CN112346034A - 一种三维固态面阵激光雷达组合标定方法 - Google Patents

一种三维固态面阵激光雷达组合标定方法 Download PDF

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Abstract

一种三维固态面阵激光雷达组合标定方法，包括：(1)采集外界光照下不同积分时间下的灰度图像；(2)消除暗电流效应和光子反应不一致对灰度图像的误差影响；(3)采用镜头畸变校正算法对相机内/外参数进行标定，得到校准后的灰度图像；(4)将步骤(3)校准后的灰度图像作为深度图像环境光补偿过程中的外界环境光强度参考标准，修正积分时间设定值，消除积分时间误差；(5)采用iTOF距离解算方法计算原始距离，校正步骤(4)深度图像因解调算法引起的计算误差；(6)对步骤(5)校准完成后的深度图像，补偿由于像元平面场对距离响应不一致所引起的误差；(7)对步骤(6)深度图像进行温度补偿，消除因温度漂移带来的距离解算误差。

Description

一种三维固态面阵激光雷达组合标定方法
技术领域
本发明属于固态面阵激光雷达标定的技术领域，尤其涉及一种三维固态面阵激光雷达组合标定方法。
背景技术
近年来，三维固态面阵激光雷达由于具有成本低、帧频高、耐用性强、能生成“图像级”距离信息等特点而备受研究人员的关注。
但是，受温度漂移、激光调制解调误差、环境光干扰、TOF面阵传感器像元不一致等因素的影响，三维固态面阵激光雷达测量精度较差。为了满足实际应用需求，三维固态面阵激光雷达在使用之前需要进行标定，以提高测量精度。
目前相关研究提出了许多关于面阵激光雷达的校正方法，一类大都采用线性插值、二次差值以及样条插值等方法直接对深度数据进行校正，进而生成距离补偿值查找表；另一类通常选取单个或者多个误差源进行标定，无法完全去除整体误差的影响。总体来说，三维固态面阵激光雷达目前亟待解决多误差源影响以及实时性校正的问题。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种三维固态面阵激光雷达组合标定方法，其能够很好地解决校正过程中多误差源的影响，并且可操作性强、准确度高，步骤简单。
本发明的技术方案是：这种三维固态面阵激光雷达组合标定方法，其包括以下步骤：
(1)采集外界光照下不同积分时间下的灰度图像；
(2)消除暗电流效应和光子反应不一致对灰度图像的误差影响；
(3)采用镜头畸变校正算法对相机内/外参数进行标定，得到校准后的灰度图像；
(4)将步骤(3)中校准后的灰度图像作为深度图像环境光补偿过程中的外界环境光强度参考标准，修正积分时间设定值，消除积分时间误差；
(5)采用iTOF距离解算方法计算原始距离，校正步骤(4)中深度图像因解调算法引起的计算误差；
(6)对步骤(5)中校准完成后的深度图像，补偿由于像元平面场对距离响应不一致所引起的误差；
(7)对步骤(6)中深度图像进行温度补偿，消除因温度漂移带来的距离解算误差。
本发明一方面采用灰度图像获取外界环境光强度作为深度图像环境光标定过程中的参考标准，解决了环境光对三维固态面阵激光雷达测距精度的干扰；另一方面对深度图像依次进行了环境光补偿、解调误差校正、距离相应不一致误差补偿以及温度漂移校正等处理，解决了多个误差源对测距精度的影响；本方法采用组合标定的工作方式，有效的消除了外界因素对测量的影响，显著提高测距精度，具有较高的适用性。
附图说明
图1为根据本发明的一种三维固态面阵激光雷达组合标定方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
如图1所示，这种三维固态面阵激光雷达组合标定方法，其包括以下步骤：
(1)采集外界光照下不同积分时间下的灰度图像；
(2)消除暗电流效应和光子反应不一致对灰度图像的误差影响；
(3)采用镜头畸变校正算法对相机内/外参数进行标定，得到校准后的灰度图像；
(4)将步骤(3)中校准后的灰度图像作为深度图像环境光补偿过程中的外界环境光强度参考标准，修正积分时间设定值，消除积分时间误差；
(5)采用iTOF距离解算方法计算原始距离，校正步骤(4)中深度图像因解调算法引起的计算误差；
(6)对步骤(5)中校准完成后的深度图像，补偿由于像元平面场对距离响应不一致所引起的误差；
(7)对步骤(6)中深度图像进行温度补偿，消除因温度漂移带来的距离解算误差。
本发明一方面采用灰度图像获取外界环境光强度作为深度图像环境光标定过程中的参考标准，解决了环境光对三维固态面阵激光雷达测距精度的干扰；另一方面对深度图像依次进行了环境光补偿、解调误差校正、距离相应不一致误差补偿以及温度漂移校正等处理，解决了多个误差源对测距精度的影响；本方法采用组合标定的工作方式，有效的消除了外界因素对测量的影响，显著提高测距精度，具有较高的适用性。
优选地，所述步骤(1)包括以下分步骤：
(1.1)在外界环境黑暗条件下，设置积分时间0us，采集N帧黑暗条件下灰度图像，获取灰度图像平均测量值：
Figure RE-GDA0002828264590000041
(1.2)在外界环境光照条件下，设置不同积分时间，分别获取10％、 30％、50％、80％等不同幅值下的N帧灰度图像，获取不同幅值下的平均测量值：
Figure RE-GDA0002828264590000042
式中Ydark-avg为黑暗条件下灰度图像平均测量值，YAL-avg为光照条件下灰度图像平均测量值，N为灰度图像张数，X、Y分别为芯片横纵方向上的像元数量。
优选地，所述步骤(2)包括以下分步骤：
(2.1)分别计算黑暗/环境光照两种情况下的空间方差值：
Figure RE-GDA0002828264590000043
Figure RE-GDA0002828264590000044
(2.2)分别获取DSNU(Dark Signal Non-Uniformity，暗信号非均匀性)和PRNU(Photo Response Non-Uniformity，光响应非均匀性)的校正值：
bDSNU＝Sdark (5)
Figure BDA0002775066910000051
(2.3)在三维固态面阵激光雷达工作测试过程中，按照下式实时进行灰度图像补偿：
Icorr(x,y)＝[Iraw(x,y)-bDSNU(x,y)]*kPSNU (7)
式中
Figure BDA0002775066910000052
分别为黑暗条件下和光照条件下的空间方差值，bDSNU为 DSNU校准后的偏移值，kPRNU为PRNU校准后的增益值，Icorr(x,y)为经过 DSNU和PRNU校正后的灰度图像补偿值。
优选地，所述步骤(4)包括以下分步骤：
(4.1)选取N帧图像中心ROI区域内的测量值求取空间平均值；
(4.2)调整积分时间，使得灰度图像幅值达到50％，记录此时灰度图像幅值为Qgray；
(4.3)在外界黑暗情况下，测量DC0、DC2值，并保存为DC0dark、 DC2dark；
(4.4)调整积分时间，使得灰度图像幅值达到25％，此时为测试场景1，测量DC0、DC2值，并保存为DC0setting1、DC2setting1；
(4.5)调整积分时间，使得灰度图像幅值达到75％，此时为测试场景2，测量DC0、DC2值，并保存DC0setting2、DC2setting2；
(4.6)计算KAL
Q01＝DC0setting1-DC0dark Q21＝DC2setting1-DC2dark
Q02＝DC0setting2-DC0dark Q22＝DC2setting2-DC2dark (8)
Figure BDA0002775066910000053
(4.7)由于DC0、DC1在测量过程受环境光影响较为严重，采用下式对其进行计算校正：
Figure BDA0002775066910000061
Figure BDA0002775066910000062
式中DC0、DC1、DC2、DC3分别为周期内四个不同时刻0°、90°、180°、 270°的相位值，Qij分别为第i个时刻第j个场景下的电荷累积值，DC0corr(x,y)、 DC1corr(x,y)分别为不同像元处DC0、DC1校准后的相位值。。
优选地，所述步骤(5)中，由于DC2/3受环境光影响较低，DC0/1受环境光影响较为严重，因此采用下式iTOF解调算法对原始距离进行解算：
Figure BDA0002775066910000063
式中Draw(x,y)为不同处像元处计算得到的原始距离数据。
优选地，所述步骤(7)中，在三维固态面阵激光雷达工作过程中，温度误差来源主要有调制光源驱动、面阵传感器、DLL控制器等部件，相应的温度补偿计算公式：
Dcomp(x,y)＝Dcal(x,y)-(TACT-TCAL)*(TCPix+TCLaser+n*TCDLL) (11)
式中，Dcomp(x,y)为不同像元处经过温度补偿后的距离数据，Dcal(x,y)为不同像元处经过DRNU(Distance Response Non-Uniformity,距离相应不一致) 误差补偿后的距离数据，TCPix为像素温度系数，TCLaser为激光器温度系数，TCDLL为DLL温度系数，TACT为当前温度，TCAL为标定运行时温度，其中TCPix、TCLaser和TCDLL为固定值，TACT和TCAL值由温度传感器获得。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种三维固态面阵激光雷达组合标定方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)采集外界光照下不同积分时间下的灰度图像；
(2)消除暗电流效应和光子反应不一致对灰度图像的误差影响；
(3)采用镜头畸变校正算法对相机内/外参数进行标定，得到校准后的灰度图像；
(4)将步骤(3)中校准后的灰度图像作为深度图像环境光补偿过程中的外界环境光强度参考标准，修正积分时间设定值，消除积分时间误差；
(5)采用iTOF距离解算方法计算原始距离，校正步骤(4)中深度图像因解调算法引起的计算误差；
(6)对步骤(5)中校准完成后的深度图像，补偿由于像元平面场对距离响应不一致所引起的误差；
(7)对步骤(6)中深度图像进行温度补偿，消除因温度漂移带来的距离解算误差。
2.根据权利要求1所述的三维固态面阵激光雷达组合标定方法，其特征在于：所述步骤(1)包括以下分步骤：
(1.1)在外界环境黑暗条件下，设置积分时间0us，采集N帧黑暗条件下灰度图像，获取灰度图像平均测量值：
Figure RE-FDA0002828264580000011
(1.2)在外界环境光照条件下，设置不同积分时间，分别获取10％、30％、50％、80％不同幅值下的N帧灰度图像，获取不同幅值下的平均测量值：
Figure RE-FDA0002828264580000021
式中Ydark-avg为黑暗条件下灰度图像平均测量值，YAL-avg为光照条件下灰度图像平均测量值，N为灰度图像帧数，X、Y分别为芯片横纵方向上的像元数量。
3.根据权利要求2所述的三维固态面阵激光雷达组合标定方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下分步骤：
(2.1)分别计算黑暗/环境光照两种情况下的空间方差值：
Figure RE-FDA0002828264580000022
Figure RE-FDA0002828264580000023
(2.2)分别获取DSNU和PRNU的校正值：
bDSNU＝Sdark (5)
Figure RE-FDA0002828264580000024
(2.3)在三维固态面阵激光雷达工作测试过程中，按照下式实时进行灰度图像补偿：
Icorr(x,y)＝[Iraw(x,y)-bDSNU(x,y)]*kPSNU (7)
式中
Figure RE-FDA0002828264580000025
分别为黑暗条件下和光照条件下的空间方差值，bDSNU为DSNU校准后的偏移值，kPRNU为PRNU校准后的增益值，Icorr(x,y)为经过DSNU和PRNU校正后的灰度图像补偿值。
4.根据权利要求3所述的三维固态面阵激光雷达组合标定方法，其特征在于：所述步骤(4)包括以下分步骤：
(4.1)选取N帧图像中心ROI区域内的测量值求取空间平均值；
(4.2)调整积分时间，使得灰度图像幅值达到50％，记录此时灰度图像幅值为Qgray；
(4.3)在外界黑暗情况下，测量DC0、DC2值，并保存为DC0dark、DC2dark；
(4.4)调整积分时间，使得灰度图像幅值达到25％，此时为测试场景1，测量DC0、DC2值，并保存为DC0setting1、DC2setting1；
(4.5)调整积分时间，使得灰度图像幅值达到75％，此时为测试场景2，测量DC0、DC2值，并保存为DC0setting2、DC2setting2；
(4.6)计算环境因子KAL
Figure RE-FDA0002828264580000031
(4.7)由于DC0、DC1在测量过程受环境光影响较为严重，采用下式对其进行计算校正：
Figure RE-FDA0002828264580000032
Figure RE-FDA0002828264580000033
式中DC0、DC1、DC2、DC3分别为周期内四个不同时刻0°、90°、180°、270°的相位值，Qij分别为第i个时刻第j个场景下的电荷累积值，DC0corr(x,y)、DC1corr(x,y)分别为不同像元处DC0、DC1校准后的相位值。
5.根据权利要求4所述的三维固态面阵激光雷达组合标定方法，其特征在于：所述步骤(5)中，由于DC2、DC3受环境光影响较低，DC0、DC1受环境光影响较为严重，因此采用下式iTOF解调算法对原始距离进行解算：
Figure RE-FDA0002828264580000034
式中Draw(x,y)为不同像元处计算得到的原始距离数据。
6.根据权利要求5所述的三维固态面阵激光雷达组合标定方法，其特征在于：所述步骤(7)中，在三维固态面阵激光雷达工作过程中，温度误差来源主要有调制光源驱动、面阵传感器、DLL控制器等部件，相应的温度补偿计算公式：
Dcomp(x,y)＝Dcal(x,y)-(TACT-TCAL)*(TCPix+TCLaser+n*TCDLL) (11)
式中，Dcomp(x,y)为不同像元处经过温度补偿后的距离数据，Dcal(x,y)为不同像元处经过DRNU误差补偿后的距离数据，TCPix为像素温度系数，TCLaser为激光器温度系数，TCDLL为DLL温度系数，TACT为当前温度，TCAL为标定运行时温度，其中TCPix、TCLaser和TCDLL为固定值，TACT和TCAL值由温度传感器获得。
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