一种基于天空亮度仪的自动零位校正系统技术领域
本发明涉及大气测量仪器领域，具体是一种基于天空亮度仪的自动零位校正系
统。
背景技术
现有技术中的天空亮度仪是用一个或多个辐射接收装置扫描天空以获得亮度分
布，如图1所示。其具有两个工作模式：天空扫描模式和定点测量模式，在天空扫描模式下，
根据自己方位和太阳方位的关系换算出在水平方位和俯仰方位上所需转动的角度值；在定
点测量模式下，天空亮度仪根据用户输入的天空方位角与高度角信息自动正确转向所测方
位，这两个工作模式的前提是天空亮度仪能够确定自己当前的方位，并且在扫描结束后，能
够自动正确地回到初始位置。
为了实现上述功能，现有技术（CN102636267A，公开日：2012年8月15日）在发射装
置与接收装置之间分别设置有开口，当两个开口重叠时定为初始位置，但是，这种设计只能
识别正常情况下的初始零位，然而，若天空亮度仪出现故障和异常断电后，探测器会停止在
扫描方位，当重新开始测量时，需要人工判断探测器的转出方向，并手动沿反方向将探测器
方位归零到初始位置，操作不便，不能满足自动化测量的要求；而且，在设备工作出现异常
时，探测器有可能会一直朝着一个方向旋转多圈，水平转动臂内部的线缆容易互相扭结而
被扯断，存在安全隐患。
发明内容 本发明的目的是提供一种基于天空亮度仪的自动零位校正系统，以解
决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于天空亮度仪的自动零位校正系统，其特征在于：包括机箱，机箱顶部转动安装
有带水平零位定位装置的水平转动臂，所述水平转动臂中心轴线竖向垂直于机箱顶部，且
水平转动臂可绕自身中心轴线360°旋转，水平转动臂上端转动安装有带俯仰零位定位装置
的俯仰转动臂，所述俯仰转动臂中心轴线垂直于水平转动臂中心轴线，且俯仰转动臂可在
竖直面内180°旋转，机箱顶部正对俯仰转动臂处于水平状态的其中一个臂端位置还设有探
测器盒，所述机箱内安装有单片机控制系统，以及分别接入单片机控制系统的信号处理系
统、电机驱动控制模块、复位系统、串行通信模块；
所述水平零位校正定位装置包括水平安装盒、水平定位盘，所述水平安装盒同轴固定
套装在水平转动臂下端，水平安装盒下盖开有一个狭缝A1，水平安装盒内设有水平信号发
射装置，所述水平信号发射装置通过狭缝A1处向下发射出红外光线，所述水平定位盘水平
安装在机箱顶部内壁上，且水平定位盘中心位于水平转动臂中心轴线的延伸线上，水平定
位盘上开有N个向上延伸至贯通机箱顶部的狭缝B1，B2，…,BN，N≥4，N个狭缝依次互成
360°/N角度设置，每个狭缝中分别设有水平信号接收装置，水平信号接收装置接入单片机
控制系统的I/O输入端口，水平信号接收装置向上接收水平信号发射装置向下发射出来的
红外光线，水平转动臂旋转过程中，狭缝A1与狭缝Bi分别对准时，狭缝Bi处的水平信号接收
装置向上接收狭缝A1向下发出的红外光线，i属于1到N，且将狭缝B1对准狭缝A1时作为水平
方向上的初始位置；
所述俯仰零位校正定位装置包括俯仰定位盘，所述俯仰定位盘安装在俯仰转动臂正对
探测器盒的臂端内部，所述探测器盒朝向俯仰定位盘的一面开有狭缝C1，探测器盒内位于
狭缝处设有俯仰信号发射装置，俯仰信号发射装置通过狭缝C1处水平方向发射出红外光
线，所述俯仰定位盘上开有M个贯穿俯仰转动臂臂端的狭缝D1，D2，…,DM，M≥4， M个狭缝除
D1开在俯仰转动臂正下方、DM开在俯仰转动臂正上方外，其余依次在D1和DM之间沿转动半
圆互成180°/(M-1)角度设置，每个狭缝中均设有俯仰信号接收装置，仰信号接收装置亦接
入单片机控制系统的I/O输入端口，俯仰信号接收装置接收俯仰信号发射装置水平发射过
来的红外光线，其中俯仰转动臂旋转过程中，狭缝C1与狭缝Di分别对准时Di处的俯仰信号
接收装置能接收到狭缝C1沿水平方向发出的红外光线，i属于1到N，且将狭缝C1与狭缝D1对
准时作为俯仰方向上的初始位置。
所述的一种基于天空亮度仪的自动零位校正系统，其特征在于：所述的水平转动
臂和俯仰转动臂均为中空的管状结构。
所述的一种基于天空亮度仪的自动零位校正系统，其特征在于：所述的水平定位
盘和俯仰定位盘是环盘状结构，中间为中空的转轴线缆通道，用于连通机箱与水平转动臂
的内部走线通道。
所述的一种基于天空亮度仪的自动零位校正系统，其特征在于：所述的水平信号
发射装置、俯仰信号发射装置均为红外发射二极管。
所述的一种基于天空亮度仪的自动零位校正系统，其特征在于：所述的水平信号
接受装置、俯仰信号接收装置均为红外接收三极管。
所述的一种基于天空亮度仪的自动零位校正系统，其特征在于：所述水平定位盘
开有四个狭缝并进行编号区分，将编号对应的狭缝传感器信号连接在单片机不同的I/O口
线上，并在单片机控制系统内部将狭缝编号和对应口线一一对应制表，四个狭缝依次互成
90°设置，四个狭缝即可分别代表东、南、西、北四个方位。
所述的一种基于天空亮度仪的自动零位校正系统，其特征在于：所述俯仰定位盘
开有五个狭缝并进行编号区分，将编号对应的狭缝传感器信号连接在单片机不同的I/O口
线上，并在单片机控制系统内部将狭缝编号和对应口线一一对应制表，所述五个狭缝依次
互成45°设置，五个狭缝即可分别代表竖直向上、斜上45°、水平、斜下45°、竖直向下五个方
位。
本发明提出一种基于天空亮度仪的自动零位校正系统，以使得在测量天空亮度过
程中，无论上次关机前天空亮度仪是否工作正常或是否处于初始位置，天空亮度仪上电开
机后均能够根据上次关机前记录的方位值范围和转出方向来自动地按正确方向转回到初
始位置，不需要人工进行干预，并且不会损坏内部线缆，从而提高设备工作可靠性和自动化
程度。
与现有技术相比本发明具有的积极效果在于：
1）在水平和俯仰定位盘上分别开多个带有编号的狭缝，将编号对应的狭缝传感器信号
连接在单片机不同的I/O口线上，并在单片机内部将狭缝编号和对应口线一一对应制表，这
样即可利用不同编号的狭缝来代表不同的方位，通过记录传感器转过的狭缝个数和顺序，
从而判断探测器的水平和俯仰旋转的方向和停止方位所在的区间（例如，若水平转动臂先
越过1号北，再越过2号东，未越过3号南，则可知探测器水平是顺时针转动，且水平方位处在
2号东和3号南之间，即东南方向；反之，若水平转动臂先越过1号北，再越过4号西，未越过3
号南，则可知探测器水平是逆时针转动，且水平方位处于4号西和3号南之间，即西南方向，
俯仰亦同理），不需要角度传感器，并用光电二极管和接收三极管作为发射和接收传感器，
硬件成本简单，廉价，不易损坏且可靠性高。
2）根据用户输入的测量方位，当越过每一个狭缝时实时记录传感器转过的狭缝序
号和顺序，即可判断探测器当前是顺时针旋转还是逆时针旋转，并将其所需旋转角度精确
到在两个狭缝的方位之间，这样当设备运行过程中出现故障或异常断电等意外情况时，单
片机系统已经记录下了关机瞬间探测器的转出方向和方位区间，则在下次开机进行零位校
正时，就能够根据上次关机前记录的方位区间和转出方向来自动地按正确方向转回到初始
位置，从而不需要人工进行干预。并且，由于天空亮度仪的电缆线均设置在水平转动臂、机
箱、俯仰转动臂的内部空腔内，因此，转动臂不能朝一个方向一直转，否则会扯断内部的电
缆线，损坏仪器，本发明的装置，能够保证水平旋转朝一个方向不会超过360°，旋转一圈后，
则报警或向反方向旋转。这样天空亮度仪能够自动校正到零位，即准确回到初始位置，从而
能够自动地正确地跟踪到太阳，操作方便，且不易损坏探测器。
附图说明
图1天空亮度仪结构图。
图2是水平定位盘结构图。
图3是俯仰定位盘结构图。
具体实施方式
参见图1，一种基于天空亮度仪的自动零位校正系统，自动零位校正系统应用于所
述天空亮度仪，天空亮度仪包括：机箱1、机箱1上安装有带有水平零位定位装置的垂直于机
箱的能够360°旋转的水平转动臂2、带有俯仰零位定位装置的平行于机箱的能够上下180°
旋转的俯仰转动臂3，俯仰转动臂3转动地安装在水平转动臂2上，机箱1的内部安装有单片
机控制系统和与单片机控制系统相连的信号处理系统、电机驱动控制模块、复位系统、串行
通信模块，水平转动臂2和俯仰转动臂3均具有一个中空的管状结构来进行内部走线。
自动零位校正系统包括水平零位校正定位装置和俯仰零位校正定位装置，水平零
位校正定位装置包括水平安装盒、水平定位盘、水平信号接收装置（多个）和水平信号发射
装置（一个），水平转动臂下端设有平行于地面的水平安装盒，水平安装盒下盖开有一个狭
缝A1，水平信号发射装置安装在水平安装盒内通过所述狭缝A1处向下发射出红外光线，水
平定位盘如图2平行于地面安装在与水平安装盒内水平信号发射装置对应的机箱顶部内壁
上，水平定位盘向上开有N个贯穿机箱顶部上面板的狭缝并分别编号区分为B1,B2，…,BN，N
≥4， N个狭缝依次互成（360/N）°角度设置（参见图2），N个狭缝B1,B2，…,BN处各有一个水
平信号接收装置向上接收水平信号发射装置向下发射出来的红外光线，其中水平转动臂旋
转过程中，可以使得所述狭缝A1与狭缝Bi（i属于1到N）分别对准时Bi处的水平信号接收装
置能向上接收到A1向下发出的红外光线，且将狭缝B1对准狭缝A1时（此时水平转动臂朝向
正北）作为水平方向上的初始位置。
俯仰零位校正定位装置包括俯仰安装盒、俯仰定位盘、俯仰信号接收装置（多个）
和俯仰信号发射装置（一个），水平转动臂顶端设有俯仰安装盒，俯仰安装盒垂直地面方向
开有一个狭缝C1，俯仰信号发射装置安装在俯仰安装盒内通过狭缝C1处水平方向发射出红
外光线，俯仰定位盘垂直于地面安装在面对俯仰信号发射装置一侧的俯仰转动臂内壁上，
俯仰定位盘上沿俯仰转动轴在转动半圆范围内开有M个贯穿俯仰转动臂内壁的狭缝分别编
号区分为D1,D2，…,DM，M≥5， M个狭缝除D1开在俯仰转轴正下方、DM开在俯仰转轴正上方
外，其余依次在D1和DM之间沿转动半圆互成〔180/(M-1)〕°角度设置（参见图3），M个狭缝D1,
D2，…,DM处各有一个俯仰信号接收装置接收俯仰信号发射装置水平发射过来的红外光线，
其中俯仰转臂旋转过程中，可以使得所述狭缝C1与狭缝Di（i属于1到N）分别对准时Di处的
俯仰信号接收装置能接收到C1沿水平方向发出的红外光线，且将狭缝C1与狭缝D1对准时
（此时俯仰转动臂竖直朝下）作为俯仰方向上的初始位置。
水平和俯仰信号发射装置连接+5V供电和接地，保持长期不间断发光，水平和俯仰
信号接收装置的输出端一一连接单片机控制系统的I/O输入端口，水平安装盒上的狭缝A1
未与水平定位盘上的任何狭缝对准时，以及俯仰安装盒上的狭缝C1未与俯仰定位盘上的任
何狭缝对准时，所有的水平信号接收装置和所有的俯仰信号接收装置均对单片机输出低电
平。而当水平狭缝A1与狭缝Bi（i属于1到N）分别对准时，则Bi处的水平信号接收装置能向上
接收到A1向下发出的红外光线，输出高电平给单片机控制系统；而其他处的水平信号接收
装置接收不到红外光线，输出低电平。同理，当俯仰狭缝C1与狭缝Di（i属于1到N）分别对准
时，则Di处的俯仰信号接收装置能接收到C1沿水平方向发出的红外光线，输出高电平给单
片机控制系统；而其他处的俯仰信号接收装置接收不到红外光线，输出低电平。
参见附图2和图3，水平定位盘和俯仰定位盘是环盘状结构，中间为中空的转轴线
缆通道，用于连通机箱与水平、俯仰转动臂的内部走线通道。
本发明的操作流程为：
定点观测：根据用户输入的测量方位和当前在初始位置上的角度零位，计算出水平俯
仰转动臂需要旋转的角度值并转向测量方位，水平转动臂和俯仰转动臂在转动过程中每越
过一个定位接收装置记录一次旋转方向和角度区间并与设定的转动角进行比较，通过记录
传感器转过的狭缝个数和顺序，可以判断探测器是顺时针旋转还是逆时针旋转，并将其所
需旋转角度精确到在两个狭缝之间，当测量完成发送回初始位置命令时，即可根据记录的
转出方向和转出角度而沿反方向正确回到初始位置，等待下一方位测量命令。
全天空扫描：在不同高度角上呈网格状每隔10°扫描一圈全天空，共扫描8圈。第一
圈顺时针第二圈逆时针，以此类推，以保证一个完整周期内探测器顺时针和逆时针圈数相
同而不绕线。在扫描转动过程中水平转动臂和俯仰转动臂每越过一个定位接收装置记录一
次旋转方向和角度区间并与设定的转动角进行比较，通过记录传感器转过的狭缝个数和顺
序，可以判断探测器此时是顺时针旋转还是逆时针旋转，并将其所需旋转角度精确到在两
个狭缝之间。当测量中途发送停止测量命令而回初始位置时，即可根据记录的转出方向和
转出角度而沿反方向正确回到初始位置，等待下一方位测量命令。当测量途中出现故障或
异常断电等意外状况后，探测器会停止在扫描方位，此时设备已经记录下了当前方位的转
出方向和方位区间，当下次开机时，天空亮度仪即可根据上次的记录自动正确地转回到初
始位置而无需人工干预，从而大大提高设备可靠性和自动化程度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的
范围内，可轻易想到的变化，都应涵盖在发明的保护范围之内。