基于圖像識別的二次反射鏡面形質量檢測方法*

孫 楠 閆克丁

（1.上海晶電新能源有限公司 上海 201112）（2.西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021）

1 引言

不同于利用光電效應的光伏發電，聚光太陽能熱發電（Concentrated Solar Power，CSP）技術是通過分布在一定區域內的定日鏡將太陽光匯聚至目標區域以獲得高能量密度的太陽光斑，再通過儲能介質將太陽能轉化為熱能用于后續的汽輪機發電［1～3］。二次反射技術是聚光太陽能熱發電技術的一種新型發展方向，通過架設在高處的二次發射鏡將定日鏡的反射光斑再次反射至地面處的吸熱器中，以再次匯聚太陽光［2，4～5］。相較于傳統的塔式技術，二次反射技術對二次反射鏡的面形質量要求更高，為了保證聚光效率和發電效率需要一種高精度的二次反射鏡面形質量檢測方法［6～7］。

針對二次反射鏡空間尺度較大、表面反射率高的特點，實際項目中通常使用雙目測距法、攝像測量法和三維掃描法。雙目測距法是基于雙相機幾何關系利用視差原理對圖像中的特征點進行測距，可以適用于反射率高的表面面形檢測［8～10］。但是受限于相機視場和檢測精度的相關關系，難以覆蓋整個待測二次反射鏡區域。攝影測量法是在被測二次反射鏡表面粘貼標志點，通過多組圖像計算標志點的相對空間關系［11～12］。該方法屬于點測量方法，檢測前準備時間較長，且解算時間也較長，難以實現高效率的面形質量檢測。三維掃描法雖然是面檢測且能夠實現被測面形的高精度檢測［13～15］，但是通常用于檢測漫反射表面，需要通過拼接的方法對大空間尺度目標進行檢測，容易造成誤差累積［16］。

因此，本文通過已知空間姿態的圖像采集器采集經過二次反射鏡反射的基于周期性彩色色塊的編碼板虛像，根據圖像識別結果反饋二次反射鏡面形的變化情況，并以此實現高精度的、高效的二次反射鏡面形質量檢測，為二次反射聚光效率評估提供有效保障。

2 系統概述

2.1 系統組成

如圖1所示，二次反射鏡面形質量檢測系統包括圖像采集器、彩色編碼板和計算單元。圖像采集器由計算單元控制采集被測二次反射鏡圖像，圖像采集器的安裝位置通過三維測量獲得，而圖像采集器姿態通過標定獲得。彩色編碼板為紅、綠和藍周期性排列的彩色正方形方塊，印制在一塊平板上并安裝在待測二次反射鏡下方。

圖1 系統組成示意圖

2.2 基本原理

如圖2所指示，根據待測二次反射鏡的理論面形和空間姿態、圖像采集器的安裝位置和實際姿態、彩色編碼板的安裝位置和實際姿態，圖像采集器像平面上任意一個像素點均可以根據反射定律計算其在二次反射鏡上的對應點Pi和彩色編碼板上的理論對應位置。識別圖像采集器采集的彩色編碼板虛像中各個色塊的角點圖像坐標，基于這些角點信息可知像素點與待測二次反射鏡鏡面的對應關系，也可以計算任意一個像素其在彩色編碼板上的實際對應位置。所以，理論位置和實際位置的偏差距離為

圖2 檢測原理示意圖

式中i表示像素點編號。

已知二次反射鏡上的對應點Pi到彩色編碼板的距離為Li，則二次反射鏡上Pi處理論矢量和實際矢量間的夾角為

基于反射定律，二次反射鏡上Pi處反射法線夾角為

2.3 檢測流程

二次反射鏡面形質量檢測流程如圖3所示。

圖3 檢測流程示意圖

1）對安裝好的圖像采集進行標定，先通過測繪的方法獲得圖像采集器中心的三維坐標，再通過預設的標定板計算圖像采集的實際姿態；

2）將被測二次反射鏡安裝固定，通過測繪的方式獲得二次反射鏡四個角的三維坐標，然后解算被測二次反射鏡的空間位置及姿態；

3）通過計算單元控制圖像采集單元采集圖像；

4）識別圖像里彩色編碼板虛像中各個彩色色塊的角點坐標，基于角點坐標插值圖像中各個像素點的坐標，并計算這些交點在二次反射鏡上的相對位置。同時，計算理想二次反射鏡對應的彩色編碼板虛像。根據式，基于理想彩色色塊角點和實際角點間的偏差計算二次反射鏡該點處的反射法線偏差角；

5）如果被測二次反射鏡上所有區域均計算完畢，則該被測二次反射檢測完畢；否則，重復第3）至第4）步驟。

3 面形檢測試驗

3.1 仿真實驗

如圖4（a）所示，設定理想面為水平面，測試面為高斯面，其中高斯面的峰值為2e-4m，標志差為3m。基于理想面計算圖像采集器視場，即經過水平面反射的彩色編碼板虛像，結果如圖4（b）左側圖像所示?；跍y試高斯面計算圖像采集器視場，即經過高斯面反射的彩色編碼板虛像，結果如圖4（b）右側圖像所示。按照2.2 節和2.3 節所述的方法，基于圖像采集器采集圖像計算任意一個像素其在彩色編碼板上的理論對應位置和實際對應位置間的偏差距離，再根據式計算測試面上Pi處理想反射法線與實際反射法線間的偏差角。解算結果如圖4（c）的箱線圖所示，偏差角的中位值為0.646mrad，偏差角上界為1.23mrad，占比50%的偏差角處于0.43mrad至0.89mrad的范圍內，仿真結果表明該方法能夠精確地檢測曲面的面形質量。

圖4 仿真實驗示意圖

3.2 樣品試驗

以玉門某塔式5 萬千瓦光熱發電項目中的二次反射鏡子模塊作為試驗對象，由于待其尺寸較大，所以通過4 臺圖像采集器的視場疊加覆蓋待測二次反射鏡區域。所使用的的彩色編碼板與仿真實驗所用的彩色編碼板相同，圖像采集器拍攝的圖像如圖5所示。

圖5 樣品圖像示意圖

基于式（3）和2.3 節的檢測流程，對4 臺圖像采集器的圖像進行識別處理，解算各個色塊虛像在圖像中的像素位置。通過實際色塊虛像和理論色塊虛像間的偏差解算待測二次反射鏡的反射法線偏差角，并以此表征待測二次反射鏡的面形質量，解算結果如圖6所示。

圖6 待測二次反射鏡分布示意圖

在待測二次反射鏡表面作噴粉處理，將鏡面反射面變為漫反射面，然后通過三維掃描儀掃描該面形，將三維掃描獲得的面形數據與理想面形數據進行對比，并以反射法線偏差角的形式評估待測二次反射鏡面形質量?；诓噬幋a板和三維掃描法的面形質量統計結果如圖7所示，雖然三維掃描法所得的面形法線偏差角范圍略小于基于彩色編碼板的檢測結果，但兩種結果差距較小，即兩種方法的檢測結果基本相同。

圖7 面形質量檢測統計分析示意圖

4 結語

綜上所述，本文利用周期性排布的彩色編碼板實現大空間尺度的二次反射鏡面形質量檢測。通過圖像識別的方法獲得圖像中各個色板的圖像坐標，然后根據理想面形的計算計算各個色板的相對位置偏差。基于各個色塊的相對位置偏差和待測二次反射鏡鏡面上各個檢測點到彩色編碼板的距離計算理論矢量與實際矢量間的夾角，再根據反射定律計算二次反射鏡鏡面上各個檢測點處的反射法線偏差角，從而獲得整個待測二次反射鏡的反射法線偏差角分布，并以該參數作為二次反射鏡面形質量的評估標準。仿真實驗表明基于圖像識別的二次反射鏡面形質量檢測方法能夠精確地檢測曲面的面形質量。以玉門某塔式5 萬千瓦光熱發電項目中的二次反射鏡子模塊作為試驗對象，通過基于彩色編碼板的方法和三維掃描法分別對被測二次反射鏡進行檢測，結果表明兩種方法的檢測結果差距較小，檢測結果基本相同。因此，本文中基于圖像識別的二次反射鏡面形質量檢測方法能夠實現高精度的、高效的二次反射鏡面形質量檢測，適用于實際工程項目，并且為二次反射聚光效率評估提供有效的數據支持，從而保證光熱發電站的發電效率。