一种太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法
【专利摘要】本发明公开了一种太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，实施步骤为：1)建立各镜面单元的空间位姿误差与聚焦光斑特征一一对应的数据库；2）聚光器在跟踪太阳的状态，图像采集系统获得待调焦镜面单元单独聚光在焦平面接收靶上的聚焦光斑图像，并处理得到聚焦光斑的特征。3）将步骤2）的聚焦光斑特征与步骤1）建立的相同镜面单元编号的数据库进行比对，得到聚焦光斑特征吻合的对应的镜面单元空间位姿误差，并得到镜面单元的球铰螺栓的调节长度，对镜面单元进行定量的调整。本发明的镜面单元调焦简单，且可一步到位的消除镜面单元的旋转误差，能够有效的适应现阶段我国太阳能聚光系统高效、低成本的调焦需求。
【专利说明】
-种太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法
技术领域
[0001] 本发明设及太阳能光热发电领域，特别设及一种太阳能碟式聚光器镜面单元安装 的快速调焦方法。
【背景技术】
[0002] 碟式/斯特林太阳能光热发电系统(DS-CSP)具有光电转换效率高、布置灵活和模 块化程度高等特点，是太阳能资源高效开发的重要装备之一。DS-CSP的聚光器是由若干镜 面单元拼接构成抛物曲面，用于实现太阳光能的定向传输与高效聚集。本质上，聚光器是一 套精密的光学装置，但受到聚光器网架结构制造和安装的精度限制，镜面单元安装时的调 焦过程是必须的。此外，聚光器工作在高日照的室外环境，常年经受风沙、雨淋、高溫差等恶 劣气候，在太阳能光热电站服役期间（一般额度为20~25年)反射镜面的破损或聚光效率降 低是必然的，而此时局部的若干反射镜面的高效、高精度的更换也将变得尤为重要。因此， 提供一种聚光器镜面单元安装或破损更换的高效、精确的快速调焦方法是尤为迫切的，具 有重要的工程实际意义。
[0003] 目前使用的聚光器反射镜面调焦方法主要有：
[0004] (1)聚光器工作在视日跟踪状态，操作人员1在聚光器的背面调整连接螺栓，在焦 平面位置放置有接收祀，且另外有操作人员2观看接收祀接收的光斑偏移情况，并告知操作 人员1进行相应的调整。很明显，此反射镜面的安装方法至少需要两个人进行协同工作，且 调焦过程是依据经验或光斑的偏移情况进行的定性调整，调焦效率是非常低的。
[0005] (2)现有技术1(CN 104062743 A)中公开了一种用于太阳能聚光镜片调整的自动 调焦系统及其调焦方法，该方法主要是通过观测反射镜的图像颜色来判断倾斜角度的大致 方位，并计算碟片上各颜色比例，同时对比预存的经验数据库，来告知操作人员进行相应的 调整动作。其中的核屯、部分是建立经验数据库，而此专利并没公开数据库的具体内容及建 立方法，导致该技术的实施性较差，且该技术也是基于定性的指导调整，不能准确的告知操 作人员对镜面单元的调整量及调整顺序，整个调整效率有待于进一步提高。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种通过聚焦光斑数据库比对获得镜面单元 空间位姿，并快速、准确的定量给出镜面单元球较螺栓调整量的太阳能碟式聚光器镜面单 元安装的快速调焦方法。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[000引一种太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，包括如下步骤：
[0009] 1)根据设计的碟式聚光器的扇形镜面单元划分情况，对镜面单元进行编号，并建 立各镜面单元的空间位姿误差与聚焦光斑特征参数一一对应的数据库；
[0010] 2)聚光器在实时跟踪太阳位置的状态，在聚光器焦平面安装一块正方形的表面具 有朗伯效应的平面接收祀，设定待调焦镜面单元的编号，通过图像采集系统获得待调焦镜 面单元单独聚光在平面接收祀上的聚焦光斑图像，并在数据处理终端进行处理得到该聚焦 光斑的特征参数；当此聚焦光斑特征符合安装要求时，对镜面单元的球较螺栓进行固定，此 镜面单元安装完毕;否则，进行下一步骤操作；
[0011] 3)将步骤2)获得的聚焦光斑特征参数与步骤1)建立的相同镜面单元编号的数据 库进行对比，得到聚焦光斑特征吻合的对应的镜面单元空间位姿误差，并得到镜面单元支 撑的球较螺栓的调节长度，对镜面单元进行定量的调整。
[0012] 上述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法中，步骤1)中数据库建立 的具体步骤如下：
[0013] 1.1)在镜面单元处于设计位姿情况下，在聚光器抛物曲面定点建立坐标系0-xyz， Z轴指向抛物曲面的焦点F;对镜面单元划分光学网格，得到各网格中屯、点的位置矢量和内 法线单位向量；
[0014] 1.2)计算镜面单元支撑与调节的球较螺栓的球较中屯、位置矢量；
[0015] 1.3)通过镜面单元的整体平移运动和绕球较的旋转运动的组合来等效引入位姿 误差，计算相应位姿误差工况下的各网格中屯、点的位置矢量和内法线单位向量；
[0016] 1.4)对位于焦平面位置的正方形平面接收祀进行矩形网格划分，并对太阳入射光 锥进行离散处理，采用光线跟踪的方法计算位姿误差工况下镜面单元在平面接收祀上的聚 焦光斑能流密度分布；
[0017] 1.5)通过局部聚光比阀值来提取聚焦光斑的特征边界点，并采用最小二乘方法对 边界点进行楠圆拟合，用平面楠圆几何的中屯、点坐标、位姿夹角和长短半轴尺寸作为聚焦 光斑的特征参数，并计算该位姿误差下的球较螺栓的调整长度，形成聚焦光斑特征、镜面单 元位姿误差和球较螺栓调整量一一对应的数据元素，并计算若干种镜面单元位姿情况下的 数据元素，从而建立成位姿误差的聚集光斑特征数据库；
[0018] 1.6)对数据库按照楠圆中屯、的X轴坐标从小到大依次排序，方便聚焦光斑特征的 快速匹配。
[0019] 上述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法中，步骤2)中的获得聚焦 光斑特征参数的具体步骤如下：
[0020] 2.1)正方形的平面接收祀的中屯、与抛物曲面焦点F重合，且正方形的两直角边分 别平移于坐标系0-xyz的X轴和y轴;在接收祀的中屯、建立坐标系F-XFyF，该坐标系的各轴与 坐标系0-xyz的各轴平行，并标定图像采集系统与平面接收祀的空间位姿关系；
[0021] 2.2)采集待调焦镜面单元在平面接收祀上的聚焦光斑图像，通过步骤1.5)中的聚 焦光斑的特征参数计算方法计算该聚焦光斑图像的特征参数；
[0022] 上述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法中，步骤1.1)的具体步骤 如下：
[0023] 将镜面单元沿半径方向等长分为K份，沿圆周方向等夹角分为Μ份，W网格微元的 中屯、点来计算位置矢量和法线向量，则镜面单元的编号为km的网格中屯、点的坐标和内 法线单位向量的公式如下：
[00%]式中，町为镜面单元的内圆半径;成为网格微元的径向尺寸;R2为镜面单元的 K 径向长度;为网格微元的周向夹角；Θ为镜面单元的周向夹角；ez=[0,0，l]为Z轴的 Μ 单位方向向量;反射镜曲面的统一空间方程为Fl(x，y，z) = z-fl(x，y)=0，坐标系0-巧z建立 在反射镜曲面的顶点，Ζ轴指向焦点位置，当为抛物曲面时
f是焦距；函数 Rot(e,0)为旋转功能矩阵，用于实现任意向量绕任意单位向量e= [ex,ey,ez]旋转角度β的 功能，具体为：
[0027]
[00 巧]式中，C = cos0; S = si 址。
[0029] sign为符号变量，
|Zpkm为点施坐标中ζ轴分量。
[0030] 上述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法中，步骤1.2)中的球较中 屯、A~C的位置矢量按如下公式计算：
[0031]
[0032] 式中，球较中屯、在反射镜面的投影点a~C的位置矢量依次为：
[0037] 式中：δι和δ2为支撑投影点与镜面单元边缘的距离;βι为投影点与原点连线同镜面 单元边缘的夹角;η为镜面单元的球较支撑数量;δ3为平面abc与平面ABC的距离。
[0038] 上述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法中，步骤1.3)的计算步骤 及方法如下：
[0039] 1.3.1)镜面单元由设计位置依次进行若干绕轴旋转运动和平移运动组合，其中旋 转轴线是由任意两个球较中屯、构成;镜面单元旋转运动的角度范围为整体平移运动 的各轴向分量范围为-S~δ，将旋转和平移的运动参数进行组合，获得镜面单元的位姿误差 矢量Terror = [Ri，化]，其中Ri为旋转运动矢量，下标i = 1~6为分别为A-B-C、A-C-B、B-A-C、Β- C-A、C-A-B、C-B-A共6种旋转运动顺序，=[巧，朽，巧];整体平移运动矢量为Mi = [Xi ,yi, Zi];
[0040] 1.3.2)计算位姿误差矢量下的各网格中屯、点的位置矢量和内法线单位向量;步骤 如下：
[0041] (1)根据旋转运动顺序，将第一个球较中屯、E绕轴线GP旋转角度約，此时镜面单元 内网格km的中屯、点娩运动到点地;然后再将第二个球较中屯、G绕轴线EP旋转角度巧，此时 镜面单元内网格km的中屯、点地运动到点妃巧将第；个球较中屯、P绕轴线EG旋转角度妈， 此时镜面单元内网格km的中屯、点地运动到点妃再将镜面单元整体按向量Mi = [ xi，y i，Z i ] 进行平移运动；Ee[A，B，C]，Ge[A，B，C];Pe[A，B，C];E^G^p;
[0042] 镜面单元内网格km的中屯、点记。运动到点娩。位置，运动阶段的相应位置矢量分别 为：
[0043]
[0044] 式中，单位向1
向量 区1 =(E-P).Rot(ew，0HP;向量位1 =(G-P)'Rot似,W從)·f P ;矢量E，G，P分别为相应旋转顺 序的第一球较中屯、、第二球较中屯、和第Ξ球较中屯、的位置矢量；
[0045] 引入位姿误差，镜面单元网格微元km的法线向量由iVl旋转至W1，古下式计算：
[0046]
[0047] 式中，镜面单元位姿的旋转总矩阵巧3=齡作w，0)·化雌V，P2)·及如知,&-,，A)。
[004引上述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法中步骤1.5)的计算方法 如下：
[0049] 1.5.1)将聚焦光斑中局部聚光比接近或等于阀值Ct的位置提取为边界点;边界点的 捜索方法是:结合平面接收祀划分的网格，先从上往下逐列提取等值线的上边界点及坐标； 而后从下往上逐列提取等值线的下边界点及坐标。逐列捜索时查找满 的2个邻近网格，再根据
选取差值最小的相应网格的中屯、点作为 边界点，其坐标记为Ci(xi，yi);其中，I(w，v)为平面接收祀内网格编号为w，v的能流密度值， 由步骤1.4)计算得到;Wo为太阳直射福照强度值;函数min(a，b)为取a和b中最小的数；
[0050] 1.5.2)采用最小二乘法对边界点进行楠圆拟合，得到聚焦光斑的特征矢量Tfiux 为：
[0051] Tfiux=[d, Φι, <l)2，a，b] = [x0,y0, <l)2，a,b]
[0052] 式中，在焦平面的焦点F处建立坐标系F-XFyF，该坐标系与坐标系0-xyz平行，楠圆 形状的定量描述参数包括几何中屯、点化坐标(x〇，y〇)、楠圆长半轴的尺寸a及其与坐标XF轴 的夹角Φ 2、短半轴尺寸b;
[0053] 1.5.3)计算出贡献镜面单元的旋转误差的球较中屯、A~C的螺杆调节长度dA~山：
[0化4]
[005引式中，向量C, =: (C - B,). RWCb,、,，执）+ B,;
[0056] 1.5.4)形成聚焦光斑特征、镜面单元位姿误差和球较螺栓调整量等唯一对应的数 据元素，并计算若干种镜面单元位姿情况的数据元素，从而建立成位姿误差的聚集光斑特 征数据库。
[0057] 上述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法中，步骤2.2)中的聚焦光 斑图像的特征参数按步骤1.5.1)和步骤1.5.2)的方法进行计算，计算时采用的太阳直射福 照强度值Wo是待调焦镜面单元的聚焦光斑采集时刻的实测值。
[0058] 上述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法中，步骤2)的待调焦镜面 单元的单独聚光的聚焦光斑图像的获得方法为:通过将待调焦镜面单元聚焦光斑移动到平 面接收祀的外面并采集接收祀表面此时的光斑图像1，再将待调焦镜面单元进行初步安装， 将聚集的光斑调整至接收祀区域内，图像采集系统采集接收祀表面此时的光斑图像2,将光 斑图像1的灰度值减去光斑图像2的灰度值就可W得到待调焦镜面单元的单独聚光的聚焦 光斑图像；
[0059] 或先将待调焦镜面单元进行初步安装，并将聚集的光斑调整至接收祀区域内，图 像采集系统采集此时的接收祀表面的光斑图像1，而后将待调焦镜面单元进行遮挡，并采集 此时的接收祀表面的光斑图像2,将光斑图像1的灰度值减去光斑图像2的灰度值就可W得 到待调焦镜面单元的单独聚光的聚焦光斑图像。
[0060] 上述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法中，步骤1.2)中的球较中 屯、A~C的位置矢量通过设计图纸中直接获得。
[0061] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0062] 1、本发明通过建立镜面单元空间位姿误差与其聚集光斑特征一一对应的数据库， 直接将镜面单元实际的聚焦光斑特征与数据库进行匹配对比，进而反演出镜面单元的空间 位姿，并将镜面单元的螺栓调整量反馈给操作人员，进行相应的调整，可W-步到位的对镜 面单元的旋转误差进行消除，整个调焦过程是直接面向聚光性能的，使得太阳能碟式聚光 器镜面单元调焦快速方便。
[0063] 2、本发明通过引入局部聚光比阀值Ct来提取聚焦光斑的边界点，并进行边界点的 楠圆拟合;消除了太阳福照强度值对聚焦光斑特征的影响，将预先建立的数据库与实际的 聚集光斑特征(不同的太阳福照值情况)联系起来，在实际的镜面单元调焦过程中，仅需要 监测待调镜面单元聚焦光斑采集时刻的太阳直射福照强度值;就可W得出相应的调整量。
[0064] 3、本发明对镜面单元的调焦具有实时的定量指导作用，能给出定量的调整指导， 该方法具有高效率和高精度等优点，本发明也可W应用到其它面形的聚光器镜面单元的调 整过程中。本发明建立了聚焦光斑特征与位姿误差的一一对应关系，并能从聚光器的聚焦 光斑中分离出单个镜面单元的聚焦光斑，对其它镜面单元不需要进行遮挡处理或仅需对待 调焦的镜面单元本身进行短时间的遮挡处理，运是本发明的主要创新内容之一，能够有效 的适应太阳能聚光系统高效低成本的精确安装的需求。
【附图说明】
[0065] 图1为碟式/斯特林太阳能光热发电系统的结构示意图。
[0066] 图2为图1中镜面单元的安装与调焦的结构示意图。
[0067] 图3为本发明的镜面单元快速调焦方法的流程图。
[0068] 图4为本发明的图3中数据库建立的流程图。
[0069] 图5为本发明的图3中的待调焦镜面单元单独的聚焦光斑特征获得的流程图。
[0070] 图6为镜面单元的结构参数与光学网格划分。
[0071] 图7为镜面单元聚焦光斑的楠圆几何表征。
【具体实施方式】
[0072] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0073] 首先，为了更为清晰的了解镜面单元在聚光器中的位置及其固定方式进行说明。 如图1所示的碟式/斯特林太阳能光热发电系统的结构示意图，镜面单元2是安装在聚光器 的巧架结构1上的。具体的镜面单元2的固定结构如图2所示，球头螺栓3的球头端与镜面单 元2采用球较结构连接，球头螺栓3的另一端穿过巧架结构1的通孔，并采用球形垫片和螺母 进行固定在巧架结构1上，镜面单元的固定一般采用3个或4个球较支撑来进行固定。镜面单 元2的调焦过程是进行球头螺栓3的支撑长度调节的过程。
[0074] 如图3所示，本发明的操作步骤如下：
[0075] 1)根据设计的碟式聚光器的扇形镜面单元划分情况，对镜面单元进行编号，并建 立各镜面单元的空间位姿误差与聚焦光斑特征参数一一对应的数据库。
[0076] 如图4所示，数据库的建立方法，具体步骤如下：
[0077] 1.1)在镜面单元处于设计位姿情况下，对镜面单元划分光学网格，得到各网格中 屯、点的位置矢量和内法线单位向量。如图6所示，在聚光器反射镜曲面的顶点处建立全局坐 标系0-xyz，其中Z轴指向焦点位置。将镜面单元沿半径方向等长分为K份，沿圆周方向等夹 角分为Μ份，W网格微元的中屯、点来计算位置矢量和法线向量，则镜面单元的编号为km的网 格中屯、点旅的坐标和内法线单位向量如式(1)和式(2)所示：
[0080]式中，Ri为镜面单元的内圆半径;为网格微元的径向尺寸;R2为镜面单元的 A 径向长度;为网格微元的周向夹角；Θ为镜面单元的周向夹角；ez=[0,0，l]为Z轴的 Μ 单位方向向量;反射镜曲面的统一空间方程为Fl(x，y，z) = z-fl(x，y)=0，坐标系0-χyz建立 在反射镜曲面的顶点，Ζ轴指向焦点位置，当为抛物曲面时，化是焦距；函数 Rot(e，0)为旋转功能矩阵，用于实现任意向量绕任意单位向量e= [ex,ey，ez]旋转角度β的 功能，具体为：
[0081]
[0082] 式中，C = cos0; S = si 址。
[0083] sign为符号变量
'Zpkm为点.诚>.坐标中z轴分量。
[0084] 1.2)在设计位姿情况下，计算镜面单元支撑与调节的球较螺栓的球较中屯、位置矢 量。球较中屯、A~C的位置矢量的计算公式如下
[0085]
[0086] 式中，球较中屯、在反射镜面的投影点a~C的位置矢量依次为：
[0091] 式中：δι和δ2为支撑投影点与镜面单元边缘的距离;βι为投影点与原点连线同镜面 单元边缘的夹角;η为镜面单元的球较支撑数量，η = 3为Ξ球较支撑，η = 4为四球较支撑;δ3 为平面abc与平面ABC的距离。球较中屯、A~C的位置矢量还可W通过其他方式获得，如通过 设计图纸中直接获得。
[0092] 1.3)通过镜面单元的整体平移运动和绕球较的旋转运动的组合来等效引入位姿 误差，计算相应位姿误差工况的各网格中屯、点的位置矢量和内法线单位向量。具体步骤如 下：
[0093] 1.3.1)镜面单元由理想位置依次进行若干绕轴旋转运动和平移运动组合，其中旋 转轴线是由任意两个球较中屯、构成。镜面单元旋转运动的角度范围为-P~0(单位rad),整 体平移运动的各轴向分量范围为-δ~δ(单位mm)，将旋转和平移的刚体运动参数进行组合， 获得镜面单元的位姿误差矢量了6^。,=阳1，化]，其中私为旋转运动矢量，下标1 = 1~6为分别 为八8(：、4〔8、84(：、8〔4、〔48、〔84的旋转运动顺序，例如1 = 1时巧=[裕，腐，优];整体平移运动 矢量为 Ml=[Xl，yi，Zl]。
[0094] 1.3.2)计算位姿误差矢量下的各网格中屯、点的位置矢量和内法线单位向量;步骤 如下：
[0095] WA-B-功定转运动+平移运动为例，步骤如下：
[0096] (1)镜面单元位于设计位姿，将球较中屯、A绕轴线CB旋转角度抗（规定:使球较中屯、 的Z轴坐标分量增加的为正夹角，且对应的旋转轴方向为正方向），运动到Ai位置；
[0097] (2)将球较中屯、B绕轴线AiC旋转角度從，运动到Bi位置；
[009引（3)将球较中屯、C绕轴线BiAi旋转角度换超动到Cl位置；
[0099] (4)将镜面单元整体按向量Ml = [ XI，y 1，Z1 ]进行平移运动。
[0100] 镜面单元内网格km的中屯、点说,,运动到点边m位置，运动阶段的相应位置矢量分别 为：
[0101]
[0102] 式中，单位向量
响量 A.1 = (A. - C')> Rot(ecB，0,1) + C;向量 :=巧-C).. Rot(e，扣）+ C。
[0103] 引入位姿误差，镜面单元网格微元km的法线向量由旋转至Λ'Ι，由下式计算：
[0104]
[0105] 式中，镜面单元位姿的旋转总矩阵?，仍）·化W(e ，稱)·化0<麟,*4,，從）。
[0106] 同理，可W根据上述方法得到其他旋转顺序工况的各网格中屯、点的位置矢量和内 法线单位向量。
[0107] 1.4)对位于焦平面位置的正方形平面接收祀进行网格划分，如图7所示，平面接收 祀是W焦点F为中屯、的正方形，其边长为L，划分网格为WXV份，且W = V，网格起始编号在右 上角位置。并对太阳入射光进行离散处理，采用光线跟踪方法计算位姿误差工况镜面单元 在平面接收祀上的聚焦光斑能流密度分布。此部分的聚焦能流分布计算是大家公知的成熟 的计算方法，在此不再进行详述。
[0108] 1.5)通过局部聚光比阀值来提取聚焦光斑的特征边界点，并采用最小二乘方法对 边界点进行楠圆拟合，用平面楠圆几何的中屯、点坐标、位姿夹角和长短半轴尺寸等5个参数 来表征聚焦光斑的特征，并计算该位姿误差的球较螺栓的调整量，形成聚焦光斑特征、镜面 单元位姿误差和球较螺栓调整量等唯一对应的数据元素，并计算若干种镜面单元位姿情况 的数据元素，从而建立成位姿误差的聚集光斑特征数据库。其中聚焦光斑特征及球较螺栓 误差距离的计算方法，其具体步骤如下：
[0109] 1.5.1)将聚焦光斑中局部聚光比接近或等于阀值Ct的位置提取为边界点（取相应 网格的中屯、点）。边界点的捜索方法是:结合平面接收祀划分的网格，先从上往下逐列提取 等值线的上边界点及坐标；而后从下往上逐列提取等值线的下边界点及坐标。逐列捜索时 查找满足
定取差值 最小的相应网格的中屯、点作为边界点，其坐标记为Ci(xi，yi)。其中，I(w，v)为平面接收祀内 网格编号为w，v的能流密度值，由步骤1.4)计算得到;Wo为太阳直射福照强度值；函数min (a, b)为取a和b中最小的数。
[0110] 1.5.2)采用最小二乘法对边界点进行楠圆拟合，楠圆的几何表征如图7所示，得到 聚焦光斑的特征矢量Tflux为：
[0111] Tfiux=[d, Φι, <l)2，a,b] = [xo,yo, <l)2，a,b]
[0112] 式中，在焦平面的焦点F处建立坐标系F-XFyF，该坐标系与坐标系0-xyz平行，楠圆 形状的定量描述参数包括几何中屯、点化坐标(x〇，y〇)(也可用距离d和夹角Φι来共同确定）、 楠圆长半轴的尺寸a及其与坐标XF轴的夹角Φ 2、W及短半轴尺寸b。夹角Φ 1和Φ 2的单位为 rad，表征长度的单位均为mm。
[0113] 1.5.3)贡献镜面单元的旋转误差的球较螺栓误差，可W通过调节螺杆长度来进行 完全消除，而平移运动产生的误差仅能通过镜面单元的整体平移来进行纠正，一般较难处 理。计算出贡献镜面单元的旋转误差的球较中屯、A~C的螺杆调节长度
[0114] 式中，向量
[0115] 1.5.4)形成聚焦光斑特征、镜面单元位姿误差和球较螺栓调整量的一一对应的数 据元素，并计算若干种镜面单元位姿情况的数据元素，建立成位姿误差的聚集光斑特征数 据库。
[0116] 1.6)对数据库按照楠圆中屯、的X轴坐标从小到大依次排序，W便后续的聚焦光斑 特征的快速匹配。
[0117] 2)聚光器在实时跟踪太阳位置的状态，在聚光器焦平面安装一块正方形的表面具 有朗伯效应的平面接收祀，设定待调焦镜面单元的编号，通过图像采集系统获得待调焦镜 面单元单独聚光在平面接收祀上的聚焦光斑图像，并在数据处理终端进行处理得到该聚焦 光斑的特征参数。当此聚焦光斑特征符合安装要求时，对镜面单元的球较螺栓进行固定，此 镜面单元安装完毕。否则，进行下一步骤操作。
[0118] 获得待调焦镜面单元的聚焦光斑特征参数的步骤如下：
[0119] 2.1)在平面接收祀的中屯、位置（即聚光器的焦点)建立坐标系，并标定图像采集系 统与平面接收祀的空间位姿关系。
[0120] 2.2)采集待调焦镜面单元在平面接收祀上的聚焦光斑图像，采用与步骤1.5)相同 的聚光比阀值、特征提取及楠圆拟合方法，得到该聚焦光斑图像的特征参数。
[0121] 待调焦镜面单元的单独聚光的聚焦光斑图像的获得方法如下:首先通过将镜面单 元聚焦光斑移动到平面接收祀的外面并采集接收祀表面此时的光斑图像1，再将待调焦镜 面单元进行初步安装，并将聚集的光斑调整至接收祀区域内，图像采集系统采集接收祀表 面此时的光斑图像2;将光斑图像1的灰度值减去光斑图像2的灰度值就可W得到待调焦镜 面单元的单独聚光的聚焦光斑图像，此种方法是不需要对其它镜面单元进行遮挡处理的。
[0122] 待调焦镜面单元的单独聚光的聚焦光斑图像的获得还可W采用如下方法:首先将 待调焦镜面单元进行初步安装，并将聚集的光斑调整至接收祀区域内，图像采集系统采集 此时的接收祀表面的光斑图像1;而后将待调焦镜面单元进行遮挡，并采集此时的接收祀表 面的光斑图像2;将光斑图像1的灰度值减去光斑图像2的灰度值就可W得到待调焦镜面单 元的单独聚光的聚焦光斑图像。此方法仅需要对待调焦的镜面单元本身进行遮挡处理，整 个的操作也是高效方便的。
[0123] 3)将步骤2)获得的聚焦光斑特征参数与步骤1)建立的相同镜面单元编号的数据 库进行比对，得到聚焦光斑特征吻合的对应的镜面单元空间位姿误差，并得到镜面单元支 撑的球较螺栓的调节长度，对镜面单元进行定量的调整。
[0124] 由于本发明给出了聚焦光斑特征和镜面单元位姿误差的一一对应关系，只需要一 次的定量调整就可W实现镜面单元的准确调焦，但考虑到实际镜面单元的制造误差，可能 会需要步骤2和步骤3进行多次，直至镜面单元的空间位姿满足聚焦光斑的分布要求。
[0125] 本发明的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，通过建立镜面单元空 间位姿误差及其聚集光斑特征的一一对应的数据库，直接将镜面单元实际的聚焦光斑特征 与数据库进行匹配对比，进而反演出镜面单元的空间位姿，并将镜面单元的螺栓调整量反 馈给操作人员，进行相应的调整，可W-步到位的对镜面单元的旋转误差进行消除，整个调 焦过程是直接面向聚光性能的，能够有效的适应现阶段我国太阳能聚光系统高效、低成本 的精确安装的工程应用需求。
【主权项】
1. 一种太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，包括如下步骤： 1) 根据设计的碟式聚光器的扇形镜面单元划分情况，对镜面单元进行编号，并建立各 镜面单元的空间位姿误差与聚焦光斑特征参数一一对应的数据库； 2) 聚光器在实时跟踪太阳位置的状态，在聚光器焦平面安装一块正方形的表面具有朗 伯效应的平面接收祀，设定待调焦镜面单元的编号，通过图像采集系统获得待调焦镜面单 元单独聚光在平面接收祀上的聚焦光斑图像，并在数据处理终端进行处理得到该聚焦光斑 的特征参数;当此聚焦光斑特征符合安装要求时，对镜面单元的球较螺栓进行固定，此镜面 单元安装完毕;否则，进行下一步骤操作； 3) 将步骤2)获得的聚焦光斑特征参数与步骤1)建立的相同镜面单元编号的数据库进 行对比，得到聚焦光斑特征吻合的对应的镜面单元空间位姿误差，并得到镜面单元支撑的 球较螺栓的调节长度，对镜面单元进行定量的调整。2. 根据权利要求1所述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，步骤1)中 数据库建立的具体步骤如下： 1.1) 在镜面单元处于设计位姿情况下，在聚光器抛物曲面定点建立坐标系〇-xyz，z轴 指向抛物曲面的焦点F;对镜面单元划分光学网格，得到各网格中屯、点的位置矢量和内法线 单位向量； 1.2) 计算镜面单元支撑与调节的球较螺栓的球较中屯、位置矢量； 1.3) 通过镜面单元的整体平移运动和绕球较的旋转运动的组合来等效引入位姿误差， 计算相应位姿误差工况下的各网格中屯、点的位置矢量和内法线单位向量； 1.4) 对位于焦平面位置的正方形平面接收祀进行矩形网格划分，并对太阳入射光锥进 行离散处理，采用光线跟踪方法计算位姿误差工况下镜面单元在平面接收祀上的聚焦光斑 能流密度分布； 1.5) 通过局部聚光比阀值来提取聚焦光斑的特征边界点，并采用最小二乘方法对边界 点进行楠圆拟合，用平面楠圆几何的中屯、点坐标、位姿夹角和长短半轴尺寸作为聚焦光斑 的特征参数，并计算该位姿误差下的球较螺栓的调整长度，形成聚焦光斑特征、镜面单元位 姿误差和球较螺栓调整量一一对应的数据元素，并计算若干种镜面单元位姿情况下的数据 元素，从而建立成位姿误差的聚集光斑特征数据库； 1.6) 对数据库按照楠圆中屯、的X轴坐标从小到大依次排序，方便聚焦光斑特征的快速 匹配。3. 根据权利要求1所述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，步骤2)中 的获得聚焦光斑特征参数的具体步骤如下： 2.1) 正方形的平面接收祀的中屯、与抛物曲面焦点F重合，且正方形的两直角边分别平 移于坐标系0-xyz的X轴和y轴;在接收祀的中屯、建立坐标系F-xfyf，该坐标系的各轴与坐标 系0-xyz的各轴平行，并标定图像采集系统与平面接收祀的空间位姿关系； 2.2) 采集待调焦镜面单元在平面接收祀上的聚焦光斑图像，通过步骤1.5)中的聚焦光 斑的特征参数计算方法计算该聚焦光斑图像的特征参数。4. 根据权利要求2所述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，步骤1.1) 的具体步骤如下： 将镜面单元沿半径方向等长分为K份，沿圆周方向等夹角分为Μ份，W网格微元的中屯、 点来计算位置矢量和法线向量，则镜面单元的编号为km的网格中屯、点pL的坐标和内法线单 位向量公式如下：式中，町为镜面单元的内圆半径;成为网格微元的径向尺寸;R2为镜面单元的径向 K 长度;沁为网格微元的周向夹角；Θ为镜面单元的周向夹角；ez=[〇,〇，l]为Z轴的单位 Μ 方向向量;反射镜曲面的统一空间方程为Fi(x，y，z) = z-fi(x，y)=0,坐标系0-巧Ζ建立在反 射镜曲面的顶点，Z轴指向焦点位置，当为抛物曲面时f是焦距；函数R〇t(e， 0)为旋转功能矩阵，用于实现任意向量绕任意单位向量e=[ex，ey，ez]旋转角度β的功能，具 体为：式中，C = cos0; S = sin0; sign为符号变量，ZpkM为点坐标中Z轴分量。5. 根据权利要求4所述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，步骤1.2) 中的球较中屯、A~C的位置矢量按如下公式计算：式中，球较中屯、在反射镜面的投影点a~C的位置矢量依次为：式中：δι和δ2为支撑投影点与镜面单元边缘的距离;βι为投影点与原点连线同镜面单元 边缘的夹角;η为镜面单元的球较支撑数量;δ3为平面abc与平面ABC的距离。6. 根据权利要求5所述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，步骤1.3) 的计算步骤及方法如下： 1.3.1) 镜面单元由设计位置依次进行若干绕轴旋转运动和平移运动组合，其中旋转轴 线是由任意两个球较中屯、构成;镜面单元旋转运动的角度范围为-0…矿，整体平移运动的各 轴向分量范围为-S~δ，将旋转和平移的运动参数进行组合，获得镜面单元的位姿误差矢量 Terror = [Ri，化]，其中Ri为旋转运动矢量，下标i = 1~6为分别为A-B-C、A-C-B、B-A-C、B-C-A、 C-A-B、C-B-A共6种旋转运动顺序，巧=[巧，口2,口3];整体平移运动矢量为Mi = [xi,yi, zi]; 1.3.2) 计算位姿误差矢量下的各网格中屯、点的位置矢量和内法线单位向量；步骤如 下： (1)根据旋转运动顺序，将第一个球较中屯、E绕轴线GP旋转角度巧，此时镜面单元内网格 km的中屯、点祐运动到点儿:然后再将第二个球较中屯、G绕轴线EP旋转角度妈，此时镜面单 元内网格km的中屯、点Km运动到点妃哺将第S个球较中屯、P绕轴线EG旋转角度妈，此时镜 面单元内网格km的中屯、点.地，运动到点片m;再将镜面单元整体按向量Mi = [ xi，yi，zi ]进行平 移运动；Ee[A，B，C]，Ge[A，B，C];Pe[A，B，C];E^G^p; 镜面单元内网格km的中屯、点施运动到点城位置，运动阶段的相应位置矢量分别为：式中，单位向量向量 E,=(E-巧·执雜泌，如 + P;向量巧=(G-P)'Ro俄即，0!) + P;矢量E，G，P分别为相应旋转顺 序的第一球较中屯、、第二球较中屯、和第Ξ球较中屯、的位置矢量； 引入位姿误差，镜面单元网格微元km的法线向量由旋转至iVl，由下式计算：式中，镜面单元位姿的旋转总矩阵A =心哈PG，0 ) · ^0哈￡,/>，口2 ) · ,，巧）。7.根据权利要求6所述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，步骤1.5) 的计算方法如下： 1.5.1) 将聚焦光斑中局部聚光比接近或等于阀值Ct的位置提取为边界点;边界点的捜 索方法是:结合平面接收祀划分的网格，先从上往下逐列提取等值线的上边界点及坐标;而 后从下往上逐列提取等值线的下边界点及坐标;逐列捜索时查找满足的2个邻近网格，再根提选取差值最小的相应网格的中屯、点作为 边界点，其坐标记为Ci(xi，yi);其中，I(w，v)为平面接收祀内网格编号为w，v的能流密度值， 由步骤1.4)计算得到;Wo为太阳直射福照强度值;函数min(a，b)为取a和b中最小的数； 1.5.2) 采用最小二乘法对边界点进行楠圆拟合，得到聚焦光斑的特征矢量Tfiux为： Tfiux=[d, Φι, <l)2,a,b] = [xo,yo, <l)2,a,b] 式中，在焦平面的焦点F处建立坐标系F-XFyF，该坐标系与坐标系0-xyz平行，楠圆形状 的定量描述参数包括几何中屯、点化坐标(x〇，y〇)、楠圆长半轴的尺寸a及其与坐标XF轴的夹 角Φ 2、短半轴尺寸b; 1.5.3) 计算出贡献镜面单元的旋转误差的球较中屯、A~C的螺杆调节长度dA~dc:1.5.4) 形成聚焦光斑特征、镜面单元位姿误差和球较螺栓调整量等唯一对应的数据元 素，并计算若干种镜面单元位姿情况的数据元素，从而建立成位姿误差的聚集光斑特征数 据库。8. 根据权利要求7所述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，步骤2.2) 中的聚焦光斑图像的特征参数按步骤1.5.1)和步骤1.5.2)的方法进行计算，计算时采用的 太阳直射福照强度值Wo是待调焦镜面单元的聚焦光斑采集时刻的实测值。9. 根据权利要求5所述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，步骤2)的 待调焦镜面单元的单独聚光的聚焦光斑图像的获得方法为:通过将待调焦镜面单元聚焦光 斑移动到平面接收祀的外面并采集接收祀表面此时的光斑图像1，再将待调焦镜面单元进 行初步安装，将聚集的光斑调整至接收祀区域内，图像采集系统采集接收祀表面此时的光 斑图像2,将光斑图像1的灰度值减去光斑图像2的灰度值就可W得到待调焦镜面单元的单 独聚光的聚焦光斑图像； 或先将待调焦镜面单元进行初步安装，并将聚集的光斑调整至接收祀区域内，图像采 集系统采集此时的接收祀表面的光斑图像1，而后将待调焦镜面单元进行遮挡，并采集此时 的接收祀表面的光斑图像2,将光斑图像1的灰度值减去光斑图像2的灰度值就可W得到待 调焦镜面单元的单独聚光的聚焦光斑图像。10. 根据权利要求2所述的太阳能碟式聚光器镜面单元安装的快速调焦方法，步骤1.2) 中的球较中屯、A~C的位置矢量通过设计图纸中直接获得。
【文档编号】F24J2/40GK105972836SQ201610348429
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】颜健, 彭佑多
【申请人】湖南科技大学