[发明专利]一种激光扫描仪的检校方法及检校系统

说明书

技术领域

本发明涉及激光扫描仪，特别是测距用的，基于线扫描的二维激光扫描仪；更具体而言，本发明涉及对所述扫描仪进行检校，以确定其内部误差的方法，以及用于实现所述方法的检校系统。属于遥感对地观测和地理信息系统建设的技术领域。

背景技术

激光扫描仪的检校主要目的是验证其性能是否达到标称的各项技术指标，并对检校过程中发现的系统误差进行补偿。以及对系统误差过大，不能容忍或无法通过补偿来修正的扫描仪进行识别。

由于线扫描的激光扫描仪工作原理上的特点，不能对某个特定点精确成像而只能是“逐线”式的扫描来形成点云，使得其检校与单点测距的激光测距仪不同，也与传统的各种二维成像的传感器，例如CCD等的检校有很大不同。

图1是典型的激光扫描仪的结构和工作原理示意图。其中，发射器11用于产生激光脉冲，经过发射透镜13照射在被扫描物体20上；经过被扫描物体20表面的漫反射，反射光通过接收透镜14被接收器12接收。发射器12和接收器13连接到一信号处理单元和一后处理单元，通过测量发射光与接收到反射光的时间差，来计算扫描仪的坐标中心到被扫描物体的距离。发射器12作为激光光源，现多使用激光脉冲二极管。对于本发明的线扫描的激光扫描仪，发射透镜13为旋转棱镜组，每条扫描线的扫描过程中，棱镜转过预定的角度或圈数。通过改变多棱镜的旋转速度来调整扫描的速度。以及，通过棱镜的角度，来确定扫描结果中对应的角度参数。

激光扫描仪的原始输出是以仪器坐标系Pi下的极坐标形式，其包括距离参数和角度参数两个方面，测距和测角分别基于不同的原理，其误差成因和表现也各有不同，大致来说，激光扫描仪的主要误差有以下几种。

对激光扫描仪而言，测距精度使其最重要的技术指标。测距误差产生的原因包括外因和内因两方面，外因有大气分布不均匀及大气扰动、目标表面属性(如表面灰度、材质，最后反映到表面反射率上)等；而内因则包括机械加工和安装误差等。由于成因的不同在误差的表现上，也体现出不同的特性。大体说来，测距误差可以用加常数和乘常数来表示，其中，加常数表示系统的固定误差，和距离无关；乘常数表示可变误差，与测量的距离结果有关，通常是正相关。

于此同时，由于激光扫描仪依赖于电机驱动的扫描机构(例如旋转棱镜)来形成扫描线，且测量的角度值靠一般其内部的编码器来获取，因而除测距误差之外，还可能存在测角误差。

此外，理想条件下360度激光扫描仪工作时其扫描面应该是一个平面，通过棱镜旋转，进行360度圆周扫描，然而实际上由于机械加工和安装上存在的误差，其扫描旋转轴与出射光路并不完全垂直，导致扫描面是个锥面，锥面和理想的扫描面之间存在一个小小的锥扫角，检校中要求出该角度并评估其对后期集成精度的影响。

综上，激光扫描仪的检校内容包括下面几个单项：测距的加常数、测距的乘常数、锥扫角大小、测角误差、灰度或表面发射率对测距的影响等。

现有技术条件下，对激光技术指标的检校通常用另外一种已经检校好的激光测距仪(如全站仪)同时对同一个目标进行测量，将测量结果进行比较，以确定待检校设备的误差。但是要将此法直接应用于但是二维激光扫描仪的检校，存在以下困难：1)二维激光扫描仪的激光是线扫描，无法对某个物方点精确成像，因此很难建立像方点和物方点在空间上的准确对应关系，也即无法用检校仪器(如全站仪)量测同样的目标以比对待检测设备的技术指标；2)部分激光扫描仪发射的激光光束是非可见光波段，并且数据是离散的深度值，很难像可见光影像数据一样利用布设已知控制点的方式来检验系统精度，因为无法确定扫描线是否扫到了我们想要用来解算的控制点上面。

为了解决这些问题，已有的方法是利用一金属杆作为靶标，将其垂直安装在可用上下左右移动的导轨上，在检校过程中，激光扫描仪安置在置平的方箱上，静止不动。开启激光扫描仪，让其正常采集数据，同时在目标方不断移动靶标，让其在实时云图中显示出来，然后再用全站仪获取靶标的外部坐标，从点云的实时云图中得到靶标在激光扫描仪坐标系下的坐标，从而建立靶标在两套坐标系中的对应关系，由此进行精度检校。但由于激光扫描仪的数据是离散的采样值，同时激光是线扫描，需要不断上下左右移动靶标，才能让激光光束顺利的获取靶标的坐标，实际操作中相当困难，人为误差因素较多，检校精度不高。