CN115790371A - 一种基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法，包括：利用平行光管建立大视场相机光轴与参考立方镜法线一致；利用光电自准直仪建立参考立方镜的正交面在大视场相机焦平面上的空间位置映射关系；利用大视场相机标校激光雷达动态扫描轴的正交性与角度误差；在激光雷达上同样安装参考立方镜，其空间指向与参考立方镜保持一致，以该立方镜为基准坐标参考即建立雷达的参考基准，并给出雷达光轴与基准坐标参考系的关系。本发明通过利用平行光管、大视场相机和立方基准镜检测三维扫描成像激光雷达的光轴指向及谐振扫描轴正交性相对参考关系的方法，优化并解决激光雷达系统的成像畸变和坐标传递。

Description

一种基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法。

背景技术

激光三维扫描成像系统主要用于对大尺寸空间目标进行精确定位与成像测量，通过对大型物体表面的非接触扫描测量，获取得到直观的三维点云数据用于三维逆向建模或者相对位姿解算。

作为一类导航测量系统，光轴的坐标转换和检测标定必不可缺。坐标转换是空间实体的位置描述，是从一种坐标系统变换到另一种坐标系统的过程。通过建立两个坐标系统之间一一对应关系来实现。在激光雷达扫描探测的过程中，其测量结果往往需要传递到大地坐标系统下的位置，以便后续各类目标参数的转化与测量。

现有的标定方法只适用于采用传统激光扫描镜的激光雷达，要求激光雷达扫描镜能够在某些固定位置保持静止，而谐振扫描镜工作时只能处于谐振状态，不能在特定角度保持静止，因而该方法无法推广至各类激光扫描设备，欠缺操作普适性且没有将扫描坐标系传递到大地参考坐标系进行测量数据统一。

发明内容

为了解决或部分解决相关技术中存在的问题，本发明提供了一种基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法，通过利用平行光管、大视场相机和立方基准镜检测三维扫描成像激光雷达的光轴指向及谐振扫描轴正交性相对参考关系的方法，优化并解决激光雷达系统的成像畸变和坐标传递。

本发明提供了一种基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法，包括：

利用平行光管建立大视场相机光轴与参考立方镜法线一致；

利用光电自准直仪建立参考立方镜的正交面在大视场相机焦平面上的空间位置映射关系；

利用大视场相机标校激光雷达动态扫描轴的正交性与角度误差；

在激光雷达上同样安装参考立方镜，其空间指向与参考立方镜保持一致，以该立方镜为基准坐标参考即建立雷达的参考基准，并给出雷达光轴与基准坐标参考系的关系。

可选地，所述利用平行光管建立大视场相机光轴与参考立方镜法线一致，包括：

从平行光管的入光口处注入一束能量适中的测试激光，然后通过调节多维调整架使该激光束处在相机的视场中心，固定相机的位置保持不动，调整安装参考立方镜的位置使立方镜前表面A反射光到达平行光管中相机的视场中心。

可选地，所述利用光电自准直仪建立参考立方镜的正交面在大视场相机焦平面上的空间位置映射关系，包括：

保持各设备的位置关系，在参考立方镜的上表面C和右表面B架设两个光电自准直仪，调节自准直仪使参考立方镜的面C和面B回光为某一确定值；首先通过多维调整架绕参考立方镜的Y轴旋转，同时保持Y轴监测自准直仪的数值不变，通过Z轴监测自准直仪读数记录旋转角度α和对应相机O点的位置，重复操作多次，拟合出相机对应焦平面的Y轴直线；然后回到原位，同理绕参考立方镜的Z轴旋转，拟合出相机对应焦平面的X轴直线，此时可在相机的接收视场映射参考立方镜的Y轴向和Z轴向的空间位置映射关系。

可选地，所述利用大视场相机标校激光雷达动态扫描轴的正交性与角度误差，包括：

利用激光雷达自身发射能量适中的激光束至大视场相机焦平面，通过调节多维调整架使激光雷达的初始光轴至大视场相机的视场中心，然后开启激光雷达的谐振扫描，在相机的接收视场中直观显示雷达发光束的扫面数据，通过分析雷达出射激光束在相机面上的点迹信息即可检测激光雷达扫描轴的正交性以及扫描角度的畸变反馈。

可选地，所述在激光雷达上同样安装参考立方镜，其空间指向与参考立方镜保持一致，以该立方镜为基准坐标参考即建立雷达的参考基准，并给出雷达光轴与基准坐标参考系的关系，包括：

校正激光雷达谐振扫描轴的正交性至误差允许范围，然后在激光雷达上同样安装参考立方镜，其空间指向与参考立方镜保持一致；通过空间映射关系和校正后激光雷达谐振扫描轴在相机视场的点迹信息，求解雷达光轴与基准坐标参考系的关系。

可选地，所述大视场相机为畸变校正和焦距标定的CCD相机；所述的平行光管为具有收发同轴的检测能力；所述的立方镜空间指向相一致，用于建立基准坐标系参考及相机光轴的转换。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明建立了一种可以推广至多种激光扫描设备监测标校的方法，将谐振扫描的光轴传递到标准的参考立方镜坐标，据此建立基准参考面。基于谐振扫描的激光雷达的谐振扫描轴在工作时处于谐振状态，无法像常规扫描镜一样在任意角度保持静止，常规标定检测方法不适用此类激光雷达。

本发明构建的检测方法同时可以对激光扫描设备二维扫描轴的垂直度和测角精度进行测量标校。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明专利实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明专利的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法的技术方案示意图；

图2为本发明利用平行光管建立大视场相机光轴与参考立方镜法线一致示意图；

图3为本发明利用光电自准直仪监视坐标轴变换的示意图；

图4为本发明利用大视场相机成像激光雷达谐振扫描轴的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。虽然附图中显示了本发明的实施方式，但是应该理解的是，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种雷达，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的雷达彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一雷达也可以被称为第二雷达，类似地，第二雷达也可以被称为第一雷达。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例提供了一种基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法的应用示例。由图可见，本文介绍了一种利用平行光管、大视场相机和立方基准镜检测扫描成像激光雷达光轴指向及谐振扫描轴正交性相对参考关系的方法。平行光管为具有收发同轴检测能力，立方基准镜用于建立基准坐标参考及相机光轴的坐标转换，大视场相机用于接收激光雷达的谐振扫描光，对雷达的相关数据进行测量检测。该方法是一种可以推广至多种激光扫描设备监测标校的方法。

本实施例中的检测方法的包括如下操作步骤：

步骤1：利用平行光管4建立大视场相机6光轴与参考立方镜7法线一致(图2)；

从平行光管4的入光口3处注入一束能量适中的测试激光2，然后通过调节多维调整架5使该激光束处在相机6的视场中心，此时固定相机6的位置保持不动，调整安装参考立方镜7的位置使立方镜前表面A反射光到达平行光管4中相机的视场中心。

步骤2：利用光电自准直仪建立参考立方镜7的正交面在大视场相机6焦平面上的空间位置映射关系(图3)；

在步骤1的基础上，保持各设备的位置关系(状态0)。在参考立方镜7的上表面C(取为Z轴正向)和右表面B(取为Y轴负向)架设如图3所示的两个光电自准直仪，调节自准直仪使参考立方镜7的面C和面B回光为某一确定值(或零位)。首先通过多维调整架5绕参考立方镜7的Y轴旋转，同时保持Y轴监测自准直仪的数值不变，通过Z轴监测自准直仪读数记录旋转角度α和对应相机O点的位置，重复操作多次，拟合出相机6对应焦平面的Y轴直线。然后回到原位(初始状态0)，同理绕参考立方镜7的Z轴旋转，拟合出相机6对应焦平面的X轴直线，此时可在相机6的接收视场映射参考立方镜7的Y轴向和Z轴向的空间位置映射关系。

步骤3：利用大视场相机6标校激光雷达10动态扫描轴的正交性与角度误差(图4)；

利用激光雷达10自身发射能量适中的激光束至大视场相机6焦平面，通过调节多维调整架8使激光雷达的初始光轴至大视场相机6的视场中心，然后开启激光雷达10的谐振扫描，在相机6的接收视场中直观显示雷达10发光束的扫面数据，通过分析雷达10出射激光束在相机6面上的点迹信息即可检测激光雷达扫描轴的正交性以及扫描角度的畸变反馈。

步骤4：在激光雷达10上同样安装参考立方镜11，其空间(ABC面)指向与参考立方镜7保持一致，以该立方镜11为基准坐标参考即建立雷达的参考基准，并给出雷达光轴与基准坐标参考系的关系。

结合步骤3的测试结果，校正激光雷达10谐振扫描轴的正交性至误差允许范围，然后在激光雷达10上同样安装参考立方镜11，其空间(ABC面)指向与参考立方镜7保持一致。通过利用步骤2得到的空间映射关系和校正后激光雷达10谐振扫描轴在相机视场的点迹信息，即可求解雷达光轴与基准坐标参考系的关系。

所述的大视场相机为畸变校正和焦距标定的CCD相机；所述的平行光管为具有收发同轴的检测能力；所述的立方镜空间指向相一致，用于建立基准坐标系参考及相机光轴的转换。

以上所述，仅为本发明的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和范围之内做出的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法，其特征在于，包括：

利用平行光管建立大视场相机光轴与参考立方镜法线一致；

利用光电自准直仪建立参考立方镜的正交面在大视场相机焦平面上的空间位置映射关系；

利用大视场相机标校激光雷达动态扫描轴的正交性与角度误差；

在激光雷达上同样安装参考立方镜，其空间指向与参考立方镜保持一致，以该立方镜为基准坐标参考即建立雷达的参考基准，并给出雷达光轴与基准坐标参考系的关系。

2.如权利要求1所述的基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法，其特征在于，所述利用平行光管建立大视场相机光轴与参考立方镜法线一致，包括：

从平行光管的入光口处注入一束能量适中的测试激光，然后通过调节多维调整架使该激光束处在相机的视场中心，固定相机的位置保持不动，调整安装参考立方镜的位置使立方镜前表面A反射光到达平行光管中相机的视场中心。

3.如权利要求1所述的基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法，其特征在于，所述利用光电自准直仪建立参考立方镜的正交面在大视场相机焦平面上的空间位置映射关系，包括：

保持各设备的位置关系，在参考立方镜的上表面C和右表面B架设两个光电自准直仪，调节自准直仪使参考立方镜的面C和面B回光为某一确定值；首先通过多维调整架绕参考立方镜的Y轴旋转，同时保持Y轴监测自准直仪的数值不变，通过Z轴监测自准直仪读数记录旋转角度α和对应相机O点的位置，重复操作多次，拟合出相机对应焦平面的Y轴直线；然后回到原位，同理绕参考立方镜的Z轴旋转，拟合出相机对应焦平面的X轴直线，此时可在相机的接收视场映射参考立方镜的Y轴向和Z轴向的空间位置映射关系。

4.如权利要求1所述的基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法，其特征在于，所述利用大视场相机标校激光雷达动态扫描轴的正交性与角度误差，包括：

利用激光雷达自身发射能量适中的激光束至大视场相机焦平面，通过调节多维调整架使激光雷达的初始光轴至大视场相机的视场中心，然后开启激光雷达的谐振扫描，在相机的接收视场中直观显示雷达发光束的扫面数据，通过分析雷达出射激光束在相机面上的点迹信息即可检测激光雷达扫描轴的正交性以及扫描角度的畸变反馈。

5.如权利要求1所述的基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法，其特征在于，所述在激光雷达上同样安装参考立方镜，其空间指向与参考立方镜保持一致，以该立方镜为基准坐标参考即建立雷达的参考基准，并给出雷达光轴与基准坐标参考系的关系，包括：

校正激光雷达谐振扫描轴的正交性至误差允许范围，然后在激光雷达上同样安装参考立方镜，其空间指向与参考立方镜保持一致；通过空间映射关系和校正后激光雷达谐振扫描轴在相机视场的点迹信息，求解雷达光轴与基准坐标参考系的关系。

6.如权利要求1所述的基于谐振扫描的激光成像雷达坐标系检测方法，其特征在于，所述大视场相机为畸变校正和焦距标定的CCD相机；所述的平行光管为具有收发同轴的检测能力；所述的立方镜空间指向相一致，用于建立基准坐标系参考及相机光轴的转换。

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