远程激光雷达标定系统与方法与流程

本发明涉及裝置标定方法，尤其涉及一种远程激光雷达标定系统与方法。

背景技术：

激光雷达(lightdetectionandranging,lidar)系统能够快速获取被测物体的三维表面信息，从而得到被测物体的高精度、高密度的三维点云数据。此外，全波形激光雷达设备还能通过高速模拟/数字(a/d)转换电路，将被测物体的回波波形进行完整的采集，通过波形分析的方式形成被测物体的反射强度信息。

然而，由于系统装调和电路中存在的延迟干扰，造成了激光雷达系统在扫描角、距离值获取上的系统偏差，而随着激光雷达与被测物体之间的距离和入射角的变化，激光雷达系统的探测器在光电转换时存在非线性效应，造成了激光雷达系统对被测物体的反射能量之量化有所不同，无法利用回波量化值反演真实的地物反射率，同时造成数据在均匀目标处不同位置强度的非均匀性。而在传统的激光雷达系统与被测物体之间的标定技术，是藉由远场检校装置的设计面向激光雷达系统，在长距离数据采集与处理的实际应用，从激光雷达系统的探测体制、测量原理以及地物反射特征出发，从而设计特定装置实现在远场环境下系统观测量和空间已知量之间的准确对应，能够通过误差处理和标定手段，得到系统在几何、辐射信息上的标定参数，提高数据采集的精度和质量；其中，几何标定技术就是藉由预制的靶板和特征目标，将位置和空间参数已知的点、平面等信息与系统观测值的反演信息进行对应和比较，并设计和建立系统误差模型，进而采用相应的误差处理方法对几何信息上的系统偏差进行估计，从而获取误差偏移改正数，并代入到系统测量模型中进一步提高数据反演的质量和精度的技术；以及，辐射校正技术是藉由反射被测物体的理想反射率，并结合被测物体所观测的距离、入射角信息，并根据激光雷达系统探测方程和地物辐射传输原理，建立一种地物反射率与系统辐射测量的一种对应关系，以定量的方式掌握系统内部对被测物体散射能量之间的传递关系，从而准确掌握地物反射属性并校正同一地物的反射强度非均匀性。

基于上述传统的激光雷达系统与被测物体之间的标定技术同时存在许多问题，其中对于在公里级远场环境下，激光雷达系统的探测原理、扫描方式未涉及被测物体的可调控、可移动、稳健系统误差几何标定装置设计与实现；另外，现有技术未涉及在公里级远场环境下，与激光雷达系统探测波长相对应，以及覆盖地物反射率和激光探测动态范围的辐射校正的设计与实现。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案:

本发明首先提供一种远程激光雷达标定系统，系统包含激光雷达与标定装置，且在激光雷达与标定装置之间进行标定，标定装置具有支撑架、标定面板及调节装置，其中标定面板安置于支撑架上，及调节装置用于调整标定面板的高度及角度，其特征在于调节装置包括:支撑架具有上部位与下部位，上部位具有多个不同高度的调节孔，下部位与折叠装置之间经由连接装置进行固定；内侧转动控制装置及外侧转动控制装置，外侧转动控制装置设置在内侧转动控制装置及支撑架之间，内侧转动控制装置及外侧转动控制装置具有共同中心，藉由内侧转动控制装置及外侧转动控制装置相互转动以读取刻度位置并予以调节角度；以及固定装置可贯穿标定面板，且突设于支撑架的调节孔，并透过螺旋固定部件将固定装置固定于调节孔。

在支撑架的下部位与折叠装置之间设置固定铰链，藉由固定铰链让支撑架的下部位与折叠装置进行打开与合并；内侧转动控制装置包括有切向角度调节镂空凹槽，切向角度调节镂空凹槽的边缘具有刻度，配合螺旋或卡扣式松紧结构，通过转动内侧转动控制装置可取得刻度位置；螺旋固定部件包括垫片和螺帽；标定面板之表面镀有能响应激光红外工作波长反射率的漫反射材料；漫反射材料更包括硫酸钡、聚四氟乙烯、水基乙烷。

一种利用权利要求1的远程激光雷达标定系统进行远程激光雷达标定方法，其特征在于，包括:将多个标定装置放置于激光雷达有效视场内的不同位置；调整支撑架上的高度调节孔；转动标定装置的内外转动装置，让标定装置的标定面板与激光雷达的光源入射方向呈一角度；利用激光雷达获取标定面板的三维数据点与全波形数据，利用三维数据点以建立系统误差方程完成雷达几何标定，并根据全波形数据搭配标定面板不同的反射率完成雷达辐射校正；以及根据激光雷达与标定装置进行雷达几何标定与雷达辐射校正，以得到标定装置的实际坐标位置的误差，而对标定装置进行标定。

激光雷达获取标定面板的三维数据点与全波形数据，是经由激光雷达与标定装置之间的距离进行多次测距；激光雷达与标定装置之间的距离为200m、400m、800m或1200m；标定面板之表面镀有能够较好响应激光红外工作波长反射率的漫反射材料；漫反射材料更包括硫酸钡、聚四氟乙烯、水基乙烷；标定面板的反射率可为5％、20％、40％、60％或100％；标定面板与激光雷达的光源入射方向呈的角度为0度至90度之间任一角度。

综上所述，本发明所提供的标定装置，是经过优化设计，透过激光雷达与标定装置之间的标定，从而达到测量过程的高度统一之效果。本发明的优点在于:

1.标定装置基本构件稳固、灵活，适用于在野外环境下展开与布设，按照标校需求进行部件更替与整体调整，能够实际作业场景结合，并实现标定作业数据的同步采集，实现了数据产生和系统标校工作的有效结合，也利于编制特殊软件在激光雷达数据获取的同时自动开展系统自检校果。

2.标定装置的布设和数据采集适用于构建与激光雷达系统的激光测距值相关的完整辐射校正模型，在建模基础上又能够通过辐射校正模型对激光测距值反演进行修正，辐射与几何信息修正过程的交互迭代能够进一步提高数据质量和测量精度。

附图说明

图1系为本发明之标定装置正面示意图。

图2系为本发明之标定装置侧面示意图。

图3系为本发明之标定装置之转动控制装置正面放大示意图。

图4系为本发明之标定装置之转动控制装置侧面放大示意图。

图5系为本发明之激光雷达与标定装置之间的标定操作流程图。

具体实施方式

本发明之优点及特征以及达到其方法将参照例示性实施例及附图进行更详细的描述而更容易理解。然而，本发明可以不同形式来实现且不应被理解仅限于此处所陈述的实施例。相反地，对所属技术领域具有通常知识者而言，所提供的此些实施例将使本揭露更加透彻与全面且完整地传达本发明的范畴。

为了使本发明所提供之激光雷达与标定装置之间进行标定能被所属之技术领域者能充分了解其技术内容，于此提供相关之实施列与其实施方式来加以说明。

请参考图1至图4，分别为本发明之标定装置的正面示意图与侧面示意图与标定装置之转动控制装置的正面放大示意图与侧面示意图，如图1与图2所示，本发明的标定装置1包括支撑架2、标定面板3及调节装置所组成；支撑架2具有上部位21与下部位23，而上部位21具有多个不同高度的调节孔212，而下部位23与折叠装置6之间经由连接装置5进行固定，另外，支撑架2的下部位23与折叠装置6之间还设置有固定铰链7，可透过固定铰链7让支撑架2的下部位23与折叠装置6进行打开与合并。

标定面板3是安置于支撑架2上，其中标定面板3具有贯穿整个标定面板3之固定装置8，在一较佳实施例中，固定装置8可为横杆，优选的是长条横杆。在本发明中，横杆8穿过支撑架2之上部位21的调节孔212并伸出，而横杆8伸出的部位可藉由螺旋固定部件(未在图中表示)来用于固定横杆8防止其转动；其中调节孔212具有与横杆8相对应的开孔，且螺旋固定部件包含垫片(未在图中表示)和螺帽(未在图中表示)，套设于横杆8并加以固定防止其转动。另外，在本发明中使用目前常见的垫片材料包括齿行垫片、上弯垫片螺旋弹性垫片或弹簧垫片等，以及在本发明中使用目前常见的螺帽材料包括六角螺帽、翼形螺帽、堡形螺帽、方形螺帽、环形螺帽、还首螺帽或盖头螺帽等。

在一较佳实施例中，标定面板3的表面镀有能够较好响应激光红外工作波长反射率的漫反射材料，藉由此漫反射材料让标定装置1表面反射率不会随着观测方向的变化而产生变化。要说明的是在本发明中所采用的漫反射材料应保证标定装置1的反射特性接近理想朗伯体，要说明的是，朗伯体是指辐射面源射向各个方向的辐射亮度是不同的，具有方向性，若是辐亮度不随方向x(x为辐亮度方向与平面法线之间的交角)变化，这类辐射体就称为伯朗体。另外，在本发明中使用目前常见的漫反射材料或是复合式漫反射涂层材料包括等，其主要成分包括硫酸钡、聚四氟乙烯、水基乙烷以及其他合成化学成分等，但不局限于此。

继续如图1所示，调节装置进一步还包含转动控制装置9，而转动控制装置9是设置于支撑架2与标定面板3之间，转动控制装置9可以具有一定厚度的金属圆盘或正多边形扁平盘片，且具有与支撑架2之上部位21的调节孔212想同的共同中心；在一较佳实施例中，如图3与图4所示，是根据图1的标定装置的转动控制装置进一步说明；转动控制装置9包含内侧转动控制装置10及外侧转动控制装置11，内侧转动控制装置10连接于标定面板3，而外侧转动控制装置11设置在内侧转动控制装置10及支撑架2之间，用以缓冲及紧固于支撑架2及标定面板3，其中，内侧转动控制装置10及外侧转动控制装置11具有共同中心，藉由内侧转动控制装置10及外侧转动控制装置11相互转动以读取刻度位置并予以调节角度，并且支持360度旋转。在一较佳实施例中，内侧转动控制装置10包括有切向角度调节镂空凹槽，而切向角度调节镂空凹槽的边缘具有精确刻度，配合螺旋或卡扣式松紧结构，通过转动所述内侧转动控制装置10可取得刻度位置。

请参考图5，为本发明之激光雷达与标定装置之间的标定操作流程图，图5是是根据图1至图4的标定装置示意图进一步介绍激光雷达与标定装置之间的标定。如图5所示，首先步骤s01，进行激光雷达与标定装置1之间的标定时，先将多个标定装置1均匀覆盖于激光雷达的有效视场，且激光雷达与标定装置1之间的距离可分别为200m、400m、800m或1200m。

接着步骤s02，将多个标定装置1的标定面板3进行观测角度的控制、标定面板3的表面反射率的选取与更换以及标定面板3高度调整；首先，透过标定装置1的内侧转动控制装置10及外侧转动控制装置11进行标定面板3的角度调整，而调整角度的范围选取必须满足标定面板3与激光雷达所发射的激光束呈现0度至90度之间任一角度的条件下进行调整；接着选取或更换标定面板3的反射率，而本发明所选用的反射率为5％、20％、40％、60％或100％；在接着通过将横杆与支撑架2上配套的不同高度调节孔212，实现标定面板3于不同高度的调节，因此标定面板3的高度调节、角度调整以及不同反射率的选取与更换并且配合不同标定装置1摆放位置，实现了激光雷达对标定装置1的三维位置进行标定数据的采集。在接着步骤s03，调整激光雷达的基本参数，根据激光雷的的分辨率下限而进行设置水平扫描分辨率和垂直分辨率；

在接着步骤s04与s05的激光雷达的几何标定与辐射校正，首先，依据上述步骤s01与s02的激光雷达与标定装置1之间的摆设，以及标定面板3的角度调整、高度调整与反射率的选取或更换之后，藉由激光雷达以发射激光束观测标定装置1，而观测方式是先选定上述标定装置1与激光雷达之间距离的任何一个标定装置1的其中一个标定装置1进行观测，当观测一次之后，将所观测到的标定装置1再次进行标定面板3的角度与反射率的选取或更换，并依据所选取或更换的标定面板3再次进行激光雷达与标定装置1之间的观测，而此观测方式须进行20次的观测。当任一个标定装置1的其中一个标定装置1进行20次观测之后，并再次选择上述标定装置1与激光雷达之间距离的任何一个标定装置1的另一个标定装置1进行观测，因此将完成4组上述激光雷达与标定装置1之间的距离所选定的参数情况下进行观测，但此观测次数不应被理解仅限于此处所陈述的实施例。依据上述所探测的方式可获得标定面板3的激光三维数据点、每一个数据点对应的原始观测值、标定面板3的数据点的激光回波波形、对应的距离、入射角观测值、激光回波脉冲能量等此数据，并将此数据透过基本计算软件进行机光雷达的几何标定与辐射校正。

在步骤s04的机光雷达的几何标定，是将标定面板3的激光三维数据点以及每一个数据点对应的原始观测值透过基本计算软件进行机光雷达的几何标定，首先，透过基本计算软件计算标定面板3之平面的参数，假设标定面板3的4个数据点分别为a(x1,y1,z1)，b(x2,y2,z2)，c(x3,y3,z3)，d(x4,y4,z4)，分别带入标准平面方程:

ax+by+cz+d＝0

并依据平面的4个数据点而组成的表达式并联立得此方程组：

并利用最小二乘方法解算上述的方程组，获得标定面板3之平面的参数(a,b,c,d)，而完成至少3个以上参数的计算，其中若标定面板3内的数据点数多于4个以上，则将所有数据点坐标值带入方程组中参与计算。

接着每一个数据点对应的原始观测值满足激光雷达量测模型所确定的函数关系，即为激光测量方程，而在不同设计与量测原理的激光雷达模型的形式和参数不同，但均为激光观测量；因此激光雷达的系统扫描角和探测距离ρ的函数即可表示为而可为下述所示：

由上述获得标定面板3的空间平面参数(a,b,c,d)，且激光雷达的三维观测值(x,y,z)在空间平板上，以此空间关系作为平面约束条件，即ax+by+cz+d＝0，因此激光雷达的系统扫描角和探测距离ρ与标定面板3之空间关系的平面约束条件进行联立，通过最小二乘原理求解误差方程，可获得激光雷达误差改正数，以及系统扫描角和探测距离的修正量，由此获取准确的激光实际观测量，完成机光雷达的几何标定。

接着步骤s05的机光雷达的辐射校正，是将标定面板3的数据点的激光回波波形、对应的距离、入射角观测值透过基本计算软件进行机光雷达的辐射校正，首先，使用波形分解方法将标定面板3的数据点的激光回波波形进行激光回波波形的参数提取，获得激光回波脉冲振幅、波宽以及波形中心位置；在接着根据激光雷达观察标定面板3所获得不同反射率的实际振幅、距离以及入射角观测值，与标定面板3本身的不同反射率进行趋势面拟合，生成与激光雷达的衰减参数、接收器口径、发射波形能量相关的经验辐射校正模型，并透过下述方程式，完成激光雷达辐射校正，获得激光回波脉冲能量:

而上述公式为激光雷达方程，描述了激光雷达进行地物探测的理想模型，pt和pr分别是发射脉冲能量和经过设备信号转后的回波脉冲能量，σ是地物后向散射截面，dr是接收器孔径，βt是激光射束的宽度，ηsys是系统信号转换因子，ηatm是大气传输因子，r是观察距离。

在接着s06获得精确的校正结果，是量测激光雷达和标定装置1之间的距离，计算波形中心位置所反演的距离，记录两个距离的偏差量以及标定面板3本身的反射率，通过观测反射率不同的标定面板3，可以得到一系列的偏差量与反射率，经过曲线拟合，进而生成激光雷达在不同反射率下的距离误差曲线，并修正原有观测距离的误差估计量；再接着将修正后的距离，透过下述方程，对激光雷达的几何误差进行修正:

而为第k测段标准长，dkr为观测值，vkr为相应的改正，a为加常数，b为乘常数；另外改写此方程为：

vkr＝-a-dkr×b+lkr

其中并加将k,r序号记成i，而i则表示为第i个反射率的标定面板3之反射率。因此重复上述s04～s06之步骤，可实现激光雷达与标定装置1之间进行表定，从而实现数据几何、辐射信息的准确获取，提高数据观测的精度和质量，实现初始结果基础上的精修正，得到更为精确的校正结果。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，并非用以限定本发明权利的范围；同时以上的描述，对于相关技术领域中具有通常知识者应可明了并据以实施，因此其他未脱离本发明所揭露概念下所完成的等效改变或修饰，应均包含于申请专利范围中。