CN104820217A - 一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，包括以下步骤：1)获取多个不同方位的平面靶板的观测数据，拟合靶板平面方程；2)获取检校区域内多个平面靶板的点云数据并进行预处理，建立基于多法向平面的多元激光雷达***误差检校模型；3)根据***误差检校模型，通过迭代平差解算，得到初步***误差检校参数；4)对初步***误差检校参数进行粗差剔除，获得最佳校验参数，判断是否含有大于给定阈值的观测值，若是，则将粗差值剔除并返回步骤3)，若否，则进行步骤5)；5)评定初步***误差检校参数的精度，得到最终检校参数。与现有技术相比，本发明具有全参数检校模型、简化检校实验场建立、实验结果精确等优点。

Description

一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法

技术领域

本发明涉及一种雷达的检校方法，尤其是涉及一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法。

背景技术

三维成像激光雷达具有三维轮廓和外貌成像能力，可获取目标的多种图像，如距离像、强度像和距离-角度像等，具有高的距离和角度分辨率，图像特征稳定，抗干扰能力强，抗目标隐身能力强。多元线阵探测成像激光雷达采用线阵探测器接收，每次可获得一列16个位置的距离和回波强度数据，通过推扫或二维光机扫描实现所有像素数据的采集，最终获得多个激光点和强度影像，其成像速率远高于单元探测器二维扫描成像技术，且由于线阵探测器产品较丰富、阵元数目多，能获得较高分辨率图像,是一种颇具优势和潜能的成像探测技术，适合于精确的避障、导航、制导、着陆落点选择、航天器空间交会对接，对地遥感观测、地形测绘、无人车和机器人的避障、导航等，在军民两大领域均具有广阔的发展前景和应用需求。多元线阵探测成像激光雷达在测量过程中受到多种误差因素的影响，包括多个激光测距误差、测角误差和其他误差等。为了保证数据质量，必须对影响多元线阵探测成像激光雷达成像质量的误差因素进行建模，计算相关误差，提高多元线阵探测成像激光雷达的质量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种全参数检校模型、简化检校实验场建立、实验结果精确的多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，包括以下步骤：

1)获取多个不同方位的平面靶板的高精度观测数据，拟合靶板平面方程；

2)通过多元线阵探测成像激光雷达获取检校区域内多个平面靶板的点云数据，包括多元距离和角度的极坐标值，对点云数据进行预处理，建立基于多法向平面的多元激光雷达***误差检校模型；

3)根据基于多法向平面的多元激光雷达***误差检校模型，对多元线阵探测成像激光雷达的***误差和外方位元素进行迭代平差解算，得到初步***误差检校参数；

4)对初步***误差检校参数进行粗差剔除，根据平差结果的残差分布进行统计分析，判断是否含有大于给定阈值的观测值，若是，则将粗差值剔除并返回步骤3)，若否，则进行步骤5)；

5)根据改正后的点云数据与靶板平面方程的距离偏差值评定粗差剔除后的初步***误差检校参数的精度，得到最终检校参数。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)通过高精度全站仪对靶板平面进行观测，获取平面上均匀分布离散点的高精度三维空间坐标；

12)利用最小二乘法对三维空间坐标拟合得到靶板平面方程。

3所述的步骤2)中的预处理为将点云数据在激光扫描坐标系下的极坐标值(x',y',z')转换为基于全站仪直角坐标系的直角坐标值(X'，Y'，Z')，所述的点云数据的极坐标值包括径向距离、水平角和垂直角，并依据点云的各平面归属情况，对点云数据进行分割提取，建立识别编号。

所述的点云数据的极坐标值转换为直角坐标值(X'，Y'，Z')的公式为：

      

      

       $n=\left[\begin{array}{c}-\sin 2{{\mathrm{\θ}}_x}^{\′}\\ -\cos 2{{\mathrm{\θ}}_x}^{\′}\\ \cos 2{{\mathrm{\θ}}_x}^{\′}\·\cos 2{{\mathrm{\θ}}_y}^{\′}-\sin 2{{\mathrm{\θ}}_y}^{\′}\·\tan {\mathrm{\θ}}_k\end{array},\·\sin 2{{\mathrm{\θ}}_y}^{\′}-\cos 2{{\mathrm{\θ}}_y}^{\′}\·\tan {\mathrm{\θ}}_k\right]$

其中，(X₀,Y₀,Z₀)为激光扫描坐标系与全站仪坐标系的平移参数，为激光扫描坐标系与全站仪直角坐标系之间的旋转角，平移参数和旋转角称为外方位元素，ρ′_i为改正后的距离测量值，θ′_x为改正后的水平角测量值，θ′_y为改正后的竖直角测量值，θ_i为多元线阵探测成像激光雷达的各探测单元间的竖直夹角，b和e均为已知的仪器设计参数。

所述的步骤2)中的基于多法向平面的多元激光雷达***误差检校模型为：

       ${{\mathrm{\ρ}}_i}^{\′}={\mathrm{\ρ}}_i+v_{{\mathrm{\ρ}}_i}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_i$

Δρ_i＝A_i

       ${{\mathrm{\θ}}_x}^{\′}={\mathrm{\θ}}_x+v_{{\mathrm{\θ}}_x}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_x$

Δθ_x＝B₁+B₂sec(θ_y)+B₃tan(θ_y)

       ${{\mathrm{\θ}}_y}^{\′}={\mathrm{\θ}}_y+v_{{\mathrm{\θ}}_y}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_y$

Δθ_y＝C₁

其中，ρ_i为第i个探测单元观测值，为第i个探测单元测距值的随机误差，Δρ_i为第i个探测单元测距的***误差，A_i为第i个探测单元的零点偏离误差，θ′_x为多元线阵探测成像激光雷达改正后的水平角值，θ_x为多元线阵探测成像激光雷达水平角的观测值，为水平角观测值的改正数，Δθ_x为水平测角的***误差，B₁为水平摆镜的电机偏转误差，B₂为视准轴误差，B₃为水平轴误差，C₁为竖直摆镜误差，θ′_y为多元线阵探测成像激光雷达改正后的竖直角值，Δθ_y为竖直角的***误差，θ_y为多元线阵探测成像激光雷达竖直角的观测值，为竖直角观测值的改正数。

所述的步骤3)中多元线阵探测成像激光雷达的***误差检校模型的迭代解算包括以下步骤：

31)假定在全站仪坐标系下某个平面j的单位法向量为n_j＝(a_j,b_j,c_j)，全站仪坐标系的原点到该平面j的垂直距离为d_j，该平面上的任一点可以表示为：

       $[a_j,b_j,c_j]\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right]-d_j=0;$

32)设定多元线阵探测成像激光雷达的观测值集L(ρ₁,ρ₂,...,ρ_k,θ_x,θ_y)和待定参数集则步骤31)中的方程表示为：

       $f(\hat{L},\hat{L})=0$

其中，为L的最大似然估计集，为T的最大似然估计集；

33)对步骤32)中的公式进行线性化，得到线性化后的公式为：

       $f(L_0,T_0)+\frac{\∂f}{\∂\hat{L}}{|L_0,T_0\·V+\frac{\∂f}{\∂\hat{T}}|}_{L_0,T_0}\·t=0$

      

其中，V为观测量近似值的改正数，t为误差参数近似值的改正数，L₀为的初始值，T₀为的初始值，v_ρ1、v_ρ2…v_ρk为三维激光扫描仪总共k个探测单元距离观测值的改正数，ΔA₁、ΔA₂......ΔA_k为k个距离误差参数近似值的改正数，ΔB₁、ΔB₂、ΔB₃、ΔC₁分别为视准轴误差参数的改正数、水平轴误差参数的改正数和垂直角误差参数近似值的改正数，Δω、Δκ、ΔX、ΔY、ΔZ分别为6个外方位元素误差参数近似值的改正数；

34)建立迭代解算方程，迭代解算方程为：

       $\underset{m\×n}{A}\underset{n\×1}{V}+\underset{m\×u}{B}\underset{u\×1}{t}-\underset{m\×1}{W}=0$

       $\left\{\begin{array}{c}A=\frac{\∂f}{\∂\hat{L}}{|}_{L_0,T_0}\\ B=\frac{\∂f}{\∂\hat{T}}{|}_{L_0,T_0}\\ W=-f(L_0,T_0)+A\·(L_0-L)\end{array}\right.$

其中，m为参与平差的点的个数，n为观测值个数且n＝k+2，u为待定参数的个数，且u＝k+10；

35)对迭代解算方程进行迭代解算，迭代初始，设定的初值等于L，的初值等于0，在每一次平差迭代过程中，L₀和T₀根据上一次平差后的改正数进行更新，得到初步***误差检校参数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、全参数检校模型：提出了一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，建立了多元线阵激光雷达的全参数检校模型，将***误差、随机误差和两个坐标系的外方位元素改正数整体平差计算，考虑全面，计算更加准确。

二、简化检校实验场建立：本方法使用多个不同方向的平面靶板作为基准平面，建立检校场地，可快速、高校的完成多元激光雷达的***误差检校工作。

三、实验结果精确：实验使用本发明的***误差检校方法，使精度提升最高达到90％，有效提高了多元线阵探测成像激光雷达的成像质量和测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图。

图2为实施例中检校前的点云图。

图3为实施例中检校后的点云图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

本发明涉及一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，其具体步骤如下：

1)平面靶板基准数据的获取：利用高精度全站仪对靶板平面进行观测，获取平面上均匀分布离散点的高精度三维空间坐标，并利用最小二乘法根据测量坐标拟合出平面的基准方程；

2)平面靶板扫描仪点云数据的获取：使用多元线阵探测成像激光雷达，获取检校区域内的点云数据，并将原始的极坐标值(径向距离，水平角和垂直角)，转换成直角坐标值(X'，Y'，Z')；依据点云的各平面归属情况，对多元线阵探测成像激光雷达的点云数据进行分割提取，并且对其建立识别编号；

3)基于平面的***误差检校解算：利用基于平面的多元激光雷达***误差检校模型，采用迭代平差解算的方法；

4)解算参数的稳健性估计：利用平差结果的残差分布进行统计分析，探测出大于给定阈值的相应原始观测值，将粗差值剔除并重新进行上一步解算，直到解算出最佳检校参数；

5)解算参数的精度评定：将解算***误差参数对原始观测值进行改正后与基准值比较分析，统计出最终参数的精度。

本次多元线阵探测三维激光雷达扫描仪采用16个激光探测单元，水平和垂直角度采样率均为2mrad，在50～100m的范围内相邻扫描点的间隔可以达到10cm～20cm，即在100m处扫描的激光点密度约为25点/m2。检校场共摆放11个具有不同倾角和方位的平面板，每个平面的尺寸为4m×2m，并从左至右依次编为1至11号，用于激光雷达扫描仪***误差检校。

原始点云如图2所示，由于未检校的多元线阵探测成像激光雷达存在多个探测单元的测距和测角误差，且各探测单元的***误差并不相同，因此原始点云无法反映真实的平面位置及形状，同时水平扫描电机存在着角度误差，平面在不同扫描带上存在着明显的错位现象。

使用本发明提出的基于平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，对多元线阵探测成像激光雷达进行检校。检校后的点云如图3所示，能真实反应出平面形状，原先存在的不同探测单元间较大的差异性，也基本校正，各扫描带之间的错位现象被消除。

对检校前后各平面进行拟合，并计算各点云到相应平面方程的距离偏差(即平面拟合误差)，评定检校质量。从表1各可以看出，各平面的平整度，检校前的中误差基本在30cm左右，检校后，误差显著降低，除最边缘的1号和11号平面外，其余平面的平整度都优于4cm，精度最高提升了90％，由于***硬件设计影响，实验用的多元线阵探测成像激光雷达最佳水平视场角为±12°，1和11号平面位于水平视场最边缘，与视场中心线的夹角达到13°，虽然不在最佳视场范围之内，但检校后的的平整度也可以达到7.5cm，证明该方法能有效提高多元线阵探测成像激光雷达的测量精度和成像质量。

表1 检校前后平面精度

      

本专利提出的一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，在不需要使用专门的硬件设备基础上，对外方位元素、多元测距***误差、水平角误差、竖直角误差和各观测值的随机误差进行统一建模，并使用基于平面的方法，对***误差进行精确计算。使用本文方法对国产的多元线阵探测成像激光雷达进行***误差检校，检校后的平面平整度可优于4cm，精度提升最高达到90％，有效提高了多元线阵探测成像激光雷达的成像质量和测量精度。

Claims (6)

1.一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取多个不同方位的平面靶板的高精度观测数据，拟合靶板平面方程；

2)通过多元线阵探测成像激光雷达获取检校区域内多个平面靶板的点云数据，包括多元距离和角度的极坐标值，对点云数据进行预处理，建立基于多法向平面的多元激光雷达***误差检校模型；

3)根据基于多法向平面的多元激光雷达***误差检校模型，对多元线阵探测成像激光雷达的***误差和外方位元素进行迭代平差解算，得到初步***误差检校参数；

4)对初步***误差检校参数进行粗差剔除，根据平差结果的残差分布进行统计分析，判断是否含有大于给定阈值的观测值，若是，则将粗差值剔除并返回步骤3)，若否，则进行步骤5)；

5)根据改正后的点云数据与靶板平面方程的距离偏差值评定粗差剔除后的初步***误差检校参数的精度，得到最终检校参数。

2.根据权利要求1所述的一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)通过高精度全站仪对靶板平面进行观测，获取平面上均匀分布离散点的高精度三维空间坐标；

12)利用最小二乘法对三维空间坐标拟合得到靶板平面方程。

3.根据权利要求1所述的一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，其特征在于，所述的步骤2)中的预处理为将点云数据在激光扫描坐标系下的极坐标值(x',y',z')转换为基于全站仪直角坐标系的直角坐标值(X'，Y'，Z')，所述的点云数据的极坐标值包括径向距离、水平角和垂直角，并依据点云的各平面归属情况，对点云数据进行分割提取，建立识别编号。

4.根据权利要求3所述的一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，其特征在于，所述的点云数据的极坐标值转换为直角坐标值(X'，Y'，Z')的公式为：

$n=\left[\begin{array}{c}-\sin 2{{\mathrm{\θ}}_x}^{\′}\\ -\cos 2{{\mathrm{\θ}}_x}^{\′}\·\sin 2{{\mathrm{\θ}}_y}^{\′}-\cos 2{{\mathrm{\θ}}_y}^{\′}\·\tan {\mathrm{\θ}}_k\\ \cos 2{{\mathrm{\θ}}_x}^{\′}\·\cos 2{{\mathrm{\θ}}_y}^{\′}-\sin 2{{\mathrm{\θ}}_y}^{\′}\·\tan {\mathrm{\θ}}_k\end{array}\right]$

其中，(X₀,Y₀,Z₀)为激光扫描坐标系与全站仪坐标系的平移参数，为激光扫描坐标系与全站仪直角坐标系之间的旋转角，平移参数和旋转角称为外方位元素，ρ_i'为改正后的距离测量值，θ_x'为改正后的水平角测量值，θ_y'为改正后的竖直角测量值，θ_i为多元线阵探测成像激光雷达的各探测单元间的竖直夹角，b和e均为已知的仪器设计参数。

5.根据权利要求1所述的一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，其特征在于，所述的步骤2)中的基于多法向平面的多元激光雷达***误差检校模型为：

${{\mathrm{\ρ}}_i}^{\′}={\mathrm{\ρ}}_i+{v_{\mathrm{\ρ}}}_i+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_i$

Δρ_i＝A_i

${{\mathrm{\θ}}_x}^{\′}={\mathrm{\θ}}_x+{v_{\mathrm{\θ}}}_x+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_x$

Δθ_x＝B₁+B₂sec(θ_y)+B₃tan(θ_y)

${{\mathrm{\θ}}_y}^{\′}={\mathrm{\θ}}_y+{v_{\mathrm{\θ}}}_y+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_y$

Δθ_y＝C₁

其中，ρ_i为第i个探测单元观测值，为第i个探测单元测距值的随机误差，Δρ_i为第i个探测单元测距的***误差，A_i为第i个探测单元的零点偏离误差，θ_x'为多元线阵探测成像激光雷达改正后的水平角值，θ_x为多元线阵探测成像激光雷达水平角的观测值，为水平角观测值的改正数，Δθ_x为水平测角的***误差，B₁为水平摆镜的电机偏转误差，B₂为视准轴误差，B₃为水平轴误差，C₁为竖直摆镜误差，θ_y'为多元线阵探测成像激光雷达改正后的竖直角值，Δθ_y为竖直角的***误差，θ_y为多元线阵探测成像激光雷达竖直角的观测值，为竖直角观测值的改正数。

6.根据权利要求1所述的一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，其特征在于，所述的步骤3)中多元线阵探测成像激光雷达的***误差检校模型的迭代解算包括以下步骤：

31)假定在全站仪坐标系下某个平面j的单位法向量为n_j＝(a_j,b_j,c_j)，全站仪坐标系的原点到该平面j的垂直距离为d_j，该平面上的任一点可以表示为：

$[a_j,b_j,c_j]\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right]-d_j=0;$

32)设定多元线阵探测成像激光雷达的观测值集L(ρ₁,ρ₂,...,ρ_k,θ_x,θ_y)和待定参数集则步骤31)中的方程表示为：

$f(\hat{L},\hat{T})=0$

其中，为L的最大似然估计集，为T的最大似然估计集；

33)对步骤32)中的公式进行线性化，得到线性化后的公式为：

$f(L_0,T_0)+{\frac{\∂f}{\∂\hat{L}}|}_{L_0,T_0}\·V+{\frac{\∂f}{\∂\hat{T}}|}_{L_0,T_0}\·t=0$

其中，V为观测量近似值的改正数，t为误差参数近似值的改正数，L₀为的初始值，T₀为的初始值，为三维激光扫描仪总共k个探测单元距离观测值的改正数，ΔA₁、ΔA₂......ΔA_k为k个距离误差参数近似值的改正数，ΔB₁、ΔB₂、ΔB₃、ΔC₁分别为视准轴误差参数的改正数、水平轴误差参数的改正数和垂直角误差参数近似值的改正数，Δω、Δκ、ΔX、ΔY、ΔZ分别为6个外方位元素误差参数近似值的改正数；

34)建立迭代解算方程，迭代解算方程为：

$\underset{m\×n}{A}\underset{n\×1}{V}+\underset{m\×u}{B}\underset{u\×1}{t}-\underset{m\×1}{W}=0$

$\left\{\begin{array}{c}A={\frac{\∂f}{\∂\hat{L}}|}_{L_0,T_0}\\ B={\frac{\∂f}{\∂\hat{T}}|}_{L_0,T_0}\\ W=-f(L_0,T_0)+A\·(L_0-L)\end{array}\right.$

其中，m为参与平差的点的个数，n为观测值个数且n＝k+2，u为待定参数的个数，且u＝k+10；

35)对迭代解算方程进行迭代解算，迭代初始，设定的初值等于L，的初值等于0，在每一次平差迭代过程中，L₀和T₀根据上一次平差后的改正数进行更新，得到初步***误差检校参数。