CN108562245A - 一种定日镜三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定日镜三维测量方法，按照以下步骤实施：步骤1、设定定日镜三维测量结构，采集光屏上的光栅条纹，利用数字投影仪向定日镜投射编码好的条纹图案，通过光屏的反射，工业相机采集光屏反射后的光栅条纹并传送至计算机；步骤2、计算机进行四步相移法运算，得到相位主值；步骤3、进行负指数增长时间相位展开，得到一个条纹周期数的展开相位，作为最终的展开相位。本发明方法具有更高的分辨率和测量精度。

Description

一种定日镜三维测量方法

技术领域

本发明属于三维测量技术领域，涉及一种定日镜三维测量方法。

背景技术

太阳能发电主要包括太阳能光伏发电和太阳能热发电两种形式。太阳能光伏发电是利用半导体材料的光伏特性将太阳光能转化为电流产生电能。太阳能热发电是利用聚光镜汇聚太阳辐射能产生热能，热能驱动发电机进而转换成电能。太阳能热发电根据聚光方式的不同可分为槽式、塔式、蝶式和Fresnel式。槽式和Fresnel式为线聚焦方式，而塔式和蝶式为点聚焦方式。由于点聚焦方式达到线聚焦的近2倍，因此效率更高；但线聚焦方式易于实现且相对便宜。

塔式太阳能热发电系统主要包括：定日镜、吸热器、换热器、高低温储罐、集热塔、汽轮发电机组等。工作原理：利用定日镜把太阳光聚焦到位于集热塔顶部的吸热器上，加热吸热器中的传热工质产生热能，再通过热交换系统生成高温蒸汽带动汽轮机发电。塔式技术能量集中过程是靠反射光线一次完成的，方法简捷有效且聚光倍数高，容易达到比较高的工作温度，其中定日镜数目越多，其聚光比越大，吸热器的集热温度越高，光热转换效率越高。

定日镜是塔式太阳能热发电站的重要设备，为了提高储能效率，每块定日镜的面形都必须具有高精度曲面，因此需要一种高效、快速、精确、简易的检测方法对定日镜面形进行检测。目前，三维扫描仪一般是针对Lambertian反射(漫反射，即不同视场方向上都具有相近亮度的反射)物体进行三维测量，对于镜面反射物体——定日镜，需要一种新的测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种定日镜三维测量方法，解决了现有技术中定日镜测量效率不高、精度低、接触式测量易损伤定日镜的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种定日镜三维测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、设定定日镜三维测量结构，采集光屏上的光栅条纹，

利用数字投影仪向定日镜投射编码好的条纹图案，通过光屏的反射，工业相机采集光屏反射后的光栅条纹并传送至计算机；

步骤2、计算机进行四步相移法运算，得到相位主值，

投影条纹的灰度值用式(1)得到：

式中，g(x,y)为光栅条纹像素点(x,y)的灰度值，a(x,y)为背景光强值，b(x,y)为调制强度，f₀为载波频率，为被测物体高度调制相位，

对于连续的四帧光栅条纹，该四帧带有π/2相移光栅条纹的灰度值分别表示为：

由式(2)和式(4)得到式(6)：

由式(3)和式(5)得到式(7)：

由式(6)和式(7)得到式(8)：

对式(8)求取反正切函数，得到式(9)：

式(9)中，mod为取余算子，反正切运算得到的相位值ψ(x,y)被限制在(-π,π)之间，称为相位主值，而完整实际相位为式(10)：

式中，k为周期数；

步骤3、进行负指数增长时间相位展开，具体步骤为：

相邻两套展开相位差计算公式：

式中，s为光栅条纹最大周期数，NINT为取整算子，t'＝1,2,4，…,s/2，

四步相移法解包裹相位，光栅条纹周期数(s-t’)和(s-2t’)的包裹相位计算分别是：

则包裹相位差Δψ(s-t',s-2t')为：

得到一个条纹周期数的展开相位，作为最终的展开相位。

本发明的有益效果是，采用条纹反射法原理测量定日镜曲面，采用高速、高分辨率工业相机、高速投影仪和计算机组成光栅投影三维测量装置，系统投影和采集速度快；采用四步相移法解相位主值，相移法解相位主值精度高，对环境和噪声不敏感，抗干扰能力强；采用负指数增长相位展开，相较于三频展开和三频外差相位展开，该方法具有更高的分辨率和测量精度。

附图说明

图1是本发明基于条纹反射法的三维测量结构示意图；

图2是本发明相机采集的连续四帧变形相移条纹；

图3是本发明定日镜三维测量结果的整体面形；

图4是本发明定日镜三维测量结果面形的某一行。

图中，1.计算机，2.数字投影仪，3.定日镜，4.光屏，5.工业相机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提出一种基于条纹反射法的定日镜三维测量系统，采用条纹反射法检测定日镜的三维面形，方法是基于相移法解相位主值和负指数增长相位展开得到实际相位，实现三维面形的测量。

参照图1，是本发明基于条纹反射法的三维测量结构示意图，计算机1输出端与数字投影仪2输入端连接，数字投影仪2发出的照射光线对向定日镜3，照射光线被定日镜3反射至光屏4，工业相机5与光屏4对应设置采集光屏4上的光栅条纹，工业相机5的信号输出端接回计算机1中。然后计算机1再根据预置的测量方法，完成四步相移法和负指数增长时间相位展开的运算，得到定日镜3的整体面形。

本发明的方法，按照以下步骤实施：

步骤1、设定定日镜3三维测量结构，采集光屏4上的光栅条纹，

如图1，利用数字投影仪2向定日镜3投射编码好的条纹图案，通过光屏4的反射，工业相机5采集光屏4反射后的光栅条纹并传送至计算机1；

步骤2、计算机1进行四步相移法运算，得到相位主值，

投影条纹一般为余弦条纹(或正弦)，条纹的灰度值用式(1)得到：

式中，g(x,y)为光栅条纹像素点(x,y)的灰度值，a(x,y)为背景光强值，b(x,y)为调制强度，f₀为载波频率，为被测物体高度调制相位，

沿着垂直于光栅条纹方向在一个周期内移动N次，N∈(3,5)；当N＝3时称为三步相移法，当N＝4时称为四步相移法，当N＝5时称为五步相移法；本发明以四步相移法为实施例，见图2，是连续的四帧光栅条纹，该四帧带有π/2相移光栅条纹的灰度值分别表示为：

由式(2)和式(4)得到式(6)：

由式(3)和式(5)得到式(7)：

由式(6)和式(7)得到式(8)：

对式(8)求取反正切函数，得到式(9)：

式(9)中，mod为取余算子，反正切运算得到的相位值ψ(x,y)被限制在(-π,π)之间，称为相位主值(或称为包裹相位)，而完整实际相位为式(10)：

式中，k为周期数。

步骤3、进行负指数增长时间相位展开，具体步骤为：

相邻两套展开相位差计算公式：

式中，s为光栅条纹最大周期数，NINT为取整算子，t'＝1,2,4，…,s/2，

四步相移法解包裹相位，光栅条纹周期数(s-t^’)和(s-2t’)的包裹相位计算分别是：

则包裹相位差Δψ(s-t',s-2t')为：

假设最大投影条纹周期数s＝64，需要投影的条纹周期数分别为t＝64、63、62、60、56、48和32，则得到相邻两套条纹的包裹相位之差为：

由于则相邻两套条纹展开相位之差为：

由于根据上式得到条纹周期数为32的展开相位为：

条纹周期数为64、63、62、60、56、48的展开相位都能够获得，其中条纹周期数为64的展开相位为作为最终的展开相位。

实验对比验证

实验流程为：投射条纹到定日镜3，反射至光屏4，通过CCD相机采集光屏4上变形条纹，如图2所示，为频率为64的四帧相移条纹，频率为63、62、60、56、48和32的四步相移条纹省略。采用四步相移法解相位主值、负指数增长相位展开。实验结果如图3所示，图3为定日镜3三维测量的整体面形，图4为定日镜3三维测量的整体面形的某一行。实验结果表明，本发明定日镜3三维测量方法能够准确的实现其面形三维测量。

Claims (3)

1.一种定日镜三维测量方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、设定定日镜三维测量结构，采集光屏上的光栅条纹，

利用数字投影仪向定日镜投射编码好的条纹图案，通过光屏的反射，工业相机采集光屏反射后的光栅条纹并传送至计算机；

步骤2、计算机进行四步相移法运算，得到相位主值，

投影条纹的灰度值用式(1)得到：

式中，g(x,y)为光栅条纹像素点(x,y)的灰度值，a(x,y)为背景光强值，b(x,y)为调制强度，f₀为载波频率，为被测物体高度调制相位，

对于连续的四帧光栅条纹，该四帧带有π/2相移光栅条纹的灰度值分别表示为：

由式(2)和式(4)得到式(6)：

由式(3)和式(5)得到式(7)：

由式(6)和式(7)得到式(8)：

对式(8)求取反正切函数，得到式(9)：

式(9)中，mod为取余算子，反正切运算得到的相位值ψ(x,y)被限制在(-π,π)之间，称为相位主值，而完整实际相位为式(10)：

式中，k为周期数；

步骤3、进行负指数增长时间相位展开，具体步骤为：

相邻两套展开相位差计算公式：

式中，s为光栅条纹最大周期数，NINT为取整算子，t'＝1,2,4，…,s/2，

四步相移法解包裹相位，光栅条纹周期数(s-t^’)和(s-2t’)的包裹相位计算分别是：

则包裹相位差Δψ(s-t',s-2t')为：

得到一个条纹周期数的展开相位，作为最终的展开相位。

2.根据权利要求1所述的定日镜三维测量方法，其特征在于：所述的步骤1中，采用的三维测量结构是，计算机(1)输出端与数字投影仪(2)输入端连接，数字投影仪(2)发出的照射光线对向定日镜(3)，照射光线被定日镜(3)反射至光屏(4)，工业相机(5)与光屏(4)对应设置采集光屏(4)上的光栅条纹，工业相机(5)的信号输出端接回计算机(1)中。

3.根据权利要求1所述的定日镜三维测量方法，其特征在于：所述的步骤3中，具体过程是，

假设最大投影条纹周期数s＝64，需要投影的条纹周期数分别为t＝64、63、62、60、56、48和32，则得到相邻两套条纹的包裹相位之差为：

由于则相邻两套条纹展开相位之差为：

由于根据上式得到条纹周期数为32的展开相位为：

条纹周期数为64、63、62、60、56、48的展开相位都能够获得，其中条纹周期数为64的展开相位为作为最终的展开相位。