CN105823439A - 基于方形光斑的四象限探测器及其测角方法 - Google Patents

Abstract

发明了一种基于方形光斑的四象限探测器及其测角方法，其外壳是一个矩形盒子，其上、下底面为正方形。上底面中心开有正方形的光束入口，其各边分别与上底面的各边平行；下底面内侧安装用于信号采集和放大的电路板，电路板上方安装由“十”字形分割线分开的四个正方形光伏探测器件。光束从光束入口进入后在四象限探测器光敏面上形成光斑。落在各个象限中的光经光伏探测器件的光电转换变为电流，再经放大电路放大之后送采样电路，通过测量采样电路输出电流可以确定光斑落在四个象限中的面积，并由此计算出入射光束的方位角和俯仰角。

Description

基于方形光斑的四象限探测器及其测角方法

技术领域

本发明涉及一种基于方形光斑的四象限探测器及其测角方法

背景技术

在全球能源短缺的形势下，寻找新的能源是人类面临的重要挑战。太阳能光热发电作为一种清洁的可再生能源，在当今社会受到了越来越多的关注。太阳能光热发电是一种可集中规模化发电的清洁能源利用方式，它将太阳的直射光聚集，使水或其他介质加热转化为热能，经传统的热力循环过程最终将热能转化成电能。与光伏发电相比，光热发电最大的优势在于并网友好、储热连续、发电稳定，因此最有条件逐步替代火电发电，成为一种获取清洁能源的途径。

太阳光聚集是通过反射镜实现的，在此过程中首先需要测量太阳的方位角和俯仰角，然后根据集热器的位置调整反射镜，使太阳光反射到集热器上。测量太阳的方位角和俯仰角有很多方法，其中比较简单的一种方法就是四象限探测器测量方法。四象限探测器是以光导模式进行工作的一种光伏探测器件。它利用集成电路光刻技术将一个探测器件的光敏面窗口分割成4个面积相等、形状相同、位置对称、性能参数基本一致的扇形探测区域，当入射光斑落在四象限探测器光敏面的不同位置时，四个象限输出比例不同的电信号，通过对输出电信号进行数据处理，可以得到入射光束相对于四象限探测器横向和纵向象限分割线的偏转角度，并进一步求出相对于横向象限分割线和光敏面的方位角和俯仰角。四象限探测器探测精度高，响应时间短，广泛应用于光电探测等领域。但需要指出的是这里所说的“探测精度高”是指和其它探测器相比而言，其实它的测量方法还是存在一定误差的。申请人在《四象限探测器测角新算法》一文中对四象限探测器原来的测角算法进行了改进，提出一种精度更高的测角方法，但由于没有解析的测角公式，所测角度只能通过迭代近似计算，因此不仅存在误差，角度的计算也比较烦琐。导致这些问题的根本原因在于四象限探测器针对的是光电探测领域中最常见的圆形光斑。四象限探测器还有另外两个缺点，其一是不能直接求出入射光束的方位角和俯仰角，而只能通过求出入射光束相对于四象限探测器横向和纵向象限分割线的偏转角度，间接地求出入射光束的方位角和俯仰角；其二是测角算法中以偏转角度代替偏转角度的正弦，因此只能适用于偏转角度较小的情形。

发明内容

鉴于四象限探测器存在的上述缺陷，并考虑到测量太阳的方位角和俯仰角时可以采集一束横截面为正方形的光束，发明了一种方形四象限探测器，其外壳是一个矩形盒子，其上、下底面为正方形。上底面中心开有正方形的光束入口，其各边分别与上底面的各边平行；下底面内侧安装用于信号采集和放大的电路板，电路板上方安装由“十”字形分割线分开的四个正方形光伏探测器件。

光束从光束入口进入后在四象限探测器光敏面上形成光斑。落在各个象限中的光经光伏探测器件的光电转换变为电流，再经放大电路放大之后送采样电路，采样电路输出电流的大小与光斑落在各个象限中的面积成正比，通过测量输出电流就可以确定光斑落在四个象限中的面积s₁，s₂，s₃和s₄.

建立以光敏面为xy平面、以两条分割线与光敏面的交线分别为x轴和y轴、以上、下底面中心的连线为z轴的直角坐标系。以h表示上底面与光敏面之间的距离，2a表示光束入口的边长，α和β分别表示入射光束的方位角和俯仰角，则

1)若s₁＝s₂，s₁＝s₄，则并规定

2)若s₁＝s₂，s₁＞s₄，则

3)若s₁＝s₂，s₁＜s₄，则

4)若s₁＞s₂，s₁＝s₄，则α＝π，

5)若s₁＜s₂，s₁＝s₄，则α＝0，

当s₁≠s₂且s₁≠s₄时又分如下几种情形：

6)若s₁＜s₂，则

$tan\mathrm{\α}=\frac{(s_4-s_1)(s_2+s_1)}{(s_4+s_1)(s_2-s_1)}$

$tan\mathrm{\β}=\frac{hsin\mathrm{\α}(s_4+s_1)}{a(s_4-s_1)}$

于是

$\mathrm{\α}=arctan\frac{(s_4-s_1)(s_2+s_1)}{(s_4+s_1)(s_2-s_1)}$

$\mathrm{\β}=arctan\frac{hsin\mathrm{\α}(s_4+s_1)}{a(s_4-s_1)}$

7)若s₁＞s₂，当s₁＜s₄时α在第二象限内，当s₁＞s₄时α在第三象限内，于是

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}-arctan\frac{(s_4-s_1)(s_2+s_1)}{(s_4+s_1)(s_1-s_2)}$

$\mathrm{\β}=arctan\frac{hsin\mathrm{\α}(s_4+s_1)}{a(s_4-s_1)}$

本发明的有益效果在于：

(1)可以直接求出光束的方位角和俯仰角；

(2)光束的方位角和俯仰角可以用解析式表示，不需要迭代求解；

(3)方位角和俯仰角的计算过程中无近似处理，因此测角方法不仅可用于太阳的方位角和俯仰角的测量，也可用于大偏转角度光束的测量；

(4)通过减小光束入射口与光敏面之间的距离，或增加入射口的边长，可以测量任何方位角和仰角的光束。

附图说明

图1是方形四象限探测器示意图。

图2是由入射光束方位角和俯仰角决定的光斑在各象限内分布的示意图。

标号说明：1光束入口，2分割线，3探测器件。

具体实施方式

如图1所示，方形四象限探测器由外壳、探测器件和线路板组成。

外壳是一个矩形盒子，其上、下底面为正方形。上底面中心开有正方形的光束入口(1)，其各边分别与上底面的各边平行；下底面内侧安装用于信号采集和放大的电路板，电路板上方安装由“十”字形分割线(2)分开的四个正方形探测器件(3)，分割线(2)的交点位于上、下底面中点的连线上。

为确定入射光束方位角和俯仰角的测量基准，建立以光敏面为xy平面、以两条分割线(2)与光敏面的交线分别为x轴和y轴、以上、下底面中心的连线为z轴的直角坐标系。以h表示上底面与光敏面之间的距离，以2a表示光束入口(1)的边长，则光束入口(1)的四个顶点为A(a，a，h)，B(-a，a，h)，C(-a，-a，h)，D(a，-a，h)。以α和β分别表示入射光束的方位角和俯仰角，则入射光束的方向向量可表示为

$\stackrel{\→}{\mathrm{\γ}}=(cos\mathrm{\α}cos\mathrm{\β},sin\mathrm{\α}cos\mathrm{\β},sin\mathrm{\β})$

以(x₁，y₁，0)表示入射光束将顶点A(a，a，h)投影在xy平面上的坐标，则

(x₁，y₁，0)-(a，a，h)＝k(cosαcosβ，sinαcosβ，sinβ)

其中k为待定常数。由此得

$\begin{array}{cc}{x}_1=a-h\frac{cos\mathrm{\α}}{tan\mathrm{\β}}& y_1=a-h\frac{sin\mathrm{\α}}{\tan \mathrm{\β}}\end{array}$

因此入射光束将顶点A(a，a，h)投影为同理入射光束将顶点B(-a，a，h)，C(-a，-a，h)，D(a，-a，h)分别投影为

$B^{\′}(-a-h\frac{cos\mathrm{\α}}{tan\mathrm{\β}},a-h\frac{sin\mathrm{\α}}{\tan \mathrm{\β}},0)$

$C^{\′}(-a-h\frac{cos\mathrm{\α}}{tan\mathrm{\β}},-a-h\frac{sin\mathrm{\α}}{tan\mathrm{\β}},0)$

和

$C^{\′}(a-h\frac{cos\mathrm{\α}}{tan\mathrm{\β}},-a-h\frac{sin\mathrm{\α}}{\tan \mathrm{\β}},0)$

因此光斑的形状就是正方形A′B′C′D′。落在各个象限中的光经光伏探测器件的光电转换变为电流，再经放大电路放大之后送采样电路，采样电路输出电流的大小与光斑落在各个象限中的面积成正比，通过测量输出电流就可以确定光斑落在四个象限中的面积s₁，s₂，s₃和s₄.

为保证测角的可行性，A′、B′、C′和D′这四个点必须分别位于xy平面内的第一、第二、第三和第四象限内，因此有

$\left\{\begin{array}{c}-a\≤h\frac{cos\mathrm{\α}}{tan\mathrm{\β}}\≤a\\ -a\≤h\frac{sin\mathrm{\α}}{\tan \mathrm{\β}}\≤a\end{array}\right.$

即且因此这种探测器方位角的测量范围无限制，而俯仰角的测量范围至少为

令

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{hcos\mathrm{\α}}{tan\mathrm{\β}}\\ Y=\frac{hsin\mathrm{\α}}{tan\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

则正方形A′B′C′D′落在xy平面内的四个象限中的面积分别为(a-X)(a-Y)、(a+X)(a-Y)、(a+X)(a+Y)和(a-X)(a+Y)，因此

s₁＝(a-X)(a-Y)

s₂＝(a+X)(a-Y)

s₃＝(a+X)(a+Y)

s₄＝(a-X)(a+Y)

于是有

$a-Y=\frac{s_1}{s_4}(a+Y)$

$a-X=\frac{s_1}{s_2}(a+X)$

由此得

$X=\frac{a(s_2-s_1)}{s_2+s_1}$

$Y=\frac{a(s_4-s_1)}{s_4+s_1}$

即

$\frac{hcos\mathrm{\α}}{\tan \mathrm{\β}}=\frac{a(s_2-s_1)}{s_2+s_1}$

$\frac{hsin\mathrm{\α}}{\tan \mathrm{\β}}=\frac{a(s_4-s_1)}{s_4+s_1}$

由此可以得到：

1)若s₁＝s₂，s₁＝s₄，则

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2},\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

2)若s₁＝s₂，s₁＞s₄，则

$\mathrm{\α}=\frac{3\mathrm{\π}}{2},\mathrm{\β}=arctan\frac{h(s_4+s_1)}{a(s_1-s_4)};$

3)若s₁＝s₂，s₁＜s₄，则

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}}{2},\mathrm{\β}=arctan\frac{h(s_4+s_1)}{a(s_4-s_1)};$

4)若s₁＞s₂，s₁＝s₄，则

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π},\mathrm{\β}=arctan\frac{h(s_2+s_1)}{a(s_1-s_2)};$

5)若s₁＜s₂，s₁＝s₄，则

$\mathrm{\α}=0,\mathrm{\β}=arctan\frac{h(s_2+s_1)}{a(s_2-s_1)};$

当s₁≠s₂且s₁≠s₄时又分如下几种情形：

6)若s₁＜s₂，则

于是

$\mathrm{\α}=arctan\frac{(s_4-s_1)(s_2+s_1)}{(s_4+s_1)(s_2-s_1)}$

$\mathrm{\β}=arctan\frac{hsin\mathrm{\α}(s_4+s_1)}{a(s_4-s_1)}$

7)若s₁＞s₂，当s₁＜s₄时α在第二象限内，当s₁＞s₄时α在第三象限内，于是

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}-arctan\frac{(s_4-s_1)(s_2+s_1)}{(s_4+s_1)(s_1-s_2)}$

$\mathrm{\β}=arctan\frac{hsin\mathrm{\α}(s_4+s_1)}{a(s_4-s_1)}$ 。

Claims (2)

1.基于方形光斑的四象限探测器，其特征在于：包括外壳、探测器件和线路板；外壳是一个矩形盒子，其上、下底面为正方形；上底面中心开有正方形的光束入口(1)，其各边分别与上底面的各边平行；下底面内侧安装用于信号采集和放大的电路板，电路板上方安装由“十”字形分割线(2)分开的四个正方形探测器件(3)，分割线(2)的交点位于上、下底面中点的连线上。

2.根据权利要求1所述的基于方形光斑的四象限探测器，其测角方法的特征在于：建立以光敏面为xy平面、以两条分割线(2)与光敏面的交线分别为x轴和y轴、以上、下底面中心的连线为z轴的直角坐标系；以h表示上底面与光敏面之间的距离，以2a表示光束入口(1)的边长，以I₁，I₂，I₃和I₄分别表示第一象限、第二象限、第三象限和第四象限对应的放大电路输出电流，s₁＝cI₁，s₂＝cI₂，s₃＝cI₃和s₄＝cI₄分别表示光斑落在第一象限、第二象限、第三象限和第四象限中的面积，其中常数c通过实验确定，入射光束的方位角α和俯仰角β以如下程序确定：

1)若s₁＝s₂，s₁＝s₄，则

(规定)

2)若s₁＝s₂，s₁＞s₄，则

3)若s₁＝s₂，s₁＜s₄，则

4)若s₁＞s₂，s₁＝s₄，则

5)若s₁＜s₂，s₁＝s₄，则

6)若s₁＜s₂，s₁≠s₄，则

7)若s₁＞s₂，s₁≠s₄，则

。