林曉瓏,千慶姬,張鐵強(qiáng)

(吉林大學(xué) 物理學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

文章編號(hào) 1674-2915(2010)02-0140-06

衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣破損自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究

林曉瓏,千慶姬,張鐵強(qiáng)

(吉林大學(xué) 物理學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

介紹了國(guó)內(nèi)首次研制的衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣破損自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試用結(jié)果。系統(tǒng)采用專用照明系統(tǒng),電池陣列經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)清晰成像至 CCD傳感器上,經(jīng)信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)管理和控制系統(tǒng)。圖像傳感探頭自動(dòng)掃描整塊電池板,并由距離傳感器控制,始終保持采集圖像清晰。利用特有的系統(tǒng)控制和檢測(cè)軟件,處理每幅電池圖像信息,檢測(cè)結(jié)果通過(guò)列表形式給出損傷電池的位置、破損類型、破損度等參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)的檢出率達(dá) 98.5%以上,檢測(cè)速度為每分鐘 20片電池,達(dá)到了快速、高精度、自動(dòng)化檢測(cè)太陽(yáng)能電池陣的使用要求。

衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣;破損檢測(cè);視頻圖像;LED光源

Abstract:The automatic damage detection system for a satellite solar array was firstly developed in China,and its detection theory,structure and design of detection system and the results of on-site trial were introduced.By using a unique lighting system,the image of the salar arraywas focused clearly onto a CCD sensor via an optical system,then the signalswere multiamplified and A/D converted to store in a computer system.An imaging probe automatically scans the whole array and keeps the image clear through the control of a distance sensor.The customized system control and detection sof tware were used to process every battery image,then testing resultswere shown on a table to offer the location of the damaged battery,damage types and damage degreeetc.An on-site test shows that detection rate of the system isover 98.5%and detection speed is 20 batteries per minute,which meets the requirements of fast,accurate and automatic detection of the solar array.

Key words:satellite solar array;damage detection;video image;LED lighting source

1 引 言

太陽(yáng)能電池陣是唯一主動(dòng)提供衛(wèi)星能源的核心部件,該部件性能直接決定衛(wèi)星的正常運(yùn)行及壽命。衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣是由上萬(wàn)塊 Si晶體電池片或 GaAs/Ge電池片串聯(lián)和并聯(lián)粘接而成,由于單體電池片是脆性材料,在加工、安裝和運(yùn)輸過(guò)程中難免損壞,而破損直接影響電池陣列的性能指標(biāo)。所以太陽(yáng)能電池陣在加工、出廠、安裝到衛(wèi)星之前,都要做很嚴(yán)格的破損檢查。目前國(guó)內(nèi)采用的人工目測(cè)方式存在費(fèi)時(shí)、工作效率低,檢查質(zhì)量受人為因素影響等問(wèn)題,因此,研制衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣破損自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)很有必要[1]。

作者利用視頻圖像檢測(cè)技術(shù),研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣破損自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。本文敘述了該系統(tǒng)的檢測(cè)原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果。依據(jù)圖像檢測(cè)原理及設(shè)計(jì)指標(biāo)和使用要求,設(shè)計(jì)了可調(diào)照明方位的LED光源,編制了特有的系統(tǒng)控制和檢測(cè)軟件。試用結(jié)果表明,系統(tǒng)達(dá)到了快速、高精度、自動(dòng)化檢測(cè)太陽(yáng)能電池陣的使用要求,并為現(xiàn)場(chǎng)試用提供了樣機(jī)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與檢測(cè)原理

衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣破損自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采用了機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)原理,其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。

圖1 衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣破損自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Automatic damage detection system for satellite solar array

用LED陣列組成的特定波長(zhǎng)的光源,從四面以小角度照射太陽(yáng)能電池陣,并由光學(xué)系統(tǒng)將其清晰成像至高速 CCD傳感器靶面上,然后將 CCD采集的清晰太陽(yáng)能電池圖像信息,經(jīng)信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)和 CCD組成的圖像傳感器通過(guò)三維移動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu),自動(dòng)掃描整塊電池板。為了在掃描過(guò)程中始終保持圖像清晰,由兩個(gè)距離傳感器控制機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)的縱向距離,使攝像頭始終與太陽(yáng)能板之間保持最佳的成像距離。在掃描的同時(shí)自動(dòng)采集每塊單體電池的圖像信息,利用自主研發(fā)的圖像處理軟件處理每幅電池圖像,識(shí)別電池的崩邊、裂紋、缺角等表面缺陷,最后檢測(cè)結(jié)果通過(guò)列表形式給出損傷電池的位置、破損類型、破損度等參數(shù),并自動(dòng)判斷合格與否[2]。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

圖2 總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Chart of system structure

系統(tǒng)由圖像傳感探頭 (成像物鏡和 CCD傳感器組成)、照明系統(tǒng)、測(cè)距系統(tǒng)、自動(dòng)掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、圖像處理及控制軟件組成,如圖 2。

3.1 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)決定了獲取圖像及裂紋等破損狀態(tài)的清晰程度,因而決定系統(tǒng)檢測(cè)精度,其由照明光源和調(diào)整照射角度的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。

照明光源應(yīng)滿足:(1)照明光的波長(zhǎng)與 CCD器件光譜最佳響應(yīng)波長(zhǎng)匹配,(2)長(zhǎng)壽命?；谝陨峡紤],采用了藍(lán)綠光 LED,其發(fā)光中心波長(zhǎng)為 490 nm,基本落在 CCD最佳光譜響應(yīng)區(qū)間。

光源的光照射角度是獲取突出裂紋圖像的關(guān)鍵因素之一。一般來(lái)說(shuō),電池片出現(xiàn)裂紋、崩邊等現(xiàn)象時(shí),電池外表面上保護(hù)玻璃也會(huì)損傷,因此,損傷處以漫反射光為主;而無(wú)損傷處則以鏡反射光為主。因?yàn)槌上裉筋^位于垂直被測(cè)面的方向上,所以照明燈的照射方向應(yīng)以小角度方向?yàn)橐?。而被成像的電池片是方形?所以采用方形燈,照射角度可調(diào)。由于四面均有照射光,不管裂紋在哪個(gè)方位,都會(huì)被照射到,產(chǎn)生較強(qiáng)的漫反射光,進(jìn)入傳感探頭。照射光的角度越小,成像效果越好,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 3所示[3]。

圖3 照明光源示意圖Fig.3 Lighting source

3.2 成像物鏡

成像物鏡將電池片成像在面陣 CCD圖像傳感器的靶面上,因此,成像透鏡性能的好壞直接影響成像質(zhì)量。性能好的透鏡能夠清晰地分辨細(xì)微信息的圖像,從而獲得高精度、高分辨率的圖像檢測(cè)結(jié)果。

本系統(tǒng)要求在物距為 50 mm左右時(shí),一次成像約 60 mm×30 mm大小的電池片。因物距短、物面較大,故選擇了廣角透鏡。

檢測(cè)中選擇了日本產(chǎn)、用于視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的百萬(wàn)像素級(jí)成像透鏡 computar-mo814-MP,Computar FA物鏡是專用于工業(yè)和自動(dòng)化領(lǐng)域,有高分辨率、高像質(zhì)、無(wú)畸變、高穩(wěn)定性 (能夠鎖定光圈和焦距)的高品質(zhì)物鏡,其焦距可調(diào),分辨率 >100 l/mm。

為了消除鏡頭玻璃面上的反射光對(duì)成像質(zhì)量的影響,在鏡頭前表面鍍有中心波長(zhǎng)λ0為 490 nm的增透膜。

3.3 CCD圖像傳感器

CCD圖像傳感器必須滿足采集速度快,靈敏度高,分辨率高的要求。圖像采集時(shí)間和一次成像被測(cè)太陽(yáng)能電池的面積將決定檢測(cè)太陽(yáng)能電池板的速度。因圖像傳感器 (CCD器件)的尺寸和透鏡的視場(chǎng)角決定一次成像面積的大小,為此,應(yīng)選擇較大尺寸、高像素、響應(yīng)速度快的傳感器件。這里選擇了日本產(chǎn) IA I牌 CM-200GE型相機(jī),CCD芯片面積為 1.4 cm(1/1.8 in)口徑,200萬(wàn)pixels,可以提供 25 frame/s高分辨率圖像,能將單體電池片的整片數(shù)字圖像傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存,以備處理。

3.4 測(cè)距系統(tǒng)

在物距一定時(shí),調(diào)好并鎖定相機(jī)的焦距,以獲得清晰成像。當(dāng)探頭在整個(gè)電池陣面上掃描時(shí),由于電池板面的傾斜或電池粘接不平等原因使物距發(fā)生變化,當(dāng)物距偏離最佳初始位置的距離超過(guò)相機(jī)景深時(shí),圖像開(kāi)始模糊,裂紋等甚至在像面中消失,這將嚴(yán)重影響檢測(cè)精度,增加誤檢率或漏檢率。因此,在探頭掃描電池板的全過(guò)程中,物距必須始終保持在初始調(diào)好的最佳區(qū)間。

測(cè)距傳感器的作用是測(cè)探頭到電池板的距離(物距),當(dāng)物距偏離景深時(shí),進(jìn)行 Z向掃描,控制物距始終在景深區(qū)間內(nèi)。

距離傳感器應(yīng)滿足如下要求:(1)檢測(cè)精度>0.2 mm,距離檢測(cè)時(shí)分辨率在 0.1%以上;(2)檢測(cè)信號(hào)穩(wěn)定、快速;(3)與計(jì)算機(jī)連接以便控制;(4)輕便、耐用。

選用德國(guó)產(chǎn)品 FT50RLA-220S IL8型激光距離傳感器,可滿足以上要求。

3.5 自動(dòng)掃描系統(tǒng)與控制

最大太陽(yáng)能電池板長(zhǎng) 3.5 m,寬 2.5 m,由上萬(wàn)片單體電池橫豎粘接而成。檢測(cè)時(shí)是把成品太陽(yáng)能電池板懸掛在剛性固定架上,由于電池板的自重,其成垂直狀態(tài)。為節(jié)省檢測(cè)時(shí)間,先沿 X向快速掃描電池板,由距離傳感器測(cè)兩側(cè)電池板到探頭的垂直距離 (Y向),調(diào)整固定架的方位,使電池板傾斜很小。

檢測(cè)時(shí)將探頭按 X、Y向交替移動(dòng),掃描整塊太陽(yáng)能電池板。當(dāng)掃描到每個(gè)單片電池中間時(shí),對(duì)每個(gè)單片電池快速照相,然后傳給計(jì)算機(jī)做圖像處理。其掃描參數(shù)通過(guò)解析電池板設(shè)計(jì) CAD文件獲得,利用運(yùn)動(dòng)控制卡控制。

Z向移動(dòng)是利用兩個(gè)測(cè)距傳感器始終測(cè)量探頭到電池板間的距離,然后取平均值,當(dāng)超出探頭的景深距離,隨時(shí)調(diào)整,使物距保持在最佳位置。這樣可避免單片電池粘接不平和電池板傾斜所引起的物距變化問(wèn)題,掃描過(guò)程中始終保持成像清晰。

掃描機(jī)構(gòu)為三維平移機(jī)構(gòu),導(dǎo)軌均為滾珠直線導(dǎo)軌,X、Y向是齒形帶傳動(dòng),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。Z向?yàn)闈L軸絲杠傳動(dòng),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),由距離傳感器控制。

4 計(jì)算機(jī)圖像處理

軟件系統(tǒng)構(gòu)成如圖 4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)組成模塊框圖Fig.4 Sof tware system componentsmodule chart

圖像處理模塊的功能是從采集的圖像中提取被檢測(cè)部分,去除柵極線和噪聲。

根據(jù)電池片內(nèi)部區(qū)域與邊界處圖像的不同特征,確定電池片實(shí)際所占區(qū)域,去掉邊沿和其它電池片殘留部分,保留被檢區(qū)域。被檢區(qū)域中柵極線會(huì)影響裂紋等缺陷的辨別,利用閾值二值化算法對(duì)圖像二值化,利用柵極線亮度比背景和裂紋等缺陷高的特點(diǎn),去除柵極線,通過(guò)跟蹤方法辨別柵極線斷開(kāi)處。閾值的選取極其重要,選得過(guò)高,誤檢率增加;相反,則漏檢率增加,要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)確定[4,5]。

缺陷辨別模塊的主要功能是辨別裂紋、崩邊、缺角、污跡等缺陷。缺陷定義如下:裂紋為線條狀的傷痕;崩邊為單片電池邊緣棱角處的缺損;缺角為單片電池四角的缺損 (這種缺陷極少出現(xiàn));污跡為沾到電池片上面,面積超過(guò)一定大小的粘接劑等。一般成像后的裂紋等缺陷是比較暗的,并且容易受噪音點(diǎn)的影響,直接采用閾值二值化算法很難分離裂紋,采用峰值二值化算法,利用裂紋灰度比周圍亮度稍高的特點(diǎn)進(jìn)行二值化,其效果比較理想。一般裂紋缺陷橫跨柵極線,因此,在去除柵極線中被斷開(kāi),采用連接算法處理;然后依據(jù)面積、長(zhǎng)度、周長(zhǎng)、位置、面積與長(zhǎng)度之比等參數(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行辨別。由于崩邊、缺角、污跡等缺陷的反射光與無(wú)缺陷處的反射光差別很大,成像很容易辨別,故需將辨別結(jié)果存入檢查報(bào)表數(shù)據(jù)庫(kù)中。

檢查結(jié)果輸出和瀏覽核實(shí)模塊的功能是把檢查結(jié)果以報(bào)表形式顯示或打印,報(bào)表中包含:檢查日期、檢查電池總片數(shù)、缺陷電池片位置坐標(biāo)、缺陷類別和缺陷數(shù)量等信息。提取瀏覽已經(jīng)檢查過(guò)的所有電池片圖像,以備人工核實(shí)[6,7]。

5 測(cè)試結(jié)果及分析

系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行了半年的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),結(jié)果表明:在整塊太陽(yáng)能電池陣上以60 cm/min速度掃描,從采集到的圖像可清晰地看到細(xì)微的裂紋和微小的破損部位,經(jīng)圖像處理后能更清晰地顯示裂紋信息,如圖 5、圖 6所示。

圖5 基片損傷原始圖片F(xiàn)ig.5 Original Image of substrate damage

圖6 圖像處理后的效果Fig.6 Processed image

在貼有 60 mm ×30 mm大小,5 000個(gè) Si晶體的電池片的成品太陽(yáng)能電池陣上,做了檢測(cè)系統(tǒng)的精度試驗(yàn),結(jié)果如表 1。

由于所檢測(cè)的電池板是從超凈室剛生產(chǎn)出的成品,所以只有裂紋狀缺陷。為了增加使用功能,圖像處理軟件中加入了測(cè)崩邊、缺角、污跡等缺陷的功能。檢測(cè)結(jié)果報(bào)表給出缺陷電池片位置坐標(biāo)、數(shù)量、缺陷類別,并將辨別結(jié)果存入檢查報(bào)表數(shù)據(jù)庫(kù)中。

由表 1看出,檢出率 >98.5%,誤檢率或漏檢率均 <1%,說(shuō)明圖像處理中的閾值設(shè)定是最佳狀態(tài)。總之,該系統(tǒng)能獲得清晰的圖像,從而保證了系統(tǒng)的高檢測(cè)精度,穩(wěn)定性和可靠性好,達(dá)到了高精度、自動(dòng)化檢測(cè)太陽(yáng)能電池陣的目的。

表 1 系統(tǒng)檢測(cè)率測(cè)試表Tab.1 System detection rates

6 結(jié) 論

衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣破損自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)利用自動(dòng)掃描圖像法來(lái)檢測(cè)電池陣玻璃蓋片的裂紋、劃痕、崩邊、掉角等缺陷,檢測(cè)范圍可達(dá)到 4 m×3 m,檢測(cè)速度為每分鐘 20片電池,檢出率高于98.5%,誤檢率或漏檢率均低于 1%,檢測(cè)速度快,精度高,可用于衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣的成品檢測(cè),并兼有操作簡(jiǎn)便、實(shí)用的特點(diǎn)。

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Automatic damage detection system for satellite solar array

L IN Xiao-long,Q IAN Qing-ji,ZHANG Tie-qiang
(College of Physics,Jilin University,Changchun130022,China)

T M914.4;V423.44

A

2010-02-12;

2010-03-21

林曉瓏 (1960—),女,吉林長(zhǎng)春人,碩士研究生,高級(jí)工程師,主要從事光學(xué)精密機(jī)械設(shè)計(jì)、光電檢測(cè)、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)等工作。E-mail:lxlzhzzxl@yahoo.com.cn