本发明涉及一种基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，属于反射镜面型检测技术领域。
背景技术：
太阳能光热发电技术避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，大大降低太阳能发电的成本。二次反射塔式太阳能光热发电是通过地面上一定数量的定日镜阵列，将太阳光反射到安置于塔顶端的二次反射镜上，再将太阳光聚焦到地面上的吸热器中，将融盐介质加热并驱动发电机组发电，从而将吸收的太阳能转化为电能。其中的塔式二次反射镜是由若干次结构镜面组装而成，所以二次反射镜安装的面型精度是决定反射效率和发电效率的重要因素，如果安装精度没有达到要求，会导致二次反射的太阳光不能准确的照射到吸热器中，不能将第一次反射的太阳光高效地利用，从而发电效率大大降低。所以需要对二次反射镜的面型精度进行精确测量。
传统的测量方法有双目视觉测量法、多目测量法、三坐标测量仪测量和三维扫描仪扫描等方法。
双目视觉测量是根据激光三角法测量原理，用两台摄像机从不同的角度对物体进行拍摄，通过提取图像上线激光在物体表面投影的中心像素点、像素点的立体匹配，得出测量点在两幅图像平面上的像素坐标对，再利用成像公式计算出被测点的空间坐标。
多目测量法通过多台取景器和全站仪配合，用多台取景器拍摄被测点测出被测点在图像中的坐标和取景器的旋转角俯仰角，用全站仪测出取景器的高度信息确定出取景器的三维坐标信息，从而联立确定出被测点的三维坐标信息。
三坐标测量仪属于接触式测量，将工件放置在工作台上，通过三个相互垂直方向上的导向机构将测头手动或机动地移动到被测点上，然后锁存三个方向上的光栅尺的光栅数据，测量出工件上被测点的实际三维位置从而得到三维坐标信息。
拍照式三维扫描仪是一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量设备，由一台光栅投影设备和两个工业ccd相机组成，测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理,解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。
双目视觉测量法属于被动测量，没有主动光，所以在环境较暗的时候不能够实现准确测量，而且只适用于近距离测量，远距离时精度较低。
多目测量法也属于被动测量，而且需要配合全站仪使用，过程复杂繁琐，测量速度慢处理效率较低。
三坐标测量仪只能适用于小尺寸的测量，被测物需要放置在工作台上，所以大尺寸物体不能够实现测量。
三维扫描仪对测量距离要求比较严格，一般只能在1-3米的范围内进行测量，而且一次扫描的范围较小，需要进行多幅拼接，对于大尺寸物体的测量效率较低，而且测量精度也会降低。
技术实现要素：
本发明的目的在于：针对目前技术不能满足现有的需要，提供一种基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，用于进行远距离大尺寸面型的非接触高精度高效率测量。
本发明所采用的技术方案是：一种基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，包括如下步骤：
(1)、将二次反射塔分为三个扇区，分别记为s1、s2和s3，每个扇区按照相同的方法进行测量；将一个扇区分为多个孔径p1、p2、p3、…、pn进行测量，测量前需要为三个扇区分别设置三个公共固定点，在其中一个s1扇区中，a、b、c三个点表示三个公共基点；
(2)、在扇区中央下方的地面上打桩，然后在桩柱顶部安装可旋转靶标作为公共固定标靶，无论靶标怎么旋转其在空间的位置不变，即在世界坐标系下的坐标不变；通过调整公共固定标靶的旋转角度，来保证在该扇区各个孔径下对公共固定标靶都具有最佳的测量角度；
(3)、测量前需要在待测面贴上靶点，由于二次反射镜表面属于镜面，三维测量仪测量时发射的激光在其表面不能形成漫反射，所以无法接收到反射回来的激光信息，所以对于镜面型的被测表面必须贴上靶标才能进行测量；
(4)、使用单点三维测量仪测量时，不同孔径的测量要通过移动站位更换测量位置实现，使得在每一个站位对该孔径下所有测点都有一个合适的测量角度和测量距离；在同一个孔径下测量时都要先按照相同的顺序测量公共基点，再测量该孔径下的目标测点，并且对不同目标点测量时只能够变化测量角度，测量站位的位置和高度不能变化；
以第一个扇区第一个孔径为例，测量时的前3个测点为按照一定顺序测量的该扇区的3个公共固定点a、b和c的坐标
(5)、在同一扇区所有孔径下测量完成后，需要将各孔径测点的坐标融合到同一个扇区局部坐标系(由该扇区公共基点确定)下；以第一个扇区为例，首先取该扇区所有n个孔径下的前三点坐标
则，该扇区所有孔径前三点坐标的平均值和每个孔径除去前三点后所有测点的坐标即为各孔径的局部坐标系融合到同一个扇区的局部坐标系下的坐标；
(6)、一个扇区测量完成后，通过该扇区a、b、c三个公共基点在世界坐标系下的坐标值，用布尔莎七参数坐标转换模型将扇区的局部坐标系转移到世界坐标系下；
(7)、将三个扇区所有测点坐标进行曲面拟合；
(8)、得到拟合面型之后，和二次塔设计的标准面型进行对比分析，计算出焦距偏差和拟合面型上特征点到标准面型的距离以及平均距离，以此评价二次塔反射镜的安装精度。
在本发明中：所述步骤(2)中的各个桩柱高度(即公共固定标靶的高度)不能相同，要高低错开，而且桩柱轴线不能在同一平面上，要成三角状分布，最后通过工程测量提供出三个公共固定标靶在世界坐标系下的东北高坐标。
在本发明中：：所述步骤(3)中，为了不在二次反射面上留下污迹，贴靶点时要先贴上无痕胶布再在无痕胶布上贴靶标。
在本发明中：所述步骤(6)中任意一个点i在两个不同坐标系中都有如下的对应关系：
式(1)中，
要求出这七个参数，需要同时知道a、b、c三个公共基点在两个坐标系下的坐标值，代入式(2)中利用最小二乘法求出这七个参数；求出七参数之后，将七参数代入式(2)中，将扇区局部坐标系下目标测点的坐标
在本发明中：所述步骤(7)中先按照二次曲面方程进行拟合计算，二次曲面方程为：
a0+a1x+a2y+a3z+a4xy+a5yz+a6xz+a7x2+a8y2+a9z2＝0(3)
式(3)中(x,y,z)为二次曲面上点的坐标，a0,a1…,a9为待求解的二次曲面参数；式(3)可以写成矩阵形式：
a0+[a1a2a3]x+xtdx＝0(4)
式(4)中，
x＝[xyz]t
式(3)中a0可认为是常数，可取x坐标、y坐标、z坐标的最大值和最小值之差的乘积；a0,a1…,a9为待定参数；通过已知的即已测出的目标点的三维坐标就可利用间接平差法，根据最小二乘法原理求出(3)中所有待定参数，得到二次反射塔面型的拟合方程。
本发明的有益效果：
1.本发明属于主动测量，对于环境要求较低；
2.本发明测量设备简单，只需要使用一台三维测量仪即可完成测量，成本低而且便于维护；
3.不需要使用全站仪，降低了测量难度，简化了测量过程，提高了工作效率；
4.可以实现远距离非接触测量，单孔径测量范围可以达到1-30米；
5.可以实现大尺寸物体测量，可以将一个测量物体分多孔径进行测量，从而可以保证被测物表面各点都可实现最佳测量。
附图说明
图1是本发明的检测系统示意图；
图2是本发明中二次反射塔的分区示意图；
图3是本发明中扇区中央下方的地面上打桩示意图；
图4是本发明中靶标设计示意图；
图5是本发明中公共固定标靶的结构示意图；
图6是本发明的流程示意图。
图中：1、塔式二次反射镜；2、单点三维测量仪；3、三脚架；4、计算机；5、桩柱；6、公共固定标靶；7、底座；8、旋转靶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1-5所示，一种基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，包括单点三维测量仪2、三脚架3、计算机4、桩柱5和公共固定标靶6实现对塔式二次反射镜1的面型检测，其中三脚架3上设有单点三维测量仪2；桩柱5上设有公共固定标靶6，所述的公共固定标靶6包括底座7和旋转靶8，将底座7安装到桩柱5顶部，将旋转靶8插入底座7中，靶标贴到旋转靶8上之后过旋转靶8转轴和底座7的中心轴线。
如图6所示，具体包括如下步骤：
(1)如图2所示，二次反射塔分为三个扇区s1、s2和s3，每个扇区按照相同的方法进行测量。因为单个扇区面积过大，同一个测量位置不能测到所有的目标测点，所以将一个扇区分为多个孔径p1、p2、p3、…、pn进行测量(每一个圆表示一个孔径)。测量前需要为三个扇区分别设置三个公共固定点，在其中一个s1扇区中，a、b、c三个点表示三个公共基点。
(2)如图3所示，具体的可以在扇区中央下方的地面上打桩柱5，然后在桩柱5顶部安装可旋转靶标作为公共固定标靶6，无论靶标怎么旋转其在空间的位置不变，即在世界坐标系下的坐标不变。通过调整公共固定标靶6的旋转角度，来保证在该扇区各个孔径下对公共固定点都具有最佳的测量角度。需要注意各个桩柱高度(即公共固定点的高度)不能相同要高低错开，而且桩柱轴线不能在同一平面上，要成三角状分布，最后通过工程测量提供出三个公共固定点在世界坐标系下的的东北高坐标。
(3)测量前需要在待测面贴上靶点，因为二次反射镜表面属于镜面，三维测量仪测量时发射的激光在其表面不能形成漫反射，所以无法接收到反射回来的激光信息，所以对于镜面型的被测表面必须贴上靶标才能进行测量。设计靶标如图4所示，为了不在二次反射面上留下污迹，所以贴靶点时要先贴上无痕胶布再在无痕胶布上贴靶标。
(4)使用单点三维测量仪2测量时，不同孔径的测量要通过移动站位更换测量位置实现，使得在每一个站位对该孔径下所有测点都有一个合适的测量角度和测量距离。在同一个孔径下测量时都要先按照相同的顺序测量公共基点，再测量该孔径下的目标测点，并且对不同目标点测量时只能够变化测量角度，测量站位的位置和高度不能变化。以第一个扇区第一个孔径为例，测量时的前3个测点为按照一定顺序测量的该扇区的3个公共固定点a、b和c的坐标
(5)在同一扇区所有孔径下测量完成后，需要将各孔径测点的坐标融合到同一个扇区局部坐标系(由该扇区公共基点确定)下。以第一个扇区为例，首先取该扇区所有n个孔径下的前三点坐标
则，该扇区所有孔径前三点坐标的平均值和每个孔径除去前三点后所有测点的坐标即为各孔径的局部坐标系融合到同一个扇区的局部坐标系下的坐标。
(6)一个扇区测量完成后，通过该扇区a、b、c三个公共基点在世界坐标系下的坐标值，用布尔莎七参数坐标转换模型将扇区的局部坐标系转移到世界坐标系下。
任意一个点i在两个不同坐标系中都有如下的对应关系：
式(1)中，
要求出这七个参数，需要同时知道a、b、c三个公共基点在两个坐标系下的坐标值，代入式(2)中利用最小二乘法求出这七个参数；求出七参数之后，将七参数代入式(2)中，将扇区局部坐标系下目标测点的坐标
(7)将三个扇区所有测点坐标进行曲面拟合。先按照一般的二次曲面方程进行拟合计算，一般的二次曲面方程为：
a0+a1x+a2y+a3z+a4xy+a5yz+a6xz+a7x2+a8y2+a9z2＝0(3)
式(3)中(x,y,z)为二次曲面上点的坐标，a0,a1…,a9为待求解的二次曲面参数。式(3)可以写成矩阵形式：
a0+[a1a2a3]x+xtdx＝0(4)
式(4)中，
x＝[xyz]t
式(3)中a0可认为是常数，可取x坐标、y坐标、z坐标的最大值和最小值之差的乘积；a0,a1...,a9为待定参数。通过已知的即已测出的目标点的三维坐标就可利用间接平差法，根据最小二乘法原理求出(3)中所有待定参数，得到二次反射塔面型的拟合方程。
(8)得到拟合面型之后，和二次塔设计的标准面型进行对比分析，计算出焦距偏差和拟合面型上特征点到标准面型的距离以及平均距离，以此评价二次塔反射镜的安装精度。
以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本发明并不限于以上描述。对于本领域的技术人员而言，任何对本技术方案的同等修改和替代都是在本发明的范围之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。