CN102213588A - 光源检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光源检测方法及系统，通过光斑调制板的通孔接受入射光源，以于成像板上形成一个光斑，接着获取该光斑的图像并检测该光斑的光强分布区域，以将该光斑强度分区，以将该光斑图像与光强度分区传送至处理装置，最后令该处理装置对该光斑的图像与光强分区进行便是，以通过预设的算法计算出对应该光斑的光源位置信号与强度信息。根据此，把发明解决了原有技术中需要随阳光照射角度对应调整所设置光源接受/反射一起的位置和角度问题，因此增进使用者对入射光源位置更准确的判断与更高效的利用。

Description

光源检测方法及系统

【技术领域】

本发明涉及一种光源检测方法及系统，尤其是指一种用于测量入射的光源的位置与强度信息的方法及系统。

【背景技术】

随着环保概念的推广，诸如风能、水能、光能等绿色无公害能源的利用越来越受到人们重视，其中尤以光能最受瞩目。以太阳能为例，因为太阳能直至目前为止算是最为稳定的一种能源，且完全不会因使用而让能源逐渐消耗，可谓取的不尽、用的不竭，又因其环保、清洁的特性，因此获得世界广泛的认同。

而太阳光的高度角不仅随每日的时辰而产生变化，更会因季节不同而发生方位改变，现有检测光源的产品例如太阳光伏板，通常配置有入射光源检测功能，而大型的太阳能设备，更是具备四象限检测器(Quadrant Detector)以动态地对光源进行位置的检测以改变光源接收仪器的位置，以提高光源利用的效率。由于四象限检测器在工作时间内需要不断地对光源进行取样与扫描以判断光源的位置信息，进而控制光源接收仪器的位置和角度，在整个检测过程与检测方法是相当复杂而耗时，且取样的更新率不高，易使判断结果产生较大误差，因而无法有效地对于入射光源进行准确性判断。另一方面，相较于平行光的太阳光，目前尚缺乏对于非平行光的光源的进行检测方法。

因此，如何能提出一种光源检测方法及系统，可检测入射的平行光或非平行光的位置信息与强度信息，并能减少检测误差，实为目前亟需解决的问题。

【发明内容】

本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供一种光源检测方法及系统，用以测量入射的光源的位置与强度信息。

本发明的目的是这样实现的：一种光源检测系统，其特征在于：它包括

成像板，用以接收入射的光源；

光斑调制板，具有一通光孔，平行设置于该成像板的中心基准点的垂直法线上，用以通过该通光孔而接收该入射的光源，并于该成像板上形成一个光斑；

辐射检测装置，用以检测该光斑的光强度分区；

图像采集装置，用以获取该光斑的图像；

处理装置，用于对该光斑的光强度分区及该光斑的图像进行辨识，以通过预设的算法计算得出对应该光斑光源的位置与强度信息；

所述光斑调制板的通光孔上设有通光透镜，该通光透镜为凸透镜或凹透镜；

它还包括双倾角传感器，用于检测所述成像板的倾角值，并将该成像板的倾角值传送至所述处理装置进行该光斑的水平补偿计算；

它还包括电子罗盘，用于检测该成像板的方位值，并将该成像板的方位值传送至所述处理装置进行该光斑的水平补偿计算；

它还包括一全球定位信号接收装置，用于取得定位信号与高度信号，并将该定位与高度信号传送至该处理装置以补偿对应该光斑的光源的位置信息；

它还包括一无线通讯装置，用于发送该处理装置所产生的所述光源的位置信息与强度信息；

所述光源为太阳能光源，且所述处理装置用以计算所述太阳能光源的位置信息与该太阳能光源的辐射强度信息；

一种应用于如权利要求1所述光源检测系统的一种光源检测方法，它包括步骤

A)、通过光斑调制板的通光孔接收入射光源，以于成像板上形成一个光斑；

还包括将所述光斑调制板的通光孔垂直对应于所述成像板的位置设定为中心基准点，再由所述中心基准点向四边延伸一特定距离，且分别设定为东(E)、南(S)、西(W)及北(N)极值参照点的步骤；

A1)、将一通光透镜装设于所述光斑调制板的通光孔上；

A2)、通过所述通光透镜由所述光斑调制板的通光孔接收入射的非平行光源，以于所述成像板上形成一个渐层的光斑；

B)、获取所述光斑的图像并检测所述光斑的光强度分区，将光斑的图像与光强度分区传送至处理装置；

C)、使处理装置对所述光斑的图像与所述光斑的光强度分区进行辨识，以通过预设的算法计算出对应所述光斑的光源的位置信息与强度信息；

C1)、由处理装置对所述光斑的图像进行辨识，以取得光斑的图像点x；

C2)、根据所述光斑的图像点x，测量所述光斑的图像点x与所述中心基准点的线段长度c，并量测所述中心基准点到所述光斑调制板的长度e；

C3)、由东(E)、南(S)、西(W)及北(N)极值参照点中任选一者，以测量所述光斑的图像点x与所述所选择的极值参照点的线段长度b；

C4)、测量所述所选择的极值参照点与所述中心基准点间的线段长度值a；

C5)、利用方程式(a2+c2-b2)/2ac＝cosα计算所述光源的方位角度值α，并利用方程式arctan(c/e)＝β计算所述光源的高度角度值β。

所述光斑的图像点x为所述光斑的绝对中心点、强度中心点、强度最弱点、东(E)对应点、南(S)对应点、西(W)对应点、北(N)对应点或所述光斑的其他中心基准点。

利用一图像采集装置预先形成对应所述成像板的区域，以获取所述光斑位于所述区域的图像；

所述光源为平行光源或非平行光源；

所述通光透镜是为凸透镜或凹透镜，用以产生聚光或散光效果；

所述透镜是为凸透镜时，所述渐层的光斑的核心显影成聚光而外围为散光；

所述透镜是为凹透镜时，所述渐层的光斑的核心显影为散光而外围为聚光；

所述处理装置是为中央处理器或数字信号处理器。

本发明的有益效果在于通过利用本发明的光源检测系统与方法，对入射的平行光源或非平行光源进行的辨识与计算，以获得该光源的位置信息与强度信息，并能配合各种补偿参数修正因地形地势差异所造成光源检测设备的水平高度或角度不一致的情况，以缩小该入射光源的位置信息与强度信息的计算误差，提供使用者能更准确、更方便且更省成本的装设光源处理设备(如太阳光反射镜)，增加对光源的使用效率。

【附图说明】

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为本发明的光源检测系统的基本架构图

图2为本发明的光源检测系统寻找光源的高度角度值的示意图

图3为本发明的光源检测系统寻找光源的方位角度值的示意图

图4为本发明的光源检测系统的光斑测量原理示意图

图5为本发明的光源检测系统具体实施例的系统架构图

图6为本发明的光源检测方法的基本流程图

图7为本发明的光源检测方法具体实施例的流程图

附图中主要符号说明：1光源检测系统、10成像板、100中心基准点、101垂直法线、102光斑、103极值参照点、11光斑调制板、110通光孔、110a通光透镜、12图像采集装置、13处理装置、130辨识装置、131计算模组、14辐射检测装置、15双倾角传感器、16电子罗盘、17无线通讯装置、18全球定位信号接收装置、S60至S62步骤、S71至S74步骤

【具体实施方式】

如图1所示，本发明的光源检测系统1是应用于测量入射的光源的位置信息与强度信息的，该光源检测系统具有成像板10、光斑调制板11、图像采集装置12、处理装置13及辐射检测装置14。成像板10上具有一中心基准点，用以接收入射的光源。光斑调制板11上具有一通光孔，是平行设置于该成像板10的中心基准点的垂直法线上，用以通过该通光孔而接收该入射的光源，并于该成像板10上形成一个光斑。图像采集装置12用以获取该光斑的图像，且辐射检测装置14用以检测该光斑的光强度分区(即辐射量的分布区域)。处理装置13用以对该光斑的图像与光强度分区进行辨识，以通过预设的算法计算对应该光斑的光源的位置信息与强度信息。

于一较佳实施例中，本发明的光源检测系统1可应用于太阳能光源，且该处理装置13用以计算该太阳能光源的位置信息与该太阳能光源的辐射强度信息。

参见图2，该光斑调制板11的通光孔110用以接收平行光线，以于成像板上形成光斑102。接着，使图像采集装置(未图式)获取光斑102的图像，且使辐射检测装置检测该光斑102的辐射量，以将光斑102的图像与辐射量输入处理装置13进行计算。其光源的高度角度值的计算方式说明如下。

首先，于成像板10上定义一中心基准点100，接着，取得光斑102的图像点x，并根据该光斑102的图像点x，测量该光斑102的图像点x与该中心基准点100的线段长度c，再量测该绝对中心点x到该光斑调制板11的长度e，最后，利用arctan(c/e)计算出该光源的高度角度值β。

于一具体实施例中，该通光孔110上可设置通光透镜110a，且该通光透镜110a是为凸透镜或凹透镜的一者，以于接收非平行光源时产生聚光或散光效果。当非平行光源入射，于成像板10上会形成一个渐层光斑102，当该通光透镜110a是为凸透镜时，该光斑102的核心显影成聚光而外围为散光，当该通光透镜110a 是为凹透镜时，该光斑102的核心显影为散光而外围为聚光。

参见图3，在第2图中本发明的系统找出入射光源的高度角度值β，因此可得知该光源与该成像板10的倾角，然而，在以中心基准点100为中心、光斑102的图像点x的间距c为半径画一360度同心圆的四象限任一点中，皆可能求出复数个相同值的高度角度值β，为更精确定位该光源处于四象限中的所在位置，需求出该光源的方位角度值。配合第2图所示，在该光斑调制板11的通光孔110垂直对应于该成像板10的位置设有一中心基准点100，再将距离该中心基准点100一特定距离的四边分别设定东(E)、南(S)、西(W)及北(N)四个极值参照点103，以作为水平垂直定位用。任选一极值参照点(以北(N)极值参照点为例)，使该处理装置13计算该中心基准点100与北(N)极值参照点103的间距a、该光斑102的图像点x与该中心基准点100的间距c，及该光斑102的图像点x与北(N)极值参照点103的间距b，接着利用余弦定理方程式(a2+c2-b2)/2ac＝cosα，藉此计算出该光源的方位角度值α，并搭配高度角度值β确定该光源的位置信息。

如图3所示是该处理装置13对该光斑102的图像与光强度分区进行辨识时该光斑102的状态。由于该光斑102并非仅聚焦于一点中，细而观的，当通过该光斑调制板11的通光孔110接收该入射的光源，于该成像板10上形成一个光斑102。通过辐射检测装置14及/或图像采集装置12的扫描，使得光斑102于不同的区块显示不同的光强度，而光强度最高值的光强度分区就是光斑102的最中心点。如图所示，系统可撷取光斑102的绝对中心点x、强度中心点x1、强度最弱点x2、东(E)对应点x3、南(S)对应点x4、西(W)对应点x5、北(N)对应点x6或该光斑的其他中心基准点x7等。因此，若仅选定光斑102的任一点配合进行光源的方位角度值及高度角度值测量，可能使得测量值产生误差，若能撷取上述多个点进行光源的方位角度值及高度角度值计算，通过平均或加权计算的方式，可更精确地决定该光源的位置信息。

此外，根据该光斑102的图像范围内的渐层分布(辐射量分布)，得以判断该光斑102的图像的浓淡度，以确定光源的强弱与光源的倾斜角度。当该光斑102的图像的浓淡度越深，则光源的倾斜角度越小，该光源强度越强；该成形光斑102的图像的浓淡度越若浅，则光源的倾斜角度越大，该光源强度越弱。

再者，可藉由判断该光斑102的图像大小确定光源的强弱，该光斑102的图像越大则光源强度越弱；反的，该光斑102的图像越小则光源强度越强。如 图式中x1周围的颜色最深，显然此范围的光源强度较强，而x2是光斑的最外围且颜色最浅，因此相较于x1其光源强度较弱。

参见图5，在本实施例中，该处理装置13可为中央处理器，且具有辨识装置130及计算模组131，用以进行光斑102的图像与光强度分区的辨识及计算出对应该光斑102的光源位置信息与强度信息。本系统复包括双倾角传感器15、电子罗盘16、无线通讯装置17及全球定位信号接收装置18，是用以辅助处理装置13提高光源检测的精准度。

双倾角传感器15是检测该成像板的倾角值，而电子罗盘16是检测该成像板的方位值，以将该成像板的倾角值与方位值传送至该处理装置进行该光斑的水平补偿计算。具体实施时，因地形地势不同将使得架设本发明的系统时造成水平角度的误差(及光斑调制板及成像板与水平面的角度误差)。通过双倾角传感器15与电子罗盘16所计算出来的倾角值与方位值，藉此进行修正，以补偿成像板10得以保持在共同高度及平面的基准进行计算，确保该入射的光源位置信息与强度信息的测量精准度。

另外，于复数个光源检测系统设置于不同区域时，因各区域的地形地势高低起伏，造成复数个光源检测系统间产生高度落差和角度倾斜问题，通过全球定位信号接收装置18，以取得定位信号与高度信号，使复数个光源检测系统将上述信号利用无线通讯装置17传至一中央控制平台进行计算，以补偿因地形高度落差和角度倾斜所产生的误差。

参见图6，该光源检测方法是应用于具备成像板、光斑调制板与处理装置的系统。如图所示，首先，通过该光斑调制板的通光孔接收入射的光源，以于该成像板上形成一个光斑，接着进至步骤S61。

于该步骤S61中，获取该光斑的图像与光强度分区，以将该光斑的图像与光强度分区传送至处理装置，接着进至步骤S62。

于该步骤S62中，使该处理装置对该光斑的图像与光强度分区进行辨识，以通过预设的算法计算出对应该光斑的光源的位置信息与强度信息。

请参阅第7图，是本发明的光源检测方法一具体实施例的流程图。首先，由处理装置对该光斑的图像进行辨识，以取得光斑的图像点x与中心基准点，接着进至步骤S71。

于该步骤S71中，根据该光斑的图像点x，测量该光斑的图像点x与该中心基准点的线段长度c，并量测该光斑的图像点x到该光斑调制板的长度e，接着 进至步骤S72。

于该步骤S72中，由东(E)、南(S)、西(W)及北(N)极值参照点中任选一者，以测量该光斑的图像点x与该所选择的极值参照点的线段长度b，接着进至步骤S73。

于该步骤S73中，测量所选择的极值参照点与该中心基准点间的线段长度值a，接着进至步骤S74。

于该步骤S74中，利用余弦定理(a2+c2-b2)/2ac＝cosα计算该光源的方位角度值α，并利用反三角函数公式arctan(c/e)＝β计算该光源的高度角度值β。

以下以太阳角度为例将详细说明太阳高度角(α)与太阳方位角(as)的计算方式。太阳高度角(α)是太阳光线与水平面的夹角，而太阳方位角(as)是太阳光线在水平面上的投影与当地子午线的夹角，以正北爲零度。太阳高度角(α)与太阳方位角(as)与地理纬度、太阳直射地球时的位置(赤纬)以及时角有关。计算公式分别爲：

sinα＝sinL sinδs+cosLcosδs cos hs…………(1)

sin as＝cosδs sin hs/cos α…………(2)

其中，L爲地理纬度，δs爲赤纬，而hs爲时角。赤纬(δs)和时角(hs)赤纬是在赤道坐标是中，从天赤道起沿太阳的赤经圈到太阳的角距离，太阳在天赤道以北爲正，以南爲负，变化范围爲0～±23.44。计算公式爲：

δs＝23145sin(360°(284+N)/365…………(3)

其中，N爲日序，1月1日爲1，依此类推，12月31日爲365。时角描述太阳在24小时内的运动情况，以当地真太阳时正午爲零度，下午爲正，上午爲负，每一小时爲15度。计算公式即：

hs＝15*(h-12)…………(4)

接着讨论日长、日出时间(hsr)及日落时间(hss)。日出时间和日落时间的间的时间间隔爲日长，在日出和日落时刻太阳高度角爲0。即：

sinα＝0＝sinL sinδs+cosLcosδs cos hsr…………(5)

hsr＝cos-1(-tanLtanδs)…………(6)

hss＝-hsr…………(7)

通过上述计算方式，可找出太阳高度角(α)与太阳方位角(as)，藉以精确的定出太阳所在的方位。另外，当太阳光线垂直入射在大气上界时，其太阳辐射强度的计算公式爲：

I0＝S0(1+010344cos(360°N/365)(W/m-2)…………(8)

该计算公式考虑了在一年当中因太阳日地距离发生变化而导致大气上界的太阳辐射强度发生变化的情况。其中S0爲太阳辐射常数，是地球大气上界，垂直于太阳直射方向单位面积上的太阳辐射通量。该值有不同的取值方法，在较佳的运作模型中，可取值为1367W？m-2。通过太阳辐射强度的计算，搭配入射光源的位置信息，并有利于太阳能应用设备(如反光镜)的使用与调整。

综上所述，本发明通过光斑调制板、成像板与处理装置对该入射光源进行的辨识与计算，得出入射光源位置信息与强度信息，并配合高度参数、方位参数与角度参数修正因地形地势相异所造成的水平高度及角度的不一致，以缩小该入射光源的位置信息与强度信息的计算误差，除增进使用者对入射光源进行更准确判断外，更增加对光源的使用效率。

需要指出的是，本发明不限于上述实施方式，任何熟悉本专业的技术人员在基于本发明技术方案内对上述实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的保护范围内。

Claims (17)

1.一种光源检测系统，其特征在于：它包括

成像板，用以接收入射的光源；

光斑调制板，具有一通光孔，平行设置于该成像板的中心基准点的垂直法线上，用以通过该通光孔而接收该入射的光源，并于该成像板上形成一个光斑；

辐射检测装置，用以检测该光斑的光强度分区；

图像采集装置，用以获取该光斑的图像；

处理装置，用于对该光斑的光强度分区及该光斑的图像进行辨识，以通过预设的算法计算得出对应该光斑光源的位置与强度信息。

2.如权利要求1所述的光源检测系统，其特征在于：所述光斑调制板的通光孔上设有通光透镜，该通光透镜为凸透镜或凹透镜。

3.如权利要求1所述的光源检测系统，其特征在于：它还包括双倾角传感器，用于检测所述成像板的倾角值，并将该成像板的倾角值传送至所述处理装置进行该光斑的水平补偿计算。

4.如权利要求1所述的光源检测系统，其特征在于：它还包括电子罗盘，用于检测该成像板的方位值，并将该成像板的方位值传送至所述处理装置进行该光斑的水平补偿计算。

5.如权利要求1所述的光源检测系统，其特征在于：它还包括一全球定位信号接收装置，用于取得定位信号与高度信号，并将该定位与高度信号传送至该处理装置以补偿对应该光斑的光源的位置信息。

6.如权利要求1所述的光源检测系统，其特征在于：它还包括一无线通讯装置，用于发送该处理装置所产生的所述光源的位置信息与强度信息。

7.如权利要求1所述的光源检测系统，其特征在于：所述光源为太阳能光源，且所述处理装置用以计算所述太阳能光源的位置信息与该太阳能光源的辐射强度信息。

8.一种应用于如权利要求1所述光源检测系统的一种光源检测方法，其特征在于：包括步骤

A)、通过光斑调制板的通光孔接收入射光源，以于成像板上形成一个光斑；

B)、获取所述光斑的图像并检测所述光斑的光强度分区，将光斑的图像与光强度分区传送至处理装置；

C)、使处理装置对所述光斑的图像与所述光斑的光强度分区进行辨识，以通过预设的算法计算出对应所述光斑的光源的位置信息与强度信息。

9.如权利要求8所述的光源检测方法，其特征在于：所述光源为平行光源或非平行光源。

10.如权利要求8所述的光源检测方法，其特征在于：所述步骤A还包括：

A1)、将一通光透镜装设于所述光斑调制板的通光孔上；

A2)、通过所述通光透镜由所述光斑调制板的通光孔接收入射的非平行光源，以于所述成像板上形成一个渐层的光斑。

11.如权利要求10所述的光源检测方法，其特征在于：所述通光透镜是为凸透镜或凹透镜，用以产生聚光或散光效果。

12.如权利要求11所述的光源检测方法，其特征在于：所述透镜是为凸透镜时，所述渐层的光斑的核心显影成聚光而外围为散光；所述透镜是为凹透镜时，所述渐层的光斑的核心显影为散光而外围为聚光。

13.如权利要求8所述的光源检测方法，其特征在于：所述步骤A还包括，将所述光斑调制板的通光孔垂直对应于所述成像板的位置设定为中心基准点，再由所述中心基准点向四边延伸一特定距离，且分别设定为东(E)、南(S)、西(W)及北(N)极值参照点的步骤。

14.如权利要求8所述的光源检测方法，其特征在于：包括步骤，利用一图像采集装置预先形成对应所述成像板的区域，以获取所述光斑位于所述区域的图像。

15.如权利要求8所述的光源检测方法，其特征在于：所述处理装置是为中央处理器或数字信号处理器。

16.如权利要求8所述的光源检测方法，其特征在于：步骤C还包括：

C1)、由处理装置对所述光斑的图像进行辨识，以取得光斑的图像点x；

C2)、根据所述光斑的图像点x，测量所述光斑的图像点x与所述中心基准点的线段长度c，并量测所述中心基准点到所述光斑调制板的长度e；

C3)、由东(E)、南(S)、西(W)及北(N)极值参照点中任选一者，以测量所述光斑的图像点x与所述所选择的极值参照点的线段长度b；

C4)、测量所述所选择的极值参照点与所述中心基准点间的线段长度值a；

C5)、利用方程式(a2+c2-b2)/2ac＝cosα计算所述光源的方位角度值α，并利用方程式arctan(c/e)＝β计算所述光源的高度角度值β。

17.如权利要求16所述的光源检测方法，其特征在于：所述光斑的图像点x为所述光斑的绝对中心点、强度中心点、强度最弱点、东(E)对应点、南(S)对应点、西(W)对应点、北(N)对应点或所述光斑的其他中心基准点。

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