一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种雷达的检校方法，尤其是涉及一种多法向平面的多元线阵探测成 像激光雷达的检校方法。
【背景技术】
[0002] 三维成像激光雷达具有三维轮廓和外貌成像能力，可获取目标的多种图像，如距 离像、强度像和距离-角度像等，具有高的距离和角度分辨率，图像特征稳定，抗干扰能力 强，抗目标隐身能力强。多元线阵探测成像激光雷达采用线阵探测器接收，每次可获得一列 16个位置的距离和回波强度数据，通过推扫或二维光机扫描实现所有像素数据的采集，最 终获得多个激光点和强度影像，其成像速率远高于单元探测器二维扫描成像技术，且由于 线阵探测器产品较丰富、阵元数目多，能获得较高分辨率图像，是一种颇具优势和潜能的 成像探测技术，适合于精确的避障、导航、制导、着陆落点选择、航天器空间交会对接，对地 遥感观测、地形测绘、无人车和机器人的避障、导航等，在军民两大领域均具有广阔的发展 前景和应用需求。多元线阵探测成像激光雷达在测量过程中受到多种误差因素的影响，包 括多个激光测距误差、测角误差和其他误差等。为了保证数据质量，必须对影响多元线阵探 测成像激光雷达成像质量的误差因素进行建模，计算相关误差，提高多元线阵探测成像激 光雷达的质量。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种全参数检校模 型、简化检校实验场建立、实验结果精确的多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检 校方法。
[0004] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0005] 一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，包括以下步骤：
[0006] 1)获取多个不同方位的平面靶板的高精度观测数据，拟合靶板平面方程；
[0007] 2)通过多元线阵探测成像激光雷达获取检校区域内多个平面靶板的点云数据，包 括多元距离和角度的极坐标值，对点云数据进行预处理，建立基于多法向平面的多元激光 雷达系统误差检校模型；
[0008] 3)根据基于多法向平面的多元激光雷达系统误差检校模型，对多元线阵探测成像 激光雷达的系统误差和外方位元素进行迭代平差解算，得到初步系统误差检校参数；
[0009] 4)对初步系统误差检校参数进行粗差剔除，根据平差结果的残差分布进行统计分 析，判断是否含有大于给定阈值的观测值，若是，则将粗差值剔除并返回步骤3)，若否，则进 行步骤5);
[0010] 5)根据改正后的点云数据与靶板平面方程的距离偏差值评定粗差剔除后的初步 系统误差检校参数的精度，得到最终检校参数。
[0011] 所述的步骤1)具体包括以下步骤：
[0012] 11)通过高精度全站仪对靶板平面进行观测，获取平面上均匀分布离散点的高精 度三维空间坐标；
[0013] 12)利用最小二乘法对三维空间坐标拟合得到靶板平面方程。
[0014] 3所述的步骤2)中的预处理为将点云数据在激光扫描坐标系下的极坐标值 (x'，y'，z'）转换为基于全站仪直角坐标系的直角坐标值（X'，Y'，Z'），所述的点云数据的 极坐标值包括径向距离、水平角和垂直角，并依据点云的各平面归属情况，对点云数据进行 分割提取，建立识别编号。
[0015] 所述的点云数据的极坐标值转换为直角坐标值（X'，Y'，Z'）的公式为：
【主权项】
1. 一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，其特征在于，包括以下 步骤： 1) 获取多个不同方位的平面靶板的高精度观测数据，拟合靶板平面方程； 2) 通过多元线阵探测成像激光雷达获取检校区域内多个平面靶板的点云数据，包括多 元距离和角度的极坐标值，对点云数据进行预处理，建立基于多法向平面的多元激光雷达 系统误差检校模型； 3) 根据基于多法向平面的多元激光雷达系统误差检校模型，对多元线阵探测成像激光 雷达的系统误差和外方位元素进行迭代平差解算，得到初步系统误差检校参数； 4) 对初步系统误差检校参数进行粗差剔除，根据平差结果的残差分布进行统计分析， 判断是否含有大于给定阈值的观测值，若是，则将粗差值剔除并返回步骤3)，若否，则进行 步骤5); 5) 根据改正后的点云数据与靶板平面方程的距离偏差值评定粗差剔除后的初步系统 误差检校参数的精度，得到最终检校参数。
2. 根据权利要求1所述的一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法， 其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤： 11) 通过高精度全站仪对靶板平面进行观测，获取平面上均匀分布离散点的高精度三 维空间坐标； 12) 利用最小二乘法对三维空间坐标拟合得到靶板平面方程。
3. 根据权利要求1所述的一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方 法，其特征在于，所述的步骤2)中的预处理为将点云数据在激光扫描坐标系下的极坐标值 (x'，y'，z'）转换为基于全站仪直角坐标系的直角坐标值（X'，Y'，Z'），所述的点云数据的 极坐标值包括径向距离、水平角和垂直角，并依据点云的各平面归属情况，对点云数据进行 分割提取，建立识别编号。
4. 根据权利要求3所述的一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法， 其特征在于，所述的点云数据的极坐标值转换为直角坐标值（X'，Y'，Z'）的公式为：
其中，（XqJc^Zq)为激光扫描坐标系与全站仪坐标系的平移参数，叭仍队"?）为激光扫 描坐标系与全站仪直角坐标系之间的旋转角，平移参数和旋转角称为外方位元素，Pi'为 改正后的距离测量值，0 X'为改正后的水平角测量值，0/为改正后的竖直角测量值，Qi 为多元线阵探测成像激光雷达的各探测单元间的竖直夹角，b和e均为已知的仪器设计参 数。
5. 根据权利要求1所述的一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法， 其特征在于，所述的步骤2)中的基于多法向平面的多元激光雷达系统误差检校模型为：
其中，P i为第i个探测单元观测值，'为第i个探测单元测距值的随机误差，A p 第i个探测单元测距的系统误差,Ai为第i个探测单元的零点偏离误差，0 x'为多元线阵探 测成像激光雷达改正后的水平角值，0X为多元线阵探测成像激光雷达水平角的观测值，\ 为水平角观测值的改正数，△ 9 x为水平测角的系统误差，B1为水平摆镜的电机偏转误差，B2 为视准轴误差，B3为水平轴误差,C1为竖直摆镜误差，0 /为多元线阵探测成像激光雷达改 正后的竖直角值，A 0y为竖直角的系统误差，0 y为多元线阵探测成像激光雷达竖直角的 观测值，\为竖直角观测值的改正数。
6. 根据权利要求1所述的一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法， 其特征在于，所述的步骤3)中多元线阵探测成像激光雷达的系统误差检校模型的迭代解 算包括以下步骤： 31) 假定在全站仪坐标系下某个平面j的单位法向量为r^_= (ap bp Cp，全站仪坐标系 的原点到该平面j的垂直距离为该平面上的任一点可以表示为：
32) 设定多元线阵探测成像激光雷达的观测值集L(P p P 2,. . .，P k，0 x，0 y)和待定 参数集T( 4~4,化4 Wr H ZjW )，则步骤31)中的方程表示为： J(D) =O 其中，Z为L的最大似然估计集，f为T的最大似然估计集； 33) 对步骤32)中的公式进行线性化，得到线性化后的公式为：
其中，V为观测量近似值的改正数，t为误差参数近似值的改正数，Ltl为Z的初始值， Ttl为f的初始值，Vpi、.,.Vpt为三维激光扫描仪总共k个探测单元距离观测值的改 正数，AAn AA2......A Ak为k个距离误差参数近似值的改正数，AB p A B2、A B3、ACj 别为视准轴误差参数的改正数、水平轴误差参数的改正数和垂直角误差参数近似值的改正 数，Ap、A ?、A K、A X、A Y、A Z分别为6个外方位元素误差参数近似值的改正数； 34) 建立迭代解算方程，迭代解算方程为：
其中，m为参与平差的点的个数，n为观测值个数且n = k+2，u为待定参数的个数，且u =k+10 ; 35) 对迭代解算方程进行迭代解算，迭代初始，设定Z的初值等于L，f的初值等于0,在 每一次平差迭代过程中，Ltl和T tl根据上一次平差后的改正数进行更新，得到初步系统误差 检校参数。
【专利摘要】本发明涉及一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法，包括以下步骤：1)获取多个不同方位的平面靶板的观测数据，拟合靶板平面方程；2)获取检校区域内多个平面靶板的点云数据并进行预处理，建立基于多法向平面的多元激光雷达系统误差检校模型；3)根据系统误差检校模型，通过迭代平差解算，得到初步系统误差检校参数；4)对初步系统误差检校参数进行粗差剔除，获得最佳校验参数，判断是否含有大于给定阈值的观测值，若是，则将粗差值剔除并返回步骤3)，若否，则进行步骤5)；5)评定初步系统误差检校参数的精度，得到最终检校参数。与现有技术相比，本发明具有全参数检校模型、简化检校实验场建立、实验结果精确等优点。
【IPC分类】G01S7-497
【公开号】CN104820217
【申请号】CN201510174926
【发明人】童小华, 栾奎峰, 刘世杰, 刘向锋, 蔡银桥, 张松林, 谢欢, 陈鹏
【申请人】同济大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月14日