CN109828612B - 一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统和方法,其中,系统包括定日镜镜场、无人机、移动光源、图像采集装置、图像处理装置和计算机控制端,计算机控制端分别与定日镜、无人机和图像处理装置电连接,计算机控制端根据预先设定的校正轨迹采样点分别对无人机的飞行轨迹、移动光源的投射角度、定日镜的转角进行计算和控制以及对所述图像处理装置处理的图像数据结果进行读取,并计算定日镜校正参数。本发明突破了传统定日镜校正对太阳的依赖,在夜间校正既不影响镜场正常运营,又具有与利用太阳校正同样的校正精度,利用无人机携带的移动光源,实现快速的样本采集,校正效率极大提升。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能热发电领域的定日镜校正领域,特别涉及一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统和方法。
背景技术
在经济不断发展的同时,能源日趋短缺,传统的不可再生能源日益枯竭,经济发展越来越受制于能源的开发利用,可再生能源的利用受到普遍关注,特别是太阳能利用更受世人的重视。
太阳能热发电是当前太阳能利用的一种主要方式。当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为:(1)塔式太阳能热发电;(2)槽式太阳能热发电;(3)碟式太阳能热发电。
在太阳能热发电领域,塔式太阳能热发电因具有高光热转换效率,高聚焦温度,控制系统安装调试简单,散热损失少等优势,将成为下一个可商业化运营的新型能源技术。
在塔式太阳能热发电领域,定日镜为塔式太阳能热发电系统的一个重要组成部分。如图1所示,定日镜将太阳光反射到吸热塔塔顶的吸热器上,对吸热工质进行加热,从而将光能转化为热能,进而驱动汽轮机发电。
在塔式太阳能热发电领域,定日镜作为系统的集热器,其聚光精度的好坏决定着系统发电效率的高低,而定日镜在安装完成之初,存在较大的安装偏差,并不能准确的将太阳光反射到吸热器上,需要通过校正来对其安装偏差进行修正。传统的校正方法通过定日镜反射太阳光到图像采集装置进行校正,此种校正方法只能在白天进行,势必对镜场日间运行会产生较大的影响,此外,校正中太阳每时每刻都在运动,因而入射到定日镜的入射光线也在随时间不断变化,这对定日镜的校正精度会产生一定的影响,另外,定日镜校正中要获得太阳不同入射角度下的样本需要历经从早到晚的全过程,因而完成一面定日镜校正的历时长,校正效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统和方法,以解决在现有技术中对定日镜的校正只能在白天进行进而对镜场日间运行会产生较大影响的技术问题。
为了解决上述问题,本发明提供了一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统,包括:
定日镜镜场,所述定日镜镜场包括若干定日镜,所述定日镜用于跟踪并反射入射光线;
无人机,用于携带移动光源飞行;
移动光源,所述移动光源安装在所述无人机的搭载云台上,通过所述搭载云台的旋转角度和俯仰角度控制所述移动光源投射光的投射角度,所述移动光源从不同角度对定日镜投射光线,定日镜跟踪并反射入射光线;
图像采集装置,所述图像采集装置设置在吸热塔上,并靠近所述吸热塔上的吸热器,用于采集定日镜反射的光斑图像数据;
图像处理装置,用于处理所述图像采集装置采集到的光斑图像数据;
计算机控制端,所述计算机控制端分别与所述定日镜、无人机和图像处理装置电连接,所述计算机控制端根据校正轨迹采样点分别对无人机的飞行轨迹、移动光源的投射角度、定日镜的转角进行计算,进而控制无人机飞行至目标位置、移动光源按照目标投射角度投射光线、定日镜转动至目标角度以及对所述图像处理装置处理的图像数据结果进行读取,并计算定日镜校正参数。
较佳的,所述无人机上设有悬停系统,保证定日镜的入射光线在一定时间范围内持续不变。
较佳的,所述无人机上设置多个移动光源,对镜场中不同区域的定日镜进行同步校正。
较佳的,所述移动光源为点光源、线光源、点线结合光源、明暗交替光源、环形光源或蛇形光源。
本发明还提供一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的方法,包括以下几个步骤:
步骤一、启动夜间校正系统
使定日镜镜场处于可校正状态,并开启图像采集装置、图像处理装置、计算机控制端和无人机;
步骤二、计算机控制端刷新校正列表,选取待校正的定日镜清单;
步骤三、计算机控制端根据待校正的定日镜清单,计算无人机的飞行轨迹、移动光源投射角度和定日镜转角;
步骤四、计算机控制端根据控制无人机携带移动光源飞行至目标位置、移动光源按照投射角度投射光线、定日镜转动到目标角度,定日镜将入射光线反射至图像采集装置;
步骤五、图像采集装置采集定日镜反射的光斑图像数据,并将图像数据发送给图像处理装置进行图像数据处理;
步骤六、图像处理装置将定日镜反射的光斑图像数据处理结果发送给计算机控制端;
步骤七、待图像采集装置完成定日镜设定轨迹上所有采样点的图像数据采集后,计算机控制端根据图像处理装置发来的样本图像数据信息完成定日镜校正参数的计算。
较佳的,在步骤二中,校正列表为定日镜镜场中由所有需要校正的定日镜构成的名单,将所有需要校正的定日镜划分成几个不同区域,在每个区域中选取一面以上定日镜加入待校正的定日镜清单,此清单内的定日镜在完成校正后将从清单中剔除,进入可追日定日镜列表。
较佳的,在步骤三中,根据待校正的定日镜清单,将同时采样的定日镜在全天不间断追踪吸热器的方位角范围和水平角范围结合,优化计算出同时采样的定日镜采样所需的入射向量范围,根据入射向量范围优化计算出可同时满足此清单内所有定日镜采样所需的入射向量,根据该入射向量,基于公式
根据相应的入射向量反向计算出无人机需要到达的目标位置以及移动光源投射光线的角度;
一个样本对应无人机的一个位置,多个样本对应无人机的多个位置,多个位置连接起来构成了无人机的飞行轨迹;
定日镜的投射目标点为图像采集装置的中心点,根据入射、反射模型可计算出定日镜镜面法向量,进而可计算出采样时定日镜的转角。
较佳的,在步骤四中,根据步骤三的计算,按照计算好的无人机飞行轨迹和定日镜的转角,每到一个采样点,无人机悬停,按照计算好的角度投射光线,定日镜转动到该位置对应的姿态,反射光线到图像采集装置。
较佳的,在步骤六中,图像处理装置根据光斑图像数据计算出反射光斑的中心点坐标(xB1,yB1,zB1)并将其发送给计算机控制端,计算机控制端结合本次采样时针对各定日镜的入射向量定日镜角度便得到每面定日镜的一组校正样本;完成各个定日镜的一组样本采集后,计算机控制端控制无人机按照预定轨迹飞往下一采样点,控制所有采样定日镜转动到下一采样姿态,重复步骤4到步骤6的过程,直至校正清单中所有的定日镜全部完成样本采集。
较佳的,在步骤七中,当校正清单中所有的定日镜全部完成样本采集后,每面定日镜均得到多组校正样本,计算机控制端已经获取每面定日镜的多组样本信息,基于定日镜校正模型便可计算出校正模型中的校正参数。
较佳的,还包括步骤八,当待校正的定日镜清单中的所有定日镜校正完成后,计算机控制端刷新定日镜校正列表,根据校正中调度原则选取新一批定日镜清单,按照步骤三到步骤七完成其校正样本的采集,直至定日镜校正列表中所有定日镜完成校正。
与现有技术相比,本发明存在以下技术效果:
本发明提供一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统和方法,该发明突破了传统定日镜校正对太阳的依赖,在夜间校正既不影响镜场正常运营,又具有与利用太阳校正同样的校正精度,此外利用无人机携带的移动光源,可实现快速的样本采集,镜场校正效率极大提升。
除此之外,无人机还可携带分布在无人机的各个方位的不同类型的移动光源,可对镜场中不同区域定日镜同时校正,因其光源分布在无人机不同方位,不存在光源间干扰与误识别的问题,不仅可实现快速的样本采集,极大提升镜场校正效率,还可有效保证校正的精度。
当然,实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中:
图1为为塔式太阳能热发电系统的结构简图;
图2为本发明实施例的一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统的结构图;
图3为本发明实施例的一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的方法的流程示意图;
图4为本发明实施例的定日镜在校正过程中移动光源的运动轨迹示意图;
图5为本发明实施例的不同类型移动光源的示意图。
具体实施方式
以下将结合图1至图5对本发明提供的一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统和方法进行详细的描述,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例,本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内,能够对其进行修改和润色。
请参考图1,塔式太阳能热电站通过驱动大量定日镜跟踪太阳光,使太阳光在位于吸热塔顶端的吸热器表面聚集,对吸热工质进行加热,使光能转换为热能,进而将热能转化为电能,实现太阳能热发电。
请参考图2,本发明提供一种利用无人机2对定日镜进行夜间快速校正的系统,包括:
定日镜镜场,所述定日镜镜场包括大量的定日镜1,定日镜1用于跟踪并反射入射光线,是该定日镜1夜间快速校正系统的校正对象;
无人机2,用于携带移动光源飞行;
移动光源3,所述移动光源3安装在所述无人机2的搭载云台上,通过所述搭载云台的旋转角度和俯仰角度控制所述移动光源3投射光的投射角度,所述移动光源3从不同角度对定日镜1投射光线,定日镜1跟踪并反射入射光线;
图像采集装置4,所述图像采集装置4设置在吸热塔上,并靠近所述吸热塔上的吸热器,用于采集定日镜1反射的光斑图像数据;
图像处理装置5,用于处理所述图像采集装置4采集到的光斑图像数据;
计算机控制端6,所述计算机控制端6分别与所述定日镜1、无人机2和图像处理装置5电连接,在本实施例中,计算机控制端6通过无线信号与无人机2进行通讯,计算机控制端通过控制系统局域网或无线信号与定日镜1和图像处理装置5进行通讯,所述计算机控制端6根据预先设定的校正轨迹采样点分别对无人机2的飞行轨迹、移动光源3的投射角度、定日镜的转角进行计算,并进而控制无人机2飞行至目标位置、移动光源3按照目标投射角度投射光线、定日镜转动至目标角度以及对所述图像处理装置5的图像数据处理结果进行读取,计算定日镜校正参数;
在校正过程中,所述无人机2携带移动光源3模拟太阳在一天中的运动轨迹从不同角度向定日镜1投射光线;所述计算机控制端6控制定日镜1转动至相应角度,所述定日镜1将入射光线反射至图像采集装置4,图像采集装置4将采集的定日镜1的反射光斑图像数据传送给图像处理装置5进行处理,当镜场中定日镜1在一个入射角度下的样本采集完成后,无人机2携带移动光源3根据设定的轨迹移动到下一位置,当镜场中定日镜1在各种入射角度下的样本均采集完成后,所述计算机控制端6根据所采集到的样本完成定日镜1校正参数的计算。
在本实施例中,所述无人机2上设有悬停系统,具有悬停功能,保证定日镜1的入射光线在一定时间范围内持续不变,增加入射光线的稳定性,有利于保证校正样本的精度。
请参考图3,一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的方法,包括以下几个步骤:
步骤一、启动夜间校正系统
启动定日镜镜场中的所有需要校正的定日镜,保证所有需要校正的定日镜均可正常转动,目的是使定日镜镜场处于可校正状态,并开启图像采集装置、图像处理装置、计算机控制端和无人机,使其处于工作状态;
步骤二、计算机控制端刷新校正列表,选取待校正的定日镜清单;
在此步骤二中,校正列表为定日镜镜场中由所有需要校正的定日镜构成的名单,将所有需要校正的定日镜划分成几个不同区域,在每个区域中选取一面以上定日镜加入待校正的定日镜清单,此清单内的定日镜在完成校正后将从清单中剔除,进入可追日定日镜列表。
本发明可以对镜场中不同区域内的多面定日镜同时开展校正。
步骤三、计算机控制端根据待校正的定日镜清单,计算无人机的飞行轨迹、移动光源投射角度和定日镜转角;
在此步骤三中,根据待校正的定日镜清单,将同时采样的各区域定日镜(在同一个清单中的各区域的所有定日镜的采样都是同时进行的)在全天不间断追踪吸热器的方位角范围和水平角范围结合,优化计算出同时采样的定日镜采样所需的入射向量范围(不同区域的定日镜同时校正时,其在镜场中所处的位置不同因而相对于无人机上光源的入射向量也不同)。
为了保证定日镜在全天不间断追踪吸热器时能持续具有较高的追踪精度,在定日镜校正时,校正样本需要满足对定日镜工作角度空间的全面覆盖,例如:一面定日镜工作时方位角的转动范围为30—240°,那么,在对此定日镜进行校正时,假如设定采集8个样本,那么这八个样本的方位角要在均布在此转动范围内,即要求分别在30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°和240°附近,同理,定日镜的水平角的样本角度范围也是这样确定的,方位角范围和水平角范围结合便构成了此定日镜的每个样本的入射向量范围。
根据同时采样的各区域定日镜的入射向量范围优化计算出可同时满足此清单内所有定日镜采样所需的入射向量(此入射向量是从入射向量范围内优选出来的,要满足同一清单内所有定日镜采样所需的入射向量),根据该入射向量,基于公式
对于待校正的定日镜来说,其每一个样本对应无人机的一个位置,多个样本对应无人机的多个位置,多个位置连接起来构成了无人机的整个采样的飞行轨迹;
对于每面待校正的定日镜来说,每一次无人机位置确定了,入射到其镜面的入射向量就确定了,投射目标点是确定的(定日镜的投射目标点为图像采集装置的中心点),根据入射、反射模型可计算出定日镜镜面法向量,进而可计算出采样时定日镜的转角。
步骤四、计算机控制端根据控制无人机携带移动光源飞行至目标位置、移动光源按照投射角度投射光线、定日镜转动到目标角度,定日镜将入射光线反射至图像采集装置;
在此步骤四中,无人机携带移动光源飞行至目标位置就是步骤三中计算出来的若干采样点;移动光源按照投射角度投射光线和定日镜转动到目标角度均是步骤三根据各个采样点计算出来的。
根据步骤三的计算,按照计算好的无人机飞行轨迹和定日镜的转角,每到一个采样点,无人机悬停,按照计算好的角度投射光线,定日镜转动到该位置对应的姿态,反射光线到图像采集装置。
步骤五、图像采集装置采集定日镜反射的光斑图像数据,并将图像数据发送给图像处理装置进行图像数据处理;
在此步骤五中,图像采集装置采集定日镜反射光斑的形状、位置、亮度等图像信息,并将图像数据发送给图像处理装置进行处理。
步骤六、图像处理装置将定日镜反射的光斑图像数据处理结果发送给计算机控制端;
在此步骤六中,图像处理装置根据光斑图像数据计算出反射光斑的中心点坐标(xB1,yB1,zB1)并将其发送给计算机控制端,计算机控制端结合本次采样时针对各定日镜的入射向量定日镜角度便得到每面定日镜的一组校正样本;完成各个定日镜的一组样本采集后,计算机控制端控制无人机按照预定轨迹飞往下一采样点,控制所有采样定日镜转动到下一采样姿态,重复步骤4到步骤6的过程,直至校正清单中所有的定日镜全部完成样本采集。
步骤七、待图像采集装置完成定日镜设定轨迹上所有采样点的图像数据采集后,计算机控制端根据图像处理装置发来的样本图像数据信息完成定日镜校正参数的计算。
在此步骤七中,当校正清单中所有的定日镜全部完成样本采集后,每面定日镜均得到多组校正样本,计算机控制端已经获取每面定日镜的多组样本信息,基于定日镜校正模型便可计算出校正模型中的校正参数,定日镜校正模型如下:
式中,(x0,y0,z0)为定日镜坐标,(α,β,γ)为模型中描述定日镜误差的参数;fi为利用模型参数计算定日镜镜面法向量的函数,gi为利用入射光线、出射光线计算定日镜镜面法向量的函数,i=1,2,3……N,N为校正样本的数量。
步骤八、当待校正的定日镜清单中的所有定日镜校正完成后,计算机控制端刷新定日镜校正列表,根据校正中调度原则选取新一批定日镜清单,按照步骤三到步骤七完成其校正样本的采集,直至定日镜校正列表中所有定日镜完成校正。
如图4所示为定日镜1在整个校正周期中,移动光源3与其相对位置关系,移动光源3通过无人机2的搭载实现了在定日镜转角空间中真实模拟太阳入射光线,保证了定日镜校正样本在空间维度的完整性。
在本实施例中,移动光源为点光源、线光源、点线结合光源、明暗交替光源、环形光源或蛇形光源,如图5所示为本发明实施例中移动光源3可能的呈现形式,3a为线型光源,3b为点光源,3c为点线结合光源,3d为明暗交替光源,3e为回字形光源,3f为环形光源,3f为直角蛇形光源。
在利用无人机移动光源进行定日镜夜间校正时,可在无人机上搭载一种类型的移动光源,也可以搭载不同类型的移动光源,在携带不同种类的移动光源时,在校正中针对不同区域定日镜投射不同类型光线,使不同区域的定日镜反射的光斑存在明显差异,方便图像数据处理中的图像识别与分析提供便利。
在本实施例中,在校正过程中无人机可以携带一种光源,也可同时携带不同种光源。在不同区域投射不同类型的光线,集装置采集到的图像进行识别和处理。
请参考图2,无人机携带三个不同方向的移动光源3对镜场中三个不同区域同时进行校正,在每次校正列表刷新时,会从每一区域选取一面或多面定日镜定日镜加入校正清单,校正清单确定后,会根据每面定日镜所需样本分布计算出其采样所需的入射向量分布,如图4所示为一面定日镜所需样本的入射向量分布情况,确定好校正清单中定日镜的入射向量范围后便需要进一步优化计算每次采样过程中无人机的位置与光源投射角度,进而形成无人机的飞行轨迹与采样定日镜的运动信息。在每次采样中,无人机携带的不同方向的光源只对本区域的定日镜投射光线,因为不同区域的光源分布在无人机的不同方位,光源间不会发生干扰与误识别。到达一个采样点,无人机悬停,定日镜反射光线到图像采集装置进行采样,完成一个样本点的采样后无人机飞往下一个采样点,定日镜转到下一个采样姿态,直至采样全部完成,采样完成的定日镜放平或者转到其他安全姿态,以免对采样中定日镜产生干扰。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例,但本申请并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化,都应落在本申请的保护范围内。
Claims (9)
1.一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的方法,其特征在于,包括以下几个步骤:
步骤一、启动夜间校正系统
使定日镜镜场处于可校正状态,并开启图像采集装置、图像处理装置、计算机控制端和无人机;
步骤二、计算机控制端刷新校正列表,选取待校正的定日镜清单;
在步骤二中,校正列表为定日镜镜场中由所有需要校正的定日镜构成的名单,将所有需要校正的定日镜划分成几个不同区域,在每个区域中选取一面以上定日镜加入待校正的定日镜清单,此清单内的定日镜在完成校正后将从清单中剔除,进入可追日定日镜列表;
步骤三、计算机控制端根据待校正的定日镜清单,计算无人机的飞行轨迹、移动光源投射角度和定日镜转角;
在步骤三中,根据待校正的定日镜清单,将同时采样的定日镜在全天不间断追踪吸热器的方位角范围和水平角范围结合,优化计算出同时采样的定日镜采样所需的入射向量范围,根据入射向量范围优化计算出可同时满足此清单内所有定日镜采样所需的入射向量,根据该入射向量,基于公式
根据相应的入射向量反向计算出无人机需要到达的目标位置以及移动光源投射光线的角度;
一个样本对应无人机的一个位置,多个样本对应无人机的多个位置,多个位置连接起来构成了无人机的飞行轨迹;
定日镜的投射目标点为图像采集装置的中心点,根据入射、反射模型可计算出定日镜镜面法向量,进而可计算出采样时定日镜的转角;
步骤四、计算机控制端根据控制无人机携带移动光源飞行至目标位置、移动光源按照投射角度投射光线、定日镜转动到目标角度,定日镜将入射光线反射至图像采集装置;
步骤五、图像采集装置采集定日镜反射的光斑图像数据,并将图像数据发送给图像处理装置进行图像数据处理;
步骤六、图像处理装置将定日镜反射的光斑图像数据处理结果发送给计算机控制端;
步骤七、待图像采集装置完成定日镜设定轨迹上所有采样点的图像数据采集后,计算机控制端根据图像处理装置发来的样本图像数据信息完成定日镜校正参数的计算。
2.如权利要求1所述的一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的方法,其特征在于,在步骤四中,根据步骤三的计算,按照计算好的无人机飞行轨迹和定日镜的转角,每到一个采样点,无人机悬停,按照计算好的角度投射光线,定日镜转动到该位置对应的姿态,反射光线到图像采集装置。
4.如权利要求3所述的一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的方法,其特征在于,在步骤七中,当校正清单中所有的定日镜全部完成样本采集后,每面定日镜均得到多组校正样本,计算机控制端已经获取每面定日镜的多组样本信息,基于定日镜校正模型便可计算出校正模型中的校正参数。
5.如权利要求1所述的一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的方法,其特征在于,还包括步骤八,当待校正的定日镜清单中的所有定日镜校正完成后,计算机控制端刷新定日镜校正列表,根据校正中调度原则选取新一批定日镜清单,按照步骤三到步骤七完成其校正样本的采集,直至定日镜校正列表中所有定日镜完成校正。
6.一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统,采用上述权利要求1至5任一项所述的一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的方法,其特征在于,包括:
定日镜镜场,所述定日镜镜场包括若干定日镜,所述定日镜用于跟踪并反射入射光线;
无人机,用于携带移动光源飞行;
移动光源,所述移动光源安装在所述无人机的搭载云台上,通过所述搭载云台的旋转角度和俯仰角度控制所述移动光源投射光的投射角度,所述移动光源从不同角度对定日镜投射光线,定日镜跟踪并反射入射光线;
图像采集装置,所述图像采集装置设置在吸热塔上,并靠近所述吸热塔上的吸热器,用于采集定日镜反射的光斑图像数据;
图像处理装置,用于处理所述图像采集装置采集到的光斑图像数据;
计算机控制端,所述计算机控制端分别与所述定日镜、无人机和图像处理装置电连接,所述计算机控制端根据校正轨迹采样点分别对无人机的飞行轨迹、移动光源的投射角度、定日镜的转角进行计算,进而控制无人机飞行至目标位置、移动光源按照目标投射角度投射光线、定日镜转动至目标角度以及对所述图像处理装置处理的图像数据结果进行读取,并计算定日镜校正参数。
7.如权利要求6所述的一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统,其特征在于,所述无人机上设有悬停系统,保证定日镜的入射光线在一定时间范围内持续不变。
8.如权利要求6所述的一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统,其特征在于,所述无人机上设置多个移动光源,对镜场中不同区域的定日镜进行同步校正。
9.如权利要求6所述的一种利用无人机对定日镜进行夜间快速校正的系统,其特征在于,所述移动光源为点光源、线光源、点线结合光源、明暗交替光源、环形光源或蛇形光源。
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