● 線性誤差(雷射雷達部分/lara)
● 測距雜訊(雷射雷達部分/lara)
● 測角誤差(機械偏轉部分)
它的硬體包括兩個部分
1、雷射雷達系統(the laser radar system/lara),它的作用是發射雷射,測量雷射飛行時間,計算被測物體的距離。
2、機械偏轉系統(the mechanical deflection system),它的作用是引導雷射束的發射方向。偏轉系統通過雷射反射鏡(鉛垂方向轉動)以及旋轉整個儀器(水平方向轉動)來實現全方位測量。在極座標系中掃瞄器通過水平角與豎直角來確定雷射束位置。
雷射雷達系統(lara)
每一次雷射測距的讀數都包含誤差,這個是任何裝置避免不了的。測距的誤差包括兩部分:穩定可**誤差與隨機不可**誤差。可**誤差可以通過合適的校準程式來改正:
將掃瞄器的雷射測距部分固定好,雷射束指向乙個具有已知反射率的標靶板。標靶板固定在滑輪車上,並且滑輪車可以沿著雷射束走向精確地固定在某乙個位置。每乙個位置「i」都會做10000次距離取樣(測量距離與反射率)。整個程式會自動測出不同反射率、不同距離下的測距情況。
真實距離d(i)由更高精度的雷射干涉儀測得,通過對比10000次距離取樣的平均值與d(i)的誤差值,即可計算出改正值。我們稱之為「測距校準」。距離校準可在掃瞄器實時測量的同時進行實時改正,這樣就能提高雷射測距系統的測距精度。然而經過校準後還會存在微小的誤差,這個誤差就是所謂的「線性誤差」,線性誤差可以用相同的校準程式進行測定。
1.1)線性誤差
用以上程式校準過的掃瞄器,通過以上的程式再進行距離測量,記錄不同距離下的測距取樣的平均值與標準差。對比不同距離下的取樣均值與真實距離d(i),我們得到了不同距離下的測距殘留誤差。隨著標靶距離的變化,誤差曲線總是成「之」字型,不是乙個線性變化,總是在0位置上下浮動,我們稱這種誤差為「線性誤差」。
掃瞄器標稱它的線性誤差小於等於1mm,意思是誤差曲線在+/-1mm以內浮動。總的來說線性誤差與被測物體遠近是沒有關係的,所以線性誤差可以被看做乙個常數。
線性誤差是隨機誤差,不符合正態分佈。小於1mm的誤差值是通過對數百台的掃瞄器測試而來。然而對於所有誤差來講,線性誤差是毫無關聯的隨機誤差,你可以按照均方根值(rms)來看待。
1.2)測距雜訊
所謂距離雜訊是指,特定距離下的測距取樣值與其均值(特定距離下的10000測距取樣均值)的差值。它符合高斯正態分佈,可以表徵每次測距讀數的分布情況,一般以1 sigma表示。它的意思是所有取樣值裡有68.3%是在以平均值為基準±1sigma以內的。對於正太分布來講,1sigma 即所謂的均方根(rms/root mean square),也就是掃瞄器的測距雜訊。
測距雜訊是任何點雲資料裡都有的,例如我們隨便找一塊牆體或者地面的點雲,從側面檢視點雲,都有一定的厚度,而不是一條線,老外稱之為「三明治」現象。點雲的厚度取決於它測距雜訊點的範圍(±1sigma包含68.3%的點雲、±2sigma包含95.5%的點雲、±3sigma包含99.7%的點雲)。
影響測距雜訊的主要因素是被測物體與掃瞄器的距離、物體表面反射率。物體表面反射率越好,距離越近雜訊越少;物體表面反射率越低,距離越遠雜訊越多。
對於z+f 5010來說被測物體在25公尺處,表面反射率為37%的情況下,測距雜訊(1sigma)為0.6mm rms,反射率為80%情況下為0.5mm rms;如果據被測物體增加到100m,測距雜訊會相應增加到3.8mm,2.0mm。
對於所有資料獲取速率高的掃瞄器來講,測距雜訊受採集速率的影響很大。大家可以模擬一下全站儀,全站儀測乙個點是需要一定的時間的。因為掃瞄器動輒每秒幾十萬點的測量速率,它沒有足夠的時間將噪點濾除掉。如果要對比不同掃瞄器的測距雜訊需要先確定其資料採集速率。相同採集速率下,對比出來才有一定的參考價值。
例如:● 在100m處目標反射率37%,掃瞄器a以127khz(127000點/秒)的速率測出的資料,測距雜訊2.8mm
● 在100m處目標反射率37%,掃瞄器b以10khz(10000點/秒)的速率測出的資料,測距雜訊1.5mm
表面上看掃瞄器b的測距雜訊要小一點,但是考慮到資料採集速率,有如下演算法可供參考:
●掃瞄器a 標準化測距雜訊==0.0107mm
●掃瞄器a 標準化測距雜訊==0.0150mm
所以說測距雜訊的大小還是要考慮到當時採集資料的速率。
2)機械偏轉系統
雷射束的發射角度是根據反射鏡的角度來測量的,雷射束真實的發射角度與反射鏡的實際角度並不是完全一樣。這個誤差我們稱之為「測角誤差」。測角誤差又包括水平測角誤差eβ與豎直測角誤差eα。對於z+f 5010來說水平與豎直測角誤差都是0.007°rms(0.122mrad rms)。
弧度(rad)是乙個能清晰反映測角誤差對於每個點位誤差影響程度的單位,2π rad=360°即單位圓(半徑為1m的圓)的周長。對於微小的角度來講弧度即對應該弧度的弧長。例如1mrad 的角度誤差,反映到點位誤差上即距離增加一公尺,誤差增加1mm。所以0.122mrad的角度誤差,在距離10公尺處的點誤差為1.2mm,在50公尺處誤差為6mm,在100公尺處誤差為12mm。
在做掃瞄器偏轉系統的校準的時候,每個臺掃瞄器都會掃瞄乙個獨立的校準場。通過測量校準場內的目標,並與目標的實際位置進行對比,即可得到每台掃瞄器的測角誤差。有了這些測角誤差就會相應的生成一些實時改正引數。至於這些誤差如何計算並如何實時改正的,每個廠家可能都不一樣。
通過對測量資料的統計分析,測角誤差也包含平均誤差與標準差。只有平均誤差可以通過校準程式改正。隨機誤差是無法校準的,只能通過標準差(rms)來標出來。標準差即正太分布中的1sigma。所以測角誤差為0.007°的意思是有68.3%的雷射束角度誤差小於等於0.007°。因為所有點雲(直角座標系)都是通過極座標計算出來的(兩個角度乙個距離),所以角度誤差肯定會傳遞到點位誤差上。很明顯角度誤差在距離較遠時對點雲的三維誤差影響很大。
基於以上分析,測角誤差是乙個重要引數。但是很多廠家(**商)只標註儀器的角度解析度。角度解析度是機器能識別的最小角度,和測角精度毫無關係。
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