CN106291512A - 一种阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正的方法 - Google Patents

Abstract

一种阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正的方法，采用N个激光通道的阵列推扫式激光雷达探测靶板，改变所述阵列推扫式激光雷达与靶板相对位置，对靶板进行M次探测，获取各激光通道对应的激光雷达数据和全站仪数据，并通过坐标转换等操作，构建非均匀性校正模型，以任一激光通道的实际测距值为基准校正其它各激光通道的实际测距值。

Description

一种阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正的方法

技术领域

本发明涉及光电子行业激光雷达技术领域，尤其涉及一种阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正方法。

背景技术

随着激光雷达技术的快速发展，阵列推扫式激光雷达由于其特有的高精度、快速成像的优势，已成为国内外研究热点。阵列推扫式激光雷达每次脉冲能获得多个点的位置信息，仅需沿飞行方向进行一维扫描即可完成区域成像，极大地提高了成像速度，在高分辨率、大面积、快速三维成像领域存在极大的技术优势和广阔的应用前景。

有别于单元探测激光雷达，阵列推扫式激光雷达分别在激光发射、回波接收和回波探测的过程中，由于各通道发射能量不同、探测光学系统各视场能量衰减不同、不同探元的响应灵敏度不一致，使得激光雷达探测相同距离的目标时各通道所获取的距离值不同，从而导致阵列推扫式激光雷达各通道间存在测距非均匀性，降低了获取三维数据的精度，为保证激光雷达的数据质量，需要进行测距非均匀性校正。

目前对于阵列推扫式激光雷达误差校正的研究主要集中在校正激光绝对测距精度、测角精度、系统安置误差等对点云定位精度的影响方面，而阵列推扫式激光雷达的测距非均匀性校正尚未得到广泛研究。已有的测距非均匀性校正方法是从光学系统与探测器两个角度出发分析激光雷达测距不均匀产生的原因，在光学系统方面，利用质心算法提高计时精度，改善了阵列探测器各探元对信号回波响应的非均匀性；在探测器方面，调整各通道探测器增益来增大信噪比，校正了各通道测距差异。

上述方法是通过硬件手段校正测距非均匀性，但需要在数据采集时对器件增益参数做出调整，校正结果仅对当前的数据有效，每次试验需要重新进行均匀性校正。因此有必要从数据处理的角度提出一种更高效、适应性广，且能更好地消除各通道测距差异的阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正方法，校正效率更高，提高了校正方法的适应性。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正的方法，包括：步骤A：采用N个激光通道的阵列推扫式激光雷达探测靶板，改变所述阵列推扫式激光雷达与靶板相对位置，对靶板进行M次探测，每次探测中，每个激光通道在靶板上对应于一靶标点，针对所述N个激光通道中的第i个激光通道，获取该激光通道对应的激光雷达数据和全站仪数据，其中M，N为正整数，M≥2，N≥2，i＝1，2，3，……，N，所述激光雷达数据包括第i个激光通道对其对应的第i个靶标点的实际测距值d_i′，所述全站仪数据包括所述第i个靶标点的坐标；步骤B：在任一次探测中，以所述阵列推扫式激光雷达的激光发射参考点为原点的激光扫描坐标系与以全站仪位置为原点的局部控制坐标系之间的坐标转换参数解算；步骤C：在每次探测中，通过步骤B所得的坐标转换参数，拟合出N个靶标点在激光扫描坐标系下的靶标点直线方程；步骤D：通过所述靶标点直线方程与所述阵列推扫式激光雷达的每一激光通道的激光分束角θ_i，计算出每个激光通道的理论测距值d_i；步骤E：在每次探测中，针对每一激光通道，依据激光测距误差修正模型对该激光通道对应的激光通道的理论测距值d_i和实际测距值d_i′建立测距修正误差方程，正对同一激光通道，M次探测可得到M个测距修正误差方程，构建测距修正误差方程组，解算每一激光通道的测距误差修正参数；步骤F：建立非均匀性校正模型，基于步骤E所得到的每一激光通道的测距误差修正参数以任一激光通道的实际测距值为基准校正其它各激光通道的实际测距值。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

(1)、建立非均匀性校正模型，消除激光雷达各通道之间的测距差异，提高校正参数的适用性，校正参数能灵活应用于后续试验数据的非均匀性校正。

(2)、采用三角形或空间几个方法计算各通道理论测距值，用于快速确定各通道理论测距值，计算方便。

附图说明

图1为根据本发明实施例阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正方法的流程图；

图2为采用图1的校正方法的激光雷达成像示意图；

图3为采用图1的校正方法的坐标系示意图；

图4为采用图1的校正方法的校正原理图。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正方法，图1为根据本发明实施例阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正方法的流程图，如图1所示，本发明实施例阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正方法包括以下步骤：

步骤A：布设靶标，获取激光雷达数据和全站仪数据；

具体的，在阵列推扫式激光雷达各通道打到靶板的对应的激光点布设靶标点，改变激光雷达与靶板相对位置，获取多组激光雷达数据与全站仪数据，所述激光雷达数据包括各通道至相应靶标点的探测距离，所述全站仪数据包括每个靶标点坐标。

该步骤A具体包括：

子步骤A1：如附图2所示，将阵列推扫式激光雷达置于支撑台上，靶板沿激光雷达成像方向放置，架设全站仪使其能与激光雷达及靶板能保证一站测量，即全站仪在一位置可以对激光雷达及靶板进行测量。

子步骤A2：支撑台上的激光雷达保持固定姿态持续探测靶板，激光雷达具有N个激光通道，N为大于等于2的正整数，每个激光通道在靶板呈现对应的激光点，通过红外观察仪或其它方式观察激光各通道在靶板上的激光点位置，在成像点处放置激光雷达靶标并使得激光足印中心与靶标中心重合，采集激光雷达数据，所述激光雷达数据至少包括各激光通道至相应靶标点的探测距离d_i，即第i个激光通道至与其对应的第i个激光点的探测距离，i为小于n的正整数，利用全站仪测量每个靶标点坐标，即第i个靶标点的坐标，完成一组探测。

子步骤A3：保持激光雷达位置不动，沿远离激光雷达方向移动靶板或旋转靶板角度改变激光雷达与靶板之间的相对距离，需保证激光雷达所有通道激光均能在同一靶板面上一次成像，按照子步骤A2中的方法再次重新采集激光雷达数据，并再次利用全站仪测量靶标点坐标，在多组不同相对距离下完成M组探测，获取M组试验数据，M为大于等于2的正整数。

步骤B：坐标参数转换解算；

具体的，以激光发射参考点为原点的激光扫描坐标系与以全站仪位置为原点的局部控制坐标系之间的坐标参数转换解算；

子步骤B1：以激光发射参考点为原点的激光扫描坐标系与以全站仪位置为原点的局部控制坐标系；

建立坐标系利用靶标点将激光雷达与全站仪统一到同一个坐标系统中，具体的，如附图3所示，建立激光扫描坐标系L-XYZ，以原点L为激光发射参考点，Y轴指向激光阵列方向，Z轴指向激光发射主光轴方向，X轴垂直于Y轴和Z轴，与XYZ-L构成右手系。建立局部控制坐标系C-XYZ，以全站仪架设点C为原点，原点垂直于地面向上为X轴，原点指向激光雷达方向为Y轴，Z轴垂直于X轴和Y轴，与XYZ-C构成右手系。

子步骤B2：通过共同的靶标点计算激光扫描坐标系和局部控制坐标系之间的转换参数。

利用空间相似变换对激光扫描坐标系与局部控制坐标系进行转换，坐标转换需要7个转换参数，包括3个平移参数、3个旋转参数及1个尺度参数。

基于激光雷达成像模型解算出各靶标点在激光扫描坐标系下的坐标，计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_L\\ Y_L\\ Z_L\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ d\′\sin \mathrm{\θ}\\ d\′\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

式中，(X_L，Y_L，Z_L)^T为任一靶标点在激光扫描坐标系下的坐标，d′为相应激光通道到该靶标点的实际测距值，由步骤A得出，θ为该激光通道的激光分束角，由阵列推扫式激光雷达本身决定，为已知参数。

同时利用在步骤A中用全站仪测量的各靶标点在局部控制坐标系下的坐标(X_Ci，Y_Ci，Z_Ci)^T。根据如下的坐标转换模型按泰勒公式展开，转换成线性坐标转换误差方程，共有7个未知数(ΔX₀，ΔY₀，ΔZ₀，Δλ，ΔΦ，ΔΩ，ΔK)，每一个靶标点的激光扫描坐标与局部控制坐标可列出3个方程，至少需3个靶标点即可解算出激光扫描坐标系和局部控制坐标系之间的转换参数的改正值，将7个坐标转换参数初始值加上其对应改正值，可进一步计算出坐标转换参数：平移参数(X₀，Y₀，Z₀)^T，旋转参数(Φ，Ω，K)及尺度参数λ。坐标转换模型为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_L\\ Y_L\\ Z_L\end{array}\right]=\mathrm{\λR}\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_0\\ Y_0\\ Z_0\end{array}\right]$

式中，(X_L，Y_L，Z_L)^T为靶标点在激光扫描坐标系下的坐标，(X_C，Y_C，Z_C)^T为靶标点在局部控制坐标系下的坐标，(X₀，Y₀，Z₀)^T为平移参数，λ为尺度参数，R为3个旋转参数(Φ，Ω，K)所组成的旋转矩阵。

坐标转换误差方程为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_X\\ v_Y\\ v_Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& {\mathrm{RX}}_C& \frac{{\∂L}_L}{\∂\mathrm{\Δ\Φ}}& \frac{{\∂X}_L}{\∂\mathrm{\Δ\Ω}}& \frac{{\∂X}_L}{\∂\mathrm{\ΔK}}\\ 0& 0& 0& {\mathrm{RY}}_C& \frac{{\∂Y}_L}{\∂\mathrm{\Δ\Φ}}& \frac{{\∂Y}_L}{\∂\mathrm{\Δ\Ω}}& \frac{{\∂Y}_L}{\∂\mathrm{\ΔK}}\\ 0& 0& 1& {\mathrm{RZ}}_C& \frac{{\∂Z}_L}{\∂\mathrm{\Δ\Φ}}& \frac{{\∂Z}_L}{\∂\mathrm{\Δ\Ω}}& \frac{{\∂Z}_L}{\∂\mathrm{\ΔK}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_0\\ {\mathrm{\ΔY}}_0\\ {\mathrm{\ΔZ}}_0\\ \mathrm{\Δ\λ}\\ \mathrm{\Δ\Φ}\\ \mathrm{\Δ\Ω}\\ \mathrm{\ΔK}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{l}_X\\ l_Y\\ l_Z\end{array}\right]$

式中，[v_X v_Y v_Z]^T为靶标点坐标残差，[l_X l_Y l_Z]^T为常数项，R为旋转矩阵，[ΔX₀ΔY₀ ΔZ₀ Δλ ΔΦ ΔΩ ΔK]^T为坐标系转换参数的改正值。

步骤C：拟合出靶标点在激光扫描坐标系下的直线方程；

具体的，针对每一组探测，利用步骤B得到的坐标转换参数，将全站仪测量的局部控制坐标系中的N个靶标点坐标转换到激光扫描坐标系，拟合出靶标点所在直线在激光扫描坐标系下的直线方程。由于所拟合直线方程必然在YLZ平面上，直线方程为：

z＝ay+b (1)

式中，(y，z)表示直线上点的坐标，a为直线的斜率，b为直线在Z轴上的截距，a、b是未知数。将靶标点坐标代入直线方程(1)求解出a、b。

步骤D：通过靶标点直线方程与激光分束角，计算出每个激光通道理论测距值；

具体的，步骤C中拟合的直线与任两个通道激光测距值可构成稳定的三角形，已知三角形1条边长与2个内角，依据正弦定理可计算出其余2条边长的长度。

如附图4所示，原点L与中心激光通道即第1激光通道对应激光点A、另一激光通道，如第3激光通道对应激光点B构成ΔLAB，其中d₁是直线方程截距，AL＝d₁＝b；θ₃为第3激光通道的激光分束角，∠ALB＝θ₃；∠LAB可通过直线方程的斜率a求出，根据三角形内角和为180°进而可得出∠LBA，由正弦定理：

$\frac{d_1}{\sin \∠\mathrm{LBA}}=\frac{d_3}{\sin \∠\mathrm{LAB}}---\left(2\right)$

根据式(2)可获得通道LB的理论测距值d₃，同理依次计算出其它通道激光理论测距值d_i。

步骤E：依据理论测距值与实际测距值组成误差方程组，采用最小二乘原理解算激光雷达所有通道的测距误差修正参数；

具体的，针对第i激光通道，激光测距误差修正模型如下：

d_i＝k_id_i′+p_i (3)

式中，d_i为第i通道激光理论测距值，由步骤D计算得出，d_i′为第i通道激光实际测距值，由激光雷达原始测距数据获得，k_i为乘常数，p_i为加常数。对第i个激光通道列出测距修正误差方程如：C_i ^TC_iX_i＝C_i ^TL_i，其中：

C_i＝[d_i′ 1]表示未知数系数矩阵；

X_i＝[k_i p_i]^T为未知数，表示加常数与乘常数；

L_i＝d_i表示激光理论测距值。

改变激光雷达设备与靶板之间的相对距离，对第i个激光通道列出多个测距修正误差方程，构成误差方程组，误差方程数≥2即可求解出各激光通道的校正参数，即加常数k_i，乘常数p_i。

步骤F：建立非均匀性校正模型，以中心激光通道的实际测距值为基准校正其它各激光通道实际测距值。

具体的以中心激光通道即第1通道的作为基准通道，其实际测距值作为校正基准，分别计算其它各通道相对于基准通道的激光测距值，完成阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正。

建立非均匀性校正模型如下：

D_i＝m_id_i′+n_i (4)

其中，校正参数N为激光总通道数，共有N组校正参数，d_i′为第i通道实际测距值，D_i值为第i通道经非均匀性校正后的测距值。

利用校正参数消除激光雷达各通道间的测距差异，通过式(5)计算出第i个通道的经非均匀性校正后的测距值。

$D_i=\frac{k_i}{k_1}{d}_i\′+\frac{p_i-p_1}{k_1}=\frac{k_i{d}_i\′+p_i-p_1}{k_1}---\left(5\right)$

应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)阵列推扫式激光雷达可以是各种类型的多通道阵列探测激光雷达，对激光通道数量无限制。

(2)实施例中各通道理论测距值可基于三角形或空间几何等方法计算。

(3)可通过其它方式确定激光各通道在靶板上的成像位置。

(4)本实施例中是以激光中心通道测距值为基准，测距值基准可以是其它通道。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种阵列推扫式激光雷达测距非均匀性校正的方法，其特征在于，包括：

步骤A：采用N个激光通道的阵列推扫式激光雷达探测靶板，改变所述阵列推扫式激光雷达与靶板相对位置，对靶板进行M次探测，每次探测中，每个激光通道在靶板上对应于一靶标点，针对所述N个激光通道中的第i个激光通道，获取该激光通道对应的激光雷达数据和全站仪数据，其中M，N为正整数，M≥2，N≥2，i＝1，2，3，……，N，所述激光雷达数据包括第i个激光通道对其对应的第i个靶标点的实际测距值d_i′，所述全站仪数据包括所述第i个靶标点的坐标；

步骤B：以所述阵列推扫式激光雷达的激光发射参考点为原点的激光扫描坐标系与以全站仪位置为原点的局部控制坐标系之间的坐标转换参数解算；

步骤C：在每次探测中，通过步骤B所得的坐标转换参数，拟合出N个靶标点在激光扫描坐标系下的靶标点直线方程；

步骤D：通过所述靶标点直线方程与所述阵列推扫式激光雷达的每一激光通道的激光分束角θ_i，计算出每个激光通道的理论测距值d_i；

步骤E：在每次探测中，针对每一激光通道，依据激光测距误差修正模型对该激光通道对应的激光通道的理论测距值d_i和实际测距值d_i′建立测距修正误差方程，正对同一激光通道，M次探测可得到M个测距修正误差方程，构建测距修正误差方程组，解算每一激光通道的测距误差修正参数；

步骤F：建立非均匀性校正模型，基于步骤E所得到的每一激光通道的测距误差修正参数以任一激光通道的实际测距值为基准校正其它各激光通道的实际测距值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括：

子步骤A1：架设所述阵列推扫式激光雷达、靶板及全站仪，所述靶板沿所述阵列推扫式激光雷达成像方向设置；

子步骤A2：所述阵列推扫式激光雷达探测靶板，获取每一激光通道至相应靶标点的实际测距值d_i′，并利用全站仪测量所述相应靶标点的坐标；

子步骤A3：改变所述阵列推扫式激光雷达与所述靶板之间的相对距离，返回子步骤A2，经过M次的探测，获取M组激光雷达数据和全站仪数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括：

子步骤B1：建立激光扫描坐标系L-XYZ与局部控制坐标系C-XYZ，所述激光扫描坐标系L-XYZ以激光发射参考点为原点L，Y轴指向激光阵列方向，Z轴指向激光发射主光轴方向，X轴垂直于Y轴和Z轴；所述局部控制坐标系C-XYZ以全站仪架设点C为原点，原点C垂直于地面向上为X轴，原点指向激光雷达方向为Y轴，Z轴垂直于X轴和Y轴；

子步骤B2：通过J个靶标点计算激光扫描坐标系和局部控制坐标系之间的坐标转换参数，其中J为正整数，3≤J≤N×M。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子步骤B2包括：

次子步骤B2a：基于阵列激光雷达成像模型解算出J个靶标点在激光扫描坐标系下的坐标；

针对所述J个靶标点中的每一个，其在所述激光扫描坐标系下的坐标为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_L\\ Y_L\\ Z_L\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ d^{\′}\sin \mathrm{\θ}\\ d^{\′}cos\mathrm{\θ}\end{array}\right]$

其中，(X_L，Y_L，Z_L)^T为靶标点在激光扫描坐标系下的坐标，d′为相应激光通道到该靶标点的实际测距值，θ为该激光通道的激光分束角；

次子步骤B2b：针对所述J个靶标点中的每一个，根据坐标转换模型按泰勒公式展开列出坐标转换误差方程，组成坐标转换误差方程组，解算坐标转换参数的改正值，计算坐标转换参数：平移参数(X₀，Y₀，Z₀)^T，旋转参数(Φ，Ω，K)及尺度参数λ。

5.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，所述坐标转换模型为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_L\\ Y_L\\ Z_L\end{array}\right]=\mathrm{\λ}R\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_0\\ Y_0\\ Z_0\end{array}\right]$

其中，(X_L，Y_L，Z_L)^T为靶标点在激光扫描坐标系下的坐标，(X_C，Y_C，Z_C)^T为该靶标点在局部控制坐标系下的坐标，R为3个旋转参数(Φ，Ω，K)所组成的旋转矩阵。

6.根据权利要求1至5中任一所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，在所述每次探测中，所述在激光扫描坐标系下的靶标点直线方程为：

z＝ay+b

其中，(少，z)表示直线上点的坐标，a为直线的斜率，b为直线在Z轴上的截距，a、b是未知数，利用步骤B得到的坐标转换参数，将全站仪测量的局部控制坐标系中的N个靶标点坐标转换到激光扫描坐标系，将得到的激光扫描坐标系中N个靶标点坐标代入直线方程求解出a、b。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，基于步骤C中确定的直线方程与任两个激光通道的测距值可构成的三角形，利用每个激光通道的激光分束角θ_i及正弦定理获得各通道的理论测距值d_i。

8.根据权利要求1至5中任一所述的方法，其特征在于，所述步骤E中，激光测距误差修正模型为：

d_i＝k_id_i′+p_i

其中d_i为第i通道激光理论测距值，由步骤D计算得出，d_i′为第i通道激光实际测距值，由激光雷达原始测距数据获得，k_i为乘常数，p_i为加常数，k_i与p_i构成所述的误差修正参数；

所述测距修正误差方程为：

C_i ^TC_iX_i＝C_i ^TL_i

其中：

C_i＝[d_i′ 1]表示未知数系数矩阵；

X_i＝[k_i p_i]^T为未知数，表示加常数与乘常数；

L_i＝d_i，表示激光理论测距值；

对同一激光通道在M次探测时获得的M个误差方程进行联立，建立误差方程组，计算出阵列推扫式激光雷达各激光通道的误差修正参数：加常数k_i，乘常数p_i。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，以第j个激光通道作为基准通道，其中j＝1，2，3，……，N，该第j个激光通道的实际测距值为基准，所述步骤F中的非均匀性校正模型为：

D_i＝m_id_i′+n_i

其中，校正参数d_i′为第i个激光通道实际测距值，D_i值为第i个激光通道经非均匀性校正后的测距值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述基准通道为中心激光通道。