專(zhuān)利名稱(chēng)：雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)及算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣科學(xué)中太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度測(cè)量?jī)x的太陽(yáng)跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)及算法。
背景技術(shù)：
在大氣科學(xué)中，通過(guò)對(duì)窄視場(chǎng)窄波段太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度的測(cè)量可獲得大氣氣溶膠和卷云的光學(xué)性質(zhì)，大氣氣溶膠和卷云在大氣輻射、光學(xué)工程應(yīng)用和氣候變化研究中都占有重要地位，通過(guò)直接和間接效應(yīng)影響大氣中的能量平衡以及大氣中空間目標(biāo)物的探測(cè)，傳統(tǒng)的單筒單視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)被廣泛應(yīng)用于氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量，其測(cè)量應(yīng)用嚴(yán)重依賴(lài)于無(wú)云天氣條件，而安徽光機(jī)所近期研制的雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)不僅可以測(cè)量晴朗無(wú)云天氣條件下的氣溶膠光學(xué)性質(zhì)，也可通過(guò)不同視場(chǎng)角太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度的測(cè)量來(lái)反演卷云 的光學(xué)性質(zhì)，并用來(lái)區(qū)別卷云和氣溶膠，而太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度的關(guān)鍵是能否精準(zhǔn)跟蹤太陽(yáng)。傳統(tǒng)的單筒單視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)采用四象限探測(cè)器進(jìn)行跟蹤，四象限探測(cè)器根據(jù)太陽(yáng)光斑在四個(gè)象限能量分布的差值來(lái)跟蹤太陽(yáng)，無(wú)云天氣條件下太陽(yáng)光斑均勻分布四象限探測(cè)器能精準(zhǔn)跟蹤太陽(yáng)，而在有云天氣條件下太陽(yáng)光斑由于受卷云影響光強(qiáng)分布不均勻不能精準(zhǔn)跟蹤太陽(yáng)，太陽(yáng)光度計(jì)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤精度要求較高，如果采用四象限探測(cè)器跟蹤會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，本發(fā)明將CCD圖像傳感器跟蹤技術(shù)運(yùn)用到雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)中并結(jié)合天文視日軌跡跟蹤方法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光度計(jì)的全天候精準(zhǔn)跟蹤。近些年，太陽(yáng)的圖像跟蹤技術(shù)多被用于太陽(yáng)能發(fā)電的太陽(yáng)跟蹤器中，多是采用小孔成像或較大視場(chǎng)的魚(yú)眼鏡頭通過(guò)圖像處理技術(shù)確定太陽(yáng)的位置進(jìn)而跟蹤太陽(yáng)，跟蹤精度都較低，王紅睿等人根據(jù)小孔成像設(shè)計(jì)的智能雙模式太陽(yáng)跟蹤器跟蹤精度大于10角分，徐曉冰等根據(jù)魚(yú)眼圖像識(shí)別修正設(shè)計(jì)的太陽(yáng)跟蹤發(fā)電系統(tǒng)跟蹤精度也在0. 1°以?xún)?nèi)，這些跟蹤精度達(dá)不到太陽(yáng)光度計(jì)的要求，本發(fā)明采用透鏡成像，將天文視日軌跡跟蹤方法和圖像處理技術(shù)相結(jié)合達(dá)到更高的跟蹤精度，適于雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)用于測(cè)量卷云光學(xué)性質(zhì)，也可應(yīng)用于其它對(duì)太陽(yáng)跟蹤精度要求較高的場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)及算法，以解決現(xiàn)有技術(shù)太陽(yáng)光度計(jì)中太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)測(cè)量不便具有局限性的問(wèn)題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)，其特征在于包括有成像光筒、CCD圖像傳感器、圖像采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、工控機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)，所述的轉(zhuǎn)臺(tái)包括轉(zhuǎn)動(dòng)部件、俯仰步進(jìn)電機(jī)、水平步進(jìn)電機(jī)、零位定位裝置、底座箱，所述的轉(zhuǎn)動(dòng)部件包括垂直安裝于底座箱的水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂、平行于底座箱的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂，所述的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂安裝在水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂的兩支撐臂之間，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂外套有探測(cè)器盒，探測(cè)器盒前端下部安裝有兩個(gè)大光筒，探測(cè)器盒前端上部安裝有與下部?jī)蓚€(gè)大光筒嚴(yán)格平行的成像光筒，所述的成像光筒內(nèi)壁涂黑，前端開(kāi)孔并嵌有衰減濾光片，成像光筒內(nèi)部含有由膠合正負(fù)透鏡組成的雙膠合透鏡，后端開(kāi)孔且?guī)в型饴菁y，所述的CXD圖像傳感器的正面設(shè)有CXD靶面，CXD靶面處有涂黑且?guī)в袃?nèi)螺紋的鏡頭圈，鏡頭圈與所述成像光筒連接，CCD圖像傳感器的背面包括電源插座和BNC圖像輸出插頭，所述的CCD圖像傳感器位于探測(cè)器盒中端內(nèi)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂上側(cè)；所述的俯仰步進(jìn)電機(jī)安裝于俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂左側(cè)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂左支撐臂上側(cè)，所述的水平步進(jìn)電機(jī)位于水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂下底座箱內(nèi)，所述的零位定位裝置包括水平零位定位光電開(kāi)關(guān)和俯仰零位定位光電開(kāi)關(guān)，分別位于俯仰步進(jìn)電機(jī)和水平步進(jìn)電機(jī)旁，與運(yùn)動(dòng)控制模塊限位信號(hào)結(jié)合實(shí)現(xiàn)俯仰和水平零位定位，所述的底座箱內(nèi)還包括有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源轉(zhuǎn)換模塊，底座箱上表面安裝有水平儀，所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)端與俯仰步進(jìn)電機(jī)、水平步進(jìn)電機(jī)連接分別驅(qū)動(dòng)水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂，所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制端與運(yùn)動(dòng)控制模塊連接，所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊的PCI插頭與工控機(jī)的PCI插槽相連，CCD圖像傳感器的電源插座通過(guò)電源線(xiàn)與電源轉(zhuǎn)換模塊相連，所述的圖像采集模塊的BNC圖像輸入插頭通過(guò)BNC連接線(xiàn)與所述的CXD圖像傳感器的BNC圖像輸出插頭相連，圖像采集模塊的PCI插頭與工控機(jī)PCI插槽相連。所述的底座箱下表面帶有三個(gè)可螺的支撐腳，呈三角形。 所述成像光筒的通光孔徑為13mm，內(nèi)部的雙膠合透鏡組合焦距為110. 3mm，膠合透鏡前面光筒長(zhǎng)為83_，成像光筒前端內(nèi)的衰減濾光片用于衰減入射的太陽(yáng)光，衰減后的平行太陽(yáng)光經(jīng)雙膠合透鏡成像于CXD傳感器的CXD靶面上，形成太陽(yáng)圖像光斑。所述的CXD靶面尺寸為寬6. 4mm,高4. 8mm，對(duì)角線(xiàn)8mm。CXD圖像傳感器直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后輸出數(shù)字圖像信號(hào)，有效像素440K，CXD圖像傳感器與成像光筒通過(guò)螺紋副連接可完全將太陽(yáng)光斑成像于CXD靶面上。所述電源轉(zhuǎn)換模塊將市電AC220V轉(zhuǎn)換為DC12V、DC24V，分別為CCD圖像傳感器、
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。所述圖像采集模塊采用OK系列圖像采集卡，帶有PCI插槽與工控機(jī)連接，提供便于各類(lèi)語(yǔ)言編程的庫(kù)函數(shù)，所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊采用四軸步進(jìn)電機(jī)控制卡PCI-8144，各軸帶有限位信號(hào)，可用于俯仰和水平轉(zhuǎn)動(dòng)的初始位置定位，便于太陽(yáng)全自動(dòng)跟蹤的實(shí)現(xiàn)，帶有PCI插槽與所述的工控機(jī)連接，提供便于各類(lèi)語(yǔ)言編程的庫(kù)函數(shù)。所述兩大光筒通過(guò)圖像跟蹤系統(tǒng)跟準(zhǔn)太陽(yáng)后接收太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，兩大光筒與成像光筒嚴(yán)格平行，等間距位于成像光筒下側(cè)。一種雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤算法，其特征在于包括以下步驟(I)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用平行光管找到C⑶圖像傳感器視場(chǎng)中心坐標(biāo)(X' ,y/ )，以CXD圖像傳感器視場(chǎng)中心坐標(biāo)為中心設(shè)定一矩形區(qū)間MXM ；(2)通過(guò)觀(guān)察底座箱上水平儀和指南針使轉(zhuǎn)臺(tái)正面朝南水平擺放；(3)運(yùn)動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并實(shí)時(shí)檢測(cè)限位信號(hào)找到初始位置，并讓起始太陽(yáng)高度角e ' =0，太陽(yáng)方位角cp'=o;(4)讀取工控機(jī)內(nèi)部時(shí)間和當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，根據(jù)天文視日軌跡跟蹤方法計(jì)算太陽(yáng)高度角和方位角，并記錄下太陽(yáng)高度角和方位角分別為e和9，得到太陽(yáng)高度角差A(yù) 0 = 9-0 /和方位角差A(yù)cp=cp-<，將太陽(yáng)高度角差和方位角差分別轉(zhuǎn)換為俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)步數(shù)和水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)步數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)驅(qū)動(dòng)步數(shù)分別驅(qū)動(dòng)俯仰步進(jìn)電機(jī)和水平步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，讓處于初始位置的成像光筒對(duì)著太陽(yáng)，令e' =0，cp-=cp；(5)太陽(yáng)平行光經(jīng)成像光筒前端內(nèi)的衰減濾光片衰減并通過(guò)雙膠合透鏡聚焦成像于CXD圖像傳感器的CXD耙面；(6)(XD圖像傳感器經(jīng)背面BNC圖像輸出插頭輸出太陽(yáng)圖像到圖像采集模塊，工控機(jī)程序控制圖像采集模塊進(jìn)行圖像采集，圖像采集模塊將采集到的太陽(yáng)圖像傳送至工控機(jī)中；(7)在工控機(jī)程序中對(duì)采集到的太陽(yáng)圖像進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)圖像中是否有太陽(yáng)光斑，無(wú)太陽(yáng)光斑，循環(huán)(4) (5) (6) (7)；(8)有太陽(yáng)光斑，利用圖像處理技術(shù)圓弧中心法計(jì)算太陽(yáng)光斑中心坐標(biāo)(x，y)，將太陽(yáng)光斑中心坐標(biāo)與CXD圖像傳感器視場(chǎng)中心坐標(biāo)進(jìn)行比較，得到俯仰像素間距Ax= X-X/和水平像素間距Ay=y- y'，將兩像素間距轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)步數(shù)，兩像素間距大于矩形區(qū)一半時(shí)，快速驅(qū)動(dòng)俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)使太陽(yáng)光斑進(jìn)入矩形區(qū)內(nèi)，兩間距小于矩形區(qū)一半時(shí)，精細(xì)調(diào)整俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)直至太陽(yáng)光斑中心與傳感器視場(chǎng)中心像素間距在設(shè)定的±3像素內(nèi)；(9)由太陽(yáng)視場(chǎng)角約為32角分，CXD耙面上太陽(yáng)光斑直徑像素有164，設(shè)定的跟蹤像素為±3，可計(jì)算圖像實(shí)際跟蹤精度如下
土 3Tj = 二^ X 32' = ±0.585'
164系統(tǒng)的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿與蝸輪嚙合，其傳動(dòng)比為1:120，當(dāng)蝸桿隨步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角1.8°且步進(jìn)電機(jī)2細(xì)分時(shí)，蝸輪只轉(zhuǎn)動(dòng)
0.45'，考慮太陽(yáng)光斑直徑像素計(jì)算誤差及步距角等誤差，可認(rèn)為系統(tǒng)最低跟蹤精度高于I角分；(10)循環(huán)步驟(7) (8)，能夠全天侯跟蹤太陽(yáng)且跟蹤精度高于I角分，結(jié)束跟蹤時(shí)運(yùn)動(dòng)控制模塊結(jié)合零位定位裝置通過(guò)檢測(cè)限位信號(hào)驅(qū)動(dòng)俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至初始位置。本發(fā)明的原理是雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)使用前需在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)借助平行光管找到CCD圖像傳感器光敏面的視場(chǎng)中心，工作時(shí)其轉(zhuǎn)臺(tái)須正面朝南水平擺放，工控機(jī)控制運(yùn)動(dòng)控制模塊使得轉(zhuǎn)臺(tái)能夠自動(dòng)在水平和俯仰方向兩個(gè)自由度上正確回到初始位置，用戶(hù)通過(guò)工控機(jī)的天文視日軌跡跟蹤方法首先下發(fā)粗跟蹤命令后，由運(yùn)動(dòng)控制模塊控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)使成像光筒對(duì)著太陽(yáng)，太陽(yáng)平行光經(jīng)成像光筒在CCD圖像傳感器耙面上成像，工控機(jī)通過(guò)程序發(fā)命令給圖像采集模塊，圖像采集模塊采集傳感器輸出的太陽(yáng)圖像并將太陽(yáng)圖像傳回給工控機(jī)，工控機(jī)通過(guò)圖像處理技術(shù)跟蹤方法下發(fā)精跟蹤命令后，由運(yùn)動(dòng)控制模塊控制轉(zhuǎn)臺(tái)精準(zhǔn)跟蹤太陽(yáng)，跟蹤精度高于I角分。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有的積極效果在于I)太陽(yáng)的圖像跟蹤技術(shù)首次被用于大氣科學(xué)領(lǐng)域太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度測(cè)量?jī)x器中；、
2)采用天文視日軌跡跟蹤方法和圖像處理技術(shù)跟蹤方法相結(jié)合的雙模式跟蹤技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)非陰雨天氣的全天候全自動(dòng)跟蹤，跟蹤精度高于I角分；3)解決了傳統(tǒng)太陽(yáng)光度計(jì)當(dāng)有不均勻云時(shí)利用四象限光強(qiáng)的分布來(lái)跟蹤太陽(yáng)會(huì)不準(zhǔn)的局限性問(wèn)題；


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明的成像光筒結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的轉(zhuǎn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的算法流程圖。圖5為圖像跟蹤效果圖。
具體實(shí)施例方式如圖I、圖2、圖3所示。雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)，包括有成像光筒16、CXD圖像傳感器3、圖像采集模塊11、運(yùn)動(dòng)控制模塊12、工控機(jī)13、轉(zhuǎn)臺(tái)1，成像光筒16位于轉(zhuǎn)臺(tái)I探測(cè)器盒25前端，內(nèi)壁涂黑，前端開(kāi)孔并嵌有衰減濾光片14，內(nèi)部含有由膠合正負(fù)透鏡組成的雙膠合透鏡15，后端開(kāi)孔且?guī)в型饴菁y，CXD圖像傳感器3位于轉(zhuǎn)臺(tái)I探測(cè)器盒25中端內(nèi)，正面CXD靶面5處有涂黑且?guī)в袃?nèi)螺紋的鏡頭圈4，與成像光筒16螺紋副連接，背面包括電源插座6和BNC圖像輸出插頭7，電源插座6通過(guò)電源線(xiàn)與電源轉(zhuǎn)換模塊2相連，電源轉(zhuǎn)換模塊2在轉(zhuǎn)臺(tái)I底座箱23內(nèi)，圖像采集模塊11左側(cè)帶有BNC圖像輸入插頭，通過(guò)BNC連接線(xiàn)與CXD圖像傳感器3 BNC圖像輸出插頭7相連，底側(cè)是PCI插頭，與工控機(jī)13 PCI插槽相連，運(yùn)動(dòng)控制模塊12左側(cè)是68針孔插座，底側(cè)是PCI插頭，與工控機(jī)
13PCI插槽相連，工控機(jī)13包括多個(gè)PCI插槽，內(nèi)部插有圖像采集模塊11和運(yùn)動(dòng)控制模塊12，用于在程序引導(dǎo)下獲取太陽(yáng)圖像、發(fā)控制命令給運(yùn)動(dòng)控制模塊12和接收由運(yùn)動(dòng)控制模塊12傳回的信號(hào)，轉(zhuǎn)臺(tái)I包括轉(zhuǎn)動(dòng)部件、俯仰步進(jìn)電機(jī)8、水平步進(jìn)電機(jī)9、零位定位裝置、底座箱21，轉(zhuǎn)動(dòng)部件包括垂直于底座箱21的水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂18、平行于底座箱21的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂19，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂19安裝在水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂18的兩支撐臂之間，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂19外套有探測(cè)器盒23，探測(cè)器盒23前端上部安裝有與下部?jī)纱蠊馔?7嚴(yán)格平行的成像光筒16，與成像光筒16相連的CXD圖像傳感器3位于探測(cè)器盒23中端內(nèi)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂19上側(cè)，俯仰步進(jìn)電機(jī) 8安裝于俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂19左側(cè)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂18左支撐臂上側(cè)，水平步進(jìn)電機(jī)9位于水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂18下底座箱21內(nèi)，零位定位裝置包括俯仰零位定位光電開(kāi)關(guān)和水平零位定位光電開(kāi)關(guān)，分別位于俯仰步進(jìn)電機(jī)8和水平步進(jìn)電機(jī)9旁，與運(yùn)動(dòng)控制模塊12限位信號(hào)結(jié)合實(shí)現(xiàn)俯仰和水平零位定位，底座箱21內(nèi)包括水平步進(jìn)電機(jī)9、水平零位定位光電開(kāi)關(guān)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10、電源轉(zhuǎn)換模塊2，底座箱21上表面裝有水平儀20，下表面帶有三個(gè)可螺的支撐腳22，呈三角形，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10 —方面與俯仰步進(jìn)電機(jī)8、水平步進(jìn)電機(jī)9連接分別驅(qū)動(dòng)水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂18、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂19，另一方面與運(yùn)動(dòng)控制模塊12連接。成像光筒16通光孔徑為13mm，內(nèi)部的雙膠合透鏡15組合焦距為110. 3mm，雙膠合透鏡15前面光筒長(zhǎng)為83_，成像光筒16前端內(nèi)的衰減濾光片14用于衰減入射的太陽(yáng)光，衰減后的平行太陽(yáng)光經(jīng)雙膠合透鏡15成像于CXD圖像傳感器3的CXD靶面5上，形成太陽(yáng)圖像光斑。CXD圖像傳感器3直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后輸出數(shù)字圖像信號(hào)，有效像素440K，(XD靶面5尺寸為寬6. 4mm,高4. 8mm，對(duì)角線(xiàn)8_，CXD圖像傳感器3與成像光筒16通過(guò)螺紋副連接可完全將太陽(yáng)光斑成像于CXD靶面5。電源轉(zhuǎn)換模塊2將市電AC220V轉(zhuǎn)換為DC12V、DC24V，分別為CCD圖像傳感器3、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10供電。圖像采集模塊11采用OK系列圖 像采集卡，帶有PCI插槽與工控機(jī)13連接，提供便于各類(lèi)語(yǔ)言編程的庫(kù)函數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制模塊12采用四軸步進(jìn)電機(jī)控制卡PCI-8144，各軸帶有限位信號(hào)，與俯仰零位定位光電開(kāi)關(guān)和水平零位定位光電開(kāi)關(guān)相結(jié)合，可用于俯仰和水平轉(zhuǎn)動(dòng)的初始位置定位，初始位置指轉(zhuǎn)臺(tái)I上成像光筒16水平對(duì)準(zhǔn)正南，當(dāng)檢測(cè)到限位信號(hào)為0時(shí)運(yùn)動(dòng)控制模塊12驅(qū)動(dòng)俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)8、9轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到限位信號(hào)為I時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，找到初始位置，便于太陽(yáng)全自動(dòng)跟蹤的實(shí)現(xiàn)，帶有PCI插槽與工控機(jī)13連接，提供便于各類(lèi)語(yǔ)言編程的庫(kù)函數(shù)。兩個(gè)大光筒17通過(guò)圖像跟蹤系統(tǒng)跟準(zhǔn)太陽(yáng)后接收太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，兩個(gè)大光筒17與成像光筒16嚴(yán)格平行，等間距位于成像光筒16下側(cè)。如圖4所示，雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤算法流程如下(I)雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)使用前須實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用平行光管找到CXD圖像傳感器3視場(chǎng)中心坐標(biāo)(X'，y')，以CXD圖像傳感器3視場(chǎng)中心坐標(biāo)為中心設(shè)定一矩形區(qū)間MXM;(2)須通過(guò)觀(guān)察底座箱21上水平儀20和指南針讓轉(zhuǎn)臺(tái)I正面朝南水平擺放；(3)系統(tǒng)通電開(kāi)機(jī)后，工控機(jī)13在程序引導(dǎo)下下發(fā)跟蹤命令，運(yùn)動(dòng)控制模塊12檢測(cè)限位信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到限位信號(hào)為0時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制模塊12驅(qū)動(dòng)俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)8、9轉(zhuǎn)動(dòng)并實(shí)時(shí)檢測(cè)限位信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到限位信號(hào)為I時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，找到初始位置，并讓初始位置太陽(yáng)高度角9' =0，太陽(yáng)方位角斤0，即轉(zhuǎn)臺(tái)I上成像光筒水平對(duì)準(zhǔn)正南；(4)讀取工控機(jī)13內(nèi)部時(shí)間和當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，根據(jù)天文視日軌跡跟蹤方法計(jì)算太陽(yáng)高度角和方位角，并記錄下太陽(yáng)高度角和方位角分別為e和(P，得到太陽(yáng)高度角差A(yù) 9 = 9-0 /和方位角差A(yù)9=cp-cp'，將太陽(yáng)高度角差和方位角差分別轉(zhuǎn)換為俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)步數(shù)和水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)步數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制模12塊根據(jù)驅(qū)動(dòng)步數(shù)分別驅(qū)動(dòng)俯仰步進(jìn)電機(jī)8和水平步進(jìn)電機(jī)9運(yùn)轉(zhuǎn)，讓處于初始位置的成像光筒16對(duì)著太陽(yáng)，并讓0' =0，cp-9；(5)太陽(yáng)平行光經(jīng)成像光筒16前端內(nèi)的衰減濾光片14衰減并通過(guò)雙膠合透鏡15聚焦成像于CXD圖像傳感器3 CXD耙面5 ；(6) CXD圖像傳感器3經(jīng)背面BNC圖像輸出插頭7輸出太陽(yáng)圖像到圖像采集模塊11，工控機(jī)13程序控制圖像采集模塊11進(jìn)行圖像采集，圖像采集模塊11將采集到的太陽(yáng)圖像傳送至工控機(jī)13中；(7)在工控機(jī)13程序中對(duì)采集到的太陽(yáng)圖像進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)圖像中是否有太陽(yáng)光斑，無(wú)太陽(yáng)光斑，循環(huán)(4) (5) (6) (7)；(8)有太陽(yáng)光斑，利用圖像處理技術(shù)圓弧中心法計(jì)算太陽(yáng)光斑中心坐標(biāo)(x，y)，將太陽(yáng)光斑中心坐標(biāo)與傳感器視場(chǎng)中心坐標(biāo)進(jìn)行比較，得到俯仰像素間距Ax= X- x/和水平像素間距Ay=y- y'，將兩像素間距轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)步數(shù)，兩像素間距大于矩形區(qū)一半時(shí)，快速驅(qū)動(dòng)俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)8、9使太陽(yáng)光斑進(jìn)入矩形區(qū)內(nèi)，兩間距都小于矩形區(qū)一半時(shí)，精細(xì)調(diào)整俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)8、9直至太陽(yáng)光斑中心與傳感器視場(chǎng)中心像素間距在設(shè)定的± 3像素內(nèi)，跟準(zhǔn)太陽(yáng)，跟蹤效果圖如圖5所示；、
(9)繼續(xù)跟蹤，循環(huán)步驟(7) (8)，能夠全天侯跟蹤太陽(yáng)且跟蹤精度高于I角分，結(jié)束跟蹤時(shí)運(yùn)動(dòng)控制模塊12結(jié)合零位定位裝置通過(guò)檢測(cè)限位信號(hào)驅(qū)動(dòng)俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)
8、9運(yùn)轉(zhuǎn)使成像光筒16水平對(duì)準(zhǔn)正南，回到初始位置。權(quán)利要求
1.雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)，其特征在于包括有成像光筒、CCD圖像傳感器、圖像采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、工控機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)，所述的轉(zhuǎn)臺(tái)包括轉(zhuǎn)動(dòng)部件、俯仰步進(jìn)電機(jī)、水平步進(jìn)電機(jī)、零位定位裝置、底座箱，所述的轉(zhuǎn)動(dòng)部件包括垂直安裝于底座箱的水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂、平行于底座箱的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂，所述的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂安裝在水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂的兩支撐臂之間，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂外套裝有探測(cè)器盒，探測(cè)器盒前端下部安裝有兩個(gè)大光筒，探測(cè)器盒前端上部安裝有與下部?jī)蓚€(gè)大光筒嚴(yán)格平行的成像光筒，所述的成像光筒內(nèi)壁涂黑，前端開(kāi)孔并嵌有衰減濾光片，成像光筒內(nèi)部含有由膠合正負(fù)透鏡組成的雙膠合透鏡，成像光筒后端開(kāi)孔且?guī)в型饴菁y，所述的CXD圖像傳感器的正面設(shè)有CXD靶面，CXD靶面處有涂黑且?guī)в袃?nèi)螺紋的鏡頭圈，鏡頭圈與所述成像光筒連接，CCD圖像傳感器的背面包括電源插座和BNC圖像輸出插頭，所述的CCD圖像傳感器位于探測(cè)器盒中端內(nèi)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂上側(cè)；所述的俯仰步進(jìn)電機(jī)安裝于俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂左側(cè)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂左支撐臂上側(cè)，所述的水平步進(jìn)電機(jī)位于水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂下底座箱內(nèi)，所述的零位定位裝置包括水平零位定位光電開(kāi)關(guān)和俯仰零位定位光電開(kāi)關(guān)，分別位于俯仰步進(jìn)電機(jī)和水平步進(jìn)電機(jī)旁；所述的底座箱內(nèi)還包括有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源轉(zhuǎn)換模塊，底座箱上表面安裝有水平儀，所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)端與俯仰步進(jìn)電機(jī)、水平步進(jìn)電機(jī)連接分別驅(qū)動(dòng)水平轉(zhuǎn)動(dòng)臂、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)臂，所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制端與運(yùn)動(dòng)控制模塊連接，所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊的PCI插頭與工控機(jī)的PCI插槽相連，CXD圖像傳感器的電源插座通過(guò)電源線(xiàn)與電源轉(zhuǎn)換模塊相連，所述的圖像采集模塊的BNC圖像輸入插頭通過(guò)BNC連接線(xiàn)與所述的CXD圖像傳感器的BNC圖像輸出插頭相連，圖像采集模塊的PCI插頭與工控機(jī)的PCI插槽相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述的底座箱下表面帶有三個(gè)可螺的支撐腳，呈三角形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述成像光筒的通光孔徑為13_，內(nèi)部的雙膠合透鏡組合焦距為110. 3_，膠合透鏡前面光筒長(zhǎng)為 83mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述的CCD革巴面尺寸為寬6. 4mm,高4. 8mm,對(duì)角線(xiàn)8mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述電源轉(zhuǎn)換模塊將市電AC220V轉(zhuǎn)換為DC12V、DC24V，分別為CCD圖像傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述圖像采集模塊采用OK系列圖像采集卡，所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊采用四軸步進(jìn)電機(jī)控制卡PCI-8144，各軸帶有限位信號(hào)。
7.基于權(quán)利要求I的一種雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤算法，其特征在于包括以下步驟 (1)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用平行光管找到CXD圖像傳感器視場(chǎng)中心坐標(biāo)U',y')，以CXD圖像傳感器視場(chǎng)中心坐標(biāo)為中心設(shè)定一矩形區(qū)間MXM ； (2)通過(guò)觀(guān)察底座箱上水平儀和指南針使轉(zhuǎn)臺(tái)正面朝南水平擺放； (3)運(yùn)動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并實(shí)時(shí)檢測(cè)限位信號(hào)找到初始位置，并讓起始太陽(yáng)高度角9 ' =0，太陽(yáng)方位角9'=0;(4)讀取工控機(jī)內(nèi)部時(shí)間和當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，根據(jù)天文視日軌跡跟蹤方法計(jì)算太陽(yáng)高度角和方位角，并記錄下太陽(yáng)高度角和方位角分別為e和(P，得到太陽(yáng)高度角差a 0 = 0-0'和方位角差A(yù)cp=9_cp'，將太陽(yáng)高度角差和方位角差分別轉(zhuǎn)換為俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)步數(shù)和水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)步數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)驅(qū)動(dòng)步數(shù)分別驅(qū)動(dòng)俯仰步進(jìn)電機(jī)和水平步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，讓處于初始位置的成像光筒對(duì)著太陽(yáng)，令9' =9 cp-=cp ； (5)太陽(yáng)平行光經(jīng)成像光筒前端內(nèi)的衰減濾光片衰減并通過(guò)雙膠合透鏡聚焦成像于CXD圖像傳感器的CXD耙面； (6)CCD圖像傳感器經(jīng)背面BNC圖像輸出插頭輸出太陽(yáng)圖像到圖像采集模塊，工控機(jī)程序控制圖像采集模塊進(jìn)行圖像采集，圖像采集模塊將采集到的太陽(yáng)圖像傳送至工控機(jī)中； (7)在工控機(jī)程序中對(duì)采集到的太陽(yáng)圖像進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)圖像中是否有太陽(yáng)光斑，無(wú)太陽(yáng)光斑，循環(huán)(4) (5) (6) (7)； (8)有太陽(yáng)光斑，利用圖像處理技術(shù)圓弧中心法計(jì)算太陽(yáng)光斑中心坐標(biāo)(x，y)，將太陽(yáng)光斑中心坐標(biāo)與CCD圖像傳感器視場(chǎng)中心坐標(biāo)進(jìn)行比較，得到俯仰像素間距Ax= X- x/和水平像素間距Ay=y- y'，將兩像素間距轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)步數(shù)，兩像素間距大于矩形區(qū)一半時(shí)，快速驅(qū)動(dòng)俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)使太陽(yáng)光斑進(jìn)入矩形區(qū)內(nèi)，兩間距小于矩形區(qū)一半時(shí)，精細(xì)調(diào)整俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)直至太陽(yáng)光斑中心與傳感器視場(chǎng)中心像素間距在設(shè)定的±3像素內(nèi)； (9)由太陽(yáng)視場(chǎng)角約為32角分，CXD耙面上太陽(yáng)光斑直徑像素有164，設(shè)定的跟蹤像素為±3，可計(jì)算圖像實(shí)際跟蹤精度如下 7 = PxSS1 =±0.585' 164 系統(tǒng)的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿與蝸輪嚙合，其傳動(dòng)比為1:120，當(dāng)蝸桿隨步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角1.8°且步進(jìn)電機(jī)2細(xì)分時(shí)，蝸輪只轉(zhuǎn)動(dòng)0.45'，考慮太陽(yáng)光斑直徑像素計(jì)算誤差及步距角等誤差，可認(rèn)為系統(tǒng)最低跟蹤精度高于I角分； (10)循環(huán)步驟(7)(8)，能夠全天侯跟蹤太陽(yáng)且跟蹤精度高于I角分，結(jié)束跟蹤時(shí)運(yùn)動(dòng)控制模塊結(jié)合零位定位裝置通過(guò)檢測(cè)限位信號(hào)驅(qū)動(dòng)俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至初始位置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種雙筒多視場(chǎng)太陽(yáng)光度計(jì)圖像跟蹤系統(tǒng)及算法，包括有成像光筒、CCD圖像傳感器、圖像采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、工控機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)，工控機(jī)控制運(yùn)動(dòng)控制模塊使得轉(zhuǎn)臺(tái)能夠自動(dòng)在水平和俯仰方向兩個(gè)自由度上正確回到初始位置，用戶(hù)通過(guò)工控機(jī)首先下發(fā)粗跟蹤命令后，由運(yùn)動(dòng)控制模塊控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)使成像光筒對(duì)著太陽(yáng)，太陽(yáng)平行光經(jīng)成像光筒在CCD耙面上成像，工控機(jī)通過(guò)程序命令圖像采集模塊采集傳感器輸出的太陽(yáng)圖像并將太陽(yáng)圖像傳回給工控機(jī)，工控機(jī)再下發(fā)精跟蹤命令后，由運(yùn)動(dòng)控制模塊控制轉(zhuǎn)臺(tái)精準(zhǔn)跟蹤太陽(yáng)，跟蹤精度高于1角分。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)太陽(yáng)光度計(jì)當(dāng)有不均勻云時(shí)利用四象限光強(qiáng)的分布來(lái)跟蹤太陽(yáng)會(huì)不準(zhǔn)的局限性問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01J1/42GK102722183SQ201210199570
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者李多揚(yáng), 李建玉, 江慶五, 魏合理, 黃宏華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所