基于短波紅外的電發(fā)光成像在光伏太陽(yáng)能電池板缺陷檢測(cè)中顯示出希望。光伏（PV）太陽(yáng)能電池板的缺陷和故障會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)損失或無(wú)法操作，因此必須迅速確定問(wèn)題所在。肉眼無(wú)法看到電池裂紋，分流和電池互連斷開(kāi)，但是配備攝像頭的無(wú)人機(jī)為白天檢測(cè)對(duì)太陽(yáng)能電池板造成負(fù)面影響的缺陷提供了一種有效的方法。電致發(fā)光（EL）成像可產(chǎn)生非常詳細(xì)的PV診斷數(shù)據(jù)，并經(jīng)常用于PV太陽(yáng)能電池板檢查應(yīng)用中。在故障識(shí)別中，EL提供的結(jié)果比紅外熱成像更準(zhǔn)確，因?yàn)閳D像可以提供半導(dǎo)體材料級(jí)別的分辨率。該技術(shù)通常在室內(nèi)或室外從黃昏到黎明使用，因?yàn)榫w硅發(fā)光的信號(hào)比陽(yáng)光低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖像采集

為了尋求一種在白天有效捕獲圖像的方法，研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于無(wú)人機(jī)的圖像捕獲系統(tǒng)（圖1）。在日光充足的條件下，使用日光濾鏡并減去（即計(jì)算每個(gè)像素的差）來(lái)獲取清晰的EL圖像通常是不夠的。由于EL信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于太陽(yáng)光，因此導(dǎo)致非常低的信噪比。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)獲取了在同一固定位置拍攝的許多EL和背景圖像對(duì)，而對(duì)PV面板進(jìn)行了電調(diào)制并添加了后處理步驟，以生成由每對(duì)背景圖像的平均和減法組成的圖像。研究人員說(shuō)，這樣做可以將信噪比提高到可接受的水平。

圖1：研究人員為一架無(wú)人機(jī)配備了可檢測(cè)太陽(yáng)能電池板缺陷的SWIR攝像機(jī)。為了成功進(jìn)行日光EL成像，必須快速且以短曝光時(shí)間來(lái)獲取圖像，以避免運(yùn)動(dòng)模糊和由于日光而飽和。基于InGaAs的探測(cè)器可以滿足這些要求，因此團(tuán)隊(duì)選擇了 ?640 x 512短波紅外（SWIR）攝像機(jī)。相機(jī)與25毫米定焦藍(lán)寶石鏡頭和1150納米帶通濾光鏡（半高全寬一半為一半）（FWHM）配對(duì)使用，以避免檢測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)和周圍環(huán)境的光線。除了相機(jī)外，EL /背景圖像對(duì)采集設(shè)備還包括六旋翼無(wú)人機(jī)和嵌入式PC，用于相機(jī)控制，實(shí)時(shí)圖像反饋和圖像存儲(chǔ)。無(wú)人機(jī)通過(guò)兩個(gè)Wi-Fi通道連接到地面上的計(jì)算機(jī)，以提供更好的信號(hào)穩(wěn)定性，而無(wú)人機(jī)控制器軟件則可以根據(jù)安全法規(guī)進(jìn)行半自主飛行。在距面板約四米的距離內(nèi)，攝像機(jī)獲取了機(jī)械應(yīng)力PV模塊的圖像，該模塊具有36個(gè)15.6 x 15.6 cm多晶硅電池，排列在6 x 6單元矩陣中，測(cè)試速度為1125至1175 nm，范圍為120 fps。（圖2）。

圖2：面板測(cè)試過(guò)程中，無(wú)人機(jī)的攝像頭從距面板約4米的距離獲取受壓光伏面板的圖像。

電調(diào)制和后處理

所有圖像都本地存儲(chǔ)在嵌入式PC中，并在圖像獲取后用于后處理。即使使用適當(dāng)?shù)挠布?，也存在進(jìn)一步的挑戰(zhàn)，以增強(qiáng)從無(wú)人機(jī)獲取的圖像的信噪比，特別是在運(yùn)動(dòng)中獲取的圖像。在進(jìn)行圖像采集飛行之后，使用開(kāi)發(fā)的算法，將圖像從嵌入式PC轉(zhuǎn)移到臺(tái)式PC進(jìn)行后處理。固定日光EL的圖像處理步驟包括EL /背景圖像分離，取平均值，背景扣除，透視校正和信噪比平均值計(jì)算。對(duì)于移動(dòng)過(guò)程中獲取的EL /背景圖像（如無(wú)人機(jī)獲取的情況），必須執(zhí)行其它步驟，包括序列的每個(gè)圖像中的PV面板邊緣檢測(cè)和分割，以及整個(gè)圖像序列的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。這些步驟發(fā)生在EL /背景圖像分離之前，并且需要高度準(zhǔn)確和強(qiáng)大的圖像處理算法。在每個(gè)幀中，算法會(huì)檢測(cè)面板并將其從其余圖像內(nèi)容中分割出來(lái)，從而補(bǔ)償不同幀之間的運(yùn)動(dòng)，并使用完整的搜索塊匹配算法在序列的所有圖像之間進(jìn)行配準(zhǔn)。通過(guò)執(zhí)行平均和背景減法，圖像被去噪。研究人員說(shuō)，在達(dá)到推薦質(zhì)量之前，提高信噪比所需的圖像數(shù)量取決于諸如太陽(yáng)輻照度和EL /背景圖像等因素，但是空間匹配是改善圖像質(zhì)量的最重要因素。當(dāng)空間匹配不存在問(wèn)題時(shí)，例如在固定日光EL的情況下，例如，有16對(duì)圖像足以證明在視覺(jué)上可接受的EL圖像用于細(xì)胞破裂診斷。在高輻照度下采集的圖像序列往往會(huì)提供較小的EL /背景圖像變化量，但大約50個(gè)空間匹配良好的圖像對(duì)克服了此缺點(diǎn)，并為細(xì)胞裂紋檢測(cè)提供了高質(zhì)量的圖像。該團(tuán)隊(duì)使用DC方波和AC + DC DC正弦波方法將調(diào)制的電波應(yīng)用于圖像。對(duì)于直流電調(diào)制，雙向SM 1500-CP30直流電源為PV電池板產(chǎn)生了調(diào)制電壓偏置，而AC6804A交流電源用于調(diào)制偏置，以避免偏置信號(hào)中強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射干擾。

圖3：研究小組使用DC方波和AC + DC DC正弦波方法將調(diào)制的電波形應(yīng)用于圖像。結(jié)果表明，AC + DC電調(diào)制在EL和背景圖像之間提供了可重現(xiàn)的平均像素值增量，而DC調(diào)制呈現(xiàn)出更高的增量幅度。與DC電調(diào)制相比，AC + DC電調(diào)制在EL和背景圖像之間提供了更可重現(xiàn)的平均像素值增量，而DC調(diào)制比AC + DC調(diào)制呈現(xiàn)出更高的增量幅度（圖3）。當(dāng)在戶外運(yùn)動(dòng)成像時(shí)，由于在運(yùn)動(dòng)中獲取的圖像對(duì)的位置不匹配，因此與戶外靜止圖像相比，圖像的質(zhì)量較低。研究小組稱，亞像素級(jí)的定位失配阻止了信噪比方面的最佳質(zhì)量改進(jìn)，并且代表了無(wú)人機(jī)基于EL成像中低質(zhì)量圖像的主要問(wèn)題。

外星眼機(jī)器視覺(jué)認(rèn)為：用于提高圖像質(zhì)量的算法需要進(jìn)一步的提高，以用于基于無(wú)人機(jī)的EL采集系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的公用設(shè)施檢查，但是整個(gè)項(xiàng)目顯示了使用SWIR攝像機(jī)在白天進(jìn)行基于無(wú)人機(jī)的PV面板檢查的希望。??

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