近似解算,在檢測精度滿足工程要求的同時,也能保證檢測效率。

二次反射鏡鏡面的變化表現(xiàn)在鏡面反射法線變化。當(dāng)鏡面反射法線沒有變化時,水平直條紋應(yīng)基本為直線;當(dāng)鏡面反射法線存在變化時,直條紋會出現(xiàn)彎曲或扭曲現(xiàn)象,即實際光線經(jīng)過被測二次反射鏡鏡面反射后出現(xiàn)偏轉(zhuǎn),使得其與標(biāo)定板的交點落在其他區(qū)域。

2.1 水平直條紋解算模型

水平直條紋解算模型如圖4所示。

圖4 水平直條紋解算模型示意

在水平直條紋的解算模型中,近似只考慮條紋沿x軸方向的偏差量Δh,即將實際光線與離線光線均投影至過圖像采集器中心、與y軸垂直的豎直平面上。P點處實際光線與理想光線在x軸方向上的夾角可近似為

(1)

θ——圖像采集器光軸矢量與標(biāo)定板平面法向的夾角;

根據(jù)式(1),第i條水平直條紋第n個點處鏡面反射法線偏差角在x軸方向的分量近似為

(2)

2.2 豎直直條紋解算模型

豎直直條紋解算模型如圖5所示。

圖5 豎直直條紋解算模型示意

在豎直直條紋的解算模型中,近似只考慮條紋沿y軸方向的偏差量Δl,即將實際光線和離線光線均投影至過實際光線的鏡面反射點、與x軸垂直的豎直平面上。P點處實際光線與理想光線在y軸方向上的夾角可近似為

(3)

根據(jù)式(3),第j條豎直直條紋第m個點處鏡面反射法線偏差角在y軸方向的分量近似為

(4)

3 面形檢測試驗

3.1 面形檢測流程

二次反射鏡鏡面快速檢測流程如圖6所示。

圖6 圖像采集流程示意

具體步驟如下。

(1) 將待測二次反射鏡樣品安裝至預(yù)設(shè)位置。

(2) 投影儀將調(diào)節(jié)圖投影至標(biāo)定板,調(diào)節(jié)圖像采集器使得條紋圖像成像清晰。

(3) 核心單元控制投影儀將一幅直條紋圖像投影至標(biāo)定板。

(4) 核心單元控制圖像采集器拍攝經(jīng)過待測樣品反射的直條紋圖像虛像,并保存至核心單元。

(5) 判斷條紋圖是否投影完畢,如果沒有,繼續(xù)投影下一張,并重復(fù)步驟(3)和步驟(4);如果完成,則結(jié)束采集。

(6) 核心單元對采集圖像進行處理,計算待測鏡面的鏡面反射法線偏差角。

3.2 圖像處理流程

二次反射鏡鏡面快速檢測中圖像處理步驟的流程如圖7所示。

圖7 圖像處理流程示意

具體步驟如下。

(1) 核心單元讀取原始圖像。

(2) 對原始圖像進行二值化處理。

(3) 對二值化區(qū)域進行篩選,去除噪聲和異常區(qū)域。

(4) 對經(jīng)過區(qū)域篩選的二值化圖像進行條紋細化處理[17-18],完成條紋圖像的預(yù)處理。

(5) 在所有細化后的條紋中選取一條變化相對平緩的條紋作為基準(zhǔn),在基準(zhǔn)條紋兩端各選取一個點建立原始基準(zhǔn)直線。過基準(zhǔn)條紋一端的點建立與原始基準(zhǔn)直線垂直的取點直線,然后獲得取點直線與每一條細化條紋的交點?；谶@些交點為每一條細化條紋分別建立與原始基準(zhǔn)直線平行的基準(zhǔn)直線,然后每一條細化條紋分別根據(jù)對應(yīng)的基準(zhǔn)直線計算像素偏差。

(6) 根據(jù)式(2)和式(4)計算二次反射鏡鏡面反射法線偏差角。

(7) 在核心單元里保存計算結(jié)果。

3.3 反射法線偏差解算結(jié)果

圖像采集器對準(zhǔn)待測二次反射鏡鏡面,投影儀將條紋圖案投影至標(biāo)定板后采集所得的條紋照片如圖8所示。

圖8 條紋照片示意

根據(jù)上述圖像處理方法,需要對條紋照片進行二值化、區(qū)域篩選和條紋細化等預(yù)處理。根據(jù)細化條紋的構(gòu)建方法,可獲得每一條細化條紋對應(yīng)的基準(zhǔn)直線,具體如圖9所示。

圖9 像素偏差示意

每一條細化條紋基于對應(yīng)的基準(zhǔn)直線都可計算像素偏差,然后分別代入式(2)和式(4)計算水平直條紋和豎直直條紋對應(yīng)的待測二次反射鏡鏡面反射法線偏差角。計算結(jié)果如圖10所示。其中:圖10(a)為基于水平直條紋的待測面反射法線偏差角分布示意圖,對應(yīng)反射法線偏差角在x軸方向的分量;圖10(b)為基于豎直直條紋的待測面反射法線偏差角分布示意圖,對應(yīng)反射法線偏差角在y軸方向的分量。

圖10 鏡面反射法線偏差角分布示意

3.4 檢測結(jié)果對比

通過關(guān)節(jié)臂測量機對待測二次反射鏡鏡面進行面形檢測,然后基于三維坐標(biāo)的點云數(shù)據(jù)描述待測面的三維分布。對點云數(shù)據(jù)進行離散處理建立網(wǎng)格陣列點,陣列上每個點均能通過點云數(shù)據(jù)計算該點處的法線,可近似認為是該點處的鏡面反射法線。根據(jù)系統(tǒng)坐標(biāo)系,將各點處的鏡面反射法線分解為x軸和y軸方向分量,即為反射法線偏差角在2個方向的分量,結(jié)果如圖11所示。

圖11 關(guān)節(jié)臂測量結(jié)果示意

根據(jù)快速檢測方法結(jié)果和關(guān)節(jié)臂檢測結(jié)果,兩者偏差的統(tǒng)計結(jié)果如圖12所示。

圖12 2種檢測方法檢測統(tǒng)計結(jié)果比較

圖12中:左側(cè)箱線圖為y軸方向分量的比較結(jié)果,占比為50%的偏差值集中在-0.197～-1.106 mrad,占比為99.3%的偏差值集中在1.164～-2.486 mrad;右側(cè)箱線圖為x軸方向分量的比較結(jié)果,占比為50%的偏差值集中在-0.345～-1.052 mrad,占比為99.3%的偏差值集中在0.162～-2.071 mrad。2種檢測方法的檢測結(jié)果x軸方向分量偏差比y軸方向分量偏差相對較小,并且偏差值散布相對更集中。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,2種方法的檢測結(jié)果雖然存在一定的偏差,但均沒有直接測量鏡面反射法線,且都屬于近似的方法,所以可以認為2種檢測方法的檢測結(jié)果相符。

4 結(jié) 語

本文通過2種條紋方向相互正交的直條紋圖案(水平直條紋和豎直直條紋)將二次反射鏡面形情況反饋為直線條紋的彎曲情況,然后基于面形快速解算算法中的水平直條紋解算模型和豎直直條紋解算模型,將像素偏差轉(zhuǎn)換為鏡面反射法線的偏差角,并將鏡面反射法線的偏差角分解為x軸方向分量和y軸方向分量,實現(xiàn)了二次反射鏡面形質(zhì)量的快速檢測。利用面形快速解算方法對一塊待測二次反射鏡樣品進行檢測,獲得了待測二次反射鏡鏡面反射法線偏差角的x軸方向分量和y軸方向分量的數(shù)據(jù)分布,并將計算結(jié)果與基于關(guān)節(jié)臂測量機的檢測結(jié)果進行了對比,結(jié)果表明,2種檢測方法的檢測結(jié)果相符。由此表明,本文中的面形快速檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)待測二次反射鏡面形的高效檢測,適合應(yīng)用于實際工程項目。