CN103149557A - 一种机载扫描激光雷达随机指向误差的分析方法 - Google Patents

Abstract

机载扫描激光雷达随机指向误差的分析方法是一种应用于激光雷达误差溯源的方法。它能解决现有的机载激光雷达系统误差分析方法无法分析激光束随机指向误差的问题。本发明建立机载激光雷达指向误差的蒙特卡洛随机模型，分析当指向误差主要影响因子的取值发生随机微小变化时，激光脚点三维坐标误差的统计分布规律。建立机载平台随机振动下坐标误差的概率统计分析模型，在特定可信度下对平台随机振动产生的坐标误差的总体均值进行区间估计和假设检验。本发明用于分析机载激光雷达指向误差的随机特性。

Description

一种机载扫描激光雷达随机指向误差的分析方法

技术领域

本发明涉及一种应用于机载激光雷达的误差分析方法。

背景技术

机载激光雷达作为获取高分辨率三维空间信息的全新工具，在地形测绘、资源勘探、灾害监测等方面应用广泛。激光雷达扫描过程中，若激光束与扫描镜之间的对准关系发生偏离，那么经扫描镜反射后出射的激光束会产生指向误差，主要表现为俯仰角误差、侧滚角误差、偏航角误差和扫描角误差，导致DSM数据坐标偏移，严重影响激光脚点定位精度。目前国内外学者根据激光雷达各子系统的工作原理和系统误差形成机理，分析激光束指向误差的影响因素以及对激光雷达探测数据精度的影响。但是由于大气湍流扰动和飞机发动机振动引起的机载平台速度变化、姿态抖动、扫描镜振动、载荷内部扫描机构控制误差等，激光束指向误差对激光脚点定位精度的影响突出表现为随机性，即使系统误差相同，不同时刻不同激光脚点激光束指向误差对其三维坐标精度的影响也不同。运用现有的系统误差分析方法无法分析机载激光雷达随机指向误差，造成误差溯源结果与实际测量结果之间具有较大偏差，存在准确度低、适用范围窄、偶然因素大、校正效果差等问题。本发明提出一种机载激光雷达随机指向误差的分析方法，以统计学为基础将随机误差与系统误差融为一体，对激光束指向误差进行建模分析，具有精度高、实效好、操作方便等优点，可为运动状态下激光雷达高分辨率成像的高精度补偿提供理论和方法支持。

发明内容

为了解决现有的机载激光雷达系统误差分析方法无法分析激光束随机指向误差的问题，本发明提出一种机载激光雷达随机指向误差的分析方法，具体发明内容如下：

1.建立机载激光雷达指向误差的蒙特卡洛随机模型，其步骤包括：

（1）分析影响激光脚点三维坐标误差的因素，建立统一的误差传递方程；

（2）根据激光雷达定位方程中各个参数的理想值，计算无误差时激光脚点在WGS84坐标系下的三维坐标(X₈₄,Y₈₄,Z₈₄)；

（3）估计机载激光雷达实际飞行作业时各参数误差的统计分布规律；

（4）用蒙特卡洛法计算考虑参数误差后的激光脚点三维坐标(X₈₄’,Y₈₄’,Z₈₄)；

（5）计算三维坐标误差(ΔX₈₄,ΔY₈₄,ΔZ₈₄)=(x₈₄’,y₈₄’,Z₈₄’)-(x₈₄,y₈₄,Z₈₄)；

（6）返回步骤（3），进行多次循环计算，得到激光脚点三维坐标误差的统计分布规律。

2.建立机载平台随机振动下坐标误差的概率统计分析模型，其步骤包括：

（1）根据平台振动特征频率与激光脚点三维坐标误差之间的映射关系，分析特征频率服从典型随机概率分布（正态分布、均匀分布、指数分布、伽马分布、威布尔分布）时，坐标误差的随机概率分布；

（2）通过对一定容量的三维坐标误差样本进行统计分析，估计出服从特定随机概率分布的三维坐标误差的总体均值在特定可信度下的估计区间；

（3）在特定显著性水平下对坐标误差的总体均值做出假设，通过抽取的样本信息对提出的假设进行检验，最后做出判断是接受假设还是拒绝假设。

附图说明

图1为机载激光雷达指向误差的蒙特卡洛随机模型流程图；

图2为机载平台随机振动下坐标误差的概率统计分析模型流程图。

具体实施方式

下面描述本发明的具体实施方式：

（1）确定需要分析的机载激光雷达指向误差的主要影响因子；

（2）利用机载激光雷达指向误差的蒙特卡洛随机模型，分析当主要影响因子取值发生随机微小变化时，激光脚点三维坐标误差的统计分布规律；

（3）确定机载平台振动频率服从的概率分布，通过机载平台随机振动下坐标误差概率统计分析模型的步骤（1），求出坐标误差的概率分布；

（4）输入三维坐标误差样本，设置可信度，通过机载平台随机振动下坐标误差概率统计分析模型的步骤（2），求出三维坐标误差的总体均值；

（5）设置显著性水平，输入坐标误差总体均值的假设值，通过机载平台随机振动下坐标误差概率统计分析模型的步骤（3），得到假设检验结果。

Claims (3)

1.本发明建立机载激光雷达指向误差的蒙特卡洛随机模型，分析当指向误差主要影响因子的取值发生随机微小变化时，激光脚点三维坐标误差的统计分布规律。建立机载平台随机振动下坐标误差的概率统计分析模型，在特定可信度下对平台随机振动产生的坐标误差的总体均值进行区间估计和假设检验。

2.按照权利要求1所述的机载激光雷达指向误差的蒙特卡洛随机模型，其特征是模型的建立步骤包括：

（1）分析影响激光脚点三维坐标误差的因素，建立统一的误差传递方程；

（2）根据激光雷达定位方程中各个参数的理想值，计算无误差时激光脚点在WGS84坐标系下的三维坐标；

（3）估计机载激光雷达实际飞行作业时各参数误差的统计分布规律；

（4）用蒙特卡洛法计算考虑参数误差后的激光脚点三维坐标；

（5）计算三维坐标误差；

（6）返回步骤（3），循环计算，得到激光脚点三维坐标误差统计分布规律。

3.按照权利要求1所述的机载平台随机振动下坐标误差的概率统计分析模型，其特征是模型的建立步骤包括：

（1）根据平台振动特征频率与激光脚点三维坐标误差之间的映射关系，分析特征频率服从典型随机概率分布时，坐标误差的随机概率分布；

（2）通过对一定容量的三维坐标误差样本进行统计分析，估计出服从特定随机概率分布的三维坐标误差的总体均值在特定可信度下的估计区间；

（3）在特定显著性水平下对坐标误差的总体均值做出假设，通过抽取的样本信息对提出的假设进行检验，最后做出判断是接受假设还是拒绝假设。

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