CN108180886A - 阵列式四象限探测器及其测角方法 - Google Patents

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Abstract

发明了一种阵列式四象限探测器，其外壳是一个正四棱柱盒子，上、下底面为正方形。上底面中心有一边长为a的正方形开口作为光束入口，下底面内侧安装用于信号采集和放大的电路板和单片机，电路板和单片机上方安装由2n×2n个探测器件组成的探测器阵列。入射光束从光束入口进入阵列式四象限探测器，探测器阵列上的光斑落在组成“田”字形的四个探测器件上，经光伏探测器件的光电转换变为电流，通过测量输出电流就可以确定四个探测器件上相应的光斑面积，并确定光斑相对于“田”字形探测器阵列中心的位置。结合四个探测器件的位置可以确定光斑中心在测量坐标系中的坐标，再结合探测器件阵列到光束入口中心的距离就得到入射光束的方位角和俯仰角。本发明的有益效果在于：与基于方形光斑的四象限探测器相比，可测量光束的最大入射角大幅度增加。

Description

阵列式四象限探测器及其测角方法
技术领域
本发明涉及一种阵列式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。
有一种基于方形光斑的四象限探测器，可以由光斑在四个象限的面积精确导出光斑中心位置的坐标，结合光束入口中心到探测器的距离就可以确定入射光束的方位角和俯仰角，但这种探测器只能测量入射角较小的光束，不能用于太阳光方位角和俯仰角的测量。
发明内容
鉴于四象限探测器以及基于方形光斑的四象限探测器存在的上述缺陷，发明了一种阵列式四象限探测器，其外壳是一个正四棱柱盒子，上、下底面为正方形。上底面中心有一边长为a的正方形开口作为光束入口，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和单片机，电路板和单片机上方安装由2n×2n个探测器件组成的探测器阵列，两条探测器阵列中心线的交点位于上、下底面中点的连线上。建立以两条探测器阵列中心线分别为x轴和y轴的测量坐标系，方向分别为向右和向上，阵列中探测器件列号和行号分别按照从左到右和从下到上的顺序编排，以此作为探测器件的标识。
入射光束从光束入口进入阵列式四象限探测器时，探测器阵列上的光斑落在组成“田”字形的四个探测器件上，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四个探测器件上相应的光斑面积。在“田”字形的四个探测器件的阵面建立以此阵列中心线为坐标轴、方向与测量坐标系方向相同的坐标系Oijxijyij，其中Oij为这四个探测器件构成阵列的中心。由基于方形光斑的四象限测量原理可以确定光斑中心在坐标系Oijxijyij中的坐标，结合Oij在测量坐标系中的坐标就可以确定光斑中心在测量坐标系中的坐标，再结合探测器件阵列到光束入口中心的距离h就得到入射光束的方位角和俯仰角。
本发明的有益效果在于：基于方形光斑的四象限探测器可测量光束的最大入射角为而本发明中的阵列式四象限探测器可测量光束的最大入射角为
以h＝30(mm)，a＝10(mm)，n＝4为例，可测光束的最大入射角大幅度增加。
附图说明
图1是阵列式四象限探测器示意图；
图2是由光伏探测器件组成的探测器阵列示意图，图中给出了测量坐标系、各探测器件的编号以及光斑位置；
图3是光斑及其所在的四个探测器件的放大图，图中给出了四个探测器件在探测器阵列中的位置、光斑中心在测量坐标系中的坐标以及四个探测器件构成的阵列中心在测量坐标系中的坐标。
标号说明：1光束入口，2探测器阵列中心线，3探测器阵列。
具体实施方式
如图1所示，阵列式四象限探测器由外壳、探测器件、线路板和单片机组成。
外壳是一个正四棱柱盒子，其上、下底面为正方形。上底面中心有一边长为a的正方形开口作为光束入口(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和单片机，电路板和单片机上方安装由2n×2n个探测器件组成的探测器阵列(3)，两条探测器阵列中心线(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，建立以两条探测器阵列中心线(2)分别为x轴和y轴的测量坐标系，方向分别为向右和向上，如图2所示。阵列中探测器件列号和行号分别按照从左到右和从下到上的顺序编排，以此作为探测器件的标识，并以[i，j]表示，其中i表示列号，j表示行号。
入射光束从光束入口(1)进入阵列式四象限探测器时，探测器阵列上的光斑可能位于标号分别为[i，j]、[i+1，j]、[i，j+1]和[i+1，j+1]的探测器件上，也可能位于其中的一个或两个上。对于后一种情形，比如光斑仅落在标号为[i，j]的探测器件上，也可以认为落在[i，j]、[i+1，j]、[i，j+1]和[i+1，j+1]的探测器件上，不过在后三个探测器件上的光斑面积为零而已；同理，也可以认为光斑落在[i-1，j-1]、[i，j-1]、[i-1，j]和[i，j]的探测器件上，只要探测器件标号中的列号和行号为1到2n之间的数即可。
落在四个探测器件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四个探测器件上相应的光斑面积s3、s4、s2和s1.确定光斑中心在测量坐标系中的坐标，首先需要确定光斑中心相对于由这四个探测器件构成阵列的中心的位置。为此建立以此阵列中心线为坐标轴、方向与测量坐标系方向相同的坐标系Oijxijyij，其中Oij为这四个探测器件构成阵列的中心。由基于方形光斑的四象限测量原理可以确定光斑中心在坐标系Oijxijyij中的坐标为
而Oij在测量坐标系中的坐标为
x0＝a(i-n)
y0＝a(j-n)
因此光斑中心在测量坐标系中的坐标为
以h表示探测器阵列(3)到光束入口(1)中心的距离，则光束的方位角
光束的方位角
其中为符号函数。

Claims (3)

1.阵列式四象限探测器，其特征在于：包括外壳、探测器件、线路板和单片机；外壳是一个正四棱柱盒子，其上、下底面为正方形；上底面中心有一边长为a的正方形开口作为光束入口(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和单片机，电路板和单片机上方安装由2n×2n个探测器件组成的探测器阵列(3)，两条探测器阵列中心线(2)的交点位于上、下底面中点的连线上。
2.根据权利要求1所述的阵列式四象限探测器，其测角方法的特征在于：建立以两条探测器阵列中心线(2)分别为x轴和y轴的测量坐标系，方向分别为向右和向上，阵列中探测器件列号和行号分别按照从左到右和从下到上的顺序编排，以此作为探测器件的标识，并以[i，j]表示，其中i表示列号，j表示行号；入射光束从光束入口(1)进入阵列式四象限探测器时，若探测器阵列上的光斑位于标号分别为[i，j]、[i+1，j]、[i，j+1]和[i+1，j+1]的呈“田”字形的四个探测器件上；落在四个探测器件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四个探测器件上相应的光斑面积s3、s4、s2和s1；建立以此四探测器件阵列中心线为坐标轴、方向与测量坐标系方向相同的坐标系Oijxijyij，其中Oij为这四探测器件阵列的中心；由基于方形光斑的四象限测量原理可以确定光斑中心在坐标系Oijxijyij中的坐标为
而Oij在测量坐标系中的坐标为
x0＝a(i-n)
y0＝a(j-n)
由此得光斑中心在测量坐标系中的坐标为
以h表示探测器阵列(3)到光束入口(1)中心的距离，则光束的方位角为
光束的俯仰角为
其中为符号函数。
3.根据权利要求1所述的阵列式四象限探测器，其测角方法的特征在于：若光斑仅落在一个或两个探测器件上，可以选择阵列中包含这一个或两个探测器件的标号分别为[i，j]、[i+1，j]、[i，j+1]和[i+1，j+1]的四个探测器件，无光斑探测器件的光斑面积以0计。
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