CN113109829A - 一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，属于光学成像敏感器标定技术领域。同步扫描交会测量敏感器为新型激光类视觉测量敏感器，在测量体制方面，融合了三角测距和基于飞行时间测距两种测量原理，光路复杂，结构参数众多。本发明所述方法首先对发射光路进行标定，以确定发射光路基线长度和摆镜间距等结构参数，同时对二维摆镜的电机转角数字量与空间光学角度的对应关系进行标定，并建立敏感器测量本体系与其基准镜坐标系的相对位置和姿态关系，即外参数，本发明所涉及方法将同步扫描交会测量敏感器测量模型中的众多参数进行一定程度的分离，降低标定参数之间的相关性，保证敏感器的标定精度和准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞行时间测距与三角测距融合光路测量敏感器的误差修正与结构参数标定方法，属于成像敏感器标定技术领域。
背景技术
同步扫描交会测量敏感器为新型激光类视觉测量敏感器，该敏感器融合了三角测距和基于飞行时间测距两种测量原理，光路复杂，结构参数众多；另一方面，该敏感器测量范围大、位置和姿态测量精度高；因此，如何精确确定敏感器内部的结构参数、测量本体系的位置和姿态，并对其角度、距离、光斑质心位置等测量值进行修正，是同步扫描交会测量敏感器标定需解决的问题。
现有技术中，常规方法都是对单一测量光路进行标定。比如针对三角测距系统，其测量光路一般不涉及二维振镜组件，仅利用激光器、成像透镜和光电探测器形成三角测距光路，因此标定方法往往较为简单，直接利用平面作为标定物，按照一定间隔移动平面，同时获取探测器接收到的光斑位置，得到多组光斑质心位置与目标距离的对应关系，通过逐段折线逼近等方法拟合质心与目标距离的关系，从而实现三角测距光路的标定；由于光路简单，方法不涉及二维角度标定，且三角测距测量模型并不直接标定成像透镜的焦距等结构参数。针对飞行时间测距系统，测量光路一般最多只有两个二维振镜，而不涉及融合测量光路，因此误差修正模型也较为简单，通常只考虑二维振镜之间的距离即可；另外标定方法多采用平面度较好的平板、利用平面特征约束同时标定系统的测角和测距误差，角度标定精度受到厘米级飞行时间测距误差的影响难以保证标定精度。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术中的缺陷，提供一种飞行时间测距与三角测距融合光路测量的同步扫描交会测量敏感器标定方法，将发射光路与接收光路分离修正，依次建立测角误差修正、三角测距斜距误差修正模型、飞行时间测距误差修正模型，在此基础上实现一种同步扫描交会测量敏感器标定方法。方法实用性强，可用于其他三角测距敏感器、二维振镜扫描测距敏感器的高精度标定，具有较强的推广应用前景，适用于实际工程应用。
本发明的技术解决方案是：
一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，该方法的步骤包括：
(1)进行发射光路标定，包括如下具体步骤：
(1.1)搭建空间指向标定测量系统；
在距同步扫描交会测量敏感器距离为L处布设黑色背景板，并在黑色背景板上粘贴N个漫反射圆形标志作为空间目标；架设电子经纬仪A1、A2和A3，电子经纬仪A1、A2和A3用于进行互瞄、绝对定向；
(1.2)采集角度数据；
电子经纬仪A1、A2和A3准直建立同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系，测量圆形标志的几何中心在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(XJi，YJi，ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个圆形标志在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；同步扫描交会测量敏感器对黑色背景板进行扫描成像，获得圆形标志的扫描点云；i＝1,2...N；
(1.3)计算圆形标志的扫描点云质心；
对圆形标志的扫描点云进行处理，计算同步扫描交会测量敏感器对每个圆形标志几何中心的电机转角数字量(sitaX_ADi，sitaY_ADi)，sitaX_ADi和sitaY_ADi分别表示第i个圆形标志几何中心相对于同步扫描交会测量敏感器竖直方向和水平方向的电机转角数字量；
(1.4)建立发射光路标定模型；
将步骤(1.2)和(1.3)的数据一一对应，根据发射光路建立角度修正模型，计算发射光路结构参数、角度修正系数及外参数；
(2)标定三角测距接收光路，包括如下具体步骤：
(2.1)搭建近场基线测量系统；
在同步扫描交会测量敏感器视线范围内P个视线方向上建立基线场，每段基线由同步扫描交会测量敏感器所在位置和测量目标所在位置形成；架设电子经纬仪A1、A2和A3，用于测量基线场中每段基线的距离；
(2.2)采集三角光路距离数据；
同步扫描交会测量敏感器三角测距光路对近场基线场中的基线距离进行测量，获得目标成像在探测器上的质心位置p_ADn，以及二维振镜电机转角数字量sitaX_ADn和sitaY_ADn；与此同时，电子经纬仪A1和A3采用前方交会原理测量圆形目标几何中心在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(XJn，YJn，ZJn)；根据步骤(1.4)的发射光路角度修正模型以及发射光路结构参数、角度修正系数及外参数，计算近场基线场每段基线距离真值Ln；XJn，YJn，ZJn分别为第n个圆形标志在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；
(2.3)建立三角测距接收光路标定模型；
将步骤(2.2)获取的质心位置数据p_ADn和基线距离真值Ln一一对应，根据接收光路建立三角测距测量模型，计算接收光学系统焦距、入瞳位置、接收光路基线等结构参数，以及质心误差修正系数；
(3)标定飞行时间测距接收光路，包括如下具体步骤：
(3.1)搭建远场基线测量系统；
在同步扫描交会测量敏感器视场中心位置建立基线场，每段基线由同步扫描交会测量敏感器所在位置和测量目标所在位置形成；架设经纬仪A1、A2和全站仪T1，三台仪器互瞄进行绝对定向；
(3.2)飞行时间光路距离数据采集；
同步扫描交会测量敏感器飞行时间测距光路对远场基线场中的基线距离进行测量，获得每段基线长度的测量值Lte以及Y振镜电机角度数字量sitaY_ADe；电子经纬仪A1、A2和T1准直建立同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系，全站仪测量每段基线目标在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(Xse，Yse，Zse)；根据步骤(1.4)的发射光路角度修正模型以及发射光路结构参数、角度修正系数及外参数，计算远场基线场每段基线距离真值Lse；
(3.3)建立飞行时间测距误差修正模型；
将步骤(3.2)获取的基线长度的测量值Lte和基线距离真值Lse一一对应，根据飞行时间测距误差修正模型，计算测距误差修正系数；
在上述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法中，所述步骤(1.1)中，漫反射圆形标志的数量不少于100个，漫反射圆形标志直径dT与同步扫描交会测量敏感器的光斑直径dS一致，黑色背景板尺寸B*H满足B≥L*Fov1，H≥L*Fov2；Fov1是指同步扫描交会测量敏感器水平方向视场大小，Fov2是指同步扫描交会测量敏感器竖直方向视场大小；电子经纬仪A1架设在同步扫描交会测量敏感器基准镜+X方向，距离基准镜1m以上；电子经纬仪A2架设在在同步扫描交会测量敏感器基准镜+Z方向，距离基准镜1m以上；电子经纬仪A3用于观测基准镜+Z面中心十字刻线，且A3与A2交会角不小于60°；
在上述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法中，所述步骤(1.2)中，电子经纬仪A1沿+X方向准直基准镜，电子经纬仪A2沿+Z方向准直基准镜，测量基准镜+Z轴、+X轴分别相对于电子经纬仪A1、A2的俯仰和偏航角度；电子经纬仪A2和A3前方交会方法测量基准镜前端面几何中心的位置，并将此位置沿基准镜-Z方向平移基准镜边长一半的距离，以平移后的位置为基准镜坐标系的原点，建立同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系；电子经纬A1和A3采用前方交会测量原理测量圆形标志几何中心坐标(XJi，YJi，ZJi)；
在上述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法中，所述步骤(1.3)中，第i个圆形标志的质心坐标(sitaXi，sitaYi)为
在上述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法中，所述步骤(1.4)中，步骤(1.2)和(1.3)的数据一一对应是指同步扫描交会测量敏感器对N个漫反射圆形标志几何中心的角度测量数据(sitaXi，sitaYi)和圆形标志在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(XJi，YJi，ZJi)按照下式进行一一对应：
将上式进一步整理为如下式所述的方程，每个点可列3个方程，N个点共计列方程3*N个：
其中，
(XJi,YJi,ZJi,sitaX_ADJi,sitaY_ADJi)为已知量，
(Rx,Ry,Rz,Tx,Ty,Tz,Mx_p1,Mx_p0,My_p1,My_p0,hy,T1)为未知量；
构造迭代式
采用高斯-牛顿法求解：
据此求得同步扫描交会测量敏感器发射光路结构参数T1、hy，角度修正系数Mx_p1、Mx_p0、My_p1、My_p0及外参数Rx、Ry、Rz、Tx、Ty、Tz，其中：
(θi,φi)表示第i个圆形标志几何中心在同步扫描交会测量敏感器测量本体系下的目标方位角；
(βi,αi)表示同步扫描交会测量敏感器竖直振镜和水平振镜电机对第i个圆形标志几何中心测量的竖直角和水平角；
(sitaX_ADi,sitaY_ADi)表示同步扫描交会测量敏感器竖直振镜和水平振镜电机对第i个圆形标志几何中心测量的电机转角数字量；
(Mx_p1,Mx_p0)表示同步扫描交会测量敏感器X振镜电机转角数字量至空间角度的转换系数；
(Mx_p1,Mx_p0)表示同步扫描交会测量敏感器X振镜电机转角数字量至水平角αi的转换系数；
(My_p1,My_p0)表示同步扫描交会测量敏感器Y振镜电机转角数字量至竖直角βi的转换系数；
(X'Ji,Y'Ji,Z'Ji)表示目标点在同步扫描交会测量敏感器测量本体系下的坐标；
(XJi,YJi,ZJi)表示目标点在在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标；
(Tx',Ty',Tz')表示同步扫描交会测量敏感器测量本体系原点在基准镜坐标系下的坐标；
Rw(Rx,Ry,Rz)表示同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系至测量本体系的旋转阵；
(Tx,Ty,Tz)表示同步扫描交会测量敏感器X振镜旋转轴中心在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标；
T1表示同步扫描交会测量敏感器发射旁镜M1与X振镜MX的距离；
hy表示同步扫描交会测量敏感器X振镜MX与Y振镜MY的距离。
在上述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法中，所述步骤(2.1)中，基线场的数量P≥3，基线场应设置在视场中心和视场边缘，基线距离应覆盖同步扫描交会测量敏感器三角测距光路的最近工作距Ltr_min和最远工作距Ltr_max，每个基线场中的基线距离数量不少于6个；电子经纬仪A1、A2和A3按照权利要求2所述方法进行架设；
在上述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法中，所述步骤(2.2)中，每段基线距离真值Ln的计算方法如下：
βn＝My_p1·sitaY_ADn+My_p0 式(10)
在上述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法中，所述步骤(2.3)中，三角测距光路距离测量模型如下：
xxn/zzn＝tan(α1n) 式(11)
αn＝Mx_p1·sitaX_ADn+Mx_p0 式(13)
S_rectn＝S+py_Rn·tan(pi/4-αn/2) 式(14)
T2_rect＝T2+py_R·tan(pi/4-αn/2) 式(17)
α1n＝pi/2-β0-atan(f·cosβ0/(pn+f·sinβ0)) 式(18)
pn＝(p_ADn+p0)×pixelsize 式(19)
将上式进一步整理为如下式所述的方程，每个点可列1个方程，N个点共计列方程N个：
F(P)＝Fn(f,S,T2,p0,py_R,sitaX_AD,p_AD)＝0 式(20)
构造迭代式
采用高斯-牛顿法求解：
据此求得同步扫描交会测量敏感器发射光路结构参数f、S、T2、p0、py_R，其中：
xxn表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时发射、接收轴转动后的基线长度；
zzn表示表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时目标点距接收系统光心的距离在接收轴方向上的分量，即斜距；
α1n表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时目标点接收光线与发射轴(接收轴)的夹角；
T1表示发射旁镜M1与X振镜MX的距离；
T2表示接收旁镜M2与X振镜MX的距离；
sitaX和sitaY分别表示振镜MX和MY电机转动角度；
S表示MX振镜与接收光学系统光心的竖直距离，S_rectn为Sn修正量；
ll表示发射轴转动中心与接收轴转动中心的距离；
β0表示CMOS探测器安装角度；
p_ADn表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时目标点成像在CMOS探测器上的质心位置；
pn表示同步扫描交会测量敏感器对第n个测量时目标点成像位置距光轴与探测器交点的距离；
p0表示CMOS探测器安装偏移量；
py_R表示接收光学系统安装位置偏差；
f为接收光学系统焦距；
T2为MX与M2镜的水平距离；
在上述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法中，所述步骤(3.1)中，在同步扫描交会测量敏感器电机零位对应的视场中心方向上，从飞行时间测距光路的最近工作距Ltof_min开始、至最远工作距Ltof_max结束，依次按照不同的间隔距离设置目标，在同步扫描交会测量敏感器和目标之间形成不同距离的基线长度用于距离标定，共计T段基线长度，T不少于10；目标采用圆形回光反射标志，目标直径dTl与同步扫描交会测量敏感器在目标处的激光光斑直径dL相同；电子经纬仪A1、A2按照权利要求2所述方法进行架设，全站仪T1与A2交会角不小于60°，距离同步扫描交会测量敏感器2m以上；
在上述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法中，所述步骤(3.2)中，全站仪T1的自动照准功能测量远场基线场中的每一个目标在激光雷达基准镜坐标系下的坐标，Xse，Yse，Zse分别为第e个目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；对第e段基线，距离真值Lse的计算方法如下：
βn＝My_p1·sitaY_ADn+My_p0 式(23)
在上述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法中，所述步骤(3.3)中，飞行时间测距光路距离测量模型如下：
Lse＝Lte+q·Lte+w
其中，q表示距离修正乘常数；w表示距离修正加常数；
每一组数据列一个方程，共计形成e个方程；采用最小二乘方法求解方程，按照下式计算距离修正系数q,w
G＝[Lte 1],b＝[Lse-Lte]
其中：
G表示激光雷达对T段基线的距离测量值的集合，b表示激光雷达对T段基线的距离测量值与真实值的偏差。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本方法能够针对融合光路特点，将两种测量原理光路共用的发射光路部分进行统一的角度误差修正和外参数标定，降低了标定参数的数量，便于敏感器误差修正与高精度测量；
(2)本方法将复杂光路中众多的标定参数进行一定程度的分离，通过分步标定的方式降低了标定参数求解的复杂度，降低了标定参数之间的相关性，保证了标定的精度和准确度；
(3)本发明采用圆形标志用于实现同步扫描交会测量敏感器的角度误差修正、三角测距误差修正、飞行时间测距误差修正，以及测量本体系标定，方法简单、标定基准易于建立，具有广阔的市场应用前景。
(4)本发明公开了一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，属于光学成像敏感器标定技术领域。同步扫描交会测量敏感器为新型激光类视觉测量敏感器，在测量体制方面，融合了三角测距和基于飞行时间测距两种测量原理，光路复杂，结构参数众多。本发明所述方法首先对发射光路进行标定，以确定发射光路基线长度和摆镜间距等结构参数，同时对二维摆镜的电机转角数字量与空间光学角度的对应关系进行标定，并建立敏感器测量本体系与其基准镜坐标系的相对位置和姿态关系，即外参数；其次，对三角测距接收光路进行标定，利用接收光线的共线约束建立目标成像质心位置与近距离斜距测量值的对应关系，从而确定接收光学系统焦距、入瞳位置、接收光路基线等结构参数；最后对基于飞行时间测距接收光路进行标定，对远距离测距误差进行修正。本发明所涉及方法将同步扫描交会测量敏感器测量模型中的众多参数进行一定程度的分离，降低标定参数之间的相关性，保证敏感器的标定精度和准确度。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是同步扫描交会测量敏感器光路简图；
图3是同步扫描交会测量敏感器发射光路简图；
图4是同步扫描交会测量敏感器三角测距接收光路简图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1、2、3、4所示，一种同步扫描交会测量敏感器标定方法，包括如下步骤：
步骤(1)发射光路标定
步骤(1.1)搭建空间指向标定测量系统
在距同步扫描交会测量敏感器距离为L处布设黑色背景板，粘贴N个漫反射圆形标志作为空间目标；架设电子经纬仪A1、A2和A3，进行互瞄、绝对定向；
步骤(1.2)角度数据采集
电子经纬仪A1、A2和A3准直建立同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系，测量圆形标志的几何中心在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(XJi，YJi，ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个圆形标志在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；同步扫描交会测量敏感器对黑色背景板进行扫描成像，获得圆形标志的扫描点云；i＝1,2,……N；
步骤(1.3)目标点云质心计算
对圆形标志的扫描点云进行处理，计算同步扫描交会测量敏感器对每个圆形标志几何中心的电机转角数字量(sitaX_ADi，sitaY_ADi)，sitaX_ADi和sitaY_ADi分别表示第i个圆形标志几何中心相对于同步扫描交会测量敏感器竖直方向和水平方向的电机转角数字量；
步骤(1.4)建立发射光路标定模型
将步骤(1.2)和(1.3)的数据一一对应，根据发射光路建立角度修正模型，计算发射光路结构参数、角度修正系数及外参数；
步骤(2)三角测距接收光路标定
步骤(2.1)搭建近场基线测量系统
在同步扫描交会测量敏感器视线范围内P个视线方向上建立基线场，每段基线由同步扫描交会测量敏感器所在位置和测量目标所在位置形成；架设电子经纬仪A1、A2和A3，用于测量基线场中每段基线的距离；
步骤(2.2)三角光路距离数据采集
同步扫描交会测量敏感器三角测距光路对近场基线场中的基线距离进行测量，获得目标成像在探测器上的质心位置p_ADn，以及二维振镜电机转角数字量sitaX_ADn和sitaY_ADn；与此同时，电子经纬仪A1和A3采用前方交会原理测量圆形目标几何中心在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(XJn，YJn，ZJn)；根据步骤(1.4)的发射光路角度修正模型以及发射光路结构参数、角度修正系数及外参数，计算近场基线场每段基线距离真值Ln；
步骤(2.3)建立三角测距接收光路标定模型
将步骤(2.2)获取的质心位置数据p_ADn和基线距离真值Ln一一对应，根据接收光路建立三角测距测量模型，计算接收光学系统焦距、入瞳位置、接收光路基线等结构参数，以及质心误差修正系数；
步骤(3)飞行时间测距接收光路标定
步骤(3.1)搭建远场基线测量系统
在同步扫描交会测量敏感器视场中心位置建立基线场，每段基线由同步扫描交会测量敏感器所在位置和测量目标所在位置形成；架设经纬仪A1、A2和全站仪T1，三台仪器互瞄进行绝对定向；
步骤(3.2)飞行时间光路距离数据采集
同步扫描交会测量敏感器飞行时间测距光路对远场基线场中的基线距离进行测量，获得每段基线长度的测量值Lte以及Y振镜电机角度数字量sitaY_ADe；电子经纬仪A1、A2和T1准直建立同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系，全站仪测量每段基线目标在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(Xse，Yse，Zse)；根据步骤(1.4)的发射光路角度修正模型以及发射光路结构参数、角度修正系数及外参数，计算远场基线场每段基线距离真值Lse；
步骤(3.3)建立飞行时间测距误差修正模型
将步骤(3.2)获取的基线长度的测量值Lte和基线距离真值Lse一一对应，根据飞行时间测距误差修正模型，计算测距误差修正系数；
优选的，步骤(1.1)中，漫反射圆形标志的数量不少于100个，漫反射圆形标志直径dT与同步扫描交会测量敏感器的光斑直径dS一致，黑色背景板尺寸B*H满足B≥L*Fov1，H≥L*Fov2；Fov1是指同步扫描交会测量敏感器水平方向视场大小，Fov2是指同步扫描交会测量敏感器竖直方向视场大小；电子经纬仪A1架设在同步扫描交会测量敏感器基准镜+X方向，距离基准镜1m以上；电子经纬仪A2架设在在同步扫描交会测量敏感器基准镜+Z方向，距离基准镜1m以上；电子经纬仪A3用于观测基准镜+Z面中心十字刻线，且A3与A2交会角不小于60°；
优选的，步骤(1.2)中，电子经纬仪A1沿+X方向准直基准镜，电子经纬仪A2沿+Z方向准直基准镜，测量基准镜+Z轴、+X轴分别相对于电子经纬仪A1、A2的俯仰和偏航角度；电子经纬仪A2和A3前方交会方法测量基准镜前端面几何中心的位置，并将此位置沿基准镜-Z方向平移基准镜边长一半的距离，以平移后的位置为基准镜坐标系的原点，建立同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系；电子经纬A1和A3采用前方交会测量原理测量圆形标志几何中心坐标(XJi，YJi，ZJi)；
优选的，步骤(1.3)中，第i个圆形标志的质心坐标(sitaXi，sitaYi)为
优选的，步骤(1.4)中，步骤(1.2)和(1.3)的数据一一对应是指同步扫描交会测量敏感器对N个漫反射圆形标志几何中心的角度测量数据(sitaXi，sitaYi)和圆形标志在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(XJi，YJi，ZJi)按照下式进行一一对应：
将上式进一步整理为如下式所述的方程，每个点可列3个方程，N个点共计列方程3*N个：
其中，
(XJi,YJi,ZJi,sitaX_ADJi,sitaY_ADJi)为已知量，
(Rx,Ry,Rz,Tx,Ty,Tz,Mx_p1,Mx_p0,My_p1,My_p0,hy,T1)为未知量；
构造迭代式
采用高斯-牛顿法求解：
据此求得同步扫描交会测量敏感器发射光路结构参数T1、hy，角度修正系数Mx_p1、Mx_p0、My_p1、My_p0及外参数Rx、Ry、Rz、Tx、Ty、Tz，其中：
(θi,φi)表示第i个圆形标志几何中心在同步扫描交会测量敏感器测量本体系下的目标方位角；
(βi,αi)表示同步扫描交会测量敏感器竖直振镜和水平振镜电机对第i个圆形标志几何中心测量的竖直角和水平角；
(sitaX_ADi,sitaY_ADi)表示同步扫描交会测量敏感器竖直振镜和水平振镜电机对第i个圆形标志几何中心测量的电机转角数字量；
(Mx_p1,Mx_p0)表示同步扫描交会测量敏感器X振镜电机转角数字量至空间角度的转换系数；
(Mx_p1,Mx_p0)表示同步扫描交会测量敏感器X振镜电机转角数字量至水平角αi的转换系数；
(My_p1,My_p0)表示同步扫描交会测量敏感器Y振镜电机转角数字量至竖直角βi的转换系数；
(X'Ji,Y'Ji,Z'Ji)表示目标点在同步扫描交会测量敏感器测量本体系下的坐标；
(XJi,YJi,ZJi)表示目标点在在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标；
(Tx',Ty',Tz')表示同步扫描交会测量敏感器测量本体系原点在基准镜坐标系下的坐标；
Rw(Rx,Ry,Rz)表示同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系至测量本体系的旋转阵；
(Tx,Ty,Tz)表示同步扫描交会测量敏感器X振镜旋转轴中心在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标；
T1表示同步扫描交会测量敏感器发射旁镜M1与X振镜MX的距离；
hy表示同步扫描交会测量敏感器X振镜MX与Y振镜MY的距离。
优选的，步骤(2.1)中，基线场的数量P≥3，基线场应设置在视场中心和视场边缘，基线距离应覆盖同步扫描交会测量敏感器三角测距光路的最近工作距Ltr_min和最远工作距Ltr_max，每个基线场中的基线距离数量不少于6个；电子经纬仪A1、A2和A3按照权利要求2所述方法进行架设；
优选的，步骤(2.2)中，每段基线距离真值Ln的计算方法如下：
βn＝My_p1·sitaY_ADn+My_p0 式(10)
优选的，步骤(2.3)中，三角测距光路距离测量模型如下：
xxn/zzn＝tan(α1n) 式(11)
αn＝Mx_p1·sitaX_ADn+Mx_p0 式(13)
S_rectn＝S+py_Rn·tan(pi/4-αn/2) 式(14)
T2_rect＝T2+py_R·tan(pi/4-αn/2) 式(17)
α1n＝pi/2-β0-atan(f·cosβ0/(pn+f·sinβ0)) 式(18)
pn＝(p_ADn+p0)×pixelsize 式(19)
将上式进一步整理为如下式所述的方程，每个点可列1个方程，N个点共计列方程N个：
F(P)＝Fn(f,S,T2,p0,py_R,sitaX_AD,p_AD)＝0 式(20)
构造迭代式
采用高斯-牛顿法求解：
据此求得同步扫描交会测量敏感器发射光路结构参数f、S、T2、p0、py_R，其中：
xxn表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时发射、接收轴转动后的基线长度；
zzn表示表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时目标点距接收系统光心的距离在接收轴方向上的分量，即斜距；
α1n表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时目标点接收光线与发射轴(接收轴)的夹角；
T1表示发射旁镜M1与X振镜MX的距离；
T2表示接收旁镜M2与X振镜MX的距离；
sitaX和sitaY分别表示振镜MX和MY电机转动角度；
S表示MX振镜与接收光学系统光心的竖直距离，S_rectn为Sn修正量；
ll表示发射轴转动中心与接收轴转动中心的距离；
β0表示CMOS探测器安装角度；
p_ADn表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时目标点成像在CMOS探测器上的质心位置；
pn表示同步扫描交会测量敏感器对第n个测量时目标点成像位置距光轴与探测器交点的距离；
p0表示CMOS探测器安装偏移量；
py_R表示接收光学系统安装位置偏差；
优选的，步骤(3.1)中，在同步扫描交会测量敏感器电机零位对应的视场中心方向上，从飞行时间测距光路的最近工作距Ltof_min开始、至最远工作距Ltof_max结束，依次按照不同的间隔距离设置目标，在同步扫描交会测量敏感器和目标之间形成不同距离的基线长度用于距离标定，共计T段基线长度，T不少于10；目标采用圆形回光反射标志，目标直径dTl与同步扫描交会测量敏感器在目标处的激光光斑直径dL相同；电子经纬仪A1、A2按照权利要求2所述方法进行架设，全站仪T1与A2交会角不小于60°，距离同步扫描交会测量敏感器2m以上；
优选的，步骤(3.2)中，全站仪T1的自动照准功能测量远场基线场中的每一个目标在激光雷达基准镜坐标系下的坐标，Xse，Yse，Zse分别为第e个目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；对第e段基线，距离真值Lse的计算方法如下：
βn＝My_p1·sitaY_ADn+My_p0 式(23)
优选的，步骤(3.3)中，飞行时间测距光路距离测量模型如下：
Lse＝Lte+q·Lte+w
其中，q表示距离修正乘常数；w表示距离修正加常数；
每一组数据列一个方程，共计形成e个方程；采用最小二乘方法求解方程，按照下式计算距离修正系数q,w
G＝[Lte 1],b＝[Lse-Lte]
其中：
G表示激光雷达对T段基线的距离测量值的集合，b表示激光雷达对T段基线的距离测量值与真实值的偏差。
本实施例对30°×30°视场的同步扫描交会测量敏感器进行标定：
用于发射光路标定的背景板长1.5m，宽1.5m，其中布设120个15mm直径的白色圆形漫反射目标。背景板与同步扫描交会测量敏感器相距2.5m。电子经纬仪A1架设在同步扫描交会测量敏感器基准镜+X方向，距离基准镜1.5m；电子经纬仪A2架设在在同步扫描交会测量敏感器基准镜+Z方向，距离基准镜1.2m；电子经纬仪A3与A2交会角90°。
全视场范围内共计测试120个点，列方程120*3个，按照步骤(1.1)至步骤(1.4)所述计算得到发射光路标定结果：
X振镜、Y振镜电机转角数字量至水平角、竖直角的转换系数
同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系至测量本体系的旋转阵
X振镜旋转轴中心在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(-41.211,-89.194,-46.561)T，单位mm
发射旁镜M1与X振镜MX的距离T1为29.582mm
X振镜MX与Y振镜MY的距离hy为53.565mm
之后进行三角测距接收光路标定过程。
在以下四个视线方向选取不同距离上的目标点，作为同步扫描交会测量敏感器三角测距接收光路标定数据：
视场中心方向，对应的X电机转角为0°，Y电机转角0°
视场左上角方向，对应的X电机转角为-7.5°，Y电机转角-7.5°
视场右下角方向，对应的X电机转角为+7.5°，Y电机转角+7.5°
视场正上方边缘，对应的X电机转角为+7.5°，Y电机转角0°
每条视线方向，在最近工作距0.5m至最远工作距10m范围内，形成基线长度0.5m、1.5m、2.5m、4m、6m、8m、10m。共计测试28段基线，列方程28个，按照步骤(2.1)至步骤(2.3)所述计算得到三角测距接收光路标定结果：
接收光学系统焦距f为60.665mm；
MX振镜与接收光学系统光心的竖直距离S为101.378mm；
MX与M2镜的水平距离T2为29.262mm；
CMOS探测器安装偏移量p0为2.431mm；
接收光学系统安装位置偏差py_R为-15.755mm。
最后进行飞行时间测距接收光路标定过程。
在视场中心视线方向，在最近工作距10m至最远工作距150m范围内，形成基线长度10m、12m、14m、16m、18m、20m、25m、30m、40m、55m、60m、80m、100m。共计测试13段基线，列方程13个，按照步骤(3.1)至步骤(3.3)所述计算得到飞行时间测距接收光路标定结果：
q＝-0.003728,b＝0.02652
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (11)
1.一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)标定发射光路，具体方法为：
(1.1)搭建空间指向标定测量系统；
在距同步扫描交会测量敏感器距离为L处布设黑色背景板，在黑色背景板上粘贴N个漫反射圆形标志作为空间目标；架设电子经纬仪A1、A2和A3；
(1.2)采集角度数据；
电子经纬仪A1、A2和A3准直建立同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系，测量圆形标志的几何中心在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(XJi，YJi，ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个圆形标志在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；同步扫描交会测量敏感器对黑色背景板进行扫描成像，获得圆形标志的扫描点云；i＝1,2,……N；
(1.3)计算圆形标志扫描点云质心；
对圆形标志的扫描点云进行处理，计算同步扫描交会测量敏感器对每个圆形标志几何中心的电机转角数字量(sitaX_ADi，sitaY_ADi)，sitaX_ADi和sitaY_ADi分别表示第i个圆形标志几何中心相对于同步扫描交会测量敏感器竖直方向和水平方向的电机转角数字量；
(1.4)建立发射光路标定模型；
将步骤(1.2)和(1.3)的数据一一对应，根据发射光路建立角度修正模型，计算发射光路结构参数、角度修正系数及外参数；
(2)标定三角测距接收光路，具体方法为：
(2.1)搭建近场基线测量系统；
在同步扫描交会测量敏感器视线范围内P个视线方向上建立基线场，每段基线由同步扫描交会测量敏感器所在位置和测量目标所在位置形成；架设电子经纬仪A1、A2和A3；
(2.2)采集三角光路距离数据；
同步扫描交会测量敏感器三角测距光路对近场基线场中的基线距离进行测量，获得目标成像在探测器上的质心位置p_ADn，以及二维振镜电机转角数字量sitaX_ADn和sitaY_ADn；与此同时，电子经纬仪A1和A3采用前方交会原理测量圆形目标几何中心在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(XJn，YJn，ZJn)；根据步骤(1.4)的发射光路角度修正模型以及发射光路结构参数、角度修正系数及外参数，计算近场基线场每段基线距离真值Ln；
(2.3)建立三角测距接收光路标定模型；
将步骤(2.2)获取的质心位置数据p_ADn和基线距离真值Ln一一对应，根据接收光路建立三角测距测量模型，计算接收光学系统焦距、入瞳位置、接收光路基线以及质心误差修正系数；
(3)标定行时间测距接收光路，具体方法为：
(3.1)搭建远场基线测量系统；
在同步扫描交会测量敏感器视场中心位置建立基线场，每段基线由同步扫描交会测量敏感器所在位置和测量目标所在位置形成；架设经纬仪A1、A2和全站仪T1；
(3.2)采集飞行时间光路距离数据；
同步扫描交会测量敏感器飞行时间测距光路对远场基线场中的基线距离进行测量，获得每段基线长度的测量值Lte以及Y振镜电机角度数字量sitaY_ADe；电子经纬仪A1、A2和T1准直建立同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系，全站仪测量每段基线目标在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(Xse，Yse，Zse)；根据步骤(1.4)的发射光路角度修正模型以及发射光路结构参数、角度修正系数及外参数，计算远场基线场每段基线距离真值Lse；
(3.3)建立飞行时间测距误差修正模型；
将步骤(3.2)获取的基线长度的测量值Lte和基线距离真值Lse一一对应，根据飞行时间测距误差修正模型，计算测距误差修正系数。
2.根据权利要求1所述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，其特征在于：所述步骤(1.1)中，漫反射圆形标志的数量不少于100个，漫反射圆形标志直径dT与同步扫描交会测量敏感器的光斑直径dS一致，黑色背景板尺寸B*H满足B≥L*Fov1，H≥L*Fov2；Fov1是指同步扫描交会测量敏感器水平方向视场大小，Fov2是指同步扫描交会测量敏感器竖直方向视场大小；电子经纬仪A1架设在同步扫描交会测量敏感器基准镜+X方向，距离基准镜1m以上；电子经纬仪A2架设在在同步扫描交会测量敏感器基准镜+Z方向，距离基准镜1m以上；电子经纬仪A3用于观测基准镜+Z面中心十字刻线，且A3与A2交会角不小于60°。
3.根据权利要求1所述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，其特征在于：所述步骤(1.2)中，电子经纬仪A1沿+X方向准直基准镜，电子经纬仪A2沿+Z方向准直基准镜，测量基准镜+Z轴、+X轴分别相对于电子经纬仪A1、A2的俯仰和偏航角度；电子经纬仪A2和A3前方交会方法测量基准镜前端面几何中心的位置，并将此位置沿基准镜-Z方向平移基准镜边长一半的距离，以平移后的位置为基准镜坐标系的原点，建立同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系；电子经纬A1和A3采用前方交会测量原理测量圆形标志几何中心坐标(XJi，YJi，ZJi)。
4.根据权利要求1所述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，其特征在于：所述步骤(1.3)中，第i个圆形标志的质心坐标(sitaXi，sitaYi)为
5.根据权利要求1所述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，其特征在于：所述步骤(1.4)中，步骤(1.2)和(1.3)的数据一一对应是指同步扫描交会测量敏感器对N个漫反射圆形标志几何中心的角度测量数据(sitaXi，sitaYi)和圆形标志在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标(XJi，YJi，ZJi)按照下式进行一一对应：
将上式进一步整理为如下式所述的方程，每个点列3个方程，N个点共计列方程3*N个：
其中，(XJi,YJi,ZJi,sitaX_ADJi,sitaY_ADJi)为已知量，(Rx,Ry,Rz,Tx,Ty,Tz,Mx_p1,Mx_p0,My_p1,My_p0,hy,T1)为未知量；
构造迭代式
采用高斯-牛顿法求解：
据此求得同步扫描交会测量敏感器发射光路结构参数T1、hy，角度修正系数Mx_p1、Mx_p0、My_p1、My_p0及外参数Rx、Ry、Rz、Tx、Ty、Tz，其中：
(θi,φi)表示第i个圆形标志几何中心在同步扫描交会测量敏感器测量本体系下的目标方位角；
(βi,αi)表示同步扫描交会测量敏感器竖直振镜和水平振镜电机对第i个圆形标志几何中心测量的竖直角和水平角；
(sitaX_ADi,sitaY_ADi)表示同步扫描交会测量敏感器竖直振镜和水平振镜电机对第i个圆形标志几何中心测量的电机转角数字量；
(Mx_p1,Mx_p0)表示同步扫描交会测量敏感器X振镜电机转角数字量至空间角度的转换系数；
(Mx_p1,Mx_p0)表示同步扫描交会测量敏感器X振镜电机转角数字量至水平角αi的转换系数；
(My_p1,My_p0)表示同步扫描交会测量敏感器Y振镜电机转角数字量至竖直角βi的转换系数；
(X′Ji,Y′Ji,Z′Ji)表示目标点在同步扫描交会测量敏感器测量本体系下的坐标；
(XJi,YJi,ZJi)表示目标点在在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标；
(Tx',Ty',Tz')表示同步扫描交会测量敏感器测量本体系原点在基准镜坐标系下的坐标；
Rw(Rx,Ry,Rz)表示同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系至测量本体系的旋转阵；
(Tx,Ty,Tz)表示同步扫描交会测量敏感器X振镜旋转轴中心在同步扫描交会测量敏感器基准镜坐标系下的坐标；
T1表示同步扫描交会测量敏感器发射旁镜M1与X振镜MX的距离；
hy表示同步扫描交会测量敏感器X振镜MX与Y振镜MY的距离。
6.根据权利要求2所述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，其特征在于：所述步骤(2.1)中，基线场的数量P≥3，基线场应设置在视场中心和视场边缘，基线距离应覆盖同步扫描交会测量敏感器三角测距光路的最近工作距Ltr_min和最远工作距Ltr_max，每个基线场中的基线距离数量不少于6个。
7.根据权利要求1所述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，其特征在于：所述步骤(2.2)中，每段基线距离真值Ln的计算方法如下：
βn＝My_p1·sitaY_ADn+My_p0 式(10)。
8.根据权利要求1所述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，其特征在于：所述步骤(2.3)中，三角测距光路距离测量模型如下：
xxn/zzn＝tan(α1n) 式(11)
αn＝Mx_p1·sitaX_ADn+Mx_p0 式(13)
S_rectn＝S+py_Rn·tan(pi/4-αn/2) 式(14)
T2_rect＝T2+py_R·tan(pi/4-αn/2) 式(17)
α1n＝pi/2-β0-atan(f·cosβ0/(pn+f·sinβ0)) 式(18)
pn＝(p_ADn+p0)×pixelsize 式(19)
将上式进一步整理为如下式所述的方程，每个点列1个方程，N个点共计列方程N个：
F(P)＝Fn(f,S,T2,p0,py_R,sitaX_AD,p_AD)＝0 式(20)
构造迭代式
采用高斯-牛顿法求解：
据此求得同步扫描交会测量敏感器发射光路结构参数f、S、T2、p0、py_R，其中：
xxn表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时发射、接收轴转动后的基线长度；
zzn表示表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时目标点距接收系统光心的距离在接收轴方向上的分量，即斜距；
α1n表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时目标点接收光线与发射轴(接收轴)的夹角；
T1表示发射旁镜M1与X振镜MX的距离；
T2表示接收旁镜M2与X振镜MX的距离；
sitaX和sitaY分别表示振镜MX和MY电机转动角度；
S表示同MX振镜与接收光学系统光心的竖直距离，S_rectn为Sn修正量；
ll表示发射轴转动中心与接收轴转动中心的距离；
β0表示CMOS探测器安装角度；
p_ADn表示同步扫描交会测量敏感器对第n个点测量时目标点成像在CMOS探测器上的质心位置；
pn表示同步扫描交会测量敏感器对第n个测量时目标点成像位置距光轴与探测器交点的距离；
p0表示CMOS探测器安装偏移量；
py_R表示接收光学系统安装位置偏差；
f为接收光学系统焦距；
T2为MX与M2镜的水平距离。
9.根据权利要求1所述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，其特征在于：所述步骤(3.1)中，在同步扫描交会测量敏感器电机零位对应的视场中心方向上，从飞行时间测距光路的最近工作距Ltof_min开始、至最远工作距Ltof_max结束，依次按照不同的间隔距离设置目标，在同步扫描交会测量敏感器和目标之间形成不同距离的基线长度用于距离标定，共计T段基线长度，T不少于10；目标采用圆形回光反射标志，目标直径dTl与同步扫描交会测量敏感器在目标处的激光光斑直径dL相同；电子经纬仪A1、A2按照权利要求2所述方法进行架设，全站仪T1与A2交会角不小于60°，距离同步扫描交会测量敏感器2m以上。
10.根据权利要求1所述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，其特征在于：所述步骤(3.2)中，全站仪T1的自动照准功能测量远场基线场中的每一个目标在激光雷达基准镜坐标系下的坐标，Xse，Yse，Zse分别为第e个目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；对第e段基线，距离真值Lse的计算方法如下：
βn＝My_p1·sitaY_ADn+My_p0 式(23)。
11.根据权利要求1所述的一种同步扫描交会测量敏感器的标定方法，其特征在于：所述步骤(3.3)中，飞行时间测距光路距离测量模型如下：
Lse＝Lte+q·Lte+w
其中，q表示距离修正乘常数；w表示距离修正加常数；
每一组数据列一个方程，共计形成e个方程；采用最小二乘方法求解方程，按照下式计算距离修正系数q,w
G＝[Lte 1],b＝[Lse-Lte]
其中：
G表示激光雷达对T段基线的距离测量值的集合，b表示激光雷达对T段基线的距离测量值与真实值的偏差。
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| Title |
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| JOHN F. JARVIS: "MICROSURVEYING: TOWARDS ROBOT ACCURACY", 《IEEE》 * |
| 吴奋陟 等: "基于标定场的激光雷达两步标定方法", 《空间控制技术与应用》 * |
| 薛婷 等: "钢管直线度测量视觉传感器的优化设计与标定", 《天津大学学报》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023094530A1 (en) | 2021-11-25 | 2023-06-01 | Trinamix Gmbh | One shot calibration |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113109829B (zh) | 2023-06-30 |
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