基于方形光斑的四象限探測器及其測角方法
【專利摘要】發明了一種基于方形光斑的四象限探測器及其測角方法，其外殼是一個矩形盒子，其上、下底面為正方形。上底面中心開有正方形的光束入口，其各邊分別與上底面的各邊平行；下底面內側安裝用于信號采集和放大的電路板，電路板上方安裝由“十”字形分割線分開的四個正方形光伏探測器件。光束從光束入口進入后在四象限探測器光敏面上形成光斑。落在各個象限中的光經光伏探測器件的光電轉換變為電流，再經放大電路放大之后送采樣電路，通過測量采樣電路輸出電流可以確定光斑落在四個象限中的面積，并由此計算出入射光束的方位角和俯仰角。
【專利說明】
基于方形光斑的四象限探測器及其測角方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種基于方形光斑的四象限探測器及其測角方法
【背景技術】
[0002] 在全球能源短缺的形勢下，尋找新的能源是人類面臨的重要挑戰。太陽能光熱發 電作為一種清潔的可再生能源，在當今社會受到了越來越多的關注。太陽能光熱發電是一 種可集中規模化發電的清潔能源利用方式，它將太陽的直射光聚集，使水或其他介質加熱 轉化為熱能，經傳統的熱力循環過程最終將熱能轉化成電能。與光伏發電相比，光熱發電最 大的優勢在于并網友好、儲熱連續、發電穩定，因此最有條件逐步替代火電發電，成為一種 獲取清潔能源的途徑。
[0003] 太陽光聚集是通過反射鏡實現的，在此過程中首先需要測量太陽的方位角和俯仰 角，然后根據集熱器的位置調整反射鏡，使太陽光反射到集熱器上。測量太陽的方位角和俯 仰角有很多方法，其中比較簡單的一種方法就是四象限探測器測量方法。四象限探測器是 W光導模式進行工作的一種光伏探測器件。它利用集成電路光刻技術將一個探測器件的光 敏面窗口分割成4個面積相等、形狀相同、位置對稱、性能參數基本一致的扇形探測區域，當 入射光斑落在四象限探測器光敏面的不同位置時，四個象限輸出比例不同的電信號，通過 對輸出電信號進行數據處理，可W得到入射光束相對于四象限探測器橫向和縱向象限分割 線的偏轉角度，并進一步求出相對于橫向象限分割線和光敏面的方位角和俯仰角。四象限 探測器探測精度高，響應時間短，廣泛應用于光電探測等領域。但需要指出的是運里所說的 "探測精度高"是指和其它探測器相比而言，其實它的測量方法還是存在一定誤差的。申請 人在《四象限探測器測角新算法》一文中對四象限探測器原來的測角算法進行了改進，提出 一種精度更高的測角方法，但由于沒有解析的測角公式，所測角度只能通過迭代近似計 算，因此不僅存在誤差，角度的計算也比較煩瑣。導致運些問題的根本原因在于四象限探測 器針對的是光電探測領域中最常見的圓形光斑。四象限探測器還有另外兩個缺點，其一是 不能直接求出入射光束的方位角和俯仰角，而只能通過求出入射光束相對于四象限探測器 橫向和縱向象限分割線的偏轉角度，間接地求出入射光束的方位角和俯仰角；其二是測角 算法中W偏轉角度代替偏轉角度的正弦，因此只能適用于偏轉角度較小的情形。
【發明內容】
[0004] 鑒于四象限探測器存在的上述缺陷，并考慮到測量太陽的方位角和俯仰角時可W 采集一束橫截面為正方形的光束，發明了一種方形四象限探測器，其外殼是一個矩形盒子， 其上、下底面為正方形。上底面中屯、開有正方形的光束入口，其各邊分別與上底面的各邊平 行;下底面內側安裝用于信號采集和放大的電路板，電路板上方安裝由"十"字形分割線分 開的四個正方形光伏探測器件。
[0005] 光束從光束入口進入后在四象限探測器光敏面上形成光斑。落在各個象限中的光 經光伏探測器件的光電轉換變為電流，再經放大電路放大之后送采樣電路，采樣電路輸出 電流的大小與光斑落在各個象限中的面積成正比，通過測量輸出電流就可w確定光斑落在 四個象限中的面積S1，S2，S3和S4 .
[0006]建立W光敏面為xy平面、W兩條分割線與光敏面的交線分別為X軸和y軸、W上、下 底面中屯、的連線為Z軸的直角坐標系。Wh表示上底面與光敏面之間的距離，2a表示光束入 口的邊長，α和β分別表示入射光束的方位角和俯仰角，貝U
[001 ^ 當31辛S2且S1辛S4時又分如下幾種情形：
[0013] 6)若 si<S2,貝！J
[0019] 7)若S1>S2,當S1<S4時α在第二象限內，當S1>S4時α在第Ξ象限內，于是
[0022] 本發明的有益效果在于：
[0023] (1)可W直接求出光束的方位角和俯仰角；
[0024] (2)光束的方位角和俯仰角可W用解析式表示，不需要迭代求解；
[0025] (3)方位角和俯仰角的計算過程中無近似處理，因此測角方法不僅可用于太陽的 方位角和俯仰角的測量，也可用于大偏轉角度光束的測量；
[0026] (4)通過減小光束入射口與光敏面之間的距離，或增加入射口的邊長，可W測量任 何方位角和仰角的光束。
【附圖說明】
[0027] 圖1是方形四象限探測器示意圖。
[0028] 圖2是由入射光束方位角和俯仰角決定的光斑在各象限內分布的示意圖。
[0029] 標號說明：1光束入口，2分割線，3探測器件。
【具體實施方式】
[0030] 如圖1所示，方形四象限探測器由外殼、探測器件和線路板組成。
[0031] 外殼是一個矩形盒子，其上、下底面為正方形。上底面中屯、開有正方形的光束入口 (1)，其各邊分別與上底面的各邊平行；下底面內側安裝用于信號采集和放大的電路板，電 路板上方安裝由"十"字形分割線（2)分開的四個正方形探測器件(3)，分割線（2)的交點位 于上、下底面中點的連線上。
[0032] 為確定入射光束方位角和俯仰角的測量基準，建立W光敏面為xy平面、W兩條分 割線(2)與光敏面的交線分別為X軸和y軸、W上、下底面中屯、的連線為Z軸的直角坐標系。W h表示上底面與光敏面之間的距離，W2a表示光束入口（1)的邊長，則光束入口（1)的四個頂 點為4(日，日，}1)，8(-日，日，}1)，(：（-日，-日，}1)，〇(日，-日，}1)。^日和0分別表示入射光束的方位角和 俯仰角，則入射光束的方向向量可表示為
[0033] / = (COS α COS 片,sin α COS 片，sin 片）
[0034] W(xi，yi，0)表示入射光束將頂點A(a，a，h)投影在xy平面上的坐標，貝U
[00；35] (xi，yi，0)-(a，a，h) = k(cosacos0，sinacos0，si 址）
[0036] 其中k為待定常數。由此得
[0037]
[0038] 因此入射光束將頂點A(a，a，h)投影為
，同理入射光束 將頂點 B(-a，a，h)，C(-a，-a，h)，D(a，-a，h)分別投影為
[0043] 因此光斑的形狀就是正方形A/ β/ 。落在各個象限中的光經光伏探測器件的光 電轉換變為電流，再經放大電路放大之后送采樣電路，采樣電路輸出電流的大小與光斑落 在各個象限中的面積成正比，通過測量輸出電流就可W確定光斑落在四個象限中的面積 S1jS2,S3 和 S4.
[0044] 為保證測角的可行性，y、β/、(/和〇/運四個點必須分別位于xy平面內的第一、第 二、第Ξ和第四象限內，因此有
[0045]
[0046] 即片> 31*加鳴-3111?)且片> arctanC^cosa)，因此運種探測器方位角的測量范圍無 幻 幻 限制，而俯仰角的測量范圍至少夫
[0047] 令
[004引
[0049] 則正方形y B/ 落在xy平面內的四個象限中的面積分別為(a-X) (a-Y)、（a+X) (a-Y)、（a巧）（a+Y)和(a-X) (a+Y)，因此
[0050] si=(a-X)(a-Y)
[0051] S2=(a 巧）（a-Y)
[0052] S3=(a 巧 Ka 巧）
[0化3] S4=(a-X)(a 巧）
[0054] 于是有
[006引 3)若31 = 32,31<34，則
[0079] 7)若S1>S2,當S1<S4時α在第二象限內，當S1>S4時α在第S象限內，于是
【主權項】
1. 基于方形光斑的四象限探測器，其特征在于:包括外殼、探測器件和線路板;外殼是 一個矩形盒子，其上、下底面為正方形;上底面中心開有正方形的光束入口（ 1 )，其各邊分別 與上底面的各邊平行；下底面內側安裝用于信號采集和放大的電路板，電路板上方安裝由 "十"字形分割線⑵分開的四個正方形探測器件(3)，分割線(2)的交點位于上、下底面中點 的連線上。2. 根據權利要求1所述的基于方形光斑的四象限探測器，其測角方法的特征在于:建立 以光敏面為xy平面、以兩條分割線（2)與光敏面的交線分別為X軸和y軸、以上、下底面中心 的連線為z軸的直角坐標系；以h表示上底面與光敏面之間的距離，以2a表示光束入口（1)的 邊長，以1^12,13和14分別表示第一象限、第二象限、第三象限和第四象限對應的放大電路 輸出電流，81 = 〇11，82 = 〇12,83 = 〇13和84=(：14分別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積，其中常數C通過實驗確定，入射光束的方位角α和俯仰角β以如下 程序確定：
【文檔編號】G01B11/26GK105823439SQ201610148291
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月8日
【發明人】安凱, 王曉英, 安培亮, 安宏亮
【申請人】安凱