CN106597417A - 一种远距离扫描激光雷达测量误差的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达测量技术领域，尤其涉及一种远距离扫描雷达测量误差的修正方法，包括步骤S1，建立测量模型，获取被测点与坐标原点的位置关系；S2，获取被测试点与激光雷达的实际位置关系，建立三大误差源的误差模型；S3，对激光雷达进行分参数测量实验，获取三大误差源的大样本数据；S4，采用统计学方法对三大误差源的概率密度分布进行分析，得到三维坐标系中的三大误差源的误差修正样本；S5，根据三大误差源的误差修正样本及步骤S1中的测量模型获取三维坐标样本；S6，根据不同测量对象所对应的测点位置、三大误差源的误差修正样本及测量得到的三维坐标样本，对三维坐标测量点进行实时修正。

Description

一种远距离扫描激光雷达测量误差的修正方法

技术领域

本发明涉及雷达测量技术领域，尤其涉及一种远距离扫描雷达测量误差的修正方法。

背景技术

远距离扫描激光雷达是一种大尺寸空间坐标测量仪器，用于实现尺寸在100m～1km范围内大型物体表面三维点云数据的扫描测量，测量数据作为后续数字化模型逆向重构的基础。远距离扫描激光雷达属于球坐标测量系统，通过一维激光测距和水平、垂直两个方向测角实现目标点三维坐标测量，其中测距单元能够实现1km范围的距离测量，通过水平和垂直两个方向的扫描实现点云数据的获取。三维坐标测量精度是测量仪器的重要指标，是仪器产品研制完成后必须明确的核心参数之一，测量误差分布能够充分反映仪器测量精度，因此，测量误差分布的获取对于研制远距离扫描激光雷达仪器产品具有重要意义。

目前面对激光跟踪仪、全站仪等测量原理与远距离扫描激光雷达相似的空间坐标测量仪器，通常采用激光干涉仪结合长导轨的方法进行校准，具体方法参见文献《激光跟踪三维坐标测量系统校准规范》(JJF1242----2010)。远距离扫描激光雷达的测量范围达1km，因无法制造相应尺寸的长导轨，无法采用上述方法对仪器进行校准。由于远距离激光测距技术基于脉冲激光飞行时间原理实现，目前有少数研究人员提出采用时间模拟距离的方法在实验室内对脉冲式远距离激光测距仪的测距误差进行测试，但扫描激光雷达测得的三维坐标是测距信息与二维测角信息的复合量，上述方法无法得到远距离扫描激光雷达的三维坐标测量误差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决激光雷达在对远距离测量点进行测量时无法对仪器进行校准的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种远距离扫描激光雷达测量误差的修正方法，包括步骤

S1，建立测量模型，利用激光雷达一维测距、水平测角和垂直测角建立三维坐标模型，获取被测点与坐标原点的位置关系；

S2，获取被测试点与激光雷达的实际位置关系，建立三大误差源的误差模型，所述三大误差源为激光雷达实测空间被测点时的距离测量误差、水平角测量误差和垂直角测量误差；

S3，在距离、水平测量角和垂直测量角的全量程范围内，对激光雷达进行分参数测量实验，获取三大误差源的大样本数据；

S4，采用统计学方法对三大误差源的概率密度分布进行分析，并获取三大误差源的期望值和标准差，从而对不同激光雷达的三大误差源进行预估，得到三维坐标系中的三大误差源的误差修正样本；

S5，根据三大误差源的误差修正样本及步骤S1中的测量模型获取三维坐标样本；

S6，根据不同测量对象所对应的测点位置、三大误差源的误差修正样本及测量得到的三维坐标样本，对三维坐标测量点进行实时修正。

其中，所述步骤S1中，设被测点的三维坐标为(X，Y，Z)，该点相对坐标系原点的距离为L，对应的水平测角为α，垂直测角为β，有如下关系成立：

其中，所述步骤S2中，三大误差模型为：

其中，L′为激光雷达实测空间被测点的距离值；α′为激光雷达实测空间被测点对应的水平角度值；β′为激光雷达实测空间被测点对应的垂直角度值；ε_L、ε_α、ε_β分别为激光雷达实测空间被测点时的距离测量误差、水平角测量误差、垂直角测量误差。

其中，所述步骤S3包括

S31，采用高精度测量仪器获取被侧点的距离、水平测角和垂直测角作为参考值，在激光雷达距离、水平测量角和垂直测量角的全量程范围内，对激光雷达进行分参数测量实验，所述高精度测量仪器的准确度高于所述激光雷达至少一个数量级；

S32，将逐点测量值和参考值做差值运算，获取三大误差源的大样本数据。

其中，所述步骤S3中，获取距离误差时，

当0m<L≤50m时，采用标准长导轨产生一系列位移，并使用双频激光干涉仪监测位移值，得到一系列相对于导轨零位的标准距离值作为参考值，并使用激光雷达获取距离的测量值，测量值与参考值的差即距离测量误差；

当L＞50m时，利用激光飞行时间模拟标准距离的方法，对脉冲激光测距单元的远距离测距误差进行试验测量，得到远距离激光测距误差。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种远距离扫描激光雷达测量误差的修正方法，包括步骤S1，根据测量原理建立测量模型，利用激光雷达一维测距、水平测角和垂直测角建立三维坐标模型，获取被测点与坐标原点的位置关系；S2，获取被测试点与激光雷达的实际位置关系，建立三大误差源的误差模型，所述三大误差源为激光雷达实测空间被测点时的距离测量误差、水平角测量误差和垂直角测量误差；S3，在距离、水平测量角和垂直测量角的全量程范围内，对激光雷达进行分参数测量实验，获取三大误差源的大样本数据；S4，采用统计学方法对三大误差源的概率密度分布进行分析，并获取三大误差源的期望值和标准差，从而对不同激光雷达的三大误差源进行预估，得到三维坐标系中的三大误差源的误差修正样本；S5，根据三大误差源的误差修正样本及步骤S1中的测量模型获取三维坐标样本；S6，根据不同测量对象所对应的测点位置、三大误差源的误差修正样本及测量得到的三维坐标样本，对三维坐标测量点进行实时修正。本发明是一种基于蒙特卡罗法对远距离扫描激光雷达三维坐标测量误差分布的修正方法，解决了此类仪器测量误差分布特性的获取问题，并通过分析结果对三维坐标测量点进行实时修正，从而提高仪器测量准确度，并对修正后的测量不确定度进行评估。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种远距离扫描激光雷达测量误差的修正方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1所示，本发明实施例提供的一种远距离扫描激光雷达测量误差的修正方法，包括步骤

S1，根据测量原理建立测量模型，激光雷达利用一维测距、水平测角和垂直测角建立三维坐标模型，获取被测点与坐标原点的位置关系；

S2，获取被测试点与激光雷达的实际位置关系，建立三大误差源的误差模型，三大误差源为激光雷达实测空间被测点时的距离测量误差、水平角测量误差和垂直角测量误差；

S3，在距离、水平测量角和垂直测量角的全量程范围内，对激光雷达进行分参数测量实验，获取三大误差源的大样本数据；

S4，采用统计学方法对三大误差源的概率密度分布进行分析，并获取三大误差源的期望值和标准差，从而对不同激光雷达的三大误差源进行预估，得到三维坐标系中的三大误差源的误差修正样本；

S5，根据三大误差源的误差修正样本及步骤S1中的测量模型获取三维坐标样本；

S6，根据不同测量对象所对应的测点位置、三大误差源的误差修正样本及测量得到的三维坐标样本，对三维坐标测量点进行实时修正。

进一步地，步骤S1中，设被测点的三维坐标为(X，Y，Z)，该点相对坐标系原点的距离为L，对应的水平测角为α，垂直测角为β，有如下关系成立：

进一步地，步骤S2中，三大误差模型为：

其中，L′为激光雷达实测空间被测点的距离值；α′为激光雷达实测空间被测点对应的水平角度值；β′为激光雷达实测空间被测点对应的垂直角度值；ε_L、ε_α、ε_β分别为激光雷达实测空间被测点时的距离测量误差、水平角测量误差、垂直角测量误差。

进一步地，步骤S3包括S31，采用高精度测量仪器获取被侧点的距离、水平测角和垂直测角作为参考值，在激光雷达距离、水平测量角和垂直测量角的全量程范围内，对激光雷达进行分参数测量实验，高精度测量仪器的准确度高于激光雷达至少一个数量级；

S32，将逐点测量值和参考值做差值运算，获取三大误差源的大样本数据。

进一步地，步骤S3中，获取距离误差时，

当0m<L≤50m时，采用标准长导轨产生一系列位移，并使用双频激光干涉仪监测位移值，得到一系列相对于导轨零位的标准距离值作为参考值，并使用激光雷达获取距离的测量值，测量值与参考值的差即距离测量误差；

当L＞50m时，利用激光飞行时间模拟标准距离的方法，对脉冲激光测距单元的远距离测距误差进行试验测量，得到远距离激光测距误差。

获取水平角测量误差时，使用小型0级多齿分度台、正多面棱体和光电自准直仪作为角度标准，通过直接测量或全组合方法测量多位置角度误差。需要通过工装，将小型多齿分度台安装在激光雷达方位轴(对应水平角测量)、俯仰轴(对应垂直角测量)上，多齿分度台正转给出标准角位置，正多面棱体工作面、光电自准直仪监测激光雷达方位轴(或俯仰轴)反转相同角度值后角位置残余偏差，从而得到一系列角度误差。

测量垂直角误差时，为减小多齿分度台、棱体重量对俯仰轴轴系造成的变形影响，需要将激光雷达水平放置、固定，从而使俯仰轴处于垂直位置，多齿分度台、棱体重量作用在轴线方向上，轴系变形最小，由标准引入的误差也最小。

使用时，首先根据仪器的测量原理建立仪器的测量模型，在仅考虑测距误差和测角误差、暂不考虑环境等误差源的情况下，在实验室条件下分别对测距误差和二维方向的测角误差进行测试，通过大量的随机采样，获得三大主要误差源的大样本数据，分析三大误差源的误差概率密度函数，根据仪器的测量模型和三大误差源的大样本误差抽样结果，拟合激光雷达三维坐标的测量误差，分析激光雷达三维坐标测量误差的概率密度函数及样本的期望值和标准差。

综上所述，本发明实施例提供的一种远距离扫描激光雷达测量误差的修正方法，包括步骤S1，建立测量模型，利用激光雷达一维测距、水平测角和垂直测角建立三维坐标模型，获取被测点与坐标原点的位置关系；S2，获取被测试点与激光雷达的实际位置关系，建立三大误差源的误差模型，所述三大误差源为激光雷达实测空间被测点时的距离测量误差、水平角测量误差和垂直角测量误差；S3，在激光雷达距离、水平测量角和垂直测量角的全量程范围内，对激光雷达进行分参数测量实验，获取三大误差源的大样本数据；S4，采用统计学方法对三大误差源的概率密度分布进行分析，并获取三大误差源的期望值和标准差，从而对不同激光雷达的三大误差源进行预估，得到三维坐标系中的三大误差源的误差修正样本；S5，根据三大误差源的误差修正样本及步骤S1中的测量模型获取三维坐标样本；S6，根据不同测量对象所对应的测点位置、三大误差源的误差修正样本及测量得到的三维坐标样本，对三维坐标测量点进行实时修正。本发明是一种基于蒙特卡罗法对远距离扫描激光雷达三维坐标测量误差分布的修正方法，解决了此类仪器测量误差分布特性的获取问题，并通过分析结果对三维坐标测量点进行实时修正，从而提高仪器测量准确度，并对修正后的测量不确定度进行评估。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种远距离扫描激光雷达测量误差的修正方法，其特征在于：包括步骤

S1，建立测量模型，利用激光雷达一维测距、水平测角和垂直测角建立三维坐标模型，获取被测点与坐标原点的位置关系；

S2，获取被测试点与激光雷达的实际位置关系，建立三大误差源的误差模型，所述三大误差源为激光雷达实测空间被测点时的距离测量误差、水平角测量误差和垂直角测量误差；

S3，在距离、水平测量角和垂直测量角的全量程范围内，对激光雷达进行分参数测量实验，获取三大误差源的大样本数据；

S4，采用统计学方法对三大误差源的概率密度分布进行分析，并获取三大误差源的期望值和标准差，从而对不同激光雷达的三大误差源进行预估，得到三维坐标系中的三大误差源的误差修正样本；

S5，根据三大误差源的误差修正样本及步骤S1中的测量模型获取三维坐标样本；

S6，根据不同测量对象所对应的测点位置、三大误差源的误差修正样本及测量得到的三维坐标样本，对三维坐标测量点进行实时修正。

2.根据权利要求1所述的，其特征在于：所述步骤S1中，设被测点的三维坐标为(X，Y，Z)，该点相对坐标系原点的距离为L，对应的水平测角为α，垂直测角为β，有如下关系成立：

$\left\{\begin{array}{c}X=L\&CenterDot;cos\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;sin\mathrm{\&beta;}\\ Y=L\&CenterDot;\sin \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&beta;}\\ Z=L\&CenterDot;\cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right..$

3.根据权利要求1所述的，其特征在于：所述步骤S2中，三大误差模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}^{\&prime;}=L+{\mathrm{\&epsiv;}}_L\\ {\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}=\mathrm{\&alpha;}+{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}=\mathrm{\&beta;}+{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right.,$

其中，L′为激光雷达实测空间被测点的距离值；α′为激光雷达实测空间被测点对应的水平角度值；β′为激光雷达实测空间被测点对应的垂直角度值；ε_L、ε_α、ε_β分别为激光雷达实测空间被测点时的距离测量误差、水平角测量误差、垂直角测量误差。

4.根据权利要求1所述的，其特征在于：所述步骤S3包括

S31，采用高精度测量仪器获取被侧点的距离、水平测角和垂直测角作为参考值，在激光雷达距离、水平测量角和垂直测量角的全量程范围内，对激光雷达进行分参数测量实验，所述高精度测量仪器的准确度高于所述激光雷达至少一个数量级；

S32，将逐点测量值和参考值做差值运算，获取三大误差源的大样本数据。

5.根据权利要求1所述的，其特征在于：所述步骤S3中，获取距离误差时，

当0m<L≤50m时，采用标准长导轨产生一系列位移，并使用双频激光干涉仪监测位移值，得到一系列相对于导轨零位的标准距离值作为参考值，并使用激光雷达获取距离的测量值，测量值与参考值的差即距离测量误差；

当L＞50m时，利用激光飞行时间模拟标准距离的方法，对脉冲激光测距单元的远距离测距误差进行试验测量，得到远距离激光测距误差。