CN111044990B - 机载激光雷达光束指向标定方法、系统及激光光斑探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载激光雷达光束指向标定方法、系统及激光光斑探测器。该方法包括：步骤1，在激光雷达的扫描视场布设激光光斑探测器，激光光斑探测器包括探测器组和探测器组支撑框；步骤2，在水平方向和/或垂直方向上移动该探测器组，探测该激光雷达的激光光斑的边缘，确定该激光光斑的中心位置；步骤3，测量该中心位置的空间坐标，采集激光雷达针对中心位置的激光测量数据；在激光雷达的扫描视场内改变激光光斑探测器的位置，执行步骤2‑3，使激光光斑探测器探测到扫描视场内的不同激光光斑；步骤4，根据激光光斑的中心位置的空间坐标和激光测量数据，利用激光雷达光束指向模型，解算该激光雷达的标定参数，实现机载激光雷达光束指向标定。

Description

机载激光雷达光束指向标定方法、系统及激光光斑探测器

技术领域

本发明涉及机载激光雷达的光束指向标定，特别是涉及一种机载激光雷达光束指向标定方法、系统及激光光斑探测器。

背景技术

机载激光雷达是一种远距离、高精度获取地理空间信息的传感器，光束指向精度是影响机载激光雷达获取空间信息精度的关键因素，因此必须在出厂前进行激光雷达光束指向的精确标定。

机载激光雷达标定方法分为地面标定和机载标定，由于机载激光雷达多使用可见光以外的红外波段，裸眼无法识别激光光斑位置，地面标定时多通过红外探测片探测激光光束指向和光斑位置；机载飞行标定时通过布设大尺寸的地面标志或模型靶标，解算点云后提取靶标的特征点空间坐标，实现激光雷达标定。在远距离或太阳散射光影响下，地面标定很难识别和确定激光光斑的位置；故而在太近的距离下进行机载激光雷达光束指向标定，光束指向标定精度无法满足激光雷达机载作业的要求。采用机载标定的成本较高，且姿态测量精度和激光光斑位置测量精度直接影响光束指向标定结果。

发明内容

本发明公开了一种机载激光雷达光束指向标定方法，可以实现机载激光雷达的光束指向的精确标定，有效提高激光雷达的目标测量精度。

本发明使得激光光斑探测不受太阳散射光、探测距离和裸眼识别受限等因素影响。

本发明通过在长度和宽度满足标定精度要求的室内或室外标定场，架设激光光斑探测器，搜索激光光斑的范围和中心位置，布设反射标识并测量其中心位置的坐标，采集反射标识处的激光测量数据；建立严格的机载激光雷达光束指向和测距模型，通过测量的光斑中心的空间坐标和解算的激光测量坐标，计算激光雷达标定参数，实现机载激光雷达的光束指向精确标定。

本发明公开了一种机载激光雷达光束指向标定方法，包括：

步骤1，在激光雷达的扫描视场内布设激光光斑探测器，所述激光光斑探测器包括可移动的探测器组和探测器组支撑框；

步骤2，通过在水平方向和/或垂直方向上移动该探测器组，探测该激光雷达的激光光斑的边缘，并确定该激光光斑的中心位置；

步骤3，测量该激光光斑的中心位置的空间坐标，采集激光雷达针对该中心位置的激光测量数据；

在激光雷达的扫描视场范围内改变该激光光斑探测器的位置，执行步骤2-3，使该激光光斑探测器探测到扫描视场内的不同激光光斑；

步骤4，根据该激光光斑的中心位置的空间坐标和该激光测量数据，利用激光雷达光束指向模型，解算该激光雷达的标定参数，实现机载激光雷达光束指向标定。

步骤2通过移动该探测器组支撑框和探测器组，确定该激光雷达的扫描面和激光光斑位置。

步骤2通过水平方向移动该探测器组的垂直探测器组，探测该激光光斑的左边缘和右边缘；通过垂直方向移动水平探测器组，探测该激光光斑的上边缘和下边缘；记录左右边缘和上下边缘在该探测器组支撑框的标尺位置，确定该激光光斑的中心位置。

该激光光斑探测器还包括可移动的反射标识支架，步骤3进一步包括：

移动该反射标识支架至该中心位置，在该中心位置布设反射标识，利用全站仪测量该反射标识的空间坐标，并采集激光雷达数据，提取该反射标识处的激光测量数据，该激光测量数据包括测距值和测角值。

所述激光雷达放置于激光雷达光束指向标定场中，该激光雷达光束指向标定场的长度和宽度，通过以下方法计算：

长度＝光斑量测精度÷比例尺

宽度＝2×长度×tan(θ/2)

其中，θ是激光雷达扫描视场角。

该激光雷达光束指向模型为：

其中，H为入射光线相对激光雷达转镜的水平偏转参数，V为入射光线相对激光雷达转镜的垂直偏转参数，b为测角误差参数，f为转镜镜面零位参数，T为激光雷达设备坐标系旋转角误差参数，v为测量坐标系旋转角误差参数，R为测距值，wt为测角值，X_g、Y_g和Z_g是该激光光斑的中心位置的空间坐标，G_x、G_y和G_z表示激光雷达光束指向矢量分别在测量坐标系X、Y和Z轴的投影函数，该激光测量数据包括该R和wt。

本发明公开了一种用于机载激光雷达光束指向标定的激光光斑探测器，所述激光光斑探测器可布设在激光雷达的扫描视场内的不同扫描角方向，所述激光光斑探测器包括：

可移动的探测器组，该探测器组包括水平探测器组和垂直探测器组，水平探测器组可上下移动，垂直探测器组可左右移动，用于探测该激光雷达的激光光斑的边缘；

探测器组支撑框，该可移动的探测器组设置在该探测器组支撑框中，所述探测器组支撑框具有标尺，通过标尺确定该激光雷达的激光光斑的边缘。

该激光光斑探测器还包括激光触发电路和光斑探测指示器，当该探测器组探测到激光光斑时，激光触发电路被触发，对应的光斑探测指示器被点亮。

该激光光斑探测器还包括可移动的反射标识支架，根据该探测器组探测的激光光斑的中心位置，通过移动反射标识支架使反射标识处于激光光斑的中心位置，激光雷达进行数据采集后可精确提取该激光光斑的中心位置的激光测量数据。

该激光光斑探测器还包括窄带滤光片，设置于该探测器组前方，用于抑制太阳散射光的干扰。

该激光光斑探测器还包括可升降装置，用于升降该探测器组支撑框。

本发明公开了一种用于机载激光雷达的光束指向标定系统，包括：

激光雷达；

所述的激光光斑探测器；

全站仪，测量该激光光斑的中心位置的空间坐标；

数据处理装置，根据该空间坐标以及激光测量数据，利用激光雷达光束指向模型，解算该激光雷达的标定参数，实现机载激光雷达光束指向标定；

其中，该激光测量数据由该激光雷达对该激光光斑的中心位置扫描并解算而得到。

通过上述技术方案，使得本发明可以实现机载激光雷达的光束指向的精确标定，有效提高激光雷达的目标测量精度。

本发明针对激光光斑的探测不受太阳散射光、探测距离和裸眼识别受限等因素影响。

本发明通过在长度和宽度满足标定精度要求的室内或室外标定场，架设激光光斑探测器，搜索激光光斑的范围和中心位置，布设反射标识并测量其中心位置的坐标，采集反射标识处的激光测量数据；建立严格的机载激光雷达光束指向和测距模型，通过测量的光斑中心的空间坐标和解算的激光测量坐标，计算激光雷达标定参数，实现机载激光雷达的光束指向精确标定。

附图说明

图1为一种机载激光雷达光束指向标定方法的标定场示意图；

图2为一种机载激光雷达光束指向标定方法的激光光斑探测器的结构示意图；

图3为一种机载激光雷达光束指向标定方法的激光光斑探测器的另一形式的结构示意图；

图4为一种机载激光雷达光束指向标定方法的激光光斑探测器的背面示意图；

图5为一种机载激光雷达光束指向标定方法的标定过程实现流程图；

图6所示为一种用于机载激光雷达的光束指向标定系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例描述本发明的技术方案的实现过程，不作为对本发明的限制。

本发明用于测绘、交通等领域的激光雷达三维空间信息采集的光束指向精确标定，可以提高空间信息的获取精度。

本发明的一种机载激光雷达光束指向标定方法，具体实施方式是：

结合图1，本发明的一种机载激光雷达光束指向标定方法的标定场示意图，所述标定场为室内或室外固定场所，标定场地面平坦或起伏不大，激光雷达设置在标定场中,且在激光雷达扫描视场角θ范围内无遮挡。该θ角可采用70°。A方向为标定场的长度方向，即距离向，B方向为标定场的宽度方向，即扫描向。

标定场的长和宽通过以下方法计算：

标定场距离向：长度＝光斑量测精度÷D

D＝1/10000

标定场扫描向：宽度＝2×长度×tan(θ/2)

θ＝70°

作为一种示例，假设激光光斑中心位置的光斑测量精度为5mm，D为比例尺，激光光斑相对于激光雷达的最小距离(长度)为：5mm÷1/10000＝50m，则扫描方向的宽度为：2×50m×tan(35°)＝70m。

本发明的激光光斑探测器设置于该激光雷达扫描视场的探测目标端。

结合图2和图3，本发明的一种机载激光雷达光束指向标定方法的激光光斑探测器示意图，所述激光光斑探测器包括探测器组支撑框1、垂直探测器组2、水平探测器组3、可移动反射标识支架4、激光光斑探测组支架5和6，以及激光光斑探测组可调整支架7和锁定机构8。探测器组包括该垂直探测器组2、水平探测器组3。该激光光斑探测组可调整支架7和锁定机构8组成可升降装置，利用该可升降装置可以升降该探测器组支撑框1。图3中不具备可调整支架7和锁定机构8，直接以激光光斑探测组支架5和6对探测器组支撑框1进行支撑。

其中探测器组支撑框1可以整体上下移动，以放置于可以收到激光光斑的位置。探测器组支撑框1边缘有标尺刻度，利用该标尺刻度可确定激光光斑的上下和左右准确边缘位置；水平探测器组2和垂直探测器组3可沿探测器组支撑框1内上下或左右移动。该激光光斑探测器还包括窄带滤光片，设置于该探测器组前方，用于抑制太阳散射光的干扰。

作为一种激光光斑位置探测实施示例，首先依据激光雷达的激光器的平均功率，计算标定距离下激光光斑的平均能量，以确定接收能量在该探测器组的击穿门限范围内；如果不在该范围内，通过降低该激光器输出功率，或在激光雷达的激光出射光路增加衰减片，以降低探测器的接收能量。然后，安置和固定激光雷达，使激光雷达的扫描面平行于地平面，在激光雷达的距离向架设激光光斑探测器，调整支架7使激光雷达扫描线落在探测器组支撑框1的中部区域，锁定该锁定机构8。接着，左右移动垂直探测器组2，探测激光光斑的左边缘和右边缘，记录左右边缘的探测器组支撑框1刻度，边缘处存在能否探测到光斑信号的天然边界，通过不断移动该垂直探测器组2可以捕捉该边缘；上下移动水平探测器组3，探测激光光斑的上边缘和下边缘，并记录上下边缘所对应的探测器组支撑框1刻度。根据该上下左右边缘位置可以确定激光光斑的中心所处的标尺位置，即通过上下左右边缘位置计算该激光光斑的重心所在处，确定为激光光斑的中心位置。

最后，基于所确定的激光光斑的中心位置，移动反射标识支架4，在激光光斑的中心位置贴反射标识。

结合图4，本发明的一种机载激光雷达光束指向标定方法的激光光斑探测器背面示意图，所述探测器组的背面包括探测器组支撑框1上的激光触发电路10和光斑探测指示器9(如Led指示灯)。当探测器组探测到激光光斑时，微弱的激光雷达探测能量即可触发激光触发电路10，使对应的Led指示灯9被点亮，由此可以探测激光光斑所处位置，进一步通过移动水平探测器组2和垂直探测器组3，确定激光光斑的边缘和中心位置。

结合图5，本发明的一种机载激光雷达光束指向标定方法的标定过程实现流程图，作为一种具体的实施示例，机载激光雷达的光束指向标定流程如下：

a)在标定场激光扫描距离向的一侧摆放(光学)平台，通过过渡架将激光雷达固定于光学平台上，并使激光雷达的扫描面平行于地平面，连接激光雷达信号和电源等接线，完成激光雷达开机准备。

b)在激光雷达特定距离内架设全站仪设备，完成全站仪置平和定向，且使全站仪视场能够满足设备标志点(设备三个表面的标志点)和激光雷达扫描视场内靶标标识的观测和测量要求。

c)在标定场距离向的目标一侧架设激光光斑探测器组，开启和设置激光雷达慢速扫描模式，调整激光光斑探测组可调整支架7，使激光雷达的扫描面落在激光光斑探测器组垂直向可探测范围内。

d)设置激光雷达正常工作参数开始扫描。左右移动垂直探测器组2，探测激光光斑的左边缘和右边缘，记录左右边缘在探测器组支撑框的刻度；上下移动水平探测器组3，探测激光光斑的上边缘和下边缘，并记录上下边缘在探测器组支撑框的刻度；通过激光光斑的左右和上下边缘刻度计算得到激光光斑的中心位置的刻度。

e)移动反射标识支架4至激光光斑的中心位置，在所述激光光斑的中心位置的刻度对应位置处布反射标识，利用全站仪设备测量反射标识的空间坐标，同时采集激光雷达针对该中心位置的激光测量数据。

f)沿激光雷达的扫描视场移动激光光斑探测器的位置，以捕捉扫描线中投射于不同方向的激光光斑，在不同位置分别执行c)-e)步骤，采集多组反射标识的激光测量数据和全站仪测量的该反射标识处的空间坐标。

g)解算各组反射标识采集的激光测量数据，并从中提取反射标识处的测距值和测角值。

h)通过全站仪测量的激光雷达设备标志点坐标和机械设计坐标，计算激光雷达设备坐标系到全站仪坐标系的变换关系，该步骤可采用现有技术中的方式实现。

i)读取各组反射标识中心点的激光测量数据和全站仪针对该反射标识的空间坐标，利用激光雷达设备坐标系和全站仪坐标系的变换关系，将激光测量数据转换到全站仪坐标系。建立激光雷达光束指向精确模型：

该模型中的未知参数包括入射光线相对激光雷达转镜的水平偏转参数H、入射光线相对激光雷达转镜的垂直偏转参数V、测角误差参数b、转镜镜面零位参数f、激光雷达设备坐标系旋转角误差参数T、全站仪坐标系旋转角误差参数v。

其中，R为激光雷达测距值，wt为激光雷达转台测角值，X_g、Y_g和Z_g是全站仪测量的激光光斑的中心位置的空间坐标，G_x、G_y和G_z表示激光雷达光束指向矢量分别在全站仪坐标系X、Y和Z轴的投影函数。

R、wt、X_g、Y_g和Z_g为测量得到，视为已知值，其余六个变量为未知。针对每个激光光斑的中心位置，可形成如公式(1)所示的三个公式，则至少采集两个激光光斑可形成六个公式，求解该六个变量，该六个变量即为标定参数。采集多组激光光斑可进一步提升求解的精度。

另外，针对不同激光雷达设备，可具体选择公式(1)的模型的具体组成形式。在本发明中，可采用现有技术中的其他激光雷达光束指向模型的具体方式，不以此为限。解算激光雷达光束指向模型中的标定参数，并将除T和v外的激光雷达标定参数配置到激光雷达数据解算软件中，即可实现机载激光雷达的光束指向和目标点云空间坐标的精确计算。

如图6所示为一种用于机载激光雷达的光束指向标定系统的结构示意图，其中包括进行持续扫描的激光雷达601，设置于该激光雷达的标定距离的扫描视场中的所述激光光斑探测器602；

用于测量该激光光斑的中心位置的空间坐标的全站仪603；

其中，该激光雷达用于采集该中心位置的激光测量数据。通过在该扫描视场中移动或在不同指向布设该激光光斑探测器，使得该激光光斑探测器探测到扫描视场不同扫描角度的激光光斑；

还包括数据处理装置604，根据该中心位置的空间坐标以及激光测量数据，利用激光雷达光束指向模型，解算该激光雷达的标定参数，实现机载激光雷达光束指向标定。该激光光斑探测器602可如图2或图3所示。

通过上述技术方案，使得本发明可以实现机载激光雷达的光束指向的精确标定，有效提高激光雷达的目标测量精度。

本发明针对激光光斑的探测不受太阳散射光、探测距离和裸眼识别受限等因素影响。

本发明通过在长度和宽度满足标定精度要求的室内或室外标定场，架设激光光斑探测器，搜索激光光斑的范围和中心位置，布设反射标识并测量其中心位置的坐标，采集反射标识处的激光测量数据；建立严格的机载激光雷达光束指向和测距模型，通过测量的光斑中心的空间坐标和解算的激光测量坐标，计算激光雷达标定参数，实现机载激光雷达的光束指向精确标定。

Claims (10)

1.一种机载激光雷达光束指向标定方法，其特征在于，包括：

步骤1，在激光雷达的扫描视场内布设激光光斑探测器，所述激光光斑探测器包括可移动的探测器组和探测器组支撑框；

步骤2，通过在水平方向和/或垂直方向上移动该探测器组，探测该激光雷达的激光光斑的边缘，并确定该激光光斑的中心位置，该中心位置位于该激光光斑探测器上；

步骤3，测量该激光光斑的中心位置的空间坐标，采集激光雷达针对该中心位置的激光测量数据；

在激光雷达的扫描视场范围内改变该激光光斑探测器的位置，执行步骤2-3，使该激光光斑探测器探测到扫描视场内的不同激光光斑；

步骤4，根据该激光光斑的中心位置的空间坐标和该激光测量数据，利用激光雷达光束指向模型，解算该激光雷达的标定参数，实现机载激光雷达光束指向标定；

其中，该探测器组还包括激光触发电路、光斑探测指示器和可移动的反射标识支架，当该探测器组探测到激光光斑时，激光触发电路被触发，对应的光斑探测指示器被点亮；

根据该探测器组探测的激光光斑的中心位置，通过移动反射标识支架使反射标识处于激光光斑的中心位置，激光雷达进行数据采集后可精确提取该激光光斑的中心位置的激光测量数据。

2.根据权利要求1所述机载激光雷达光束指向标定方法，其特征在于，步骤2通过移动该探测器组支撑框和探测器组，确定该激光雷达的扫描面和激光光斑位置。

3.根据权利要求1所述机载激光雷达光束指向标定方法，其特征在于，步骤2通过水平方向移动该探测器组的垂直探测器组，探测该激光光斑的左边缘和右边缘；通过垂直方向移动水平探测器组，探测该激光光斑的上边缘和下边缘；记录左右边缘和上下边缘在该探测器组支撑框的标尺位置，确定该激光光斑的中心位置。

4.根据权利要求1所述机载激光雷达光束指向标定方法，其特征在于，该激光光斑探测器还包括可移动的反射标识支架，步骤3进一步包括：

移动该反射标识支架至该中心位置，在该中心位置布设反射标识，利用全站仪测量该反射标识的空间坐标，并采集激光雷达数据，提取该反射标识处的激光测量数据，该激光测量数据包括测距值和测角值。

5.根据权利要求1所述机载激光雷达光束指向标定方法，其特征在于，所述激光雷达放置于激光雷达光束指向标定场中，该激光雷达光束指向标定场的长度和宽度，通过以下方法计算：

长度＝光斑量测精度÷比例尺

宽度＝2×长度×tan(θ/2)

其中，θ是激光雷达扫描视场角。

6.根据权利要求1所述机载激光雷达光束指向标定方法，其特征在于，该激光雷达光束指向模型为：

其中，H为入射光线相对激光雷达转镜的水平偏转参数，V为入射光线相对激光雷达转镜的垂直偏转参数，b为测角误差参数，f为转镜镜面零位参数，T为激光雷达设备坐标系旋转角误差参数，v为测量坐标系旋转角误差参数，R为测距值，wt为测角值，X_g、Y_g和Z_g是该激光光斑的中心位置的空间坐标，G_x、G_y和G_z表示激光雷达光束指向矢量分别在测量坐标系X、Y和Z轴的投影函数，该激光测量数据包括该R和wt。

7.一种用于机载激光雷达光束指向标定的激光光斑探测器，其特征在于，所述激光光斑探测器可布设在激光雷达的扫描视场内的不同扫描角方向，所述激光光斑探测器包括：

可移动的探测器组，该探测器组包括水平探测器组和垂直探测器组，水平探测器组可上下移动，垂直探测器组可左右移动，用于探测该激光雷达的激光光斑的边缘；

探测器组支撑框，该可移动的探测器组设置在该探测器组支撑框中，所述探测器组支撑框具有标尺，通过标尺确定该激光雷达的激光光斑的边缘；

其中，该激光光斑探测器还包括激光触发电路和光斑探测指示器，当该探测器组探测到激光光斑时，激光触发电路被触发，对应的光斑探测指示器被点亮；

该激光光斑探测器还包括可移动的反射标识支架，根据该探测器组探测的激光光斑的中心位置，该中心位置位于该激光光斑探测器上，通过移动反射标识支架使反射标识处于激光光斑的中心位置，激光雷达进行数据采集后可精确提取该激光光斑的中心位置的激光测量数据。

8.根据权利要求7所述的激光光斑探测器，其特征在于，该激光光斑探测器还包括窄带滤光片，设置于该探测器组前方，用于抑制太阳散射光的干扰。

9.根据权利要求7所述的激光光斑探测器，其特征在于，该激光光斑探测器还包括可升降装置，用于升降该探测器组支撑框。

10.一种用于机载激光雷达的光束指向标定系统，其特征在于，包括：

激光雷达；

如权利要求7-9中任一所述的激光光斑探测器；

全站仪，测量该激光光斑的中心位置的空间坐标；

数据处理装置，根据该空间坐标以及激光测量数据，利用激光雷达光束指向模型，解算该激光雷达的标定参数，实现机载激光雷达光束指向标定；

其中，该激光测量数据由该激光雷达对该激光光斑的中心位置扫描并解算而得到。

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