專利名稱：電磁輻射空間角度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間角度測量技術(shù)，特別涉及輻射源與觀測點(diǎn)之間的空間角度測量方 法。
背景技術(shù)：
物體，如各種電磁輻射源(光源、熱源等)的空間位置，包括其與觀測點(diǎn)的空間角 度和距離，是對空間物體進(jìn)行標(biāo)識的最重要的參數(shù)，具有非常重要的實(shí)際意義。然而，有時(shí) 人們并不在意物體與觀測點(diǎn)的距離，而更關(guān)心其方向——與檢測點(diǎn)之間的空間角度(包括 方位角和俯仰角)。如太陽能發(fā)電技術(shù)中，就非常需要知道輻射源(太陽)的實(shí)時(shí)空間角 度，以便調(diào)整太陽能電池帆板的角度，對太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使其正對太陽，以獲得最大的 電能。為了敘述的方便，下面的描述中，主要以光源為例進(jìn)行說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 明白，本發(fā)明的技術(shù)方案同樣適用于其他電磁輻射源，只要其滿足輻射線為平行線或近似 平行線，輻射強(qiáng)度能被檢測。實(shí)際情況中，只要輻射源距離觀測點(diǎn)足夠遠(yuǎn)，我們就認(rèn)為滿足 第一條，至于第二條，現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)可以對各種電磁輻射進(jìn)行檢測，如能夠檢測各種射 頻信號的場強(qiáng)儀；能夠檢測光信號的光電轉(zhuǎn)換器、太陽能電池；能夠檢測熱輻射的紅外線 傳感器等。在已有光源角度的測量和定位技術(shù)中，有一類以多個(gè)不同位置的傳感器或裝置來 測量定位光源角度的分析方法。與其它方法相比，這類方法具有測量精度高、實(shí)現(xiàn)成本低、 測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、安裝靈活以及應(yīng)用簡單等優(yōu)點(diǎn)。然而，此類方法目前還存在一些關(guān)鍵問 題亟待解決。名稱為《光學(xué)偵測系統(tǒng)的光源角度分析方法》發(fā)明專利公開說明書(公開號 CN1304028A，
公開日2001年7月18日)提供了一種以多方位的光學(xué)偵測器來偵測光源角 度的分析方法，它用復(fù)數(shù)片光偵測器圍成正η面拄體的幾何模型來精確測量光源的方位角 度，用于航行器上測知對方航行器的方位角度。該方法能測量光源的方位角，但不能測量光 源的俯仰角；該方法需要通過實(shí)驗(yàn)為不同幾何模型建立計(jì)算角度的修正函數(shù)，計(jì)算過程復(fù)
ο2005年發(fā)表在中國臺灣的一篇文獻(xiàn)一種可偵測空間中光源方向之新式偵測器
提供了一種運(yùn)用量測太陽能電池的輸出電壓來對太陽角度定位測量的方法和系統(tǒng)。該方法 能精確測量太陽的方位角和仰角，選用的幾何模型可等效為一傾斜度為45度的梯形臺。該 方法能測量光源的方位角和仰角，但不能測量光源的俯角；該方法僅提供了一種幾何模型， 而且測量時(shí)需要通過實(shí)驗(yàn)建立計(jì)算角度的曲線方程。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的主要缺點(diǎn)是1、對光源角度的測量不全，如專利CN1304028A只能測量光源的方位角；2、檢測元件(或裝置)的布置的幾何模型選擇沒有規(guī)律，沒有一種方法來指導(dǎo)幾 何模型的選擇；
3、光源角度的算法各不相同、算法相對復(fù)雜，沒有一種簡單、通用的算法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是針對現(xiàn)有技術(shù)對輻射源角度測量不全，算法通 用性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，提供一種電磁輻射空間角度測量方法。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，電磁輻射空間角度測量方法，包括 以下步驟A、在M面體的至少N個(gè)面上布置傳感器，所述N個(gè)面具有確定的幾何關(guān)系；B、使所述N個(gè)面接受同一輻射源照射；C、測量所述N個(gè)面上的輻射強(qiáng)度在該面特定方向的分量；D、根據(jù)所述分量及N個(gè)面的幾何關(guān)系，計(jì)算所述輻射源的空間角度；所述M、N為正整數(shù)，M> 5，N> 2，且] >仏進(jìn)一步的，步驟C中所述特定方向?yàn)樵撁娴拇怪狈较颉＞唧w的，所述輻射源為光源。具體的，所述輻射強(qiáng)度為所述光源入射矢量。 進(jìn)一步的，所述光源入射矢量的模與傳感器檢測的光電流或電壓相關(guān)。優(yōu)選的，M= 6，N = 3。特別的，所述M面體為正方體，所述N個(gè)面相互垂直。本發(fā)明的有益效果是，可以測量輻射源完整的空間角度，包括方位角和俯仰角。空 間角度算法簡單，可以靈活地選擇各種幾何模型，使得傳感器或裝置的設(shè)計(jì)布置更加靈活， 便于安裝使用，具有更廣的適用范圍。本發(fā)明還同時(shí)給出了布置傳感器的幾何模型選擇方 法。


圖1是平面上的輻射能量與入射角度間的關(guān)系示意圖；圖2是計(jì)算輻射源角度的信號處理流程圖；圖3是在空間直角坐標(biāo)系上輻射源的空間角度示意圖；圖4是正方體與輻射源的空間位置示意圖；圖5是傳感器在正方體上配置的示意圖；圖6是在圖4所示的空間直角坐標(biāo)系上，入射矢量在Oxy平面上的投影與輻射源 的方位角θ的示意圖；圖7是正6棱柱體與輻射源的空間位置示意圖；圖8是在圖7所示空間直角坐標(biāo)系上，入射矢量在Oxy平面上的投影與輻射源的 方位角θ的關(guān)系視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。在本發(fā)明中，假定光源的入射光線滿足相互平行或相互間的角度很小、近似平行 的條件。同時(shí)，為方便說明，定義了如下用語
4
光源入射能量為光源投射到與光源入射光線相垂直的平面上的單位面積上的輻 射能量；光源在某平面上的入射能量為光源投射到此平面上的單位面積上的輻射能量；光源在某平面上的入射角為光源入射光線與該平面的夾角；光源入射矢量為以光源入射方向?yàn)榉较?，光源入射能量為模的矢量。根?jù)光的直線傳播特性，光源入射能量、光源在平面上的入射能量與入射角度之 間存在三角函數(shù)關(guān)系。如圖1所示，因光源入射光線平行投射在A平面上的有效面積與投 射到B平面上的相同，所以光源在平面A和平面B上的輻射能量相同。假設(shè)光源入射能量 為Wmax，光源在A平面上的入射能量和入射角度分別為Wa和Φ，由圖1中的幾何關(guān)系，得Wa =Wmaxsin<K根據(jù)光源入射能量、光源在平面上的入射能量與入射角度的定義和它們之間的關(guān) 系，在矢量空間，能為它們建立等效模型，通過此模型，它們的求解被簡化為對矢量和矢量 間夾角的求解。例如，在圖1中作光源入射矢量W，將其分解為垂直于A平面的垂直分矢量 Wv和平行于A平面的平行分矢量Wh，如圖1所示，光源在A平面上的入射角度等效為光源入 射矢量與它的平行分矢量間的夾角，光源在A平面上的入射能量等效為它的垂直分矢量的 模。根據(jù)上述分析，存在這樣的多面體幾何模型，在其所在空間內(nèi)，當(dāng)光源在多面體上 的入射光線互相平行或相互間的角度很小、近似平行時(shí)，光源相對于多面體的角度可由光 源在多面體某些面上的入射能量和這些面在多面體上的幾何位置來確定。本發(fā)明的技術(shù)方案，通過選擇幾何模型，利用幾何模型各平面間的已知幾何關(guān)系， 采集各平面上傳感器或裝置輸出的感應(yīng)信號得到入射能量，根據(jù)入射能量、光源在幾何模 型各平面上的入射能量與入射角度在矢量空間的等效模型，運(yùn)用矢量分析方法，推導(dǎo)出光 源在幾何模型各平面上的入射能量與光源角度的關(guān)系式，從而計(jì)算出光源角度，主要包括 以下步驟步驟1，用M個(gè)傳感器或裝置(記為P1, P2，-,Pm,m= 1,2,…，M)分別布置在多 面體的每一面，用于測量該面的輻射強(qiáng)度。由光的直線傳播特性，同一光源至多能同時(shí)照射 到此多面體的N面。多面體的幾何結(jié)構(gòu)，至少保證受照射的N個(gè)面具有確定(已知)的幾 何關(guān)系，在多面體所在空間內(nèi)，當(dāng)光源在多面體上的入射光線互相平行或相互間的角度很 小、近似平行時(shí)，光源相對于多面體的角度能由其被光源照射的N個(gè)面上輸出的光感應(yīng)信 號(記為S1, s2，···, sn, η = 1,2,…，N)，以及這N個(gè)面在多面體上的幾何位置來確定。步驟2，以上述多面體為中心，建立空間坐標(biāo)系。步驟3，在上述空間坐標(biāo)系中，運(yùn)用矢量分析方法，由光源入射矢量分解出N個(gè)分 別垂直于多面體被光源照射的N個(gè)面的分矢量，根據(jù)各矢量間的幾何關(guān)系，推導(dǎo)出由光源 入射矢量分解得到的N個(gè)分矢量和光源角度之間的關(guān)系式。步驟4，測量M個(gè)傳感器或裝置對光源的感應(yīng)特性，建立各傳感器或裝置的感應(yīng)特 性表，建立各傳感器或裝置與其在多面體上的位置之間的位置映射表。步驟5，采集傳感器或裝置輸出的感應(yīng)信號，使用步驟4中建立的感應(yīng)特性表和位 置映射表，以及步驟3得到的N個(gè)分矢量和光源角度之間的關(guān)系式，計(jì)算出光源角度。具體 步驟參見圖2，包括
步驟S01，采集傳感器或裝置P1, P2,…，Pffl輸出的感應(yīng)信號。步驟S02，利用傳感器或裝置被光源照射與未被照射情況下輸出的感應(yīng)信號的差 異，從P1, p2，…，Pm輸出的感應(yīng)信號中提取出感應(yīng)信號Sl，s2，···，、。步驟S03，首先使用步驟4中建立的位置映射表，確定感應(yīng)信號Sl，S2,…，Sn所對 應(yīng)的傳感器或裝置，然后使用步驟4中建立的感應(yīng)特性表，得到N個(gè)面上對應(yīng)的入射能量 (記為ei，e2，-,en ；η = 1,2,…，Ν)Θ1;Θ2，…，en對應(yīng)步驟3中N個(gè)分矢量的模。步驟S04，將e2,…，en帶入步驟3得到的N個(gè)分矢量和光源角度之間的關(guān)系 式，結(jié)合N個(gè)面在多面體上對應(yīng)的幾何位置，計(jì)算出光源角度。在空間直角坐標(biāo)系上，光源角度為在空間坐標(biāo)系上光源相對于測量點(diǎn)的角度。如 圖3所示，它由方位角θ和俯仰角識組成。本發(fā)明中，傳感器或裝置為能將相應(yīng)輻射信號轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，對 于光信號，可選用但不限于光電轉(zhuǎn)換器或光電池。上述感應(yīng)特性表是傳感器或裝置感應(yīng)光 源輸出的信號強(qiáng)度與光源入射能量之間的映射表。當(dāng)傳感器或裝置感應(yīng)光源輸出的信號強(qiáng) 度與光源入射能量成線性比例變化時(shí)，也可直接使用傳感器或裝置感應(yīng)光源輸出的信號強(qiáng) 度(如光電流或電壓)來計(jì)算光源角度。本發(fā)明中，所述多面體推薦選用正K棱柱體(K > 3)、長方體等，計(jì)算最簡單的是長 方體或正方體(正6面體)。在空間直角坐標(biāo)系中，任意光源P的角度與入射矢量的關(guān)系如圖3所示。Oxy平 面為以原點(diǎn)0、χ軸與y軸構(gòu)成的平面；Oxz平面為以原點(diǎn)0、x軸與ζ軸構(gòu)成的平面；Oyz平 面為以原點(diǎn)0、y軸與ζ軸構(gòu)成的平面。光源P的入射矢量為E，方向由光源P指向原點(diǎn)0。 E在空間直角坐標(biāo)系χ、y和ζ坐標(biāo)軸上的分矢量分別為Ex、Ey和Ez，其中Ex垂直于Oyz平 面，Ey垂直于Oxz平面，Ez垂直于Oxy平面。光源P在Oxy平面上的投影為P’，Exy為矢量 E在Oxy平面上的投影，Exy在x、y軸上的分矢量分別為Ex與Ey。定義矢量E的反方向與ζ 軸正向間的夾角為俯仰角P，矢量E在Oxy平面上的投影OP’與X軸正向夾角為方位角θ， 光源P的空間角度由識和θ組成，識和θ的取值范圍分別為
和W，360)。當(dāng)矢量 E垂直于Oxy平面時(shí)，光源角度θ定為0，<3為0或180。令矢量Ex、Ey、Ez、Exy、E的模分別為ex、ey、ez、exy、e，由圖3中幾何關(guān)系，可得
其中 =^je2x+e2y，式中口的取值范圍為W，90]。對于其在
范圍內(nèi)的取值，
由光源P的位置來確定當(dāng)光源P在Oxy平面與ζ軸正向組成的空間內(nèi)，取值為0，范圍為
。以下實(shí)施例分別選用正方體和正6棱柱體結(jié)構(gòu)來測定光源(太陽)的角度，實(shí)施 例中的傳感器選用特性大小相同的太陽能電池。由于正方體或正6棱柱體與光源距離非常 遠(yuǎn)，可以視為一個(gè)點(diǎn)(原點(diǎn)0)。
實(shí)施例1本例選用正方體結(jié)構(gòu)來測定光源的角度，即M面體M = 6的一種情況。下面結(jié)合 附圖進(jìn)一步說明。圖4是用正方體結(jié)構(gòu)來測定光源P的角度的示意圖。其中40為正方體；401、406為正方體兩平行底面；402、403、404、405為正方體四 個(gè)柱面；O點(diǎn)是正方體中心，為光源角度的觀測點(diǎn)；P點(diǎn)為光源，正方體的401、402、403三個(gè) 面同時(shí)受到照射，即N = 3，且這三個(gè)面相互垂直的情況。圖4中建立的空間直角坐標(biāo)系以0點(diǎn)為原點(diǎn)，ζ坐標(biāo)軸垂直于正方體兩底面，χ、y 坐標(biāo)軸分別垂直于正方體任意相鄰的兩柱面。圖5是太陽能電池在正方體上的裝配視圖。其中:501、502、503、504、505、506分別為裝配在正方體 401、402、403、404、405、 406各面上的太陽能電池(或太陽能電池陣列)圖6是在圖4中建立的空間直角坐標(biāo)系上，光源P的入射矢量在Oxy平面上的投 影與光源角度θ的關(guān)系視圖。其中60為正方體柱面在Oxy平面上投影形成的正方形。矢 量Ex、Ey為矢量Exy在坐標(biāo)軸χ、y上的分矢量。參見圖4中建立的空間直角坐標(biāo)系，可知坐標(biāo)軸x、y分別垂直于正方形60的相鄰 兩邊，這樣，矢量Exy的分矢量Ex、Ey也分別垂直于正方體被光源照射的相鄰兩柱面，由此， 矢量Ex、Ey即為光源入射矢量在正方體上被光源照射的兩個(gè)柱面上的垂直分量。令Ex、Ey、Exy的模分別為ex、ey、exy，由圖中幾何關(guān)系，得光源方位角θ的計(jì)算關(guān)系 式θ = arccos^-
e^y其中 =^/^7^，式中θ的取值范圍為
，對于其在
當(dāng)投影P，位于832，η =1，θ取值范圍為[60，120)；
當(dāng)投影P，位于833，η =2，θ取值范圍為[120，180)；
當(dāng)投影P，位于834，η =3，θ取值范圍為[180，240)；
當(dāng)投影P，位于835，η =4，θ取值范圍為[240，300)；
當(dāng)投影P，位于836，η5，θ取值范圍為[300，360)。與實(shí)施例1相比，除了兩者因多面體結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致M、N的數(shù)值以及對光源角度的 計(jì)算關(guān)系式不同外，實(shí)施例2實(shí)現(xiàn)光源角度測定的具體實(shí)施步驟與實(shí)施例1相同。參見實(shí) 施例1，本例光源P的角度測定計(jì)算如下本例多面體為正6棱柱結(jié)構(gòu)的多面體，對應(yīng)M = 8，N = 4的情況。假設(shè)本例多面 體中701，702，…，708面上輸出的感應(yīng)電流分別為I1,12，…，I8JnI2,…，I8對應(yīng)的光源 的入射能量為ei，e2，···，％。采集正6棱柱體上各面輸出的感應(yīng)電流信號，使用與實(shí)施例 1相同的步驟，得出圖7中光源P照射在正6棱柱體上的面為701、702、706、707，它們對應(yīng) 的光源入射能量分別為e” e2、e6、e7。參見圖7，由701、702、706、707面在空間直角坐標(biāo)系 上的位置，得光源P位于坐標(biāo)軸x、y、z正軸所構(gòu)成的空間內(nèi)，光源P的投影點(diǎn)P’位于831， Enext、E。、Eprev* Exy的分矢量，它們分別垂直于702、701、706柱面。結(jié)合由圖3、圖8推導(dǎo)出的關(guān)系式，計(jì)算出光源的角度為θ = θ ‘ d+30 其中exy = ei/cos θ ' d，6>d = arctan(-j=^)。
權(quán)利要求
電磁輻射空間角度測量方法，其特征在于，包括以下步驟A、在M面體的至少N個(gè)面上布置傳感器，所述N個(gè)面具有確定的幾何關(guān)系；B、使所述N個(gè)面接受同一輻射源照射；C、測量所述N個(gè)面上的輻射強(qiáng)度在該面特定方向的分量；D、根據(jù)所述分量及N個(gè)面的幾何關(guān)系，計(jì)算所述輻射源的空間角度；所述M、N為正整數(shù)，M＞5，N＞2，且M＞N。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁輻射空間角度測量方法，其特征在于，步驟C中所述特定 方向?yàn)樵撁娴拇怪狈较颉?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁輻射空間角度測量方法，其特征在于，所述輻射源為 光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電磁輻射空間角度測量方法，其特征在于，所述輻射強(qiáng)度為 所述光源入射矢量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁輻射空間角度測量方法，其特征在于，所述光源入射矢 量的模為該光源的入射能量，其與傳感器檢測的光電流或電壓相關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5任意一項(xiàng)所述的電磁輻射空間角度測量方法，其特征在于，M= 6，N = 3。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電磁輻射空間角度測量方法，其特征在于，所述M面體為正方 體，所述N個(gè)面相互垂直。
全文摘要
本發(fā)明涉及空間角度測量技術(shù)。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)對輻射源角度測量不全，算法通用性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，公開了一種電磁輻射空間角度測量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案，通過選擇幾何模型，利用幾何模型各平面間的已知幾何關(guān)系，采集各平面上傳感器或裝置輸出的感應(yīng)信號得到入射能量，根據(jù)入射能量、光源在幾何模型各平面上的入射能量與入射角度在矢量空間的等效模型，運(yùn)用矢量分析方法，推導(dǎo)出光源在幾何模型各平面上的入射能量與光源角度的關(guān)系式，從而計(jì)算出光源角度。本發(fā)明可以測量輻射源完整的空間角度，包括方位角和俯仰角。空間角度算法簡單，可以靈活地選擇各種幾何模型，使得傳感器或裝置的設(shè)計(jì)布置更加靈活，便于安裝使用，具有更廣的適用范圍。
文檔編號G01C1/00GK101907457SQ201010230838
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者王江 申請人:王江