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专利名称：电磁辐射空间角度测量方法
技术领域：
本发明涉及空间角度测量技术，特别涉及辐射源与观测点之间的空间角度测量方 法。
背景技术：
物体，如各种电磁辐射源(光源、热源等)的空间位置，包括其与观测点的空间角 度和距离，是对空间物体进行标识的最重要的参数，具有非常重要的实际意义。然而，有时 人们并不在意物体与观测点的距离，而更关心其方向——与检测点之间的空间角度(包括 方位角和俯仰角)。如太阳能发电技术中，就非常需要知道辐射源(太阳)的实时空间角 度，以便调整太阳能电池帆板的角度，对太阳进行实时跟踪，使其正对太阳，以获得最大的 电能。为了叙述的方便，下面的描述中，主要以光源为例进行说明。本领域技术人员应当 明白，本发明的技术方案同样适用于其他电磁辐射源，只要其满足辐射线为平行线或近似 平行线，辐射强度能被检测。实际情况中，只要辐射源距离观测点足够远，我们就认为满足 第一条，至于第二条，现有技术中，已经可以对各种电磁辐射进行检测，如能够检测各种射 频信号的场强仪；能够检测光信号的光电转换器、太阳能电池；能够检测热辐射的红外线 传感器等。在已有光源角度的测量和定位技术中，有一类以多个不同位置的传感器或装置来 测量定位光源角度的分析方法。与其它方法相比，这类方法具有测量精度高、实现成本低、 测量装置结构简单、安装灵活以及应用简单等优点。然而，此类方法目前还存在一些关键问 题亟待解决。名称为《光学侦测系统的光源角度分析方法》发明专利公开说明书(公开号 CN1304028A，
公开日2001年7月18日)提供了一种以多方位的光学侦测器来侦测光源角 度的分析方法，它用复数片光侦测器围成正η面拄体的几何模型来精确测量光源的方位角 度，用于航行器上测知对方航行器的方位角度。该方法能测量光源的方位角，但不能测量光 源的俯仰角；该方法需要通过实验为不同几何模型建立计算角度的修正函数，计算过程复
ο2005年发表在中国台湾的一篇文献一种可侦测空间中光源方向之新式侦测器
提供了一种运用量测太阳能电池的输出电压来对太阳角度定位测量的方法和系统。该方法 能精确测量太阳的方位角和仰角，选用的几何模型可等效为一倾斜度为45度的梯形台。该 方法能测量光源的方位角和仰角，但不能测量光源的俯角；该方法仅提供了一种几何模型， 而且测量时需要通过实验建立计算角度的曲线方程。综上所述，现有技术存在的主要缺点是1、对光源角度的测量不全，如专利CN1304028A只能测量光源的方位角；2、检测元件(或装置)的布置的几何模型选择没有规律，没有一种方法来指导几 何模型的选择；
3、光源角度的算法各不相同、算法相对复杂，没有一种简单、通用的算法。

发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术对辐射源角度测量不全，算法通 用性不强的缺点，提供一种电磁辐射空间角度测量方法。本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，电磁辐射空间角度测量方法，包括 以下步骤A、在M面体的至少N个面上布置传感器，所述N个面具有确定的几何关系；B、使所述N个面接受同一辐射源照射；C、测量所述N个面上的辐射强度在该面特定方向的分量；D、根据所述分量及N个面的几何关系，计算所述辐射源的空间角度；所述M、N为正整数，M> 5，N> 2，且] >仏进一步的，步骤C中所述特定方向为该面的垂直方向。具体的，所述辐射源为光源。具体的，所述辐射强度为所述光源入射矢量。 进一步的，所述光源入射矢量的模与传感器检测的光电流或电压相关。优选的，M= 6，N = 3。特别的，所述M面体为正方体，所述N个面相互垂直。本发明的有益效果是，可以测量辐射源完整的空间角度，包括方位角和俯仰角。空 间角度算法简单，可以灵活地选择各种几何模型，使得传感器或装置的设计布置更加灵活， 便于安装使用，具有更广的适用范围。本发明还同时给出了布置传感器的几何模型选择方 法。


图1是平面上的辐射能量与入射角度间的关系示意图；图2是计算辐射源角度的信号处理流程图；图3是在空间直角坐标系上辐射源的空间角度示意图；图4是正方体与辐射源的空间位置示意图；图5是传感器在正方体上配置的示意图；图6是在图4所示的空间直角坐标系上，入射矢量在Oxy平面上的投影与辐射源 的方位角θ的示意图；图7是正6棱柱体与辐射源的空间位置示意图；图8是在图7所示空间直角坐标系上，入射矢量在Oxy平面上的投影与辐射源的 方位角θ的关系视图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。在本发明中，假定光源的入射光线满足相互平行或相互间的角度很小、近似平行 的条件。同时，为方便说明，定义了如下用语
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光源入射能量为光源投射到与光源入射光线相垂直的平面上的单位面积上的辐 射能量；光源在某平面上的入射能量为光源投射到此平面上的单位面积上的辐射能量；光源在某平面上的入射角为光源入射光线与该平面的夹角；光源入射矢量为以光源入射方向为方向，光源入射能量为模的矢量。根据光的直线传播特性，光源入射能量、光源在平面上的入射能量与入射角度之 间存在三角函数关系。如图1所示，因光源入射光线平行投射在A平面上的有效面积与投 射到B平面上的相同，所以光源在平面A和平面B上的辐射能量相同。假设光源入射能量 为Wmax，光源在A平面上的入射能量和入射角度分别为Wa和Φ，由图1中的几何关系，得Wa =Wmaxsin<K根据光源入射能量、光源在平面上的入射能量与入射角度的定义和它们之间的关 系，在矢量空间，能为它们建立等效模型，通过此模型，它们的求解被简化为对矢量和矢量 间夹角的求解。例如，在图1中作光源入射矢量W，将其分解为垂直于A平面的垂直分矢量 Wv和平行于A平面的平行分矢量Wh，如图1所示，光源在A平面上的入射角度等效为光源入 射矢量与它的平行分矢量间的夹角，光源在A平面上的入射能量等效为它的垂直分矢量的 模。根据上述分析，存在这样的多面体几何模型，在其所在空间内，当光源在多面体上 的入射光线互相平行或相互间的角度很小、近似平行时，光源相对于多面体的角度可由光 源在多面体某些面上的入射能量和这些面在多面体上的几何位置来确定。本发明的技术方案，通过选择几何模型，利用几何模型各平面间的已知几何关系， 采集各平面上传感器或装置输出的感应信号得到入射能量，根据入射能量、光源在几何模 型各平面上的入射能量与入射角度在矢量空间的等效模型，运用矢量分析方法，推导出光 源在几何模型各平面上的入射能量与光源角度的关系式，从而计算出光源角度，主要包括 以下步骤步骤1，用M个传感器或装置(记为P1, P2，-,Pm,m= 1,2,…，M)分别布置在多 面体的每一面，用于测量该面的辐射强度。由光的直线传播特性，同一光源至多能同时照射 到此多面体的N面。多面体的几何结构，至少保证受照射的N个面具有确定(已知)的几 何关系，在多面体所在空间内，当光源在多面体上的入射光线互相平行或相互间的角度很 小、近似平行时，光源相对于多面体的角度能由其被光源照射的N个面上输出的光感应信 号(记为S1, s2，···, sn, η = 1,2,…，N)，以及这N个面在多面体上的几何位置来确定。步骤2，以上述多面体为中心，建立空间坐标系。步骤3，在上述空间坐标系中，运用矢量分析方法，由光源入射矢量分解出N个分 别垂直于多面体被光源照射的N个面的分矢量，根据各矢量间的几何关系，推导出由光源 入射矢量分解得到的N个分矢量和光源角度之间的关系式。步骤4，测量M个传感器或装置对光源的感应特性，建立各传感器或装置的感应特 性表，建立各传感器或装置与其在多面体上的位置之间的位置映射表。步骤5，采集传感器或装置输出的感应信号，使用步骤4中建立的感应特性表和位 置映射表，以及步骤3得到的N个分矢量和光源角度之间的关系式，计算出光源角度。具体 步骤参见图2，包括
步骤S01，采集传感器或装置P1, P2,…，Pffl输出的感应信号。步骤S02，利用传感器或装置被光源照射与未被照射情况下输出的感应信号的差 异，从P1, p2，…，Pm输出的感应信号中提取出感应信号Sl，s2，···，、。步骤S03，首先使用步骤4中建立的位置映射表，确定感应信号Sl，S2,…，Sn所对 应的传感器或装置，然后使用步骤4中建立的感应特性表，得到N个面上对应的入射能量 (记为ei，e2，-,en ；η = 1,2,…，Ν)Θ1;Θ2，…，en对应步骤3中N个分矢量的模。步骤S04，将e2,…，en带入步骤3得到的N个分矢量和光源角度之间的关系 式，结合N个面在多面体上对应的几何位置，计算出光源角度。在空间直角坐标系上，光源角度为在空间坐标系上光源相对于测量点的角度。如 图3所示，它由方位角θ和俯仰角识组成。本发明中，传感器或装置为能将相应辐射信号转换成可用信号的器件或装置，对 于光信号，可选用但不限于光电转换器或光电池。上述感应特性表是传感器或装置感应光 源输出的信号强度与光源入射能量之间的映射表。当传感器或装置感应光源输出的信号强 度与光源入射能量成线性比例变化时，也可直接使用传感器或装置感应光源输出的信号强 度(如光电流或电压)来计算光源角度。本发明中，所述多面体推荐选用正K棱柱体(K > 3)、长方体等，计算最简单的是长 方体或正方体(正6面体)。在空间直角坐标系中，任意光源P的角度与入射矢量的关系如图3所示。Oxy平 面为以原点0、χ轴与y轴构成的平面；Oxz平面为以原点0、x轴与ζ轴构成的平面；Oyz平 面为以原点0、y轴与ζ轴构成的平面。光源P的入射矢量为E，方向由光源P指向原点0。 E在空间直角坐标系χ、y和ζ坐标轴上的分矢量分别为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平面上的投影为P’，Exy为矢量 E在Oxy平面上的投影，Exy在x、y轴上的分矢量分别为Ex与Ey。定义矢量E的反方向与ζ 轴正向间的夹角为俯仰角P，矢量E在Oxy平面上的投影OP’与X轴正向夹角为方位角θ， 光源P的空间角度由识和θ组成，识和θ的取值范围分别为
和W，360)。当矢量 E垂直于Oxy平面时，光源角度θ定为0，<3为0或180。令矢量Ex、Ey、Ez、Exy、E的模分别为ex、ey、ez、exy、e，由图3中几何关系，可得
其中 =^je2x+e2y，式中口的取值范围为W，90]。对于其在
范围内的取值，
由光源P的位置来确定当光源P在Oxy平面与ζ轴正向组成的空间内，取值为0，范围为
。以下实施例分别选用正方体和正6棱柱体结构来测定光源(太阳)的角度，实施 例中的传感器选用特性大小相同的太阳能电池。由于正方体或正6棱柱体与光源距离非常 远，可以视为一个点(原点0)。
实施例1本例选用正方体结构来测定光源的角度，即M面体M = 6的一种情况。下面结合 附图进一步说明。图4是用正方体结构来测定光源P的角度的示意图。其中40为正方体；401、406为正方体两平行底面；402、403、404、405为正方体四 个柱面；O点是正方体中心，为光源角度的观测点；P点为光源，正方体的401、402、403三个 面同时受到照射，即N = 3，且这三个面相互垂直的情况。图4中建立的空间直角坐标系以0点为原点，ζ坐标轴垂直于正方体两底面，χ、y 坐标轴分别垂直于正方体任意相邻的两柱面。图5是太阳能电池在正方体上的装配视图。其中:501、502、503、504、505、506分别为装配在正方体 401、402、403、404、405、 406各面上的太阳能电池(或太阳能电池阵列)图6是在图4中建立的空间直角坐标系上，光源P的入射矢量在Oxy平面上的投 影与光源角度θ的关系视图。其中60为正方体柱面在Oxy平面上投影形成的正方形。矢 量Ex、Ey为矢量Exy在坐标轴χ、y上的分矢量。参见图4中建立的空间直角坐标系，可知坐标轴x、y分别垂直于正方形60的相邻 两边，这样，矢量Exy的分矢量Ex、Ey也分别垂直于正方体被光源照射的相邻两柱面，由此， 矢量Ex、Ey即为光源入射矢量在正方体上被光源照射的两个柱面上的垂直分量。令Ex、Ey、Exy的模分别为ex、ey、exy，由图中几何关系，得光源方位角θ的计算关系 式θ = arccos^-
e^y其中 =^/^7^，式中θ的取值范围为
，对于其在
当投影P，位于832，η =1，θ取值范围为[60，120)；
当投影P，位于833，η =2，θ取值范围为[120，180)；
当投影P，位于834，η =3，θ取值范围为[180，240)；
当投影P，位于835，η =4，θ取值范围为[240，300)；
当投影P，位于836，η5，θ取值范围为[300，360)。与实施例1相比，除了两者因多面体结构不同，导致M、N的数值以及对光源角度的 计算关系式不同外，实施例2实现光源角度测定的具体实施步骤与实施例1相同。参见实 施例1，本例光源P的角度测定计算如下本例多面体为正6棱柱结构的多面体，对应M = 8，N = 4的情况。假设本例多面 体中701，702，…，708面上输出的感应电流分别为I1,12，…，I8JnI2,…，I8对应的光源 的入射能量为ei，e2，···，％。采集正6棱柱体上各面输出的感应电流信号，使用与实施例 1相同的步骤，得出图7中光源P照射在正6棱柱体上的面为701、702、706、707，它们对应 的光源入射能量分别为e” e2、e6、e7。参见图7，由701、702、706、707面在空间直角坐标系 上的位置，得光源P位于坐标轴x、y、z正轴所构成的空间内，光源P的投影点P’位于831， Enext、E。、Eprev* Exy的分矢量，它们分别垂直于702、701、706柱面。结合由图3、图8推导出的关系式，计算出光源的角度为θ = θ ‘ d+30 其中exy = ei/cos θ ' d，6>d = arctan(-j=^)。
权利要求
电磁辐射空间角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤A、在M面体的至少N个面上布置传感器，所述N个面具有确定的几何关系；B、使所述N个面接受同一辐射源照射；C、测量所述N个面上的辐射强度在该面特定方向的分量；D、根据所述分量及N个面的几何关系，计算所述辐射源的空间角度；所述M、N为正整数，M＞5，N＞2，且M＞N。
2.根据权利要求1所述的电磁辐射空间角度测量方法，其特征在于，步骤C中所述特定 方向为该面的垂直方向。
3.根据权利要求1或2所述的电磁辐射空间角度测量方法，其特征在于，所述辐射源为 光源。
4.根据权利要求3所述的电磁辐射空间角度测量方法，其特征在于，所述辐射强度为 所述光源入射矢量。
5.根据权利要求4所述的电磁辐射空间角度测量方法，其特征在于，所述光源入射矢 量的模为该光源的入射能量，其与传感器检测的光电流或电压相关。
6.根据权利要求1 5任意一项所述的电磁辐射空间角度测量方法，其特征在于，M= 6，N = 3。
7.根据权利要求6所述的电磁辐射空间角度测量方法，其特征在于，所述M面体为正方 体，所述N个面相互垂直。
全文摘要
本发明涉及空间角度测量技术。本发明针对现有技术对辐射源角度测量不全，算法通用性不强的缺点，公开了一种电磁辐射空间角度测量方法。本发明的技术方案，通过选择几何模型，利用几何模型各平面间的已知几何关系，采集各平面上传感器或装置输出的感应信号得到入射能量，根据入射能量、光源在几何模型各平面上的入射能量与入射角度在矢量空间的等效模型，运用矢量分析方法，推导出光源在几何模型各平面上的入射能量与光源角度的关系式，从而计算出光源角度。本发明可以测量辐射源完整的空间角度，包括方位角和俯仰角。空间角度算法简单，可以灵活地选择各种几何模型，使得传感器或装置的设计布置更加灵活，便于安装使用，具有更广的适用范围。
文档编号G01C1/00GK101907457SQ201010230838
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月19日 优先权日2010年7月19日
发明者王江 申请人:王江