CN102216800B - 用于位置感测的传感器、系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述了各种用于估计三维空间中辐射源位置的系统和方法，以及用于该系统的传感器。在一些实施例中，该系统包括多个辐射传感器。利用在辐射检测器上投掷阴影的孔，估计辐射源相对于每个传感器的三维位置，其是入射辐射的入射角的函数。在一些实施例中，参考辐射强度与测量的辐射强度的比用于估计辐射源相对于传感器的方向。当估计辐射源相对于两个传感器的角位置时，基于两个传感器已知的相对位置，辐射源的三维位置可以三角定位。

Description

用于位置感测的传感器、系统和方法

技术领域

这里所述的实施例通常涉及利用角位置传感器和三角测量方法三维的检测辐射源位置的装置和附带的方法。

背景技术

许多工业，商业，科技，游戏和其他应用需要感测物体的二维和三维位置。存在许多估计物体位置的方法。但是，这些方法精度有限或成本很高，或者二者皆有。

需要一种用于检测物体位置的装置、系统和方法，其与已知方法相比，精度提高。 

发明内容

本发明的第一方面提供了一种传感器，用于估计辐射源相对于传感器的角方向。该传感器包括：参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的第一方向辐射强度信号；第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的第一方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻挡辐射到达第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及耦合至参考辐射检测器以及第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器的处理器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中第一入射角对应于第一方向辐射强度信号和参考辐射强度信号，第二入射角对应于第二方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。

另一方面提供了传感器，用于估计辐射源相对于传感器的角方向。该传感器包括：参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应 的参考辐射强度信号；第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的第一方向辐射强度信号；第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的第二方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻止辐射到达第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及耦合至参考辐射检测器和第一方向辐射检测器以及第二方向辐射检测器的处理器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中第一入射角对应于第一方向辐射强度信号和参考辐射强度信号，第二入射角对应于第二方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。

另一方面提供传感器，用于估计辐射源相对于传感器的角方向。该传感器包括：参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；一对第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的一对第一方向辐射强度信号；一对第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的一对第二方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻止辐射到达第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及耦合至参考辐射检测器和第一方向辐射检测器以及第二方向辐射检测器的处理器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中第一入射角对应于第一方向辐射强度信号和参考辐射强度信号，第二入射角对应于第二方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。

另一方面提供传感器，用于估计辐射源相对于传感器的角方向，该传感器包括：参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；一对方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的一对方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻止辐射到达第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及耦合至参考辐射检测器和方向辐射检测器的处理器，用于提供入射角，其中该入射角对应于方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。

另一方面提供传感器，用于估计辐射源相对于传感器的角方向。该传感器包括：像素阵列检测器，具有感应辐射的像素阵列；具有孔的光圈挡片，其中 该光圈挡片相对于像素阵列检测器布置，用于部分阻挡辐射到达像素阵列检测器；耦合至像素阵列检测器的处理器，用于接收辐射强度信息，该信息与入射到像素阵列检测器的像素上的辐射强度相关，其中该处理器适用于提供第一入射角和第二入射角，其中第一入射角对应于在第一方向具有相对高水平入射辐射的一个或多个像素的位置，第二入射角对应于在第二方向具有相对高水平入射辐射的一个或多个像素的位置。

另一方面提供用于估计三维空间中辐射源位置的系统。该系统包括：第一辐射传感器，用于从辐射源接收辐射，并提供第一对入射角，该对入射角与辐射源相对于第一辐射源的方向对应；第二辐射传感器，用于从辐射源接收辐射，并提供第二对入射角，该对入射角与辐射源相对于第二辐射源的方向对应；以及处理器，用于基于第一对入射角和第二对入射角，计算辐射源的估计位置。

在一些实施例中，处理器适于通过确定第一条线和第二条线之间的交叉点，计算辐射源的估计位置，其中第一条线通过第一对入射角和第一辐射传感器的位置限定，第二条线通过第二对入射角和第二辐射传感器限定。

在一些实施例中，处理器适于通过识别第一条线和第二条线之间最近点之间的线段计算辐射源的估计位置，其中第一条线通过第一对入射角和第一辐射传感器的位置限定，第二条线通过第二对入射角和第二辐射传感器限定。

在一些实施例中，处理器适于通过将线段平分，计算辐射源的估计位置。

在一些实施例中，第一传感器和第二传感器安装为彼此关系固定。

在一些实施例中，第一传感器和第二传感器可以彼此相对独立放置。

另一方面提供了一种估计辐射源位置的方法。该方法包括：在三维空间定位第一传感器和第二传感器，其中第一传感器和第二传感器通过传感器间隔距离分隔；计算对应于第一传感器位置和辐射源位置的第一条线；计算对应于第二传感器位置和辐射源位置的第二条线；以及基于第一条线和第二条线计算辐射源的估计位置。

在一些实施例中，该方法包括通过识别第一条线和第二条线之间的交叉点，估计辐射源的位置。

在一些实施例中，该方法包括通过识别在第一条线和第二条线上最近点之间的线段，估计辐射源的位置。

在一些实施例中，该方法包括利用将线段平分，估计辐射源的位置。

本发明的这些和其他方面将在下面进一步描述。

附图说明

下面通过示例，参照附图，进一步详细描述实施例，其中：

图1a是根据本发明的第一传感器的顶视图；

图1b和1c是图1a的传感器的侧视图；

图2a是根据本发明另一传感器的顶视图；

图2a和2b是图2a的传感器的侧视图；

图3是三维光学位置感测系统的顶视图；

图4是另一三维光学位置感测系统的顶视图；

图5示意了利用三维光学位置感测系统估计辐射源的位置；

图6是使用三维光学位置感测系统估计辐射源位置的另一示意；

图7是用于估计三维空间中物体位置的方法的流程图；

图8是根据本发明的另一传感器的顶视图；以及

图9是根据本发明的另一传感器的顶视图。

附图仅用于示意，并不是按尺寸绘制。

具体实施方式

这里所述的示例性实施例提供了涉及光学传感器系统和方法的细节，其中该系统和方法用于确定辐射源相对于一个或多个传感器位置的位置。辐射源可能以可见光谱辐射，也可能以其他光谱辐射，例如紫外或红外光谱辐射。光学传感器包括固态辐射检测器。辐射源可以是产生辐射的有源辐射源，例如灯泡，LED或其他辐射发光元件。辐射源可以是反射另一个源或另外多个源辐射的无源辐射源。在本发明的保护范围内，光学传感器的其他实现方式和结构也是可 以的。这里所述的实施例仅用于示例。

现在参照图1a-1c，其中该图1a-1c示意了第一示例光学传感器100。辐射源110相对于传感器100定位，使得辐射源110的辐射入射到传感器100。

传感器100包括参考辐射源102，第一方向辐射检测器104，第二方向辐射检测器106，光圈挡片108，安装基底112和处理器120。

安装基底112基本与x-y平面平行。参考检测器102，第一方向检测器104和第二方向检测器106安装在安装基底112上。光圈挡片108在垂直于x-y平面的z维上位于检测器102-106和辐射源110之间。光圈挡片也可以称为辐射中断或辐射阻块。

照射在传感器100上来自辐射源110的入射辐射在相对于x轴为入射角θ处影响第一方向辐射检测器104，在相对于y轴为入射角φ处影响第二方向辐射检测器106。成对的入射角(θ，φ)限定了辐射源110相对于传感器100的角位置。

传感器100利用参考检测器102和光圈挡片108、并结合第一和第二方向辐射检测器104，106估计成对的入射角(θ，φ)。光圈挡片108相对于第一和第二方向辐射检测器104，106布置在高度H。放置光圈挡片108，使得其覆盖在第一和第二位置检测器104，106的上面。在该示例中，第一和第二方向检测器104，106安装在安装基底112上，使得光圈挡片108的边缘大约和每个方向检测器104，106的中心线对齐。参考检测器102安装在安装基底112上，使得在参考检测器102和光圈挡片108之间不会出现重叠(在x或y维)。可以以任何恰当的材料构造安装基底102，以支撑检测器102，104和106。检测器102，104和106从电源(未示出)接收电能，并向处理器120提供电子信号。在一些实施例中，安装基底102可以是半导体材料，例如印刷电路板(PCB)，该印刷电路板包括导体，以将检测器耦合至电源和处理器120。可选地，光圈挡片108可以安装在安装基底112，或其安装在另一支撑物上，该支撑物将其保持在相对于检测器102，104和106固定的位置上。

在该实施例中，参考检测器102，和方向检测器104，106由例如固态辐射 检测器实现。也可以使用其他类型的辐射检测器。例如，由恰当的不透明材料构造光圈挡片108，使得来自辐射源110的入射辐射基本被吸收或反射。传感器100的其他实现方式也是可以的。

当来自辐射源110的入射辐射照射在传感器100上时，参考检测器102将完全曝光于入射的辐射。由参考检测器102检测的辐射强度形成参考辐射强度，其是测量辐射源110和环境条件辐射的度量。相反，第一和第二方向辐射检测器104，106通过覆盖在其上面的光圈挡片108，没有完全曝光于入射的辐射，这样接收的来自辐射源110的入射辐射的强度，该强度通常不等于曝光的参考检测器102接收的强度。由位置传感器104，106接收的相对于参考检测器102不同的辐射强度，可以用于估计辐射源110相对于传感器100的角位置。

图1b示出了在相对于x轴的入射角θ处，照射在第一方向辐射检测器104上的入射辐射。尺寸s₁从检测器的中心线114起限定了第一方向检测器104的一部分，该部分位于光圈挡片108产生的阴影下。类似的，相对于中心线114，尺寸d₁限定了第一方向检测器104的一部分，该部分曝光于辐射源110的入射辐射。对于正入射角θ来说，中心线114另一侧的位置传感器的一部分也覆盖在阴影下。尺寸s₁和d₁与第一方向检测器102的宽度D相关，其中

$s_1=\frac{D}{2}-d_1$ (方程1)

对于大约90度的入射角来说，方向检测器102的大约一半覆盖在阴影下(即s₁大约等于零)。一般来说，辐射源110的入射角θ与尺寸s₁和高度H相关，其中

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{H}{s_1}$ (方程2)

参考检测器102和方向检测器104耦合至处理器120。参考检测器102和方向检测器104提供辐射强度信号f，其通常与各个检测器感测的辐射强度成比例。处理器120适于利用这些辐射强度信号估计辐射源110相对于传感器100的位置。

参考检测器102提供基线强度信号f_m，其他辐射强度水平都与其相比。例如，检测器104通过其上由光圈挡片108覆盖，仅有部分曝光于辐射源110。辐射线128示意了检测器104的照射区域和阴影区域之间的边界处的辐射线。辐射线128由虚线不完全示意，以指示典型地，辐射源110与传感器100的距离和传感器的尺寸相比，要远很多。典型地，辐射源和传感器之间的距离比传感器的尺寸大一个或多个数量级。

辐射检测器104提供辐射强度信号f₁，其中通常f₁＜f_m。辐射强度f₁与参考辐射强度f_m的比提供了阴影区域S和曝光区域d₁的比的度量，并设定为：

$\frac{f_1}{f_m}=\mathrm{\α}\frac{d_1}{D}+\mathrm{\β}$ (方程3)

其中α构造了增益因数的模型，β构造了通过参考检测器102和第一方向检测器104的实际实现引入的偏移因数的模型。在一些实现方式中，增益因数α可以约等于1，偏移因数β可以约等于0。在实际实现中，辐射检测器典型地显示偏移和非线性，它们由这些校正因数构造模型。偏移因数β可以用于补偿环境辐射。

在本发明的各种实施例中，α，β和其他校正参数可以用于构造传感器运行特性的模型。例如，在传感器100中，检测器102，104和106是方形，其中宽度和长度为D。在其他实施例中，传感器可以是不同的形状。传感器102，104和106没有必要是相同的传感器。在各种实施例中，不同的传感器用于参考传感器和方向传感器，在其他实施例中，不同方向传感器可以是不同的。附加的校正因数可以用于缩减或调整各个传感器的输出以允许估计辐射源的方向。

回到该示例性实施例，将方程1，2和3组合产生辐射源110的入射角θ的完整表达式，并设定为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{H}{\frac{D}{2}-(\frac{f_1}{f_m}-\mathrm{\β})\frac{D}{\mathrm{\α}}}\right)$ (方程4)

宽度D和高度H是已知的参数，而增益因数α和偏移因数β如果需要使用，可以通过实验确定。基于参考检测器102和第一方向检测器104的输出信号，计算f₁和f_m的比。

参照图1c，辐射检测器106由辐射源部分照射到距离其中心线116的距离S₂处。如图1c所示，辐射源110相对于y轴的入射角φ设定为：

$\mathrm{\φ}={\tan }^{-1}\left(\frac{H}{\frac{D}{2}-(\frac{f_2}{f_m}-\mathrm{\β})\frac{D}{\mathrm{\α}}}\right)$ (方程5)

其中f₂是由第二方向检测器106提供的辐射强度信号。在该示例中，入射角φ是负角度。

辐射源110的成对入射角(θ，φ)是辐射源110相对于传感器100的方向的估计值。

处理器120适于接收辐射强度信号f_m，f₁和f₂，并计算成对的入射角(θ，φ)。处理器120可以实现上述给出的数学式，或者可以实现相应的计算，在某些情况下，可以利用数学技术，其中该数学技术可以提供公式的结果的估计值。例如，处理器可以使用查询表，小角度近似以及其他工具估计成对的入射角。在一些利用传感器100的系统中，可以不必直接计算角度θ和φ。例如，在一些系统中，可以不计算角本身，而使用tan(θ)和tan(φ)的值。在这种情况下，处理器适于计算这些值，而不计算角度。

在该实施例中，处理器120是微处理器，并适于执行超出这里所述的附加的功能。术语“处理器”不限于任何特殊类型的数据处理或计算元件。在各种实施例中，处理器可以是微控制器，微处理器，例如浮点门阵列的可编程逻辑控制器，或者任意其他恰当的能够计算的设备。处理器可以和附加的元件，例如电源，数据存储元件，输入/输出设备和其他设备结合使用。

当辐射源110穿过检测器104和106各自的中心线114和116时，光圈挡 片108选择性地适用于降低光圈挡片投射在检测器104和106上的阴影长度的非线性。在该实施例中，光圈挡片108的边缘呈斜面，以降低光圈挡片108的厚度对阴影的影响。在其他实施例中，光圈挡片的边缘可以成圆形。在其他实施例中，光圈挡片可以附加地或者替代地由很薄的材料制造，以降低对阴影的影响。在一些实施例中，处理器102适用于补偿由光圈挡片投射的阴影位置处的非线性。例如，该非线性可以被建模成处理器使用的公式或查询表，用来估计成对的入射角(θ，φ)。

现在参照图2a-2c，其示出了根据本发明的另一传感器200。传感器200的一些元件与传感器100的元件相似，对应的元件采用相似的附图标记识别。图2a是传感器200在x-y平面上的顶视图。图2b示出了传感器200在x-z平面上的截面图，而图2c同样示出了检测器200在相应的y-z平面的截面图。检测器200包括像素阵列检测器202，光圈挡片208，安装基底212和处理器220。

光圈挡片208安装在相对于检测器202的高度H处，并且定位于此，以在x和y方向覆盖在检测器202上。光圈挡片208的挡片具有孔206，在该实施例中，其位于检测器202上方的中心处。光圈挡片208通常与检测器202平行。

辐射源210照射到检测器200上的一部分入射辐射穿过孔206，并以相对于x轴的入射角θ，相对于y轴的入射角φ影响检测器202。成对的入射角(θ，φ)限定了辐射源210相对于检测器200的角位置。像素阵列检测器202具有与x轴平行的成行布置，且与y轴平行成列布置的感应辐射的像素阵列。

在该实施例中，孔206是圆形的。在其他实施例中，该孔具有另一形状。例如，孔可以是方形或矩形，其边缘通常平行于x和y轴。该孔可以是方形，其边缘与x和y轴成一定角度(例如45度)。也可以使用其他形状。

在各种实施例中，像素阵列检测器可以是CCD检测器，CMOS检测器或其他类型感应辐射的检测器。处理器220耦合至像素阵列检测器，以周期性地确定哪些像素被辐射源210照射。这可以通过多种方式完成。例如，检测器202适用于输出数据流，用于顺序指示每个像素的照射强度；处理器220适用于询问检测器202以获得检测器202中每个像素或一些像素的照射强度。

当辐射源210的入射辐射照射检测器202时，曝光于辐射的像素将具有高照射强度，而位于光圈挡片208投射的阴影下的像素具有低照射强度。具有高照射强度的像素位置可以用于估计成对的入射角(θ，φ)。

图2b示出了在相对于x轴的入射角θ处，照射检测器202的入射辐射。检测器202成行的像素范围s₁由入射辐射通过孔206照射。构造处理器220以识别成行像素，该成行像素具有最大范围的被照射像素，其典型地对应于平行于x轴的孔202的直径。处理器220识别出位于或者靠近识别的行内像素范围s₁的中心的中心x维像素p₁。像素p₁与参考点222间隔距离d₁。可以基于检测器202像素的尺寸和布置，确定距离d₁，或者利用查询表或其他方法确定对应于像素p₁的距离d₁。在该示例中，参考点222在检测器202的边缘。在其他实施例中，参考点可以在检测器202表面的x-y平面的另一位置。

当辐射源210直接位于传感器200上方时，照射像素范围S_c，中心像素P_c位于或靠近像素范围S_c的中心。像素P_c与参考点222间隔距离为D_c。

入射角θ可以按照下述计算：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{d_1-D_c}{H}\right)$

典型地，在处理器220中记录D_c和H的值。随着辐射源210相对于传感器200移动，处理器220从检测器202重复获得像素照射信息，并识别中心像素p₁，以及估计角θ。

和处理器120一样，处理器220适用于实现上述的公式，或者实现对应的计算，或者利用其它的方法估计角θ。

参照图2c，辐射源210照射像素范围s₂，其中像素范围s₂是检测器202的平行于y轴的成列像素。基于像素范围s₂的中心像素p₂确定距离d₂，并按照下述计算入射角φ：

$\mathrm{\φ}={\tan }^{-1}\left(\frac{d_2-D_c}{H}\right)$

成对的入射角(θ，φ)提供了照射源210相对于传感器200位置的方向 的估计值。

在图2a和2b中，示出了来自辐射源210且穿过孔206的辐射，该辐射具有平行的边缘。典型地，大多数辐射源的辐射输出会分叉。在大多数实施例中，忽略辐射的分叉。例如，在许多实施例中，辐射源210和光圈挡片208之间的距离基本超过了光圈挡片208和传感器202之间的距离好几个数量级或更多，与辐射到达传感器202的范围相比，分叉可以忽略。在一些实施例中，处理器220可以选择性地利用各种算术和计算操作补偿辐射的分叉。

现在参照图3，其示出了三维光学位置感测系统300。系统300包括两个传感器332，334。每个传感器与传感器100(图1a)类似。在该实施例中，两个传感器共用公共的光圈挡片308，在该光圈挡片中形成用于每一个单独传感器的孔。传感器332和334也共用公共的安装基底312，其将传感器彼此保持在固定的位置。传感器332和334也共用处理器320，该处理器与每个传感器中的每个检测器通信。

传感器332，334沿着x轴放置，并由距离W分隔。处理器320是每个传感器332，334的一部分，用于根据成对的入射角(θ，φ)确定辐射源的角位置。例如，传感器332确定了估计的成对的入射角(θ₁，φ₁)，而传感器334确定了估计的成对的入射角(θ₂，φ₂)。每个估计的成对的入射角(θ，φ)限定了辐射源310相对于各个传感器332或334的方向。

接下来参照图4，示出了另一个三维光学位置感测系统400。系统400具有一对与传感器200(图2)类似的传感器432和434。在该实施例中，传感器432和434共用共同的处理器420。处理器420耦合至传感器中每个像素阵列检测器。在该实施例中，处理器420，和传感器432的检测器402一样，安装在传感器402的基底412上，并通过安装基底中的导体与该检测器通信。处理器420通过电线436与传感器434的检测器通信。在其他实施例中，处理器420可以通过无线通信系统与传感器434通信。

传感器432和434具有独立的安装基底(图4中未示出)和光圈挡片408，以允许它们独立移动，并通过可变距离W分隔开。替换地，传感器432和434 可以安装至公共的安装基底，该基底将它们彼此保持在固定位置。

简要参照图3，传感器332和334可以替换地安装在独立的安装基底上，并具有独立的光圈挡片，以允许它们彼此独立移动。它们继续共用处理器，该处理器通过电线或无线耦合至一个或两个传感器中的检测器。

现在参照图5，其示出了利用多个传感器估计辐射源510在三维空间中的位置，其中利用了一对传感器532和534。在三维空间以三角形定位物体的位置至少需要两个参考点A，B和两条线542，544，其中参考点A，B确定了第三个线段。图5是传感器532，534和辐射源510布置的顶视图。线542和544通过三维空间中它们各自的传感器延伸，其并不一定共面。

图5中的参考点A是传感器532的位置。参考点B是传感器534的位置。传感器532计算第一对入射角(θ₁，φ₁)，其用于估计辐射源510相对于传感器532的方向。成对的入射角(θ₁，φ₁)示出在线542处。类似地，传感器534计算第二对入射角(θ₂，φ₂)，其对应于线544，用作估计辐射源相对于传感器534的方向。传感器532和534共用处理器，该处理器适用于找到线542和544的交叉点548，该点548是辐射源510的位置的估计值。线542和544仅在实际中用于估计辐射源相对于每个传感器的方向，相应地，其在某些情况下会不相交。

接下来参照图6，其中示出了一种用于估计位置的更实际的方法，该方法利用了一对传感器632和634。线642和644分别估计辐射源610相对于每个传感器632和634的方向。处理器620耦合至每个传感器，以用源自传感器632和634的成对入射角的形式估计线642和644。线642和644在三维空间中延伸。利用标准数学技术，可以计算线段646，其终止于线642和644上最近的点。处理器620被编程以计算线642和644之间的该最短的线段646。处理器620将线段646平分，以计算点648，该点648是辐射源610的位置的估计值。

接下来参照图7，其示出了在处理器620中实现的用于计算点648的方法700。

方法700从步骤702开始，在该步骤中，一对传感器放置在三维空间中。 该对传感器可以是任意类型的传感器，其能够估计辐射源相对于每个传感器的方向。例如，两个传感器是传感器332和334(图3)，或者传感器432和434(图4)，或者传感器532和534(图5)，或者传感器632和634(图6)。该方法剩余部分可以解释为参照图6的示例，虽然该方法可以使用任意恰当的传感器。将传感器定位，使得辐射源(例如辐射源)位于每个传感器的视野内，它们之间的距离为W。

方法700前进至步骤704，在该步骤中，根据第一参考点和在三维空间中限定角位置的第一对入射角(θ，φ)计算第一条线。例如，第一条线段是线642，其在传感器632的位置具有参考点，并沿着由第一对入射角(θ₁，φ₁)限定的方向延伸。

方法700前进至步骤706，在该步骤中，根据第二参考点计算第二条线，并计算第二对入射角(θ，φ)。在该示例中，第二参考点是传感器634的位置，第二条线是线644，该线644从传感器634沿着由第二对入射角(θ₂，φ₂)限定的方向延伸。

方法700前进至步骤708，在该步骤中，计算连接第一和第二条线之间两个最近的点的线段。在图6中，线642和644上最近的点是点652和654。这些点被认为是线642和644之间最短的线段的端点。假如线642和644交叉(即最短的线段的长度是零)，那么交叉点被认为是点648，方法结束。

如果线642和644不交叉，方法700前进至步骤710，在该步骤，线段644被平分，以找到点648，方法结束。

点648是辐射源610在其定位的三维空间中的位置的估计值。

接下来参照图8，其示出了根据本发明的另一示例性传感器800。传感器800在各个方面与传感器100相似，相似的元件采用相似的附图标记标识。

传感器800包括参考辐射检测器802，一对第一方向辐射检测器804a和804b，一对第二方向辐射检测器806a和806b，光圈挡片608，安装基底812和处理器820。

安装基底基本与x-y平面平行。参考检测器802，第一方向检测器804和第 二方向检测器806安装在安装基底上。光圈挡片808在z维度，位于检测器802，804，806和辐射源810之间，其中z维度垂直于x-y平面。

光圈挡片808在其中形成方形孔824，并且检测器802，804a和804c相对于孔824定位，使得它们以和传感器100(图1)的检测器802，804和806相同的方式被辐射源810照射。孔808的边缘826与检测器804b的y方向的中心线对齐，使得检测器804a和804b典型地以相似的方式被辐射源810照射。检测器604a和604b之间的距离会导致辐射源810的辐射以稍微不同的角度到达检测器804a和804b。典型地，传感器800的尺寸显著小于辐射源和传感器800之间的距离，该很小的差别可忽略。在一些实施例中，该差别可以由处理器820补偿。

处理器820通过安装基底812内的导体耦合至每个检测器。处理器820从检测器804a和804b接收一对辐射强度信号f_1a和f_1b。处理器820将两个辐射强度信号平均，以计算平均辐射强度f₁，其用于估计角θ(图8未示出)，在该角度处，如针对传感器100(图1)所描述的，辐射源810的辐射相对于x维度照射传感器800。

类似地，处理器820从检测器802接收一对辐射强度信号f_2a和f_2b，其被平均并与检测器802的参考强度信号f_m组合，以估计角φ(图1未示出)，其中在角φ处，辐射源810的辐射相对于y维度照射传感器800。

成对的入射角(θ，φ)共同形成辐射源810相对于传感器800的角度估计值。

在该示例中，第一方向辐射检测器804a和804b与参考辐射检测器802距离相等，类似地，第二方向辐射检测器806a和806b与参考辐射检测器802距离相等。在其他实施例中，一对方向辐射检测器可以和参考辐射检测器的距离不相等。可选地，在该实施例中，处理器可以向从两个方向辐射检测器接收的辐射强度信号施加差分权重(而不是简单地将辐射强度信号平均)，以补偿方向辐射检测器和参考辐射检测器之间的不同的距离。

接下来参照图9，其示出了基于传感器800的唯一的方向传感器900。两个 传感器相应的元件采用相似的附图标记标识。传感器900具有参考辐射检测器902和唯一的一对方向辐射检测器904a和904b。辐射检测器904a和904b以和辐射检测器804a和804b(图8)相同的方式运行，以向处理器920提供一对辐射强度信号f1a和f1b。处理器920将f_1a和f_1b平均，并将平均的辐射强度f₁和检测器902的参考辐射强度信号f_m比较，以提供信号入射角θ，该入射角是辐射源910相对于传感器900在一维上的方向的估计值。传感器900可以用在实施例中，即需要在一个角维度中估计辐射源的位置。

已经描述了本发明的各种示例。这些示例不限制本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种传感器，用于估计辐射源相对于所述传感器的角方向，所述传感器包括：

参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；

第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的第一方向辐射强度信号；

第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的第二方向辐射强度信号；

辐射中断，用于部分阻止辐射到达所述第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及

耦合至所述参考辐射检测器以及第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器的处理器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中所述第一入射角对应于第一方向辐射强度信号和参考辐射强度信号，所述第二入射角对应于第二方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。

2.一种传感器，用于估计辐射源相对于所述传感器的角方向，所述传感器包括：

参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；

一对第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的一对第一方向辐射强度信号；

一对第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的一对第二方向辐射强度信号；

辐射中断，用于部分阻止辐射到达所述第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及

耦合至所述参考辐射检测器以及所述第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器的处理器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中所述第一入射角对应于第一方向辐射强度信号和参考辐射强度信号，所述第二入射角对应于第二方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。

3.一种传感器，用于估计辐射源相对于所述传感器的角方向，所述传感器包括：

参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；

一对方向辐射检测器，用于提供与入射到方向辐射检测器的每一个的辐射强度对应的一对方向辐射强度信号；

辐射中断，用于部分阻止辐射到达方向辐射检测器；以及

耦合至所述参考辐射检测器以及方向辐射检测器的处理器，用于提供入射角，其中所述入射角对应于所述一对方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。

4.一种传感器，用于估计辐射源相对于所述传感器的角方向，所述传感器包括：

像素阵列检测器，具有感应辐射的像素阵列；

具有孔的光圈挡片，其中所述光圈挡片相对于像素阵列检测器布置，用于部分阻挡辐射到达所述像素阵列检测器；以及

耦合至所述像素阵列检测器的处理器，用于接收辐射强度信息，所述辐射强度信息与入射到所述像素阵列检测器的像素上的辐射强度相关，其中所述处理器适用于提供第一入射角和第二入射角，其中所述第一入射角对应于在第一方向具有相对高水平入射辐射的一个或多个像素的位置，所述第二入射角对应于在第二方向具有相对高水平入射辐射的一个或多个像素的位置。

5.一种用于估计三维空间中辐射源位置的系统，所述系统包括：

第一辐射传感器，用于从辐射源接收辐射，并提供第一对入射角，所述第一对入射角对应于辐射源相对于第一辐射传感器的方向，其中该第一辐射传感器包括：

第一参考辐射检测器，用于提供与入射到第一参考辐射检测器的辐射强度对应的第一参考辐射强度信号；

第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的第一方向辐射强度信号；

第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的第二方向辐射强度信号；

第一辐射中断，用于部分阻止辐射到达所述第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及

第二辐射传感器，用于从辐射源接收辐射，并提供第二对入射角，所述第二对入射角对应于辐射源相对于第二辐射传感器的方向，其中该第二辐射传感器包括：

第二参考辐射检测器，用于提供与入射到第二参考辐射检测器的辐射强度对应的第二参考辐射强度信号；

第三方向辐射检测器，用于提供与入射到第三方向辐射检测器的辐射强度对应的第三方向辐射强度信号；

第四方向辐射检测器，用于提供与入射到第四方向辐射检测器的辐射强度对应的第四方向辐射强度信号；

第二辐射中断，用于部分阻止辐射到达所述第三方向辐射检测器和第四方向辐射检测器；以及

处理器，用于基于第一对入射角和第二对入射角，计算辐射源的估计位置，其中：

处理器耦合至所述第一参考辐射检测器以及第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中所述第一入射角对应于第一方向辐射强度信号和第一参考辐射强度信号，所述第二入射角对应于第二方向辐射强度信号和第一参考辐射强度信号；并且第一入射角和第二入射角形成第一对入射角；

处理器耦合至所述第二参考辐射检测器以及第三方向辐射检测器和第四方向辐射检测器，用于提供第三入射角和第四入射角，其中所述第三入射角对应于第三方向辐射强度信号和第二参考辐射强度信号，所述第四入射角对应于第四方向辐射强度信号和第二参考辐射强度信号；并且第三入射角和第四入射角形成第二对入射角。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述处理器适于通过确定第一条线和第二条线之间的交叉点，计算辐射源的估计位置，其中所述第一条线通过所述第一对入射角和第一辐射传感器的位置限定，所述第二条线通过所述第二对入射角和第二辐射传感器限定。

7.如权利要求5所述的系统，其中所述处理器适于通过识别第一条线和第二条线之间最近点之间的线段计算辐射源的估计位置，其中所述第一条线通过第一辐射传感器的位置和所述第一对入射角限定，所述第二条线通过所述第二对入射角和第二辐射传感器限定。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述处理器适于通过将所述线段平分，计算辐射源的估计位置。

9.如权利要求5至8中任一项所述的系统，其中所述第一辐射传感器和第二辐射传感器安装为彼此关系固定。

10.如权利要求5至8中任一项所述的系统，其中所述第一辐射传感器和第二辐射传感器可以彼此相对独立放置。

11.一种估计辐射源位置的方法，包括：

在三维空间定位第一辐射传感器和第二辐射传感器，其中所述第一辐射传感器和第二辐射传感器通过传感器间隔距离分隔，所述第一辐射传感器包括第一方向辐射检测器、第二方向辐射检测器和第一辐射中断，所述第一辐射中断用于部分阻止辐射到达所述第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器，所述第二辐射传感器包括第三方向辐射检测器、第四方向辐射检测器和第二辐射中断，所述第二辐射中断用于部分阻止辐射到达所述第三方向辐射检测器和第四方向辐射检测器；

通过计算第一对入射角计算对应于第一辐射传感器位置和辐射源位置的第一条线，所述第一对入射角对应于辐射源相对于第一辐射传感器的方向，其中所述第一条线由第一对入射角和第一辐射传感器的位置限定；

通过计算第二对入射角计算对应于第二辐射传感器位置和辐射源位置的第二条线，所述第二对入射角对应于辐射源相对于第二辐射传感器的方向，其中所述第二条线由第二对入射角和第二辐射传感器的位置限定；

基于第一条线和第二条线计算辐射源的估计位置。

12.如权利要求11所述的方法，其中通过识别所述第一条线和第二条线之间的交叉点，估计辐射源的位置。

13.如权利要求11所述的方法，其中通过识别在所述第一条线和第二条线上最近点之间的线段，估计辐射源的位置。

14.如权利要求13所述的方法，其中利用将所述线段平分，估计辐射源的位置。