CN110208777A - 精确的角反射器几何误差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种角反射器几何误差测量方法，包括：建立角反射器的理想三维模型；使用3D激光雷达对待测角反射器进行扫描，得到所述待测角反射器的真实三维点云模型；利用所述真实三维点云模型与所述理想三维模型进行误差计算，得到所述待测角反射器的各个平面的平整度误差、直角度误差和边长误差。本发明采用3D激光雷达获取角反射器真实点云三维模型，并与建立的理想模型进行对比计算误差，提升了测量精度和测量范围。

Description

精确的角反射器几何误差测量方法

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，具体涉及一种精确的角反射器几何误差测量方法。

背景技术

合成孔径雷达技术(SAR)是一种能够获取高分辨率微波遥感图像的技术，具有不受光照和气候条件等限制实现全天时、全天候对地观测的特点。随着定量应用需求的不断提高，辐射定标技术对提高SAR图像精度起着至关重要的作用。

对于星载SAR系统，经常利用陆地固定定标场的人工点目标来完成辐射定标，三面角反射器由于它宽波束、高RCS的优点，常作为人工点目标参与辐射定标。目标的RCS精度对定标结果有直接的影响，因此，角反射器的RCS精度直接决定了辐射定标过程的准确性。然而角反射器在制作、运输、安装、存放过程中，会有相当的几何误差，如直角度、尺寸、板面平整度等几何误差，使得角反射器的实际RCS偏离RCS理论值，会对辐射定标精度有直接影响，因此需要定期验证角反射器结构是否满足使用需求。

传统测量角反射器几何误差的方法主要有接触式测量法和三维测量仪测量法。接触式测量法主要利用直尺、测角仪等接触式几何测量工具确定几何误差。三维测量仪测量法利用三维扫描仪测量目标的三维坐标，构建不规则三角网(TIN),反应表面平整度。

以上技术方案存在以下不足：

(1)接触式测量误差较大，精度不高，并且只能表征平均误差，无法详细反应局部几何误差，且不适合大尺寸目标。

(2)测量仪测量法受坐标密度限制，精度存在不足。除此之外，物体边缘测量精度较差，并且无法测量直角度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供一种精确的角反射器几何误差测量方法，以至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种角反射器几何误差测量方法，包括：

建立角反射器的理想三维模型；

使用3D激光雷达对待测角反射器进行扫描，得到所述待测角反射器的真实三维点云模型；

利用所述真实三维点云模型与所述理想三维模型进行误差计算，得到所述待测角反射器的各个平面的平整度误差、直角度误差和边长误差。

在进一步的实施方案中，在所述建立角反射器的理想三维模型之前还包括：设备准备。

在进一步的实施方案中，所述设备准备包括：

确定待测角反射器尺寸在3D激光雷达扫描范围内；

摆放所述待测量角反射器和所述3D激光雷达；

清除周围影响测量的物体或光源。

在进一步的实施方案中，所述利用所述真实三维点云模型与所述理想三维模型进行误差计算，得到所述待测角反射器的各个平面的平整度误差包括：

将所述真实三维点云模型的点云分割到相应平面，计算点云中每个点与所述理想三维模型的最佳拟合点的偏差；

根据所述偏差计算各平面的均方根误差得到所述待测角反射器的各个平面的平整度误差。

在进一步的实施方案中，所述计算点云中每个点与所述理想三维模型的最佳拟合点的偏差的公式为：

其中，δ_{m_n}为所述偏差，(x_{m_n}，y_{m_n}，z_{m_n})为第m个平面上的第n个点的坐标，为对应最佳拟合点的坐标。

在进一步的实施方案中，所述计算各平面的均方根误差的公式为：

其中，RMSE_m为第m个平面的均方根误差，N为该平面点的总个数。

在进一步的实施方案中，所述计算直角度误差包括：

将各平面上的点云拟合出相应平面，计算其点云法向量；

将所述点云法向量与所述理想三维模型的法向量做差得到所述直角度误差。

在进一步的实施方案中，所述将各平面上的点云拟合出相应平面的方法为：最小二乘法或机器学习法。

在进一步的实施方案中，使用最小二乘法将各平面上的点云拟合出相应平面时，计算其法向量包括：

根据平面方程表达式z＝Ax+By+C将所述平面法向量表示为β＝(A，B，C)；

根据所述平面方程表达式得到所述平面一般表达式：

并将其向量化后得到表达式：

Xβ＝Z；

根据所述量化后的表达式求得β的唯一解：

其中，(x，y，z)为点的坐标，A、B、C为常数，n为平面上点云个数，X_ij为第j个平面的A、B、C的系数，Z为z坐标组成的向量。

在进一步的实施方案中，所述计算边长误差包括：

将所述3D激光雷达测量的边长与所述理想三维模型的边长做差得到所述边长误差。

(三)有益效果

(1)本发明采用了3D激光雷达获取角反射器真实点云三维模型，相比于TIN网络更精确，在物体边缘也有很好的表现，并且可以测量直角度。

(2)本发明通过建立理想模型和真实模型并进行对比计算误差，相比于传统方法更能准确表征目标局部几何形变，并且拓宽了测量范围，对大尺寸角反射器仍旧适用。

附图说明

图1为本发明通过的一种角反射器几何误差测量方法的流程图。

图2为本发明一实施例的真实三维模型与误差分布。

图3为本发明一实施例的每个平面的误差分布直方图。

具体实施方式

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，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，图1为本发明通过的一种角反射器几何误差测量方法的流程图，该方法采用3D激光雷达获取角反射器真实点云三维模型，并与建立的理想模型进行对比计算误差，提升了测量精度和测量范围，该方法包括：

步骤S1：建立角反射器的理想三维模型；

步骤S2：使用3D激光雷达对待测角反射器进行扫描，得到所述待测角反射器的真实三维点云模型；

步骤S3：利用所述真实三维点云模型与所述理想三维模型进行误差计算，得到所述待测角反射器的各个平面的平整度误差、直角度误差和边长误差。

本发明中，在步骤S1之前还包括：步骤S0：设备准备。

所述步骤S0具体可包括：

步骤S01：确定待测角反射器尺寸在3D激光雷达扫描范围内；

步骤S02：摆放所述待测量角反射器和所述3D激光雷达；

步骤S03：清除周围影响测量的物体或光源。

在步骤S3中，所述计算得到所述待测角反射器的各个平面的平整度误差包括：

步骤S31：将所述真实三维点云模型的点云分割到相应平面，计算点云中每个点与所述理想三维模型的最佳拟合点的偏差；

步骤S32：根据所述偏差计算各平面的均方根误差得到所述待测角反射器的各个平面的平整度误差。

在步骤S31中，所述计算点云中每个点与所述理想三维模型的最佳拟合点的偏差的公式为：

其中，δ_{m_n}为所述偏差，(x_{m_n}，y_{m_n}，Z_{m_n})为第m个平面上的第n个点的坐标，为对应最佳拟合点的坐标。

在步骤S32中，所述计算各平面的均方根误差即是各平面的平整度误差，其计算公式为：

其中，RMSE_m为第m个平面的均方根误差，N为该平面点的总个数。

在步骤S3中，所述计算直角度误差包括：

步骤S33：将各平面上的点云拟合出相应平面，计算其点云法向量；

步骤S34：将所述点云法向量与所述理想三维模型的法向量做差得到所述直角度误差。

在步骤S33中，所述将各平面上的点云拟合出相应平面的方法为：最小二乘法或机器学习法。

当使用最小二乘法将各平面上的点云拟合出相应平面，计算其法向量包括：

根据平面方程表达式z＝Ax+By+C将所述平面点云法向量表示为β＝(A，B，C)；

根据所述平面方程表达式得到所述平面一般表达式：

并将其向量化后得到表达式：

Xβ＝Z；

根据所述量化后的表达式求得β的唯一解：

其中，(x，y，z)为点的坐标，A、B、C为常数，n为平面上点云个数，X_ij为第j个平面的A、B、C的系数其X_i＝(x_i，y_i，1)，Z为z坐标组成的向量。

在步骤S3中，所述计算边长误差包括：

步骤S35：将所述3D激光雷达测量的边长与所述理想三维模型的边长做差得到所述边长误差。

为了更加详细、清楚地公开本发明，下面通过一具体示例性实施例进一步说明：

步骤1：设备准备。本实施例中所用3D激光雷达最大测程187.3米，最小测程0.3米，垂直视野范围320度，水平视野范围360度，待测角反射器为边长3米的三面角反射器，处于可测范围。将3D激光雷达摆放在扫描区域正中，需要清楚地看到扫描物体以及标靶，并保证扫描到标靶时，激光入射角度大于45度。清除周围环境高反射强度(抛光的金属、玻璃、镜面等)、半透明的、反射率低(黑色)的物体，同时避免周围环境有强光源，避免在雾天、雨天、雪天进行测量。

步骤2：建立角反射器的理想三维模型，该模型即最佳拟合模型，用于计算真实目标的几何误差。

步骤3：使用3D激光雷达对角反射器扫描，得到目标真实三维模型的点云分布。本实施例所用3D激光扫描仪分辨率为0.1毫米，数据采样率为1兆次/秒，垂直分辨率为0.0004度，水平分辨率为0.0002度，扫描目标所得点云包含接近2000万个点。

步骤4：将点云分割到相应平面，计算点云中每个点与最佳拟合点的偏差，偏差可表示为：

即真实模型到理想模型的距离。其中，(x_{m_n}，y_{m_n}，z_{m_n})为第m个平面上的第n个点的坐标，为对应最佳拟合点。

图2所示为以上步骤得到的实际设备的三维模型与误差分布。图3所示为每个平面的误差分布直方图

平面的均方根误差可表示为：

其中，RMSE_m为第m个平面的均方根误差，也是该平面的平整度，N为该平面点的总个数。

步骤5：计算角反射器直角度误差。首先使用最小二乘法将平面上的点云拟合出相应平面，计算其法向量。平面方程一般表达式为：

Ax+By+Cz+D＝0

(x，y，z)为点的坐标。也可表达为：

z＝Ax+By+C

(A，B，C)即为拟合平面的法向量。考虑平面点云服从：

n代表有n个等式，对应该平面上有多少个点，X_i＝(x_i，y_i，1)，β＝(A，B，C)，将其向量化后为：

Xβ＝Z

可以求得β有唯一解

则直角度误差为：

其中，即为拟合平面的法向量，理想模型法向量为β^*。

步骤6：所用3D激光雷达扫描仪可测得精确边长信息，则边长误差为：

δ_ort＝l-l

其中，l为测量真实边长，l′为理想边长。

自此，就完成了对角反射器几何误差的精确测量。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

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)

1.一种角反射器几何误差测量方法，其特征在于，包括：

建立角反射器的理想三维模型；

使用3D激光雷达对待测角反射器进行扫描，得到所述待测角反射器的真实三维点云模型；

利用所述真实三维点云模型与所述理想三维模型进行误差计算，得到所述待测角反射器的各个平面的平整度误差、直角度误差和边长误差。

2.根据权利要求1所述的角反射器几何误差测量方法，其特征在于，在所述建立角反射器的理想三维模型之前还包括：设备准备。

3.根据权利要求2所述的角反射器几何误差测量方法，其特征在于，所述设备准备包括：

确定待测角反射器尺寸在3D激光雷达扫描范围内；

摆放所述待测量角反射器和所述3D激光雷达；

清除周围影响测量的物体或光源。

4.根据权利要求1所述的角反射器几何误差测量方法，其特征在于，所述利用所述真实三维点云模型与所述理想三维模型进行误差计算，得到所述待测角反射器的各个平面的平整度误差包括：

将所述真实三维点云模型的点云分割到相应平面，计算点云中每个点与所述理想三维模型的最佳拟合点的偏差；

根据所述偏差计算各平面的均方根误差得到所述待测角反射器的各个平面的平整度误差。

5.根据权利要求4所述的角反射器几何误差测量方法，其特征在于，所述计算点云中每个点与所述理想三维模型的最佳拟合点的偏差的公式为：

其中，δ_{m_n}为所述偏差，(x_{m_n}，y_{m_n}，z_{m_n})为第m个平面上的第n个点的坐标，为对应最佳拟合点的坐标。

6.根据权利要求5所述的角反射器几何误差测量方法，其特征在于，所述计算各平面的均方根误差的公式为：

其中，RMSE_m为第m个平面的均方根误差，N为该平面点的总个数。

7.根据权利要求1所述的角反射器几何误差测量方法，其特征在于，所述计算直角度误差包括：

将各平面上的点云拟合出相应平面，计算其点云法向量；

将所述点云法向量与所述理想三维模型的法向量做差得到所述直角度误差。

8.根据权利要求7所述的角反射器几何误差测量方法，其特征在于，所述将各平面上的点云拟合出相应平面的方法为：最小二乘法或机器学习法。

9.根据权利要求8所述的角反射器几何误差测量方法，其特征在于，使用最小二乘法将各平面上的点云拟合出相应平面时，计算其法向量包括：

根据平面方程表达式z＝Ax+By+C将所述平面法向量表示为β＝(A，B，C)；

根据所述平面方程表达式得到所述平面一般表达式：

并将其向量化后得到表达式：

Xβ＝Z；

根据所述量化后的表达式求得β的唯一解：

其中，(x，y，z)为点的坐标，A、B、C为常数，n为平面上点云个数，X_ij为第j个平面的A、B、C的系数，Z为z坐标组成的向量。

10.根据权利要求1所述的角反射器几何误差测量方法，其特征在于，所述计算边长误差包括：

将所述3D激光雷达测量的边长与所述理想三维模型的边长做差得到所述边长误差。